模擬路燈控制系統設計

李華

（四川信息職業技術學院 四川 廣元 628040）

照明工程迅猛發展，其路燈數量的增大，而且功耗和性能大不提高，因而對路燈定時器控制的要求比較精確。 目前，路燈開關燈控制方法多為傳統的“鐘控”和“光控”。因此，系統不能適應天氣突變與季節變化等自然情況，且容易受外部環境干擾，靈敏度低，可靠性也較差。從而會出現：開燈早，關燈晚；或者開燈晚，關燈早的現象。前者會造成巨大的電能浪費，后者會損害城市形象、影響社會治安和交通安全，從而影響城市的投資環境[1]。本設計利用微型計算機技術對傳統的兩種方式進行了優化，使之能實現控制開關燈的合理化、科學化。

1 總體系統設計

該模擬路燈控制系統選用STC89C58作為整個模擬路燈控制系統的控制芯片，利用優化的C語言編程方案實現路燈的控制功能?？刂破饕訢S1302為時鐘源，通過12864液晶顯示模塊適時顯示時鐘和監測系統運行狀態，并利用4鍵獨立式鍵盤提供用戶設置界面。系統提供2種工作模式：人工控制模式和自動控制模式。在人工控制模式下，操作員通過主控制臺上的按鈕設置路燈的開關時間，也可直接控制單燈的開與關；在自動控制模式下，光敏電阻采集路燈所處環境的光亮度，紅外對管識別是否有物體通過。從而使控制器完成對路燈及時控制的目的。如果路燈出現故障，布設在支路單元上的光敏器件就會采集LED燈的故障信息，然后由單片機控制路燈故障聲光報警機構報警。LED燈以恒流電源為驅動源，單片機根據設定信息通過控制器可使恒流源工作或者停止工作實現LED調光功能。系統硬件方框總圖如圖1所示。

2 硬件組成與原理

硬件設計是整個系統的基礎，要考慮的方方面面很多，除了實現模擬路燈控制系統基本功能以外，主要還要考慮如下幾個因素：1）系統穩定度；2）器件的通用性或易選購性；3）軟件編程的易實現性；4）系統其它功能及性能指標。因此只有合理的硬件設計才能更好的與軟件控制相結合，從而達到整體性好，人性化強、可靠性高的優點。

圖1 硬件系統框圖Fig.1 Hardware system diagram

2.1 控制電路

控制電路實質是單片機最小系統?？刂齐娐肥窍到y的核心，考慮到程序的大小選用了STC89C58單片機。它由晶體振蕩電路以及輕觸按鍵構成復位電路構成，主要是實現對外圍電路的控制功能，使各模塊電路正常有序的工作。

晶體震蕩電路結合單片機內部的電路，產生單片機所必須的時鐘頻率，作用是為系統提供基本的時鐘信號。

單片機復位電路的作用是使單片機的復位操作使單片機進入初始化狀態，本設計中用的是按鍵電平復位，即當電路已在運行當中時，按下復位鍵后松開，即能使RST為一段時間的高電平，從而實現復位的操作[2]。

2.2 獨立式鍵盤電路

獨立式鍵盤相互獨立，每個按鍵占用一根I/O口線，每根I/O口線上按鍵的工作狀態不會影響其他按鍵的工作狀態。單片機在上電運行后，連接到鍵盤一端的I/O口默認為高電平，鍵盤的另一端共地，當有按鍵動作產生時，相應連接該按鍵的I/O口會被接地線拉成低電平，同時，與鍵盤連接的四輸入與門輸出到中斷口的電平為低，如果處理器允許中斷產生則會作出響應，否則，響應其他操作[2]。

2.3 顯示電路

顯示電路用于在人機接口中反饋信息，主要由液晶模塊構成。硬件設計中選用了帶KS0108控制器的12864全點陣圖形式液晶。通過編程可實現對液晶顯示屏的任意位置的顯示、滾動顯示和反顯等功能[3]。

2.4 實時時鐘電路

本系統采用實時時鐘電路DS1302，它是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片，工作電壓寬達2.5～5.5 V。DS1302在硬件電路中與CPU的連接僅需要3條線，即SCLK、I/O、RST。DS1302在第一次加電后，必須進行初始化操作。初始化后就可以按正常方法調整時間[3]。

2.5 LED燈驅動電路

由于單片機的I/O口不能夠直接驅動LED燈發光，因此采用了驅動電路來識別單片機發出的開關燈信號，并控制路燈的亮滅。單片機給出的信號只有高低電平，為了避免開機時單片機的I/O口處于高電平而使路燈發光，開燈信號使用了低電平，關燈信號使用了高電平。對應兩盞燈與單片機的接口線為：燈1連接到P3.6，燈2連接到P3.7[3]。

