基于單片機的小區(qū)亮化工程設計與仿真

郭玉秀，黃躍祖

（銅陵學院，安徽 銅陵 244000）

0 引 言

隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和城市現(xiàn)代化的快速推進，城市的夜間光環(huán)境和城市風貌成為城市風貌的重要組成部分，而城市的夜景照明獲得了人民的高度重視。美麗的城市夜間面貌不僅為人民創(chuàng)造了良好的夜間環(huán)境，而且從側(cè)面顯現(xiàn)了這個城市的經(jīng)濟發(fā)達程度、文化氛圍以及人民生活的生活環(huán)境。城市的亮化工程一度被作為一個城市經(jīng)濟文化發(fā)展的名片，對樹立一個良好的城市形象具有非凡的意義[1]。

1 小區(qū)亮化工程的設計

1.1 小區(qū)亮化工程的總體框架

小區(qū)的亮化設計涵蓋以下幾個部分，如圖1、圖2所示。

圖1 小區(qū)亮化工程總體框架

圖2 小區(qū)亮化工程總體布局

1.2 小區(qū)廣場亮化設計

此次設計中，廣場中央的圓形場地上設計一個16×16彩燈矩陣，可顯示不同的圖案及顏色。在夜間，彩燈矩陣可動態(tài)顯示，可根據(jù)客戶的實際需要，通過編程來顯示不同圖案以達到不同的效果。彩燈布局如圖3所示。

1.3 小區(qū)亮化工程設計要求

此次設計為某小區(qū)的室外景觀亮化工程，小區(qū)的照明平面設計如圖2所示。整個小區(qū)的亮化照明系統(tǒng)涵蓋6個板塊，分別是建筑物照明、廣場照明、道路照明、綠化景觀照明、廣告及標志照明和水體照明。其中，道路照明作為最基礎最重要的照明部分，設計要求其無論在何時只要當環(huán)境亮度低于設定值，如極端天氣條件下、自然光不能提供基本光照時，道路照明系統(tǒng)都應能提供照明。而其他照明板塊需滿足節(jié)能要求，即只有在特定的時間和特定光照環(huán)境下才會啟動。

以往的照明控制中，通常是人工控制亮化工程的開關。人工控制不僅具有不確定性，而且效率低下。但是，采用定時器做控制器的亮化工程，由于自然條件的影響，亮化設施難以根據(jù)環(huán)境因素進行控制，常常有著天黑燈不亮、天亮燈不滅的問題，是對照明設施、電力能源的一種極大浪費。因此，此次設計要求控制系統(tǒng)更加智能、對環(huán)境反應應更加靈敏，但不能去除人為控制操作。

圖3 廣場彩燈示意圖

2 基于AT89C51的硬件電路設計

2.1 工程設計的主要功能

為實現(xiàn)節(jié)能智能控制器的設計目標，需具有下列主要功能。

（1）系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心的控制方式，采用自動和手動相結(jié)合的方式，分有二級優(yōu)先級。高優(yōu)先級對整個裝置的運行和停止實現(xiàn)手動控制，即可手動開關裝置；低優(yōu)先級為裝置自動運行，可以省去人工反復操作的麻煩。

（2）對小區(qū)照明的控制。當小區(qū)環(huán)境的亮度沒有達到要求即光線太暗時，燈自動打開。當亮度達到要求時，燈不打開，這需要用到光敏傳感器不斷采集小區(qū)環(huán)境的光亮度，并對數(shù)據(jù)進行比較。另外，可根據(jù)需要對不同區(qū)域燈進行選擇性控制。

（3）小區(qū)照明工程分有若干個子系統(tǒng)，需要對所有的照明設施進行統(tǒng)一控制，而單片機難以驅(qū)動過多的LED，需要通過中間繼電器達到對所有電路控制的要求。

