摘 要：在模擬路燈控制系統(tǒng)設(shè)計中，以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，以時鐘芯片作為時鐘源，以光學(xué)、紅外線燈傳感器作為環(huán)境明暗程度、物體移動方向信息采集設(shè)備，同時在軟件編程輔助下，能夠設(shè)定時鐘和開關(guān)燈的時間，并依據(jù)時鐘時間、交通開關(guān)燈、環(huán)境明暗、亮燈狀態(tài)燈進(jìn)行全面控制，利用光敏器件獲取路燈信息，并發(fā)出聲光故障報警信號。在軟件編程中以C51作為主要語言，并設(shè)計相應(yīng)的模塊，不僅能夠提高軟件編程與調(diào)試效率，同時能夠降低軟件故障發(fā)生率，保證系統(tǒng)軟件運(yùn)行可靠性。本文對基于單片機(jī)模擬路燈控制系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行深入分析，以為模擬路燈控制系統(tǒng)研究提供一定的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；模擬路燈；控制系統(tǒng)；設(shè)計

中圖分類號：TP275

隨著城市照明工程發(fā)展，路燈數(shù)量不斷增加，電能消耗量也不斷提高，人們對路燈控制系統(tǒng)要求也提出了更高層次的要求。從現(xiàn)階段路燈控制情況開看，很多地區(qū)仍然沿用以往光控或鐘控方法，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)并不能依據(jù)天氣或季節(jié)變化進(jìn)行自動調(diào)整，外部環(huán)境對其影響和干擾較大，而且其靈敏性較低，運(yùn)行可靠性相對較差，因此常常出現(xiàn)開燈過早或過晚、關(guān)燈過早或過晚的現(xiàn)象，不僅增加了電能消耗量，同時對城市交通安全造成嚴(yán)重影響。本文利用單片機(jī)對模擬路燈控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以保證運(yùn)行可靠性，避免電能過度浪費(fèi)。

1 模擬路燈控制系統(tǒng)設(shè)計思路

1.1 設(shè)計要求

基于單片機(jī)的模擬路燈控制系統(tǒng)，必須滿足以下幾點(diǎn)要求：（1）支路路燈控制系統(tǒng)必須具備時鐘功能，并能夠顯示和設(shè)定路燈開關(guān)時間，使支路路燈能夠按時開、關(guān)燈[1]。（2）支路路燈控制系統(tǒng)能夠?qū)Νh(huán)境明暗程度，自動開、關(guān)燈。（3）支路路燈控制系統(tǒng)能夠依據(jù)道路交通情況對亮燈狀態(tài)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。如圖1所示，當(dāng)物體M從左到右向S移動時，將路燈1自動開啟，而當(dāng)物體M移動到S后，路燈1自動關(guān)閉。當(dāng)物體M從右到左向S移動時，將路燈2自動開啟，而當(dāng)物體M移動到S后，路燈2自動關(guān)閉。（4）支路路燈控制系統(tǒng)能夠?qū)γ總€路燈開、關(guān)燈時間進(jìn)行單獨(dú)控制。

圖1 路燈控制系統(tǒng)中的路燈布置

1.2 總體方案

研究模擬路燈控制系統(tǒng)的硬件，其主要以STC89C58型號單片機(jī)作為系統(tǒng)控制芯片，并在C語言軟件編程優(yōu)化下，實(shí)現(xiàn)路燈系統(tǒng)自動化控制效果。而控制系統(tǒng)以DS1302型號的時鐘芯片作為時鐘源，并在液晶型顯示模塊輔助下，能夠顯示控制系統(tǒng)時鐘，同時對控制系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測，在界面設(shè)置方面有四個不同的單獨(dú)控制鍵。模擬控制系統(tǒng)主要有兩種運(yùn)行模式，即人工模式和自動模式。人工模式主要是有操作者利用控制平臺按鈕對路燈開、關(guān)燈時間進(jìn)行設(shè)置，或者直接對路燈開關(guān)進(jìn)行獨(dú)立控制。自動模式主要利用光敏電阻對路燈周圍環(huán)境明暗程度進(jìn)行采集，并通過紅外對管識別系統(tǒng)對周圍經(jīng)過物體進(jìn)行識別，從而達(dá)到路燈自動化控制的作用[2]。當(dāng)路燈發(fā)生故障時，系統(tǒng)中的光敏器件會對路燈故障信息進(jìn)行采集，并通過單片機(jī)對路燈系統(tǒng)聲光故障報警器進(jìn)行控制，發(fā)出相應(yīng)的警報信號。路燈控制系統(tǒng)主要以恒流電源作為其驅(qū)動源，在單片機(jī)輔助下，能夠?qū)懔髟催\(yùn)行進(jìn)行控制，從而使路燈調(diào)光功能得以實(shí)現(xiàn)。

