基于直流电压变换技术的模拟路灯控制系统设计与实现

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【关键词】直流电压变换技术恒流驱动脉冲

宽度调制故障识别

随着经济社会的发展，我国照明用电在

电力消费中所占的比例正逐年提高。根据统计，

目前，我国用于照明的电能消耗约占全国电力

消费总量的13%。近年来，伴随着我国新型城

镇化建设的持续推进，市政道路也在不断延伸，

市政照明耗电量已经占照明耗电总量的30%

以上。因此，在全国范围内大力推广“绿色节

能灯照明工程”，优化市政路灯照明控制系统，

提高绿色节能灯具使用率，已经成为大势所趋

的国家战略。

传统的市政路灯，普遍采用钠灯等老旧

的照明灯具，存在耗电量大、使用寿命短、易

发热等缺陷。传统的路灯控制系统，采用分区

域手动电闸控制或简单的按时间供电，控制准

确性极易受到不同地域、环境以及季节、天气

变化的影响，存在可靠性差、电能使用效率低

下、照明故障维修不及时等弊端。经理论研究

和实践测试，采用LED 绿色照明灯具，基于

直流电压变换技术，以单片机为核心控制器的

路灯控制系统，可以实现路灯智能控制、故障

自动识别、LED 恒流驱动、功率调节等功能，

具有可靠性高、成本低廉、节能环保、操作便

捷等优势，可以有效提高市政照明用电效率，

节约60% 以上的用电量，符合现代城市道路

路灯控制系统的需求，有较为广阔的应用前景。

1 系统方案论证与比较

1.1 LED恒流驱动方案选择

方案一：用热敏电阻的温度补偿方式构

成恒流源电路，这种方式电路简单，但恒流稳

定性差，而且，当输入电压出现较大变化时，

恒流效果会进一步变差。

文/陈正振

为解决城市道路路灯系统的

智能控制、故障自动识别及LED

恒流驱动等关键技术问题，设计

基于直流电压变换技术，以单片

机为控制核心的模拟路灯控制系

统。系统通过环境光线检测、定

时控制、光电传感器、脉冲宽度

调制等技术手段，实现路灯智能

控制、故障自动识别、LED 恒流驱

动、功率调节等功能。测试结果

表明，路灯控制系统具有可靠性

高、成本低廉、节能环保、操作

便捷等优势，满足现代城市道路

路灯控制系统的实际需求。

摘要

方案二：采用集成的专业LED 驱动模块

（如：MAX1577Z 等）构成恒流源，这种方

法电路简单，控制方便，恒流效果也较好，但

专业LED 驱动模块成本较高，且现场维修比

较困难。

方案三：采用直流电压（DC-DC）变换

集成芯片MC34063 构成的恒流源，电路外围

元件少，恒流效果好，而且便于与单片机连接

进行功率控制。

经比较分析，方案三既能满足对恒流稳

定性的要求，又能方便的与单片机连接，从而

通过程序控制恒流源的输出功率，故采用此方

案。

1.2 车辆检测方案选择

方案一：利用红外发射接收对管对公路

上行使的车辆进行检测。将红外发射接收对管

置于公路路面上，当车辆移动至相应路段时，

将形成一个反射面，使得接收管能够接收到发

射管发出的红外光，从而判断移动物体的位置。

方案二：采用霍尔传感器A44E 构成的检

测电路。霍尔开关具有无触点、低功耗、长使

用寿命、响应频率高等特点，所以能够在各类

恶劣环境下可靠的工作，而且成本低廉，电路

简单，工作稳定。

经比较分析，方案一虽然能够对任意物

体进行检测，但是容易受到测试环境光线强弱

的影响，稳定性较差，所以选择方案二。

2 电路模块设计与分析

2.1 系统设计分析

系统主要由主控电路、光线检测及故障

●广西高校科学技术研究项目资助（LX2014573）。

图1：硬件系统框图

图2：环境明暗及故障检测电路

电子技术 • Electronic Technology

112 • 电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering

报警电路、车辆检测电路和LED 恒流源电路

四个部分组成。首先，主控电路从光线检测和

车辆检测电路中读取传感器的信息，并根据读

取得到的信息控制LED 恒流源及自动报警电

路的工作，最后通过液晶显示器显示将整个系

统的工作状态。系统框图如图1 所示。

2.2 传感器检测电路分析

系统中共使用了两种传感器，即光敏电

阻和霍尔开关。光敏电阻主要用于对环境明暗

变化的检测以及路灯故障的判别；而霍尔开关

则用于对行驶车辆的检测。

（1）环境明暗及故障检测电路。环境明

暗及故障检测电路如图2 所示。安装时，在每

盏路灯的灯罩内和灯罩外各安装一个光敏电

阻。灯罩外的光敏电阻用于检测外界环境的明

暗，而灯罩内的光敏电阻则用于路灯故障的检

测，当单片机控制路灯点亮（或熄灭），而光

敏电阻却检测到黑暗（或光亮）时，则判断路

灯出现故障，系统发出声光报警。

（2）移动物体检测电路。系统采用霍尔

开关A44E 对移动物体进行检测，将霍尔开关

置于公路路面上，并在行驶车辆的底盘位置安

装磁钢，当车辆行驶到测试路段时，霍尔开关

将输出一个下跳沿信号给单片机采集，从而判

断车辆位置，控制路灯的点亮和熄灭。

2.3 LED恒流源电路分析

LED 恒流源电路如图3 所示，恒流源电

路的核心是线性直流电压（DC-DC）变换集成

芯片MC34063。该芯片的内部振荡器通过对

外接在TC 管脚（脚3）上的定时电容C2 进

行不断地充、放电以产生振荡波形，C2 的大

小既决定振荡频率，又决定开关管Q1 的通断

时间。芯片内部比较器的反相输入端（脚5）

外接分压电阻R2 与RP 监控输出电压，输出

电压的计算公式如下：

Uo=1.25×（1+RP/R2）

其中，1.25V 为MC34063 内部的基准电

压，恒定不变。若R2、RP 的阻值不变，则输

出电压Uo 也恒定不变。芯片第5 脚电压与基

准电压1.25V 进行比较，当第5 脚电压低于内

部基准电压时，比较器输出跳变电平，开启内

部RS 触发器的S 控制门，RS 触发器的Q 端

输出高电平“1”，从而使驱动管Q2 导通，

开关管Q1 也导通。Q1、Q2 导通后，输入电

压VCC 开始经过储能电感L1 向电容C3 进行

充电，随着充电的不断进行，输出电压也不断

提高；反之则C3 放电，输出电压减小，以此

实现动态稳定输出电压的作用。另外，图3 中

T1 与R3 构成恒流电路，并通过单片机输出的

PWM 波控制驱动开关管T2 的导通率，用以

精确的调节路灯功率。

3 系统软件程序设计

系统软件程序流程如图4 所示。初始化

程序完成后，首先进入键盘扫描程序以选择工

作模式。进入工作模式按照设计要求完成相应

的控制操作后，依次完成路灯控制、故障检测

以及显示子程序，最后返回键盘扫描程序进行

循环。

4 系统测试与分析

4.1 测试仪器及工具

自制模拟公路模型1 个（长2000mm、宽

400mm，中间画有8mm 宽的黑色寻迹线）；

卷尺1 把（精度1mm）；DDS 信号源1 台（用

于产生PWM 波）；示波器1 台（用于测量

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