摘要：隨著社會的高速發(fā)展，城鄉(xiāng)一體化逐步實現(xiàn)。在此背景下，道路照明需求越來越大，全國路燈的用電總量逐年增長，巨大的電能消耗加重了日常生活用電壓力和環(huán)境污染。針對深夜人車稀少，但是路燈依舊全亮造成資源嚴重浪費的情況，應用傳感器和單片機技術(shù)設計智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)，其能根據(jù)光線強弱和特定的時間段對路燈進行自動化控制和人性化管理，從而有效節(jié)約電能，避免浪費。

關(guān)鍵詞：節(jié)能；控制系統(tǒng)；傳感器；單片機

中圖分類號：TP212.1 文獻標識碼：A

0 引言

隨著社會發(fā)展和科技進步，城市照明系統(tǒng)正經(jīng)歷智能化轉(zhuǎn)型。傳統(tǒng)高壓鈉燈因能耗高、光效低、維護成本大等問題逐漸被節(jié)能環(huán)保的發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED）燈取代。為進一步提升能源利用效率，通過集成傳感器和單片機等，構(gòu)建了智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)，其能根據(jù)光線強弱和特定的時間段對路燈進行自動化控制，從而實現(xiàn)了按需照明和精細化管理。

根據(jù)全國電力協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2023年全國路燈的用電總量已經(jīng)達到了400多億千瓦時，而且這個數(shù)字仍在持續(xù)增長。按時間對亮燈方式進行控制，若從零時至5：00這段時間采用隔盞點亮的方式，每年可節(jié)省100多億千瓦時的電量。

針對這一情況，本文設計了一種成本低、易實現(xiàn)的智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要實現(xiàn)方式：白天5：00—19：00采用光控，根據(jù)光線情況對路燈進行自動控制；晚上采用定時控制，

19：00—24：00控制所有路燈全亮；零時至5：00采用隔盞點亮的方式，一半路燈亮，另一半路燈滅，具體的時間段可根據(jù)不同地區(qū)的需要進行靈活調(diào)節(jié)。這種控制方式既保證了路燈照明的基本需求，又成功降低了能源消耗。

1 智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的電路組成及工作原理

1.1 電路組成

智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)電路如圖1所示，它由編程控制器、時鐘電路、復位電路、按鍵控制電路、數(shù)碼顯示電路、光控電路、輸出控制電路和電源電路組成。

（1）編程控制器。編程控制器U1采用AT89C52芯片，它是一個低電壓、高性能且具有40個引腳的CMOS 8位單片機，內(nèi)含8 kB的可編程可擦寫的只讀存儲器（programmable erasable read-only memory，PEROM）和256 B的隨機存取存儲器（random access memory，RAM）[1]。該器件具有密度高、功能強大等優(yōu)點，且采用了非易失性存儲技術(shù)，在外部電路的協(xié)助下，完全滿足系統(tǒng)的設計要求。

（2）時鐘電路。該電路由AT89C52芯片、芯片18和19引腳（XTAL1、XTAL2）外接的頻率為12 MHz的晶體振蕩器X1以及兩個陶瓷電容C1和C2組成。該電路采用片內(nèi)振蕩方式，為編程控制器提供基準的時鐘信號[2]。

（3）復位電路。采用陶瓷電容C3和電阻R1構(gòu)成最簡單的上電復位電路，然后將其連接至編程控制器U1的RST復位輸入端。在系統(tǒng)接通和斷開電源的瞬間，利用C3的充放電過程，實現(xiàn)對U1的復位。

（4）按鍵控制電路。該電路主要由自鎖開關(guān)SW1和兩個按鍵開關(guān)S1、S2構(gòu)成，它們分別與U1的接口P2.5、P2.6、P2.7相連接。S1、S2用來設置定時器運行的時間，而SW1是一個檢修開關(guān)。當SW1閉合，P2.5輸出低電平，編程控制器U1的輸出端（P1.0、P1.1、P1.2、P1.3）均輸出低電平，導致繼電器Q6至Q9導通，進而控制接觸器KM1至KM4工作，最終使得所有路燈全亮；反之當SW1斷開，路燈的亮熄情況由編程控制器U1根據(jù)時間和光控電路的具體情況來決定。

（5）數(shù)碼顯示電路。該電路能夠顯示定時器的時間，由四位一體的共陽極數(shù)碼管以及與之相對應的動態(tài)顯示驅(qū)動電路組成。驅(qū)動電路由Q2、Q3、Q4、Q5、D6C以及電阻R8至R11組成，而驅(qū)動管采用普通三極管9012。

