基于单片机控制的智能路灯控制系统设计

张伟 杨森林

摘 要： 以STC89C51单片机作为控制芯片，利用光敏电阻的特性，根据光线强弱的不同传送给单片机不同的信号，再结合声音传感器、红外光电传感器和红外人体识别传感器将检测到的信息传送给单片机，在单片机中经过相关运算处理，给出路灯亮、灭的信号。当路灯出现故障时，系统会发出报警指令，通过声光报警电路向外释放声光报警信号，并经过光敏电阻探察之后，通过数码管指出故障路灯的具体位置。通过搭建硬件电路，将实物在不同环境下进行多次实验测试，经验证该设计可以有效地实现路灯的智能通断，从而有效地减少电力能源的损耗，实现对路灯的人性化控制，达到了节能的目的。

关键词： 电力能源； 控制芯片； 传感器； 单片机； 智能控制； 光敏电阻

中图分类号： TN344?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）14?0110?04

Design of intelligent street lamp control system based on SCM control

ZHANG Wei， YANG Senlin

（Shaanxi Key Laboratory of Surface Engineering and Remanufacturing， Xian University， Xian 710065， China）

Abstract： With the STC89C51 single chip microcomputer as the main control chip， the feature of the photosensitive resistance is adopted to transmit different signals to the SCM according to different light intensities， and then in combination with the sound sensor， infrared photoelectric sensor and infrared human body recognition sensor， the detected information is transmitted to the SCM， in which related calculations are performed to present the signals of street light on or off. When a street lamp fault occurs， the system will send out the alarm command. The acousto?optic alarm signals are given out by the acousto?optic alarm circuit， and the exact locations of fault street lamps are determined via the digital tube after the exploration of the photosensitive resistance. Several experimental tests of the physical object were carried out in different environments by establishing the hardware circuit. It is verified that the design can effectively realize the intelligent switching of the street lamp， so as to effectively reduce electric energy loss， realize humanized control of the street lamp， and achieve the purpose of energy saving.

Keywords： electric energy； control chip； sensor； SCM； intelligent control； photosensitive resistance

由于电力能源的紧缺，节约电能已经成为社会的共识。绿色、环保、节能是目前电力系统发展的主流方向，对用电器的要求更是精准严格。在人们的日常生活起居，城市的建设当中，路灯都扮演着极其重要的角色。在能源较为紧缺的社会环境下，促进路灯的智能化显得极为重要，同时也顺应了节能与环保的生活主题。

关于路灯智能控制系统的设计，目前涉及到的有LED路灯、多模式的、基于PLC技术的、基于WSN技术、基于ZigBee技术、太阳能、电力载波技术等各种智能控制系统的设计。每种设计方法都有各自的优缺点、使用场合和设计成本也有差异。文中主要设计一款以单片机为控制芯片，易操作、成本低的智能路灯控制系统，针对不同的路况环境，选择不同的工作模式，达到节能环保的目的。

1 方案设计

以单片机作为主控芯片，采用三种类型的传感器进行信息的检测，即红外反射式光电传感器、声音传感器和人体识别传感器。利用红外反射式光电传感器来监测是否有物体通过；利用声音传感器来监测是否有车通过；利用红外人体识别传感器来监测是否有人通过。3个传感器配合来监测是否有车和人通过，可以很好地排除外界干扰，达到节能的目的。当红外反射式光电传感器监测到有物体通过，然后声音传感器或红外人体识别传感器监测到有人或者车辆通过时，路灯变亮；监测不到时，延时一定时间后路灯变暗。通过光敏电阻检测环境明暗程度实现控制系统的通断功能，同时检测路灯故障。一旦有故障发生，发出声光报警，并用数码管来显示故障灯的位置。检测电路的工作原理如图1所示。

2 硬件电路设计

硬件电路可分为以下4个组成部分：单片机控制电路部分、路灯控制电路部分、传感器检测与执行电路部分和数码显示电路部分。

2.1 控制电路模块设计

以STC89C51作为主控芯片，设计控制电路。其实现的功能是控制光电信号的采集，以及将采集到的信号做相应的数据处理分析，再根据功能要求编写程序完成相应的运算，把结果输出到执行机构中。在单片机中，将P0～P3作为通用输入/输出端口。单片机控制系统的电路图如图2所示。

