基于單片機(jī)控制的智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張偉 楊森林

摘 要： 以STC89C51單片機(jī)作為控制芯片，利用光敏電阻的特性，根據(jù)光線強(qiáng)弱的不同傳送給單片機(jī)不同的信號(hào)，再結(jié)合聲音傳感器、紅外光電傳感器和紅外人體識(shí)別傳感器將檢測(cè)到的信息傳送給單片機(jī)，在單片機(jī)中經(jīng)過(guò)相關(guān)運(yùn)算處理，給出路燈亮、滅的信號(hào)。當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警指令，通過(guò)聲光報(bào)警電路向外釋放聲光報(bào)警信號(hào)，并經(jīng)過(guò)光敏電阻探察之后，通過(guò)數(shù)碼管指出故障路燈的具體位置。通過(guò)搭建硬件電路，將實(shí)物在不同環(huán)境下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，經(jīng)驗(yàn)證該設(shè)計(jì)可以有效地實(shí)現(xiàn)路燈的智能通斷，從而有效地減少電力能源的損耗，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的人性化控制，達(dá)到了節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞： 電力能源； 控制芯片； 傳感器； 單片機(jī)； 智能控制； 光敏電阻

中圖分類號(hào)： TN344?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）14?0110?04

Design of intelligent street lamp control system based on SCM control

ZHANG Wei， YANG Senlin

（Shaanxi Key Laboratory of Surface Engineering and Remanufacturing， Xian University， Xian 710065， China）

Abstract： With the STC89C51 single chip microcomputer as the main control chip， the feature of the photosensitive resistance is adopted to transmit different signals to the SCM according to different light intensities， and then in combination with the sound sensor， infrared photoelectric sensor and infrared human body recognition sensor， the detected information is transmitted to the SCM， in which related calculations are performed to present the signals of street light on or off. When a street lamp fault occurs， the system will send out the alarm command. The acousto?optic alarm signals are given out by the acousto?optic alarm circuit， and the exact locations of fault street lamps are determined via the digital tube after the exploration of the photosensitive resistance. Several experimental tests of the physical object were carried out in different environments by establishing the hardware circuit. It is verified that the design can effectively realize the intelligent switching of the street lamp， so as to effectively reduce electric energy loss， realize humanized control of the street lamp， and achieve the purpose of energy saving.

Keywords： electric energy； control chip； sensor； SCM； intelligent control； photosensitive resistance

由于電力能源的緊缺，節(jié)約電能已經(jīng)成為社會(huì)的共識(shí)。綠色、環(huán)保、節(jié)能是目前電力系統(tǒng)發(fā)展的主流方向，對(duì)用電器的要求更是精準(zhǔn)嚴(yán)格。在人們的日常生活起居，城市的建設(shè)當(dāng)中，路燈都扮演著極其重要的角色。在能源較為緊缺的社會(huì)環(huán)境下，促進(jìn)路燈的智能化顯得極為重要，同時(shí)也順應(yīng)了節(jié)能與環(huán)保的生活主題。

關(guān)于路燈智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，目前涉及到的有LED路燈、多模式的、基于PLC技術(shù)的、基于WSN技術(shù)、基于ZigBee技術(shù)、太陽(yáng)能、電力載波技術(shù)等各種智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。每種設(shè)計(jì)方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)、使用場(chǎng)合和設(shè)計(jì)成本也有差異。文中主要設(shè)計(jì)一款以單片機(jī)為控制芯片，易操作、成本低的智能路燈控制系統(tǒng)，針對(duì)不同的路況環(huán)境，選擇不同的工作模式，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

1 方案設(shè)計(jì)

