摘要：針對(duì)目前城市路燈照明系統(tǒng)存在的問(wèn)題，如自動(dòng)化管理水平還不很高、系統(tǒng)可靠性不高、能耗高等，提出了一個(gè)較為完善的路燈綜合節(jié)能控制系統(tǒng)。即將LED路燈裝置與交通紅綠燈控制系統(tǒng)結(jié)合在一起，利用每一路段紅綠燈的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)下一路段燈光強(qiáng)弱的控制。將當(dāng)前市場(chǎng)上LED集燈板上的LED燈分為兩組，在滿(mǎn)足不同時(shí)段照明要求前提下，最大可能地降低功率，節(jié)省能耗；同時(shí)又能有效地減少LED燈的產(chǎn)熱，增加其冷卻散熱時(shí)間，從而提高LED路燈的散熱效率，大大延長(zhǎng)LED燈使用壽命。

　　1  研究背景

　　近年來(lái)，我國(guó)的路燈建設(shè)取得了飛速的發(fā)展，道路照明質(zhì)量不斷提高，高強(qiáng)度氣體放電燈被廣泛使用，對(duì)現(xiàn)代化城市的建設(shè)起了很大作用，但是隨之而來(lái)的是能耗的大幅度提高，特別是近年來(lái)能源價(jià)格大幅度提升，使電力耗費(fèi)成為負(fù)擔(dān)。在全球都在提倡綠色照明的時(shí)代，路燈的節(jié)能必然成為一種趨勢(shì)。

　　目前，我國(guó)照明用電量占總用電量的13%左右，其中道路照明占整個(gè)照明用電量的25%~30%,因此道路照明節(jié)能具有很大的潛力和空間。目前道路照明使用最多的是高壓鈉燈，這種光源存在顯色性差、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、耗電量高、發(fā)熱量大等缺點(diǎn)，需要發(fā)展新的更節(jié)能的道路照明光源。大功率高光效LED是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外快速發(fā)展起來(lái)的新光源，它具有光效高（≥90lm/W（1WLED））、壽命長(zhǎng)（30000~50000h）、耐震動(dòng)不易損壞、瞬時(shí)啟動(dòng)、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。白光LED是普通照明和道路照明的理想光源。因此發(fā)展LED路燈具有重要的節(jié)能意義。

　　考慮到現(xiàn)階段LED城市路燈使用缺陷和現(xiàn)實(shí)條件，筆者提出一種LED城市路燈控制系統(tǒng)綜合方案。

　　2  LED城市路燈與紅綠燈控制系統(tǒng)結(jié)合方案概述

　　在不改變現(xiàn)有的紅綠燈交通系統(tǒng)的前提下，將每一路段的城市路燈控制系統(tǒng)與紅綠燈控制系統(tǒng)綜合起來(lái)，達(dá)到紅燈期間，LED路燈小功率工作；綠燈期間，LED路燈大功率工作的目的。

　　本方案主要從以下兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：

　　2.1 LED路燈控制系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)

　　將LED路燈裝置與交通紅綠燈控制系統(tǒng)結(jié)合在一起，利用每一路段紅綠燈的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)該路段燈光強(qiáng)弱的控制。紅燈期間，非機(jī)動(dòng)車(chē)和行人的照明需求量較小，綠燈期間，機(jī)動(dòng)車(chē)的照明需求量較大，這樣能夠在充分滿(mǎn)足各種照明需求情況下最大限度地節(jié)約電能。

　　2.2 LED集成燈板內(nèi)部設(shè)計(jì)

　　眾所周知，散熱效率低是LED路燈使用的一大瓶頸。筆者提出的LED集成燈板內(nèi)部分組設(shè)計(jì)能夠很好地解決此問(wèn)題。本方案擬將LED集成路燈板分成甲、乙兩組。紅燈時(shí)期，甲組燈組單獨(dú)工作，實(shí)現(xiàn)小功率工作；綠燈時(shí)期，甲乙兩組同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)大功率工作；下一紅燈時(shí)期，乙組燈組單獨(dú)工作，依次循環(huán)輪流工作。這樣能夠讓每組燈組留有較為充足的散熱時(shí)間，延長(zhǎng)LED路燈的使用壽命。

　　3  LED城市路燈與紅綠燈控制系統(tǒng)結(jié)合方案具體實(shí)施

　　為了便于實(shí)施和推廣本設(shè)計(jì)方案，我們本著基本不改變?cè)致房诩t綠燈交通系統(tǒng)的原則，將每段LED路燈控制系統(tǒng)和紅綠燈系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。

　　本方案所設(shè)計(jì)的電路圖分為三部分：紅綠燈信號(hào)激發(fā)裝置、時(shí)序邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置、LED路燈智能工作裝置。

　　首先利用紅綠燈信號(hào)激發(fā)裝置將紅綠燈的工作情況轉(zhuǎn)換成高電平（綠燈和黃燈工作期間），低電平（紅燈工作期間），然后運(yùn)用雙向移位寄存器74LS194組成的時(shí)序邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置來(lái)將高低電平矩形脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成合適的脈沖信號(hào)，從而使LED路燈能夠智能工作。

