基于STC單片機(jī)的智能LED路燈控制器設(shè)計(jì)

摘要：為了充分節(jié)約能源，提高路燈控制系統(tǒng)的智能化，介紹了一種基于STC 單片機(jī)的智能LED 路燈控制器，引入在線監(jiān)測、PWM 和電力線載波通信技術(shù)，實(shí)踐應(yīng)用效果良好，具有成本低、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。本控制器對智能化路燈管理有很大幫助，應(yīng)用前景廣闊。

當(dāng)前巨量的能源消耗和由此引起的能源短缺、價(jià)格上漲等已使得節(jié)約能源成為一項(xiàng)十分迫切的任務(wù)。各國消耗的能源中很大一部分用于照明，其中城市公共照明（主要是道路照明和景觀照明）在我國照明耗電中占30%.有資料顯示，每年用于照明的電力在3 000 億度以上，若采用LED 照明，每年就可以節(jié)約1/3 的照明用電，基本上相當(dāng)于總投資規(guī)模超過2 000 億元的三峽工程的全年發(fā)電量。綜合以上優(yōu)點(diǎn)，LED光源自然成為城市公共照明的首選，同時(shí)目前國內(nèi)大部分城市的道路照明管理系統(tǒng)直至現(xiàn)在仍在沿用簡單的光控、鐘控等傳統(tǒng)控制方式。這些系統(tǒng)普遍存在著難以反饋路燈運(yùn)行狀態(tài)信息、難以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等局限，基本沒有節(jié)電效果，并且采用傳統(tǒng)的人工巡檢，不僅使路燈管理部門的任務(wù)繁重，也增加了運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用?？紤]到這些因素，本文針對LED 光源開發(fā)了智能路燈控制器。結(jié)合LED 光源的特點(diǎn)，并引入了電力線載波通信技術(shù)，PWM 調(diào)光技術(shù)。

1 LED 技術(shù)概述

1.1 體積小而堅(jiān)固耐用

LED 基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，它比燈泡和熒光燈管都堅(jiān)固。燈體內(nèi)也沒有松動(dòng)的部分，不易損壞。

1.2 耗電量低

一般來說LED 的工作電壓是2~3.6 V.工作電流是0.02~0.03 A.這就是說：它消耗的電不超過0.1 W.

1.3 使用壽命長

當(dāng)光通量衰減到80%時(shí)，其壽命達(dá)到了25 000 h.而金屬鹵化物燈的壽命在6 000~12 000 h,高壓鈉燈的壽命是12 000 h.

1.4 調(diào)光功能

由于LED 的工作范圍較大，其光輸出和工作電流成正比，因此可以通過減小電流的方法來調(diào)光。LED 的調(diào)光還可以采用脈沖寬度調(diào)節(jié)的方法來得到，通過調(diào)節(jié)電壓的占空比和工作頻率，有效調(diào)節(jié)LED 的發(fā)光強(qiáng)度。

1.5 環(huán)保

LED 是由無毒的材料制成，不像熒光燈含水銀會(huì)造成污染，同時(shí)LED 也可以回收再利用。

1.6 光色、顯色性好

在中間視覺水平下，人眼在高色溫環(huán)境里比低色溫環(huán)境更容易辨別事物。白光LED 的顯色性也比高壓鈉燈好很多，高壓鈉燈的顯色指數(shù)只有20 左右，而白光LED 可以達(dá)到65~80.

2 系統(tǒng)的工作原理

智能LED 路燈控制器是作為智能路燈控制系統(tǒng)參考的一部分，主要由STC 單片機(jī)、采樣電路、載波收發(fā)模塊等組成。系統(tǒng)上位機(jī)的命令和控制器的反饋都通過載波模塊利用電力線進(jìn)行收發(fā)；路燈的電壓、電流由采樣電路實(shí)時(shí)采集；單片機(jī)實(shí)時(shí)處理采集的電壓、電流，進(jìn)行判斷處理，同時(shí)判斷執(zhí)行上位機(jī)的指令，及時(shí)反饋路燈的信息。

3 硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1 主要器件的選擇和相關(guān)的性能

STC12C5404AD 單片機(jī)是一款高速、寬電壓、低功耗的增強(qiáng)型8051 內(nèi)核單片機(jī)，最高16 k 字節(jié)片內(nèi)Flash 程序存儲(chǔ)器，512 字節(jié)片內(nèi)RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。STC12C5404AD 有10 位ADC 通道捕獲/ 比較單元，6 個(gè)16 位定時(shí)器，硬件看門狗，高速SPI 通信端口，全雙工異步串行口，每個(gè)通用I/O 口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20 mA.在線可編程，無需編程器，無需仿真器，可遠(yuǎn)程升級，有效節(jié)約成本，方便客戶的各種應(yīng)用。

