一種智能化的路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐鑫秀 王昊

摘要：隨著我國(guó)”智慧城市”建設(shè)進(jìn)程的不斷深入，為實(shí)現(xiàn)城市節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)用智控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的有效監(jiān)管，使其實(shí)現(xiàn)路燈定時(shí)控制，根據(jù)亮度狀況自動(dòng)開關(guān)燈，檢測(cè)車輛經(jīng)過后自動(dòng)控制路燈亮滅，這些智能化的功能實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義[1] [2] [3]。本文開發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)控制的路燈控制系統(tǒng)，通過軟件，來定時(shí)開關(guān)路燈，路燈定時(shí)時(shí)間可調(diào)，并能夠根據(jù)環(huán)境亮度進(jìn)行自動(dòng)控制開關(guān)燈，檢測(cè)車輛行人通過情況自動(dòng)控制路燈狀態(tài)，以及路燈故障智能報(bào)警功能。

關(guān)鍵詞：路燈；智能控制；傳感器

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）14-0197-02

本設(shè)計(jì)所研究的智能路燈控制系統(tǒng)的工作原理是通過環(huán)境亮度、紅外感應(yīng)、定時(shí)控制路燈的亮滅。其中，亮度感應(yīng)是通過光敏電阻在明亮環(huán)境下電阻小在昏暗環(huán)境下電阻大的特性，在電橋電路中輸出電壓與基準(zhǔn)電壓比較，從而對(duì)環(huán)境亮度變化進(jìn)行判斷；紅外感應(yīng)是通過紅外熱釋管，經(jīng)過放大電路將信號(hào)放大后與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，從而判斷環(huán)境中是否有車輛或行人經(jīng)過；定時(shí)控制通過實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片ds1302進(jìn)行判斷；故障判斷是通過雙限電路，對(duì)短路斷路電壓設(shè)置低電平，對(duì)正常的導(dǎo)通電壓設(shè)置高電平，當(dāng)出現(xiàn)低電平時(shí)，主控發(fā)出信號(hào)進(jìn)行報(bào)警。

根據(jù)控制系統(tǒng)方案，本設(shè)計(jì)由主控部分，光敏傳感器、紅外傳感器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、液晶顯示、電壓比較等部分組成。

主控部分采用STC89C52RC作為主控芯片。該芯片是宏晶科技生產(chǎn)的一種低功耗、低成本、高性能CMOS 8位微控制器。

系統(tǒng)中需要使用熱釋紅外感應(yīng)模塊判斷外界是否人或車輛通。在被動(dòng)紅外感應(yīng)中熱釋電紅外傳感器應(yīng)用最為普遍，同時(shí)，熱釋電紅外傳感器的高靈敏度，遠(yuǎn)距離感應(yīng)性能滿足本設(shè)計(jì)要求[4]。應(yīng)用LCD1602作為液晶顯示模塊，用來顯示字母數(shù)字符號(hào)等的點(diǎn)陣符號(hào)的液晶模塊。

在本設(shè)計(jì)中，電壓比較芯片的作用是對(duì)光敏電阻和紅外熱釋電探測(cè)器的輸出信號(hào)與基準(zhǔn)電壓比較?？紤]到故障檢測(cè)電路中也用到了兩個(gè)運(yùn)放作為普通運(yùn)放功能，所以選用LM339作為電壓比較芯片。

綜上，根據(jù)要求與思路，硬件電路設(shè)計(jì)由：STC89C52RC最小系統(tǒng)、穩(wěn)壓電路、LCD顯示電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、按鍵電路、電壓比較電路、紅外感應(yīng)電路、光線感應(yīng)電路、功率調(diào)節(jié)電路、故障檢測(cè)電路、故障報(bào)警電路組成。

1 電源電路

在本設(shè)計(jì)中，需要用到+5V電源。所以使用LM78XX系列穩(wěn)壓芯片中的LM7805作為電源穩(wěn)壓芯片。LM7805應(yīng)用廣泛，外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，是一種普遍的電源設(shè)計(jì)方案。電源電路設(shè)計(jì)如圖2：

用lm78系列構(gòu)建的穩(wěn)壓電路的外部器件少，片內(nèi)設(shè)有保護(hù)電路，電路簡(jiǎn)單，使用廣泛，電路穩(wěn)定，成本低廉。LM7805有3個(gè)引腳，分別是電壓輸入、接地、電壓輸出。最大輸入電壓小于36V，輸出端電壓電4.8V～5.2V，最大輸出電流1.5A。

外圍電路中，解電容作為電路的濾波電容，濾除輸入輸出電壓中的殘余交流電平，小容量電容則濾除高頻諧波和尖脈沖。另外大容量電容對(duì)高頻成分的容抗很高，因而并聯(lián)小容量電容做高頻回路。

2 非電量電測(cè)部分電路設(shè)計(jì)

非電量電測(cè)的目的就是把待測(cè)量物理量通過一種元件換算為與它有關(guān)的電信號(hào)，然后利用電氣測(cè)量的方法對(duì)電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，從而確定待測(cè)非電量的值[6]， 傳感器是將外界信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電量的裝置，它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)和自動(dòng)控制的一個(gè)重要組成部分[7]。本設(shè)計(jì)中需要采集的非電量包括：光照度和紅外。非電量采集電路包括光敏電阻電橋電路，紅外模塊接口電路。

