基于STC單片機的智能LED路燈控制器設計

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)，實踐應用效果良好，具有成本低、運行穩(wěn)定的特點。本控制器對智能化路燈管理有很大幫助，應用前景廣闊。

當前巨量的能源消耗和由此引起的能源短缺、價格上漲等已使得節(jié)約能源成為一項十分迫切的任務。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，LED光源自然成為城市公共照明的首選，同時目前國內(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行狀態(tài)信息、難以進行遠程控制等局限，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繁重，也增加了運行維護的費用?？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，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固。燈體內(nèi)也沒有松動的部分，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

當光通量衰減到80%時，其壽命達到了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造成污染，同時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、采樣電路、載波收發(fā)模塊等組成。系統(tǒng)上位機的命令和控制器的反饋都通過載波模塊利用電力線進行收發(fā)；路燈的電壓、電流由采樣電路實時采集；單片機實時處理采集的電壓、電流，進行判斷處理，同時判斷執(zhí)行上位機的指令，及時反饋路燈的信息。

3 硬件電路的設計

3.1 主要器件的選擇和相關的性能

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

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)字頻率校正的實時鐘電路、32 Bytes SRAM、電壓監(jiān)測、看門狗定時器及復位電路。它們通過標準的I2C 接口與外部的微處理器相聯(lián)，其中實時鐘與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)品性能價格比等方面有著出眾的表現(xiàn)。

3.2 通信技術(shù)特點

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

（1）擴頻通信技術(shù)其信號所占有的頻帶寬度遠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)制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關。接收端使用與發(fā)送端相同的擴頻碼進行相關解調(diào)，恢復出所傳輸?shù)男畔?。根?jù)香農(nóng)關于信道容量的理論：

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，只要相應地增加信號傳輸帶寬，也能夠達到可靠傳輸?shù)哪康?。擴頻通信就是基于這一原理。

（2）動態(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)和路由維護兩部分，下面分別進行描述。

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)整其可直達節(jié)點路由表。

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，直至到達目標終端。同時載波信號按原路徑返回，回到集中器之后，對路徑質(zhì)量進行評估， 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行更新。

由于電力線信道環(huán)境隨時間會發(fā)生緩慢的變化，信息素表中在較早時間里獲得的信息素會逐漸失去代表電力線信道當前環(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)的機制。同時為了避免搜索出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，設定了路徑上信息素的濃度值的上、下限。當獲得的最優(yōu)路徑達到要求的精度時，認為本次路由發(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，最終建立到達各終端的中心路由表。

算法中，載波信號在選擇下一個節(jié)點的時候，采用了氣距離作為約束的候選集策略，并結(jié)合了確定性隨機性的選路原則。首先，設定一個能正常通的電氣距離的閥值，當電氣距離大于這一閥值時，認為信道狀態(tài)較差，兩節(jié)點間不能直接通信。

從大量的實驗結(jié)果來看，最大可通信距離附近的節(jié)點在通信上并不穩(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]這個區(qū)間上的節(jié)點作為下一節(jié)點的候選集。同時通過公式（1）作為下一節(jié)點的選擇策略。

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

路由維護是指當以前的路由變得無效時或為了尋找一條更加適合當前電力線狀況的更優(yōu)路由，需要對路由表進行更新的過程。當集中器按照中心路由表中的路由向目標終端發(fā)送控制命令，由于該路由中某一路徑上的負載變大或受到強干擾而使通信失敗，則集中器在確認該路徑已經(jīng)不適合當前信道的情況下，將重新選擇路由或使用路由發(fā)現(xiàn)規(guī)則尋找到達目標節(jié)點的新路由。進行路由維護的搜索過程是針對個別節(jié)點或局部區(qū)域節(jié)點進行的，因此可以大大地節(jié)約時間。

3.3 電路設計

STC 單片機將路燈電壓、電流的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集，利用單片機內(nèi)部AD 進行轉(zhuǎn)換并與正常的上下限值進行比較得到路燈的運行狀態(tài)信息，判斷是否向上位機報警。STC 單片機的PWM 引腳輸出占空比可調(diào)的信號，直接控制LED 驅(qū)動芯片，調(diào)節(jié)LED 光源的亮度，實現(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行收發(fā)。控制器整體結(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、電流互感器感應交流的電壓、電流，再通過I-V 互換得出相應電壓值。

電力載波通信由PL2102 和STC 單片機配合操作完成，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)過推挽電路進行功率放大后，PSK-OUT 的方波信號被放大為IN 點信號。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 起保護作用。圖7 中包含接收回路部分。R3 在接收本地強發(fā)射信號時可以有效吸收衰減；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 設計，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計，能夠可靠地對城市路燈進行有效的數(shù)據(jù)采集，自動判斷，自動報警。同時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 光源進行調(diào)光操作，達到節(jié)能要求，具有體積小，工作可靠，控制便捷的優(yōu)點。智能LED 路燈控制器如能推廣使用，會使城市路燈管理工作提高到一個新的水平，不但節(jié)約能源，同時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 導通和關斷，在負載兩端產(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。通過實驗驗證得到的數(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。