毕业设计论文-LED路灯单元控制器设计.docx

第 2 页 共 页 编号： 毕业设计说明书题 目： LED路灯单元控制器设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2016年 6 月 3 日摘 要LED光源具有环保无污染、光效高、显色性好、寿命长、节能效果明显等优点，有着巨大的发展潜力，是普通照明和路灯照明的理想光源。随着LED路灯技术的不断发展和响应国家节能减排的号召，LED光源成为一股新的力量在照明领域中迅速发展。本文以LED作为路灯照明光源，设计一款LED路灯单元控制器，结合实际设计相应的远程控制策略，实现路灯系统检测电流电压及照度、调节亮度的功能。本文先介绍了LED路灯单元控制器的课题研究背景、LED路灯的优点及其发展现状趋势，阐述了LED路灯单元控制器的设计要求和设计重点。控制功能的重点是对LED路灯的时控、季控和照度条件控制；测量的重点是对系统电流、电压、电能及开关信号进行检测。通过查阅和对比各种实现方法，并结合应用的实际情况，对系统的设计方案进行选择和论证，设计了系统的工作原理。选择RS-485通信方式实现控制核心与驱动电路之间数据的传输和命令发送，利用控制器控制路灯在设定的时间自动开灯或关灯，并能够随着环境照度的变化改变自身发光亮度，从而实现路灯系统的智能化，方便工作人员对路灯的监控，在节能的同时也节省了工作量。本文对LED路灯单元控制器硬件制作和软件编程过程作了详细描述，具体包括元器件选择、相关参数计算 、硬件电路原理设计、控制程序的编辑等。最后制作了演示装置，能够实现路灯的时控功能，检测系统的电流、电压，并分析了调试的具体过程及出现问题的解决方法。关键词：控制器；LED光源；时控；RS-485AbstractLED lamp has the advantages of Environmental protection without pollution, high light efficiency, good color rendering, long service life, Energy saving effect is obvious and so on. LED lamp technology has great potential for development, It is the ideal light source for general lighting and street lighting. With the continuous development of LED lamp technology, as well as to respond to the call of the national energy, LED light source has become a new force in the rapid development of the field of lighting. In this paper, we design a LED street lamp unit controller based on LED lamp, which can realize the detection of current voltage and light illumination, and also able to adjust the brightness of the lights. This paper first introduces the research background, advantages and development trend of the LED street lamp unit controller. It describes the LED lights unit controller design requirements and design focus. The focus of the control function is to control the time, the season and the illumination condition of the LED street lamp. The focus is on measuring the system current, voltage, power and signal detection switch. Through consulting and comparing various implementation methods, and combined with the actual situation of the application, the design of the system to choose and demonstrate, also design the works of system. Selecting