劉小艷，劉秉坤

(清華大學 電子工程系，北京 海淀區(qū) 100084)

模擬智能路燈控制系統(tǒng)的設計被逐漸引入到高校電子電路實驗教學中，一方面用來培養(yǎng)學生利用所學電路知識解決實際問題的能力，另一方面可擴展學生的視野，激發(fā)他們對電路學習的興趣和創(chuàng)新意識。目前大多數(shù)高校主要使用PLC、單片機或FPGA作為控制單元來實現(xiàn)模擬智能路燈控制系統(tǒng)的設計[3-7]，但本科低年級的學生對PLC、單片機或FPGA接觸較少，難以應用到電子電路基礎實驗教學中。本文主要使用通用模擬和數(shù)字集成電路以及常見的傳感器等實現(xiàn)了模擬智能LED路燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境明暗和交通狀況自動調(diào)節(jié)路燈亮滅，統(tǒng)計和實時顯示交通流量以及自動檢測路燈故障。系統(tǒng)實現(xiàn)的電路簡單實用，成本低廉，也非常適用于高校本科低年級的電子電路基礎實驗教學。

1 系統(tǒng)的基本功能和實現(xiàn)

模擬智能LED路燈控制系統(tǒng)的路燈布置情況如圖1所示。系統(tǒng)的基本功能有以下4個方面。

1)根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動開燈和關(guān)燈。

2)根據(jù)交通情況自動調(diào)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)由左至右到達S點時，燈亮；當物體到達B點時，燈滅。物體由右至左移動時亮燈狀態(tài)相反。該控制系統(tǒng)如圖2所示。

3)具有計數(shù)顯示功能，移動物體通過該燈，計數(shù)加1，計數(shù)大于99后自動清零。

4)具有路燈故障檢測功能，當路燈出現(xiàn)故障時(燈不亮)，系統(tǒng)發(fā)出報警信號。

2 硬件電路設計

2.1 環(huán)境亮度檢測電路

環(huán)境亮度檢測通常利用光電傳感器件來實現(xiàn)。常見的光電傳感器件有光敏電阻、光敏二極管和光敏晶體管等，這些器件大多數(shù)情況下可以通用。光敏二極管和光敏晶體管的方向性都比光敏電阻好，但是它們的輸出電壓較小，一般需要與放大電路組合使用[8]。由于本模塊對方向性要求不高，且光敏電阻可以作為純電阻使用，因此采用光敏電阻實現(xiàn)環(huán)境亮度檢測更簡單，成本也較低廉。

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圖1 路燈布置示意圖

圖2 路燈控制系統(tǒng)實現(xiàn)的示意圖

由于光敏電阻的電阻值隨光照強度的減小而升高[9]，因此可以通過探測其電阻值的變化來控制路燈的開關(guān)。為了便于測量，使用電阻分壓電路將光敏電阻的電阻值轉(zhuǎn)化為對應的電壓值。將光敏電阻兩端的電壓與預先設定好的參考電壓輸入到運算放大器進行比較，電路實現(xiàn)如圖3所示。

當白天光照強度較強時，光敏電阻R的電阻值較小，其兩端的電壓小于參考電壓，運算放大器輸出負電壓；當夜晚光照強度降低后，光敏電阻阻值增加，其兩端的電壓大于參考電壓，運算放大器輸出正電壓。此外，為了使運算放大器輸出的正負電壓與后續(xù)數(shù)字電路的輸入電平匹配，還需增加圖中由R4和施密特反相器CD40106組成的電平匹配整形電路。該模塊最后的輸出信號為數(shù)字信號QL。

2.2 物體到達檢測電路

檢測移動物體是否到達檢測點可以采用紅外光電傳感器或超聲波傳感器[10]來實現(xiàn)。超聲波傳感器的方法主要是通過超聲波測距來判斷是否有物體經(jīng)過，但是電路實現(xiàn)較為復雜，且容易產(chǎn)生較大誤差；使用紅外對管進行物體到達檢測，方向性更好，準確度更高。因此本模塊使用紅外光電傳感器來實現(xiàn)檢測。

