基于STC89C52的路灯综合节能系统的设计*

李立煌，王华杰

(太原工业学院电子工程系,山西 太原 030008)

0 引言

城市街灯是城市发展的一种形式,它在提高人民生活质量方面具有重大意义。但是随着我国城市道路交通的不断发展,道路交通的能耗也越来越高,因此,城市道路能耗越来越受到重视。如何搞好城市道路路灯的节能工作事关人们的日常生活,反映着一座城市的治理水准[1]。目前,国内的照明街灯能源消耗十分严重,城市公用建筑的能耗约为30%。因此减少公用建筑能耗具有重要的现实意义。在传统的都市灯光线路设计中,由于技术上的不足,未能充分考虑节能问题,导致许多都市的路灯夜间都是通宵工作[2]。

此外,我国许多大城市的街景照明系统仍是传统的手动、光控、钟控模式,原有的控制与经营模式难以适应城区的发展。随着计算机网络技术、信息技术、通信技术和自动化技术的迅速发展,城市道路照明的发展已经进入了自动化、信息化的轨道交通系统[3]。

本文介绍了一种以STC89C52单片机为核心构成的模拟路灯控制系统,该系统采用传感器检测技术,使路灯可以根据交通和环境情况自动调节灯的状态。具有手动和自动功能,管理员可根据需要自由进行切换[4]。

1 系统方案的设计

路灯集中监控及综合节能系统采用时钟模块DS1302为该系统进行计时,单片机将当前时间读取在液晶屏上显示出来,使用一个光敏传感器输出一个模拟信号将其输入到A/D转换芯片,将其数字信号输入单片机中,单片机根据当前光照强度自动地调节路灯的亮暗程度,该系统还可以用按键进行功能设置。路灯集中监控及综合节能系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2 系统整体设计

本系统的硬件单元电路由单片机,CC2530工作电路,光照传感模块,计时传感模块,节能模块,显示模块模块,电源模块等组成。系统工作时,主机采集光照信息,接收到信息时先确定光照强度是否超过阈值,如果超过阈值采取相应的措施,如果没有,对采集到的信息进行储存。

2.1 单片机最小系统设计

STC89C52是当前应用比较广泛的单片机,可以重复地写入只读程序存储器,支持USB串行端口的下载、512 BRAM(数据存储空间)、内置8位中央处理器、8 KB系统可编程下载闪存(程序存储空间)。单片机最小系统包含晶振、复位和电源。

复位电路可以通过按键在整个系统不断电的情况下来重启单片机内部程序,这样方便调试人员进行调试。一旦单片机在休眠状态或者程序不可控状态,按下复位按键,程序重新开始运行。时钟电路有着至关重要的地位,该系统需要稳定准确的脉冲频率,因此选择采用接外部晶振的方式。在实际开发中,通过ASM实现STM32的电源要求。而且这种供电电路还可以充分考虑到开关对电源本身的影响波动性以及系统的安全性,可以在电源的输入端或输出端,增加滤波的电容[5]。

2.2 路灯集中控制及节能模块

路灯集中监控及综合节能系统,需要根据光照强度实时调节照明的亮度,采用PWM的控制思想,通过一个NPN型三极管作为该系统的功率放大器,使用单片机的引脚连接,每个引脚都可单独控制一个照明灯,其对应输出PWM波即可,本设计连接两个灯表示多个路灯的集中管理,如需增加管理路灯数量,在单片机空余引脚上增加同样的路灯控制电路即可[6]。

2.3 光照强度检测模块

路灯集中监控及综合节能系统的光照传感器模块,可实现光照强度的实时监测,当光照强度不同时,光照传感器通过模拟量输出口会输出不同的电压,将此输出电压接入ADC0832模数转换芯片的其中一路模拟量输入口CH0,即可完成光照传感器模拟量的读取[7]。光照传感器电路连接图如图2所示。

图2 光照传感器电路

2.4 计时模块

在路灯集中监控及综合节能系统的设计中,实时计时模块采用DS1302芯片,单片机读取出该计时芯片当前的时间值,其时间模型赋值的是计算机系统的实时时间。

3 系统软件设计

硬件平台完成之后,根据系统的设计要求,在硬件的基础上,完成软件设计,让系统正常运行起来实现相应的功能。

3.1 路灯节能及集中控制主程序设计

在路灯集中监控及综合节能系统的主程序设计时,要先将系统的各个模块初始化,包括液晶屏、时钟芯片、引脚配置及中断配置,从A/D转换模块中读取当前采集到的光照强度值,再从DS1302芯片中将当前时间读取,然后检测当前是否有按键被按下,将采集到的数据显示出来,最后进行路灯亮度的调节[8]。主程序设计流程图如图3所示。

图3 主程序设计流程图

3.2 时间设置程序

路灯集中监控及综合节能系统的程序设计中,计时模块为DS1302,实时计时模块应有一个独立电源,可以保证在断电之后仍能进行准确计时。在每次路灯集中监控及综合节能系统重新启动后,单片机都会读取当前的时间值,按照DS1302时钟芯片内部的时间继续计时。

3.3 节能和集中监控程序设计

路灯集中监控及综合节能系统在节能方面,通过PWM波实时地调节当前路灯的亮度,使照明亮度随着光照强度的变化而变化,而不是一旦开启就进入全功率运行状态,通过此种方法实现节能。在集中监控方面,可以将多个路灯的PWM波控制程序写在同一个定时器函数下即可实现多个路灯的集中监控[9]。灯光多级调节程序设置如图4所示。

图4 亮度调节程序

4 系统调试

路灯集中监控及综合节能系统上电进行测试。开机之后,将该实物系统置于黑暗环境下,观察两个发光LED的亮灭情况。观察到当处于完全黑暗时,其LED亮度较高;当黑暗程度降低时,LED的亮度逐渐变低;当完全置于充足光照环境下时,LED灯熄灭。

路灯照明测试完成后,进行按键功能测试,按下设置按键,会观察到LCD1602的显示界面切换为时间设置界面,继续设置会显示出当前正在操作的时间变量,一共7个时间变量:年月日、星期、时分秒,选中其中一个变量,然后按下加减按键,会看到其值发生变化,然后按下确定按键,时间设置完成,LCD1602显示界面切换到正常运行状态。按下模式切换按键,再按亮度调节按键,观察到此时LED灯亮度发生变化,按键测试通过。

路灯照明系统在LCD显示屏上m是记录最大运行时间,r是记录运行时间。有手动和自动两种模式,当切换到自动模式时,运行时间超过最大运行时间后,路灯会自动关闭。

5 结论

本次的路灯集中监控及综合节能系统的设计使用了STC89C52单片机作为CPU,采用UPS的DS1302计时模块,通过一个光敏传感器采集当前光照强度,使用LCD1602液晶屏作为显示时间和当前运行时间及最大运行时间,使用PWM波的调节方法实现了路灯亮度的多级调节,从而达到节能的目的[10]。

该路灯集中监控及综合节能系统操作简单,功能方便,除了设置时间以及进行人为干预时进行手动操作,其余均可在自动模式下智能控制;在集中监控方面,开放程度较高,可同时接入多个路灯进行集中监控;在节能方面,采用“用多少亮多少”的节能设计理念,使整个路灯集中监控及综合节能系统实现了其要求的功能,设计方案在路灯集中监控及综合节能系统的设计方面有重要的意义。