范海洋+++胡一鳴+++黃偉杰

摘 要：傳統(tǒng)的路燈控制與維護(hù)手段已不能夠適應(yīng)現(xiàn)代化城市發(fā)展的要求，而電力資源己成為緊缺資源，而電能的相當(dāng)一部分消耗是在照明上，因此，設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度高、運(yùn)行可靠、高效節(jié)能、使用維護(hù)方便并能美化市容的照明路燈，是照明控制與管理現(xiàn)代化的必然要求，而LED在照明應(yīng)用中，因其具有節(jié)能、壽命長(zhǎng)、環(huán)保、體積小、響應(yīng)速度快、可靠性高、調(diào)控方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，正作為一種新型照明光源并獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，此路燈系統(tǒng)以兼容性好且價(jià)格低廉的Arduino作為主控，通過(guò)聲光控并自校準(zhǔn)延時(shí)控制路燈狀態(tài)，應(yīng)用PWM方式調(diào)節(jié)光強(qiáng)以適應(yīng)需要。

關(guān)鍵詞：調(diào)光；Arduino；LED；聲光控；自校準(zhǔn)

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 整體方案的設(shè)計(jì)

對(duì)于路燈系統(tǒng)，其工作是為了在光照強(qiáng)度不足時(shí)，為行人及行車(chē)提供足夠的光照?，F(xiàn)在的路燈控制系統(tǒng)多采用的是人工定時(shí)開(kāi)關(guān)的控制方式，即在某一個(gè)時(shí)間段如晚六點(diǎn)到早上六點(diǎn)之間路燈處于全開(kāi)狀態(tài)，其他時(shí)間路燈全關(guān)，這顯然是不合理的。當(dāng)突然遇到天氣不好需要路燈補(bǔ)充照明的時(shí)候，上述控制方式不能達(dá)到系統(tǒng)的要求。因此，本文按前面的要求設(shè)計(jì)了如下控制方式。通過(guò)光敏電阻采集到的光強(qiáng)以模擬量輸出通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)并根據(jù)不同光強(qiáng)輸出不同占空比以控制燈亮度，當(dāng)光強(qiáng)高于某一閥值時(shí)，關(guān)閉輸出以降低功耗，通過(guò)采集濾波后聲音的均值作為比較的基準(zhǔn)，當(dāng)出現(xiàn)高于此值的聲音時(shí)，確定為有聲音，并且每隔一定時(shí)間更新此均值作為自校準(zhǔn)，這樣可以適應(yīng)不同情況下的環(huán)境低噪。

1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及目標(biāo)

（1）設(shè)計(jì)亮度反饋及調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采集環(huán)境聲音與光強(qiáng)大小，以得出適當(dāng)?shù)目刂屏?，使得能量利用最大化?/p>

（2）運(yùn)用單片機(jī)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)和反饋系統(tǒng)來(lái)接受和處理各方數(shù)據(jù)并及時(shí)動(dòng)作以保證等工作狀態(tài)良好，并能適應(yīng)極端天氣等影響。

（3）歸納了一般LED照明對(duì)驅(qū)動(dòng)電源要求的前提下，選用了合適驅(qū)動(dòng)芯片，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源主電路。

（4）決定大功率LED的性能和路燈設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)中的散熱設(shè)計(jì)。

2 光控自動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片的選擇

經(jīng)過(guò)比較比較常用的51單片機(jī)，Arduino，stm32，我們確定了以Arduino作為主控，因Arduino很便捷靈活。Arduino的設(shè)計(jì)初衷是讓人們更加便宜且方便的控制機(jī)器人。但是無(wú)心插柳柳成蔭，現(xiàn)在的Arduino已經(jīng)在更多的領(lǐng)域展現(xiàn)出來(lái)他的價(jià)值，現(xiàn)在的Arduino擁有幾乎任何單片機(jī)都難以比擬的函數(shù)庫(kù)，且各種傳感器都具有驚人的通用性，在Arduino體系下，幾乎每款控制器都能兼容。這種巨大的優(yōu)勢(shì)，相信裸奔過(guò)各種不同單片機(jī)的工程師們一定有更深刻的體會(huì)。這些兼容性設(shè)計(jì)，使得Arduino雖然更多的是硬件，但是比傳統(tǒng)硬件離程序員甚至大眾更近了，所以現(xiàn)在的Arduino其實(shí)算是程序員想直接跟硬件交互的最好手段之一了。同時(shí)Arduino 的理念就是開(kāi)源，軟硬件完全開(kāi)放，技術(shù)上不做任何保留。針對(duì)周邊I/O設(shè)備的Arduino 編程，很多常用的I/O 設(shè)備都已經(jīng)帶有庫(kù)文件或者樣例程序，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改，即可編寫(xiě)出比較復(fù)雜的程序，完成功能多樣化的作品。以ATmega8P為例

產(chǎn)品特點(diǎn)

高性能，低功耗的AVR（R）8位微控制器

先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)

- 131條指令 - 絕大多數(shù)為單時(shí)鐘周期執(zhí)行

- 32個(gè)8位通用工作寄存器

- 全靜態(tài)工作

- 高達(dá)20 MIPS的吞吐量在20兆赫

- 片上2周期乘法器

·高耐用性非揮發(fā)性記憶體段

- 4/8/16 /的在系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash課程校內(nèi)存32K字節(jié)

