基于單片機的模擬路燈控制系統(tǒng)設計

摘 要：在模擬路燈控制系統(tǒng)設計中，以單片機作為控制系統(tǒng)的核心，以時鐘芯片作為時鐘源，以光學、紅外線燈傳感器作為環(huán)境明暗程度、物體移動方向信息采集設備，同時在軟件編程輔助下，能夠設定時鐘和開關燈的時間，并依據時鐘時間、交通開關燈、環(huán)境明暗、亮燈狀態(tài)燈進行全面控制，利用光敏器件獲取路燈信息，并發(fā)出聲光故障報警信號。在軟件編程中以C51作為主要語言，并設計相應的模塊，不僅能夠提高軟件編程與調試效率，同時能夠降低軟件故障發(fā)生率，保證系統(tǒng)軟件運行可靠性。本文對基于單片機模擬路燈控制系統(tǒng)設計進行深入分析，以為模擬路燈控制系統(tǒng)研究提供一定的依據。

關鍵詞：單片機；模擬路燈；控制系統(tǒng)；設計

中圖分類號：TP275

隨著城市照明工程發(fā)展，路燈數量不斷增加，電能消耗量也不斷提高，人們對路燈控制系統(tǒng)要求也提出了更高層次的要求。從現階段路燈控制情況開看，很多地區(qū)仍然沿用以往光控或鐘控方法，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)并不能依據天氣或季節(jié)變化進行自動調整，外部環(huán)境對其影響和干擾較大，而且其靈敏性較低，運行可靠性相對較差，因此常常出現開燈過早或過晚、關燈過早或過晚的現象，不僅增加了電能消耗量，同時對城市交通安全造成嚴重影響。本文利用單片機對模擬路燈控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，以保證運行可靠性，避免電能過度浪費。

1 模擬路燈控制系統(tǒng)設計思路

1.1 設計要求

基于單片機的模擬路燈控制系統(tǒng)，必須滿足以下幾點要求：（1）支路路燈控制系統(tǒng)必須具備時鐘功能，并能夠顯示和設定路燈開關時間，使支路路燈能夠按時開、關燈[1]。（2）支路路燈控制系統(tǒng)能夠對環(huán)境明暗程度，自動開、關燈。（3）支路路燈控制系統(tǒng)能夠依據道路交通情況對亮燈狀態(tài)進行自動調節(jié)。如圖1所示，當物體M從左到右向S移動時，將路燈1自動開啟，而當物體M移動到S后，路燈1自動關閉。當物體M從右到左向S移動時，將路燈2自動開啟，而當物體M移動到S后，路燈2自動關閉。（4）支路路燈控制系統(tǒng)能夠對每個路燈開、關燈時間進行單獨控制。

圖1 路燈控制系統(tǒng)中的路燈布置

1.2 總體方案

研究模擬路燈控制系統(tǒng)的硬件，其主要以STC89C58型號單片機作為系統(tǒng)控制芯片，并在C語言軟件編程優(yōu)化下，實現路燈系統(tǒng)自動化控制效果。而控制系統(tǒng)以DS1302型號的時鐘芯片作為時鐘源，并在液晶型顯示模塊輔助下，能夠顯示控制系統(tǒng)時鐘，同時對控制系統(tǒng)運行情況進行監(jiān)測，在界面設置方面有四個不同的單獨控制鍵。模擬控制系統(tǒng)主要有兩種運行模式，即人工模式和自動模式。人工模式主要是有操作者利用控制平臺按鈕對路燈開、關燈時間進行設置，或者直接對路燈開關進行獨立控制。自動模式主要利用光敏電阻對路燈周圍環(huán)境明暗程度進行采集，并通過紅外對管識別系統(tǒng)對周圍經過物體進行識別，從而達到路燈自動化控制的作用[2]。當路燈發(fā)生故障時，系統(tǒng)中的光敏器件會對路燈故障信息進行采集，并通過單片機對路燈系統(tǒng)聲光故障報警器進行控制，發(fā)出相應的警報信號。路燈控制系統(tǒng)主要以恒流電源作為其驅動源，在單片機輔助下，能夠對恒流源運行進行控制，從而使路燈調光功能得以實現。

