城市軌道交通車站照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊盛博、駱紅宇

（長春科技學(xué)院智能制造學(xué)院，吉林 長春 130600）

0 引言

本文闡述了城市軌道交通車站照明設(shè)計(jì)的改進(jìn)措施。觀察發(fā)現(xiàn)，無論有人無人、太陽是否下山，城市軌道交通車站燈光從不熄滅，此類無形中浪費(fèi)的電量占總耗電的40%左右。因此在保障光照質(zhì)量的前提下進(jìn)行節(jié)能措施是必要之舉。這不僅是經(jīng)濟(jì)效益上的考量，更是響應(yīng)國家節(jié)能減排的必要之舉。管理員巡視各個(gè)照明區(qū)域時(shí)，分析是否有照明需求，從而確定開關(guān)數(shù)量，以減少浪費(fèi)的發(fā)生。更合適的做法是從控制技術(shù)上徹底解決此類問題，例如在使用各種傳感器的同時(shí)為它們裝上一個(gè)大腦，即微處理器。以微處理器為核心的新型智能照明系統(tǒng)廉價(jià)、魯棒性強(qiáng)、更加實(shí)用，適用于軌道交通車站、圖書館等多種場景。

1 總體設(shè)計(jì)方案

使用微處理器配以各種傳感器檢測環(huán)境信息的控制方式，已經(jīng)成為城市軌道交通車站照明系統(tǒng)的主要方式。此類系統(tǒng)完成了節(jié)能目的的同時(shí)，也給人們帶來了生活上的一些困擾。受到系統(tǒng)自身性能的影響，此類聲光控智能照明系統(tǒng)需配合高于60 分貝的聲音，在圖書館、軌道交通車站這些地方并不適用。

傳感器用來探測人和光的信息，把探測到的情況轉(zhuǎn)化為電信號(hào)發(fā)送給處理器分析，分析的結(jié)果決定照明燈的亮滅情況。盡管該系統(tǒng)魯棒性十分優(yōu)秀，不過為了防止意外情況的發(fā)生，在該系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可以重啟電路，需要添加一個(gè)復(fù)位按鈕。所有探查到的信息每分鐘更新一次，便于處理器實(shí)時(shí)分析情況。從設(shè)計(jì)思路可以看出這套系統(tǒng)所需用料少，安裝便捷，省人工省錢的同時(shí)穩(wěn)定可靠，不會(huì)對人造成任何傷害。

設(shè)計(jì)過程分為以下幾個(gè)步驟：首先確定需要幾個(gè)模塊才能完成所有功能，在任務(wù)書中主要用到能檢測人的紅外傳感器和能探查光的強(qiáng)弱的光敏傳感器，然后在此基礎(chǔ)上添加一個(gè)復(fù)位按鈕、一個(gè)系統(tǒng)級開關(guān)、幾個(gè)指示燈。把所有功能都按任務(wù)書上任務(wù)的順序組裝起來，最終形成系統(tǒng)的整體框架。

如圖1 所示，兩個(gè)傳感器開始正常工作，探查范圍內(nèi)信號(hào)。其中，紅外傳感器負(fù)責(zé)探查區(qū)域內(nèi)有沒有人，有人時(shí)向處理器發(fā)送電信號(hào)，傳感器旁邊的指示燈被點(diǎn)亮。無人時(shí)指示燈不亮，返回繼續(xù)從有沒有復(fù)位按鈕被按下開始重新運(yùn)行。光傳感器用來判斷范圍內(nèi)太陽光的強(qiáng)度有沒有到達(dá)一定閾值。正常白天亮度則指示燈一直處于熄滅狀態(tài)，并不停返回有沒有人按下復(fù)位按鈕的一步向下運(yùn)行。當(dāng)處理器接收到傳感器發(fā)送的電信號(hào)后，經(jīng)過邏輯運(yùn)算將是否啟動(dòng)照明燈的命令傳輸給繼電器，點(diǎn)亮照明燈。

圖1 系統(tǒng)最基本功能實(shí)施流程圖

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

插入微控制器后，生成重置信號(hào)，完成微控制器啟動(dòng)以確定微控制器的啟動(dòng)狀態(tài)是處于運(yùn)行或者停止，系統(tǒng)使用內(nèi)部時(shí)鐘電路和通電自重置電路。

