基于單片機的多功能路燈設(shè)計

王 宇,劉福華,黨宏濤,林柏宇,宋振凱,朱 浩

(西京學(xué)院,陜西 西安 710123)

0 引言

路燈的作用是當(dāng)外界的光照強度弱到影響人們的視野時,路燈開啟,給人們帶來光亮。國內(nèi)大部分地區(qū)所采用的控制方式都是以定時來進(jìn)行控制,這種控制方式靈敏度太低,無法應(yīng)對外界環(huán)境的變化,如夏季與冬季的晝夜長短不一樣,夜晚來臨的時間不恒定[1]。要想實現(xiàn)對路燈的精準(zhǔn)控制,就要直接以外界光照強度為被控量,對路燈進(jìn)行精準(zhǔn)控制。設(shè)計人員可以在路燈原有的照明功能外,加入環(huán)境檢測功能,對周圍空氣中的溫度、濕度、PM2.5濃度進(jìn)行檢測,若周圍的空氣質(zhì)量差,還能進(jìn)行簡單的環(huán)境治理。

1 整體方案設(shè)計

1.1 控制方案設(shè)計

本設(shè)計以單片機作為控制芯片,通過光照度傳感器,根據(jù)外界光照強弱的變化來向單片機發(fā)送信號,在手動控制的基礎(chǔ)上加上智能控制,提高了路燈的節(jié)能性。同時,本設(shè)計又利用了溫濕度傳感器、粉塵傳感器對周圍環(huán)境的濕度、溫度、PM2.5濃度進(jìn)行檢測,并將檢測到的數(shù)據(jù)顯示在LCD1602液晶顯示屏上。通過單片機的控制,當(dāng)粉塵數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定的閾值,水泵就會啟動,噴出微小水霧,達(dá)到抑塵的效果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單片機就是在一片半導(dǎo)體硅片上,集成了中央處理單元(CPU)、存儲器(RAM,ROM)、并行I/O、串行I/O、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘電路及系統(tǒng)總線,用于測控領(lǐng)域的單片微型計算機,簡稱單片機[2]。本設(shè)計的控制器是單片機,其主要作用是采集各種實時數(shù)據(jù)并對其他模塊進(jìn)行控制。它的工作過程是通過從各檢測模塊來采集所需要的信息,并通過所采集的信息來控制其他模塊。

1.2 系統(tǒng)的控制方式

多功能路燈控制系統(tǒng)的控制方式分為兩種:自動控制方式和手動控制方式。

(1)自動控制方式。自動控制方式是路燈通過外界光照度的變化來進(jìn)行自動開關(guān)燈的運行方式。其思路是,只有當(dāng)外界的光照強度低到足以影響到人們視物的時候,路燈才會被點亮,為人們帶來光明。多功能路燈控制系統(tǒng)以單片機為核心,通過光照度傳感器來對外界光照數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,設(shè)置一個定制。當(dāng)采集到的光照度低于這個定值時,燈光開啟;當(dāng)采集到的光照度超過這個定制時,燈光則自動關(guān)閉,這便是多功能路燈控制系統(tǒng)的自動控制方式。

在系統(tǒng)運行正常情況下,多功能路燈控制系統(tǒng)主要是以自動控制方式運行。系統(tǒng)通過光照度傳感器采集光強數(shù)據(jù)并加以分析,實時對路燈進(jìn)行控制[3-4]。

(2)手動控制方式。手動控制方式是在操作系統(tǒng)中,設(shè)置一個切換開關(guān),可自行切換自動控制和手動控制,再設(shè)置一個手動開關(guān),人們可以通過手動操作來控制路燈的開關(guān)燈。這種情況一般是為了應(yīng)對出現(xiàn)的緊急狀況或者進(jìn)行維修調(diào)試的時候,才使用手動控制方式。

2 檢測模塊設(shè)計與選型

2.1 光照檢測模塊

光照檢測模塊由GY-30光照度傳感器組成,其作用是對外界的光照數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。GY-30光照度傳感器是一款基于IIC通信的16bit的數(shù)字型傳感器,其特點是光譜范圍類似于人眼,對光源的依賴性不大,而且無須任何外部零件,所以本設(shè)計選擇GY-30光照度傳感器作為光照檢測模塊。

2.2 溫濕度檢測模塊

溫濕度檢測模塊由DHT11數(shù)字溫濕度傳感器組成,其作用是對外界的溫度和濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一種復(fù)合傳感器,它是由電阻式感濕元件和NTC測溫元件組成,選擇DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是因為其具有體積小、功耗低、響應(yīng)快、性價比高等優(yōu)點。

2.3 PM2.5濃度檢測模塊

PM2.5濃度檢測模塊由灰塵傳感器YW-51組成,其作用是檢測空氣中的粉塵濃度。因為YW-51靈敏度高,響應(yīng)時間僅有10 ms,其性價比高,且高一致性可達(dá)+/-15%,具有高EMC性能。所以該系統(tǒng)選擇灰塵傳感器YW-51來檢測外界空氣中PM2.5的濃度。

2.4 液晶顯示屏模塊

液晶顯示屏模塊由LCD1602液晶屏組成,其作用是將系統(tǒng)采集到的溫度值、濕度值、光照數(shù)據(jù)以及PM值實時顯示出來。選擇LCD1602液晶顯示屏的原因是其具有顯示質(zhì)量高、功耗低、體積小等優(yōu)點。

2.5 抑塵模塊

抑塵模塊選擇水泵、精細(xì)霧化噴頭以及紅外感應(yīng)器來實現(xiàn)抑塵功能,紅外感應(yīng)器的作用是檢測噴灑范圍內(nèi)是否有人。在噴灑范圍內(nèi)無人的情況下,此功能才會啟動。系統(tǒng)對采集到的PM2.5進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷,當(dāng)粉塵數(shù)據(jù)過高時,水泵啟動,精細(xì)霧化噴頭就會噴出5微米的水霧,達(dá)到抑塵效果。

3 功能流程

系統(tǒng)進(jìn)行初始化,循環(huán)讀取PM2.5、溫濕度、光照強度的數(shù)據(jù),然后將數(shù)據(jù)送至LCD1602顯示的同時再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、判斷以及處理。

對采集到的PM2.5值進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷,當(dāng)粉塵數(shù)據(jù)超過閾值時,水泵啟動進(jìn)行灑水抑塵。

通過按鍵判斷切換自動模式與手動模式。當(dāng)處于自動模式時,系統(tǒng)通過對外界采集的光強數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,設(shè)置一個算法閾值(此閾值設(shè)計為30 lux)。若光照強度小于30 lux,發(fā)光裝置啟動。若光照強度大于30 lux,則發(fā)光裝置關(guān)閉。當(dāng)處于手動模式時,通過按鍵判斷來進(jìn)行開關(guān)燈。功能流程如圖2所示。

圖2 功能流程

4 結(jié)語

本設(shè)計主要實現(xiàn)了智能控制、環(huán)境檢測、灑水抑塵的功能。通過光照傳感器采集的光照數(shù)據(jù)對路燈進(jìn)行自動控制,為了應(yīng)對緊急狀況,本設(shè)計還設(shè)置了手動控制方式。