胡銘

（安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽馬鞍山，243000）

近年來(lái)，一些城市將路燈作為了城市修建重要項(xiàng)目之一，隨著路燈數(shù)量的增加，所需電能越來(lái)越高。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制目標(biāo)，路燈測(cè)控裝置應(yīng)運(yùn)而生[1]。其中，應(yīng)用比較多的是紅外測(cè)控系統(tǒng)。本文將選取單片機(jī)作為核心控制裝置，設(shè)計(jì)一套紅外測(cè)控系統(tǒng)。

1 單片機(jī)與紅外測(cè)控系統(tǒng)相關(guān)介紹

1.1 單片機(jī)運(yùn)行原理

單片機(jī)是一種在線實(shí)時(shí)控制方式，將其安裝于控制現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)控。該裝置自身具有較強(qiáng)的抗干擾能力，不易受到外界環(huán)境干擾，開(kāi)發(fā)成本較低，因此，成為了眾多系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的首要選擇[2]。單片機(jī)又被稱(chēng)作單片微控制器，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上，開(kāi)發(fā)功能強(qiáng)大，主要由3部分構(gòu)成，包括存儲(chǔ)器、控制器、運(yùn)算器，可以將其看作一個(gè)微控制器[3]。

在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，根據(jù)控制功能需求，利用C語(yǔ)言、C++等程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言編寫(xiě)程序，通過(guò)程序編寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同控制功能。所有編寫(xiě)出的程序經(jīng)過(guò)燒寫(xiě)下載到單片機(jī)中，最終存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，根據(jù)指令要求下達(dá)操控命令[4]。目前，應(yīng)用比較多的單片機(jī)為89C51單片機(jī)，屬于通用型單片機(jī)，支持C語(yǔ)言、C++語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā)[5]。

1.2 紅外測(cè)控系統(tǒng)相關(guān)理論

紅外技術(shù)是一種新型檢測(cè)、跟蹤、成像等多功能綜合技術(shù)，在軍事上應(yīng)用較多。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，紅外技術(shù)發(fā)展為紅外檢測(cè)、紅外防偽、紅外理療、紅外遙感等技術(shù)，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[6]。利用紅外傳感器采集到信號(hào)后，根據(jù)信號(hào)變化情況，采取控制處理措施，形成了基于紅外技術(shù)的測(cè)控系統(tǒng)，由檢測(cè)和控制兩部分組成。其中，紅外檢測(cè)部分是利用傳感器，搭建紅外傳感信息采集電路，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集[8]。按照功能不同，可以將紅外傳感信息采集系統(tǒng)劃分為5種類(lèi)型：

（1）搜索與跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于跟蹤目標(biāo)，可以依據(jù)監(jiān)控需求設(shè)置跟蹤目標(biāo)，通過(guò)分析目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)所在地理位置。

（2）熱成像系統(tǒng)。根據(jù)熱效應(yīng)原理生成分布圖像。

（3）輻射計(jì)。該類(lèi)型信息采集系統(tǒng)主要用于輻射和測(cè)量光譜。

（4）混合系統(tǒng)。由兩個(gè)或者兩個(gè)以上不同類(lèi)型系統(tǒng)組合而成。

（5）紅外測(cè)距。該類(lèi)型系統(tǒng)屬于通信類(lèi)系統(tǒng)，主要用于測(cè)量目標(biāo)與參考點(diǎn)距離。

2 單片機(jī)紅外測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能要求與芯片選擇

2.1 系統(tǒng)功能要求與構(gòu)成

本文以節(jié)能燈為測(cè)控對(duì)象，采用紅外技術(shù)，設(shè)計(jì)一套單片機(jī)紅外測(cè)控系統(tǒng)。對(duì)于該系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)要求如下：

利用紅外反射式光電傳感器采集信號(hào)，通過(guò)分析信號(hào)變化情況，判斷是否有物體從路燈下經(jīng)過(guò)；利用聲音傳感器采集車(chē)輛行駛聲音信號(hào)，根據(jù)信號(hào)變化確定是否有車(chē)輛通過(guò)；利用紅外人體識(shí)別傳感器采集路人經(jīng)過(guò)信號(hào)，將其作為路燈工作狀態(tài)控制主要依據(jù)。要求檢測(cè)到信號(hào)后點(diǎn)亮路燈，反之，延時(shí)一段時(shí)間切斷路燈線路，使得路燈線路轉(zhuǎn)為斷開(kāi)狀態(tài)。另外，在電路中還要添加明暗程度檢測(cè)器件，用于檢測(cè)路燈是否發(fā)生故障，如果路燈處于故障狀態(tài)，則通過(guò)報(bào)警裝置發(fā)出警示，并鎖定故障路燈所處位置。