安裝一個(gè)由透明塑料制成鏡頭有特殊的光學(xué)用途的放大電路，該放大電路在檢測元件前，放大70 分貝以上的Fresnel 鏡頭，延長檢測距離至可以，測量范圍10～20m 內(nèi)的人類行動(dòng)，進(jìn)而增強(qiáng)檢測元件的檢測靈敏度，完成釋電紅外傳感器的檢測工作。安裝時(shí)要注意以下幾點(diǎn)以防干擾，要特別注意傳感器的安裝高度，以防小動(dòng)物觸發(fā)報(bào)警。傳感器要安裝在距離鹵素?zé)糁辽?m，在其透過玻璃窗直射時(shí)才能正常工作。為保證傳感器正常工作的要求，需要傳感器抗干擾能力強(qiáng)，所以遠(yuǎn)離強(qiáng)磁干擾。

紅外光越傾向于同心環(huán)，它就越集中和強(qiáng)大。不同區(qū)域的同心圓相互交錯(cuò)，透鏡整體就沒有盲點(diǎn)。段數(shù)較多則探測到的人體運(yùn)動(dòng)范圍小，段數(shù)較少則探測到的人體運(yùn)動(dòng)范圍會(huì)很大。人體散發(fā)的紅外能量通過A、B、C 三個(gè)區(qū)域內(nèi)的同心環(huán)聚集，聚集后的能量被傳感器接受，否則熱量太分散，不集中，能量信號(hào)經(jīng)過傳感器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字電信號(hào)后進(jìn)入電子電路進(jìn)行傳輸，推動(dòng)負(fù)載的運(yùn)行。紅外活動(dòng)目標(biāo)探測器基于此方法接收人類紅外光的輻射，接受輻射并傳輸，檢測人流活動(dòng)。

提高鏡頭動(dòng)作效果的方法提高了檢測運(yùn)動(dòng)的靈敏度。段密度透鏡有多達(dá)26 個(gè)段，長度為50mm。從較早闡述的原則來看，段數(shù)較少檢測到的人體運(yùn)動(dòng)將較大，選擇少量鏡片可以減少錯(cuò)誤動(dòng)作，人體運(yùn)動(dòng)范圍要大，用少量鏡片形成局部檢測，減少周圍干擾源是增強(qiáng)防干擾的有效方式。數(shù)字模式混合集成電路BISS0001 由操作放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲計(jì)時(shí)器和阻塞時(shí)間計(jì)時(shí)器元件組成，廣泛應(yīng)用于各種傳感器和延遲控制器，可以時(shí)刻提供傳感器使用狀態(tài)，對傳感器的使用起到保護(hù)作用。

人體感應(yīng)模塊將LED8 與LED9 設(shè)置為紅外發(fā)射管，將LED7 與LED6 設(shè)置為紅外接收管，電阻R15 與R14 可以設(shè)置用來保護(hù)LED 燈。此外，紅外光在有遮擋物體的情況下，可以經(jīng)由遮擋物發(fā)射后被接收。系統(tǒng)內(nèi)電壓低于輸入端的2.5V 時(shí)，電阻R21 與R22 型限流保護(hù)發(fā)射管，直接輸出低電平，LED 燈也會(huì)亮起，沒有遮擋物體的情況下，接收管也不會(huì)導(dǎo)通，依然截止，故模塊只有在整體電壓持續(xù)大于2.5V 時(shí)，才輸出高電平，此時(shí)LED 燈會(huì)熄滅。

感光電阻，太陽光越強(qiáng)，電阻值越高；當(dāng)太陽光減少時(shí)，電阻減小，調(diào)節(jié)電流大小。模塊中，利用感光電阻器，引起電阻值的變化。感光電阻器，通常還要進(jìn)行梳理以提高靈敏度。制作方法是在基板上制作出非常薄的光分辨率光電圖和梳理的歐姆電極，用鉛連接起來。GR1 是光敏電阻的代號(hào)，太陽光完全消失時(shí)，這個(gè)電阻器的電阻會(huì)接近無限大，整個(gè)電路等同短路。電壓比較器內(nèi)部包含LM393 和電位器，用來對比光照流明值是否達(dá)到指定值，將此信號(hào)發(fā)送給處理器，由單片機(jī)進(jìn)行檢測，判斷是否有光照。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在硬件電路設(shè)計(jì)完成后，需要給系統(tǒng)配上相應(yīng)的軟件，系統(tǒng)才能正常工作。由于軟硬件分離，已經(jīng)設(shè)計(jì)好的硬件部分不影響將要進(jìn)行的軟件部分的設(shè)計(jì)，接下來就是挑選合適的軟件編寫結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用最常見的自頂層向下設(shè)計(jì)的思路。