圖3 環(huán)境亮度檢測電路

常用的紅外對管有反射式和透射式兩種[11]，為了便于測試，本文選用透射式，選用的紅外發(fā)射管型號為IR204C-A，紅外接收管型號為PT204-6B。為了減少燈光等其他外界光線的影響，需要將被發(fā)射的紅外線用38 kHz頻率調(diào)制。另外，為了使紅外發(fā)射能夠達到系統(tǒng)要求的測量距離，還需要設計功率放大電路來驅(qū)動紅外發(fā)射管。電路實現(xiàn)如圖4所示。

在紅外發(fā)射端，利用RC和施密特反相器組成的脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生38 kHz的方波，并用三極管實現(xiàn)功率放大之后驅(qū)動紅外發(fā)射管。在紅外接收端，仍然采用電壓比較電路，當沒有物體經(jīng)過檢測點時，紅外接收管就能正常接收到紅外光，此時紅外接收管導通，運算放大器的同相輸入端電壓小于反相輸入端電壓，輸出負電壓。當有物體經(jīng)過檢測點時，紅外光被物體遮擋，紅外接收管斷開，此時運算放大器的同相輸入端電壓大于反相輸入端電壓，輸出正電壓。同上述一樣運算放大器的輸出端也需要接電平匹配和整形電路。該模塊最后的輸出信號為數(shù)字信號Q。

為了滿足系統(tǒng)功能要求，需要同時檢測圖2中的S點和B點是否有物體到達，因此需要在S點和B點分別配備圖4所示的物體到達檢測電路。設定它們最后的輸出信號分別為數(shù)字信號QS和QB。

圖4 物體到達檢測電路

2.3 路燈亮滅控制電路

路燈亮滅控制電路是用來控制LED燈的開關(guān)情況，需通過環(huán)境亮度檢測電路及兩組物體位置檢測電路的輸出信號進行邏輯運算來實現(xiàn)。具體實現(xiàn)方法通常有兩種：一種是軟件方法，通過單片機或FPGA等對輸入信號進行邏輯處理來控制路燈；另外一種是純硬件方法，通過D觸發(fā)器和邏輯門等實現(xiàn)對路燈的控制。為適應本科低年級學生的知識掌握情況，本文采用純硬件方法實現(xiàn)，分別使用兩個D觸發(fā)器記錄兩個檢測點的物體通過狀態(tài)，當它們的輸出狀態(tài)不相同時LED燈亮，否則LED燈滅，需要對兩個D觸發(fā)器的輸出作異或處理。。

電路實現(xiàn)如圖5所示。D觸發(fā)器選用74LS74，它包含兩個上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器，見圖5中的D1和D2觸發(fā)器。設這兩個D觸發(fā)器的初始狀態(tài)均為 0，時鐘輸入分別為兩組物體到達檢測電路的輸出信號QS和QB。當有物體到達某一檢測點時，D觸發(fā)器的輸出變?yōu)楦唠娖?；當兩個D觸發(fā)器的輸出狀態(tài)(Q1，Q2)不同時，表明移動物體已通過一個檢測點，但尚未通過另一個檢測點，此時若環(huán)境為暗即環(huán)境亮度檢測輸出(QL)為高電平時，LED燈亮。因此控制LED的邏輯信號QLED表達式如下：

QLED=(Q1+Q2)QL

(1)

圖5中采用異或門74LS86、與非門74LS00和施密特反相器CD40106的一個單元加以實現(xiàn)。

當移動物體先后通過兩個檢測點后，兩個D觸發(fā)器的輸出均變?yōu)楦唠娖?，此時LED燈滅，同時還需要對兩個D觸發(fā)器進行復位，以便檢測下一個移動物體。根據(jù)D觸發(fā)器的功能表[12]，可以利用其清零端CLR進行復位，其復位邏輯表達式如下。

(2)

圖5中采用與非門74LS00的一個單元加以實現(xiàn)。

圖5 路燈亮滅控制電路

2.4 計數(shù)顯示電路

計數(shù)顯示電路可以使用兩個四位二進制計數(shù)器74HC161級聯(lián)和七段數(shù)碼管實現(xiàn)。實現(xiàn)計數(shù)顯示功能的電路如圖6所示。用兩個四位二進制計數(shù)器級聯(lián)實現(xiàn)百進制計數(shù)，用低四位表示個位，用高四位表示十位LED燈亮滅一次表示有一個物體通過該路燈，所以低四位計數(shù)器輸入的時鐘信號為QLED，QLED翻轉(zhuǎn)一次觸發(fā)一次計數(shù)。每當?shù)退奈挥嫈?shù)器計數(shù)到二進制1010(即十進制10)時，觸發(fā)高四位計數(shù)器計數(shù)加一，同時將低四位計數(shù)器清零，實現(xiàn)計數(shù)進位。當高四位計數(shù)器計數(shù)到二進制1001(即十進制9)后，下一時鐘上升沿到來后高四位計數(shù)器清零，實現(xiàn)計數(shù)到99后自動清零。

