基于ARM的路燈照明節能控制器的制作方法

本實用新型涉及路燈照明節能控制器。

背景技術：

現有照明節能器一般采用西門子S7-200PLC作為主控系統，具有性能穩定、工作可靠和便于維護等優點，能夠滿足路燈線路的調壓穩壓等基本功能需求。然而，PLC控制器也存在模塊成本高、硬件資源有限等一系列缺點。

目前基于PLC控制器的照明節能器已發展成為較成熟的產品。因此，要求嵌入式主控系統不僅要在功能上能夠完全替代PLC控制器，同時要繼承PLC控制器運行可靠、性能穩定的優點。另外，嵌入式主控系統的大小尺寸、接口接線方式要與現有PLC控制器基本相同，便于應急時刻PLC控制器的替換。

技術實現要素：

本實用新型目的是為了解決現有基于PLC控制器的照明節能器模塊成本高、硬件資源有限的問題，提供了一種基于ARM的路燈照明節能控制器。

本實用新型所述基于ARM的路燈照明節能控制器，該控制器包括ARM處理器、電源模塊、集中式電量采集模塊和VF/IF模塊、光耦隔離模塊、上電繼電器、節能空開模塊、晶體管驅動和繼電器控制模塊、中間繼電器、接觸器和變壓器模塊、電阻控制模塊、路燈上電或斷電控制模塊、文本顯示器、GPRS模塊和實時時鐘模塊；

電源模塊用于提供5V和3.3V輸入電壓；

集中式電量采集模塊和VF/IF模塊采集三相電壓及三相電流信號，集中式電量采集模塊通過RS485與ARM處理器進行串口通訊；VF/IF模塊通過光耦隔離模塊連接至ARM處理器；

上電開關量信號通過上電繼電器和光耦隔離模塊輸入至ARM處理器；

節能選擇開關量信號通過節能空開模塊和光耦隔離模塊輸入至ARM處理器；

ARM處理器將開關量輸出信號輸出至晶體管驅動和繼電器控制模塊；

晶體管驅動和繼電器控制模塊的驅動信號輸出端連接中間繼電器、接觸器和變壓器模塊，進而控制三相接觸器的開關狀態；晶體管驅動和繼電器控制模塊的第一控制信號輸出端連接電阻控制模塊，進而控制三相電阻的切入/切除；晶體管驅動和繼電器控制模塊的第二控制信號輸出端連接路燈上電或斷電控制模塊，進而控制路燈的上電/斷電狀態；

ARM處理器通過RS485與文本顯示器和GPRS模塊進行串口通訊；

ARM處理器通過SPI串行接口與實時時鐘模塊連接；

ARM處理器通過I2C總線與存儲器擴展模塊連接。

本實用新型的優點：本實用新型面向路燈照明節能應用領域，提出了一種基于ARM處理器的路燈照明節能控制器，具有接口豐富、使用可靠、經濟實用等優勢。考慮到工業現場開關量輸入存在多種接口形式，如TTL電平、24V高電平、集電極開路等，本實用新型提出了一種兼容性強的接口電路實現方案，通過一定的電路設計，可以兼容工業現場多種開關量輸入信號，同時節省了大量的處理器輸入管腳。電壓采集與準確測量是實現路燈降壓節能的關鍵。在電壓傳感器方面，本實用新型采用的可兼容電壓頻率轉換式(VF)電壓傳感器和基于RS485的集中式電量采集模塊，便于工業現場的系統集成。本實用新型具有提高照明節能率、延長照明燈具使用壽命等優點。

附圖說明

圖1是本實用新型所述基于ARM的路燈照明節能控制器的原理圖；

圖2和圖3是具體實施方式二所述ARM處理器的電路圖；

圖4是具體實施方式三所述5V直流電產生電路的電路圖；

圖5是具體實施方式三所述3.3V直流電產生電路的電路圖；

圖6是開關量輸入信號的電路原理框圖；

圖7是開關量輸出信號的電路原理框圖；

圖8是RS485串行通訊電路的原理圖；

圖9是實時時鐘電路的原理圖。

具體實施方式

具體實施方式一：下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述基于ARM的路燈照明節能控制器，該控制器包括ARM處理器1、電源模塊2、集中式電量采集模塊和VF/IF模塊3、光耦隔離模塊4、上電繼電器5、節能空開模塊6、晶體管驅動和繼電器控制模塊7、中間繼電器、接觸器和變壓器模塊8、電阻控制模塊9、路燈上電或斷電控制模塊10、文本顯示器11、GPRS模塊12和實時時鐘模塊13；