以單片機(jī)作為主控芯片，采用三種類型的傳感器進(jìn)行信息的檢測(cè)，即紅外反射式光電傳感器、聲音傳感器和人體識(shí)別傳感器。利用紅外反射式光電傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)是否有物體通過(guò)；利用聲音傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)是否有車(chē)通過(guò)；利用紅外人體識(shí)別傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)是否有人通過(guò)。3個(gè)傳感器配合來(lái)監(jiān)測(cè)是否有車(chē)和人通過(guò)，可以很好地排除外界干擾，達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)紅外反射式光電傳感器監(jiān)測(cè)到有物體通過(guò)，然后聲音傳感器或紅外人體識(shí)別傳感器監(jiān)測(cè)到有人或者車(chē)輛通過(guò)時(shí)，路燈變亮；監(jiān)測(cè)不到時(shí)，延時(shí)一定時(shí)間后路燈變暗。通過(guò)光敏電阻檢測(cè)環(huán)境明暗程度實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的通斷功能，同時(shí)檢測(cè)路燈故障。一旦有故障發(fā)生，發(fā)出聲光報(bào)警，并用數(shù)碼管來(lái)顯示故障燈的位置。檢測(cè)電路的工作原理如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路可分為以下4個(gè)組成部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制電路部分、路燈控制電路部分、傳感器檢測(cè)與執(zhí)行電路部分和數(shù)碼顯示電路部分。

2.1 控制電路模塊設(shè)計(jì)

以STC89C51作為主控芯片，設(shè)計(jì)控制電路。其實(shí)現(xiàn)的功能是控制光電信號(hào)的采集，以及將采集到的信號(hào)做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理分析，再根據(jù)功能要求編寫(xiě)程序完成相應(yīng)的運(yùn)算，把結(jié)果輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)中。在單片機(jī)中，將P0～P3作為通用輸入/輸出端口。單片機(jī)控制系統(tǒng)的電路圖如圖2所示。

2.2 傳感器檢測(cè)與執(zhí)行電路部分

2.2.1 光敏電阻控制模塊設(shè)計(jì)

把電壓并接到光敏電阻的兩極，就會(huì)有電流流過(guò)電阻，當(dāng)加上一定的光照，使得電流的變化跟隨光強(qiáng)變化，達(dá)到光電轉(zhuǎn)換的目的。光敏電阻自身的阻值能夠隨著光照強(qiáng)度的改變而改變，在路燈控制電路中加上了光敏電阻器件，可實(shí)現(xiàn)路燈在不同光線下的自動(dòng)控制，如圖3所示。

發(fā)送電路的功能是讓發(fā)射器找到的目標(biāo)發(fā)出相應(yīng)的光束。該光束通過(guò)半導(dǎo)體光源、激光、或者發(fā)光二極管、紅外線等產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)射并更改脈寬。接收器通常由光電池提供電源，一般把透鏡跟光圈放到接收器的前端。接收器之后是檢測(cè)部分，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)與分離。

2.2.3 聲音檢測(cè)模塊

聲音檢測(cè)模塊主要是由聲音傳感器進(jìn)行檢測(cè)的，聲音傳感器是在傳感器中加上能夠?qū)β曇舢a(chǎn)生敏感信息的話筒器件。當(dāng)有聲音出現(xiàn)時(shí)，會(huì)使話筒中的薄膜發(fā)生震動(dòng)，從而引起電容的改變，以至于形成跟聲波能量相對(duì)的電壓值。把此值變到0～5 V的范圍內(nèi)，并由A/D轉(zhuǎn)換之后傳送到接收器中，再發(fā)到計(jì)算機(jī)中。該部件的功用類似于麥克風(fēng)，聲音傳感器接收聲音信號(hào)，但無(wú)法測(cè)出噪聲的強(qiáng)度。BR?ZS1類型的傳感器屬于工業(yè)專用的類型，能夠產(chǎn)生4～20 mA的積分噪聲裝備，符合GB3785，GB/T 17181規(guī)定的有關(guān)噪聲探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。BR?ZS1制作的目的是更好地檢測(cè)噪聲，能夠及時(shí)地顯示出噪聲信號(hào)，而且能夠跟大多數(shù)的用戶兼容，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)持續(xù)檢測(cè)，而且還能夠加上報(bào)警裝置。BR?ZS1具有檢測(cè)精度高、適應(yīng)能力強(qiáng)、費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，在交通領(lǐng)域、工廠中檢測(cè)噪聲方面得到了廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)中主要通過(guò)聲音傳感器來(lái)判斷車(chē)輛有沒(méi)有車(chē)輛通過(guò)。聲音檢測(cè)模塊如圖5所示。

