CN103343940B - 高速公路巨型广告牌智能照明节能控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于可见光检测技术领域，特别涉及高速公路巨型广告牌智能照明节能控制装置及方法，包括：透镜组和可见光感应节能控制装置，其中，可见光感应节能控制装置还进一步包括电源管理模块、继电器、LED灯组、双元可见光照度检测电路、电平转换电路和单稳态多重触发电路，本发明提出的可见光感应节能控制装置体积小、成本低、安装方便，创新的使用两个光敏电阻及反相带通滤波放大电路组成双元可见光检测电路，用于检测车辆行驶经过时由于车灯照明而使环境照度变化，避免了环境照度和外部射频信号的对检测的干扰，更有效的判断是否有车辆行驶经过。

Description

高速公路巨型广告牌智能照明节能控制装置及方法

技术领域

本发明属于可见光检测技术领域，特别涉及高速公路巨型广告牌智能照明节能控制装置及方法。

背景技术

目前，高速公路上最常见的广告牌是矗立式巨型广告牌，还有设置在高速公路沿线设施、代收费站、服务区和上跨桥等位置的广告牌，为了获得更多的广告群体和广告效果，广告公司通常在广告牌下方安装泛光高压钠灯提供夜间照明。因此产生了在夜间无车辆行驶经过时，泛光高压钠灯仍然提供照明，不但未收到广告效果，而且造成电能浪费。

现在LED照明技术已广泛应用，其节能效果、易控性和使用寿命均优于高压钠灯，因此采用LED灯取代高压钠灯成为发展的趋势。但在夜间使用LED灯照明仍存在无车辆经过时对电能的浪费。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、低成本的高速公路巨型广告牌智能照明节能控制装置及方法，以达到在高速公路上无车辆行驶经过时自动关闭广告牌照明，在有车辆行驶经过时自动的为广告牌照明并延时关闭，实现广告牌照明节能控制目的。

本发明的技术方案是这样实现的：一种高速公路巨型广告牌智能照明节能控制装置，包括：透镜组和可见光感应节能控制装置，其中：

透镜组：用于将远距离的微弱光线汇聚在一起增强光照；

可见光感应节能控制装置还进一步包括：

电源管理模块：用于为可见光感应节能控制装置供电；

继电器：用于根据单稳态多重触发电路输出的控制信号进行吸合或释放，控制LED灯组所在回路的导通或关断；

LED灯组：用于为高速公路巨型广告牌提供夜间照明；

其中，可见光感应节能控制装置还进一步包括：

双元可见光照度检测电路：用于根据高速公路上行驶车辆的车灯光照变化，产生电压信号，控制LED灯组的点亮和熄灭；

电平转换电路:用于接收双元可见光照度检测电路输出的电压变化信号，转换并输出触发信号输出给单稳态多重触发电路；

单稳态多重触发电路：用于接收电平转换电路输出的触发信号，向继电器输出高电平的闭合信号或低电平的断开信号以及控制继电器闭合时间的控制信号。

所述的双元可见光照度检测电路，包括光敏电阻RT1和光敏电阻RT2,当有车辆经过时，用于采集光照强度，当两个光敏电阻采集到的光照强度不同时，向单稳态多重触发电路发送电压变化信号。

所述的双元可见光照度检测电路，包括由运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3及电容C1、电容C2组成反相带通滤波放大电路,其中，电阻R1和电容C1组成串联电路，用于滤除由光敏电阻RT1和光敏电阻RT2输出的电压变化信号的低频干扰；电阻R2和电容C2组成的并联电路，用于滤除由光敏电阻RT1和光敏电阻RT2输出的电压变化信号的高频干扰。

所述的可见光感应节能控制装置，包括由电阻R5、电阻R6及比较器组成的电平转换电路，其中，电阻R5和电阻R6组成串联电路，用于提供比较器使用的基准电压。

所述的单稳态多重触发电路，包括555触发器、三极管T1以及连接在三极管T1发射极和集电极之间的电容C4，当向555触发器发送的电压信号低于555触发器置位阈值时，555触发器输出持续的暂态高电平控制继电器闭合，同时使三极管T1导通电容C4释放能量，然后，当向555触发器发送的电压信号高于555触发器置位阈值时，三极管T1截止，通过电容C4储存能量的时间，控制继电器的闭合时间；当当电容C4两端电压高于555触发器复位阈值，使555触发器输出恢复为稳态低电平，用于控制继电器断开。