2 模擬路燈控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件作為模擬路燈控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，對控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性性具有重要意義。因此在對系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計時，不僅要實(shí)現(xiàn)其基本功能，同時要保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、器件易購性、編程可行性等，才能保證系統(tǒng)硬件與軟件的有效結(jié)合，使路燈控制系統(tǒng)得到有效優(yōu)化。

2.1 電路控制模塊

電路控制模塊在單片機(jī)中是最小的系統(tǒng)，也是模擬路燈控制系統(tǒng)重要核心，由于受到程序大小限制，所以選定STC89C58型號的單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計。其主要輕觸按鍵、晶體振蕩電路組合而成，能夠?qū)ο到y(tǒng)外圍電路進(jìn)行控制，使每個模塊電路均能夠正常運(yùn)行。單片機(jī)電路與晶體振蕩電路的相互結(jié)合，要求單片機(jī)應(yīng)具有相應(yīng)的時鐘頻率，才能為路燈控制系統(tǒng)提供相應(yīng)的時鐘信號[3]。單片機(jī)中的復(fù)位電路能夠讓單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作，并進(jìn)入到系統(tǒng)初始狀態(tài)。本研究選用按鍵型的電平復(fù)位，當(dāng)電路處于運(yùn)行狀態(tài)時，將復(fù)位鍵按下后，能夠使復(fù)位引腳在一定時間范圍內(nèi)處于高電平狀態(tài)，以達(dá)到電平復(fù)位的目的。

2.2 獨(dú)立鍵盤模塊

在路燈控制系統(tǒng)中，獨(dú)立鍵盤是單獨(dú)運(yùn)行的，每個獨(dú)立按鍵使用一條I/O口線，而每條I/O口線獨(dú)立按鍵在運(yùn)行中，不會對其他按鍵造成干擾。在電路運(yùn)行后，將單片機(jī)與鍵盤I/O口一端（高電平）進(jìn)行連接，而鍵盤另外一端則接地，當(dāng)按鍵發(fā)生動作時，按鍵I/O口會受到接地線影響轉(zhuǎn)變成低電平，而且與鍵盤相連的門輸出、四輸入、中斷口等電平也相對較低。若在處理器中斷情況下，按鍵就會有所響應(yīng)，并對其他操作也做出響應(yīng)。

2.3 電路顯示模塊

電路顯示主要有液晶模塊組合而成，作用于人機(jī)接口處，并能夠反饋信息。本研究系統(tǒng)硬件液晶模塊選用全點(diǎn)陣圖型的液晶顯示屏，并利用軟件編程實(shí)現(xiàn)顯示屏的滾動、反顯、任意顯示等功能。

2.4 電路時鐘模塊

模擬路燈控制系統(tǒng)所選用的時鐘電路型號為DS1302，其具有性能高、耗能低的優(yōu)點(diǎn)，同時攜帶有RAM時鐘芯片，工作電壓范圍在2.5至5.5V。時鐘電路與CPU間有三天連線，即I/O線、SCLK線及RST線。在首次加電之后，時鐘電路課進(jìn)入到初始操作狀態(tài)，并可對時鐘時間進(jìn)行調(diào)整。

2.5 路燈驅(qū)動模塊

由于單片機(jī)I/O口無法直接對路燈開關(guān)燈進(jìn)行驅(qū)動，所以必須設(shè)置驅(qū)動模塊對單片機(jī)信號進(jìn)行識別，并對路燈開光燈進(jìn)行控制。通常情況下單片機(jī)信號均為高電平或低電平，為了避免路燈啟動時單片機(jī)I/O口呈現(xiàn)高電平狀態(tài)，所以將路燈開啟信號設(shè)置為低電平，而關(guān)閉信號則設(shè)置為高電平。

2.6 環(huán)境明暗感應(yīng)與交通檢測模塊

模擬路燈控制系統(tǒng)環(huán)境明暗感應(yīng)電路與交通檢測電路均通過傳感器采集外部信號，并由單片機(jī)來處理，而系統(tǒng)器件選用了光敏電阻及紅外對管。光敏電阻主要依據(jù)路燈周圍環(huán)境光線強(qiáng)弱進(jìn)行判斷，白天由于光線強(qiáng)，其光敏電阻也相對較高，傳輸?shù)組CU時呈低電平狀態(tài)，而黑夜光線暗，光敏電阻較低，傳輸?shù)組CU時呈高電平狀態(tài)。紅外對管主要對移動物體進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，其是集放射電路和接受電路為一體的反射感應(yīng)路燈開關(guān)模塊，在紅外射程范圍內(nèi)，如果有物體阻擋紅外線，其反射模塊會將信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。交通檢測電路主要有三個不同測試點(diǎn)，分別連接在單片劫的接口線上并依據(jù)電平高低發(fā)生改變。