2.2.4 紅外人體識(shí)別檢測(cè)模塊

紅外人體識(shí)別傳感器的規(guī)模比較小，應(yīng)用起來(lái)具有較便捷、探測(cè)范圍廣、工作性能高、探測(cè)距離遠(yuǎn)，以及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于生活的許多方面。紅外人體識(shí)別傳感器用到的相關(guān)部件有帶通放大器、熱釋電型傳感器、延時(shí)電路、菲涅爾透鏡以及輸出電路幾部分。紅外人體識(shí)別檢測(cè)模塊主要通過(guò)紅外人體識(shí)別傳感器來(lái)檢測(cè)路上是否有人通過(guò)。

2.2.5 電壓比較器

電壓比較器主要功能是比較和放大信號(hào)。這里選用的是LM393集成芯片，其內(nèi)部包含兩個(gè)運(yùn)放。LM393內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。系統(tǒng)中路燈故障檢測(cè)和紅外光電傳感器中應(yīng)用到了電壓比較器LM393，是將它應(yīng)用到相應(yīng)的運(yùn)算放大電路模塊中去，從而將放大后的信息傳送給單片機(jī)。

2.3 顯示電路的設(shè)計(jì)

顯示電路采用的是LED數(shù)碼管顯示，用數(shù)碼管來(lái)表征出故障路燈的地點(diǎn)。報(bào)警裝置采用的是電磁式蜂鳴器和LED報(bào)警，電磁式蜂鳴器具體的工作過(guò)程為：根據(jù)電磁效應(yīng)，變化的電流會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)帶動(dòng)周?chē)挠布O(shè)備震動(dòng)。而控制器的電流一般在幾毫安的范圍內(nèi)，達(dá)不到蜂鳴器的工作電流，因此需要利用集成運(yùn)放把控制器的輸出信號(hào)放大。蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)如圖7所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件框圖如圖8所示。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩部分。硬件調(diào)試主要是做成實(shí)物后，通過(guò)調(diào)試來(lái)觀察電路板中的短路、虛焊、過(guò)焊等問(wèn)題并進(jìn)行處理。軟件調(diào)試主要是程序的調(diào)試，是在實(shí)物做好以后，通過(guò)向單片機(jī)內(nèi)燒入程序進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)輸出的結(jié)果來(lái)判定程序的正確與否，從而達(dá)到調(diào)試的目的。

4.2 硬件電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將實(shí)物分別放在白天和晚上兩個(gè)環(huán)境中，觀察兩個(gè)微亮LED燈是否變亮，若在白天微亮LED燈不會(huì)變亮，而在晚上變亮，則可判斷出光敏電阻控制系統(tǒng)正常。路燈好壞檢測(cè)的電路圖如圖9所示。

在晚上遮擋住紅外反射式傳感器，若發(fā)現(xiàn)該傳感器對(duì)應(yīng)的紅色LED燈變亮，同時(shí)靠近一下人體識(shí)別模塊，若發(fā)現(xiàn)路燈變亮，則延時(shí)10 s后自動(dòng)關(guān)閉；然后敲擊一下附近的物體發(fā)出聲音，可看到聲音傳感器旁邊的紅色LED燈閃一下，同時(shí)路燈點(diǎn)亮，沒(méi)有聲音時(shí)，延時(shí)10 s路燈自動(dòng)關(guān)閉；則可判斷出紅外反射式傳感器、人體識(shí)別模塊和聲音傳感器運(yùn)行良好。在路燈點(diǎn)亮?xí)r，用紙片擋住其中一個(gè)或兩個(gè)路燈，看是否會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，并在數(shù)碼管上顯示出對(duì)應(yīng)故障路燈的位置，若可以則說(shuō)明該故障檢測(cè)模塊正常。手動(dòng)按一下按鈕看對(duì)應(yīng)的路燈是否會(huì)點(diǎn)亮，再按一下是否會(huì)變暗，按鈕二同理進(jìn)行測(cè)試，若符合所述，則說(shuō)明手動(dòng)開(kāi)關(guān)電路正常。

