城市智能路燈節能控制系統研究

摘要：隨著社會的高速發展，城鄉一體化逐步實現。在此背景下，道路照明需求越來越大，全國路燈的用電總量逐年增長，巨大的電能消耗加重了日常生活用電壓力和環境污染。針對深夜人車稀少，但是路燈依舊全亮造成資源嚴重浪費的情況，應用傳感器和單片機技術設計智能路燈節能控制系統，其能根據光線強弱和特定的時間段對路燈進行自動化控制和人性化管理，從而有效節約電能，避免浪費。

關鍵詞：節能；控制系統；傳感器；單片機

中圖分類號：TP212.1 文獻標識碼：A

0 引言

隨著社會發展和科技進步，城市照明系統正經歷智能化轉型。傳統高壓鈉燈因能耗高、光效低、維護成本大等問題逐漸被節能環保的發光二極管（light-emitting diode，LED）燈取代。為進一步提升能源利用效率，通過集成傳感器和單片機等，構建了智能路燈節能控制系統，其能根據光線強弱和特定的時間段對路燈進行自動化控制，從而實現了按需照明和精細化管理。

根據全國電力協會的統計數據，2023年全國路燈的用電總量已經達到了400多億千瓦時，而且這個數字仍在持續增長。按時間對亮燈方式進行控制，若從零時至5：00這段時間采用隔盞點亮的方式，每年可節省100多億千瓦時的電量。

針對這一情況，本文設計了一種成本低、易實現的智能路燈節能控制系統。該系統的主要實現方式：白天5：00—19：00采用光控，根據光線情況對路燈進行自動控制；晚上采用定時控制，

19：00—24：00控制所有路燈全亮；零時至5：00采用隔盞點亮的方式，一半路燈亮，另一半路燈滅，具體的時間段可根據不同地區的需要進行靈活調節。這種控制方式既保證了路燈照明的基本需求，又成功降低了能源消耗。

1 智能路燈節能控制系統的電路組成及工作原理

1.1 電路組成

智能路燈節能控制系統電路如圖1所示，它由編程控制器、時鐘電路、復位電路、按鍵控制電路、數碼顯示電路、光控電路、輸出控制電路和電源電路組成。

（1）編程控制器。編程控制器U1采用AT89C52芯片，它是一個低電壓、高性能且具有40個引腳的CMOS 8位單片機，內含8 kB的可編程可擦寫的只讀存儲器（programmable erasable read-only memory，PEROM）和256 B的隨機存取存儲器（random access memory，RAM）[1]。該器件具有密度高、功能強大等優點，且采用了非易失性存儲技術，在外部電路的協助下，完全滿足系統的設計要求。

（2）時鐘電路。該電路由AT89C52芯片、芯片18和19引腳（XTAL1、XTAL2）外接的頻率為12 MHz的晶體振蕩器X1以及兩個陶瓷電容C1和C2組成。該電路采用片內振蕩方式，為編程控制器提供基準的時鐘信號[2]。

（3）復位電路。采用陶瓷電容C3和電阻R1構成最簡單的上電復位電路，然后將其連接至編程控制器U1的RST復位輸入端。在系統接通和斷開電源的瞬間，利用C3的充放電過程，實現對U1的復位。

（4）按鍵控制電路。該電路主要由自鎖開關SW1和兩個按鍵開關S1、S2構成，它們分別與U1的接口P2.5、P2.6、P2.7相連接。S1、S2用來設置定時器運行的時間，而SW1是一個檢修開關。當SW1閉合，P2.5輸出低電平，編程控制器U1的輸出端（P1.0、P1.1、P1.2、P1.3）均輸出低電平，導致繼電器Q6至Q9導通，進而控制接觸器KM1至KM4工作，最終使得所有路燈全亮；反之當SW1斷開，路燈的亮熄情況由編程控制器U1根據時間和光控電路的具體情況來決定。

（5）數碼顯示電路。該電路能夠顯示定時器的時間，由四位一體的共陽極數碼管以及與之相對應的動態顯示驅動電路組成。驅動電路由Q2、Q3、Q4、Q5、D6C以及電阻R8至R11組成，而驅動管采用普通三極管9012。

