林建平, 吳必瑞, 葉德柱

(寧德師范學院 物理與電氣工程系，福建 寧德 352100)

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，能源和資源變得日益緊張，電力短缺已成為制約國民經(jīng)濟發(fā)展的突出矛盾.目前，我國照明消耗的電能約占電力生產(chǎn)總量的10%～20%，而城市公共照明則在照明耗電中占30%.并且，隨著近幾年“讓城市亮起來”的口號的提出,全國的路燈數(shù)量仍在迅猛增長，公共路燈的節(jié)能問題便由此提出.通常的節(jié)能途徑有兩個：一是采用節(jié)能光源；二是采用合理的控制線路.本文在使用節(jié)能光源LED燈的情況下，采用合理的控制線路來實現(xiàn)路燈節(jié)能.據(jù)調查，我國的小型城市晚上21∶00以后、大中城市24∶00以后道路上人車較少，存在著“人少車稀燈更亮”的不合理現(xiàn)象.本文根據(jù)交通狀況，為實現(xiàn)節(jié)能智能控制的目的，提出在不同狀態(tài)投入不同的路燈運行的方案，以保證路燈節(jié)能.

1 設計任務

1.1 任務

該控制系統(tǒng)結構如圖1所示，路燈布置如圖2所示.

圖1 路燈控制系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of the street lamp control system

圖2 路燈布置示意圖(單位：cm)Fig.2 Diagram of the street lamp decorate

1.2 設計要求

(1)支路控制器有時鐘功能，可以設定、顯示開關燈時間，并控制整條支路按時開燈和關燈.

(2)支路控制器應能根據(jù)環(huán)境的明暗變化，自動開燈和關燈.

(3)支路控制器應能根據(jù)交通情況自動調節(jié)亮燈狀態(tài)：當可移動物體M(在物體前端標出定位點，由定位點確定物體位置，定位點人為設定)由左至右到達S點時(見圖2)，燈1亮；當物體M到達B點時，燈1滅，燈2亮；若物體M由右至左移動時，則亮燈順序與上相反.

(4)支路控制器能分別獨立控制每只路燈的開燈和關燈時間.

(5)當路燈出現(xiàn)故障時(燈不亮)，支路控制器應能發(fā)出聲光報警信號，并顯示有故障路燈的地址編號.

2 系統(tǒng)各模塊方案

2.1 時鐘功能模塊的選擇

利用51單片機(晶振12 M)的定時器設計時鐘，時間顯示在1602液晶上，用獨立鍵盤調節(jié)時鐘的時、分、秒，并且可以設置鬧鐘.此方法成本低，不需要再啟用其他的芯片和外圍電路[1-2].

2.2 LCD顯示模塊

本系統(tǒng)需要正常的時鐘顯示模式控制，而且可以設定和調整時間，當出現(xiàn)故障時地址編號也可顯示出來.液晶顯示比數(shù)碼管更能夠節(jié)省單片機的I/O口，同時也能直觀地顯示時間、模式選擇、出現(xiàn)故障的地址編號以及一些必備的字符.

2.3 環(huán)境檢測模塊

采用光敏電阻和比較器實現(xiàn).光敏電阻串上變阻器后，將中間節(jié)點接比較器負端，比較器正端接一個固定的分壓值，白天光敏電阻阻值較小，比較器輸入的正端電壓大于負端電壓，比較器輸出高電平；夜晚光敏電阻阻值變大，比較器輸入的負端電壓低于正端電壓，比較器輸出低電平.該方案可靠且易于實現(xiàn)，由于采用了變阻器，可以對檢測的靈敏度做出調整，適用性高.

2.4 智能燈檢測控制模塊

采用TCRT5000光電傳感器，能準確地檢測物體的定位，此方案可以降低可見光的干擾，靈敏度高，同時其尺寸小、質量輕、價格也低廉.外圍電路簡單，安裝起來方便，對電源要求也不高，用它作為定點檢測相對合適[3].

3 模擬路燈控制系統(tǒng)的硬件平臺設計

3.1 系統(tǒng)的實現(xiàn)

模擬路燈控制系統(tǒng)采用STC89C52單片機來實現(xiàn)，通過傳感器采集信號經(jīng)單片機分析處理后控制路燈的亮滅，同時將時間顯示出來；通過鍵盤設定運行模式和調整時間；當出現(xiàn)故障后將地址編號顯示在1602液晶屏上，并且實現(xiàn)聲光報警.系統(tǒng)負責路燈的實時時鐘控制、定位點交通狀況的檢測及環(huán)境檢測等功能，系統(tǒng)結構框圖如圖3所示.