PL2102 是特別針對中國電力網(wǎng)惡劣的環(huán)境所研制開發(fā)的低壓電力線載波通信芯片。它僅由單一的+5 V 電源供電，以及一個(gè)外部的接口電路與電力線耦合。PL2102 除具備基本的通訊控制功能外，還內(nèi)置了五種常用的功能電路：可數(shù)字頻率校正的實(shí)時(shí)鐘電路、32 Bytes SRAM、電壓監(jiān)測、看門狗定時(shí)器及復(fù)位電路。它們通過標(biāo)準(zhǔn)的I2C 接口與外部的微處理器相聯(lián)，其中實(shí)時(shí)鐘與32 Bytes SRAM 在主電源掉電的情況下可由3 V 備用電池供電繼續(xù)保持工作。由于采用大規(guī)模數(shù)字/ 模擬混合0.35 μm CMOS 工藝制作，所以在抗干擾、抗衰落性能以及國內(nèi)外同類產(chǎn)品性能價(jià)格比等方面有著出眾的表現(xiàn)。

3.2 通信技術(shù)特點(diǎn)

本控制器采用了主流的擴(kuò)頻通信技術(shù)，有效提高了通信的可靠性，同時(shí)創(chuàng)造性的采用動(dòng)態(tài)路由算法，可靠的延長了控制范圍。

（1）擴(kuò)頻通信技術(shù)其信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必須的最小帶寬。頻帶的展寬是通過編碼及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)。接收端使用與發(fā)送端相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，恢復(fù)出所傳輸?shù)男畔ⅰ８鶕?jù)香農(nóng)關(guān)于信道容量的理論：

C=WLog2（1 十P/N）。

式中：C 稱為信道容量；W 是頻帶寬度；P/N 是信號與噪聲的功率比。此式說明：在保持信息容量C 不變的條件下，可以有不同的W 和P/N,亦即，如果頻帶寬度變寬，信道的信噪可以比較低，而可以達(dá)到同樣的信道容量（有效的信息傳輸速率）。甚至，在信號被噪聲淹沒的情況下，只要相應(yīng)地增加信號傳輸帶寬，也能夠達(dá)到可靠傳輸?shù)哪康?。擴(kuò)頻通信就是基于這一原理。

（2）動(dòng)態(tài)路由方法需要在集中器建立中心路由表和信息素表，各終端建立子路由表，集中器和所有終端都要建立各自的電氣距離表， 用來記錄與其能夠直接通信的其他終端的電氣距離。算法主要包含路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)兩部分，下面分別進(jìn)行描述。

路由發(fā)現(xiàn)，是指按一定的規(guī)則來尋找并發(fā)現(xiàn)路由，即路由邏輯樹的建立過程。集中器根據(jù)目的終端的回應(yīng)信號建立中心路由表，其他終端通過接收或監(jiān)聽電力線上的信號，根據(jù)計(jì)算出的電氣距離值不斷地更新其電氣距離表，從而調(diào)整其可直達(dá)節(jié)點(diǎn)路由表。

載波信號從集中器出發(fā)，根據(jù)約束集的約束、信息素濃度τi,j以及問題的啟發(fā)信息，按一定策略選擇下一終端，直至到達(dá)目標(biāo)終端。同時(shí)載波信號按原路徑返回，回到集中器之后，對路徑質(zhì)量進(jìn)行評估， 采用全局更新規(guī)則對迭代或全局最優(yōu)路徑上的信息素濃度進(jìn)行更新。

由于電力線信道環(huán)境隨時(shí)間會(huì)發(fā)生緩慢的變化，信息素表中在較早時(shí)間里獲得的信息素會(huì)逐漸失去代表電力線信道當(dāng)前環(huán)境狀況的效力，所以對其他路徑的信息素采取定期按照一定比例揮發(fā)的機(jī)制。同時(shí)為了避免搜索出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，設(shè)定了路徑上信息素的濃度值的上、下限。當(dāng)獲得的最優(yōu)路徑達(dá)到要求的精度時(shí)，認(rèn)為本次路由發(fā)現(xiàn)完成。集中器通過不斷發(fā)出尋路信號，來完成各終端的路由發(fā)現(xiàn)過程，最終建立到達(dá)各終端的中心路由表。

算法中，載波信號在選擇下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，采用了氣距離作為約束的候選集策略，并結(jié)合了確定性隨機(jī)性的選路原則。首先，設(shè)定一個(gè)能正常通的電氣距離的閥值，當(dāng)電氣距離大于這一閥值時(shí)，認(rèn)為信道狀態(tài)較差，兩節(jié)點(diǎn)間不能直接通信。

從大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，最大可通信距離附近的節(jié)點(diǎn)在通信上并不穩(wěn)定，不適合作為中繼使用，所以，在算法中選擇電氣距離為閥值的[1/2,3/4]這個(gè)區(qū)間上的節(jié)點(diǎn)作為下一節(jié)點(diǎn)的候選集。同時(shí)通過公式（1）作為下一節(jié)點(diǎn)的選擇策略。

