基于单片机模拟路灯控制系统的设计

林建平, 吴必瑞, 叶德柱

(宁德师范学院 物理与电气工程系，福建 宁德 352100)

随着我国经济的高速发展和人民生活水平的日益提高，能源和资源变得日益紧张，电力短缺已成为制约国民经济发展的突出矛盾.目前，我国照明消耗的电能约占电力生产总量的10%～20%，而城市公共照明则在照明耗电中占30%.并且，随着近几年“让城市亮起来”的口号的提出,全国的路灯数量仍在迅猛增长，公共路灯的节能问题便由此提出.通常的节能途径有两个：一是采用节能光源；二是采用合理的控制线路.本文在使用节能光源LED灯的情况下，采用合理的控制线路来实现路灯节能.据调查，我国的小型城市晚上21∶00以后、大中城市24∶00以后道路上人车较少，存在着“人少车稀灯更亮”的不合理现象.本文根据交通状况，为实现节能智能控制的目的，提出在不同状态投入不同的路灯运行的方案，以保证路灯节能.

1 设计任务

1.1 任务

该控制系统结构如图1所示，路灯布置如图2所示.

图1 路灯控制系统图Fig.1 Diagram of the street lamp control system

图2 路灯布置示意图(单位：cm)Fig.2 Diagram of the street lamp decorate

1.2 设计要求

(1)支路控制器有时钟功能，可以设定、显示开关灯时间，并控制整条支路按时开灯和关灯.

(2)支路控制器应能根据环境的明暗变化，自动开灯和关灯.

(3)支路控制器应能根据交通情况自动调节亮灯状态：当可移动物体M(在物体前端标出定位点，由定位点确定物体位置，定位点人为设定)由左至右到达S点时(见图2)，灯1亮；当物体M到达B点时，灯1灭，灯2亮；若物体M由右至左移动时，则亮灯顺序与上相反.

(4)支路控制器能分别独立控制每只路灯的开灯和关灯时间.

(5)当路灯出现故障时(灯不亮)，支路控制器应能发出声光报警信号，并显示有故障路灯的地址编号.

2 系统各模块方案

2.1 时钟功能模块的选择

利用51单片机(晶振12 M)的定时器设计时钟，时间显示在1602液晶上，用独立键盘调节时钟的时、分、秒，并且可以设置闹钟.此方法成本低，不需要再启用其他的芯片和外围电路[1-2].

2.2 LCD显示模块

本系统需要正常的时钟显示模式控制，而且可以设定和调整时间，当出现故障时地址编号也可显示出来.液晶显示比数码管更能够节省单片机的I/O口，同时也能直观地显示时间、模式选择、出现故障的地址编号以及一些必备的字符.

2.3 环境检测模块

采用光敏电阻和比较器实现.光敏电阻串上变阻器后，将中间节点接比较器负端，比较器正端接一个固定的分压值，白天光敏电阻阻值较小，比较器输入的正端电压大于负端电压，比较器输出高电平；夜晚光敏电阻阻值变大，比较器输入的负端电压低于正端电压，比较器输出低电平.该方案可靠且易于实现，由于采用了变阻器，可以对检测的灵敏度做出调整，适用性高.

2.4 智能灯检测控制模块

采用TCRT5000光电传感器，能准确地检测物体的定位，此方案可以降低可见光的干扰，灵敏度高，同时其尺寸小、质量轻、价格也低廉.外围电路简单，安装起来方便，对电源要求也不高，用它作为定点检测相对合适[3].

3 模拟路灯控制系统的硬件平台设计

3.1 系统的实现

模拟路灯控制系统采用STC89C52单片机来实现，通过传感器采集信号经单片机分析处理后控制路灯的亮灭，同时将时间显示出来；通过键盘设定运行模式和调整时间；当出现故障后将地址编号显示在1602液晶屏上，并且实现声光报警.系统负责路灯的实时时钟控制、定位点交通状况的检测及环境检测等功能，系统结构框图如图3所示.

