一种智能化的路灯控制系统设计

徐鑫秀 王昊

摘要：随着我国”智慧城市”建设进程的不断深入，为实现城市节能减排和可持续发展，应用智控系统实现对路灯的有效监管，使其实现路灯定时控制，根据亮度状况自动开关灯，检测车辆经过后自动控制路灯亮灭，这些智能化的功能实际应用中具有重要意义[1] [2] [3]。本文开发设计一个基于单片机控制的路灯控制系统，通过软件，来定时开关路灯，路灯定時时间可调，并能够根据环境亮度进行自动控制开关灯，检测车辆行人通过情况自动控制路灯状态，以及路灯故障智能报警功能。

关键词：路灯；智能控制；传感器

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）14-0197-02

本设计所研究的智能路灯控制系统的工作原理是通过环境亮度、红外感应、定时控制路灯的亮灭。其中，亮度感应是通过光敏电阻在明亮环境下电阻小在昏暗环境下电阻大的特性，在电桥电路中输出电压与基准电压比较，从而对环境亮度变化进行判断；红外感应是通过红外热释管，经过放大电路将信号放大后与基准电压进行比较，从而判断环境中是否有车辆或行人经过；定时控制通过实时时钟芯片ds1302进行判断；故障判断是通过双限电路，对短路断路电压设置低电平，对正常的导通电压设置高电平，当出现低电平时，主控发出信号进行报警。

根据控制系统方案，本设计由主控部分，光敏传感器、红外传感器、实时时钟、液晶显示、电压比较等部分组成。

主控部分采用STC89C52RC作为主控芯片。该芯片是宏晶科技生产的一种低功耗、低成本、高性能CMOS 8位微控制器。

系统中需要使用热释红外感应模块判断外界是否人或车辆通。在被动红外感应中热释电红外传感器应用最为普遍，同时，热释电红外传感器的高灵敏度，远距离感应性能满足本设计要求[4]。应用LCD1602作为液晶显示模块，用来显示字母数字符号等的点阵符号的液晶模块。

在本设计中，电压比较芯片的作用是对光敏电阻和红外热释电探测器的输出信号与基准电压比较。考虑到故障检测电路中也用到了两个运放作为普通运放功能，所以选用LM339作为电压比较芯片。

综上，根据要求与思路，硬件电路设计由：STC89C52RC最小系统、稳压电路、LCD显示电路、实时时钟电路、按键电路、电压比较电路、红外感应电路、光线感应电路、功率调节电路、故障检测电路、故障报警电路组成。

1 电源电路

在本设计中，需要用到+5V电源。所以使用LM78XX系列稳压芯片中的LM7805作为电源稳压芯片。LM7805应用广泛，外围电路设计简单，是一种普遍的电源设计方案。电源电路设计如图2：

用lm78系列构建的稳压电路的外部器件少，片内设有保护电路，电路简单，使用广泛，电路稳定，成本低廉。LM7805有3个引脚，分别是电压输入、接地、电压输出。最大输入电压小于36V，输出端电压电4.8V～5.2V，最大输出电流1.5A。

外围电路中，解电容作为电路的滤波电容，滤除输入输出电压中的残余交流电平，小容量电容则滤除高频谐波和尖脉冲。另外大容量电容对高频成分的容抗很高，因而并联小容量电容做高频回路。

2 非电量电测部分电路设计

非电量电测的目的就是把待测量物理量通过一种元件换算为与它有关的电信号，然后利用电气测量的方法对电信号进行测量，从而确定待测非电量的值[6]， 传感器是将外界信息按一定规律转换成电量的装置，它是实现自动化检测和自动控制的一个重要组成部分[7]。本设计中需要采集的非电量包括：光照度和红外。非电量采集电路包括光敏电阻电桥电路，红外模块接口电路。

在本设计中，通过电桥电路，通过比较IN A+端的输出电压与2.5V判断当前光线亮度是否满足亮灯条件。

设：IN A+端的电压为UA，U=5V

[UA=U-UR13+R21×R13=U（1-R13R13+R21）=UR21R13+R21]

