模擬路燈控制系統(tǒng)設(shè)計

李華

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元 628040）

照明工程迅猛發(fā)展，其路燈數(shù)量的增大，而且功耗和性能大不提高，因而對路燈定時器控制的要求比較精確。 目前，路燈開關(guān)燈控制方法多為傳統(tǒng)的“鐘控”和“光控”。因此，系統(tǒng)不能適應(yīng)天氣突變與季節(jié)變化等自然情況，且容易受外部環(huán)境干擾，靈敏度低，可靠性也較差。從而會出現(xiàn)：開燈早，關(guān)燈晚；或者開燈晚，關(guān)燈早的現(xiàn)象。前者會造成巨大的電能浪費，后者會損害城市形象、影響社會治安和交通安全，從而影響城市的投資環(huán)境[1]。本設(shè)計利用微型計算機(jī)技術(shù)對傳統(tǒng)的兩種方式進(jìn)行了優(yōu)化，使之能實現(xiàn)控制開關(guān)燈的合理化、科學(xué)化。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計

該模擬路燈控制系統(tǒng)選用STC89C58作為整個模擬路燈控制系統(tǒng)的控制芯片，利用優(yōu)化的C語言編程方案實現(xiàn)路燈的控制功能?？刂破饕訢S1302為時鐘源，通過12864液晶顯示模塊適時顯示時鐘和監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)，并利用4鍵獨立式鍵盤提供用戶設(shè)置界面。系統(tǒng)提供2種工作模式：人工控制模式和自動控制模式。在人工控制模式下，操作員通過主控制臺上的按鈕設(shè)置路燈的開關(guān)時間，也可直接控制單燈的開與關(guān)；在自動控制模式下，光敏電阻采集路燈所處環(huán)境的光亮度，紅外對管識別是否有物體通過。從而使控制器完成對路燈及時控制的目的。如果路燈出現(xiàn)故障，布設(shè)在支路單元上的光敏器件就會采集LED燈的故障信息，然后由單片機(jī)控制路燈故障聲光報警機(jī)構(gòu)報警。LED燈以恒流電源為驅(qū)動源，單片機(jī)根據(jù)設(shè)定信息通過控制器可使恒流源工作或者停止工作實現(xiàn)LED調(diào)光功能。系統(tǒng)硬件方框總圖如圖1所示。

2 硬件組成與原理

硬件設(shè)計是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，要考慮的方方面面很多，除了實現(xiàn)模擬路燈控制系統(tǒng)基本功能以外，主要還要考慮如下幾個因素：1）系統(tǒng)穩(wěn)定度；2）器件的通用性或易選購性；3）軟件編程的易實現(xiàn)性；4）系統(tǒng)其它功能及性能指標(biāo)。因此只有合理的硬件設(shè)計才能更好的與軟件控制相結(jié)合，從而達(dá)到整體性好，人性化強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Hardware system diagram

2.1 控制電路

控制電路實質(zhì)是單片機(jī)最小系統(tǒng)?？刂齐娐肥窍到y(tǒng)的核心，考慮到程序的大小選用了STC89C58單片機(jī)。它由晶體振蕩電路以及輕觸按鍵構(gòu)成復(fù)位電路構(gòu)成，主要是實現(xiàn)對外圍電路的控制功能，使各模塊電路正常有序的工作。

晶體震蕩電路結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時鐘頻率，作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。

單片機(jī)復(fù)位電路的作用是使單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，本設(shè)計中用的是按鍵電平復(fù)位，即當(dāng)電路已在運行當(dāng)中時，按下復(fù)位鍵后松開，即能使RST為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)復(fù)位的操作[2]。

2.2 獨立式鍵盤電路

獨立式鍵盤相互獨立，每個按鍵占用一根I/O口線，每根I/O口線上按鍵的工作狀態(tài)不會影響其他按鍵的工作狀態(tài)。單片機(jī)在上電運行后，連接到鍵盤一端的I/O口默認(rèn)為高電平，鍵盤的另一端共地，當(dāng)有按鍵動作產(chǎn)生時，相應(yīng)連接該按鍵的I/O口會被接地線拉成低電平，同時，與鍵盤連接的四輸入與門輸出到中斷口的電平為低，如果處理器允許中斷產(chǎn)生則會作出響應(yīng)，否則，響應(yīng)其他操作[2]。

