楊麗麗 莫曉軍

(浙江郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312016)

1 城市路燈監(jiān)控器系統(tǒng)的實(shí)施意義

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

目前，中國(guó)城市照明控制領(lǐng)域主要運(yùn)用的通過(guò)GPRS控制回路層面，只能獲得一條回路的電流等參數(shù)，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)今應(yīng)用需求。此外隨著社會(huì)發(fā)展的進(jìn)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(huì)治安也得到明顯好轉(zhuǎn)。但是由此也給路燈管理工作帶來(lái)了不少難度。本系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、電源管理技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了城市路燈照明系統(tǒng)的遙測(cè)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(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)完成數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理等功能。通過(guò)對(duì)道路照明設(shè)備的分布式控制和數(shù)字化管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈照明設(shè)備的實(shí)時(shí)在線(xiàn)控制，降低管理成本，做到無(wú)人值守。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案闡述

本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求：能根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈；能根據(jù)交通情況能自動(dòng)調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)；能獨(dú)立控制每個(gè)路燈的開(kāi)關(guān)時(shí)間并顯示；能檢測(cè)故障，發(fā)出報(bào)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(dāng)傳感器失效時(shí)，控制器仍能按照內(nèi)部設(shè)定時(shí)間進(jìn)行正常開(kāi)關(guān)燈；為完成相應(yīng)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(jī)部分、掉電保護(hù)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(gè)+5v的穩(wěn)壓直流電和+36V的穩(wěn)壓直流電，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖

具體設(shè)計(jì)方案如下：

2.1 主控電路設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，主控電路主要完成路燈的亮暗開(kāi)關(guān)控制；交通情況的監(jiān)測(cè)及亮燈狀態(tài)控制；路燈開(kāi)啟時(shí)間計(jì)算及控制；路燈故障自檢、定位和報(bào)警等功能。從控制的程度分析，許多監(jiān)測(cè)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(hào)，可以降低硬件電路的復(fù)雜度，但會(huì)增加軟件設(shè)計(jì)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(guò)綜合考慮選用了S3F9454單片機(jī)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(yīng)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(dú)有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，擴(kuò)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(gè)可編程I/O口（18個(gè)引腳）；4個(gè)中斷源，同一中斷優(yōu)先級(jí)，一個(gè)中斷向量；1個(gè)8位定/計(jì)數(shù)器；9路模數(shù)轉(zhuǎn)換器，10位轉(zhuǎn)換結(jié)果；1個(gè)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(mǎn)足各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)上實(shí)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(kāi)關(guān)電源，它可靠性高，紋波低，交流輸入電壓為AC220V，對(duì)電路的短路、過(guò)載、過(guò)壓或過(guò)溫都具有保護(hù)作用，此外還具有可并聯(lián)功能，方便快捷。

設(shè)計(jì)電路如圖所示，220V的市電經(jīng)過(guò)變壓器，以及橋式整流和濾波，通過(guò)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(jī)系統(tǒng)和各單元電路。

圖2 直流穩(wěn)壓電源電路

2.3 鍵盤(pán)與顯示界面

根據(jù)系統(tǒng)的要求，本電路設(shè)計(jì)了4*2鍵盤(pán)電路，分別有時(shí)鐘鍵、增鍵、減鍵、季節(jié)鍵、測(cè)量鍵、亮燈率鍵、亮度鍵、人工鍵這8個(gè)按鍵。時(shí)鐘鍵用于顯示時(shí)間，可顯示至分鐘；增、減鍵可進(jìn)行范圍的調(diào)整；季節(jié)鍵可依據(jù)當(dāng)前季節(jié)，調(diào)整路燈的開(kāi)關(guān)時(shí)段，配合增減鍵也可調(diào)整系統(tǒng)默認(rèn)時(shí)段；測(cè)量鍵用于顯示當(dāng)前路燈的工作電流和工作電流；亮燈率鍵用于統(tǒng)計(jì)路燈從上電到當(dāng)前時(shí)刻的亮燈時(shí)間比例；亮度鍵可對(duì)打開(kāi)路燈的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)；人工鍵則可實(shí)現(xiàn)人工控制與自動(dòng)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(hào)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(dòng)部分的軟件簡(jiǎn)單,顯示效果直觀、明亮。設(shè)計(jì)時(shí)可采用1個(gè)4位數(shù)碼管顯示時(shí)鐘、路燈開(kāi)關(guān)時(shí)段，再用1個(gè)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(lái)合理的安排路燈的亮滅，達(dá)到節(jié)能目的和最優(yōu)目標(biāo)。根據(jù)不同季節(jié)，通過(guò)數(shù)碼管來(lái)顯示開(kāi)燈的時(shí)間，為了節(jié)能，還可以通過(guò)時(shí)鐘鍵、增/減鍵來(lái)合理的調(diào)節(jié)路燈的亮滅時(shí)間，還可以通過(guò)亮度鍵來(lái)調(diào)節(jié)路燈的亮度來(lái)達(dá)到最優(yōu)。

2.4 傳感器電路設(shè)計(jì)

圖3 光敏傳感器電路

路燈在工作狀態(tài)時(shí)，當(dāng)光敏傳感器感應(yīng)到強(qiáng)光時(shí)，立即自動(dòng)關(guān)閉路燈；當(dāng)強(qiáng)光消失后，路燈又會(huì)自動(dòng)的打開(kāi)。光敏電阻能根據(jù)日落和日出來(lái)控制路燈的開(kāi)、關(guān)燈。光敏電阻阻值隨光照強(qiáng)度變化,光線(xiàn)越強(qiáng),阻值越小，電壓減小，輸出低電平，路燈自動(dòng)關(guān)閉。光敏電阻是可調(diào)的，因?yàn)楸倦娐凡捎肁D材料。光敏電阻的作用是通過(guò)電阻的變化，起到一個(gè)光控的作用。光敏電阻屬半導(dǎo)體光敏器件，除具靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性及r值一致性好等特點(diǎn)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求晚上12點(diǎn)后，每只路燈亮度減半，由此達(dá)到節(jié)能目的。該功能由PWM調(diào)壓控制。時(shí)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(guò)LCD顯示。

此電路是通過(guò)占空比實(shí)現(xiàn)燈的亮、滅，信號(hào)從PWM端輸入。當(dāng)信號(hào)為低電平時(shí)，三極管Q1為截止?fàn)顟B(tài)，導(dǎo)致三極管Q2導(dǎo)通。MOS管Q3、Q4、Q5導(dǎo)通，路燈亮。當(dāng)PWM輸入高電平時(shí)，三極管Q1為導(dǎo)通，導(dǎo)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(cè)功能，可以將電壓的模擬信號(hào)傳入單片機(jī)中。R5、R4提供電壓、電流測(cè)量的信號(hào)，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(shè)計(jì)方案，整機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程如圖5。

圖4 路燈電路的設(shè)計(jì)

圖5

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