（6）光控電路。該電路由Q1、D5、R5、R6、R7組成，主要功能為調(diào)節(jié)感光臨界點。其中，Q1為三極管9014，D5為光敏二極管，R7為微調(diào)電阻。在光線較強的情況下，D5兩端的電阻較小，經(jīng)R5、R7、D6分壓后的Q1基極電壓Vb1降低，三極管Q1截止，P2.4輸出高電平；反之則Q1導通，P2.4輸出低電平，編程控制器U1根據(jù)時間以及光控電路按照天氣明暗程度反饋的信息決定路燈的亮熄[3]。

（7）輸出控制電路。該電路由繼電器Q6至Q9、控制器KM1至KM4和電阻R1至R4組成。其中，Q6至Q9采用驅(qū)動三極管9012，KM1至KM4采用直流5 V/5 A的繼電器，以實現(xiàn)小電流控制大電流[4]。在設計輸出控制電路時可以根據(jù)路燈負載情況，選擇合適的接觸器，再驅(qū)動路燈。

（8）電源電路。該電路主要由變壓器TR1、整流電路BR1、濾波電路以及穩(wěn)壓電路組成，其主要功能是為系統(tǒng)電路提供穩(wěn)定的5 V直流電源。其中，TR1為 220 V/6 V，5 W的變壓器，BR1是由

4個1N4001二極管接成的橋式整流（bridge rectifier，BR）電路，而U2則是一個型號為AN7805的三端穩(wěn)壓器。

1.2 工作原理

通電后，在電容C3和電阻R1的共同作用下，編程控制器U1的RST復位端的電平由高變低，從而觸發(fā)U2完成復位過程。同時，一個頻率為

12 MHz時鐘電路開始振蕩，為編程控制器U1提供基準的時鐘信號。編程控制器按照預先編寫的程序，結(jié)合按鍵控制電路和光控電路的輸出狀態(tài)，有規(guī)律地運行。其具有3種工作模式。

（1）日間光控模式：系統(tǒng)在5：00—19：00采用光控，根據(jù)光線情況對路燈進行自動控制。當光線較強時，光敏二極管D5兩端的電阻較小，三極管Q1截止，P2.4輸出高電平，編程控制器U1輸出端（P1.0、P1.1、P1.2、P1.3）均輸出高電平，導致繼電器Q6至Q9截止，最終使路燈L1至L4全部熄滅；反之則Q1導通，P2.4輸出低電平，編程控制器U1輸出端（P1.0、P1.1、P1.2、P1.3）均輸出為低電平，導致Q6至Q9導通，從而控制接觸器KM1至KM4工作，使路燈L1至L4處于亮燈狀態(tài)。

（2）夜間全亮模式：在19：00—24：00，編程控制器U1輸出端（P1.0、P1.1、P1.2、P1.3）均輸出低電平，導致Q6至Q9導通，從而控制接觸器KM1至KM4工作，使路燈L1至L4處于亮燈狀態(tài)。

（3）夜間節(jié)能模式：在零時至5：00，編程控制器U1輸出端P1.0、P1.2輸出為低電平，而P1.1、P1.3則輸出高電平，繼電器Q6、Q8導通，而Q7、Q9截止，此時馬路兩旁的路燈隔盞點亮，即有一半路燈亮，另一半路燈滅，當然具體的時間段可根據(jù)需要通過修改設計程序來實現(xiàn)。這種控制方式既保證了路燈照明的基本需求，又達到了節(jié)約電能的目的。

2 程序設計

本程序采用C語言進行編寫，分別用全局變量sec、min、hou來表示時間的秒、分、時[5]。通過每50 ms調(diào)用一次定時器中斷函數(shù)，實現(xiàn)計時，并在此中斷服務程序中統(tǒng)一處理輸入信號，包括按鍵和傳感器輸入信號。在主函數(shù)main（）中，一方面通過do{}while（1）語句調(diào)用disnum（）函數(shù)來逐位顯示當前時間；另一方面根據(jù)當前的時間與各控制量，通過if判斷語句控制4路路燈的點亮與熄滅。路燈3種工作模式的程序設計如下。

（1）夜間全亮模式。當SW1閉合時，P2.5輸出低電平，“P1=0x00”。其中“00”為十六進制數(shù)，代表編程控制器U1的輸出端（P1.0、P1.1、P1.2、P1.3）均輸出低電平，此時輸出控制電路工作，路燈全亮。