該控制器以低功耗、高可靠性的AT89C51單片機作為核心控制部分，通過對亮度信息的采集和軟件編程，達到自主控制的要求。

本次亮化工程（如圖4所示）采用的單片機為美國ATMEL公司制造的AT89C51單片機。單片機全稱為單片微型計算機，是把構(gòu)成微型計算機的各個部件布置在一塊集成片上，芯片共有40個引腳。作為集成電路和微型計算機技術(shù)快速發(fā)展的產(chǎn)物，單片機體積小，容易嵌入系統(tǒng)，便于用戶對機器進行檢測和控制[3,6,8-9]。單片機的正常運行需要時鐘電路和復位電路兩個外圍電路，它們是所有單片機控制系統(tǒng)設計的第一步。單片機外圍電路圖，如圖5所示。

圖5 單片機系統(tǒng)外圍電路

（1）震蕩電路：本次設計使用的是內(nèi)部振蕩器方式構(gòu)成時鐘脈沖振蕩電路。輸入引腳為單片機的19號引腳（XTAL1），輸出引腳為芯片的18號引腳（XTAL2）。這兩個引腳通過連接電容和石英晶振構(gòu)成一個自激振蕩器。

（2）復位電路：復位電路可使單片機進行初始化操作，其工作原理是利用在XTAL1和XTAL2號引腳上施加大于2個機械周期的高位電平使其進行復位[11]。

2.2 單片機驅(qū)動電路

圖6為小區(qū)亮化控制系統(tǒng)的電源模塊的電路原理圖。它根據(jù)無間斷電源系統(tǒng)原理設計的AT89系列單片機采用常規(guī)的DC 5V電壓供電。電源先由AC220VAC9V/15W變壓器降壓變成AC9V，然后經(jīng)二極管全波整流橋整流、電容濾波形成直流電，其次經(jīng)過穩(wěn)壓芯片7812穩(wěn)壓后輸出電壓為9 V的直流電[7,10]。因為系統(tǒng)工作電壓是5 V，所以在7812的輸出端需要另接一個7805穩(wěn)壓芯片，用來輸出5 V的工作電壓。為防止供電故障，還有一個小型電池組也為系統(tǒng)提供了5 V的工作電壓。在7805停止供電的后，電池組會為系統(tǒng)繼續(xù)提供電源，從而保證系統(tǒng)不掉電。當電池組檢測到電壓不足時，會自動充電。

2.3 光亮度采集與處理電路

光亮度測量電路是由光亮度傳感器光敏三極管、ADC0804數(shù)模轉(zhuǎn)換器和AT89C51單片機三部分組成的。當光照射到光敏三極管上時，光敏三極管輸出的電壓信號與光照強度成正比。因為單片機只能識別數(shù)字量，所以光亮度測量電路中通過ADC0804模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將光敏三極管輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后傳送給單片機AT89C51單片機經(jīng)過內(nèi)部的運算與處理便可得到當前的光亮度值。將這個值與所設定的光亮度值進行比較，從而控制亮化系統(tǒng)的開通和關閉[2]。光亮度測量電路圖，如圖7所示。

圖6 單片機驅(qū)動電路

圖7 光亮度采集與處理電路

2.4 中間繼電器控制模塊

繼電器是一種控制器件，利用電磁或其他器件，在輸入量如聲、光與電發(fā)生變化時，控制電路開斷或輸出量變化[7,10]。圖8為繼電器控制模塊。當P1端口有信號時，驅(qū)動三極管使繼電器閉合，達到對電路的控制。二極管起到了對繼電器保護的作用。

圖8 繼電器控制電路

2.5 串行通信接口模塊電路

由于本設計中的單片機AT89C51內(nèi)部有一個通用異步接收/發(fā)送器（DART）工作方式的全雙工串行通信接口，能夠在串行發(fā)送時接收傳來的數(shù)據(jù)。因此，在此控制系統(tǒng)中采用異步全雙工串行通信方式。通過這種通信方式將編譯好的用戶程序下載到單片機AT89C51內(nèi)，從而對小區(qū)亮化工程控制器進行調(diào)試。

此設計中的串口通信接口電路結(jié)構(gòu)較簡單，在單片機 AT89C51串行口的P3.0、P3.1（RXD，TXD）引腳上加上MAX232電平轉(zhuǎn)換器，再連接到RS-232C串行通信接口的（RXD，TXD）引腳上，從而簡單快捷地組成標準的串口通信接口電路。RS232C串行通信接口電路，如圖9所示。