2.6 交通檢測與環境感應電路

這兩個電路都是使用傳感器實現外部信號的采集，然后送給單片機進行處理。在器件上分別使用了紅外對管和光敏電阻，紅外對管用于移動物體適時監測，包括紅外線發射管和紅外線接收管，是一種紅外線發射電路、接收電路一體使用的反射型感應開關模塊，本身發射出一束紅外光線，在該紅光線的射程內如果有一物體擋住紅外光線，并將紅外光線反射回模塊，從而傳輸給單片機；光敏電阻通過光線的強弱來判斷是白天還是黑夜，在白天，光線較強，光敏電阻處于高阻值的狀態，因而傳給MCU低電平，在黑夜，則正好相反[3]。

硬件設計中，交通檢測電路有3個測試點，與單片機接口線分別為P1.5、P1.6、P1.7，光敏電阻電路只輸出一個高低電平狀態，與單片機通信的口線為P1.4。

2.7 故障判斷與報警電路

在對多盞路燈進行管理時，檢測故障是一件費力的事情，采用故障判斷電路能夠減少人為判斷的工作量，為了及時反映路燈故障的信息，通過報警電路加以提示，能夠及時知道路燈的工作情況，故障時就能第一時間到達現場進行維修，以保證良好的交通環境。硬件設計中，故障判斷利用了光學傳感器實現，如果燈已開而燈未，即產生了故障，電路會傳給單片機一個高電平信號，同時，單片機會控制報警電路工作，蜂鳴器發生且故障燈亮起[3]。采集燈1和燈2故障信息的傳感器對應連接到單片機的P3.0和3.1口，報警電路獨立與單片機的P3.3口相連。

整機電路如圖2所示。

3 系統軟件設計

軟件是本系統的靈魂。軟件采用模塊化設計方法，不僅易于編程和調試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。同時，對軟件進行全面測試也是檢驗錯誤排除故障的重要手段。這里我們選用了移值性好、結構清晰、能進行復雜運算的C語言來實現編程。程序設計中，包括實時監測、人工控制和自動控制、故障判斷幾個過程[4]。

1）實時監測過程

路燈的所有信息通過實時監測的都會在反映在液晶主界面上，檢測頻率是1秒進行一次，包括時間、控制方式、路燈故障信息、路燈工作狀態。監測流程如圖3所示。

2）人工控制過程

人工控制有兩種方式：單燈控制和定時開關，單燈控制時，處理器對比設置的單燈狀態；定時控制時系統會將當前時間與設定的開關燈時間對比，直到兩者時間一致。然后，處理器就會控制驅動電路開燈和關燈，流程如圖4所示。

圖2 整機電路圖Fig.2 System circuit diagram

圖3 實時監測流程圖Fig.3 Real-time monitor flow chart

圖4 人工控制模式流程圖Fig.4 Manual control pattern flow chart

3）自動控制過程

根據交通的情況來調節燈亮的狀態能夠進一步達到節能的目的，特別是在深夜，車輛和行人都相對較少，一直開燈而沒很好的利用只是在白白浪費資源，因此，最有效的解決辦法是只在有人或車輛通過時才開燈。如圖5[5]所示，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1亮；當物體M到達B點時，燈1滅，燈2亮；當物體M到達C點時，兩燈均滅；若物體M由右至左移動時，則亮燈次序與上相反。

圖5 路燈布置示意圖Fig.5 Street light arrangement schematic drawing

程序設計的流程圖如圖6所示。

4）故障判斷與報警過程

路燈出現故障會對交通造成一定的影響，這就要求維修人員能夠第一時間到達現場排除故障。本系統能夠實時判斷路燈的狀態，出現故障時會發出聲光報警信號，并且在液晶屏上會顯示故障路燈的編號，可省去管理人員必須到現場才能判斷故障的麻煩。程序流程如圖7所示。

根據以上描述，全局控制的流程如圖8所示。

4 系統仿真測試

仿真測試主要是對功能指標的測試[6]。各項指標測試結果如表1所示。

通過以上數據分析，可得出本設計完全符合設計的所有要求，實現了模擬路燈控制系統。

5 結 論

圖6 自動控制流程圖Fig.6 Automatic control flow chart

圖7 故障判斷流程圖Fig.7 Breakdown judgment flow chart

該控制系統是采用單片機實時控制，主要由4個模塊組成，第1個模塊為支路控制器，能適時讀取時鐘芯片的信息并顯示，能對來自紅外對管、光敏器件的監測信號進行處理并控制其他電路；第2個模塊為單元控制器，負責接收支路控制器發出的控制指令并監測移動物體將信息、路燈狀態信息傳給支路控制器做判斷，從而控制LED燈的開關；第3個模塊為輸入、顯示裝置，是對系統工作狀態以及用戶更改設置、直觀顯示、人機交互的作用。作為控制執行部件，廣泛應用于自動控制和精密機械等領域，尤其在需要精確定位時應用得更為廣泛。

圖8 全局控制流程圖Fig.8 Overall situation control flow chart

表1 控制系統測試結果Tab.1 Test result of control system

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