基于單片機(jī)的節(jié)能型路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廖桂發(fā)　黎文展　楊保海

【摘要】為了解決現(xiàn)有路燈無(wú)法持續(xù)光亮，耗能大，較單一的控制路燈光亮的問(wèn)題，同時(shí)避免不必要的浪費(fèi)，基于單片機(jī)的節(jié)能型路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了有效控制路燈光亮，同時(shí)節(jié)約太陽(yáng)能能源，實(shí)現(xiàn)有需必應(yīng)的智能路燈。這一系列系統(tǒng)有時(shí)鐘、光、聲控和太陽(yáng)能小模塊，主控制器為89系列單片機(jī)，可通過(guò)定時(shí)系統(tǒng)開(kāi)啟路燈工作模式，也可通過(guò)環(huán)境光照程度控制路燈光亮程度，也可聲控路燈光亮。

【關(guān)鍵詞】定時(shí) 聲控 光控 太陽(yáng)能 智能

1緒論

隨著社會(huì)的發(fā)展，如今提倡節(jié)約型社會(huì)和智能生活，本文就是論述節(jié)能以及智能路燈。路燈現(xiàn)在已經(jīng)普及全國(guó)，路燈作為城市街道和農(nóng)村道路的基本設(shè)施之一，不僅為路人、車(chē)輛提供了有效幫助，還使街道以及農(nóng)村道路得到了形象美化。路燈雖然帶來(lái)了諸多便利，但同時(shí)也消耗了大量資源，因此節(jié)能路燈應(yīng)運(yùn)而生。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)具體要求：路燈控制器有時(shí)鐘功能，通過(guò)時(shí)鐘功能來(lái)讓蓄電池工作提供電量;路燈控制器能根據(jù)環(huán)境的明亮程度來(lái)控制路燈的光亮程度，從而減少不必要的電量浪費(fèi);路燈控制器還能根據(jù)路人提供的聲響來(lái)控制路燈的光亮程度，從而減少不必要的電量浪費(fèi);當(dāng)蓄電池低于20%時(shí)，就通過(guò)聲控來(lái)控制路燈的亮：太陽(yáng)能電池能有效的存儲(chǔ)電能，避免電量的消耗。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路：首先通過(guò)時(shí)鐘計(jì)時(shí)確定路燈工作時(shí)間，例如每天晚上6點(diǎn)半路燈開(kāi)始工作，次日7點(diǎn)路燈結(jié)束工作。在路燈工作的時(shí)候，首先是光控電路控制路燈的光亮程度，當(dāng)路燈處于較黑暗環(huán)境，也就是趨于穩(wěn)定的黑暗環(huán)境時(shí)（夜已完全黑下來(lái)），路燈將通過(guò)聲控來(lái)控制路燈的光亮程度。當(dāng)天亮程度有所變換時(shí)，將通過(guò)光控來(lái)控制路燈光亮程度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。但時(shí)長(zhǎng)到一定程度時(shí)，時(shí)鐘系統(tǒng)將控制路燈是否工作來(lái)關(guān)閉路燈。當(dāng)蓄電池電量低于20%時(shí)，就只啟動(dòng)另一個(gè)聲控系統(tǒng)，聲音作為開(kāi)關(guān)，控制路燈亮滅，從而確保路燈的智能工作，達(dá)到節(jié)約資源的作用。

基于以上系統(tǒng)要求和設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)流程圖

2.1時(shí)鐘系統(tǒng)

數(shù)字鐘由中小規(guī)模集成電路構(gòu)成，可以顯示時(shí)、分、秒，并添加1HZ標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)（晶振產(chǎn)生），“秒”和“分”是按60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，“時(shí)”是按24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。所以時(shí)分秒是24小時(shí)制，數(shù)字鐘還有校時(shí)功能，時(shí)和分單獨(dú)校時(shí)，校對(duì)其中一個(gè)的同時(shí)停止對(duì)另一個(gè)進(jìn)位。數(shù)字時(shí)鐘電路包括譯碼顯示器，555定時(shí)器和時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器三個(gè)子電路，干路系統(tǒng)則由秒信號(hào)發(fā)生器以及數(shù)字時(shí)鐘電路組成。

首先由555定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)1秒的震蕩信號(hào)，再用74LS90芯片用異步清零法分別組成六十進(jìn)制的秒和分計(jì)數(shù)器和二十四進(jìn)制時(shí)計(jì)數(shù)器。產(chǎn)生CP脈沖是由555定時(shí)器的輸出作為秒計(jì)數(shù)，把秒計(jì)數(shù)器六十進(jìn)位輸出作為分計(jì)數(shù)器的CP脈沖，把分計(jì)數(shù)器地進(jìn)位輸出作為時(shí)計(jì)數(shù)器的CP脈沖。秒信號(hào)產(chǎn)生器是整個(gè)計(jì)時(shí)時(shí)鐘最重要的部分，計(jì)時(shí)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性靠它實(shí)現(xiàn)，最主要的是分頻器和石英晶體振蕩器。流程為：1.555定時(shí)器的秒信號(hào)輸入秒計(jì)數(shù)器中，2.以60秒為單位將信號(hào)發(fā)送到分計(jì)數(shù)器，依此類(lèi)推。3.再由譯碼器輸出到顯示器上。

2.2光控系統(tǒng)