電源模塊2用于提供5V和3.3V輸入電壓；

集中式電量采集模塊和VF/IF模塊3采集三相電壓及三相電流信號，集中式電量采集模塊通過RS485與ARM處理器1進行串口通訊；VF/IF模塊通過光耦隔離模塊4連接至ARM處理器1；

上電開關量信號通過上電繼電器5和光耦隔離模塊4輸入至ARM處理器1；

節能選擇開關量信號通過節能空開模塊6和光耦隔離模塊4輸入至ARM處理器1；

ARM處理器1將開關量輸出信號輸出至晶體管驅動和繼電器控制模塊7；

晶體管驅動和繼電器控制模塊7的驅動信號輸出端連接中間繼電器、接觸器和變壓器模塊8，進而控制三相接觸器的開關狀態；晶體管驅動和繼電器控制模塊7的第一控制信號輸出端連接電阻控制模塊9，進而控制三相電阻的切入/切除；晶體管驅動和繼電器控制模塊7的第二控制信號輸出端連接路燈上電或斷電控制模塊10，進而控制路燈的上電/斷電狀態；

ARM處理器1通過RS485與文本顯示器11和GPRS模塊12進行串口通訊；

ARM處理器1通過SPI串行接口與實時時鐘模塊13連接；

ARM處理器1通過I2C總線與存儲器擴展模塊14連接。

本實施方式中，基于ARM的路燈照明節能控制器的輸入輸出接口如表1所示，

表1三相照明節能控制器的輸入輸出接口

具體實施方式二：下面結合圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，ARM處理器1采用STM32F103ZET6；

ARM處理器1STM32F103ZET6的SWDIO端口連接連接器P14的三號管腳，ARM處理器1STM32F103ZET6的SWCLK端口連接連接器P14的二號管腳，連接器P14的四號管腳接3.3V電源，連接器P14的一號管腳接地；ARM處理器1STM32F103ZET6的SCL端口通過電阻R117連接至存儲器U57的六號管腳，ARM處理器1STM32F103ZET6的SDA端口通過電阻R119連接至存儲器U57的五號管腳，ARM處理器1STM32F103ZET6的SCL端口同時連接電阻R114的一端和電容C27的一端，ARM處理器1STM32F103ZET6的SDA端口同時連接電阻R115的一端和電容C28的一端，電阻R114的另一端和電阻R115的另一端同時連接3.3V電源，電容C27的另一端和電容C28的另一端同時接地，存儲器U57的一號管腳、二號管腳、三號管腳和四號管腳相連接，存儲器U57的一號管腳還同時連接3.3V電源和電容C26的一端，電容C26的另一端接地，存儲器U57的四號管腳還同時接地；ARM處理器1STM32F103ZET6的PC14-OSC32_IN端口同時連接電容C37的一端和晶振Y3的一端，ARM處理器1STM32F103ZET6的PC15-OSC32_OUT端口同時連接電容C38的一端和晶振Y3的另一端，電容C37的另一端和電容C38的另一端同時接地；

ARM處理器1STM32F103ZET6的OSC_IN端口同時連接晶振Y2的一端和電容C33的一端，ARM處理器1STM32F103ZET6的OSC_OUT端口同時連接晶振Y2的另一端和電容C34的一端，電容C33的另一端和電容C34的另一端同時接地；ARM處理器1STM32F103ZET6的BOOT0端口同時連接開關S1的一端和電阻R130的一端，開關S1的另一端接3.3V電源，電阻R130的另一端接地；ARM處理器1STM32F103ZET6的NRST端口同時連接電容C36的一端、開關S2的一端和電阻R143的一端，電阻R143的另一端連接3.3V電源，電容C36的另一端和開關S2的另一端同時接地。

本實施方式中，ARM處理器1是采用意法公司的STM32F103系列ARM處理器作為主控芯片。STM32F103系列ARM是基于ARM Cortex-M3內核的微控制器，適用于要求高度集成和低功耗的嵌入式場合。ARM Cortex-M3是一個面向低成本、少管腳數、低功耗應用，并且具有極高運算能力和中斷響應能力的處理器內核。

