阿衍學(xué)， 李丹

（1.黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱150040；2.長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北荊州434023）

一種節(jié)能路燈的智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

阿衍學(xué)1， 李丹2

（1.黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱150040；2.長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北荊州434023）

隨著城市市政建設(shè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的路燈控制與維護(hù)手段已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)城市現(xiàn)代化發(fā)展的速度，文中設(shè)計(jì)了一種節(jié)能路燈的智能控制系統(tǒng)。

節(jié)能；單電機(jī)；控制；路燈

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)智能控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和單片機(jī)的工作原理，以AT89C51作為主控制器，進(jìn)行主要的信息處理，包括路燈控制模塊，檢測(cè)模塊，時(shí)鐘模塊。本系統(tǒng)的總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 各模塊器件選擇

2.1 單片機(jī)的選擇

方案一：采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。數(shù)字電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快。但處理能力有限，由于要求支路控制器需實(shí)現(xiàn)的功能很多，數(shù)字電路不易實(shí)現(xiàn)。

方案二：采用AT89C51作為主控制單片機(jī)。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

綜合設(shè)計(jì)要求和性價(jià)比，選擇方案二為本系統(tǒng)的最終方案，用AT89C51制作的最小系統(tǒng)板，結(jié)構(gòu)緊湊，工作穩(wěn)定，性價(jià)比很高。

2.2 時(shí)鐘的選擇

方案一：采用軟件編程實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘。利用單片機(jī)定時(shí)器中斷，產(chǎn)生1 s信號(hào)，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘。此方案不需硬件，但占用太多程序存儲(chǔ)器、中斷源等單片機(jī)資源。

方案二：利用DS1302與單片機(jī)之間采用同步串行的方式進(jìn)行通信僅需用到3個(gè)口線（其引腳圖如圖2所示）：RES（復(fù)位）、I/O（數(shù)據(jù)線）、SCLK（串行時(shí)鐘）。SCLK/RAM的讀/寫數(shù)據(jù)以1個(gè)字節(jié)或多達(dá)31個(gè)字節(jié)的字符組方式通信。DS1302工作時(shí)功耗很低保持?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘信息時(shí)功率小于1mW。DS1302芯片體積小、占用空間小，引腳也很少，操作起來(lái)非常方便，因此采用此方案。

2.3 檢測(cè)光源的選擇

檢測(cè)光源模塊是用來(lái)判斷光線明暗變化。為了確保路燈在工作過(guò)程中根據(jù)光線明暗變化，自動(dòng)開(kāi)燈和關(guān)燈，系統(tǒng)需要利用感光元件來(lái)檢測(cè)出光線明暗，充分節(jié)能。對(duì)于感光元件的選擇有以下幾種方案。

方案一：采用線性光敏傳感器。其對(duì)光線的強(qiáng)弱呈線性變化，靈敏度高，可靠性、穩(wěn)定性高，但其價(jià)格相對(duì)較貴。

方案二：采用光敏電阻。靈敏度較低，但價(jià)格便宜。選用方案二，通過(guò)相應(yīng)電路設(shè)計(jì)計(jì)算，能夠完成對(duì)環(huán)境明暗變化判斷要求。

2.4 顯示方案的選擇

方案一：采用LED數(shù)碼管顯示。該方案控制簡(jiǎn)單，且LED數(shù)碼管亮度高，醒目，但是數(shù)碼管只能顯示有限的數(shù)字和符號(hào)，占用資源較多且信息量較少，為了方便觀察，因此我們不采用此方案。

方案二：采用諾基亞5110 LCD顯示。完成參數(shù)與狀態(tài)顯示要求有較大的顯示容量，因此選用諾基亞5110 LCD顯示模塊，它可顯示漢字及圖形，方便好用。

3 系統(tǒng)各模塊硬件設(shè)計(jì)

3.1 AT89C51簡(jiǎn)介

AT89C51主要特性［1－2］：與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容；4K字節(jié)可編程閃存儲(chǔ)器；1000次寫/擦循環(huán)，數(shù)據(jù)保留時(shí)間10 a；全靜態(tài)工作；三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；128*8位內(nèi)部RAM；32可編程I/O線；2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；5個(gè)中斷源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；片內(nèi)振蕩和時(shí)鐘電路。

