基于STC单片机的智能LED路灯控制器设计 - 全文

　　摘要：为了充分节约能源，提高路灯控制系统的智能化，介绍了一种基于STC 单片机的智能LED 路灯控制器，引入在线监测、PWM 和电力线载波通信技术，实践应用效果良好，具有成本低、运行稳定的特点。本控制器对智能化路灯管理有很大帮助，应用前景广阔。

　　当前巨量的能源消耗和由此引起的能源短缺、价格上涨等已使得节约能源成为一项十分迫切的任务。各国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观照明）在我国照明耗电中占30%.有资料显示，每年用于照明的电力在3 000 亿度以上，若采用LED 照明，每年就可以节约1/3 的照明用电，基本上相当于总投资规模超过2 000 亿元的三峡工程的全年发电量。综合以上优点，LED光源自然成为城市公共照明的首选，同时目前国内大部分城市的道路照明管理系统直至现在仍在沿用简单的光控、钟控等传统控制方式。这些系统普遍存在着难以反馈路灯运行状态信息、难以进行远程控制等局限，基本没有节电效果，并且采用传统的人工巡检，不仅使路灯管理部门的任务繁重，也增加了运行维护的费用。考虑到这些因素，本文针对LED 光源开发了智能路灯控制器。结合LED 光源的特点，并引入了电力线载波通信技术，PWM 调光技术。

　　1 LED 技术概述

　　1.1 体积小而坚固耐用

　　LED 基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，不易损坏。

　　1.2 耗电量低

　　一般来说LED 的工作电压是2~3.6 V.工作电流是0.02~0.03 A.这就是说：它消耗的电不超过0.1 W.

　　1.3 使用寿命长

　　当光通量衰减到80%时，其寿命达到了25 000 h.而金属卤化物灯的寿命在6 000~12 000 h，高压钠灯的寿命是12 000 h.

　　1.4 调光功能

　　由于LED 的工作范围较大，其光输出和工作电流成正比，因此可以通过减小电流的方法来调光。LED 的调光还可以采用脉冲宽度调节的方法来得到，通过调节电压的占空比和工作频率，有效调节LED 的发光强度。

　　1.5 环保

　　LED 是由无毒的材料制成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED 也可以回收再利用。

　　1.6 光色、显色性好

　　在中间视觉水平下，人眼在高色温环境里比低色温环境更容易辨别事物。白光LED 的显色性也比高压钠灯好很多，高压钠灯的显色指数只有20 左右，而白光LED 可以达到65~80.

　　2 系统的工作原理

　　智能LED 路灯控制器是作为智能路灯控制系统参考的一部分，主要由STC 单片机、采样电路、载波收发模块等组成。系统上位机的命令和控制器的反馈都通过载波模块利用电力线进行收发；路灯的电压、电流由采样电路实时采集；单片机实时处理采集的电压、电流，进行判断处理，同时判断执行上位机的指令，及时反馈路灯的信息。

　　3 硬件电路的设计

　　3.1 主要器件的选择和相关的性能

　　STC12C5404AD 单片机是一款高速、宽电压、低功耗的增强型8051 内核单片机，最高16 k 字节片内Flash 程序存储器，512 字节片内RAM 数据存储器。STC12C5404AD 有10 位ADC 通道捕获/ 比较单元，6 个16 位定时器，硬件看门狗，高速SPI 通信端口，全双工异步串行口，每个通用I/O 口驱动能力均可达到20 mA.在线可编程，无需编程器，无需仿真器，可远程升级，有效节约成本，方便客户的各种应用。

　　PL2102 是特别针对中国电力网恶劣的环境所研制开发的低压电力线载波通信芯片。它仅由单一的+5 V 电源供电，以及一个外部的接口电路与电力线耦合。PL2102 除具备基本的通讯控制功能外，还内置了五种常用的功能电路：可数字频率校正的实时钟电路、32 Bytes SRAM、电压监测、看门狗定时器及复位电路。它们通过标准的I2C 接口与外部的微处理器相联，其中实时钟与32 Bytes SRAM 在主电源掉电的情况下可由3 V 备用电池供电继续保持工作。由于采用大规模数字/ 模拟混合0.35 μm CMOS 工艺制作，所以在抗干扰、抗衰落性能以及国内外同类产品性能价格比等方面有着出众的表现。

