導(dǎo)語：新型節(jié)能隧道照明控制系統(tǒng)設(shè)計探索一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：針對現(xiàn)代隧道照明的研究，提出一種新的節(jié)能隧道照明控制系統(tǒng)，其概念是“車近燈亮，車過燈暗”，以及建立隧道燈的亮度自動調(diào)整。該系統(tǒng)的控制核心單元是基于STC89C52單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計，運行過程中傳感器會采集周圍信息，如隧道內(nèi)外的光照信息、車輛通行信息等，由控制器完成上述信息的處理工作，生成對應(yīng)的控制信號來調(diào)整隧道內(nèi)燈組的亮度，結(jié)果表明其可消除隧道內(nèi)存在的照明問題，并反饋最終調(diào)整結(jié)果給控制器。后級控制器則扮演隧道內(nèi)照明選擇性調(diào)控的角色，豐富隧道照明系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能減排的重要目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：LED；PWM；控制系統(tǒng)；節(jié)能減排；智能

現(xiàn)階段國內(nèi)高速公路隧道照明系統(tǒng)多使用長明燈，造成大量電能浪費的同時，也無法做到結(jié)合使用場景的燈光亮度合理調(diào)控。基于此，本文提出全新的高速公路隧道照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以做到對高速公路隧道內(nèi)燈光亮度的合理調(diào)控，在確保行車安全的同時減少電能損耗，有效符合國家層面提出的節(jié)能減排目標(biāo)。

1設(shè)計方案

1.1設(shè)計總體思路

通過深入研究現(xiàn)代隧道照明的相關(guān)資料，嘗試進(jìn)行新型隧道照明控制系統(tǒng)的設(shè)計，控制系統(tǒng)中包含節(jié)能控制模塊、交通信息檢測器及一定數(shù)量的照明單元等，由交通信息檢測器完成各類數(shù)據(jù)的收集，輸出端與節(jié)能控制模塊相互連接，由其完成數(shù)據(jù)的分析和控制指令的生成，節(jié)能控制模塊通過RS485線路與照明單元連接，實現(xiàn)對照明單元的亮度調(diào)控，達(dá)成設(shè)計目標(biāo)。整個設(shè)計的結(jié)構(gòu)框架，如圖1所示。

1.2新型節(jié)能隧道照明控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

控制器的設(shè)計過程中，核心單元選擇基于STC89C52單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計，所有的組成部分如運算器、存儲器和控制器等都集成在對應(yīng)的單片機(jī)上。這種設(shè)計方式的特點是可以保持較高的運算效率，系統(tǒng)的可靠性、靈活性也得到保障，靜態(tài)環(huán)境下電能需要少，而且穩(wěn)定性高，基本不會出現(xiàn)控制器故障等問題。

2工作原理

2.1交通信息檢測模塊

綜合近5a關(guān)于交通檢測系統(tǒng)與信息采集系統(tǒng)的研究來看，涉及的多為雷達(dá)探測技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)等高新技術(shù)。從交通信息檢測系統(tǒng)的類型上來看，電感環(huán)檢測器、超聲波檢測器和紅外檢測器等屬于較為常見的幾種。立足于資金投入和實際應(yīng)用效果2個考量點，環(huán)形線圈式車輛檢測器相較于其他檢測器展現(xiàn)出顯著的競爭優(yōu)勢，實際應(yīng)用過程中，該模塊可以檢測到是否有車輛需要穿越隧道，如果檢測到車輛經(jīng)過，則生成1個繼電信號并發(fā)送給主要控制模塊，進(jìn)而實現(xiàn)車輛通行信息的采集與傳輸。研究中對該模塊運用的原因在于其相較于其他模塊具有更快的反應(yīng)速度，經(jīng)測定可在50ms內(nèi)做出正確的反應(yīng)，最快的反應(yīng)時間可以達(dá)到35ms。該模塊的工作原理圖，如圖2所示。

2.2智能節(jié)能控制模塊

本設(shè)計使用的智能節(jié)能控制模塊，組成部分包括微處理器、穩(wěn)壓模塊、反相器、達(dá)林頓晶體管驅(qū)動模塊和繼電器模塊。穩(wěn)壓模塊的主要作用是穩(wěn)定輸入段的壓力，需要將其接入到直流電源內(nèi)，穩(wěn)壓模塊包括3個輸出端，分別接入到反相器、微處理器和達(dá)林頓晶體管驅(qū)動模塊。在本設(shè)計中，微處理器基于STC89C52單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計，輸出端的信號類型為RS485。