光敏電阻器是一種由半導(dǎo)體制作的電阻，采用光敏效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)，其阻值和射光的強(qiáng)度變化有關(guān)。光敏電阻器是由半導(dǎo)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(nèi)光電效應(yīng)。光照越強(qiáng)，阻值越低，隨著光照強(qiáng)度的升高，電阻值就會(huì)隨之降低，亮電阻值可以降到幾歐以下。光敏電阻對(duì)光線(xiàn)十分敏感，在無(wú)光照時(shí)暗電阻一般可達(dá)2兆歐。摻雜型光敏電阻現(xiàn)在很多地方多會(huì)用到。光敏電阻器的阻值可根據(jù)光照在數(shù)千歐到數(shù)兆歐之間調(diào)節(jié)。入射光消失后，光敏電阻產(chǎn)生的信號(hào)不為主要控制信號(hào)，當(dāng)環(huán)境到一定的黑暗程度不發(fā)生變化時(shí)就可以關(guān)閉光控系統(tǒng)，由聲控系統(tǒng)控制路燈。

該系統(tǒng)采用的光控開(kāi)關(guān)原理圖2：

圖2 光控開(kāi)關(guān)原理圖

2.3聲控系統(tǒng)

震動(dòng)產(chǎn)生聲音，聲音在空氣中傳播，遇到固體時(shí)就會(huì)傳導(dǎo)。當(dāng)電量充足時(shí)，利用對(duì)聲音敏感的聲控元件來(lái)控制燈，其阻值隨著聲音的變化而變化。夜晚來(lái)臨的時(shí)候，因光敏阻止變大，此時(shí)有聲音，聲控產(chǎn)生電信號(hào)，多級(jí)的放大電路將此信號(hào)放大，最后閘管導(dǎo)通，然后路燈就會(huì)變更亮。在晶閘管電路中增加阻容放電電路，作為延時(shí)電路。當(dāng)電容器中電荷逐漸減少的時(shí)候，此時(shí)燈泡就會(huì)慢慢變暗。

當(dāng)電量不足20%時(shí)，啟動(dòng)另一套控制方式。聲控電路直接控制路燈的亮滅，而無(wú)須經(jīng)過(guò)延時(shí)電路，以達(dá)到省電的效果，從而將路燈的照明壽命延長(zhǎng)，達(dá)到省電的目的。

該系統(tǒng)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(yáng)能蓄電系統(tǒng)

太陽(yáng)能是利用半導(dǎo)體材料具有的光電效應(yīng)原理，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成能夠使用電能的裝置。白天由總控制器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能向蓄電池組充電，當(dāng)路燈受時(shí)鐘系統(tǒng)控制開(kāi)啟時(shí)，蓄電池可以提供負(fù)載。增加直流保護(hù)元件，保證蓄電池在任何場(chǎng)景都能保持良好的狀態(tài)。總控制器是組成太陽(yáng)能路燈照明控制系統(tǒng)的核心部分，它的功能效果直接影響著太陽(yáng)能路燈的光照使用。

總控制器是Atmega48單片機(jī)。蓄電池是儲(chǔ)存電壓，將標(biāo)準(zhǔn)電壓供給電路和電壓采集電路。電壓采集電路的作用是識(shí)別太陽(yáng)光線(xiàn)的強(qiáng)弱以及將其轉(zhuǎn)化為蓄電池的電壓儲(chǔ)存起來(lái)使用，它主要由蓄電池電壓采集電路和太陽(yáng)能電池板組成。Atmega48是低功耗CMOS的8位單片機(jī)芯片基于AVR RISC構(gòu)架的，芯片的硬件接口電路豐富強(qiáng)大并且內(nèi)置大容量存儲(chǔ)器，它的特點(diǎn)和高檔單片機(jī)相差無(wú)幾，但因?yàn)椴捎昧诵∫_封裝，所以其價(jià)格較低廉。

太陽(yáng)能蓄電系統(tǒng)模塊，如圖4：

圖4 太陽(yáng)能蓄電模塊圖

2.5核心結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

通過(guò)核心結(jié)構(gòu)把時(shí)鐘系統(tǒng)、光控系統(tǒng)、聲控系統(tǒng)和太陽(yáng)能蓄電結(jié)構(gòu)系統(tǒng)合并在一起，使得時(shí)鐘系統(tǒng)得以控制路燈的工作狀態(tài)，光控系統(tǒng)受環(huán)境影響，光亮程度不同，且當(dāng)環(huán)境穩(wěn)定時(shí)，光控系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，聲控系統(tǒng)啟動(dòng)，光亮程度受聲音大小控制。其中太陽(yáng)能蓄電池責(zé)提供電能，是路燈工作的動(dòng)力來(lái)源，同時(shí)當(dāng)電量低于等于20%時(shí)則轉(zhuǎn)換另一個(gè)聲控電路，可通過(guò)聲音控制路燈亮滅，從而達(dá)到節(jié)能，同時(shí)也能方便照亮路人。把這些結(jié)合起來(lái)需要89系列的單片機(jī)來(lái)控制其的工作狀態(tài)，提高工作效率。如圖5：

圖5 核心結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖

3分析與結(jié)論

現(xiàn)在農(nóng)村道路的路燈多為太陽(yáng)能發(fā)電的，且從黑夜一直亮到天亮，這種單一的運(yùn)行路燈比較耗費(fèi)自身能源，且不利于保護(hù)自身，也給路人帶來(lái)了一定的麻煩，比如電量不足時(shí)光照不明所帶來(lái)出行的不便，即不能及時(shí)給路人照明。在城鎮(zhèn)道路亦是如此不能及時(shí)照明，同時(shí)也沒(méi)能帶來(lái)美麗的夜景。而現(xiàn)在這款路燈的設(shè)計(jì)為節(jié)約自身能源帶來(lái)便利，同時(shí)也更智能化，增加了蓄電池的使用時(shí)長(zhǎng)，使路燈得以高效工作。