基于單片機(jī)的多功能路燈設(shè)計(jì)

王 宇,劉福華,黨宏濤,林柏宇,宋振凱,朱 浩

(西京學(xué)院,陜西 西安 710123)

0 引言

路燈的作用是當(dāng)外界的光照強(qiáng)度弱到影響人們的視野時(shí),路燈開(kāi)啟,給人們帶來(lái)光亮。國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)所采用的控制方式都是以定時(shí)來(lái)進(jìn)行控制,這種控制方式靈敏度太低,無(wú)法應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的變化,如夏季與冬季的晝夜長(zhǎng)短不一樣,夜晚來(lái)臨的時(shí)間不恒定[1]。要想實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的精準(zhǔn)控制,就要直接以外界光照強(qiáng)度為被控量,對(duì)路燈進(jìn)行精準(zhǔn)控制。設(shè)計(jì)人員可以在路燈原有的照明功能外,加入環(huán)境檢測(cè)功能,對(duì)周圍空氣中的溫度、濕度、PM2.5濃度進(jìn)行檢測(cè),若周圍的空氣質(zhì)量差,還能進(jìn)行簡(jiǎn)單的環(huán)境治理。

1 整體方案設(shè)計(jì)

1.1 控制方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為控制芯片,通過(guò)光照度傳感器,根據(jù)外界光照強(qiáng)弱的變化來(lái)向單片機(jī)發(fā)送信號(hào),在手動(dòng)控制的基礎(chǔ)上加上智能控制,提高了路燈的節(jié)能性。同時(shí),本設(shè)計(jì)又利用了溫濕度傳感器、粉塵傳感器對(duì)周圍環(huán)境的濕度、溫度、PM2.5濃度進(jìn)行檢測(cè),并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)顯示在LCD1602液晶顯示屏上。通過(guò)單片機(jī)的控制,當(dāng)粉塵數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定的閾值,水泵就會(huì)啟動(dòng),噴出微小水霧,達(dá)到抑塵的效果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單片機(jī)就是在一片半導(dǎo)體硅片上,集成了中央處理單元(CPU)、存儲(chǔ)器(RAM,ROM)、并行I/O、串行I/O、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時(shí)鐘電路及系統(tǒng)總線,用于測(cè)控領(lǐng)域的單片微型計(jì)算機(jī),簡(jiǎn)稱單片機(jī)[2]。本設(shè)計(jì)的控制器是單片機(jī),其主要作用是采集各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并對(duì)其他模塊進(jìn)行控制。它的工作過(guò)程是通過(guò)從各檢測(cè)模塊來(lái)采集所需要的信息,并通過(guò)所采集的信息來(lái)控制其他模塊。

1.2 系統(tǒng)的控制方式

多功能路燈控制系統(tǒng)的控制方式分為兩種:自動(dòng)控制方式和手動(dòng)控制方式。

(1)自動(dòng)控制方式。自動(dòng)控制方式是路燈通過(guò)外界光照度的變化來(lái)進(jìn)行自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈的運(yùn)行方式。其思路是,只有當(dāng)外界的光照強(qiáng)度低到足以影響到人們視物的時(shí)候,路燈才會(huì)被點(diǎn)亮,為人們帶來(lái)光明。多功能路燈控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心,通過(guò)光照度傳感器來(lái)對(duì)外界光照數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,設(shè)置一個(gè)定制。當(dāng)采集到的光照度低于這個(gè)定值時(shí),燈光開(kāi)啟;當(dāng)采集到的光照度超過(guò)這個(gè)定制時(shí),燈光則自動(dòng)關(guān)閉,這便是多功能路燈控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制方式。

在系統(tǒng)運(yùn)行正常情況下,多功能路燈控制系統(tǒng)主要是以自動(dòng)控制方式運(yùn)行。系統(tǒng)通過(guò)光照度傳感器采集光強(qiáng)數(shù)據(jù)并加以分析,實(shí)時(shí)對(duì)路燈進(jìn)行控制[3-4]。

