基于單片機的節能型路燈控制系統設計

廖桂發　黎文展　楊保海

【摘要】為了解決現有路燈無法持續光亮，耗能大，較單一的控制路燈光亮的問題，同時避免不必要的浪費，基于單片機的節能型路燈控制系統設計，實現了有效控制路燈光亮，同時節約太陽能能源，實現有需必應的智能路燈。這一系列系統有時鐘、光、聲控和太陽能小模塊，主控制器為89系列單片機，可通過定時系統開啟路燈工作模式，也可通過環境光照程度控制路燈光亮程度，也可聲控路燈光亮。

【關鍵詞】定時 聲控 光控 太陽能 智能

1緒論

隨著社會的發展，如今提倡節約型社會和智能生活，本文就是論述節能以及智能路燈。路燈現在已經普及全國，路燈作為城市街道和農村道路的基本設施之一，不僅為路人、車輛提供了有效幫助，還使街道以及農村道路得到了形象美化。路燈雖然帶來了諸多便利，但同時也消耗了大量資源，因此節能路燈應運而生。

2系統設計

系統具體要求：路燈控制器有時鐘功能，通過時鐘功能來讓蓄電池工作提供電量;路燈控制器能根據環境的明亮程度來控制路燈的光亮程度，從而減少不必要的電量浪費;路燈控制器還能根據路人提供的聲響來控制路燈的光亮程度，從而減少不必要的電量浪費;當蓄電池低于20%時，就通過聲控來控制路燈的亮：太陽能電池能有效的存儲電能，避免電量的消耗。

系統設計思路：首先通過時鐘計時確定路燈工作時間，例如每天晚上6點半路燈開始工作，次日7點路燈結束工作。在路燈工作的時候，首先是光控電路控制路燈的光亮程度，當路燈處于較黑暗環境，也就是趨于穩定的黑暗環境時（夜已完全黑下來），路燈將通過聲控來控制路燈的光亮程度。當天亮程度有所變換時，將通過光控來控制路燈光亮程度，實現節能。但時長到一定程度時，時鐘系統將控制路燈是否工作來關閉路燈。當蓄電池電量低于20%時，就只啟動另一個聲控系統，聲音作為開關，控制路燈亮滅，從而確保路燈的智能工作，達到節約資源的作用。

基于以上系統要求和設計思路，設計的系統設計流程圖如圖1所示：

圖1 系統流程圖

2.1時鐘系統

數字鐘由中小規模集成電路構成，可以顯示時、分、秒，并添加1HZ標準脈沖信號（晶振產生），“秒”和“分”是按60進制計數器，“時”是按24進制計數器。所以時分秒是24小時制，數字鐘還有校時功能，時和分單獨校時，校對其中一個的同時停止對另一個進位。數字時鐘電路包括譯碼顯示器，555定時器和時、分、秒計數器三個子電路，干路系統則由秒信號發生器以及數字時鐘電路組成。

首先由555定時器產生一個1秒的震蕩信號，再用74LS90芯片用異步清零法分別組成六十進制的秒和分計數器和二十四進制時計數器。產生CP脈沖是由555定時器的輸出作為秒計數，把秒計數器六十進位輸出作為分計數器的CP脈沖，把分計數器地進位輸出作為時計數器的CP脈沖。秒信號產生器是整個計時時鐘最重要的部分，計時系統的準確性靠它實現，最主要的是分頻器和石英晶體振蕩器。流程為：1.555定時器的秒信號輸入秒計數器中，2.以60秒為單位將信號發送到分計數器，依此類推。3.再由譯碼器輸出到顯示器上。

2.2光控系統

光敏電阻器是一種由半導體制作的電阻，采用光敏效應原理實現，其阻值和射光的強度變化有關。光敏電阻器是由半導體材料硫化鎘或硒化鎘等制成的特殊電阻器，工作原理是內光電效應。光照越強，阻值越低，隨著光照強度的升高，電阻值就會隨之降低，亮電阻值可以降到幾歐以下。光敏電阻對光線十分敏感，在無光照時暗電阻一般可達2兆歐。摻雜型光敏電阻現在很多地方多會用到。光敏電阻器的阻值可根據光照在數千歐到數兆歐之間調節。入射光消失后，光敏電阻產生的信號不為主要控制信號，當環境到一定的黑暗程度不發生變化時就可以關閉光控系統，由聲控系統控制路燈。

該系統采用的光控開關原理圖2：

圖2 光控開關原理圖

2.3聲控系統

震動產生聲音，聲音在空氣中傳播，遇到固體時就會傳導。當電量充足時，利用對聲音敏感的聲控元件來控制燈，其阻值隨著聲音的變化而變化。夜晚來臨的時候，因光敏阻止變大，此時有聲音，聲控產生電信號，多級的放大電路將此信號放大，最后閘管導通，然后路燈就會變更亮。在晶閘管電路中增加阻容放電電路，作為延時電路。當電容器中電荷逐漸減少的時候，此時燈泡就會慢慢變暗。

當電量不足20%時，啟動另一套控制方式。聲控電路直接控制路燈的亮滅，而無須經過延時電路，以達到省電的效果，從而將路燈的照明壽命延長，達到省電的目的。

該系統采用如圖3所示的兩種聲控方式：

圖3聲控模式圖

2.4太陽能蓄電系統

太陽能是利用半導體材料具有的光電效應原理，將太陽能轉換成能夠使用電能的裝置。白天由總控制器將太陽能轉化為電能向蓄電池組充電，當路燈受時鐘系統控制開啟時，蓄電池可以提供負載。增加直流保護元件，保證蓄電池在任何場景都能保持良好的狀態。總控制器是組成太陽能路燈照明控制系統的核心部分，它的功能效果直接影響著太陽能路燈的光照使用。

總控制器是Atmega48單片機。蓄電池是儲存電壓，將標準電壓供給電路和電壓采集電路。電壓采集電路的作用是識別太陽光線的強弱以及將其轉化為蓄電池的電壓儲存起來使用，它主要由蓄電池電壓采集電路和太陽能電池板組成。Atmega48是低功耗CMOS的8位單片機芯片基于AVR RISC構架的，芯片的硬件接口電路豐富強大并且內置大容量存儲器，它的特點和高檔單片機相差無幾，但因為采用了小引腳封裝，所以其價格較低廉。

太陽能蓄電系統模塊，如圖4：

圖4 太陽能蓄電模塊圖

2.5核心結構系統

通過核心結構把時鐘系統、光控系統、聲控系統和太陽能蓄電結構系統合并在一起，使得時鐘系統得以控制路燈的工作狀態，光控系統受環境影響，光亮程度不同，且當環境穩定時，光控系統進入休眠狀態，聲控系統啟動，光亮程度受聲音大小控制。其中太陽能蓄電池責提供電能，是路燈工作的動力來源，同時當電量低于等于20%時則轉換另一個聲控電路，可通過聲音控制路燈亮滅，從而達到節能，同時也能方便照亮路人。把這些結合起來需要89系列的單片機來控制其的工作狀態，提高工作效率。如圖5：

圖5 核心結構系統圖

3分析與結論

現在農村道路的路燈多為太陽能發電的，且從黑夜一直亮到天亮，這種單一的運行路燈比較耗費自身能源，且不利于保護自身，也給路人帶來了一定的麻煩，比如電量不足時光照不明所帶來出行的不便，即不能及時給路人照明。在城鎮道路亦是如此不能及時照明，同時也沒能帶來美麗的夜景。而現在這款路燈的設計為節約自身能源帶來便利，同時也更智能化，增加了蓄電池的使用時長，使路燈得以高效工作。