城市路燈監(jiān)控器系統(tǒng)的設計

楊麗麗 莫曉軍

(浙江郵電職業(yè)技術(shù)學院，浙江 紹興 312016)

1 城市路燈監(jiān)控器系統(tǒng)的實施意義

城市照明是城市基礎設施的一個重要組成部分，在城市的交通安全、社會治安、人民生活和展示市容風貌中居于舉足輕重的地位。城市照明正朝著現(xiàn)代化、科學化、節(jié)能化方向高速發(fā)展。

目前，中國城市照明控制領(lǐng)域主要運用的通過GPRS控制回路層面，只能獲得一條回路的電流等參數(shù)，無法滿足現(xiàn)今應用需求。此外隨著社會發(fā)展的進步，城市路燈已從城市主干道延伸至社區(qū)和背街小巷。照明環(huán)境的明顯改善，使得居民出行更加便捷安全，社會治安也得到明顯好轉(zhuǎn)。但是由此也給路燈管理工作帶來了不少難度。本系統(tǒng)采用先進的數(shù)字信號處理技術(shù)、電源管理技術(shù)、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)等，實現(xiàn)了城市路燈照明系統(tǒng)的遙測遙控和路燈節(jié)能功能，在通信和軟件處理方式上，系統(tǒng)通過GPRS無線通訊技術(shù)完成數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理等功能。通過對道路照明設備的分布式控制和數(shù)字化管理，實現(xiàn)對路燈照明設備的實時在線控制，降低管理成本，做到無人值守。

2 系統(tǒng)設計方案闡述

本系統(tǒng)總體設計要求：能根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動開關(guān)燈；能根據(jù)交通情況能自動調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)；能獨立控制每個路燈的開關(guān)時間并顯示；能檢測故障，發(fā)出報警，并顯示出故障路燈的地址編碼；自制可調(diào)恒流電源，控制并調(diào)節(jié)路燈亮度；當傳感器失效時，控制器仍能按照內(nèi)部設定時間進行正常開關(guān)燈；為完成相應功能，路燈監(jiān)控系統(tǒng)主要可分六部分：電源電路、光敏傳感器電路、單片機部分、掉電保護部分、按鍵部分和顯示接口部分。其中電源電路主要是給系統(tǒng)提供一個+5v的穩(wěn)壓直流電和+36V的穩(wěn)壓直流電，系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)實現(xiàn)框圖

具體設計方案如下：

2.1 主控電路設計

在本系統(tǒng)中，主控電路主要完成路燈的亮暗開關(guān)控制；交通情況的監(jiān)測及亮燈狀態(tài)控制；路燈開啟時間計算及控制；路燈故障自檢、定位和報警等功能。從控制的程度分析，許多監(jiān)測電路可以采用集成度較高的數(shù)字芯片直接給出數(shù)字信號，可以降低硬件電路的復雜度，但會增加軟件設計的難度。因此在主控器件選擇上可以考慮采用成本較低的單片。

本系統(tǒng)經(jīng)過綜合考慮選用了S3F9454單片機作為主控器件。

S3F9454是一款8位多功能通用型微控制器，適用于A/D轉(zhuǎn)換，SIO等應用領(lǐng)域。S3F9454有2K字節(jié)的片內(nèi)ROM和208字節(jié)的RAM，采了SAM88RCRI內(nèi)核和自己獨有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，擴展了片內(nèi)寄存器卷，增加了內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器空間。另外，S3F9454內(nèi)部特有的CMOS技術(shù)使芯片呈現(xiàn)出低功率消耗和寬電壓工作范圍的特性。

S3F9454在SAM88RCRI內(nèi)核上集成了以下外圍接口：3個可編程I/O口（18個引腳）；4個中斷源，同一中斷優(yōu)先級，一個中斷向量；1個8位定/計數(shù)器；9路模數(shù)轉(zhuǎn)換器，10位轉(zhuǎn)換結(jié)果；1個8位PWM輸出。

此款控制器在本系統(tǒng)的使用可以使系統(tǒng)在滿足各項功能的基礎上實現(xiàn)高穩(wěn)定性、低成本、低功耗等，與本系統(tǒng)的工作環(huán)境和工作特性符合度較高。