所述的双元可见光照度检测电路进一步包括光敏电阻、电阻、电容和运算放大器，其中，第一光敏电阻与第二光敏电阻组成串联电路，该串联电路的一端连接电源管理模块，另一端接地；第一光敏电阻和第二光敏电阻的连接点处连接第一电阻一端、第二电阻一端，第一电阻的另一端连接运算放大器的同相输入端和第一电容的一端，第一电容的另一端接地；第二电阻的另一端连接第二电容一端、第三电阻一端和运算放大器的反相输入端，第三电阻的另一端、第二电容的另一端同时连接运算放大器的输出端。

采用上述高速公路巨型广告牌智能照明节能控制装置控制广告牌照明的方法，包括以下步骤：

步骤1、可见光感应节能控制装置通电后自检及初始化，并进入监测状态；

步骤2、可见光感应节能控制装置使用双元可见光照度检测电路监测道路车辆行驶经过时因车灯照射而产生照度变化，并转换成触发信号，当触发信号跳转成低电平时，触发单稳态多重触发电路由稳态输出低电平信号跳转成暂态输出高电平信号，并在延续一段时间后恢复稳态低电平；当单稳态多重触发电路输出暂态高电平信号期间，若有新的车辆行驶通过监测区域，双元可见光照度检测电路产生新的触发信号，从而再次触发单稳态多重触发电路时，单稳态多重触发电路持续输出暂态高电平信号，延时时间从最后一次触发开始计算；

步骤3、在单稳态多重触发电路输出跳转成暂态高电平时，输出信号控制继电器吸合点亮LED灯组，并延时至恢复稳态低电平时释放继电器关闭LED灯组。

其中，步骤2所述的双元可见光照度检测是使用两个相同规格的光敏电阻分别检测被菲涅尔透镜分隔成前后两个检测区域的可见光照射强度，当有车辆行驶时，车辆将顺序通过两个检测区域，两个光敏电阻因车灯照射的光照强度不同，从而形成电阻值的差异，致使在两个光敏电阻间的电压信号产生波动，通过检测电压信号的波动而判断出是否有车辆通过检测区域。

本发明的有益效果：本发明提出的可见光感应节能控制装置体积小、成本低、安装方便，创新的使用两个光敏电阻及反相带通滤波放大电路组成双元可见光检测电路，用于检测车辆行驶经过时由于车灯照明而使环境照度变化，避免了环境照度和外部射频信号的对检测的干扰，更有效的判断是否有车辆行驶经过。

附图说明

图1为本发明一种实施方式高速公路巨型广告牌智能照明节能控制装置总结构框图；

图2为本发明一种实施方式透镜组结构示意图；

图3为本发明一种实施方式可见光感应节能控制装置电路原理图；

图4为本发明一种实施方式经透镜组聚集的光束将车辆经过的道路分隔成前后两个区域示意图；

图5为本发明一种实施方式单稳态多重触发电路输出波形图；

图6为本发明一种实施方式高速公路巨型广告牌智能照明节能控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明一种实施方式的高速公路巨型广告牌智能照明节能控制装置结构框图，包括透镜组1和可见光感应节能控制装置2。

可见光感应节能控制装置2内包括双元可见光照度检测电路6、单稳态多重触发电路7、电源管理模块4、继电器5和电平转换电路8。双元可见光照度检测电路6的输入端接收来自透镜组1的光照信号，双元可见光照度检测电路6的输出端连接电平转换电路8的输入端，电平转换电路8的输出端连接单稳态多重触发电路7的输入端，单稳态多重触发电路7的输出端连接继电器5的控制端，继电器5的输出端连接LED灯组3。

透镜组1置于可见光感应节能控制装置2的前端，由图2可知，透镜组1包括2个菲涅尔透镜，小的菲涅尔透镜置于靠近可见光感应节能控制装置2中的光敏电阻RT1与光敏电阻RT2一侧，大的菲涅尔透镜置于远离光敏电阻RT1与光敏电阻RT2另一侧，且应保证光敏电阻RT1与光敏电阻RT2放置在小的菲涅尔透镜的焦点处。