在本設(shè)計(jì)中，通過電橋電路，通過比較IN A+端的輸出電壓與2.5V判斷當(dāng)前光線亮度是否滿足亮燈條件。

設(shè)：IN A+端的電壓為UA，U=5V

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

白天時(shí)光線充足，光敏電阻阻R13值降低，UA>0.5U；臨近夜晚，隨著環(huán)境光線逐漸降低，UA逐漸增大，直到UA<0.5U。輸出電壓接電壓比較器同相輸入端，與2.5V電壓進(jìn)行比較。

為確保設(shè)計(jì)電路穩(wěn)定可靠，利用Multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，下圖中萬用表1顯示LM339同相輸入端電壓，萬用表2顯示LM339輸出端電壓。白天的仿真結(jié)果如圖3：

電位器模擬光敏電阻，光敏電阻阻值小于調(diào)節(jié)電位器阻值，留存5KΩ作為光敏電阻的亮電阻，仿真結(jié)果顯示LM339輸出端為高電平，與理論預(yù)期結(jié)果一致。

夜晚仿真結(jié)果如圖4：

光敏電阻阻值大于調(diào)節(jié)電位器后，LM339輸出低電平，與理論預(yù)期結(jié)果一致。

3 紅外感應(yīng)模塊

紅外感應(yīng)部分所采用的紅外感應(yīng)模塊HC-SR501。該模塊是基于紅外熱釋電傳感器的自控模塊，采用LHI778傳感器。由于物體發(fā)出紅外線的能量十分有限，為了提高熱釋電紅外傳感器的接收靈敏度，在其表面罩上一片菲涅耳透鏡，其探測(cè)距離可以增加到原來的5～7倍。當(dāng)有車輛或行人從透鏡前經(jīng)過時(shí)，傳感器就接收到一個(gè)紅外脈沖，根據(jù)熱釋電紅外傳感器的探測(cè)變化的溫度的原理，加上透鏡后，將加大溫度變化的影響，傳感器的輸出信號(hào)將得到加強(qiáng)。

4 功率調(diào)節(jié)電路

在本設(shè)計(jì)中，功率調(diào)節(jié)通過單片機(jī)模擬PWM進(jìn)行調(diào)節(jié)。功率調(diào)節(jié)電路主要由單運(yùn)放OP07完成。功率調(diào)節(jié)模塊電路如圖5。

調(diào)節(jié)功率的功能靠調(diào)節(jié)PWM波占空比實(shí)現(xiàn)，電路的主要作用是提高PWM的驅(qū)動(dòng)能力。設(shè)計(jì)中的單個(gè)LED燈用PWM可以直接驅(qū)動(dòng)，但考慮實(shí)際中，路燈的功率是遠(yuǎn)大于1個(gè)LED的功率，所以實(shí)際應(yīng)用中不僅要提高PWM波的驅(qū)動(dòng)力，在遇到大功率路燈時(shí)還需要用到MOS管提高控制系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)大功率時(shí)的能力。

5 故障報(bào)警

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，系統(tǒng)要能對(duì)故障進(jìn)行聲光報(bào)警。根據(jù)故障分析，在不同的故障情況下，LED燈正端可以檢測(cè)到高低兩種電平[5]， 故障電路分為故障檢測(cè)電路和故障報(bào)警電路兩部分。監(jiān)測(cè)電路用于檢測(cè)肚脹發(fā)生，并向單片機(jī)發(fā)送故障信號(hào)。報(bào)警電路用于對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警，當(dāng)單片機(jī)受到故障信號(hào)后，接通報(bào)警電路產(chǎn)生聲光報(bào)警。

報(bào)警電路主要由一個(gè)NPN三極管、發(fā)光二極管和蜂鳴器組成，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到故障時(shí)，單片機(jī)給三極管b極發(fā)送低電平，三極管管導(dǎo)通產(chǎn)生聲光報(bào)警。

6 故障檢測(cè)仿真

通過Multisim搭建故障檢測(cè)的仿真電路對(duì)故障檢測(cè)電路可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。下圖中左側(cè)萬用表顯示故障檢測(cè)點(diǎn)電壓，右側(cè)萬用表顯示雙限比較器檢測(cè)故障結(jié)果。

路燈短路故障狀態(tài)如圖6：

當(dāng)LED燈被短路時(shí)，故障檢測(cè)點(diǎn)電壓為0V，小于門限電壓1V～4V，經(jīng)雙限比較后輸出低電平故障信號(hào)到單片機(jī)，符合預(yù)期。

路燈斷路狀態(tài)如圖7：

在斷路狀態(tài)下，故障檢測(cè)點(diǎn)電壓為5V，超出1V～4V門限電壓，經(jīng)雙限比較器輸出低電平故障信號(hào)到單片機(jī)，符合預(yù)期。

7 系統(tǒng)調(diào)試及小結(jié)

調(diào)試工作是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的一步，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，MOS管的功率通常非常高，對(duì)于單個(gè)LED燈的調(diào)節(jié)作用幾乎微乎其微，即便是功率最小的MOS管在本設(shè)計(jì)這種實(shí)驗(yàn)板中起不到限流的作用。最終決定直接用PWM調(diào)節(jié)功率。

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