圖9 RS-232串口通信接口電路

2.6 鍵盤模塊設計

本次亮化設計因只有6個控制模塊，設計中將AT89C51單片機的P1.0～P1.6口當做開關輸入，分別控制道路基礎照明、廣場照明、綠化景觀照明、戶外廣告及標志照明、水體照明和建筑物照明等。按鍵接口圖，如圖10所示。通過軟件程序編寫，用按鍵控制不同的操作。

圖10 鍵盤模塊電路

2.7 LED驅(qū)動電路的設計

市面上常見的LED基本都采用直流電點亮，因此在220 V交流電與LED之間需加裝電源適配器，也就是LED驅(qū)動電源。LED驅(qū)動電源可驅(qū)動正向壓降在3～4.3 V的LED。電容降壓電路是比較常見的小電流電路，由于其具有占用空間小、電流恒定和制作成本低等優(yōu)點，常用于LED驅(qū)動電路中[4-5,12]。

圖11為一個采用電容降壓的實用LED驅(qū)動電路。該電路與目前所用的大部分應用電路的不同在于連接有圧敏電阻（瞬變電壓抑制二極管）。壓敏電阻（瞬變電壓抑制二極管）能在電壓突變時（如雷電、大用電設備啟動時），瞬間有效地把突變電流泄放，從而達到保護LED和其他晶體管的目的。圖11中VD1～VD4的作用是整流，即將交流電整流為脈動直流電。VD1～VD4可選用1N4007系列的整流二極管。C1、R1、RV1、L1和R2組0RV2，為整流后的濾波電路。電容降壓式驅(qū)動電路可

以有效防止LED被瞬間高壓擊穿損壞，如圖12所示?？傠娐穲D，如圖13所示。

圖11 具有濾波電路的LED電容驅(qū)動電路

圖12 小區(qū)廣場彩燈點陣電路圖

圖13 小區(qū)亮化工程控制電路

3 亮化工程的軟件設計

本設計中選用單片機C語言在Keil uVision2 IDE集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)節(jié)能智能控制器的軟件程序。

設計中采用Keil uVision2 IDE集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)系統(tǒng)的全部軟件程序，并通過編譯生成單片機可以識別與執(zhí)行的HEX文件，再通過STC-ISP-V483.exe軟件將這個HEX文件經(jīng)過串行通信接口RS-232C燒錄進單片機AT89C51內(nèi)部FlashRAM中。程序運行時，需實現(xiàn)光亮度采集，并將采集到的參數(shù)數(shù)據(jù)與預設值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果通過執(zhí)行機構(gòu)控制小區(qū)亮化設施的開關。

3.1 主程序模塊

節(jié)能智能控制器運行后，首先必須進行初始化與開中斷，提前預設好亮度參數(shù)后，開始采集光亮度值。優(yōu)先判斷亮度是否達到預設值，如果沒有，無論是否在17:00到7:00之間，節(jié)能智能控制器都保持道路基礎照明端口通電。若在17:00到7:00之間，則保持全部亮化端口通電。在設計控制器軟件程序前，首先需要制定相關的程序流程圖，便于程序的調(diào)試、修改和移植。主程序流程圖，如圖14所示。

3.2 時鐘子程序

此次設計中，為了提高單片機的使用效率，降低成本，使硬件電路設計更簡單，時鐘的設置并不使用專用時鐘芯片，而是直接利用單片機內(nèi)部含有的定時器和計數(shù)器相互配合，然后通過編程實現(xiàn)。該時鐘功能是為了實現(xiàn)超越7:00到17:00范圍內(nèi)節(jié)能智能控制器自動選擇關斷不必要的亮化設施。時鐘子程序流程，如圖15所示。

圖14 主程序工作流程

圖15 時鐘子程序流程

3.3 亮度數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集判斷用邏輯0和1來定義。當時間不在17:00到7:00范圍內(nèi)時為邏輯0，在此范圍內(nèi)時為邏輯1；小區(qū)的光亮達到預設值時為邏輯0，沒有達到預設值時為邏輯1（亮度達到預設值時應斷開照明，反之應閉合）；啟動為邏輯1，斷開為邏輯0。關系即采集參數(shù)的邏輯分析，如表1所示。