（2）夜間節(jié)能模式。在零時至5：00，“P1=0xfa”。其中“fa ”轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)的“11111010”，代表編程控制器U1的輸出端“P1.0、P1.2”均輸出低電平，而“P1.1、P1.3”輸出高電平，此時只有一半路燈點亮。

（3）日間光控模式。在5：00—19：00，“P1=light？0xff：0x00”。變量light表示自然光線的強弱，其邏輯值由外部光敏二極管的阻值變化來控制。根據(jù)light的邏輯值控制P1的輸出。即當light為真（true）時，P1的值為“ff”，此時P1.0、P1.1、P1.2、P1.3輸出高電平；當light為假（1）時，P1的值為“00”，此時P1.0、P1.1、P1.2、P1.3輸出低電平。

主要源程序如下：

#include lt;REGX51.Hgt;" " " //頭文件

#include lt;intrins.hgt;" " "http://頭文件

unsigned char code dis_code[11]={0xc0，0xf9，0xa4，0xb0，// 0，1，2，3

0x99，0x92，0x82，0xf8，0x80，0x90，0xff}；// 4，5，6，7，8，9，off

//用數(shù)組dis_code[]來記錄顯示由0到9的七段數(shù)碼管字模

unsigned char sec=0，min=0，hou=12，timecount=0，oldP1=0xff，setting=0，lt=0；

bit point=1，K1_old，K2_old，light=1；

sbit" K1=P2^7；" " " "http://設置時鐘

sbit" K2=P2^6；" " " "http://設置時鐘

sbit" K3=P2^5；" " " "http://強制開燈開關(guān)

sbit" K4=P2^4； //外部光敏二極管感應光線亮度輸入的邏輯值

void time50ms（void）；

void delay2ms（void）；

void timedeal（void）；

void disnum（unsigned char num，unsigned char locate）；

void main（void）

{

unsigned char num；

IE=0x82；" " "http://允許定時器0工作

TMOD=0x01；" "http://timer0為模式1

TR0=1；" " " "http://定時器0可以工作

TH0 = 0x3c；TL0 = 0x0b0；" //定義定時器初值（晶振頻率為12 MHz）

//定時器中斷時間為50 ms

}

3 調(diào)試與使用方法

3.1 調(diào)試

本系統(tǒng)的調(diào)試分為軟件調(diào)試和硬件調(diào)試兩個部分。軟件調(diào)試主要根據(jù)系統(tǒng)要求進行編程、仿真，不斷修改完善編程程序。由于光控電路在臨界點易出現(xiàn)頻繁動作，為了使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，本程序設置了對K4的邏輯計數(shù)機制，只有當K4的值發(fā)生變化且這種變化狀態(tài)超過20×50 ms后，才會對變量light執(zhí)行邏輯取反操作，以此來彌補硬件的不足。在硬件調(diào)試方面，先把電源電路與主電路分開，調(diào)節(jié)電源電路使其輸出穩(wěn)定的5 V直流電壓，再接通主電路的電源。由于本電路對元件參數(shù)的精度要求不高，只要按圖進行焊接裝配，就能使電路按編寫的程序運行。需要微調(diào)的器件僅有R7，通過調(diào)節(jié)R7的阻值可以調(diào)節(jié)光控電路的動作臨界點。

3.2 使用

系統(tǒng)面板上設有一個四位一體的數(shù)碼管，用于顯示現(xiàn)行時間和校正時間，在它下方設有3個開關(guān)S1、S2和SW1。其中，S1、S2用于設置時鐘，按一下S1，若分鐘位數(shù)閃動則說明此時處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，則按住S2進行分鐘數(shù)的調(diào)整，同理，可調(diào)整小時數(shù)，調(diào)整好后，再按一下S1，單片機進入計時狀態(tài)，數(shù)碼管顯示現(xiàn)行時間。面板的正下方設置了光控電路取樣光源的窗口，在5：00—19：00，路燈的亮滅由窗口光線的明暗情況決定。SW1是檢修開關(guān)，按下SW1，所有的路燈全亮。

4 結(jié)語

本文基于傳感器技術(shù)與單片機技術(shù)構(gòu)建了一種城市智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有3種工作模式，分別是日間光控模式、夜間全亮模式和夜間節(jié)能模式，經(jīng)過軟件和硬件的設計及反復調(diào)試，達到了節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)體積小、成本低、應用方便，能滿足不同類型的照明需求，對于功率較小的負載，可直接應用本電路的繼電器進行直接控制；對于功率比較大的負載，可在本電路的繼電器后面再接上接觸器，以小電流來驅(qū)動大電流，滿足大功率負載的需求。

參考文獻

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