首先確定主程序，然后在主程序的基礎(chǔ)添加子程序，將整個(gè)程序分成4 大模塊，分別為主程序、傳感器信息檢測、定時(shí)和信息存儲(chǔ)模塊。編寫結(jié)構(gòu)不僅使程序員省心省力，還會(huì)方便其他人學(xué)習(xí)，為今后可能要進(jìn)行的迭代升級做好準(zhǔn)備，預(yù)留足夠多的擴(kuò)展空間。

3.1 系統(tǒng)主程序模塊

如圖2 所示，主程序和命令處理程序共同組成監(jiān)控程序。主程序可以調(diào)用多個(gè)子程序，對于系統(tǒng)資源有限的AT89C51 型號(hào)的微控制器，主程序通常是反復(fù)調(diào)用子路也就是形成閉環(huán)操作的過程。

圖2 主程序流程圖

軟件設(shè)計(jì)時(shí)，主程序只起到調(diào)用子程序的用途，子程序完成具體任務(wù)要求的，故子程序的編寫尤為重要，在各個(gè)子程序編寫完成后，由主程序串聯(lián)起來，形成了一個(gè)閉環(huán)的可循環(huán)的程序，當(dāng)微處理器發(fā)出程序調(diào)用的命令后，所有需要的功能在這個(gè)循環(huán)中有序運(yùn)行。

接通電源后，系統(tǒng)初始化自動(dòng)運(yùn)行，開始對寄存器和系統(tǒng)中芯片的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重置操作，定義接口芯片，重置其內(nèi)部參數(shù)。這一步直接影響后續(xù)所有操作，是系統(tǒng)能否正常使用的關(guān)鍵步驟。接口芯片的檢測是重中之重，主要包括對光敏和紅外傳感器指示燈的檢測，以確定其硬件完好，可以在通電后正常工作。系統(tǒng)時(shí)鐘控制器的控制時(shí)間表是否完好無損、可以正常工作在起震區(qū)，如果無法正常工作，應(yīng)先對其進(jìn)行手動(dòng)初始化，若顯示錯(cuò)誤則手工打開實(shí)時(shí)時(shí)鐘。紅外傳感器應(yīng)保證能夠檢測到人體在前后左右移動(dòng)時(shí)發(fā)出的熱能，當(dāng)強(qiáng)光環(huán)境時(shí)光敏傳感器能否正確識(shí)別光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸給微處理器。

如圖3 所示，計(jì)時(shí)中斷是由微控制器內(nèi)的計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間已到而產(chǎn)生的現(xiàn)象，內(nèi)部時(shí)鐘或外部接口都會(huì)有脈沖輸入，而定時(shí)器中的計(jì)數(shù)器可以對其進(jìn)行計(jì)數(shù)，到達(dá)設(shè)定的值后定時(shí)器本身計(jì)數(shù)會(huì)歸零，同時(shí)向微處理器發(fā)出中斷請求。定期中斷是定期發(fā)生的，該系統(tǒng)的計(jì)時(shí)中斷主要用途是構(gòu)建多任務(wù)操作系統(tǒng)。當(dāng)微處理器回應(yīng)中斷請求后，中斷后需要完成的任務(wù)就可進(jìn)行運(yùn)行準(zhǔn)備階段，進(jìn)行多任務(wù)時(shí)間處理。

圖3 定時(shí)中斷處理程序框圖

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

對于人體紅外和光照強(qiáng)度信號(hào)要實(shí)時(shí)采集，最好的方式是將這兩個(gè)傳感器放入多任務(wù)模塊里，這樣方便調(diào)用和讀寫。

