基于AT89C51的隧道智能調(diào)光系統(tǒng)的設(shè)計

肖廣兵 陳佳妮 孫寧 陳勇

摘? 要： 介紹了以AT89C51單片機為核心控制單元的隧道智能調(diào)光系統(tǒng)。該系統(tǒng)由交直流供電模塊、光照強度檢測模塊、AT89C51控制模塊、上位機管理系統(tǒng)、道路監(jiān)控等組成，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通訊。通過對隧道內(nèi)燈光照明的智能調(diào)控，使得光線在隧道內(nèi)呈均勻分布，以保障隧道內(nèi)車輛駕駛的安全性和舒適性。文章闡述了隧道智能調(diào)光系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方案。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對隧道內(nèi)外光線的檢測和智能控制，具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便等特點，能有效保障隧道路段的交通安全與通行能力。

關(guān)鍵詞： 隧道照明; 智能調(diào)光; AT809C51; 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP206.3? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）08-10-04

Abstract： The design of a tunnel lighting adjust system with AT89C51 is introduced， which includes AC/DC power module， illumination intensity detection module， AT89C51 microcontroller unit， PC administration system， real-time monitor， etc. It makes use of wireless sensor network to realize communication. The design of the systems software and hardware is introduced， which realizes the detection of the light change inside and outside the tunnel， and the intelligent control. The system has the characteristics of simple structure， convenient operation and so on， and can effectively ensure the traffic safety and traffic capacity in tunnel.

Key words： tunnel lighting; intelligent light-control; AT89C51; wireless sensor network

0 引言

隧道洞口光線的突變常會導(dǎo)致駕駛員出現(xiàn)視物不清的情況，易引發(fā)交通事故。因此，隧道口照明需要亮度漸變的過程，同時能夠自適應(yīng)外界光照變化。隨著技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有一部分隧道將無線控制終端應(yīng)用于隧道照明中[1]。然而絕大多數(shù)隧道出入口段仍依靠人工或分時段調(diào)控隧道燈亮度，這很大程度上限制了照明的靈活性[2]。王毅豪等將洞口照度作為分析參數(shù)，進行控制策略算法處理，從而下發(fā)控制指令。該系統(tǒng)以一定區(qū)域作為調(diào)光的單元，連接處容易產(chǎn)生反差，不能完全做到平穩(wěn)過渡[3]。智能化照明是隧道工程研究的重要方向[4]，本文設(shè)計隧道智能調(diào)光系統(tǒng)，通過光敏電阻檢測外界明暗變化，數(shù)據(jù)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機進行分析、決策，及時下達亮度調(diào)控指令，最后單片機利用脈沖寬度調(diào)制達成無極調(diào)節(jié)LED燈源亮度的目的。相對于傳統(tǒng)的隧道照明，智能化調(diào)節(jié)隧道燈亮度可以自適應(yīng)外界明暗的變化，及時更改洞口亮度，降低了黑洞效應(yīng)致交通事故的概率，解決了人工與分時段調(diào)節(jié)的麻煩和時片大小問題，具有成本低，能耗少等優(yōu)點[5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

隧道智能調(diào)光系統(tǒng)由交直流供電模塊、光照強度檢測模塊、AT89C51控制模塊、上位機管理系統(tǒng)、道路監(jiān)控等組成，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和燈光的調(diào)控。

照明燈的工作電源由220伏的交流電直接提供，通過整流電路轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姙閱纹瑱C供電。光照檢測系統(tǒng)對外界光線變化實時監(jiān)控，單片機通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將接收到的數(shù)據(jù)傳送至PC終端，終端通過采集到的光照、天氣、車流量等進行模糊計算制定方案，調(diào)節(jié)指令返回單片機[6]。AT89C51單片機接收到指令后，在現(xiàn)有亮度基礎(chǔ)上利用脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)光法加強或減弱燈源亮度，實現(xiàn)無極調(diào)控隧道燈亮度[7-8]。當隧道內(nèi)外亮度差值過大，觸發(fā)警報系統(tǒng)，由自動控制模式轉(zhuǎn)為手動操控。智能調(diào)光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 供電模塊設(shè)計

AT89C51模塊正常工作電壓一般為4.5-5.5V的直流電壓，而LED燈源連接使用220V的交流電。因此要將220V交流電分為兩路，一路為隧道照明燈供電，另一路先通過變壓器220：9轉(zhuǎn)變?yōu)?V的交流電，在經(jīng)過整流橋堆輸出直流電，電容濾波后經(jīng)過集成穩(wěn)壓塊LM7805得到+5V的直流電。設(shè)置輸入端和輸出端濾波電容C1/C2，可以使電子電路的工作性能更加穩(wěn)定，同時降低了交變脈動波紋對電子電路的干擾，限流電阻R1防止線路電流過大燒壞元器件，線路布置如圖2。