5 結(jié) 論

通過(guò)軟、硬件的結(jié)合，以及不同環(huán)境下的多次調(diào)試，設(shè)計(jì)的硬件電路實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的功能。但設(shè)計(jì)中，仍然有許多需要改進(jìn)的地方，如模擬系統(tǒng)中使用的聲音傳感器、紅外傳感器等易受環(huán)境影響，在實(shí)際應(yīng)用中要做好相關(guān)的維護(hù)工作。同時(shí)系統(tǒng)是采用另外加2個(gè)小功率LED燈的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)路燈夜晚的昏暗狀態(tài)，實(shí)際應(yīng)用中可以采用PWM等方法來(lái)控制路燈的亮度，讓路燈的明暗程度具有可調(diào)性。最后在實(shí)際應(yīng)用中還需要做好各個(gè)路燈之間的通信，以便在各種外界條件下控制好需要亮燈的個(gè)數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 甘本鑫，徐少明，蘇紅艷.基于單片機(jī)的LED路燈模擬控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（3）：205?207.

GAN Benxin， XU Shaoming， SU Hongyan. LED street lamps analog control system based on MCU [J]. Modern electronics technique， 2011， 34（3）： 205?207.

[2] 安雙利，錢(qián)銳，陸翔宇，等.基于單片機(jī)智能控制的路燈節(jié)能系統(tǒng)的研制[J].上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，28（1）：49?53.AN Shuangli， QIAN Rui， LU Xiangyu， et al. Development of energy saving control system for street lamps based on SCM [J]. Journal of Shanghai Second Polytechnic University， 2011， 28（1）： 49?53.

[3] 杜樹(shù)春.基于Proteus和Keil C51的單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

DU Shuchun. Design and simulation of single chip microcomputer based on Proteus and Keil C51 [M]. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2012.

[4] 王艷芬，謝國(guó)洪，葉鐵旺.LED智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2012（2）：60?63.

WANG Yanfen， XIE Guohong， YE Tiewang. Design of intelligent control system for LED road lamp system [J]. Electronic test， 2012（2）： 60?63.

[5] 張偉，楊森林.基于單片機(jī)的SCR過(guò)零控制實(shí)現(xiàn)研究[J].煤礦機(jī)械，2016，37（1）：243?245.

ZHANG Wei， YANG Senlin. Research on implementation of SCR zero control based on SCM [J]. Coal mine machinery， 2016， 37（1）： 243?245.

[6] ZHANG Wei， XING Juanjuan， YANG Senlin. The design of automatic power?off socket based on the 51 SCM [J]. Journal of residuals science & technology， 2016， 13（5）： 1?6.

[7] ZHANG Wei， XING Juanjuan. Application of APDL language in the switching power supply electromagnetic field analysis [J]. Journal of chemical & pharmaceutical research， 2014， 6（7）： 577?584.

[8] 朱平哲.基于AT89C52的LED智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，18（1）：87?90.

ZHU Pingzhe. Design of simulation street lamp control system based on AT89C52 single chip [J]. Journal of Ningbo Polytechnic， 2014， 18（1）： 87?90.

[9] 賈冬穎，王巍.基于STC單片機(jī)LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2010，21（2）：71?73.

JIA Dongying， WANG Wei. The intelligent system for LED lighting based on STC?MCU [J]. China illumination engineering journal， 2010， 21（2）： 71?73.