圖1 紅外測(cè)控方案結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上述要求，設(shè)計(jì)如圖1所示的紅外測(cè)控方案結(jié)構(gòu)圖。

在圖1中，系統(tǒng)利用光敏電阻檢測(cè)路燈是否發(fā)生故障，如果無(wú)損壞，則利用紅外反射式光電傳感器采集光纖信號(hào)，并將檢測(cè)到的信號(hào)分別經(jīng)過(guò)聲音傳感器、紅外人體識(shí)別傳感器判斷信號(hào)類(lèi)型，從而確定路燈下經(jīng)過(guò)的是行人還是車(chē)輛，根據(jù)確定結(jié)果，利用單片機(jī)控制路燈工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能照明目的。

2.2 芯片選型與功能介紹

89C51單片機(jī)是一種通用型單片機(jī)，不僅開(kāi)發(fā)成本低，而且不容易受到外界干擾，由1個(gè)串行中斷、2個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)中斷、2個(gè)外中斷、4個(gè)8位并行輸入口組成。該裝置內(nèi)部設(shè)有時(shí)鐘電路，通過(guò)外接電容和石英晶體構(gòu)成。目前，89C51單片機(jī)數(shù)據(jù)采集與時(shí)間精度逐漸完善，產(chǎn)生的誤差在允許范圍之內(nèi)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，本文選取89C51型號(hào)單片機(jī)作為紅外測(cè)控系統(tǒng)核心控制器，以下為引腳功能。

根據(jù)引腳功能不同，可以將單片機(jī)引腳劃分為4種類(lèi)型，包括電源、控制、時(shí)鐘、I/O引腳。

（1）電源

該芯片有兩個(gè)電源，包括VCC和VSS。前者指的是微處理器芯片電源，工作電壓為+5V，后者指的接地電源。

（2）控制

89C51單片機(jī)有4根控制線，包括ALE/PROG、PSEN、RST/VPD、EA/VPP。

②PSEN控制線：該控制線指的是外ROM讀選通信號(hào)。

③RST/VPD控制線：該控制線指的是復(fù)位/備用電源。其中，RST作為信號(hào)復(fù)位的輸入端；VPD用于連接備用電源，以免芯片VCC掉電情況。

④EA/VPP控制線：該控制線用于選擇ROM，通過(guò)程序控制EPROM。其中，EA作為內(nèi)外ROM選擇端；VPP內(nèi)部含有EPROM芯片，為微處理器提供編程電源。

（3）時(shí)鐘

微控制器的時(shí)鐘分為兩部分，包括XTAL1和XTAL2，前者為晶體振蕩電路反相輸入端，后者指的是電路反相輸出端。

（4）I/O引腳

該類(lèi)型微處理器含有32個(gè)I/O端口，包括P0、P1、P2、P3。其中，P0口與上拉電阻連接，P3口用于輸入與輸出特殊信號(hào)，除此之外，該端口還支持控制信號(hào)的輸入與輸出。本文研究的89C51微處理器以“1”為使能端。

3 單片機(jī)紅外測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體流程

本文選取89C51單片機(jī)作為核心控制器，利用該芯片控制路燈工作狀態(tài)，按照上述提到的系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)圖，將系統(tǒng)劃分為硬件部分和軟件部分，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

我國(guó)是一個(gè)鉀肥消費(fèi)大國(guó)，但資源匱乏，特別是可溶性鉀資源寶貴，讓中國(guó)不得不重視資源的有序開(kāi)采。為保障我國(guó)鉀資源的可持續(xù)供應(yīng)，中國(guó)工程院院士鄭綿平對(duì)我國(guó)鉀鹽行業(yè)發(fā)展提出建議，他說(shuō)，“為了我國(guó)鉀鹽行業(yè)順利發(fā)展，行業(yè)應(yīng)當(dāng)居安思危，認(rèn)真分析前進(jìn)中存在的問(wèn)題。我國(guó)鉀鹽可采儲(chǔ)量不足，分布不均，尚未找到大型可溶性固體鉀鹽礦床，枸溶性雜鹵石還未得到重視和開(kāi)發(fā)。”

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

利用89C51單片機(jī)采集光電信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，將經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)導(dǎo)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)中。對(duì)于芯片硬件電路連接的設(shè)計(jì)，本文是將P0、P1、P2、P3作為信號(hào)的輸出端口與輸出端口。如圖2所示為系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖。

依據(jù)圖2的系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖，將傳感器信號(hào)檢測(cè)與控制電路劃分為4個(gè)模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括光敏電阻控制模塊、紅外檢測(cè)模塊、聲音檢測(cè)模塊、紅外人體識(shí)別檢測(cè)模塊。

