基于ARM的路灯照明节能控制器的制作方法

本实用新型涉及路灯照明节能控制器。

背景技术：

现有照明节能器一般采用西门子S7-200PLC作为主控系统，具有性能稳定、工作可靠和便于维护等优点，能够满足路灯线路的调压稳压等基本功能需求。然而，PLC控制器也存在模块成本高、硬件资源有限等一系列缺点。

目前基于PLC控制器的照明节能器已发展成为较成熟的产品。因此，要求嵌入式主控系统不仅要在功能上能够完全替代PLC控制器，同时要继承PLC控制器运行可靠、性能稳定的优点。另外，嵌入式主控系统的大小尺寸、接口接线方式要与现有PLC控制器基本相同，便于应急时刻PLC控制器的替换。

技术实现要素：

本实用新型目的是为了解决现有基于PLC控制器的照明节能器模块成本高、硬件资源有限的问题，提供了一种基于ARM的路灯照明节能控制器。

本实用新型所述基于ARM的路灯照明节能控制器，该控制器包括ARM处理器、电源模块、集中式电量采集模块和VF/IF模块、光耦隔离模块、上电继电器、节能空开模块、晶体管驱动和继电器控制模块、中间继电器、接触器和变压器模块、电阻控制模块、路灯上电或断电控制模块、文本显示器、GPRS模块和实时时钟模块；

电源模块用于提供5V和3.3V输入电压；

集中式电量采集模块和VF/IF模块采集三相电压及三相电流信号，集中式电量采集模块通过RS485与ARM处理器进行串口通讯；VF/IF模块通过光耦隔离模块连接至ARM处理器；

上电开关量信号通过上电继电器和光耦隔离模块输入至ARM处理器；

节能选择开关量信号通过节能空开模块和光耦隔离模块输入至ARM处理器；

ARM处理器将开关量输出信号输出至晶体管驱动和继电器控制模块；

晶体管驱动和继电器控制模块的驱动信号输出端连接中间继电器、接触器和变压器模块，进而控制三相接触器的开关状态；晶体管驱动和继电器控制模块的第一控制信号输出端连接电阻控制模块，进而控制三相电阻的切入/切除；晶体管驱动和继电器控制模块的第二控制信号输出端连接路灯上电或断电控制模块，进而控制路灯的上电/断电状态；

ARM处理器通过RS485与文本显示器和GPRS模块进行串口通讯；

ARM处理器通过SPI串行接口与实时时钟模块连接；

ARM处理器通过I2C总线与存储器扩展模块连接。

本实用新型的优点：本实用新型面向路灯照明节能应用领域，提出了一种基于ARM处理器的路灯照明节能控制器，具有接口丰富、使用可靠、经济实用等优势。考虑到工业现场开关量输入存在多种接口形式，如TTL电平、24V高电平、集电极开路等，本实用新型提出了一种兼容性强的接口电路实现方案，通过一定的电路设计，可以兼容工业现场多种开关量输入信号，同时节省了大量的处理器输入管脚。电压采集与准确测量是实现路灯降压节能的关键。在电压传感器方面，本实用新型采用的可兼容电压频率转换式(VF)电压传感器和基于RS485的集中式电量采集模块，便于工业现场的系统集成。本实用新型具有提高照明节能率、延长照明灯具使用寿命等优点。

附图说明

图1是本实用新型所述基于ARM的路灯照明节能控制器的原理图；

图2和图3是具体实施方式二所述ARM处理器的电路图；

图4是具体实施方式三所述5V直流电产生电路的电路图；

图5是具体实施方式三所述3.3V直流电产生电路的电路图；

图6是开关量输入信号的电路原理框图；

图7是开关量输出信号的电路原理框图；

图8是RS485串行通讯电路的原理图；

图9是实时时钟电路的原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于ARM的路灯照明节能控制器，该控制器包括ARM处理器1、电源模块2、集中式电量采集模块和VF/IF模块3、光耦隔离模块4、上电继电器5、节能空开模块6、晶体管驱动和继电器控制模块7、中间继电器、接触器和变压器模块8、电阻控制模块9、路灯上电或断电控制模块10、文本显示器11、GPRS模块12和实时时钟模块13；