（6）光控電路。該電路由Q1、D5、R5、R6、R7組成，主要功能為調節感光臨界點。其中，Q1為三極管9014，D5為光敏二極管，R7為微調電阻。在光線較強的情況下，D5兩端的電阻較小，經R5、R7、D6分壓后的Q1基極電壓Vb1降低，三極管Q1截止，P2.4輸出高電平；反之則Q1導通，P2.4輸出低電平，編程控制器U1根據時間以及光控電路按照天氣明暗程度反饋的信息決定路燈的亮熄[3]。

（7）輸出控制電路。該電路由繼電器Q6至Q9、控制器KM1至KM4和電阻R1至R4組成。其中，Q6至Q9采用驅動三極管9012，KM1至KM4采用直流5 V/5 A的繼電器，以實現小電流控制大電流[4]。在設計輸出控制電路時可以根據路燈負載情況，選擇合適的接觸器，再驅動路燈。

（8）電源電路。該電路主要由變壓器TR1、整流電路BR1、濾波電路以及穩壓電路組成，其主要功能是為系統電路提供穩定的5 V直流電源。其中，TR1為 220 V/6 V，5 W的變壓器，BR1是由

4個1N4001二極管接成的橋式整流（bridge rectifier，BR）電路，而U2則是一個型號為AN7805的三端穩壓器。

1.2 工作原理

通電后，在電容C3和電阻R1的共同作用下，編程控制器U1的RST復位端的電平由高變低，從而觸發U2完成復位過程。同時，一個頻率為

12 MHz時鐘電路開始振蕩，為編程控制器U1提供基準的時鐘信號。編程控制器按照預先編寫的程序，結合按鍵控制電路和光控電路的輸出狀態，有規律地運行。其具有3種工作模式。

（1）日間光控模式：系統在5：00—19：00采用光控，根據光線情況對路燈進行自動控制。當光線較強時，光敏二極管D5兩端的電阻較小，三極管Q1截止，P2.4輸出高電平，編程控制器U1輸出端（P1.0、P1.1、P1.2、P1.3）均輸出高電平，導致繼電器Q6至Q9截止，最終使路燈L1至L4全部熄滅；反之則Q1導通，P2.4輸出低電平，編程控制器U1輸出端（P1.0、P1.1、P1.2、P1.3）均輸出為低電平，導致Q6至Q9導通，從而控制接觸器KM1至KM4工作，使路燈L1至L4處于亮燈狀態。

（2）夜間全亮模式：在19：00—24：00，編程控制器U1輸出端（P1.0、P1.1、P1.2、P1.3）均輸出低電平，導致Q6至Q9導通，從而控制接觸器KM1至KM4工作，使路燈L1至L4處于亮燈狀態。

（3）夜間節能模式：在零時至5：00，編程控制器U1輸出端P1.0、P1.2輸出為低電平，而P1.1、P1.3則輸出高電平，繼電器Q6、Q8導通，而Q7、Q9截止，此時馬路兩旁的路燈隔盞點亮，即有一半路燈亮，另一半路燈滅，當然具體的時間段可根據需要通過修改設計程序來實現。這種控制方式既保證了路燈照明的基本需求，又達到了節約電能的目的。

2 程序設計

本程序采用C語言進行編寫，分別用全局變量sec、min、hou來表示時間的秒、分、時[5]。通過每50 ms調用一次定時器中斷函數，實現計時，并在此中斷服務程序中統一處理輸入信號，包括按鍵和傳感器輸入信號。在主函數main（）中，一方面通過do{}while（1）語句調用disnum（）函數來逐位顯示當前時間；另一方面根據當前的時間與各控制量，通過if判斷語句控制4路路燈的點亮與熄滅。路燈3種工作模式的程序設計如下。

（1）夜間全亮模式。當SW1閉合時，P2.5輸出低電平，“P1=0x00”。其中“00”為十六進制數，代表編程控制器U1的輸出端（P1.0、P1.1、P1.2、P1.3）均輸出低電平，此時輸出控制電路工作，路燈全亮。

（2）夜間節能模式。在零時至5：00，“P1=0xfa”。其中“fa ”轉化為二進制數的“11111010”，代表編程控制器U1的輸出端“P1.0、P1.2”均輸出低電平，而“P1.1、P1.3”輸出高電平，此時只有一半路燈點亮。