RS-485 communication mode to realize the data transmission and command transmission between the control core and the drive circuit, using the controller control the lights automatically turn on the lights on or off at a set time, and it can change with the change of ambient light intensity, so as to realize the intelligent street lamp system, facilitating staff to monitor lights, energy-saving, while also saving the workload. In this paper, LED lights unit controller hardware and software make the programming process is described in detail, including component selection, calculation parameters, hardware circuit design, control program editing. Finally produced a demonstration device, the time value can be set to control the running status lights, detecting the current and voltage of the system, and analyzes the specific process of debugging solutions and problems.Key words: controller; LED light source; timed; RS-485桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目 录桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 37 页 共 40 页 1 绪论1.1 课题背景、研究目的及意义1.1.1 课题背景传统照明的光源类型主要有3大类：白炽灯、荧光灯、气体放电灯等。长久以来，路灯照明中起着主导作用的是高压钠灯、金属卤化物灯等传统光源，它们的整体光效较低、色性较差、启动时间较长、容易大量发热，发光的范围达到360，不需要照明的区域一样发光，浪费能源。随着我国节能减排国策的深入实施，对路灯系统的控制和管理的智能化和远程化的要求越来越高。对比传统光源，LED发光效率极高，很轻松就能把光亮照射到需要照明的区域。LED的白色光模拟日光照射颜色，显色比高压钠灯要自然得多，人们可以更容易看清和判别事物。除此之外，还可以采用脉冲宽度调节的方式对LED光源调光，提高光照效率，节约能源。LED灯在显色、节能、寿命以及数字化可控程度上都有着突出的优势，让我们看到其巨大的发展潜力，是普通照明和路灯照明的理想光源。随着LED路灯技术的不断发展，使它的费用正在慢慢的降低，为 LED路灯的广泛使用提供了更可行的条件，也因为其明显的节能效果，各地政府广泛推广LED路灯产品。1.1.2 研究目的及意义目前，道路照明的耗电占照明用电量的25%30%，道路照明在节能上还有很大的潜力和空间5。如今能源局势紧张，我们需要一个具有节能、环保、亮度可调、寿命长、耗能少等优势的理想光源，而LED路灯的优势则让我们看到了道路照明新的发展趋势。在LED照明领域，随着设备成本下降、企业招工困难、人员工资普遍上涨，员工管理成本、企业用地成本、产品质量要求的不断提高等各方面因素影响，LED照明生产企业对生产设备自动化、智能化的需求日益强烈。LED照明是未来照明发展的必然趋势。1.2 LED照明的发展趋势随着LED行业技术的不断发展，LED照明产品的质量明显提升，价格越来越便宜，以及政府政策推广和企业宣传作用下，人们对LED照明产品的认识慢慢得到了提高。因此，LED照明产品在近几年市场的需求中得到持续快速增长，中国LED照明行业飞速的发展起来。根据中国产业调研网中国LED路灯行业现状调研及发展趋势分析报告的数据可知，LED户外功能性照明的市场规模在中国大陆逐年增长，2012年达到72亿元，同比增长61%；2013年达到99.36亿元，增长38%；2014年达到124.2亿元，同比增长25%；2015年135亿元，LED路灯渗透率24%。目前我国LED路灯行业逐渐由成长性产业发展为成熟性产业，除了满足国内市场，部分产品能够出口国外市场，市场竞争将会越来越激烈。