电源模块2用于提供5V和3.3V输入电压；

集中式电量采集模块和VF/IF模块3采集三相电压及三相电流信号，集中式电量采集模块通过RS485与ARM处理器1进行串口通讯；VF/IF模块通过光耦隔离模块4连接至ARM处理器1；

上电开关量信号通过上电继电器5和光耦隔离模块4输入至ARM处理器1；

节能选择开关量信号通过节能空开模块6和光耦隔离模块4输入至ARM处理器1；

ARM处理器1将开关量输出信号输出至晶体管驱动和继电器控制模块7；

晶体管驱动和继电器控制模块7的驱动信号输出端连接中间继电器、接触器和变压器模块8，进而控制三相接触器的开关状态；晶体管驱动和继电器控制模块7的第一控制信号输出端连接电阻控制模块9，进而控制三相电阻的切入/切除；晶体管驱动和继电器控制模块7的第二控制信号输出端连接路灯上电或断电控制模块10，进而控制路灯的上电/断电状态；

ARM处理器1通过RS485与文本显示器11和GPRS模块12进行串口通讯；

ARM处理器1通过SPI串行接口与实时时钟模块13连接；

ARM处理器1通过I2C总线与存储器扩展模块14连接。

本实施方式中，基于ARM的路灯照明节能控制器的输入输出接口如表1所示，

表1三相照明节能控制器的输入输出接口

具体实施方式二：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，ARM处理器1采用STM32F103ZET6；

ARM处理器1STM32F103ZET6的SWDIO端口连接连接器P14的三号管脚，ARM处理器1STM32F103ZET6的SWCLK端口连接连接器P14的二号管脚，连接器P14的四号管脚接3.3V电源，连接器P14的一号管脚接地；ARM处理器1STM32F103ZET6的SCL端口通过电阻R117连接至存储器U57的六号管脚，ARM处理器1STM32F103ZET6的SDA端口通过电阻R119连接至存储器U57的五号管脚，ARM处理器1STM32F103ZET6的SCL端口同时连接电阻R114的一端和电容C27的一端，ARM处理器1STM32F103ZET6的SDA端口同时连接电阻R115的一端和电容C28的一端，电阻R114的另一端和电阻R115的另一端同时连接3.3V电源，电容C27的另一端和电容C28的另一端同时接地，存储器U57的一号管脚、二号管脚、三号管脚和四号管脚相连接，存储器U57的一号管脚还同时连接3.3V电源和电容C26的一端，电容C26的另一端接地，存储器U57的四号管脚还同时接地；ARM处理器1STM32F103ZET6的PC14-OSC32_IN端口同时连接电容C37的一端和晶振Y3的一端，ARM处理器1STM32F103ZET6的PC15-OSC32_OUT端口同时连接电容C38的一端和晶振Y3的另一端，电容C37的另一端和电容C38的另一端同时接地；

ARM处理器1STM32F103ZET6的OSC_IN端口同时连接晶振Y2的一端和电容C33的一端，ARM处理器1STM32F103ZET6的OSC_OUT端口同时连接晶振Y2的另一端和电容C34的一端，电容C33的另一端和电容C34的另一端同时接地；ARM处理器1STM32F103ZET6的BOOT0端口同时连接开关S1的一端和电阻R130的一端，开关S1的另一端接3.3V电源，电阻R130的另一端接地；ARM处理器1STM32F103ZET6的NRST端口同时连接电容C36的一端、开关S2的一端和电阻R143的一端，电阻R143的另一端连接3.3V电源，电容C36的另一端和开关S2的另一端同时接地。

本实施方式中，ARM处理器1是采用意法公司的STM32F103系列ARM处理器作为主控芯片。STM32F103系列ARM是基于ARM Cortex-M3内核的微控制器，适用于要求高度集成和低功耗的嵌入式场合。ARM Cortex-M3是一个面向低成本、少管脚数、低功耗应用，并且具有极高运算能力和中断响应能力的处理器内核。