2.3 顯示電路

顯示電路用于在人機(jī)接口中反饋信息，主要由液晶模塊構(gòu)成。硬件設(shè)計中選用了帶KS0108控制器的12864全點陣圖形式液晶。通過編程可實現(xiàn)對液晶顯示屏的任意位置的顯示、滾動顯示和反顯等功能[3]。

2.4 實時時鐘電路

本系統(tǒng)采用實時時鐘電路DS1302，它是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片，工作電壓寬達(dá)2.5～5.5 V。DS1302在硬件電路中與CPU的連接僅需要3條線，即SCLK、I/O、RST。DS1302在第一次加電后，必須進(jìn)行初始化操作。初始化后就可以按正常方法調(diào)整時間[3]。

2.5 LED燈驅(qū)動電路

由于單片機(jī)的I/O口不能夠直接驅(qū)動LED燈發(fā)光，因此采用了驅(qū)動電路來識別單片機(jī)發(fā)出的開關(guān)燈信號，并控制路燈的亮滅。單片機(jī)給出的信號只有高低電平，為了避免開機(jī)時單片機(jī)的I/O口處于高電平而使路燈發(fā)光，開燈信號使用了低電平，關(guān)燈信號使用了高電平。對應(yīng)兩盞燈與單片機(jī)的接口線為：燈1連接到P3.6，燈2連接到P3.7[3]。

2.6 交通檢測與環(huán)境感應(yīng)電路

這兩個電路都是使用傳感器實現(xiàn)外部信號的采集，然后送給單片機(jī)進(jìn)行處理。在器件上分別使用了紅外對管和光敏電阻，紅外對管用于移動物體適時監(jiān)測，包括紅外線發(fā)射管和紅外線接收管，是一種紅外線發(fā)射電路、接收電路一體使用的反射型感應(yīng)開關(guān)模塊，本身發(fā)射出一束紅外光線，在該紅光線的射程內(nèi)如果有一物體擋住紅外光線，并將紅外光線反射回模塊，從而傳輸給單片機(jī)；光敏電阻通過光線的強(qiáng)弱來判斷是白天還是黑夜，在白天，光線較強(qiáng)，光敏電阻處于高阻值的狀態(tài)，因而傳給MCU低電平，在黑夜，則正好相反[3]。

硬件設(shè)計中，交通檢測電路有3個測試點，與單片機(jī)接口線分別為P1.5、P1.6、P1.7，光敏電阻電路只輸出一個高低電平狀態(tài)，與單片機(jī)通信的口線為P1.4。

2.7 故障判斷與報警電路

在對多盞路燈進(jìn)行管理時，檢測故障是一件費力的事情，采用故障判斷電路能夠減少人為判斷的工作量，為了及時反映路燈故障的信息，通過報警電路加以提示，能夠及時知道路燈的工作情況，故障時就能第一時間到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行維修，以保證良好的交通環(huán)境。硬件設(shè)計中，故障判斷利用了光學(xué)傳感器實現(xiàn)，如果燈已開而燈未，即產(chǎn)生了故障，電路會傳給單片機(jī)一個高電平信號，同時，單片機(jī)會控制報警電路工作，蜂鳴器發(fā)生且故障燈亮起[3]。采集燈1和燈2故障信息的傳感器對應(yīng)連接到單片機(jī)的P3.0和3.1口，報警電路獨立與單片機(jī)的P3.3口相連。

整機(jī)電路如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件是本系統(tǒng)的靈魂。軟件采用模塊化設(shè)計方法，不僅易于編程和調(diào)試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。同時，對軟件進(jìn)行全面測試也是檢驗錯誤排除故障的重要手段。這里我們選用了移值性好、結(jié)構(gòu)清晰、能進(jìn)行復(fù)雜運算的C語言來實現(xiàn)編程。程序設(shè)計中，包括實時監(jiān)測、人工控制和自動控制、故障判斷幾個過程[4]。

1）實時監(jiān)測過程

路燈的所有信息通過實時監(jiān)測的都會在反映在液晶主界面上，檢測頻率是1秒進(jìn)行一次，包括時間、控制方式、路燈故障信息、路燈工作狀態(tài)。監(jiān)測流程如圖3所示。

2）人工控制過程

人工控制有兩種方式：單燈控制和定時開關(guān)，單燈控制時，處理器對比設(shè)置的單燈狀態(tài)；定時控制時系統(tǒng)會將當(dāng)前時間與設(shè)定的開關(guān)燈時間對比，直到兩者時間一致。然后，處理器就會控制驅(qū)動電路開燈和關(guān)燈，流程如圖4所示。