菲涅尔透镜组1 面向行车方向，与可见光感应节能控制装置2同时置于壳体9内，壳体7的背面设有外部电源输入输出接口10。

可见光感应节能控制装置电路如图3所示。光敏电阻RT1与光敏电阻RT2组成的串联电路一端与电源管理模块相连接，另一端与地连接，光敏电阻RT1和光敏电阻RT2间的连接点与电阻R3的一端连接，同时与电阻R1和C1组成的串联电路一端相连，电阻R1和电容C1组成的串联电路另一端与地连接，电阻R1和电容C1间的连接点与运算放大器的同相输入端连接，电阻R3的另一端连接运算放大器的反相输入端、电阻R2和电容C2组成并联电路的一端，电阻R2和电容C2组成并联电路的另一端连接运算放大器的输出端，运算放大器的输出端连接比较器的同相输入端，电阻 R5和R6组成的串联电路一端连接电源管理模块，另一端与地连接，电阻R5和R6间的连接点连接比较器的反相输入端，比较器的输出端连接555触发器的引脚2（即低电平触发端），同时连接三极管T1的基极，三极管T1的发射极和集电极分别连接电容C4的两端，三极管T1的发射极还连接电阻R4的一端及555触发器引脚6（即高电平触发端）和引脚7（即放电端），电阻R4的另一端连接电源管理模块及555触发器的引脚4（即复位端）和引脚8（即电源端），三极管T1的集电极和555触发器的引脚1（即地端）分别接地，555触发器的引脚5（即电压控制端）经电容C3连接地，555触发器的引脚3（即输出端）连接继电器的控制端。

经菲涅尔透镜组1将车辆经过的道路分隔成前后两个区域A和B，聚集的两个区域光束分别聚集在光敏电阻RT1和光敏电阻RT2上，如图4所示，车辆行驶过程中，先经过A区域，然后进入B区域。光敏电阻RT1通过菲涅尔透镜组检测A区域照射的光照强度数值，光敏电阻RT2通过菲涅尔透镜组检测B区域照射的光照强度数值，当道路上无车辆行驶时，因A区域和B区域亮度相同，RT1和RT2阻值相同，其中间连接点电压ui为VDD/2，且当周围环境亮度变化时，由于这种变化对RT1和RT2的影响相同，ui不会产生变化。此时，LED灯处于关闭状态。

当有车辆行驶经过时，车辆将顺序经过A区域和B区域，当车辆进入A区域未到B区域时，车灯光透过菲涅尔透镜组汇集到RT1上使RT1阻值降低，而RT2阻值没有变化，此时ui值降低趋于0V，或者当车辆驶出A区域，进入B区域时，此时ui值升高趋于VDD(即供电电压)，这两种情况均会产生变化的电压信号。该变化的信号进入由运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3及电容C1、电容C2组成反相带通滤波放大电路，其中，电阻R1和电容C1组成的串联电路用于提供滤除由光敏电阻RT1和光敏电阻RT2输出的电压信号低频干扰的电压信号频率下限；电阻R2和电容C2组成的并联电路用于提供滤除由光敏电阻RT1和光敏电阻RT2输出的电压信号高频干扰的电压信号频率上限；电阻R2和R3用于提供放大增益倍数。

在车辆经过过程中产生的变化的电压信号ui经过反相带通滤波放大电路滤除高频和低频干扰后，可得到如图5所示电压信号uo的波形图。电压信号uo输入由电阻R5、R6和比较器组成的电平转换电路（其中R6电阻值是R5电阻值的2倍）转换成触发信号Ui，当触发信号Ui小于VDD/3时比较器输出触发信号Ui为低电平，当触发信号Ui大于VDD/3时比较器输出触发信号Ui为高电平，触发信号Ui输入555触发器的引脚2，当触发信号Ui低于555触发器引脚2的置位阈值电压VDD/3时，单稳态多重触发电路输出信号Uo从原先的稳态低电平信号跳转成暂态高电平信号，同时通过三极管T1给电容C4放电，当触发信号Ui变为高电平时，三极管T1截止，电容C4充电，当电容C4两端电压高于555触发器引脚6 的复位阈值电压2*VDD/3时，单稳态多重触发电路输出信号Uo从暂态高电平信号恢复到稳态低电平信号。

当单稳态多重触发电路输出信号Uo，保持在暂态高电平信号期间，此时电容C4两端电压仍小于2*VDD/3，若有新的车辆行驶通过监测区域，则双元可见光照度检测电路产生新的电压信号uo出现低电压，从而再次触发单稳态多重触发电路，电容C4通过三极管T1放电，单稳态多重触发电路维持输出暂态高电平信号，直到在Tw时间内没有新的触发，单稳态多重触发电路恢复到稳态低电平信号。