2.2 传感器检测与执行电路部分

2.2.1 光敏电阻控制模块设计

把电压并接到光敏电阻的两极，就会有电流流过电阻，当加上一定的光照，使得电流的变化跟随光强变化，达到光电转换的目的。光敏电阻自身的阻值能够随着光照强度的改变而改变，在路灯控制电路中加上了光敏电阻器件，可实现路灯在不同光线下的自动控制，如图3所示。

发送电路的功能是让发射器找到的目标发出相应的光束。该光束通过半导体光源、激光、或者发光二极管、红外线等产生，实现持续发射并更改脉宽。接收器通常由光电池提供电源，一般把透镜跟光圈放到接收器的前端。接收器之后是检测部分，实现信号的检测与分离。

2.2.3 声音检测模块

声音检测模块主要是由声音传感器进行检测的，声音传感器是在传感器中加上能够对声音产生敏感信息的话筒器件。当有声音出现时，会使话筒中的薄膜发生震动，从而引起电容的改变，以至于形成跟声波能量相对的电压值。把此值变到0～5 V的范围内，并由A/D转换之后传送到接收器中，再发到计算机中。该部件的功用类似于麦克风，声音传感器接收声音信号，但无法测出噪声的强度。BR?ZS1类型的传感器属于工业专用的类型，能够产生4～20 mA的积分噪声装备，符合GB3785，GB/T 17181规定的有关噪声探测标准。BR?ZS1制作的目的是更好地检测噪声，能够及时地显示出噪声信号，而且能够跟大多数的用户兼容，实现24小时持续检测，而且还能够加上报警装置。BR?ZS1具有检测精度高、适应能力强、费用低等优势，在交通领域、工厂中检测噪声方面得到了广泛的应用。该系统中主要通过声音传感器来判断车辆有没有车辆通过。声音检测模块如图5所示。

2.2.4 红外人体识别检测模块

红外人体识别传感器的规模比较小，应用起来具有较便捷、探测范围广、工作性能高、探测距离远，以及灵敏度高等优点，已被广泛地应用于生活的许多方面。红外人体识别传感器用到的相关部件有带通放大器、热释电型传感器、延时电路、菲涅尔透镜以及输出电路几部分。红外人体识别检测模块主要通过红外人体识别传感器来检测路上是否有人通过。

2.2.5 电压比较器

电压比较器主要功能是比较和放大信号。这里选用的是LM393集成芯片，其内部包含两个运放。LM393内部结构图如图6所示。系统中路灯故障检测和红外光电传感器中应用到了电压比较器LM393，是将它应用到相应的运算放大电路模块中去，从而将放大后的信息传送给单片机。

2.3 显示电路的设计

显示电路采用的是LED数码管显示，用数码管来表征出故障路灯的地点。报警装置采用的是電磁式蜂鸣器和LED报警，电磁式蜂鸣器具体的工作过程为：根据电磁效应，变化的电流会产生变化的磁场，磁场带动周围的硬件设备震动。而控制器的电流一般在几毫安的范围内，达不到蜂鸣器的工作电流，因此需要利用集成运放把控制器的输出信号放大。蜂鸣器的驱动电路信号如图7所示。

3 软件设计

系统的软件框图如图8所示。

4 系统实验结果

4.1 系统调试

系统调试包括硬件调试和软件调试两部分。硬件调试主要是做成实物后，通过调试来观察电路板中的短路、虚焊、过焊等问题并进行处理。软件调试主要是程序的调试，是在实物做好以后，通过向单片机内烧入程序进行测试，根据输出的结果来判定程序的正确与否，从而达到调试的目的。

4.2 硬件电路实验结果

将实物分别放在白天和晚上两个环境中，观察两个微亮LED灯是否变亮，若在白天微亮LED灯不会变亮，而在晚上变亮，则可判断出光敏电阻控制系统正常。路灯好坏检测的电路图如图9所示。