图3 路灯控制系统结构框图Fig.3 Structure diagram of simulation street light control system

3.2 控制LED灯模块

采用继电器分别独立控制两路的LED路灯，三极管工作在饱和区，通过单片机I/O口的高低电平控制三极管的通断，进而控制继电器的吸合达到点亮和熄灭LED路灯；继电器的线圈两端反接一个二极管，防止线圈的自感引起的电动势，二极管和继电器的线圈形成回路削弱感应电流，从而起到保护控制电路的目的，其接线图原理如图4所示.

图4 控制LED灯电路图Fig.4 Diagram of control LED lamp circui

3.3 环境检测电路

该模块电路主要完成对环境光线的检测，采用LM393比较器.电路中的光敏电阻选用亮阻≤10 kΩ、 暗阻≥1 MΩ的光敏电阻.如图5所示的电路为一种精密光亮光控电路，其工作不受电源电压及环境温度的影响.电阻R2、R3、R1及光敏电阻R5共同构成了惠斯顿电桥的两个桥臂.在白天时，电路输出端输出低电平；当在夜晚的环境时，电路输出端输出高电平，再通过单片机I/O读取输出端的状态做出相应的动作.此电路的优点在于它输出阻抗比较小、反应灵敏且便于调节灵敏度，其接线图原理如图5所示.

图5 环境检测电路图Fig.5 Diagram of environmental detection circuit

3.4 智能灯控定位模块的电路

由TCRT5000光电传感器构成的定位检测点当有物体通过时，光电传感器的接收管能接收到发射管通过物体反射的红外线，此时接收管导通，三极管Q1基极被钳制为低电平，三极管截止，LED指示灯灭，三极管Q1基极低电平通过LM324构成的电压比较器使输出端输出高电压，再利用单片机的I/O检测，可判断是否有物体通过，其原理图见图6.

图6 定位模块检测电路Fig.6 Diagram of positioning module detection circuit

3.5 故障检测模块

根据LED两端的电压，通过比较电路判断故障路灯的信号.电源端VCC接LM393电压比较器的负端，比较器正端接LED路灯端采集的电压.当LED工作时，比较器正端采集到比负端高的电压，LM393输出高电平；当LED出现故障(不亮)时，比较器正端的电压会低于负端的电压，输出低电平.因此，判断比较器输出电压的高低就可以检测路灯的好坏.

4 软件设计

软件采用C51语言，采用模块式编程，P1.3口通过读取环境监测电路随环境明暗变化产生的高低电平变化，从而控制LED路灯的自动开灯和关灯[4-5].P1.0～P1.2口检测定位点能过物体的情况，同时配合软件编程设置合理的标志位，就能通过3个光电传感器(对应3个定位点)对路面的交通情况状态做出相应的自动调节亮灯状态.P1.4和P1.5端口控制LED灯继电器的通断.P1.6、P1.7 I/O端口读取故障检测模块采集的路灯工作情况所发出的相应的声光报警信号和液晶显示有故障路灯的地址编号.通过按键设置功能模式选择键、时钟设定、功能选择键及灯控制键，1602LCD时刻显示各个功能的状态和时钟显示等.采用模块化程序设计，整个程序包括的子模块有时钟显示模块、环境检测模块、智能检测模块、故障检测模块以及按键处理等功能的实现，其软件主程序流程如图7所示.

图7 程序流程图Fig.7 program flow diagram

5 结束语

该控制系统原理简单，工作可靠，性价比高.而且，可以根据实际使用情况进行参数调节和功能扩展，具有一定的灵活性和适用性.它能实现对路灯的远程控制及对路灯工作状态的实时检测等功能，在路灯管理方面可以节省大量的人力和物力，具有较高的实用价值.

参考文献：

[1] 黄智伟．全国大学生电子设计竞赛系统设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[2] 全国大学生电子设计竞赛组委会．全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M]．北京：北京理工大学出版社，2005.

[3] 李朝生，林鹤云，周进友，等．基于单片机控制路灯节电系统的研究[J]．节能，2007(5)：21.

[4] 魏俊锋，高峰．路灯节能问题的思考[J]．光源与照明，2008(1)：39.

[5] 胡开明，李跃忠，卢伟华,等．智能路灯节能控制器的设计与实现[J]．现代电子技术，2009(9)：143.