1.3 设计内容及要求路灯配电系统的特点是供电单元功率不大但线路延伸距离较长，会损失较大的电压，能耗大，随着我国颁布节能减排的政策同时不断推广，路灯系统在控制和管理上被要求应有更高的智能化和远程化。课题设计要求针对采用LED光源的路灯设计一种照明单元控制器，设计方案围绕太阳能发电与电网联合供电、路灯的集中控制策略和通信手段的选择展开。 课题设计控制器的总体方案，包括测量参数的种类、通信方式的种类、电源种类、基本控制功能等。设计的重点在设计时控、季控、照度条件控制和远程指令控制等；测量功能的重点是设计照度（01000Lx）、电压（0220V）、电流（030A），电能测量，开关量信号（8路）检测。完成设计后，选择典型功能制作演示装置。2 系统方案设计及论证2.1 路灯控制系统方案设计2.1.1 系统总体结构设计课题设计的LED路灯控制系统如图2-1所示。图2-1 LED路灯控制系统图LED路灯控制系统分为三个部分：远程端、RS-485通信总线、单元控制器。远程端为整个系统的总控制部分，分别监控每个单元控制器的运行状态，每个单元控制器控制着一盏LED路灯。（1）远程端系统结构远程端系统相当于整个系统的总站，在远程端中可以清楚监控到每一个单元控制器的运行状况，如电流、电压、电能和照度等。当单元控制器出现故障如发生短路或断路故障时，远程端报警并指示故障点，对单元控制器进行手动或智能控制，改变单个控制器的运行状态。又如通过对远程端进行手动操作后，远程端对单元控制器发出远程控制指令，控制单元控制器打开或者关闭路灯，远程端还能对单元控制器的季控、时控等参数进行修改。（2）单元控制器单元控制器能检测照度、驱动LED光源、处理模数信息、检测电流电压电能和显示数据，同时接收远程端的控制指令并反馈信息。供电电源向每个模块提供电力，系统时钟始终同步实际时间，在某个季节的某一天，当时间走到设定的值时，处理器就会对光源进行开通或关断的驱动控制。根据设计要求，路灯系统能够利用照度检测模块测出当时环境的照度情况并显示，发送到远程端，根据照度信息远程端将数据进行处理并发出控制指令，对LED光源进行调光驱动控制。为了能够更好地掌控电路情况，系统中安置的显示器能够显示电路实时的电流、电压情况，以便监控。单元控制器的运行状态通过485通信串口总线反馈到远程端。（3）RS-485通信串口总线485通信协议是远程端和各个单元控制器的信息通道，每个路灯单元控制器是485总线上的从机，远程端为主机，采用一主多从的方式使远程端的远程控制指令能够精确地传送到每个单元控制器，同时单元控制器的运行状况和信息也能够通过485总线及时向远程端应答。例如，远程端给单元控制器1和单元控制器2开灯命令时，单元控制器接收命令，通过使能LED驱动模块点亮LED，打开后单元控制器处于自动工作状态，此时两个单元控制器的独立开关闭合，于是LED灯点亮。单元控制器检测两个支路的电流、电压、照度等状态信息，形成的反馈信息通过RS-485通信串口总线发送给远程端。在远程端设置的程序根据反馈信息中的电流、电压、照度的变化数据来判断路灯是不是已经打开了，如果反馈的是确认的信号，则路灯打开；如果反馈的是一个否认信号，则该支路系统发生故障；如果远程控制系统没有接收到任何反馈信息，则认为是通讯失败，并重新发送开灯命令。2.1.2 路灯供电系统图2-2 路灯供电系统示意图LED路灯系统接入城市380/220V电压网络，从电网中获得电力，根据实际情况从总线上分出n个支路，图2-2所示为两个支路，每个大的支路上最多可以分出8个小的支路系统，一个开关控制一个小的支路，也就是一盏LED灯，为了加以区别，我们可以把这些小支路分别成为第一支路，第二支路，第八支路。因为实际的施工会比较复杂，现场可能会出现很多不同的布线方式，但是控制的方式不变。LED路灯的开灯和关灯状态是通过相应线路的电流和电压信息来获取，通过支路的传输，在控制器中进行A/D转换，把LED路灯的运行状态传送到远程端。整个路灯系统由分布在各个区域的若干个子系统组成，并设有一个总的远程控制端。子系统对每一个区域中的各照明支路进行监控，主要实现开/关灯的时间控制，LED路灯的亮度调节，电流、电压和电能的实时测量，线路运行状态自检等。远程控制端统一控制各个区域的路灯子系统，例如，为了统一和管理方便，可集中控制路灯系统在夜幕降临之时统一打开，在天亮以后统一关闭，既方便人们的生活，又可减少路灯系统控制的工作量。2.2 系统工作原理概述系统共有三大模块，远程端，485总线，单元控制器。（1） 单元控制器单元控制器能够实现时间控制，季节控制，照度检测，电流、电压、电能检测等功能，在单元控制器中可以分成实现各个功能的小模块，主要有照度检测模块，电流、电压检测模块，A/D转换模块，供电电源模块，LED驱动模块。在照度模块中，需要一个能感知光照强度变化并作相应改变的元器件，而光敏电阻对光照敏感，当外界光照强度变化时，光敏电阻的阻值做出相应变化。利用这个特性，光照检测电路加入光敏电阻，一般采用光敏电阻串联固定电阻的方法，将光照信息转换成电压信息，发送给单片机，经处理发送指令驱动光源达到控制LED路灯亮度的目的。