基于单片机的多功能路灯设计

王 宇,刘福华,党宏涛,林柏宇,宋振凯,朱 浩

(西京学院,陕西 西安 710123)

0 引言

路灯的作用是当外界的光照强度弱到影响人们的视野时,路灯开启,给人们带来光亮。国内大部分地区所采用的控制方式都是以定时来进行控制,这种控制方式灵敏度太低,无法应对外界环境的变化,如夏季与冬季的昼夜长短不一样,夜晚来临的时间不恒定[1]。要想实现对路灯的精准控制,就要直接以外界光照强度为被控量,对路灯进行精准控制。设计人员可以在路灯原有的照明功能外,加入环境检测功能,对周围空气中的温度、湿度、PM2.5浓度进行检测,若周围的空气质量差,还能进行简单的环境治理。

1 整体方案设计

1.1 控制方案设计

本设计以单片机作为控制芯片,通过光照度传感器,根据外界光照强弱的变化来向单片机发送信号,在手动控制的基础上加上智能控制,提高了路灯的节能性。同时,本设计又利用了温湿度传感器、粉尘传感器对周围环境的湿度、温度、PM2.5浓度进行检测,并将检测到的数据显示在LCD1602液晶显示屏上。通过单片机的控制,当粉尘数据达到设定的阈值,水泵就会启动,喷出微小水雾,达到抑尘的效果。系统结构如图1所示。

图1 系统结构

单片机就是在一片半导体硅片上,集成了中央处理单元(CPU)、存储器(RAM,ROM)、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线,用于测控领域的单片微型计算机,简称单片机[2]。本设计的控制器是单片机,其主要作用是采集各种实时数据并对其他模块进行控制。它的工作过程是通过从各检测模块来采集所需要的信息,并通过所采集的信息来控制其他模块。

1.2 系统的控制方式

多功能路灯控制系统的控制方式分为两种:自动控制方式和手动控制方式。

(1)自动控制方式。自动控制方式是路灯通过外界光照度的变化来进行自动开关灯的运行方式。其思路是,只有当外界的光照强度低到足以影响到人们视物的时候,路灯才会被点亮,为人们带来光明。多功能路灯控制系统以单片机为核心,通过光照度传感器来对外界光照数据进行采集,设置一个定制。当采集到的光照度低于这个定值时,灯光开启;当采集到的光照度超过这个定制时,灯光则自动关闭,这便是多功能路灯控制系统的自动控制方式。

在系统运行正常情况下,多功能路灯控制系统主要是以自动控制方式运行。系统通过光照度传感器采集光强数据并加以分析,实时对路灯进行控制[3-4]。

(2)手动控制方式。手动控制方式是在操作系统中,设置一个切换开关,可自行切换自动控制和手动控制,再设置一个手动开关,人们可以通过手动操作来控制路灯的开关灯。这种情况一般是为了应对出现的紧急状况或者进行维修调试的时候,才使用手动控制方式。

2 检测模块设计与选型

2.1 光照检测模块

光照检测模块由GY-30光照度传感器组成,其作用是对外界的光照数据进行采集。GY-30光照度传感器是一款基于IIC通信的16bit的数字型传感器,其特点是光谱范围类似于人眼,对光源的依赖性不大,而且无须任何外部零件,所以本设计选择GY-30光照度传感器作为光照检测模块。

2.2 温湿度检测模块

温湿度检测模块由DHT11数字温湿度传感器组成,其作用是对外界的温度和湿度数据进行采集。DHT11数字温湿度传感器是一种复合传感器,它是由电阻式感湿元件和NTC测温元件组成,选择DHT11数字温湿度传感器是因为其具有体积小、功耗低、响应快、性价比高等优点。

2.3 PM2.5浓度检测模块

PM2.5浓度检测模块由灰尘传感器YW-51组成,其作用是检测空气中的粉尘浓度。因为YW-51灵敏度高,响应时间仅有10 ms,其性价比高,且高一致性可达+/-15%,具有高EMC性能。所以该系统选择灰尘传感器YW-51来检测外界空气中PM2.5的浓度。

2.4 液晶显示屏模块

液晶显示屏模块由LCD1602液晶屏组成,其作用是将系统采集到的温度值、湿度值、光照数据以及PM值实时显示出来。选择LCD1602液晶显示屏的原因是其具有显示质量高、功耗低、体积小等优点。

2.5 抑尘模块

抑尘模块选择水泵、精细雾化喷头以及红外感应器来实现抑尘功能,红外感应器的作用是检测喷洒范围内是否有人。在喷洒范围内无人的情况下,此功能才会启动。系统对采集到的PM2.5进行数据判断,当粉尘数据过高时,水泵启动,精细雾化喷头就会喷出5微米的水雾,达到抑尘效果。

3 功能流程

系统进行初始化,循环读取PM2.5、温湿度、光照强度的数据,然后将数据送至LCD1602显示的同时再对这些数据进行解析、判断以及处理。

对采集到的PM2.5值进行数据判断,当粉尘数据超过阈值时,水泵启动进行洒水抑尘。

通过按键判断切换自动模式与手动模式。当处于自动模式时,系统通过对外界采集的光强数据进行判断,设置一个算法阈值(此阈值设计为30 lux)。若光照强度小于30 lux,发光装置启动。若光照强度大于30 lux,则发光装置关闭。当处于手动模式时,通过按键判断来进行开关灯。功能流程如图2所示。

图2 功能流程

4 结语

本设计主要实现了智能控制、环境检测、洒水抑尘的功能。通过光照传感器采集的光照数据对路灯进行自动控制,为了应对紧急状况,本设计还设置了手动控制方式。