圖3 路燈控制系統(tǒng)結構框圖Fig.3 Structure diagram of simulation street light control system

3.2 控制LED燈模塊

采用繼電器分別獨立控制兩路的LED路燈，三極管工作在飽和區(qū)，通過單片機I/O口的高低電平控制三極管的通斷，進而控制繼電器的吸合達到點亮和熄滅LED路燈；繼電器的線圈兩端反接一個二極管，防止線圈的自感引起的電動勢，二極管和繼電器的線圈形成回路削弱感應電流，從而起到保護控制電路的目的，其接線圖原理如圖4所示.

圖4 控制LED燈電路圖Fig.4 Diagram of control LED lamp circui

3.3 環(huán)境檢測電路

該模塊電路主要完成對環(huán)境光線的檢測，采用LM393比較器.電路中的光敏電阻選用亮阻≤10 kΩ、 暗阻≥1 MΩ的光敏電阻.如圖5所示的電路為一種精密光亮光控電路，其工作不受電源電壓及環(huán)境溫度的影響.電阻R2、R3、R1及光敏電阻R5共同構成了惠斯頓電橋的兩個橋臂.在白天時，電路輸出端輸出低電平；當在夜晚的環(huán)境時，電路輸出端輸出高電平，再通過單片機I/O讀取輸出端的狀態(tài)做出相應的動作.此電路的優(yōu)點在于它輸出阻抗比較小、反應靈敏且便于調節(jié)靈敏度，其接線圖原理如圖5所示.

圖5 環(huán)境檢測電路圖Fig.5 Diagram of environmental detection circuit

3.4 智能燈控定位模塊的電路

由TCRT5000光電傳感器構成的定位檢測點當有物體通過時，光電傳感器的接收管能接收到發(fā)射管通過物體反射的紅外線，此時接收管導通，三極管Q1基極被鉗制為低電平，三極管截止，LED指示燈滅，三極管Q1基極低電平通過LM324構成的電壓比較器使輸出端輸出高電壓，再利用單片機的I/O檢測，可判斷是否有物體通過，其原理圖見圖6.

圖6 定位模塊檢測電路Fig.6 Diagram of positioning module detection circuit

3.5 故障檢測模塊

根據(jù)LED兩端的電壓，通過比較電路判斷故障路燈的信號.電源端VCC接LM393電壓比較器的負端，比較器正端接LED路燈端采集的電壓.當LED工作時，比較器正端采集到比負端高的電壓，LM393輸出高電平；當LED出現(xiàn)故障(不亮)時，比較器正端的電壓會低于負端的電壓，輸出低電平.因此，判斷比較器輸出電壓的高低就可以檢測路燈的好壞.

4 軟件設計

軟件采用C51語言，采用模塊式編程，P1.3口通過讀取環(huán)境監(jiān)測電路隨環(huán)境明暗變化產(chǎn)生的高低電平變化，從而控制LED路燈的自動開燈和關燈[4-5].P1.0～P1.2口檢測定位點能過物體的情況，同時配合軟件編程設置合理的標志位，就能通過3個光電傳感器(對應3個定位點)對路面的交通情況狀態(tài)做出相應的自動調節(jié)亮燈狀態(tài).P1.4和P1.5端口控制LED燈繼電器的通斷.P1.6、P1.7 I/O端口讀取故障檢測模塊采集的路燈工作情況所發(fā)出的相應的聲光報警信號和液晶顯示有故障路燈的地址編號.通過按鍵設置功能模式選擇鍵、時鐘設定、功能選擇鍵及燈控制鍵，1602LCD時刻顯示各個功能的狀態(tài)和時鐘顯示等.采用模塊化程序設計，整個程序包括的子模塊有時鐘顯示模塊、環(huán)境檢測模塊、智能檢測模塊、故障檢測模塊以及按鍵處理等功能的實現(xiàn)，其軟件主程序流程如圖7所示.

圖7 程序流程圖Fig.7 program flow diagram

5 結束語

該控制系統(tǒng)原理簡單，工作可靠，性價比高.而且，可以根據(jù)實際使用情況進行參數(shù)調節(jié)和功能擴展，具有一定的靈活性和適用性.它能實現(xiàn)對路燈的遠程控制及對路燈工作狀態(tài)的實時檢測等功能，在路燈管理方面可以節(jié)省大量的人力和物力，具有較高的實用價值.

參考文獻：

[1] 黃智偉．全國大學生電子設計競賽系統(tǒng)設計[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[2] 全國大學生電子設計競賽組委會．全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編[M]．北京：北京理工大學出版社，2005.

[3] 李朝生，林鶴云，周進友，等．基于單片機控制路燈節(jié)電系統(tǒng)的研究[J]．節(jié)能，2007(5)：21.

[4] 魏俊鋒，高峰．路燈節(jié)能問題的思考[J]．光源與照明，2008(1)：39.

[5] 胡開明，李躍忠，盧偉華,等．智能路燈節(jié)能控制器的設計與實現(xiàn)[J]．現(xiàn)代電子技術，2009(9)：143.