单片机只能处理数字信号，而系统的电压值为模拟信号，单片机不能直接处理系统的模拟信号，因此在单元控制器中加入A/D模数转换芯片，将各种模拟信息转换成单片机可读的数字信号。设计采用模数转换芯片ADC0832，它可以将模拟信号编码成256个不同的离散值13。A/D转换芯片的测量范围是0到5V，二进制编码在0到5V的转换范围是0到255，如：当输入的电压大小为2.5V时，输出的编码为128，单片机可读。检测的电流和电压是LED路灯380/220V电网的参数，设计中先将高电压、大电流用互感器转换成小电压、小电流信号，运用运算放大器对电网的电压和电流进行变换，需检测的电流、电压都转换成检测电路的电压值。利用运算放大器虚短、虚断的特性，配合电阻、电容、二极管或其他元器件的使用，实现检测电路需要的功能。LED驱动电路中采用的是集成控制芯片，单元控制器的单片机能够从远程端接收传输的信息，通过LED集成控制芯片对LED光源进行恒流驱动。单片机是路灯单元控制器的核心部分，主要作用是接收和处理数据，控制各个模块的正 常运行。如单片机通过读取AD芯片的值计算电网的电压和电流，再通过485通信总线传送到远程端，还能根据当前时间与设定时间的对比、远程端的指令及检测按键的情况来改变路灯的运行方式。（2） 远程端远程控制模块中也有一个单片机，这个单片机需要将单元控制器传送过来的信息进行读取和处理，并在液晶显示器上显示出来，当远程端的操作人员发出改变路灯运行状态的指令时，远程端单片机则通过远程串口通信将信息发送给单元控制器的单片机，由单元控制器中的单片机对LED驱动模块进行控制，改变路灯的运行方式。（3） 485总线系统之间数据传输的方式按照介质的不同分为无线和有线两类。无线通信无线通信方式泛指不需要物理接线的通信，它利用电磁波的辐射和传播，经空间传送信息。如今的无线通信无处不在，平时我们看到的数字电视、手机上网等等，从电视到电脑再到手机都应用到了无线通信。当通信距离较远或者距离较近但布线不方便时，采用无线通信方式是不错的选择。无线通信的建设和维护成本比较低，扩展性高、设备维护容易，这些优点使其在近几年的市场上成为发展最快的通信方式。但同时它也有缺点：无线通信方式只能在视线范围内建立通信链，当两个通信点之间出现树木或者建筑，会削弱无线通信的信号强度；虽然无线通信能够有一个较长通信距离，但目前民用的无线设备所达到的距离仍有一定的局限，当天气条件较差、数据速率较低等情况时，通信会受到一定的限制；多机通信时，传输频率的处理容易出现错误，抗干扰能力较差。有线通信有线通信方式指的是有物理接线的通信方式，利用金属导线、光纤等传送信息。有线通信拥有专用的驱动器，使它的传送距离远、通信容量大、信号干扰少、传输质量佳，而光纤通信更能有效排除各种电磁的干扰。目前最常用的有线通信有RS-232、RS-458通信和CAN总线，很多场合用的是RS-232、RS-458通信。信号传输方式又分并行传输、串行传输、异步传输和同步传输。a.并行传输并行传输指的是数据在多条并行信号通道上以成组的方式同时进行传输。信号的接收和发送双方不存在字符的同步问题，不用加起、止信号或者其他信号来实现双方的字符同步。但是并行传输需要双方有并行的通道才能实现。b.串行传输串行传输指的是代码按照时间顺序在一条通道上一位一位的发送和传输，速度较慢，但只需要一条通道，建造成本较低，容易实现，是现在最见、使用频率最高的一种传输方式。c.异步传输 异步传输又称起止式同步。发送一个字符代码时分别需要在代码前、后加上“起”、“止”信号。字符的发送方式简单，双方不需要精确同步也可以进行正常的通信。但要在信号里增加起、止信号导致发送效率较低。d.同步传输同步传输是位同步传输方式。该方式需要接收和发送信号的双方建立精确的定位信号，不加起、止信号，传输效率较高，但是对于技术的要求较高。综上所述，本课题采用RS-485串行通信方式。485总线是一种异步串行通信，是基于232总线发展而来的，采用差分电平解决232总线容易受到共模干扰的缺点。 2.3 路灯控制器的时间和季节控制路灯的时控，顾名思义就是根据时间控制路灯的开关。时控经常被利用到各种路灯控制场合，是目前路灯控制系统的主要控制方式，但由于四季太阳落山的时间不同，如果采用单一的时控可能会引起夏天开灯过早、关灯过晚，冬天开灯过晚、关灯过早的情况，使路灯不能发挥把夜晚照明的功能发挥好，造成能源的浪费。为了解决这个问题，往往在时控的基础上加上季节控制，根据所在地区实际情况设定路灯开关灯的时间，提高用电效率，减少资源浪费。2.4 路灯控制器照度控制近年来经济在不断地发展，交通运输的各项要求也在不断增加，道路照明设施的规模及数量越来越大，使用的电能量也在不断攀升。而同一时段不同的地点，同一地点不同时段需要不一样的照度，如在市中心或者人流量比较大的地区，路灯的照度需要大一些，使更多的人能够在明亮的照度中辨别清楚周边的事物，而在郊区或者街头巷尾的区域则不需要太大的照度也能提供足够的照明需要；夜晚的20：0024：00是人们夜间活动最活跃的时段，路灯的照度需求较大，而在深夜到次日凌晨大多数人已经休息，应把路灯的照度适当减小，某些地方甚至可以关闭照明。