白天时光线充足，光敏电阻阻R13值降低，UA>0.5U；临近夜晚，随着环境光线逐渐降低，UA逐渐增大，直到UA<0.5U。输出电压接电压比较器同相输入端，与2.5V电压进行比较。

为确保设计电路稳定可靠，利用Multisim软件对电路进行仿真，下图中万用表1显示LM339同相输入端电压，万用表2显示LM339输出端电压。白天的仿真结果如图3：

电位器模拟光敏电阻，光敏电阻阻值小于调节电位器阻值，留存5KΩ作为光敏电阻的亮电阻，仿真结果显示LM339输出端为高电平，与理论预期结果一致。

夜晚仿真结果如图4：

光敏电阻阻值大于调节电位器后，LM339输出低电平，与理论预期结果一致。

3 红外感应模块

红外感应部分所采用的红外感应模块HC-SR501。该模块是基于红外热释电传感器的自控模块，采用LHI778传感器。由于物体发出红外线的能量十分有限，为了提高热释电红外传感器的接收灵敏度，在其表面罩上一片菲涅耳透镜，其探测距离可以增加到原来的5～7倍。当有车辆或行人从透镜前经过时，传感器就接收到一个红外脉冲，根据热释电红外传感器的探测变化的温度的原理，加上透镜后，将加大温度变化的影响，传感器的输出信号将得到加强。

4 功率调节电路

在本设计中，功率调节通过单片机模拟PWM进行调节。功率调节电路主要由单运放OP07完成。功率调节模块电路如图5。

调节功率的功能靠调节PWM波占空比实现，电路的主要作用是提高PWM的驱动能力。设计中的单个LED灯用PWM可以直接驱动，但考虑实际中，路灯的功率是远大于1个LED的功率，所以实际应用中不仅要提高PWM波的驱动力，在遇到大功率路灯时还需要用到MOS管提高控制系统在驱动大功率时的能力。

5 故障报警

根据设计任务要求，系统要能对故障进行声光报警。根据故障分析，在不同的故障情况下，LED灯正端可以检测到高低两种电平[5]， 故障电路分为故障检测电路和故障报警电路两部分。监测电路用于检测肚胀发生，并向单片机发送故障信号。报警电路用于对故障进行报警，当单片机受到故障信号后，接通报警电路产生声光报警。

报警电路主要由一个NPN三极管、发光二极管和蜂鸣器组成，当单片机检测到故障时，单片机给三极管b极发送低电平，三极管管导通产生声光报警。

6 故障检测仿真

通过Multisim搭建故障检测的仿真电路对故障检测电路可靠性进行验证。下图中左侧万用表显示故障检测点电压，右侧万用表显示双限比较器检测故障结果。

路灯短路故障状态如图6：

当LED灯被短路时，故障检测点电压为0V，小于门限电压1V～4V，经双限比较后输出低电平故障信号到单片机，符合预期。

路灯断路状态如圖7：

在断路状态下，故障检测点电压为5V，超出1V～4V门限电压，经双限比较器输出低电平故障信号到单片机，符合预期。

7 系统调试及小结

调试工作是系统设计最重要的一步，在实践中发现，MOS管的功率通常非常高，对于单个LED灯的调节作用几乎微乎其微，即便是功率最小的MOS管在本设计这种实验板中起不到限流的作用。最终决定直接用PWM调节功率。

参考文献：

[1] 贺一鸣，王崇贵，刘进宇. 智能路灯控制系统设计与应用研究[J]. 现代电子技术，2010（01）：207-210.

[2] 刘苏敏. 智能路灯节能控制系统研究[D].武汉理工大学，2007.

[3] 陈凤贤. 基于多智能体技术的路灯节能控制系统的研究[D].华南理工大学，2013.

[4] 单成祥.传感器理论设计基础及其应用[M].国防工业出版社，1999

[5] 马腾， 李渊， 李宝营，等. LED路灯智能控制系统设计[J]. 大连工业大学学报， 2012，31（1）.

[6] 吴道悌， 刘晓辉， 郑明. 非电量电测技术[M]. 西安交通大学出版社， 2004.

[7] 沙占友，王彦朋.智能传感器系统设计与应用[M].电子工业出版社，2004.