式中：pi,j（t）為在第t 次迭代中，編號為i 的節(jié)點(diǎn)到編號為j 的節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移概率；τi,j（t）為路徑（i,j）上的信息素強(qiáng)度；a 為信息素調(diào)整因子；ηi,j為節(jié)點(diǎn)i 到節(jié)點(diǎn)j 的電氣距離值；allowed 為載波信號下一跳候選節(jié)點(diǎn)集合；q 為在[0,1]區(qū)間隨機(jī)產(chǎn)生的服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)；q0為載波信號選擇下一跳的概率度量閥值。當(dāng)q≤q0時(shí)，載波信號選擇信息素最大的路徑節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，這就是確定性選擇策略，當(dāng)q>q0時(shí)，根據(jù)公式（2），用賭輪法隨機(jī)選擇下一跳，這就是隨機(jī)性選擇策略。算法的確定性使選擇趨向于獲得最優(yōu)候選解，而隨機(jī)性則通過擾動(dòng)來發(fā)現(xiàn)新的解，防止陷入局部最優(yōu)。

路由維護(hù)是指當(dāng)以前的路由變得無效時(shí)或?yàn)榱藢ふ乙粭l更加適合當(dāng)前電力線狀況的更優(yōu)路由，需要對路由表進(jìn)行更新的過程。當(dāng)集中器按照中心路由表中的路由向目標(biāo)終端發(fā)送控制命令，由于該路由中某一路徑上的負(fù)載變大或受到強(qiáng)干擾而使通信失敗，則集中器在確認(rèn)該路徑已經(jīng)不適合當(dāng)前信道的情況下，將重新選擇路由或使用路由發(fā)現(xiàn)規(guī)則尋找到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的新路由。進(jìn)行路由維護(hù)的搜索過程是針對個(gè)別節(jié)點(diǎn)或局部區(qū)域節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的，因此可以大大地節(jié)約時(shí)間。

3.3 電路設(shè)計(jì)

STC 單片機(jī)將路燈電壓、電流的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用單片機(jī)內(nèi)部AD 進(jìn)行轉(zhuǎn)換并與正常的上下限值進(jìn)行比較得到路燈的運(yùn)行狀態(tài)信息，判斷是否向上位機(jī)報(bào)警。STC 單片機(jī)的PWM 引腳輸出占空比可調(diào)的信號，直接控制LED 驅(qū)動(dòng)芯片，調(diào)節(jié)LED 光源的亮度，實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能。電力載波模塊將需要傳遞的信息利用電力線進(jìn)行收發(fā)?？刂破髡w結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 整體結(jié)構(gòu)

如圖2、圖3 所示，電壓、電流采集電路[3]分別通過電壓、電流互感器感應(yīng)交流的電壓、電流，再通過I-V 互換得出相應(yīng)電壓值。

電力載波通信由PL2102 和STC 單片機(jī)配合操作完成，主要外圍電路有功率放大電路、濾波整形電路、耦合電路組成。電力載波通信主要電路組成見圖4.

圖4 載波電路

功率放大電路是用來將PL2102 芯片產(chǎn)生的載波調(diào)制信號進(jìn)行功率放大后耦合到電力線上。載波功能被使用后，載波信號由PSK-OUT 輸出，波形為0~5 V 變化的方波，包含豐富的諧波；經(jīng)過推挽電路進(jìn)行功率放大后，PSK-OUT 的方波信號被放大為IN 點(diǎn)信號。功率放大電路見圖5.

圖5 功率放大電路

圖7 中電感L1、電容C3 完成整形濾波后，再通過耦合線圈T1 耦合到低壓電力線上，雙向二極管D7 起保護(hù)作用。圖7 中包含接收回路部分。R3 在接收本地強(qiáng)發(fā)射信號時(shí)可以有效吸收衰減；電感L2、電容C6 組成并聯(lián)諧振回路，諧振以中心頻率為120 kHz 設(shè)計(jì)，完成對有效信號的帶通濾波；良好的選頻回路可以有效提高載波接收靈敏度。載波耦合及接收電路見圖6.

圖7 主程序框圖

圖8 中斷程序流程圖

5 結(jié)論

智能LED 路燈控制器采用智能化設(shè)計(jì)，能夠可靠地對城市路燈進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)判斷，自動(dòng)報(bào)警。同時(shí)它作為智能路燈系統(tǒng)的一部分，通過電力線載波通信技術(shù)與上位機(jī)方便地聯(lián)系，便捷地接收系統(tǒng)命令并且利用自有的PWM 功能對LED 光源進(jìn)行調(diào)光操作，達(dá)到節(jié)能要求，具有體積小，工作可靠，控制便捷的優(yōu)點(diǎn)。智能LED 路燈控制器如能推廣使用，會(huì)使城市路燈管理工作提高到一個(gè)新的水平，不但節(jié)約能源，同時(shí)也可減少照明燈具的損耗，因此具有廣泛的推廣前景。

由圖7 所示的脈沖信號控制IGBT 導(dǎo)通和關(guān)斷，在負(fù)載兩端產(chǎn)生等效于圖4 的電壓，從而使電感L 上的電壓如圖8 所示，最終產(chǎn)生的電流波形如圖9.可以看出，電流波形為線性度良好的三角波。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到的數(shù)據(jù)與理論分析結(jié)果相一致，證明了該系統(tǒng)的正確性和可行性。