为了节约能源，我们应该在施工之前了解清楚需要设置路灯的区域对照明的需求，然后再根据实际情况对路灯的照度进行对比和选取，选择适合的照度方式给道路提供照明。因此，参考城市道路照明设计标准(征求意见稿)以及工程实践，照明等级可以分出六级，在具体工程中会按照道路的各种具体情况来选择使用的照度标准进行施工，表2-1中给出了如何选取照度的对照方法。表2-1 照度选取表照明等级国家行业标准推荐做法适用道路平均照度Eav(lx)照度均匀度Emin/Eav平均照度Eav(lx)照度均匀度Emin/Eav一级200.420300.5快速干道二级150.3520250.4主干道三级80.3510150.35次干道四级50.308100.30支路五级50.20住宅区机动车道六级230.1住宅区人行道或非机动车道2.5 路灯控制器的太阳能发电与电网联合供电世界能源短缺，供不应求，使得常规能源价格不断上涨，而太阳能是一种利用太阳的热辐射能进行发电的可再生资源，绿色环保，开发潜力巨大。目前照明消耗的电能约占总电力消耗的20%，如果使用太阳能和电网联合给路灯进行供电，将大大降低照明用电占电力的比重。太阳能路灯一般采取的方法是白天用太阳能电池板向铅蓄电池充电，晚上蓄电池对路灯进行放电，当阴天或者雨天的时候由于太阳能的光照度不足，无法给蓄电池补充足够的电能来维持夜晚的照明，此时控制器就将路灯的电源切换到电网上，使用电网对系统供电。3 系统硬件设计本章节主要介绍设计LED路灯单元控制器硬件的过程。3.1 系统硬件概述及功能框图课题中设计了一个LED路灯单元控制器及其远程端，控制器能够实现按时间和季节控制LED路灯的亮灭，并实现按照度条件调节LED路灯的亮度，远程指令控制等；控制器具有测量控制器及LED路灯的电压、电流及其所消耗电能的功能，并能够测量8路开关量信号。为了实现远程指令控制，控制器要求具有远程通讯的接口，并设计相应的通信协议。远程端可以接收控制器的信号，同时也能够给控制器发送信号，在显示器中显示。远程端设置按键电路，由此来实现对控制器的远程指令控制。根据设计任务，LED路灯单元控制器的硬件框架如图3-1所示；图3-1 控制器硬件结构框图图3-1中，LED路灯单元控制器分别由电源电路、单片机、按键、电压电流电能检测电路、照度检测模块、时钟芯片、显示器、RS-485通讯电路和LED驱动电路组成，系统中选择单片机作为主控器件，时钟芯片为系统提供精确的时间信息。单片机不断地从时钟芯片读取时间信息，并与系统设定的开关路灯时间作对比，当时间走到设定值时单片机通过控制LED驱动电路实现路灯的开关。系统设置了按键和RS-485通讯电路，其目的是使开关灯远程指令控制功能可以进行手动操作。单片机通过电压、电流、电能检测电路检测出当前LED路灯单元控制器电源的电压、电流及其控制器所消耗的电能，通过显示器把信息显示出来，并通过RS-485通讯电路把电压、电流、电能等信息发送给远程端。照度模块检测当前路灯及环境的照度信息并传送到单片机，使单片机读取照度信息后控制LED驱动电路，实现调光等功能。远程端硬件结构如图3-2所示：远程端主要由电源电路、单片机、按键、显示器及RS-485通讯电路组成。LED路灯单元控制器发送的信息通过RS-485通讯电路被单片机接收，并在显示器上显示出来。当单片机检测到有按键信息时，通过RS-485通讯电路给控制器发送远程指令，控制器根据接收的远程指令对LED进行驱动控制。LED路灯单元控制器和远程端的正常工作都离不开稳定电源电路，系统中的控制器和远程端都设置有独立的电源电路，保证系统工作稳定。图3-2 远端电路硬件结构图3.2 电流、电压、电能检测电路3.2.1 交流互感器的选择由于LED路灯接入的是220V的低压电网系统，因此检测电路的测量范围为交流电压0220V、电流030A。如图3-3所示：图3-3电流检测电路在测量高压线路的参数时，不应把测量电路或测量仪表直接接入电路，应该采取电气隔离措施，把弱电、强电部分隔离，保证设备正常运行和操作人员的安全。电流互感器可以将一次侧回路的高压大电流转换成二次侧的低压小电流，它的一次绕组较少，串联在测量电路线路中，流过线路的全部电流，二次绕组线圈数较多，当一次侧有电流流过时，二次侧相当于一个恒流源，按照变比输出电流信号给测量电路进行测量。本电路采用型号为ZMCT102的电流互感器，主要技术参数如表3-1所示：主要技术参数：表3-1电流互感器主要技术参数型号ZMCT102额定输入电流5A额定输出电流2.5mA变比2000：1相位差（输入1A时）20（100）线性范围024A（100）线性度0.1%精度等级0.2级隔离耐压3000V用途测量密封材料环氧树脂安装方式印制板安装工作温度-40+70电流互感器可以根据误差的大小分为不同的精度等级，目前的电流互感器分为0.0011多种级别，等级越高测量的精度越高，但价格也越高，综合考虑，一般测量所使用的电流互感器采用0.2级或0.5级。