(2)手動(dòng)控制方式。手動(dòng)控制方式是在操作系統(tǒng)中,設(shè)置一個(gè)切換開(kāi)關(guān),可自行切換自動(dòng)控制和手動(dòng)控制,再設(shè)置一個(gè)手動(dòng)開(kāi)關(guān),人們可以通過(guò)手動(dòng)操作來(lái)控制路燈的開(kāi)關(guān)燈。這種情況一般是為了應(yīng)對(duì)出現(xiàn)的緊急狀況或者進(jìn)行維修調(diào)試的時(shí)候,才使用手動(dòng)控制方式。

2 檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)與選型

2.1 光照檢測(cè)模塊

光照檢測(cè)模塊由GY-30光照度傳感器組成,其作用是對(duì)外界的光照數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。GY-30光照度傳感器是一款基于IIC通信的16bit的數(shù)字型傳感器,其特點(diǎn)是光譜范圍類似于人眼,對(duì)光源的依賴性不大,而且無(wú)須任何外部零件,所以本設(shè)計(jì)選擇GY-30光照度傳感器作為光照檢測(cè)模塊。

2.2 溫濕度檢測(cè)模塊

溫濕度檢測(cè)模塊由DHT11數(shù)字溫濕度傳感器組成,其作用是對(duì)外界的溫度和濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一種復(fù)合傳感器,它是由電阻式感濕元件和NTC測(cè)溫元件組成,選擇DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是因?yàn)槠渚哂畜w積小、功耗低、響應(yīng)快、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 PM2.5濃度檢測(cè)模塊

PM2.5濃度檢測(cè)模塊由灰塵傳感器YW-51組成,其作用是檢測(cè)空氣中的粉塵濃度。因?yàn)閅W-51靈敏度高,響應(yīng)時(shí)間僅有10 ms,其性價(jià)比高,且高一致性可達(dá)+/-15%,具有高EMC性能。所以該系統(tǒng)選擇灰塵傳感器YW-51來(lái)檢測(cè)外界空氣中PM2.5的濃度。

2.4 液晶顯示屏模塊

液晶顯示屏模塊由LCD1602液晶屏組成,其作用是將系統(tǒng)采集到的溫度值、濕度值、光照數(shù)據(jù)以及PM值實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。選擇LCD1602液晶顯示屏的原因是其具有顯示質(zhì)量高、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

2.5 抑塵模塊

抑塵模塊選擇水泵、精細(xì)霧化噴頭以及紅外感應(yīng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)抑塵功能,紅外感應(yīng)器的作用是檢測(cè)噴灑范圍內(nèi)是否有人。在噴灑范圍內(nèi)無(wú)人的情況下,此功能才會(huì)啟動(dòng)。系統(tǒng)對(duì)采集到的PM2.5進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷,當(dāng)粉塵數(shù)據(jù)過(guò)高時(shí),水泵啟動(dòng),精細(xì)霧化噴頭就會(huì)噴出5微米的水霧,達(dá)到抑塵效果。

3 功能流程

系統(tǒng)進(jìn)行初始化,循環(huán)讀取PM2.5、溫濕度、光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù),然后將數(shù)據(jù)送至LCD1602顯示的同時(shí)再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、判斷以及處理。

對(duì)采集到的PM2.5值進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷,當(dāng)粉塵數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí),水泵啟動(dòng)進(jìn)行灑水抑塵。

通過(guò)按鍵判斷切換自動(dòng)模式與手動(dòng)模式。當(dāng)處于自動(dòng)模式時(shí),系統(tǒng)通過(guò)對(duì)外界采集的光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,設(shè)置一個(gè)算法閾值(此閾值設(shè)計(jì)為30 lux)。若光照強(qiáng)度小于30 lux,發(fā)光裝置啟動(dòng)。若光照強(qiáng)度大于30 lux,則發(fā)光裝置關(guān)閉。當(dāng)處于手動(dòng)模式時(shí),通過(guò)按鍵判斷來(lái)進(jìn)行開(kāi)關(guān)燈。功能流程如圖2所示。

圖2 功能流程

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了智能控制、環(huán)境檢測(cè)、灑水抑塵的功能。通過(guò)光照傳感器采集的光照數(shù)據(jù)對(duì)路燈進(jìn)行自動(dòng)控制,為了應(yīng)對(duì)緊急狀況,本設(shè)計(jì)還設(shè)置了手動(dòng)控制方式。