圖6 計數(shù)顯示電路

2.5 路燈故障檢測電路

檢測路燈故障的方法主要有兩種：直接測量路燈兩端電壓[4]和光敏電阻檢測路燈是否發(fā)光[13]。由于路燈的故障原因可能有很多(如短路或斷路等)，使用光敏電阻可以直接檢測路燈是否發(fā)光，而不受路燈故障原因的影響，因此本文選用光敏電阻來實現(xiàn)檢測。

本系統(tǒng)中實現(xiàn)路燈故障檢測需要綜合利用環(huán)境亮度、物體是否到達和路燈是否發(fā)光這3條信息，即環(huán)境為暗且物體已到達，正常情況下此時路燈應亮，若此時路燈不亮則說明路燈故障。環(huán)境亮度和物體是否到達可以通過2.3節(jié)中“路燈亮滅控制電路”的輸出信號QLED來判斷；而路燈是否發(fā)光可以使用光敏電阻檢測。

如圖7所示為實現(xiàn)路燈故障檢測的電路原理圖，其中RT為光敏電阻，安裝在貼近路燈的位置。圖7中虛線框中的為檢測路燈是否發(fā)光的電路，其原理與2.1節(jié) “環(huán)境亮度檢測電路”相同，但運放反相端設定的參考電壓不同，該電路輸出的信號為QT，當路燈發(fā)光時QT為0，路燈不發(fā)光時QT為1。由于2.3“路燈亮滅控制電路”中的QLED為1時，表示環(huán)境為暗且物體已到達，因此將QLED和QT兩個信號相與，就可以實現(xiàn)路燈故障檢測。兩者相與的結(jié)果為0，則路燈無故障；若結(jié)果為1，則說明路燈故障，蜂鳴器發(fā)聲報警。

圖7 路燈故障檢測電路

3 實驗結(jié)果

上述所有電路安裝完畢后，按照以下5步進行了測試。

1)首先設置黑夜環(huán)境，如用手遮擋光敏電阻。

2)移動物體從左至右運動到S點(或從右至左運動到B點)時，LED亮燈，計數(shù)器顯示計數(shù)加一；物體繼續(xù)運動到B點(或S點)時，LED滅燈。

3)累計共有99個物體經(jīng)過路燈后，當下一物體到達時，計數(shù)器清零，重新開始計數(shù)。

4)最后設置白天環(huán)境，例如去除對光敏電阻的遮擋后，系統(tǒng)不再對到達物體進行反應，無論物體是否到達，LED不再亮燈。

5)設置故障情況，例如同時用手遮擋“環(huán)境亮度檢測電路”和“路燈故障檢測電路”中的光敏電阻，當移動物體從左至右運動到S點(或從右至左運動到B點)時，蜂鳴器發(fā)出警報。解除故障，如去除對“路燈故障檢測電路”中的光敏電阻的遮擋后，蜂鳴器停止發(fā)出警報。

測試結(jié)果表明，該設計完全滿足系統(tǒng)的基本功能要求。除此之外還可以在現(xiàn)有的基礎上進行擴展，實現(xiàn)LED路燈自動調(diào)整亮度等更全面的功能。

4 結(jié)束語

本文設計的模擬智能路燈控制系統(tǒng)基本原理較為簡單，使用的電路主要有電壓比較電路、方波振蕩電路、計數(shù)電路以及一些簡單的邏輯電路，而無須使用單片機或FPGA等進行編程。對剛剛學習模擬電路和數(shù)字電路的本科低年級學生來說，這是一個非常好的綜合性實驗項目，既可以訓練學生對專業(yè)基礎知識的綜合應用，又可以滿足他們對新技術(shù)、新知識的渴望，從而培養(yǎng)學生的工程實踐能力和激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。

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