2.3RS485總線通信模塊

設(shè)計中使用到的RS485標(biāo)準(zhǔn)的通信平臺，相較于其他類型具有經(jīng)濟(jì)性高、噪聲抑制效果好、傳輸距離遠(yuǎn)和傳輸速率高等一系列特點，此外，RS485電路方面也具有操作簡單、成本低廉的特點。近20a，RS485標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用效果已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到驗證，可將其作為本次設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸鏈路使用。

2.4照明單元

設(shè)計中照明單元包括2個組成部分，分別為子控制系統(tǒng)和LED照明模塊，照明單元通過RS485通信線路與控制器連接。實際使用過程中，控制模塊會對隧道內(nèi)的光照情況進(jìn)行采集，通過數(shù)據(jù)分析后發(fā)出LED隧道燈組亮度的控制信號，實現(xiàn)對隧道光照的調(diào)控。此外，車輛通行過程中隧道光照的控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)燈組亮度結(jié)合車輛位置的調(diào)控，針對較大車流量的情況，控制系統(tǒng)會自動將隧道燈組設(shè)置為常亮。實際照明單元的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

3理論設(shè)計運算

3.1數(shù)據(jù)運算處理（算法）

（1）隧道各路段照明亮度的控制。隧道照明控制系統(tǒng)的控制原理是利用傳感器來收集當(dāng)前路段的光照信息，即在自然光作用下的隧道內(nèi)亮度情況，之后將收集到的光照信息傳輸給控制器，由控制器進(jìn)行亮度調(diào)控。（2）脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號的生成。就隧道不同路段的亮度情況來看，入口路段的亮度值最高，正常情況下隧道外的光照亮度值為6000cd/m2，入口路段的亮度值則為隧道外的亮度值乘以折減系數(shù)，不同隧道對應(yīng)的折減系數(shù)不同，其中最大值為0.045。基于此，對于隧道中亮度值最高的入口段，在充分考慮余量的情況下，其最大亮度值可達(dá)到300cd/m2。實際運算過程中，需要設(shè)定入口段的占空比為0，而對應(yīng)自然光照下亮度值為0的區(qū)域，設(shè)定其占空比為1。此時，需要求隧道內(nèi)一路段的亮度值L，用d表示此路段的占比空，L的計算公式可以呈現(xiàn)如下L=300-300×d。（1）推導(dǎo)可得占空比的計算公式d=1-0.0033×L。（2）根據(jù)占空比的計算公式，導(dǎo)入隧道內(nèi)1個路段的亮度值，就可以計算此路段的占空比，進(jìn)而明確PWM控制信號的占空比參數(shù)，用于輔助隧道亮度控制系統(tǒng)實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)。

3.2信息指令的編碼設(shè)計

3.2.1控制指令編碼形式控制指令承載著隧道燈組亮度控制的信號，其傳遞的信息為當(dāng)前路段的車輛通行數(shù)據(jù)、實際光照數(shù)據(jù)等，其編碼情況見表1。（1）當(dāng)前路段的亮度信息占用7碼位，可以實現(xiàn)對燈組亮度情況的128級調(diào)整。（2）當(dāng)前路段的開關(guān)信息占用1碼位，一般情況下呈現(xiàn)為0，遇到車流量較大的特殊情況，信號呈現(xiàn)為1，表示所有路段的燈組調(diào)整為常量模式。（3）當(dāng)前車輛的通行信息占用7碼位，信號反應(yīng)了最后一次車輛位置的檢測數(shù)據(jù)。（4）循環(huán)冗余校驗（CRC）占用16碼位，其作用是對傳輸數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行驗證，確保數(shù)據(jù)可靠。（5）標(biāo)志位占用32碼位，其作用是表示該指令的類別以及作用，其中控制指令一般表示為1。3.2.2檢測指令編碼形式對于檢測指令來說，其主要反映控制器運行狀況的檢測結(jié)果，包括控制器異常的類型、位置等，為控制器的更換和維修工作提供支持，具體編碼情況見表2。（1）光照傳感器運行狀況檢測所得數(shù)據(jù)占用1碼位，該碼位中呈現(xiàn)為0表示光照傳感器處于正常工作狀態(tài)，呈現(xiàn)為1則表示光照傳感器存在運行故障問題。（2）控制器檢測運行狀況所得數(shù)據(jù)占用1碼位，該碼位中呈現(xiàn)為0表示控制器處于正常工作狀態(tài)，呈現(xiàn)為1則表示控制器存在運行故障問題。（3）故障段位編號占用6碼位，所反映的信息為當(dāng)前故障所處的段位。（4）故障段號占用7碼位，所反映的信息為當(dāng)前故障在對應(yīng)段位中所處的段號，用于準(zhǔn)確鎖定故障位置。（5）循環(huán)冗余校驗（CRC）校驗占用16碼位，其作用是對傳輸數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行驗證，確保數(shù)據(jù)可靠。（6）標(biāo)志位占用32碼位，其作用是表示該指令的類別及作用，其中檢測指令一般表示為0.