（1）光敏電阻控制模塊

將光敏電阻的兩極與電壓兩極連接建立通路，閉合開(kāi)關(guān)后電路中有電流流過(guò)，此時(shí)陽(yáng)光照射到電阻上，電流隨著光照強(qiáng)度的變化而變化，使得光能轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)光照強(qiáng)度逐漸增加時(shí)，光敏電阻將隨之改變。為了使得路燈在不同光線下均能夠根據(jù)控制需求工作，本文在設(shè)計(jì)紅外測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，在電路中添加了光敏電阻器件，從而實(shí)現(xiàn)光電自動(dòng)控制。

（2）紅外檢測(cè)模塊

本文選取LM393作為核心控制器件，利用光敏電阻R20、R21、R6采集路燈信號(hào)，在LM393控制下，將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)電路輸出端傳輸至89C51單片機(jī)中。

該實(shí)際運(yùn)行中，利用發(fā)光二極管、激光、半導(dǎo)體光源產(chǎn)生光束，更改光束脈寬或者持續(xù)發(fā)射光束等。在系統(tǒng)接收端連接光電池，為其提供工作電源。為了便于擦空，本文選取接收器前端作為透鏡跟光圈布設(shè)位置。另外，光敏電阻信號(hào)接收端還與檢測(cè)端建立連接，以此達(dá)到檢測(cè)目的，并且可以將光電信號(hào)與其他信號(hào)分離。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

（3）聲音檢測(cè)模塊

該功能模塊是利用聲音傳感器采集聲音信號(hào)，通過(guò)話筒器件識(shí)別敏感聲音。如果有聲音，則話筒薄膜將震動(dòng)，形成脈沖信號(hào)，使得電路中的電容發(fā)生變化，產(chǎn)生聲波能量電壓。通常情況下，電壓變化范圍在0至5V。生成信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送到信號(hào)接收端。

本文選取BR-ZS1型號(hào)傳感器作為聲音傳感器，用于檢測(cè)噪聲信號(hào)。該傳感器運(yùn)行穩(wěn)定，支持24小時(shí)不間斷工作。另外，該電路中還添加了報(bào)警裝置，如果噪聲超出了指定范圍，則認(rèn)為此時(shí)有車(chē)經(jīng)過(guò)路燈，系統(tǒng)在控制路燈工作狀態(tài)的同時(shí)發(fā)出警報(bào)，判定結(jié)果為有車(chē)輛經(jīng)過(guò)路燈。

（4）紅外人體識(shí)別檢測(cè)模塊

人體識(shí)別傳感器規(guī)模較小，靈敏度較高，在各個(gè)領(lǐng)域均有所應(yīng)用。在本文設(shè)計(jì)的紅外測(cè)控系統(tǒng)中，該傳感器主要用于人臉識(shí)別，將采集到的信號(hào)進(jìn)行放大處理、經(jīng)過(guò)透鏡處理，從輸出端口傳輸至系統(tǒng)主控端，從而獲取人臉識(shí)別信號(hào)，根據(jù)信號(hào)情況判斷是否有路人經(jīng)過(guò)路燈，從而下達(dá)路燈工作控制命令。

3.2 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

本文利用上位PC機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件，利用紅外傳感器采集信號(hào)，判斷信號(hào)為聲音信號(hào)還是人通過(guò)信號(hào)，下達(dá)LED路燈控制命令，從而實(shí)現(xiàn)紅外測(cè)控。如圖3所示的軟件流程圖。

第一步：系統(tǒng)初始化處理；

第二步：判斷路燈周?chē)h(huán)境光線是否較弱，如果較弱，則執(zhí)行第三步；反之，點(diǎn)亮小功率LED燈；

第三步：等待物體經(jīng)過(guò)紅外測(cè)控系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)域；

第四步：判斷信號(hào)為聲音信號(hào)還是人通過(guò)信號(hào)；

第五步：點(diǎn)亮大功率LED燈；

第六步：判斷大功率LED燈是否點(diǎn)亮，如果已經(jīng)點(diǎn)亮，則結(jié)束此程序，開(kāi)始下一次循環(huán)；反之，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，通過(guò)顯示屏顯示故障位置。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)紅外測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本、難易程度，選取89C51單片機(jī)作為核心控制器，采用紅外傳感器采集聲音信號(hào)和光信號(hào)，根據(jù)信號(hào)變化情況，判斷路燈下是否有車(chē)輛或者路人經(jīng)過(guò)，根據(jù)判斷結(jié)果控制LED路燈工作狀態(tài)。為了提高系統(tǒng)安全性，本文在電路中設(shè)計(jì)了安全報(bào)警電路，用于提示用戶(hù)LED路燈是否發(fā)生故障。通過(guò)本文的研究，可以實(shí)現(xiàn)路燈節(jié)能控制。