由表可知ZMCT102精度等级为0.2级，符合测量所用电流互感器的精度要求。电流互感器的二次侧要避免开路，否则当一次绕组有电流流过时，二次绕组中就会感应很高的电压，击穿绝缘层，可能会损坏设备，对工作人员的人身安全造成威胁。如电路图3-3中增加了二极管D6、D8，当二次侧开路时，电流互感器的电流依然有电流通路。需要注意的是，由于电流互感器二次侧输出的电流较小，因此要注意这两个保护二极管的漏电流所带来的误差，而1N4148在反向电压为20V、温度为150时的反向漏电流为25A，对电流互感器的输出电流来说可忽略不计，因此本电路的保护二极管采用1N4148。3.2.2 检测信号采集方法的选择检测交流电压、电流可分为直流采样和交流采样两种方法。方法一：直流采样直流采样就是将交流的电压、电流经各种变送器转换成直流信号，采集后再通过一定的函数关系转换成交流值并在显示器中显示。直流采样的优点是结构简单，采样周期和速度不受到限制，并且测量精度较高；缺点是有一定延时，不能对信号进行实时采集，不能反映相位信息。方法二：交流采样交流采样是将二次侧的电压、电流经过一个采样频率较高的双极性AD转换芯片，通过控制执行交流采样算法，直接得到算出的各种电能参数。交流采样的优点在于可以进行实时采集，但是对AD芯片的性能要求较高，而且控制器需要做大量的计算，程序设计繁杂，相比之下交流采样价格更昂贵，耗费精力更大。综合考虑，本电路采用直流采样法可满足测量需要，具体检测流程如图3-4所示：图3-4直流采样流程图3.2.3 运算放大器的选择在电压、电流检测电路中选择一个工作性能较好的运算放大器，对电路是否能正常工作和精度是否能达到要求起着重要的作用。在设计中选择了德州仪器公司生产的LM358运算放大器。 图3-5 LM358结构引脚图3.2.4 输入信号的处理我们需要将电流互感器输出的电流信号转换成电压信号再进行处理和测量，由此加入I/V转换电路。I/V转换电路可分为有源和无源两种。无源就是将一个电阻串联到电流互感器的二次侧上，根据欧姆定理U=I*R可知，电流信号可以按线性关系转换成电压信号，但是电路串联的电阻会成为电流互感器的负载电阻，当电流互感器的负载电阻很大时，二次侧将产生很大的电压，此时电流互感器的励磁电流比次级电流大，电流互感器的线性度变差，因此对于电流互感器来说负载电阻越小越好。由图3-3可以看出，本电路使用的是有源I/V变换电路，此时电流互感器二次侧等效负载电阻理论上为0，运算放大器U4A的输出电压如下：u1=i*(R5+R6) （3-1）式（3-1）中u1为运算放大器U4A的输出电压，i为电流互感器二次侧的输出电流。R6的作用是对I/V变换系数进行精调。C8的取值为0.022uF，并联在运放反馈电阻两端。对于电网的50Hz的电流来说，C8的阻抗很大，相当于断路，不影响50Hz交流电流转换成电压，但是对频率很高的电流成分来说阻抗很小，相当于短路，因此高频电流成分无法变换成电压，C8的作用就是滤除电网的高频干扰。在使用电流互感器时，直流状态（输入信号为0时）下二次侧线圈的电阻在几十欧姆以下，使得I/V转换电路的直流增益变得非常高，容易产生很大的直流失调电压，而在本电路中不需要直流增益，因此增加了一个由U4B、R16、R19和C12组成的超级伺服电路将U4A输出的直流成分补偿为0。基本原理就是：当电路流过交流时，U4B对交流无限时间积分的结果总是为0，不影响交流电流进行I/V变换；若为直流成分，U4B对U4A的输出充分积分，把U4A输出的直流失调原封不动地反馈给U4A，因此U4B的输出就能把U4A的直流输出成分控制为0,避免产生很大的直流失调电压。通过I/V变换电路后，交流电流信号转换成交流电压信号。设计中采用的是直流采样法，应把交流电压信号转换成直流电压信号。在大电压的情况下，交流电压转换成直流电压通常采用的是整流桥电路进行变换，但是整流桥中的二极管有大约0.7V的管压降，小信号电路中处理的信号较小，若使用整流桥电路则会对整个电路造成很大的误差，因此不能使用整流桥电路，而是采用电路图3-3中由U5A、U5B、R14、R7、R11、R8、R22、R25、D4和D9等组成的精密整流电路。精密整流电路也叫绝对值电路，输入输出的关系为：Vo=|Vi| （3-2）要满足式(3-2)关系需要电路中：R11/R14=R7/2 (R22+R25) （3-3）一般在原理性电路中R22+R25往往采用一个大小等于R11的电阻来代替，然而实际电路中电阻是有误差的，所以这四个电阻很难保证相等，因此采用固定电阻R22和电位器R25串联代替固定电阻的方法，在调试时通过示波器观测，调节R25阻值的方法来调节使得电路关系满足Vo=|Vi|。C10为积分电容，目的是将精密整流电路原本输出脉动的直流通过电容的充电放电后滤成比较平直的直流信号。理论上C10取越大越好，但是当C10取值太大时电容上的电感成分会对电路的线性度有影响，通过反复实验，选择使用0.1F的无极性电容。