STM32F103系列ARM Cortex-M3的CPU操作频率可达72MHz，具有3级流水线，可实现单周期乘法和硬件除法运算。本系统的ARM型号为STM32F103RCT6，其外设组件包括256kB的Flash存储器，64kB的数据存储器，USB 2.0全速接口，12通道DMA控制器，3个UART接口，2路CAN接口，2个看门狗定时器，2个SPI接口，2个I2C接口，多达16通道的12位ADC，正交编码器接口，带独立电池供电的超低功耗RTC和多达50余个的通用I/O管脚，硬件资源丰富。

具体实施方式三：下面结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，电源模块2包括5V直流电产生电路和3.3V直流电产生电路；

5V直流电产生电路为电源转换器TPS5430D的VIN端口同时连接24V电源和电解电容C3的正极，电解电容C3的负极和电源转换器TPS5430D的GND端口同时接地，电源转换器TPS5430D的PH端口同时连接电容C1的一端、二极管D8的阴极和电感L1的一端，电容C1的另一端连接电源转换器TPS5430D的ENABOOT端口，二极管D8的阳极接地，电感L1的另一端同时连接电解电容C4的正极和电阻R10的一端，电解电容C4的负极接地，电阻R10的另一端同时连接电源转换器TPS5430D的VSENSE端口和电阻R24的一端，电阻R24的另一端接地；电阻R10的一端输出5V电压；

3.3V直流电产生电路为电压调节器LM1117的IN端口连接+5V电源，电压调节器LM1117的IN端口还同时连接电容C6的一端、电解电容E1的正极和电容C5的一端，电压调节器LM1117的两个OUT端口相连，同时连接电容C7的一端和电解电容E2的正极，电压调节器LM1117的GND端口接地，同时连接电容C6的另一端、电解电容E1的负极、电容C5的另一端电容C7的另一端和电解电容E2的负极，电解电容E2的正极输出+3.3V电压。

本实施方式中电源模块2将24V直流开关电源供电信号通过降压、变换等环节，转换为5V、3.3V等直流电，供嵌入式系统中ARM等芯片供电所需。电源模块2具有抗干扰、提高电磁兼容性等技术措施。

具体实施方式四：下面结合图6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，开关量信号包括TTL电平、+24V高电平和集电极开路信号，对三种开关量信号，跳线器JP1和跳线器JP2的设置方式为：

当外部开关量信号为TTL电平时，将跳线器JP1断开，跳线器JP2的2号管脚和3号管脚连接；

当外部开关量信号为+24V高电平时，将跳线器JP1断开，跳线器JP2的1号管脚和2号管脚连接；

当外部数字量输入信号为集电极开路信号时，将跳线器JP1连接，跳线器JP2的2号管脚和3号管脚连接。

具体实施方式五：下面结合图7说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，开关量信号采用继电器输出方式，采用三极管进行功率驱动，根据ARM处理器1的输出点控制中间继电器、接触器和变压器模块8的继电器动作，继电器再控制中间继电器和接触器，来改变对应相变压器接入主电路的方式，最终实现调压稳压功能。

本发明中，RS485串口通讯是照明节能器主控系统的核心功能之一。嵌入式主控系统与集中式电量采集模块、GPRS DTU模块和文本显示器等外部设备的联系需要依托RS485串口通讯来实现。RS485接口是目前最常用的控制器与控制器之间、计算机与外设之间进行数据通讯的接口标准。这里选用美信公司(Maxim)的MAX13487作为RS485通讯芯片。该接口芯片采用5V单电源供电，半双工通讯方式，可实现将ARM的3.3V电平转换为RS485电平的功能，以便与外部设备进行通讯，电路设计如图8所示。

照明节能器需要根据时钟进行电压切换，同时设备断电时系统时钟需依靠备电(超级电容)继续运行，因此嵌入式系统设计中需具有实时时钟功能。这里，采用美国DALLAS公司的DS1302时钟芯片来完成时间的存储和设置。DS1302是经典工业级实时时钟芯片，可通过SPI总线进行通讯。当节能器运行时，由外部电源给时钟芯片供电；当ARM嵌入式系统断电时，由超级电容供电，保护片内时间数据不丢失/时钟继续运行。该实时时钟电路如图9所示。

本实用新型中，当ARM嵌入式系统断电后，由于系统中采用超级电容作为备电，且有前述实时时钟电路，可长时间储存时钟信息，确保时钟数据不丢失。