　　3.2 通信技术特点

　　本控制器采用了主流的扩频通信技术，有效提高了通信的可靠性，同时创造性的采用动态路由算法，可靠的延长了控制范围。

　　（1）扩频通信技术其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必须的最小带宽。频带的展宽是通过编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关。接收端使用与发送端相同的扩频码进行相关解调，恢复出所传输的信息。根据香农关于信道容量的理论：

　　C=WLog2（1 十P/N）。

　　式中：C 称为信道容量；W 是频带宽度；P/N 是信号与噪声的功率比。此式说明：在保持信息容量C 不变的条件下，可以有不同的W 和P/N，亦即，如果频带宽度变宽，信道的信噪可以比较低，而可以达到同样的信道容量（有效的信息传输速率）。甚至，在信号被噪声淹没的情况下，只要相应地增加信号传输带宽，也能够达到可靠传输的目的。扩频通信就是基于这一原理。

　　（2）动态路由方法需要在集中器建立中心路由表和信息素表，各终端建立子路由表，集中器和所有终端都要建立各自的电气距离表， 用来记录与其能够直接通信的其他终端的电气距离。算法主要包含路由发现和路由维护两部分，下面分别进行描述。

　　路由发现，是指按一定的规则来寻找并发现路由，即路由逻辑树的建立过程。集中器根据目的终端的回应信号建立中心路由表，其他终端通过接收或监听电力线上的信号，根据计算出的电气距离值不断地更新其电气距离表，从而调整其可直达节点路由表。

　　载波信号从集中器出发，根据约束集的约束、信息素浓度τi，j以及问题的启发信息，按一定策略选择下一终端，直至到达目标终端。同时载波信号按原路径返回，回到集中器之后，对路径质量进行评估， 采用全局更新规则对迭代或全局最优路径上的信息素浓度进行更新。

　　由于电力线信道环境随时间会发生缓慢的变化，信息素表中在较早时间里获得的信息素会逐渐失去代表电力线信道当前环境状况的效力，所以对其他路径的信息素采取定期按照一定比例挥发的机制。同时为了避免搜索出现停滞现象，设定了路径上信息素的浓度值的上、下限。当获得的最优路径达到要求的精度时，认为本次路由发现完成。集中器通过不断发出寻路信号，来完成各终端的路由发现过程，最终建立到达各终端的中心路由表。

　　算法中，载波信号在选择下一个节点的时候，采用了气距离作为约束的候选集策略，并结合了确定性随机性的选路原则。首先，设定一个能正常通的电气距离的阀值，当电气距离大于这一阀值时，认为信道状态较差，两节点间不能直接通信。

　　从大量的实验结果来看，最大可通信距离附近的节点在通信上并不稳定，不适合作为中继使用，所以，在算法中选择电气距离为阀值的［1/2，3/4］这个区间上的节点作为下一节点的候选集。同时通过公式（1）作为下一节点的选择策略。

　　

　　式中：pi，j（t）为在第t 次迭代中，编号为i 的节点到编号为j 的节点的转移概率；τi，j（t）为路径（i，j）上的信息素强度；a 为信息素调整因子；ηi，j为节点i 到节点j 的电气距离值；allowed 为载波信号下一跳候选节点集合；q 为在［0，1］区间随机产生的服从均匀分布的随机数；q0为载波信号选择下一跳的概率度量阀值。当q≤q0时，载波信号选择信息素最大的路径节点作为下一跳节点，这就是确定性选择策略，当q》q0时，根据公式（2），用赌轮法随机选择下一跳，这就是随机性选择策略。算法的确定性使选择趋向于获得最优候选解，而随机性则通过扰动来发现新的解，防止陷入局部最优。

　　路由维护是指当以前的路由变得无效时或为了寻找一条更加适合当前电力线状况的更优路由，需要对路由表进行更新的过程。当集中器按照中心路由表中的路由向目标终端发送控制命令，由于该路由中某一路径上的负载变大或受到强干扰而使通信失败，则集中器在确认该路径已经不适合当前信道的情况下，将重新选择路由或使用路由发现规则寻找到达目标节点的新路由。进行路由维护的搜索过程是针对个别节点或局部区域节点进行的，因此可以大大地节约时间。