2 模擬路燈控制系統(tǒng)硬件設計

硬件作為模擬路燈控制系統(tǒng)的重要基礎，對控制系統(tǒng)運行可靠性性具有重要意義。因此在對系統(tǒng)硬件進行設計時，不僅要實現其基本功能，同時要保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、器件易購性、編程可行性等，才能保證系統(tǒng)硬件與軟件的有效結合，使路燈控制系統(tǒng)得到有效優(yōu)化。

2.1 電路控制模塊

電路控制模塊在單片機中是最小的系統(tǒng)，也是模擬路燈控制系統(tǒng)重要核心，由于受到程序大小限制，所以選定STC89C58型號的單片機進行設計。其主要輕觸按鍵、晶體振蕩電路組合而成，能夠對系統(tǒng)外圍電路進行控制，使每個模塊電路均能夠正常運行。單片機電路與晶體振蕩電路的相互結合，要求單片機應具有相應的時鐘頻率，才能為路燈控制系統(tǒng)提供相應的時鐘信號[3]。單片機中的復位電路能夠讓單片機進行復位操作，并進入到系統(tǒng)初始狀態(tài)。本研究選用按鍵型的電平復位，當電路處于運行狀態(tài)時，將復位鍵按下后，能夠使復位引腳在一定時間范圍內處于高電平狀態(tài)，以達到電平復位的目的。

2.2 獨立鍵盤模塊

在路燈控制系統(tǒng)中，獨立鍵盤是單獨運行的，每個獨立按鍵使用一條I/O口線，而每條I/O口線獨立按鍵在運行中，不會對其他按鍵造成干擾。在電路運行后，將單片機與鍵盤I/O口一端（高電平）進行連接，而鍵盤另外一端則接地，當按鍵發(fā)生動作時，按鍵I/O口會受到接地線影響轉變成低電平，而且與鍵盤相連的門輸出、四輸入、中斷口等電平也相對較低。若在處理器中斷情況下，按鍵就會有所響應，并對其他操作也做出響應。

2.3 電路顯示模塊

電路顯示主要有液晶模塊組合而成，作用于人機接口處，并能夠反饋信息。本研究系統(tǒng)硬件液晶模塊選用全點陣圖型的液晶顯示屏，并利用軟件編程實現顯示屏的滾動、反顯、任意顯示等功能。

2.4 電路時鐘模塊

模擬路燈控制系統(tǒng)所選用的時鐘電路型號為DS1302，其具有性能高、耗能低的優(yōu)點，同時攜帶有RAM時鐘芯片，工作電壓范圍在2.5至5.5V。時鐘電路與CPU間有三天連線，即I/O線、SCLK線及RST線。在首次加電之后，時鐘電路課進入到初始操作狀態(tài)，并可對時鐘時間進行調整。

2.5 路燈驅動模塊

由于單片機I/O口無法直接對路燈開關燈進行驅動，所以必須設置驅動模塊對單片機信號進行識別，并對路燈開光燈進行控制。通常情況下單片機信號均為高電平或低電平，為了避免路燈啟動時單片機I/O口呈現高電平狀態(tài)，所以將路燈開啟信號設置為低電平，而關閉信號則設置為高電平。

2.6 環(huán)境明暗感應與交通檢測模塊

模擬路燈控制系統(tǒng)環(huán)境明暗感應電路與交通檢測電路均通過傳感器采集外部信號，并由單片機來處理，而系統(tǒng)器件選用了光敏電阻及紅外對管。光敏電阻主要依據路燈周圍環(huán)境光線強弱進行判斷，白天由于光線強，其光敏電阻也相對較高，傳輸到MCU時呈低電平狀態(tài)，而黑夜光線暗，光敏電阻較低，傳輸到MCU時呈高電平狀態(tài)。紅外對管主要對移動物體進行實時監(jiān)測，其是集放射電路和接受電路為一體的反射感應路燈開關模塊，在紅外射程范圍內，如果有物體阻擋紅外線，其反射模塊會將信息傳輸到單片機。交通檢測電路主要有三個不同測試點，分別連接在單片劫的接口線上并依據電平高低發(fā)生改變。

