基于單片機(jī)的智能路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫明輝 郭偉剛

摘要：路燈作為城市建設(shè)中基礎(chǔ)照明設(shè)施，在人們的日常生活中起著不可或缺的作用。隨著城市的快速發(fā)展以及社會(huì)的進(jìn)步，綠色、環(huán)保、可持續(xù)成為社會(huì)的發(fā)展口號(hào)。然而在現(xiàn)實(shí)生活中，城市路燈等照明設(shè)施存在照明質(zhì)量低、照明投入大、設(shè)施管理成本高等問(wèn)題。為持續(xù)推進(jìn)城市照明工程的科學(xué)、綠色、節(jié)能發(fā)展，針對(duì)上述現(xiàn)存問(wèn)題設(shè)計(jì)一款新型的智能路燈控制系統(tǒng)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義與價(jià)值。在對(duì)道路照明的時(shí)候，一方面要盡可能地節(jié)能，其中包括電力資源和人力資源的節(jié)能;另一方面也要保證其一定的照明質(zhì)量。隨著單片機(jī)電子技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)在自動(dòng)化、集成電路、工業(yè)生產(chǎn)控制等領(lǐng)域的引用也逐漸廣泛起來(lái)。該智能路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)正是以STC89C52單片機(jī)為核心，集合智能調(diào)光，時(shí)間設(shè)定，定時(shí)開關(guān)，鬧鐘報(bào)警等功能一體，可以智能的控制路燈等照明設(shè)施的定時(shí)自動(dòng)開關(guān)，并能根據(jù)外界光照環(huán)境的變化實(shí)現(xiàn)照明開關(guān)以及照明功率的調(diào)整，給我們帶來(lái)便捷的同時(shí)，還能夠降低對(duì)照明設(shè)施的投入成本，極大程度上滿足現(xiàn)代城市光照設(shè)施的綜合需求。

關(guān)鍵詞：STC89C52;光照傳感器;路燈;單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP23? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）27-0132-04

1 城市照明現(xiàn)狀

對(duì)城市規(guī)劃建設(shè)來(lái)說(shuō)，路燈等照明設(shè)施一方面為城市居民提供便利以及夜間出行安全保障，另一方面照明設(shè)施對(duì)城市的形象美化、提升也起著舉足輕重的作用。據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)，2013年年度全國(guó)總用電量約為5.32萬(wàn)億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)7.5%[1]。而同年度的照明用電量占全部照明用電量的30%，約占全社會(huì)用電量的9%，一年市政路燈照明的開支就高達(dá)552億元[2]，位居各領(lǐng)域照明用電量之首。另外一組數(shù)據(jù)表示，我國(guó)城市道路照明設(shè)施數(shù)量從2004年的1053.15萬(wàn)盞，以年均增長(zhǎng)率超過(guò)11%的速度增長(zhǎng)為2014的3000萬(wàn)盞。其數(shù)據(jù)及潛能之龐大使得智能節(jié)能路燈普及勢(shì)在必行。

2 城市照明設(shè)施現(xiàn)狀

通過(guò)觀察不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代城市道路照明設(shè)施主要存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

2.1 照明實(shí)際利用率有待提高

傳統(tǒng)現(xiàn)代道路照明設(shè)施主要采用人工控制或定時(shí)控制兩種手段控制路燈的開啟。因此實(shí)際上的路燈照明無(wú)法根據(jù)類如照明時(shí)間段變化、實(shí)際照明需求以及突發(fā)情況等情況采取靈活的調(diào)整，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)表明，目前投入使用大部分道路路燈照明設(shè)施的實(shí)際電能利用率卻不到60%。由此可見傳統(tǒng)路燈照明設(shè)施的電能浪費(fèi)有多嚴(yán)重。如實(shí)際生活中因?yàn)椴煌竟?jié)不同時(shí)間段的差異，時(shí)常導(dǎo)致如下情景：夏季傍晚天色尚且還亮但過(guò)早開啟路燈，導(dǎo)致照明資源的浪費(fèi)，提高照明的投入成本;而冬季傍晚天色已暗但遲遲未開啟路燈，導(dǎo)致實(shí)際照明效果不到位，無(wú)法起到應(yīng)有的作用。

2.2 照明設(shè)施控制方式單一

傳統(tǒng)現(xiàn)代道路照明設(shè)施通常采用定時(shí)控制或人工控制的方式，但是定時(shí)控制和人工控制均有著各自的優(yōu)勢(shì)和弊端。人工控制主觀且被動(dòng)，需要投入大量人力資源進(jìn)行管理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)路燈設(shè)施的自動(dòng)化以及智能化;而定時(shí)控制又過(guò)于客觀性，非常容易受外界特殊情況的影響，如突然而來(lái)的烏云密布但路燈遲遲未開啟等等，導(dǎo)致靈活性比較低。