在晚上遮挡住红外反射式传感器，若发现该传感器对应的红色LED灯变亮，同时靠近一下人体识别模块，若发现路灯变亮，则延时10 s后自动关闭；然后敲击一下附近的物体发出声音，可看到声音传感器旁边的红色LED灯闪一下，同时路灯点亮，没有声音时，延时10 s路灯自动关闭；则可判断出红外反射式传感器、人体识别模块和声音传感器运行良好。在路灯点亮时，用纸片挡住其中一个或两个路灯，看是否会发出声光报警，并在数码管上显示出对应故障路灯的位置，若可以则说明该故障检测模块正常。手动按一下按钮看对应的路灯是否会点亮，再按一下是否会变暗，按钮二同理进行测试，若符合所述，则说明手动开关电路正常。

5 结 论

通过软、硬件的结合，以及不同环境下的多次调试，设计的硬件电路实现了相应的功能。但设计中，仍然有许多需要改进的地方，如模拟系统中使用的声音传感器、红外传感器等易受环境影响，在实际应用中要做好相关的维护工作。同时系统是采用另外加2个小功率LED灯的方法来实现路灯夜晚的昏暗状态，实际应用中可以采用PWM等方法来控制路灯的亮度，让路灯的明暗程度具有可调性。最后在实际应用中还需要做好各个路灯之间的通信，以便在各种外界条件下控制好需要亮灯的个数。

参考文献

[1] 甘本鑫，徐少明，苏红艳.基于单片机的LED路灯模拟控制系统的设计与实现[J].现代电子技术，2011，34（3）：205?207.

GAN Benxin， XU Shaoming， SU Hongyan. LED street lamps analog control system based on MCU [J]. Modern electronics technique， 2011， 34（3）： 205?207.

[2] 安双利，钱锐，陆翔宇，等.基于单片机智能控制的路灯节能系统的研制[J].上海第二工业大学学报，2011，28（1）：49?53.AN Shuangli， QIAN Rui， LU Xiangyu， et al. Development of energy saving control system for street lamps based on SCM [J]. Journal of Shanghai Second Polytechnic University， 2011， 28（1）： 49?53.

[3] 杜树春.基于Proteus和Keil C51的单片机设计与仿真[M].北京：电子工业出版社，2012.

DU Shuchun. Design and simulation of single chip microcomputer based on Proteus and Keil C51 [M]. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2012.

[4] 王艳芬，谢国洪，叶铁旺.LED智能路灯控制系统设计[J].电子测试，2012（2）：60?63.

WANG Yanfen， XIE Guohong， YE Tiewang. Design of intelligent control system for LED road lamp system [J]. Electronic test， 2012（2）： 60?63.

[5] 张伟，杨森林.基于单片机的SCR过零控制实现研究[J].煤矿机械，2016，37（1）：243?245.

ZHANG Wei， YANG Senlin. Research on implementation of SCR zero control based on SCM [J]. Coal mine machinery， 2016， 37（1）： 243?245.

[6] ZHANG Wei， XING Juanjuan， YANG Senlin. The design of automatic power?off socket based on the 51 SCM [J]. Journal of residuals science & technology， 2016， 13（5）： 1?6.

[7] ZHANG Wei， XING Juanjuan. Application of APDL language in the switching power supply electromagnetic field analysis [J]. Journal of chemical & pharmaceutical research， 2014， 6（7）： 577?584.

[8] 朱平哲.基于AT89C52的LED智能路灯控制系统设计[J].宁波职业技术学院学报，2014，18（1）：87?90.

ZHU Pingzhe. Design of simulation street lamp control system based on AT89C52 single chip [J]. Journal of Ningbo Polytechnic， 2014， 18（1）： 87?90.

[9] 贾冬颖，王巍.基于STC单片机LED智能照明系统的设计[J].照明工程学报，2010，21（2）：71?73.

JIA Dongying， WANG Wei. The intelligent system for LED lighting based on STC?MCU [J]. China illumination engineering journal， 2010， 21（2）： 71?73.