　　工作原理圖如圖1所示。

圖1本方案設(shè)計(jì)工作簡(jiǎn)圖

　　3.1 紅綠燈信號(hào)激發(fā)裝置

　　利用圖2中的信號(hào)激發(fā)裝置，可以將紅綠燈工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換成高低電平，將黃燈工作狀態(tài)等效看做綠燈，這樣就能夠使CP形成矩形脈沖信號(hào)。

圖2紅綠燈信號(hào)激發(fā)裝置圖

3.2 燈板內(nèi)部甲乙兩組燈組在紅綠燈工作狀態(tài)

　　根據(jù)本方案所闡述的LED城市路燈與紅綠燈控制系統(tǒng)結(jié)合方案的工作原理——紅燈時(shí)期，甲組燈組單獨(dú)工作，實(shí)現(xiàn)小功率工作；綠燈時(shí)期，甲乙兩組同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)大功率工作；下一紅燈時(shí)期，乙組燈組單獨(dú)工作，依次循環(huán)輪流工作。甲乙組燈組在紅綠燈循環(huán)狀態(tài)的工作狀態(tài)圖如圖3所示。

　　可見(jiàn)當(dāng)甲乙兩組燈組都在高電平信號(hào)工作，在低電平信號(hào)不工作的前提條件下，要滿(mǎn)足本方案中兩組燈的工作要求，即要使甲乙兩組燈組接收到的脈沖信號(hào)如表1所示。

圖3燈板內(nèi)部甲乙兩組工作狀態(tài)簡(jiǎn)圖

表1紅綠燈工作狀態(tài)

　　3.3 時(shí)序邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置

　　由表1知要使LED路燈按照本方案中設(shè)計(jì)工作，需要將脈沖信號(hào)0101010101轉(zhuǎn)換成1101110111和0111011101,分別加給甲組燈組和乙組燈組。

　　我們可以運(yùn)用雙向移位寄存器74LS194組成的時(shí)序邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置來(lái)將高低電平矩形脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成合適的脈沖信號(hào)。裝置如圖4所示。

圖4時(shí)序邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置電路圖

　　3.4 LED集成路燈內(nèi)部工作裝置

　　將LED集成路燈板內(nèi)部分成甲乙兩組，如圖5所示。

圖5LED集成路燈板內(nèi)部分組示意圖

　　注：黑色代表甲組；白色代表乙組。

　　由圖2裝置轉(zhuǎn)換的脈沖信號(hào)分別輸?shù)郊滓覠艚M上，由二極管單向?qū)щ娦灾?，只有高電平才能?dǎo)通，正常工作。這樣能夠達(dá)到預(yù)期工作目的。

　　4  小結(jié)

　　（1）經(jīng)濟(jì)效益

　　LED路燈較傳統(tǒng)高壓鈉燈節(jié)約用電60%（理論計(jì)算最高可達(dá)75%），政府每年的電費(fèi)總額為800億元人民幣，其中城市路燈照明電費(fèi)約是政府電費(fèi)總額的30%,約240億元，則每年可以節(jié)約144億元。

　　由上所述，紅燈時(shí)期，甲組燈組單獨(dú)工作，實(shí)現(xiàn)小功率工作；綠燈時(shí)期，甲乙兩組同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)大功率工作；下一紅燈時(shí)期，乙組燈組單獨(dú)工作，依次循環(huán)輪流工作（即以每?jī)山M紅綠燈為一周期，甲乙工作時(shí)間均為四分之三周期）。假設(shè)紅綠燈工作時(shí)間均為t（為計(jì)算簡(jiǎn)便起見(jiàn)，黃燈的時(shí)間算為紅燈時(shí)間），甲乙兩組燈的功率均為P,則可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能25%。如果在此基礎(chǔ)上，在保證燈亮度的同時(shí)，適當(dāng)降低壓降，又可以進(jìn)一步提高節(jié)能效果。因?yàn)橥ㄟ^(guò)降低供電電壓的方法不但可以節(jié)能，還可延長(zhǎng)光源的壽命，是一種較好的節(jié)能方式。當(dāng)降低供電電壓10%來(lái)運(yùn)行，則光通量減少為額定值的70%,而此時(shí)消耗功率可減少50%。

　　（2）前景展望

　　采用LED路燈雖然成本有所增加，但卻有著良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益?；赑LC控制系統(tǒng)的LED路燈照明，一方面使城市道路交通通行設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理，緩解了城市交通壓力；另一方面減少了LED燈的工作時(shí)間，減少其散熱量，增加其冷卻時(shí)間，從而延長(zhǎng)了LED路燈的壽命。同時(shí)，LED燈較傳統(tǒng)高壓鈉燈有節(jié)能、環(huán)保的巨大優(yōu)勢(shì)，隨著LED路燈的普及，此優(yōu)化系統(tǒng)必將為LED路燈贏得更大的節(jié)能空間。在當(dāng)前國(guó)家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排，人們的節(jié)約意識(shí)日益提高的社會(huì)背景下，城市LED路燈綜合節(jié)能系統(tǒng)必將有廣闊的前景和美好的未來(lái)。