如果檢測區(qū)間內(nèi)人的位置信息沒有更改，即人體沒有活動(dòng)，此時(shí)紅外傳感器就檢測不出范圍內(nèi)存在人體，不會(huì)向微處理器發(fā)出電信號(hào)。所以采用每次檢測并上傳一次信號(hào)后，該信號(hào)持續(xù)一分鐘甚至更久才再次檢測的方法，巧妙地解決了如上問題。照明系統(tǒng)的軟件應(yīng)該人為設(shè)計(jì)間隔1min 探測一次人體信號(hào)以防止此類情況出現(xiàn)。考慮到暗光環(huán)境光敏電阻指示燈亮，檢測到有人經(jīng)過紅外指示燈亮。當(dāng)自然光照弱且前方有人經(jīng)過的距離小于5m 時(shí)實(shí)現(xiàn)照明。

紅外傳感器只推薦在室內(nèi)安裝，位置與技能無失誤則其誤報(bào)率近乎為零。要在2m 左右的高度安裝，特別注意周圍不能有空調(diào)等能主動(dòng)影響室溫的電器，也不應(yīng)有屏風(fēng)、大型家具等隔離物。傳感器安裝的地方不能有強(qiáng)風(fēng)。紅外傳感器對上下運(yùn)動(dòng)不敏感，對前后左右的運(yùn)動(dòng)敏感。綜上所述，最重要的就是挑選適當(dāng)?shù)奈恢茫@樣才能避免傳感器錯(cuò)誤上報(bào)環(huán)境信息。

3.3 時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘芯片通電運(yùn)行起來后才會(huì)對芯片的時(shí)鐘進(jìn)行初始化操作，在初始化過程中，時(shí)序有不可忽視的作用。在DS1302 上執(zhí)行操作之前，須重置輸入RST端為高電平，否則一切數(shù)據(jù)傳輸操作都要暫停。只要不進(jìn)行讀寫操作，為了防止外部脈沖信號(hào)輸入打亂時(shí)鐘自身數(shù)據(jù)，RST 都要維持在低電平，邏輯要為0。在所有操作之前，把地址信息和指令信息都預(yù)先存放在位移寄存器當(dāng)中。寄存器處于運(yùn)行或休眠狀態(tài)，以及運(yùn)行的又以什么方式進(jìn)行，控制系統(tǒng)都受到地址信息的操控。通過外觀檢查確定無損壞后，就要著手芯片內(nèi)部的檢查，這里就要用到最常見的自檢初始化法。

二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為BCD 碼

4 系統(tǒng)的調(diào)試

為了測試單片機(jī)運(yùn)行結(jié)果能否符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，單片機(jī)在系統(tǒng)級調(diào)試時(shí)要兼顧軟件部分與硬件部分，經(jīng)過調(diào)試后及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題，保證硬件和軟件測試結(jié)果準(zhǔn)確性。第一，確定硬件是否完好無損，采用靜態(tài)調(diào)試，方法是將系統(tǒng)的所有硬件都插到萬用板上，觀察傳感器、微處理器等硬件情況。插時(shí)要注意正負(fù)極、電壓電流情況，避免這些問題而損壞單片機(jī)或傳感器，確保電源極性和電壓在任何地方都正確無誤，最重要的是不能插錯(cuò)正反向，這些操作都要在不接通電池的情況下完成。第二，確定軟硬件是否匹配，總體思路、電路圖設(shè)計(jì)和軟件的編寫是否正確。做法是用protels 完成電路圖，把在keil 軟件中編寫的軟件導(dǎo)入protels 中，觀察仿真圖能否如預(yù)想的那樣行動(dòng)。

5 結(jié)語

此次研究在現(xiàn)有城市軌道交通車站照明的基礎(chǔ)上，通過功能實(shí)施，設(shè)計(jì)程序框圖，總體方案是使用微處理器配以傳感器，檢測控制環(huán)境信息。硬件電路利用人體感應(yīng)模塊將LED 設(shè)置為紅外發(fā)射管，設(shè)置2.5V 為限制電壓，大于為高電平熄滅，小于為低電平有效。通電接通系統(tǒng)主程序，并設(shè)置定時(shí)中斷處理程序。系統(tǒng)檢測區(qū)間人位置信息，并輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊。編程二進(jìn)制，轉(zhuǎn)化BCD 碼，設(shè)置時(shí)鐘模塊，把地址信息和指令信息預(yù)先存放于位移寄存器中。對單片機(jī)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行測試，用protels 軟件完成電路圖，確定軟硬件是否匹配，通過界面進(jìn)行觀察寄存器、端口、指令的運(yùn)行。