表1 采集參數(shù)的邏輯分析

3.4 廣場彩燈點陣

16×16 LED點陣掃描顯示時，單片機通過P0和P2口控制列的輸出，P1口低4位通過譯碼器控制行掃描，P1.4和P1.5通過譯碼器控制LED顏色，如表2所示。

表2 顏色控制端口

LED顯示屏利用點陣的方法，通過掃描行數(shù)據(jù)，利用視覺殘留達到顯示圖像的方式。由于進行行數(shù)據(jù)編譯時十分費時，因此這里使用字模生成器來簡化步驟。

4 智能控制器的仿真與調(diào)試

此次設計中，硬件電路部分根據(jù)控制器的實際需要通過軟件proteus進行電路原理圖的繪制。軟件部分則通過Keil uVision2采用C51語言編譯。設計完成該控制器的硬件和軟件后，開始程序的編譯。然后，利用PZ-ISP V1.48軟件將之前編譯好的程序通過連接計算機與該控制器的USB串口電纜，燒錄到單片機內(nèi)部的FlashRAM內(nèi)。PZ-ISPV1.48燒錄程序界面如圖16所示。

圖16 PZ-ISPV1.48燒錄程序界面

4.1 智能控制器調(diào)試及仿真結(jié)果

小區(qū)亮化控制器的仿真調(diào)試結(jié)果顯示有很多問題，經(jīng)過不斷的檢查與修改，問題最終得到解決。該控制器在調(diào)試仿真時遇到的問題和解決方法如下。

問題1：在電力系統(tǒng)斷電后，控制器內(nèi)部的計時程序總是恢復初始值。

解決方法：為了解決突然斷電問題，該控制器增加了后備電源供電措施，平時利用市電供電，停電時使用后備電源保持控制器的不間斷工作。

問題2：在面臨外界非自然光因素干擾時，由于系統(tǒng)只有一個光感應器造成了系統(tǒng)的誤判，導致照明設施無法開啟或浪費電能。

解決方法：將光敏電阻布置在人為因素干擾較少的地方，如樓頂?shù)雀咛?，并增加手動控制方式。當照明設施因光敏電阻誤判而無法關閉時，可手動關閉，然后及時檢查光敏電阻。

4.2 廣場彩燈控制器仿真及調(diào)試結(jié)果

廣場彩燈點陣是在16×16 LED點陣的基礎上進行顏色控制升級達到的控制效果。簡單來說，同時控制三塊紅、藍、綠16×16的LED點陣，即對一個16×48的LED點陣進行控制。在對硬件的不斷調(diào)試和對軟件多次修改后，最終利用實物仿真達到了理想狀態(tài)，仿真結(jié)果如圖17所示。

圖17 廣場彩燈控制器實物仿真

這里，廣場彩燈點陣使用的是LED點陣進行模擬仿真。相比軟件仿真，硬件仿真能發(fā)現(xiàn)更多問題。此次，LED點陣設計和以往的設計并不相同，需要同時對三種顏色不同的LED點陣進行控制。

5 結(jié) 論

本文選取具有代表性的小區(qū)亮化工程進行設計驗證，旨在為居住者提供較好的夜間生活環(huán)境，滿足居民對生活場所的需要。作為城市基礎建設的重要組合部分，亮化工程對提高居民的生活質(zhì)量具有非凡的作用。簡單地說，亮化設計是如何讓城市在夜間亮起來。但是，作為一個現(xiàn)代化的城市不會只提供基礎的道路照明。怎樣讓城市在夜間更美麗，如何讓城市居民的夜間生活更美好，是人們要思考的問題。夜間亮化工程帶來的不僅是對大眾基本生活的提升，而且極大地豐富了人們的精神，促進了城市發(fā)展。因此，本文通過對某小區(qū)亮化工程進行設計，設計研究基于單片機的亮化智能控制器，力求構(gòu)建一套更加人性化、系統(tǒng)化、智能化且更節(jié)能環(huán)保的小區(qū)亮化控制系統(tǒng)。

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