2.2 穩(wěn)壓電源電路

穩(wěn)壓電源電路采用開關(guān)電源，它可靠性高，紋波低，交流輸入電壓為AC220V，對電路的短路、過載、過壓或過溫都具有保護作用，此外還具有可并聯(lián)功能，方便快捷。

設計電路如圖所示，220V的市電經(jīng)過變壓器，以及橋式整流和濾波，通過7812轉(zhuǎn)化成+12V的電壓，然后用7805轉(zhuǎn)換成+5V的直流電壓。本電路中用到的是+5V的直流電壓，能夠供電給單片機系統(tǒng)和各單元電路。

圖2 直流穩(wěn)壓電源電路

2.3 鍵盤與顯示界面

根據(jù)系統(tǒng)的要求，本電路設計了4*2鍵盤電路，分別有時鐘鍵、增鍵、減鍵、季節(jié)鍵、測量鍵、亮燈率鍵、亮度鍵、人工鍵這8個按鍵。時鐘鍵用于顯示時間，可顯示至分鐘；增、減鍵可進行范圍的調(diào)整；季節(jié)鍵可依據(jù)當前季節(jié)，調(diào)整路燈的開關(guān)時段，配合增減鍵也可調(diào)整系統(tǒng)默認時段；測量鍵用于顯示當前路燈的工作電流和工作電流；亮燈率鍵用于統(tǒng)計路燈從上電到當前時刻的亮燈時間比例；亮度鍵可對打開路燈的亮度進行調(diào)節(jié)；人工鍵則可實現(xiàn)人工控制與自動控制之間的切換。

此外，由于本電路顯示的數(shù)據(jù)較少，且未涉及到符號數(shù)的顯示，因此采用數(shù)碼管顯示，其顯示亮度高，成本較低廉，驅(qū)動部分的軟件簡單,顯示效果直觀、明亮。設計時可采用1個4位數(shù)碼管顯示時鐘、路燈開關(guān)時段，再用1個3位數(shù)碼顯示電壓、亮燈率及亮度。根據(jù)不同季節(jié)，不同區(qū)域，不同晝夜，不同天氣，來合理的安排路燈的亮滅，達到節(jié)能目的和最優(yōu)目標。根據(jù)不同季節(jié)，通過數(shù)碼管來顯示開燈的時間，為了節(jié)能，還可以通過時鐘鍵、增/減鍵來合理的調(diào)節(jié)路燈的亮滅時間，還可以通過亮度鍵來調(diào)節(jié)路燈的亮度來達到最優(yōu)。

2.4 傳感器電路設計

圖3 光敏傳感器電路

路燈在工作狀態(tài)時，當光敏傳感器感應到強光時，立即自動關(guān)閉路燈；當強光消失后，路燈又會自動的打開。光敏電阻能根據(jù)日落和日出來控制路燈的開、關(guān)燈。光敏電阻阻值隨光照強度變化,光線越強,阻值越小，電壓減小，輸出低電平，路燈自動關(guān)閉。光敏電阻是可調(diào)的，因為本電路采用AD材料。光敏電阻的作用是通過電阻的變化，起到一個光控的作用。光敏電阻屬半導體光敏器件，除具靈敏度高，反應速度快，光譜特性及r值一致性好等特點外，在高溫，多濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性。

2.5 路燈電路的設計

系統(tǒng)設計要求晚上12點后，每只路燈亮度減半，由此達到節(jié)能目的。該功能由PWM調(diào)壓控制。時間控制子程序控制。能顯示路燈亮燈率，可顯示各路燈的狀態(tài)，并通過LCD顯示。

此電路是通過占空比實現(xiàn)燈的亮、滅，信號從PWM端輸入。當信號為低電平時，三極管Q1為截止狀態(tài)，導致三極管Q2導通。MOS管Q3、Q4、Q5導通，路燈亮。當PWM輸入高電平時，三極管Q1為導通，導致三極管Q2截止。MOS管Q3、Q4、Q5截止，路燈滅。另外，此電路還具有電壓、電流檢測功能，可以將電壓的模擬信號傳入單片機中。R5、R4提供電壓、電流測量的信號，C3、E2為了使電壓、電流更加光滑。以上即為本系統(tǒng)的總體設計方案，整機軟件設計流程如圖5。

圖4 路燈電路的設計

圖5

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