4系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果與分析

為了驗證本設(shè)計方案的可行性和節(jié)能減排的性能，在實驗室搭建1個隧道燈光亮暗控制系統(tǒng)和燈光亮度控制系統(tǒng)并進(jìn)行了實際的測試。

4.1系統(tǒng)燈光亮暗功能測試

該模擬隧道燈光亮暗控制系統(tǒng)是由STM32單片機(jī)、繼電器、光電傳感器和LED燈組成。該系統(tǒng)通過光電傳感器檢測車輛流量及車輛通過狀況，把相關(guān)信息傳入單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)處理，單片機(jī)再通過控制繼電器，來實現(xiàn)對LED的接通與斷開。實驗室測試時使用3輛不同的車輛，通過行車到達(dá)檢測區(qū)前、行車到達(dá)檢測區(qū)時、行車經(jīng)過檢測區(qū)后及行車遠(yuǎn)離檢測區(qū)的4種不同的形式測試燈光亮暗控制的功能是否實現(xiàn)。之后通過循環(huán)車流量的形式，模擬最為頻繁的LED開啟和關(guān)閉的頻率，通過在相同時間內(nèi)與常亮燈耗電量的比較，得出該開關(guān)控制系統(tǒng)是否具有節(jié)能和減排的特點情況。

4.2模擬控制系統(tǒng)的工作過程

為了更好模擬新型節(jié)能隧道照明控制系統(tǒng)的工作過程，設(shè)計以動畫的形式來進(jìn)一步說明。需要進(jìn)一步說明的是，此時以3區(qū)的形式模擬并劃分整個隧道的長度，并以1個車輛通過的形式模擬車流量的過程。

4.3控制系統(tǒng)LED節(jié)能減排性能

經(jīng)過實際測試，新型節(jié)能隧道照明控制系統(tǒng)可以做到對隧道內(nèi)燈組亮度的合理調(diào)控，且滿足實際使用需求，有利于隧道內(nèi)車輛在最合適的光照環(huán)境下行駛。實際電能的利用和節(jié)省情況見表3和表4。綜合驗證數(shù)據(jù)，可以明確新型隧道照明控制系統(tǒng)具有以下幾點應(yīng)用優(yōu)勢。（1）相較于普通的LED燈，其可節(jié)省電能36%，排放CO2減少40%。（2）相較于傳統(tǒng)的白熾燈，其可節(jié)省電能75%，排放CO2減少74%。（3）實際對新型隧道照明控制系統(tǒng)加以運用時，對于因燈光問題造成的交通事故的預(yù)防具有積極意義。

5結(jié)束語

新型節(jié)能隧道照明控制系統(tǒng)在基于車輛是否進(jìn)入隧道和在隧道行車時實際所需的光照環(huán)境不同的特性，通過光電傳感器檢測是否開關(guān)燈光系統(tǒng)和光照傳感器實時檢測并且調(diào)節(jié)出最適宜的行車安全的光照環(huán)境的試驗。經(jīng)計算得知，改善后的新型節(jié)能隧道照明控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的隧道常亮照明相比起到節(jié)能和減排的作用，設(shè)計達(dá)到預(yù)期對燈光亮暗的控制、燈光亮度變化的功能特點和節(jié)能減排的目的，為減輕城市用電負(fù)擔(dān)帶來積極的影響和作用。

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作者：馮海霞 劉航 趙登峰 張建鑫 單位：金昌聚源水處理有限責(zé)任公司 甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院