（3）日間光控模式。在5：00—19：00，“P1=light？0xff：0x00”。變量light表示自然光線的強弱，其邏輯值由外部光敏二極管的阻值變化來控制。根據light的邏輯值控制P1的輸出。即當light為真（true）時，P1的值為“ff”，此時P1.0、P1.1、P1.2、P1.3輸出高電平；當light為假（1）時，P1的值為“00”，此時P1.0、P1.1、P1.2、P1.3輸出低電平。

主要源程序如下：

#include lt;REGX51.Hgt;" " " //頭文件

#include lt;intrins.hgt;" " "http://頭文件

unsigned char code dis_code[11]={0xc0，0xf9，0xa4，0xb0，// 0，1，2，3

0x99，0x92，0x82，0xf8，0x80，0x90，0xff}；// 4，5，6，7，8，9，off

//用數組dis_code[]來記錄顯示由0到9的七段數碼管字模

unsigned char sec=0，min=0，hou=12，timecount=0，oldP1=0xff，setting=0，lt=0；

bit point=1，K1_old，K2_old，light=1；

sbit" K1=P2^7；" " " "http://設置時鐘

sbit" K2=P2^6；" " " "http://設置時鐘

sbit" K3=P2^5；" " " "http://強制開燈開關

sbit" K4=P2^4； //外部光敏二極管感應光線亮度輸入的邏輯值

void time50ms（void）；

void delay2ms（void）；

void timedeal（void）；

void disnum（unsigned char num，unsigned char locate）；

void main（void）

{

unsigned char num；

IE=0x82；" " "http://允許定時器0工作

TMOD=0x01；" "http://timer0為模式1

TR0=1；" " " "http://定時器0可以工作

TH0 = 0x3c；TL0 = 0x0b0；" //定義定時器初值（晶振頻率為12 MHz）

//定時器中斷時間為50 ms

}

3 調試與使用方法

3.1 調試

本系統的調試分為軟件調試和硬件調試兩個部分。軟件調試主要根據系統要求進行編程、仿真，不斷修改完善編程程序。由于光控電路在臨界點易出現頻繁動作，為了使系統穩定工作，本程序設置了對K4的邏輯計數機制，只有當K4的值發生變化且這種變化狀態超過20×50 ms后，才會對變量light執行邏輯取反操作，以此來彌補硬件的不足。在硬件調試方面，先把電源電路與主電路分開，調節電源電路使其輸出穩定的5 V直流電壓，再接通主電路的電源。由于本電路對元件參數的精度要求不高，只要按圖進行焊接裝配，就能使電路按編寫的程序運行。需要微調的器件僅有R7，通過調節R7的阻值可以調節光控電路的動作臨界點。

3.2 使用

系統面板上設有一個四位一體的數碼管，用于顯示現行時間和校正時間，在它下方設有3個開關S1、S2和SW1。其中，S1、S2用于設置時鐘，按一下S1，若分鐘位數閃動則說明此時處于調節狀態，則按住S2進行分鐘數的調整，同理，可調整小時數，調整好后，再按一下S1，單片機進入計時狀態，數碼管顯示現行時間。面板的正下方設置了光控電路取樣光源的窗口，在5：00—19：00，路燈的亮滅由窗口光線的明暗情況決定。SW1是檢修開關，按下SW1，所有的路燈全亮。

4 結語

本文基于傳感器技術與單片機技術構建了一種城市智能路燈節能控制系統，該系統具有3種工作模式，分別是日間光控模式、夜間全亮模式和夜間節能模式，經過軟件和硬件的設計及反復調試，達到了節約電能的目的。系統體積小、成本低、應用方便，能滿足不同類型的照明需求，對于功率較小的負載，可直接應用本電路的繼電器進行直接控制；對于功率比較大的負載，可在本電路的繼電器后面再接上接觸器，以小電流來驅動大電流，滿足大功率負載的需求。

參考文獻

[1] 朱永金，成友才. 單片機應用技術：C語言[M]. 2版. 北京：中國勞動社會保障出版社，2013：1-10.

[2] 匡忠輝. 單片機原理及應用[M]. 北京：機械工業出版社，2007：2-25.

[3] 鐘柱培. 傳感器技術及應用[M]. 2版. 北京：高等教育出版社，2020：21-41.

[4] 謝文和，劉蕊. 傳感器技術及其應用[M]. 2版. 北京：高等教育出版社，2009：32-93.

[5] 朱文忠，蔣華龍. 單片機原理與應用技術[M]. 北京：電子工業出版社，2017：6-33.