R27、R30均为运放的平衡电阻，用来平衡运放的两个输入端子的失调电流，使得两个端子的电压平衡，其取值为100K。通过上文描述的精密整流电路后输出的电压信号基本平直，但由于C10很小，本电路设计了一个由R24和C14组成的低通滤波器，目的是把U5B的输出电压滤得更加平稳。理论上C14取值越大越好，但是如果C14的值取得太大，电路的动态响应特性会很差，取得太小滤波效果又不明显，综合考虑选用220F的电解电容。D12为限幅二极管，目的是当电路输出电压超过5.1V时把电压限制在5.1V左右，保护后一级电路。C19、C20、C21、C22、C25、C26均为运放电源的去耦电容，在PCB板布线时尽量靠近运放电源管脚放置。3.2.5 电压互感器的选择 电压检测电路如图3-6所示：图3-6 电压检测电路图测量高电压如同测量大电流时一样不能直接测量，因此需要一定变比的电压互感器将高电压转换成低电压后再用测量仪器仪表测量，在测量220V电压时一般采用电流型电压互感器。电流型电压互感器其实就是一个变比为11的电流互感器，工作原理如下图3-7所示。在被测电压后串联一个限流电阻R，把被测电压转换成约2mA的输入工作电流传给互感器，然后互感器输出等比2mA左右的电流，最后采用I/V变换将电流信号转成电压信号，实现从高电压到低电压的电气隔离和转换测量。采样电流型电压互感器与普通的电压互感器相比具有抗干扰能力强、精度高等优点。图3-7 电流型电压互感器工作原理电压检测电路中选择南京向上电子科技有限公司的DL-PT202H1-2mA:2mA电流型电压互感器，主要参数如表3-2所示。电路中限流电阻的值应该取220V/2mA=100K的电阻，考虑低压照明用户电网波动为额定电压的+5%-10%，另外互感器最好不要一直工作在额定值，所以本设计中采用的限流电阻为150K，正常的工作电流为1.47mA左右。因为电流型电压互感器二次侧的输出为交流电流信号，因此后级的处理电路如电流检测电路原理所述。表3-2 电流型电压互感器主要参数产品参数表DL-PT202H1额定输入输出2mA:2mA最大输入10mA匝数比15001500相位差15温度系数50最大负载800（2mA时）饱和电压4V空载线性度0.1%隔离耐压4000V使用频率0.022KHz用途测量同名端1、3脚同名（对角同名）密封方式环氧树脂安装方式印制板安装工作温度-35+703.2.6 模数转换电路综上所述，单片机要测量上述电路的输出电压就需要将电压信号转换为数字信号，因此要测量电压、电流的电路还需要AD芯片进行模数转换电路。因为本设计中采用的是直流采样，因此对AD芯片的速度要求不高，检测电路的测量要求精度也不是极高，但要求AD芯片需要有两个通道分别对电压、电流检测电路的输出电压进行检测，综合考虑，采用美国国家半导体公司生产的ADC0832。ADC0832适用于一般的模数转换，其内部基准源和输入电源复用，使芯片输入电压在05V电压之间。ADC0832还采用双数据输出对数据进行校验，芯片转换时间约为32S，输出电平与TTL电平兼容，很容易与单片机等数字电路相连接。ADC0832具有8个管脚，分别为电源/基准电源管脚、地管脚、模拟通道输入CH0、CH1、时钟管脚CLK、低电平有效使能管脚CS和数据输入输出管脚DI、DO。图3-8 ADC0832引脚图ADC0832在电路的连接如图3-9所示:控制引脚CS、CLK、DI和DO占用AT89S52单片机的P17、P33、P34管脚，其中DI和DO并不是同时有效的，因此可占用同一条数据线。其中CH0接至电压检测电路输出端，CH1接至电流检测电路输出端。C28为放置于芯片电源管脚的去耦电容，一般取值选择0.01F0.1F。图3-9 ADC0832在电路的连接综上所述为检测电路的设计，后期的调试将在第四章详细介绍。3.3 单片机及其相关电路设计在LED路灯单元控制器中需要一个控制器读取AD芯片的AD值并处理显示，还需要控制LED驱动电路的工作方式、采集时间信息和进行远程通讯等。远程端中也需要单片机作显示和远程通信。通常使用的控制器有单片机、PLC和工控机等，虽然工控机和PLC性能稳定，但是价格昂贵，体型较大，无法运用到路灯控制器场合中，而单片机和其他控制器相比占空间较小，能量损耗较低，相对便宜，非常适合用于较为简单的控制场合。比较有代表性的系列有8051、AVRmega以及STM32等，其中8051系列的开发简单易学，价格低，并能够满足本系统的性能要求，因此本设计采用AT89S52单片机。AT89S52单片机为一款基础入门级的8位单片机芯片，是初学者学习单片机及嵌入式的首选芯片。单片机采用5V供电，工作频率范围112MHz。如图3-10为AT89S52及其相关电路。单片机上电的时候都需要进行复位操作使其初始化内部每个寄存器并把PC指针指到程序开头，这样才能正常工作。AT89S52芯片为高电平复位方式，在要求不高的场合可以使用RC复位电路进行上电复位操作。