2.2 AT89C51控制模塊

AT89C51是一款帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，該模塊包含的引腳功能有32個I/O口線，2個16位定時/計數(shù)器，6個中斷源，它為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案[9]。

圖3是AT89C51的電路設(shè)計。單片機的晶振范圍為0-24MHz，該系統(tǒng)選擇12MHz。由亮度強弱變化產(chǎn)生的光敏電阻信號由AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后串行發(fā)送到RXD接口（串行輸入口），單片機將信息通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機，上位機對處理后的亮度數(shù)據(jù)進行分析，將作出的決策返回單片機，由單片機控制燈源供電部分脈沖寬度從而增減光線強弱。

2.3 光照強度檢測模塊

光敏電阻能感知細微的光線變化，在無光照時，呈高阻狀態(tài)，隨著光照強度的增大，阻值降低。如果要讀出精準的亮度值就需要將光敏電阻兩端的電壓接入LM358雙運算放大器（如圖4），利用ADC0809將電壓的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量傳送至單片機輸入端[10]。LM358內(nèi)部有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)倪\算放大器，適用于所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

上位機軟件控制平臺采用Visual Basic6.0 軟件開發(fā)設(shè)計，界面的總體搭建模塊來源于VB軟件中的窗口控件。

如圖5所示，系統(tǒng)主界面主要由亮度、控制、天氣及設(shè)置四個部分組成，所對應(yīng)的功能分別是外部光線變化趨勢圖;隧道燈的控制模式;外界天氣情況的實時監(jiān)測;軟件界面調(diào)整。圖5右上角三個按鈕依次為報警器關(guān)閉按鈕、退出登錄按鈕、路況監(jiān)控按鈕。而一旦外界與隧道入口段亮度差值超過極限，立即觸發(fā)警報，需要手動關(guān)閉調(diào)節(jié)照明方案。

如圖6所示，該系統(tǒng)軟件的核心在于亮度的調(diào)控，即能夠通過外界光照強度，依據(jù)光學(xué)公式計算入口燈光合適的亮度，從而實現(xiàn)自動化的調(diào)整。外部信息除去光線變化外，還包含天氣實時更新、車流量監(jiān)控檢測等，管理人員可在自動化調(diào)光和人工調(diào)光中進行自動切換，依據(jù)天氣、車流量等信息合理安排[11]。該軟件分用戶和管理員兩個權(quán)限，用戶具有瀏覽的資格，管理員具備更改軟件設(shè)置和下達指令的權(quán)利。

圖7是燈光的控制方案，其中Lth為經(jīng)過光學(xué)公式計算后得到的入口段亮度，k取對應(yīng)的入口段亮度折減系數(shù)，Lmin和Lmax是人工設(shè)定的最大最小亮度值，避免調(diào)整后出現(xiàn)過暗視野不清或過亮眩暈的情況。人工調(diào)整下的δ表示天氣、車流量等因素引起的差值，調(diào)整值經(jīng)過無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給單片機，單片機調(diào)整占空比實現(xiàn)隧道燈亮度的控制。

圖8左側(cè)是亮度調(diào)節(jié)的參數(shù)，最大/小值人為提前設(shè)定，避免燈光過亮引發(fā)眩暈或過暗無法保障視線清晰。推薦值為電腦計算所得最恰當亮度，自動調(diào)光狀態(tài)選取該值作為調(diào)節(jié)值，人工控制依據(jù)車流量、天氣等因素進行上下調(diào)節(jié)。圖9右側(cè)控制單個隧道燈明/滅，在保證光照調(diào)節(jié)值的前提下，使用盡可能少的隧道燈，隧道燈的工作狀態(tài)遵循輪換原則，從而提高燈的使用壽命。

考慮到大氣能見度會受氣象條件變化影響明顯，在特殊天氣情況下人工調(diào)整公式中的δ值變大，圖9界面為人工控制提供參考數(shù)據(jù)，實時更新天氣狀況，保障了調(diào)整方案的可靠性。

4 結(jié)束語

本文利用AT89C51模塊實現(xiàn)了隧道燈的智能化調(diào)節(jié)功能，將自動控制技術(shù)應(yīng)用到隧道照明系統(tǒng)中，減少了人工管理的繁瑣。該設(shè)計方案控制簡單，緊急情況下可以自控與人工靈活切換，妥善處理各類隧道照明問題。AT89C51外圍電路簡單，性價比高，能滿足一般的使用要求，可以方便的在其他應(yīng)用中實踐。本文僅考慮人眼的舒適性，而如今節(jié)能是隧道研究的重要方向，所以，節(jié)能基礎(chǔ)上的智能調(diào)光是進一步的研究目標。

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