采用上面的装置，将可见光感应节能控制装置2固定在巨型广告牌11下方的支柱上，实现高速公路巨型广告牌智能照明节能控制的方法，如图6所示。包括以下步骤：

该步骤开始于步骤601。

在步骤602，可见光感应节能控制装置在通电后进行自检及初始化，并进入检测状态。

在步骤603，可见光感应节能控制装置通过双元可见光检测由于行驶车辆因车灯照射而产生的照度变化。由于光敏电阻的工作特性：当照射到光敏电阻上的光照强度变大时，光敏电阻的电阻值减小。因此采用两个参数相同的光敏电阻串联，通过检测不同区域光照强度的变化，判断是否有车经过。具体检测过程如图2、图3、图4所示，停车定位检测装置壳体上的菲涅尔透镜组将道路分隔成前后两个监测区域，分别为A区域和B区域，光敏电阻RT1通过菲涅尔透镜组监测A区域照射的光照强度数值，光敏电阻RT2通过菲涅尔透镜组监测B区域照射的光照强度数值，光敏电阻RT1、RT2间连接点电压值ui计算公式为：

                      ui=VDD*RT2/(RT1+RT2)                               (1)

当道路上无车辆行驶时，因A区域和B区域亮度相同，光敏电阻RT1和RT2阻值相同，光敏电阻RT1和RT2间连接点的电压值经公式(1)计算可得ui=VDD/2，且当周围环境亮度变化时，对RT1和RT2的影响相同，ui不会产生变化。

当由车辆行驶经过时，车辆将顺序经过A区域和B区域，当车辆进入A区域未到B区域时，车灯光透过菲涅尔透镜组汇集到RT1上使RT1阻值降低，而RT2阻值没有变化，根据公式(1)可得出ui值升高趋于VDD，当车辆驶出A区域，进入B区域时，根据相同方法可计算ui值降低趋于零，当车辆驶出B区域时，ui值恢复到VDD/2位置，在车辆经过过程中产生的ui信号通过运算放大器及电阻R1、R2、R3和电容C1、C2组成的反相带通滤波放大电路滤除ui信号中的高于电压频率上限的高频干扰和低于电压频率下限的低频干扰，并放大输出为电压信号uo，其电压频率上限、电压频率下限和放大增益的计算公式为

电压频率上限  fh=1/(2π*R2*C2)                   (2)

电压频率下限  fl=1/(2π*R1*C1)                   (3)

放大增益倍数  A=R2/R3                            (4)

如图5所示电压信号uo的波形图。电压信号uo输入由电阻R5、R6和比较器组成的电平转换电路（其中R6电阻值是R5电阻值的2倍），当电压信号uo小于VDD/3时比较器输出触发信号Ui为低电平，当电压信号uo大于VDD/3时比较器输出触发信号Ui为高电平，触发信号Ui输入555触发器的引脚2，当触发信号Ui低于555触发器引脚2的置位阈值电压VDD/3时，单稳态多重触发电路输出信号Uo从原先的稳态低电平信号跳转成暂态高电平信号，同时通过三极管T1给电容C4放电，当触发信号Ui变为高电平时，三极管T1截止，电容C4充电，当电容C4两端电压高于555触发器引脚6 的复位阈值电压2*VDD/3时，单稳态多重触发电路输出信号Uo从暂态高电平信号恢复到稳态低电平信号，如图5所示，其延续时间Tw计算公式为：

Tw=1.1*R4*C4                                          (5)

当单稳态多重触发电路输出信号Uo保持在暂态高电平信号期间，此时电容C4两端电压仍小于2*VDD/3，若有新的车辆行驶通过监测区域，则双元可见光照度检测电路产生新的电压信号uo出现低电压，从而再次触发单稳态多重触发电路，电容C4通过T放电，单稳态多重触发电路维持输出暂态高电平信号，直到在Tw时间内没有新的触发，单稳态多重触发电路恢复到稳态低电平信号。

在步骤604，在单稳态多重触发电路输出跳转成高电平时，输出信号控制继电器吸合点亮LED灯组，并延时至恢复稳态低电平时释放继电器关闭LED灯组。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种高速公路巨型广告牌智能照明节能控制装置，包括：透镜组(1)和可见光感应节能控制装置(2)，其中：