电路图3-10中C27和R33组成上电复位电路，单片机的机器周期T、时钟周期t1、时间系数t的计算公式分别如下：T=12*t1 （3-3）t1=1/(11.0592*106) （3-4）t=R33C27 （3-5）最后计算得时间系数t=0.1s，机器周期T=1.08s，时间系数t远大于51系列单片机需要至少两个机器周期T的复位时间。S1为手动复位按键，按下按键时复位，单片机RST管脚接+5V，单片机进行复位操作。系统使用的远程通信方式采用RS-485通信模式，通常波特率取4800Bd、9600Bd等，一般51系列单片机采用的是定时器1产生波特率，而采用11.0592MHz的工作频率可以准确的计算出定时器初值，避免通信中波特率产生的积累误差而影响异步串行通信的同步性能，因此本设计中单元控制器和远程端的晶体振荡器均采用11.0592MHz的频率，C29、C30为谐振电容，一般取1030pF。51系列单片机P0口为了实现与外部器件连接的功能而采用开漏输出模式，需要外接一个上拉电阻才能输出高电平，一般上拉电阻选择1K10K范围，本设计的上拉R31选择10K。另外为了给单片机加载程序，电路设置一个ISP下载器接口，可以接入外部的下载器直接加载程序，单片机第31脚为扩展外部ROM的选择管脚，本设计不需要扩展外部ROM，因此接高电平即可。显示器采用的是1602液晶显示屏幕，共有两行16列，可以显示标准的ASCII码，如数字、大小写字母、符号等等。显示自带背光，可以通过调节显示器的输入电压来调节显示器的对比度，电路中采用的是20K电位器R32分压的方法调输入的电压。图3-10 AT89S52及其相关电路3.3.1 时钟电路设计控制器需要实现时控、季控的功能，因此单片机必须获取到当前的时间信息包括秒、分钟、小时、日、月等才能对LED驱动电路进行控制。此系统采用DS1302时钟芯片给单片机提供时间信息。DS1302为涓流充电时钟芯片，设计中需要芯片提供实时时钟/日历，通过SPI三线接口与CPU进行通信。DS1302还采用了两个电源系统，主电源系统和备份电源系统，当主电源有电时可以控制主电源向备份电源涓流充电，当主电源掉电后立即采用备份电源供电，确保时钟芯片内部的正常走时。时钟电路如图3-10 AT89S52及其相关电路所示：DS1302采用的是典型值32.76KHz的晶振，由于其内部具有谐振电容，因此不需要再外接谐振电容，备份电源采用的是CR2032锂电池，电池电压为3V，DS1302的工作电源在25.5V以内，锂电池电压3V大于最低工作电压2V，由此来保证主电源掉电时芯片立即转换并使用锂电池供电使得DS1302不掉电，内部时钟不停止运行。芯片的时钟线SCLK、数据线IO、使能线CE接至单片机的P35P37。3.3.2 光照度检测电路如图3-11，检测光照度可以采用光敏电阻和固定电阻串联，然后用AD芯片测出中点电位电压，通过分压比公式求出光敏电阻的阻值再标定，但是此办法标定过程复杂，精度不准确，因此不采用。本系统采用集成的BH1750模块来检测光照度。图3-11 光照度检测原理图光照度检测模块由两个部分组成，分别是ROHM公司生成的16位数字输出型环境光强度传感器集成电路BH1750和电平转换电路。BH1750芯片支持IIC-BUS接口，测量范围为165535LX的光照度，支持直接输出数字光照度，不需要仪器标定。系统中模块的接口电路如图3-12，第2管脚为模块IIC地址的选择端，引脚接地时地址为0x46，接电源时地址为0xB8。本设计中将第二管脚接至低电平，IIC的时钟管脚CLK和数据管脚SDA分别接到单片机的P25、P24。图3-12 BH1750模块接口电路3.3.3 RS-485通信电路设计随着单片机系统的广泛应用和计算机系统的普及，单片机之间的通信显得越来越重要。单片机与单片机或单片机与计算机之间的通信有并行通信和串行通信这两种方式，一般采用最多的是串行通信方式。RS-485通信是一种异步串行通信方式，总线通信网络采用差分信号逻辑1、0，两线间的电压差为+2+6V时表示逻辑“1”， 通信信号两线间的电压差为-2-6V时表示逻辑“0”，这种工作方式提高了通信电路抗共模干扰的能力。此通信的理论最大通信距离可以达到4000英尺，485通信协议采用一主多从方式，最多可以挂128个收发节点。本系统采用的是MAX485芯片作为电平转换器。MAX485采用+5V电源供电半双工通信，完成TTL和485电平的转换，并设有接收器使能控制端RE和发送使能控制端DE。DE高电平有效，RE低电平有效，因此只需要用单片机一个引脚就可以控制它是处于发送状态还是接收状态。如图3-13：MAX485 A、B管脚一般接120的匹配电阻，发送接收使能RE、DE只需一起接到P32脚控制即可。图3-13 RS-485通信接口电路图3.4 LED驱动电路设计LED为恒流驱动器件，在其额定值内，亮度随着通过LED电流的增大而增大，为使路灯的亮度稳定，需要使其通过恒定的电流。小功率的LED可以采用电阻限流的方法点亮，但是对于大功率的LED来说，由于需要的电流较大，采用小电阻限流的