（ATMEGA48PA/88PA/168PA/328P）

- 256/512/512 /1K字節(jié)的EEPROM（ATMEGA48PA/88PA/168PA/328P）

- 512/1K/1K/2K字節(jié)的片內(nèi)SRAM（ATMEGA48PA/88PA/168PA/328P）

- 寫(xiě)/擦除周期：10，000閃存/ EEPROM100000

- 數(shù)據(jù)保存：20年，在85℃/百年，在25℃（1）

- 可選Boot代碼區(qū)具有獨(dú)立鎖定位

在系統(tǒng)編程通過(guò)片上引導(dǎo)程序

真正的同時(shí)讀 - 寫(xiě)操作

- 鎖編程軟件安全

·外設(shè)特點(diǎn)

- 2個(gè)8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較模式

- 1個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器具有獨(dú)立預(yù)分頻器，比較功能和捕捉模式

- 實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器具有獨(dú)立振蕩器

- 六個(gè)PWM通道

- 8通道10位ADC的TQFP和QFN/ MLF封裝

溫度測(cè)量

- 6通道10位ADC PDIP封裝

溫度測(cè)量

- 可編程的串行USART

- 主/從SPI串行接口

- 面向字節(jié)的兩線串行接口（飛利浦I2C兼容）

- 可編程看門(mén)狗定時(shí)器具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器

- 片內(nèi)模擬比較器

- 中斷和喚醒引腳電平變化

·單片機(jī)的特殊功能

- 上電復(fù)位和可編程的掉電檢測(cè)

- 內(nèi)部校準(zhǔn)振蕩器

- 外部和內(nèi)部中斷源

- 六休眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制、省電、掉電、待機(jī)

和擴(kuò)展Standby

·I/O和封裝

- 23可編程I / O線

- 28引腳PDIP，32引腳TQFP封裝，28焊盤(pán)QFN/ MLF以及32焊盤(pán)的QFN/ MLF

·工作電壓：

- 1.8 - 5.5V的ATMEGA48PA/88PA/168PA/328P

·溫度范圍：

- -40℃至85℃

·速度等級(jí)：

- 0 - 20 MHz的@1.8 - 5.5V

·低功耗在1 MHz，1.8V，25℃ATMEGA48PA/88PA/168PA/328P：

- 主動(dòng)模式：0.2毫安

- 掉電模式：0.1μA

- 省電模式：0.75μA（包括32千赫，RTC）

8位 微控制器

具有4/8/16/32K 字節(jié)的可編程系統(tǒng)

2.2 聲光控電路處理

人能聽(tīng)到的聲音頻率范圍約20Hz到20000Hz，為盡量減少外界噪聲干擾，必須設(shè)計(jì)一帶通濾波器，去除噪聲干擾，濾波要求通頻帶內(nèi)平坦而過(guò)渡帶陡峭。一般情況下，巴特沃茲濾波器通頻帶內(nèi)平坦而過(guò)渡帶陡峭，此處采用4階巴特沃茲低通和四階巴特沃茲高通級(jí)聯(lián)，低通濾波器的截止頻率為3.4kHz，高通濾波器的截止頻率為300Hz，同時(shí)添加放大電路以適用于單片機(jī)檢測(cè)，光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見(jiàn)光）的強(qiáng)弱變化而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達(dá)1～10M歐，在強(qiáng)光條件（100LX）下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻器對(duì)光的敏感性（即光譜特性）與人眼對(duì)可見(jiàn)光（0.4～0.76）μm的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會(huì)引起它的阻值變化。

2.3 LED簡(jiǎn)介

LED在照明應(yīng)用中，因其具有節(jié)能、壽命長(zhǎng)、環(huán)保、體積小、響應(yīng)速度快、可靠性高、調(diào)控方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，雖然現(xiàn)在市場(chǎng)上較多的仍不是LED，但不可否認(rèn)LED正作為一種新型照明光源并獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

2.4 電源及LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

電源在這里采用成品的15V、50W開(kāi)關(guān)電源，一方面是節(jié)省了成本和開(kāi)銷(xiāo)；另一方面主要是保證了可靠性和安全性。對(duì)于一個(gè)安全可靠的開(kāi)關(guān)電源是需要由專業(yè)的電源工程師設(shè)計(jì)并調(diào)試后才可以投放市場(chǎng)的，我們這里主要的研究方向是路燈控制系統(tǒng)，而不是電源，所以采用市面上的成品開(kāi)關(guān)電源。

LED驅(qū)動(dòng)在這里使用上海芯龍半導(dǎo)體公司的XL6006升壓型LED驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器擁有180KHz的工作頻率和最大5A的開(kāi)關(guān)電流，可以保證驅(qū)動(dòng)電路的工作效率和可靠性。根據(jù)查閱官方數(shù)據(jù)手冊(cè)，這里設(shè)計(jì)了可以與AVR單片機(jī)兼容的PWM調(diào)光接口電路，可以由單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生需要的PWM調(diào)光信號(hào)來(lái)控制LED驅(qū)動(dòng)器從而達(dá)到單片機(jī)控制LED亮度的目的。

3 電路制作與調(diào)試

3.1 電路原理圖

LED驅(qū)動(dòng)器，見(jiàn)圖1

聲音傳感器（濾波），見(jiàn)圖2、圖3。

單片機(jī)原理圖，見(jiàn)圖4。

PCB圖，見(jiàn)圖5。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次的路燈設(shè)計(jì)是針對(duì)已經(jīng)存在的路燈進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)中使用了聲光控相結(jié)合并校正的方法，避免了聲光控方法易受環(huán)境因素干擾，同時(shí)省去了時(shí)控需頻繁設(shè)置時(shí)間的麻煩，為了節(jié)約用電，本路燈根據(jù)環(huán)境調(diào)節(jié)到合適光強(qiáng)，以適應(yīng)不同情況下的環(huán)境。

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