STM32F103系列ARM Cortex-M3的CPU操作頻率可達72MHz，具有3級流水線，可實現單周期乘法和硬件除法運算。本系統的ARM型號為STM32F103RCT6，其外設組件包括256kB的Flash存儲器，64kB的數據存儲器，USB 2.0全速接口，12通道DMA控制器，3個UART接口，2路CAN接口，2個看門狗定時器，2個SPI接口，2個I2C接口，多達16通道的12位ADC，正交編碼器接口，帶獨立電池供電的超低功耗RTC和多達50余個的通用I/O管腳，硬件資源豐富。

具體實施方式三：下面結合圖4和圖5說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，電源模塊2包括5V直流電產生電路和3.3V直流電產生電路；

5V直流電產生電路為電源轉換器TPS5430D的VIN端口同時連接24V電源和電解電容C3的正極，電解電容C3的負極和電源轉換器TPS5430D的GND端口同時接地，電源轉換器TPS5430D的PH端口同時連接電容C1的一端、二極管D8的陰極和電感L1的一端，電容C1的另一端連接電源轉換器TPS5430D的ENABOOT端口，二極管D8的陽極接地，電感L1的另一端同時連接電解電容C4的正極和電阻R10的一端，電解電容C4的負極接地，電阻R10的另一端同時連接電源轉換器TPS5430D的VSENSE端口和電阻R24的一端，電阻R24的另一端接地；電阻R10的一端輸出5V電壓；

3.3V直流電產生電路為電壓調節器LM1117的IN端口連接+5V電源，電壓調節器LM1117的IN端口還同時連接電容C6的一端、電解電容E1的正極和電容C5的一端，電壓調節器LM1117的兩個OUT端口相連，同時連接電容C7的一端和電解電容E2的正極，電壓調節器LM1117的GND端口接地，同時連接電容C6的另一端、電解電容E1的負極、電容C5的另一端電容C7的另一端和電解電容E2的負極，電解電容E2的正極輸出+3.3V電壓。

本實施方式中電源模塊2將24V直流開關電源供電信號通過降壓、變換等環節，轉換為5V、3.3V等直流電，供嵌入式系統中ARM等芯片供電所需。電源模塊2具有抗干擾、提高電磁兼容性等技術措施。

具體實施方式四：下面結合圖6說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，開關量信號包括TTL電平、+24V高電平和集電極開路信號，對三種開關量信號，跳線器JP1和跳線器JP2的設置方式為：

當外部開關量信號為TTL電平時，將跳線器JP1斷開，跳線器JP2的2號管腳和3號管腳連接；

當外部開關量信號為+24V高電平時，將跳線器JP1斷開，跳線器JP2的1號管腳和2號管腳連接；

當外部數字量輸入信號為集電極開路信號時，將跳線器JP1連接，跳線器JP2的2號管腳和3號管腳連接。

具體實施方式五：下面結合圖7說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，開關量信號采用繼電器輸出方式，采用三極管進行功率驅動，根據ARM處理器1的輸出點控制中間繼電器、接觸器和變壓器模塊8的繼電器動作，繼電器再控制中間繼電器和接觸器，來改變對應相變壓器接入主電路的方式，最終實現調壓穩壓功能。

本發明中，RS485串口通訊是照明節能器主控系統的核心功能之一。嵌入式主控系統與集中式電量采集模塊、GPRS DTU模塊和文本顯示器等外部設備的聯系需要依托RS485串口通訊來實現。RS485接口是目前最常用的控制器與控制器之間、計算機與外設之間進行數據通訊的接口標準。這里選用美信公司(Maxim)的MAX13487作為RS485通訊芯片。該接口芯片采用5V單電源供電，半雙工通訊方式，可實現將ARM的3.3V電平轉換為RS485電平的功能，以便與外部設備進行通訊，電路設計如圖8所示。

照明節能器需要根據時鐘進行電壓切換，同時設備斷電時系統時鐘需依靠備電(超級電容)繼續運行，因此嵌入式系統設計中需具有實時時鐘功能。這里，采用美國DALLAS公司的DS1302時鐘芯片來完成時間的存儲和設置。DS1302是經典工業級實時時鐘芯片，可通過SPI總線進行通訊。當節能器運行時，由外部電源給時鐘芯片供電；當ARM嵌入式系統斷電時，由超級電容供電，保護片內時間數據不丟失/時鐘繼續運行。該實時時鐘電路如圖9所示。

本實用新型中，當ARM嵌入式系統斷電后，由于系統中采用超級電容作為備電，且有前述實時時鐘電路，可長時間儲存時鐘信息，確保時鐘數據不丟失。