3.2 時(shí)鐘部分

本系統(tǒng)的時(shí)鐘電路是由時(shí)鐘芯片DS1302來(lái)實(shí)現(xiàn)的，電路圖如圖2所示。

圖2 時(shí)鐘電路

3.3 光檢測(cè)部分

本系統(tǒng)對(duì)壞境光線的檢測(cè)電路如圖3。通過(guò)1個(gè)光敏電阻與1個(gè)電阻分壓來(lái)控制NPN型三極管是否導(dǎo)通。當(dāng)有光時(shí)，光敏電阻R的阻值很小，變阻器分到一部分電壓，從而使三極管B極和E極間的電壓大于0.7V而導(dǎo)通，GM檢測(cè)點(diǎn)是低電平；當(dāng)無(wú)光時(shí)，光敏電阻的阻值很大，比變阻器的阻值大很多倍，變阻器上分到的幾乎可以忽略，三極管B極和E極間的電壓小于0.7V而截止。此時(shí)檢測(cè)點(diǎn)GM的電壓為高電平。調(diào)節(jié)變阻器阻值的大小從而可以調(diào)節(jié)感光的靈敏度。

圖3 光敏電阻檢測(cè)環(huán)境電路

3.4 繼電器控制部分

本系統(tǒng)的亮燈控制電路是由微處理器直接控制繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每一個(gè)燈都配備了1個(gè)繼電器作為控制。微處理器可以分別控制每一個(gè)燈的亮滅，方便好用，線路簡(jiǎn)單，操作控制方便。電路如圖4所示。單片機(jī)通過(guò)PNP型三極管B極和E極間的電壓來(lái)控制三極管是否導(dǎo)通，從而控制了繼電器。因?yàn)槔^電器在動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高電壓脈沖干擾信號(hào)。為了消除這種影響，在繼電器線圈的兩端并聯(lián)1個(gè)蓄流二極管1N4148，二極管的正極接在線圈的負(fù)極，二極管的負(fù)極接在線圈的正極，當(dāng)繼電器失電時(shí)電流從線圈的負(fù)極流向二極管的正極，然后再?gòu)恼龢O流到二極管的負(fù)極，之后再次流到線圈的正極，這樣使線圈上存儲(chǔ)的能量最終消耗在線圈的內(nèi)部，達(dá)到保護(hù)其它部分電路的目的。

3.5 顯示部分

圖4 繼電器控制電路

本系統(tǒng)的顯示模塊采用諾基亞5110液晶顯示器，價(jià)格低廉，顯示分辨率高。這是一塊低功耗的CMOS LCD控制驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)為48行 84列的圖形顯示。所有必需的顯示功能集成在1塊芯片上，包括LCD電壓及偏置電壓發(fā)生器，只需很少外部元件且功耗小。與微控制器的接口使用串行總線，接口很少。電路圖如圖5所示。

圖5 顯示電路

3.6 LED燈具電源

由于LED燈泡的導(dǎo)電電壓約為 1.7 V，導(dǎo)通電流大約為20mA。所以計(jì)算可得20 mA=（20V-5×1.7）/R，R大約為575 Ω。

圖6 LED燈具電源

4 結(jié) 論

對(duì)公共照明管理者和使用者來(lái)說(shuō)，本系統(tǒng)帶來(lái)了極大的方便，只需在管理中心的微機(jī)上進(jìn)行簡(jiǎn)單操作，就可以對(duì)線路上的任意路燈節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)所有路燈的狀態(tài)和相關(guān)信息的控制，只需少量人力進(jìn)行維修。

［1］ AT89C51 DATA SHEEt［M］.Philips Semiconductors 1999.

［2］ AT89S52 DATA SHEET［M］.Atmel Corporation 2005.

（編輯昊 天）

TP 272

A

1002－2333（2014）05－0079－02

阿衍學(xué)（1979—），男，工程師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)床設(shè)計(jì)，數(shù)控機(jī)械加工及科研項(xiàng)目管理等工作。

2014-03-05