2.3 人工管理成本投入大

傳統(tǒng)現(xiàn)代道路照明設(shè)施無(wú)論是發(fā)生故障時(shí)的檢測(cè)、又或者是其開啟與關(guān)閉時(shí)的人工控制，均需要投入大量的人工成本。而隨著城市的高速發(fā)展導(dǎo)致的道路照明設(shè)施數(shù)量急劇上升，這部分成本也隨著相應(yīng)大幅度提高。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 選用單片機(jī)作為主控制模塊的優(yōu)勢(shì)

單片機(jī)是指采用數(shù)字處理和微電子技術(shù)、集成技術(shù)等相融合的一種控制器，與PLC.ARM.DSP等數(shù)字處理控制器擁有相類似的功能和作用。單片機(jī)內(nèi)部集成了微處理器、定時(shí)計(jì)數(shù)器模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、通信模塊、輸入輸出接口模塊甚至模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等[3]。以單片機(jī)作為該系統(tǒng)的主控制模塊主要有以下優(yōu)勢(shì)：

1）單片機(jī)種類多，應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。

2）運(yùn)算速度快。單片機(jī)內(nèi)部通過(guò)降低時(shí)鐘頻率使其運(yùn)算速度大大提高。部分單片機(jī)中還會(huì)使用例如鎖相環(huán)、外部振蕩器等手段去提高單片機(jī)的運(yùn)算速度以及性能。

3）可使用壽命長(zhǎng)。傳統(tǒng)單片機(jī)的使用年限可達(dá)15年以上，這是由于集成芯片的不斷更新，單片機(jī)的使用壽命變得更加長(zhǎng)，甚至?xí)S著使用更加趨于穩(wěn)定。

4）設(shè)備成本低，可移植性強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)等。

3.2 方案設(shè)計(jì)要求

本方案旨在設(shè)計(jì)一個(gè)集合智能調(diào)節(jié)燈光光照強(qiáng)度、定時(shí)開光、顯示檢測(cè)光照強(qiáng)度、設(shè)定光照強(qiáng)度閾值、顯示時(shí)間、具有鬧鐘功能為一體的智能路燈系統(tǒng)。

1）本路燈系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包含如圖1六大模塊。

2）當(dāng)系統(tǒng)開啟時(shí)，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)外界光照情況，此時(shí)光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊通過(guò)ADC0832 A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)時(shí)將外界光照強(qiáng)度信息裝換為數(shù)字信息，并進(jìn)而將檢測(cè)到的外界光照強(qiáng)度大小輸出顯示到系統(tǒng)的LCD1602液晶顯示屏上;與此同時(shí)，時(shí)鐘模塊通過(guò)DS1302時(shí)鐘芯片，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的時(shí)間以及鬧鐘，時(shí)刻檢測(cè)時(shí)間的變化，當(dāng)實(shí)際時(shí)間到達(dá)設(shè)定時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)將開啟短時(shí)間警報(bào)，當(dāng)警報(bào)結(jié)束時(shí)自動(dòng)開啟或關(guān)閉系統(tǒng);警報(bào)模塊當(dāng)檢測(cè)到外界光照強(qiáng)度超過(guò)閾值或鬧鐘觸發(fā)情況下開啟系統(tǒng)蜂鳴器進(jìn)行短暫報(bào)警處理;光照功率調(diào)節(jié)模塊通過(guò)ADC0832 D/A轉(zhuǎn)換電路可將光照檢測(cè)模塊獲取的光照數(shù)字信號(hào)進(jìn)行加工處理轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，進(jìn)而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)照明電路的輸出功率。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)STC89C52、ADC0832A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD1602液晶顯示屏、DS1302時(shí)鐘芯片。

4.1 光照檢測(cè)模塊

1）光敏電阻。光敏電阻是用硫化隔或硒化隔等半導(dǎo)體材料制成的特殊電阻器其工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光照愈強(qiáng)，阻值就愈低，隨著光照強(qiáng)度的升高，電阻值迅速降低亮電阻值可小至1KQ以下。光敏電阻對(duì)光線十分敏感其在無(wú)光照時(shí)，呈高阻狀態(tài)，暗電阻一般可達(dá)1.5 MQ。光敏電阻的特殊性能隨著科技的發(fā)展將得到極其廣泛應(yīng)用[4]。在本系統(tǒng)中，光敏電阻主要起檢測(cè)外界光照強(qiáng)度作用。