基于溫度的戶外燈控制系統設計與實現

殷軍　張瑜　耿墅　劉尚　朱輝

摘? 要：文章為了研究戶外路燈溫度與使用壽命的關系，設計了一種基于溫度的戶外路燈控制系統，該系統采用MK64單片機為控制核心，配合熱電偶傳感器，完成對戶外燈的溫度測量，采用AD8495芯片對熱電偶的冷端進行補償，獲得更為精確的溫度。搭建實驗平臺探究最優的戶外路燈控制方案。

關鍵詞：戶外路燈;熱電偶測溫;冷端補償

中圖分類號：TP273? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）18-0050-03

Abstract： In this paper， in order to study the relationship between the temperature and service life of outdoor street lamp， an outdoor street lamp control system based on temperature is designed. The system uses MK64 single-chip microcomputer as the control core and thermocouple sensor to complete the temperature measurement of outdoor lamp. AD8495 chip is used to compensate the cold end of thermocouple to obtain more accurate temperature， so as to set up an experimental platform to explore the optimal outdoor street lamp control scheme.

Keywords： outdoor street lamp; thermocouple temperature measurement; cold end compensation

引言

自從愛迪生發明電燈以來，戶外照明逐漸成為電能消耗最主要的部分，照明用電占全世界發電總量的12%～14%[1]。自2010年以后我國城鎮化不斷推進，2013年照明用電占比就達到14.15%，其中道路景觀照明和公共設施照明的占比不斷增加，達到總量的5%為2622.37億kWh[2，3]。伴隨著中國經濟的快速發展，LED照明產業不斷融合，我國已經成為全球生產LED照明燈具的重要基地，2019年統計數據我國產量占世界總生產量的80%以上。

戶外燈從最早的鎢絲燈發展到現在LED燈，所產生的熱損失一直是不斷地消耗電能的原因，也是減少燈具壽命的主要原因。研究表明，當LED燈的發光強度衰降到70%，結溫至65℃時，燈的發光時間可以保持在9萬～10萬小時之間;結溫繼續升高10℃達到75℃，壽命也將大幅度減小，僅有5萬小時，隨著結溫的上升，照明燈的壽命只會變得越來越短。

為了解決照明燈具的能耗和壽命問題，有人采用單片機智能路燈控制系統，根據環境自動亮滅燈和自動調節燈的亮度[4];有人采用以ZigBee網絡為核心，由路燈終端節點、無線網關節點和照明控制中心組成系統，實現對路燈的遠程手動或自動控制、路燈狀態監測、故障路燈精確定位[5-7];陳名松等基于車燈識別設計了一種車輛有無的檢測算法，通過車輛的需求自動控制路燈的開關，實現路燈的節能控制[8]。檢測燈具的能耗溫升，然后調整供電參數和供電方式也是一個比較有效方法。我們設計了一種基于MK64FN1M0VLQ12單片機的戶外燈溫升檢測系統，嘗試找到燈具能耗和光照強度的平衡點。

1 系統方案的總體設計

戶外燈升溫測量系統主要以MK64FN1M0VLQ12單片機為智能控制核心，外圍電路包括溫度采集模塊、按鍵模塊、屏幕顯示模塊、USB通信模塊、供電電壓調節模塊、LED燈功率控制模塊。熱電偶調理電路采集戶外燈的溫度經過冷端補償和放大之后，由溫度采集模塊發送到控制中心處理，控制中心通過對供電電壓的調節實現對LED燈功率控制，用屏幕顯示溫度值及戶外燈的電壓、電流值。通過不斷的對戶外燈測量、對供電電壓的調節實現節能。

2 系統硬件設計

2.1 溫度采集方案的選擇

方案一：選用DS18B20數字溫度傳感器，該傳感器使用簡單、價格便宜，但DS18B20只能測量燈的外部溫度，且DS18B20測溫范圍為-55℃～+125℃，不符合戶外燈溫升測量系統的測量要求。方案二：選用熱電偶作為采集傳感器，熱電偶傳感器具有裝配簡單、更換方便、壓簧式感溫元件，抗震性能好、測量范圍大（-200℃～1300℃）、使用壽命長等優點。符合設計要求，因此選擇使用方案二。

2.2 基于AD8495的冷端補償方案

本文采用熱電偶采集戶外燈溫度，熱電偶的冷端溫度作為測度的基準溫度，常選擇冰點作為參考溫度，獲得冰點溫度最簡單的方法是使用冰水混合物實現0℃參考溫度。但該方法產生的誤差大，同時使用分立元件不僅提高了設計成本，且在實際工程中也難以實現。在本次應用中，熱電偶是直接焊接在電路板上的，冷端以0℃為參考溫度不符合實際應用。為了提升實驗測量戶外燈溫度的準確性，需要對熱電偶的冷端進行溫度補償，以便獲得熱電偶測量端準確測量溫度。

熱電偶的測量端所測的溫度由熱端的輸出電壓與冷端的電壓之差經過模數轉換得到的。通常情況下以自由端為0℃時的電壓為基準電壓。而在實際應用中熱電偶冷端溫度是室溫，會隨著外界環境不斷變化，由于冷端的溫度變化會導致實際測量結果也會隨著環境溫度的變化而變化，因此需要進行冷端補償，補償公式如下：