2.7 故障檢測報警模塊

隨著路燈數量的不斷增加，故障檢測與判斷難度也不斷增加。為了保證路燈故障檢測工作順利進行，及時掌握路燈故障狀況，提高路燈維修效率，為人們營造良好的光照環(huán)境。在對模擬路燈控制系統(tǒng)硬件進行設計時，路燈故障檢測與判斷由光學傳感器來控制，當路燈出現故障時，電路信號傳輸到單片機，并由單片機發(fā)出聲光報警信號。

3 模擬路燈控制系統(tǒng)軟件設計

軟件作為模擬路燈控制系統(tǒng)的重要核心，對系統(tǒng)運行可靠性起著至關重要的作用。本研究主要通過C語言進行軟件編程，其程序主要有實時監(jiān)測、自動化控制、人工控制及故障檢測。

3.1 實時監(jiān)測

實時監(jiān)測程序能夠對路燈信息進行實時監(jiān)測，并通過液晶顯示屏反應出，監(jiān)測內容主要包括路燈運行狀態(tài)、控制方式、時鐘時間及故障信息等，具體監(jiān)測流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)實時監(jiān)測流程示意圖

3.2 人工控制

人工控制程序分為兩種控制形式，即單燈控制與定時開光。單燈控制主要通過對處理器進行對比設置，而定時控制主要是對開燈、關燈時間進行對比設置，以達到控制單燈狀態(tài)的目的。

3.3 自動化控制

自動化控制程序主要依據路燈所處地區(qū)交通情況，對路燈亮度進行調節(jié)，一方面能夠滿足交通光照需求，另一方面能夠避免資源浪費。

3.4 故障檢測

故障檢測程序主要對路燈故障進行有效判斷，并發(fā)出報警信號，使維修人員能夠及時排除故障，避免其影響交通安全。

4 模擬路燈控制系統(tǒng)測試

4.1 開關定時

（1）將路燈1、路燈2同時開燈時間設置為17：00，關燈時間則設置為17：15。（2）路燈1開燈時間設置為18：00，路燈2開燈時間設置為18：10。（3）路燈1關燈時間設置為7：00，路燈2關燈時間設置為7：15。兩盞路燈均能夠定時完成開關燈任務。

4.2 交通檢測

通過對模擬路燈控制系統(tǒng)交通檢測模塊進行測試，測試結果顯示，路燈1、路燈2能夠喲局交通情況進行自動調節(jié)，以滿足交通光照需求：

模擬路燈控制系統(tǒng)交通檢測模塊測試數據；M物體S定點A定點B定點C定點S′定點；路燈1關關開開關；路燈2開開關關關；誤差距離（cm）0.100.400.2

4.3 環(huán)境明暗感應

通過對系統(tǒng)環(huán)境明暗感應模塊進行測試，測試結果顯示，環(huán)境變亮后系統(tǒng)會自動開燈，而環(huán)境變暗后系統(tǒng)則會自動關燈。

4.4 恒流源

通過對恒流源電壓、電流計功率進行測試，測試結果表明，當恒流源電流準確度達到98%時，其輸出功率準確率變化幅度在2%以下，能夠滿足系統(tǒng)設計。

5 結束語

通過對以單片機作為核心的模擬路燈控制系統(tǒng)進行設計和測試，有效實現了系統(tǒng)開燈時間、關燈時間自動化設定功能，確保支路路燈能夠按時開關燈。同時系統(tǒng)能夠對交通情況、環(huán)境明暗做出判斷，并對路燈亮度、開燈、關燈進行自動調節(jié)和控制。路燈故障后，系統(tǒng)會發(fā)出相應的報警聲光信號，并將故障路燈詳細編號顯示在液晶顯示屏上，為路燈維修提供重要依據。模擬路燈控制系統(tǒng)外圍器件相對較少，軟件編程較為簡便，調試便捷，成本較低，并具有良好的節(jié)能降耗的意義。

參考文獻：

[1]錢海月，王海浩，王海洋.模擬路燈控制系統(tǒng)設計[J].寧夏工程技術，2011，8（01）：90-92.

[2]任鵬飛，耿世勇，尹亞楠.基于單片機的LED路燈控制系統(tǒng)設計[J].河南工程學院學報（自然科學版），2009，12（04）：75-76.

作者簡介：岳靜（1970.10-），女，陜西西安人，講師，研究方向：檢測技術及自動化裝置。