2.7 故障檢測報警模塊

隨著路燈數(shù)量的不斷增加，故障檢測與判斷難度也不斷增加。為了保證路燈故障檢測工作順利進(jìn)行，及時掌握路燈故障狀況，提高路燈維修效率，為人們營造良好的光照環(huán)境。在對模擬路燈控制系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計時，路燈故障檢測與判斷由光學(xué)傳感器來控制，當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時，電路信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，并由單片機(jī)發(fā)出聲光報警信號。

3 模擬路燈控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件作為模擬路燈控制系統(tǒng)的重要核心，對系統(tǒng)運(yùn)行可靠性起著至關(guān)重要的作用。本研究主要通過C語言進(jìn)行軟件編程，其程序主要有實(shí)時監(jiān)測、自動化控制、人工控制及故障檢測。

3.1 實(shí)時監(jiān)測

實(shí)時監(jiān)測程序能夠?qū)β窡粜畔⑦M(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并通過液晶顯示屏反應(yīng)出，監(jiān)測內(nèi)容主要包括路燈運(yùn)行狀態(tài)、控制方式、時鐘時間及故障信息等，具體監(jiān)測流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測流程示意圖

3.2 人工控制

人工控制程序分為兩種控制形式，即單燈控制與定時開光。單燈控制主要通過對處理器進(jìn)行對比設(shè)置，而定時控制主要是對開燈、關(guān)燈時間進(jìn)行對比設(shè)置，以達(dá)到控制單燈狀態(tài)的目的。

3.3 自動化控制

自動化控制程序主要依據(jù)路燈所處地區(qū)交通情況，對路燈亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，一方面能夠滿足交通光照需求，另一方面能夠避免資源浪費(fèi)。

3.4 故障檢測

故障檢測程序主要對路燈故障進(jìn)行有效判斷，并發(fā)出報警信號，使維修人員能夠及時排除故障，避免其影響交通安全。

4 模擬路燈控制系統(tǒng)測試

4.1 開關(guān)定時

（1）將路燈1、路燈2同時開燈時間設(shè)置為17：00，關(guān)燈時間則設(shè)置為17：15。（2）路燈1開燈時間設(shè)置為18：00，路燈2開燈時間設(shè)置為18：10。（3）路燈1關(guān)燈時間設(shè)置為7：00，路燈2關(guān)燈時間設(shè)置為7：15。兩盞路燈均能夠定時完成開關(guān)燈任務(wù)。

4.2 交通檢測

通過對模擬路燈控制系統(tǒng)交通檢測模塊進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示，路燈1、路燈2能夠喲局交通情況進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，以滿足交通光照需求：

模擬路燈控制系統(tǒng)交通檢測模塊測試數(shù)據(jù)；M物體S定點(diǎn)A定點(diǎn)B定點(diǎn)C定點(diǎn)S′定點(diǎn)；路燈1關(guān)關(guān)開開關(guān)；路燈2開開關(guān)關(guān)關(guān)；誤差距離（cm）0.100.400.2

4.3 環(huán)境明暗感應(yīng)

通過對系統(tǒng)環(huán)境明暗感應(yīng)模塊進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示，環(huán)境變亮后系統(tǒng)會自動開燈，而環(huán)境變暗后系統(tǒng)則會自動關(guān)燈。

4.4 恒流源

通過對恒流源電壓、電流計功率進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明，當(dāng)恒流源電流準(zhǔn)確度達(dá)到98%時，其輸出功率準(zhǔn)確率變化幅度在2%以下，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計。

5 結(jié)束語

通過對以單片機(jī)作為核心的模擬路燈控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和測試，有效實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)開燈時間、關(guān)燈時間自動化設(shè)定功能，確保支路路燈能夠按時開關(guān)燈。同時系統(tǒng)能夠?qū)煌ㄇ闆r、環(huán)境明暗做出判斷，并對路燈亮度、開燈、關(guān)燈進(jìn)行自動調(diào)節(jié)和控制。路燈故障后，系統(tǒng)會發(fā)出相應(yīng)的報警聲光信號，并將故障路燈詳細(xì)編號顯示在液晶顯示屏上，為路燈維修提供重要依據(jù)。模擬路燈控制系統(tǒng)外圍器件相對較少，軟件編程較為簡便，調(diào)試便捷，成本較低，并具有良好的節(jié)能降耗的意義。

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作者簡介：岳靜（1970.10-），女，陜西西安人，講師，研究方向：檢測技術(shù)及自動化裝置。