　　3.3 电路设计

　　STC 单片机将路灯电压、电流的现场数据进行采集，利用单片机内部AD 进行转换并与正常的上下限值进行比较得到路灯的运行状态信息，判断是否向上位机报警。STC 单片机的PWM 引脚输出占空比可调的信号，直接控制LED 驱动芯片，调节LED 光源的亮度，实现有效的节能。电力载波模块将需要传递的信息利用电力线进行收发。控制器整体结构见图1.

　　

　　图1 整体结构

　　如图2、图3 所示，电压、电流采集电路［3］分别通过电压、电流互感器感应交流的电压、电流，再通过I-V 互换得出相应电压值。

　　

　　图2 电压采集电路

　　

　　图3 电流采集电路

　　电力载波通信由PL2102 和STC 单片机配合操作完成，主要外围电路有功率放大电路、滤波整形电路、耦合电路组成。电力载波通信主要电路组成见图4.

　　

　　图4 载波电路

　　功率放大电路是用来将PL2102 芯片产生的载波调制信号进行功率放大后耦合到电力线上。载波功能被使用后，载波信号由PSK-OUT 输出，波形为0~5 V 变化的方波，包含丰富的谐波；经过推挽电路进行功率放大后，PSK-OUT 的方波信号被放大为IN 点信号。功率放大电路见图5.

　　

　　图5 功率放大电路

　　图7 中电感L1、电容C3 完成整形滤波后，再通过耦合线圈T1 耦合到低压电力线上，双向二极管D7 起保护作用。图7 中包含接收回路部分。R3 在接收本地强发射信号时可以有效吸收衰减；电感L2、电容C6 组成并联谐振回路，谐振以中心频率为120 kHz 设计，完成对有效信号的带通滤波；良好的选频回路可以有效提高载波接收灵敏度。载波耦合及接收电路见图6.

　　

　　图6 载波耦合及接收电路

　　4 路灯控制器的软件设计

　　软件程序使用C51 语言，采用模块化方式编程。软件主要由主程序、AD 采样程序、PWM 程序、通信程序组成。

　　4.1 主程序

　　系统开始工作后主程序首先对单片机内部及外部的资源初始化，然后依次调用各功能模块程序。

　　4.2 A/D 采样程序

　　A/D 采样程序由主程序循环调用，每次对外部10 个模拟量采集12 次，经由数字滤波后送到数据缓冲区，供其他程序使用。

　　4.3 PWM 程序

　　单片机将上位机命令解码后，内部控制寄存器置位，启动可编程计数器阵列（PCA）/PWM 工作，输出可调PWM，实现调光的功能。

　　4.4 通信程序

　　载波通信模块提供透明数据传输通道，用户通信的可靠性由用户的通信协议保证。上位机通过载波通信模块向路灯控制器发出命令，由STC 命令解码后，置位相应的寄存器，实现对应功能。

　　主程序框图、中断程序流程图见图7、图8.

　　

　　图7 主程序框图

　　

　　图8 中断程序流程图

　　5 结论

　　智能LED 路灯控制器采用智能化设计，能够可靠地对城市路灯进行有效的数据采集，自动判断，自动报警。同时它作为智能路灯系统的一部分，通过电力线载波通信技术与上位机方便地联系，便捷地接收系统命令并且利用自有的PWM 功能对LED 光源进行调光操作，达到节能要求，具有体积小，工作可靠，控制便捷的优点。智能LED 路灯控制器如能推广使用，会使城市路灯管理工作提高到一个新的水平，不但节约能源，同时也可减少照明灯具的损耗，因此具有广泛的推广前景。

　　由图7 所示的脉冲信号控制IGBT 导通和关断，在负载两端产生等效于图4 的电压，从而使电感L 上的电压如图8 所示，最终产生的电流波形如图9.可以看出，电流波形为线性度良好的三角波。通过实验验证得到的数据与理论分析结果相一致，证明了该系统的正确性和可行性。