透镜组(1)：用于将远距离的微弱光线汇聚在一起增强光照；

可见光感应节能控制装置(2)还进一步包括：

电源管理模块(4)：用于为可见光感应节能控制装置供电；

继电器(5)：用于根据单稳态多重触发电路输出的控制信号进行吸合或释放，控制LED灯组所在回路的导通或关断；

LED灯组(3)：用于为高速公路巨型广告牌提供夜间照明；

可见光感应节能控制装置(2)还进一步包括：

双元可见光照度检测电路(6)：用于根据高速公路上行驶车辆的车灯光照变化，产生电压信号，控制LED灯组(3)的点亮和熄灭；

电平转换电路(8):用于接收双元可见光照度检测电路(6)输出的电压变化信号，转换并输出触发信号给单稳态多重触发电路(7)；

单稳态多重触发电路(7)：用于接收电平转换电路(8)输出的触发信号，向继电器(5)输出高电平的闭合信号或低电平的断开信号以及控制继电器(5)闭合时间的控制信号；

其特征在于：所述的双元可见光照度检测电路(6)，包括第一光敏电阻和第二光敏电阻,当有车辆经过时，用于采集光照强度，当两个光敏电阻采集到的光照强度不同时，向电平转换电路(8)发送电压变化信号；所述的双元可见光照度检测电路(6)，还包括由运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻及第一电容、第二电容组成反相带通滤波放大电路,其中，第一电阻和第一电容组成串联电路，用于滤除由第一光敏电阻和第二光敏电阻输出的电压变化信号的低频干扰；第二电阻和第二电容组成的并联电路，用于滤除由第一光敏电阻和第二光敏电阻输出的电压变化信号的高频干扰。

2.根据权利要求1所述的高速公路巨型广告牌智能照明节能控制装置，其特征在于：所述的单稳态多重触发电路(7)，包括555触发器、三极管以及连接在三极管发射极和集电极之间的电容，当向555触发器发送的电压信号低于555触发器置位阈值时，使555触发器输出持续的暂态高电平控制继电器闭合，同时使三极管导通电容释放能量，然后，当向555触发器发送的电压信号高于555触发器置位阈值时，三极管截止，通过电容储存能量的时间，控制继电器的闭合时间；当当电容两端电压高于555触发器复位阈值，使555触发器输出恢复为稳态低电平，用于控制继电器(5)断开。

3.根据权利要求1所述的高速公路巨型广告牌智能照明节能控制装置，其特征在于：所述的双元可见光照度检测电路(6)进一步包括光敏电阻、电阻、电容和运算放大器，其中，第一光敏电阻与第二光敏电阻组成串联电路，该串联电路的一端连接电源管理模块，另一端接地；第一光敏电阻和第二光敏电阻的连接点处连接第一电阻一端、第三电阻一端，第一电阻的另一端连接运算放大器的同相输入端和第一电容的一端，第一电容的另一端接地；第三电阻的另一端连接第二电容一端、第二电阻一端和运算放大器的反相输入端，第二电阻的另一端、第二电容的另一端同时连接运算放大器的输出端。

4.采用权利要求1所述的高速公路巨型广告牌智能照明节能控制装置对高速公路巨型广告牌的照明进行控制的方法，其特征在于：采用上述高速公路巨型广告牌智能照明节能控制装置控制广告牌照明的方法，包括以下步骤：

步骤1、可见光感应节能控制装置通电后自检及初始化，并进入监测状态；

步骤2、可见光感应节能控制装置使用双元可见光照度检测电路监测道路车辆行驶经过时因车灯照射而产生照度变化，并转换成触发信号，当电触发信号跳转成低电平时，触发单稳态多重触发电路由稳态输出低电平信号跳转成暂态输出高电平信号，并在延续一段时间后恢复稳态低电平；当单稳态多重触发电路输出暂态高电平信号期间，若有新的车辆行驶通过监测区域，双元可见光照度检测电路产生新的触发信号，从而再次触发单稳态多重触发电路时，单稳态多重触发电路持续输出暂态高电平信号，延时时间从最后一次触发开始计算；

所述的双元可见光照度检测是使用两个相同规格的光敏电阻分别检测被菲涅尔透镜分隔成前后两个检测区域的可见光照射强度，当有车辆行驶时，车辆将顺序通过两个检测区域，两个光敏电阻因车灯照射的光照强度不同，从而形成电阻值的差异，致使在两个光敏电阻间的电压信号产生波动，通过检测电压信号的波动而判断出是否有车辆通过检测区域；

步骤3、在单稳态多重触发电路输出跳转成暂态高电平时，输出信号控制继电器吸合点亮LED灯组，并延时至恢复稳态低电平时释放继电器关闭LED灯组。