圖2 整機(jī)電路圖Fig.2 System circuit diagram

圖3 實時監(jiān)測流程圖Fig.3 Real-time monitor flow chart

圖4 人工控制模式流程圖Fig.4 Manual control pattern flow chart

3）自動控制過程

根據(jù)交通的情況來調(diào)節(jié)燈亮的狀態(tài)能夠進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能的目的，特別是在深夜，車輛和行人都相對較少，一直開燈而沒很好的利用只是在白白浪費資源，因此，最有效的解決辦法是只在有人或車輛通過時才開燈。如圖5[5]所示，當(dāng)可移動物體M（在物體前端標(biāo)出定位點，由定位點確定物體位置）由左至右到達(dá)S點時，燈1亮；當(dāng)物體M到達(dá)B點時，燈1滅，燈2亮；當(dāng)物體M到達(dá)C點時，兩燈均滅；若物體M由右至左移動時，則亮燈次序與上相反。

圖5 路燈布置示意圖Fig.5 Street light arrangement schematic drawing

程序設(shè)計的流程圖如圖6所示。

4）故障判斷與報警過程

路燈出現(xiàn)故障會對交通造成一定的影響，這就要求維修人員能夠第一時間到達(dá)現(xiàn)場排除故障。本系統(tǒng)能夠?qū)崟r判斷路燈的狀態(tài)，出現(xiàn)故障時會發(fā)出聲光報警信號，并且在液晶屏上會顯示故障路燈的編號，可省去管理人員必須到現(xiàn)場才能判斷故障的麻煩。程序流程如圖7所示。

根據(jù)以上描述，全局控制的流程如圖8所示。

4 系統(tǒng)仿真測試

仿真測試主要是對功能指標(biāo)的測試[6]。各項指標(biāo)測試結(jié)果如表1所示。

通過以上數(shù)據(jù)分析，可得出本設(shè)計完全符合設(shè)計的所有要求，實現(xiàn)了模擬路燈控制系統(tǒng)。

5 結(jié) 論

圖6 自動控制流程圖Fig.6 Automatic control flow chart

圖7 故障判斷流程圖Fig.7 Breakdown judgment flow chart

該控制系統(tǒng)是采用單片機(jī)實時控制，主要由4個模塊組成，第1個模塊為支路控制器，能適時讀取時鐘芯片的信息并顯示，能對來自紅外對管、光敏器件的監(jiān)測信號進(jìn)行處理并控制其他電路；第2個模塊為單元控制器，負(fù)責(zé)接收支路控制器發(fā)出的控制指令并監(jiān)測移動物體將信息、路燈狀態(tài)信息傳給支路控制器做判斷，從而控制LED燈的開關(guān)；第3個模塊為輸入、顯示裝置，是對系統(tǒng)工作狀態(tài)以及用戶更改設(shè)置、直觀顯示、人機(jī)交互的作用。作為控制執(zhí)行部件，廣泛應(yīng)用于自動控制和精密機(jī)械等領(lǐng)域，尤其在需要精確定位時應(yīng)用得更為廣泛。

圖8 全局控制流程圖Fig.8 Overall situation control flow chart

表1 控制系統(tǒng)測試結(jié)果Tab.1 Test result of control system

[1]王玉巧，胡玉璽.基于單片機(jī)的路燈智能控制系統(tǒng)[J].山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2010，24（4）:70-72.

WANG Yu-qiao，HU Yu-xi.Lamp intelligent control system based on SCM [J].Journal of Shandong Institute of Light Industry，2010，24（4）:70-72.

[2]王靜霞，楊宏麗，劉俐，等.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)（C語言版）[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009.

[3]沙占友，孟志永，王彥朋，等.單片機(jī)外圍電路設(shè)計[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[4]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009.

[5]汪遷遷，葉鵬，丁國勝，等.模擬路燈控制系統(tǒng)[J].電子制作，2010，7（5）:50-54.

WANG Qian-qian，YE Peng，DING Guo-sheng， et al.System of simulation street light control[J].Practical Electroncs， 2010，7（5）:50-54.

[6]周潤景，張麗娜，丁莉，等.基于PROTEUS的電路及單片機(jī)設(shè)計與仿真[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[7]王坤.基于SVPWM的STATCOM設(shè)計及實現(xiàn)[J].陜西電力，2011（1）：11-15.

WANG Kun.SVPWM based design and realization of STATCOM[J].Shaanxi Electric Power，2011（1）：11-15.