楊 超 單 亮

智能路燈的設(shè)計(jì)與研究

楊 超 單 亮

該智能路燈控制系統(tǒng)分為系統(tǒng)控制部分、恒流源部分、液晶顯示部分、傳感器控制部分、負(fù)載(路燈)部分、外圍輔助部分。全系統(tǒng)以單片機(jī)控制部分為主題，利用液晶顯示部分分別顯示路燈的點(diǎn)亮?xí)r間和關(guān)閉時(shí)間以及計(jì)時(shí)顯示;系統(tǒng)由AT89C51進(jìn)行精密控制，通過(guò)時(shí)間設(shè)定、環(huán)境光強(qiáng)弱的變化、物體的運(yùn)動(dòng)方向自動(dòng)控制，電路工作時(shí)穩(wěn)流電源將電流保持恒定不變。

單片機(jī);智能路燈;恒流源

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)智能模塊，單片機(jī)通過(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)任意定時(shí)，同時(shí)單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)和驅(qū)動(dòng)顯示模塊，顯示器可用數(shù)碼管或者液晶顯示器，如果采用數(shù)碼管顯示占用單片機(jī)引腳多，做好用液晶顯示器，用傳感器來(lái)判斷有無(wú)物體(車(chē)輛)從路燈下走過(guò)，如果有傳感器接受到判斷信息，向單片機(jī)傳輸信號(hào)，通過(guò)執(zhí)行相應(yīng)程序控制路燈的點(diǎn)亮或熄滅。

一 系統(tǒng)方案的選擇

1.智能元件選擇。智能元件在該設(shè)計(jì)中起到主要控制作用，選擇好一個(gè)智能元件是至關(guān)重要的。為了方便控制節(jié)約成本，擬采用以下兩種方案。

(1)采用凌陽(yáng)最小系統(tǒng)板，該系統(tǒng)主要采用凌陽(yáng)公司生產(chǎn)的61單片機(jī)為主控制器，接口方便控制簡(jiǎn)單，同時(shí)又有凌陽(yáng)公司的模塊化的程序，設(shè)計(jì)方便。

(2)采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51系列單片機(jī)，AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS－51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。

根據(jù)教學(xué)和設(shè)計(jì)本身由于要求，AT89C51性價(jià)比較高，所以仍然采用AT89C51來(lái)作為該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主控元件。

2.顯示器件選擇。顯示器件作為人機(jī)交互界面和信息提示手段是必不可少的，該系統(tǒng)中顯示器件主要顯示信息是當(dāng)前時(shí)間、開(kāi)關(guān)等時(shí)間、各個(gè)路燈的開(kāi)關(guān)燈時(shí)間、錯(cuò)誤路燈號(hào)碼信息等。為了方便設(shè)計(jì)和全部顯示信息，擬采用以下兩種方案。

(1)采用7段數(shù)碼二極管來(lái)顯示各種信息，七段數(shù)碼管是現(xiàn)在常用的顯示器件，具有造價(jià)低廉，驅(qū)動(dòng)方便等特點(diǎn)，被現(xiàn)在工業(yè)，商業(yè)廣泛應(yīng)用，七段數(shù)碼管有共陰和共陽(yáng)之分，但使用方法基本相同。

(2)采用液晶顯示器，液晶顯示器主要采用1602，1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器(CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有:阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫(xiě)的英文字母“A”的代碼是01000001B(41H)，顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A”。因?yàn)?602識(shí)別的是ASCII碼，試驗(yàn)可以用ASCII碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如“A”。

在該設(shè)計(jì)中顯示信息較多，利用二極管有很多的不便，例如不能顯示英文字母等;同時(shí)如果采用二極管則占用單片機(jī)I/O端口較多，不利于電路設(shè)計(jì)和編寫(xiě)程序，因此本設(shè)計(jì)采用了1602液晶顯示屏。1602顯示屏引腳圖如圖1所示。

圖1 液晶顯示屏1602引腳圖

3.測(cè)光傳感器的選擇。本設(shè)計(jì)中的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是利用傳感器檢測(cè)光的強(qiáng)弱來(lái)控制路燈的開(kāi)和關(guān)，因此選擇一個(gè)合適的傳感器也是非常重要的。主要有兩種選擇方案。

(1)利用光敏二極管，光敏二極管也叫光電二極管。光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的，其管芯是一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，因此工作時(shí)需加上反向電壓。無(wú)光照時(shí)，光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時(shí)，飽和反向漏電流大大增加，形成光電流，它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。當(dāng)光線照射PN結(jié)時(shí)，可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，使少數(shù)載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增加。因此可以利用光照強(qiáng)弱來(lái)改變電路中的電流。

(2)利用光敏電阻。光敏電阻器(photovaristor)又叫光感電阻，是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器;入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換(將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化)。

根據(jù)電路的要求，天色較暗時(shí)就應(yīng)打開(kāi)路燈而不是完全沒(méi)有光線時(shí)，因此采用了光敏電阻來(lái)接受光線，再結(jié)合電壓比較器將電信號(hào)(邏輯電平)傳給單片機(jī)，由單片機(jī)發(fā)送控制指令控制路燈的開(kāi)關(guān)。光敏電阻如圖2所示，電壓比較器電路如圖3所示。即白天單片機(jī)得到低電平，晚上單片機(jī)得到高電平，所以單片機(jī)能夠控制路燈的開(kāi)和關(guān)。

圖2 光敏電阻

圖3 電壓比較器電路圖

4.物體檢測(cè)傳感器選擇。智能路燈的另一個(gè)功能就是利用傳感器檢測(cè)物體和判斷移動(dòng)方向控制路燈的開(kāi)和關(guān)，當(dāng)檢測(cè)到物體進(jìn)入路燈范圍時(shí)路燈開(kāi)，當(dāng)檢測(cè)到物體移出路燈范圍時(shí)路燈熄滅。因此最好采用光電傳感器，光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。主要有兩種方案，集成式傳感器和分立式兩種。

(1)分立式光電傳感器，分立式的傳感器應(yīng)用靈活，安裝方便，反饋信號(hào)質(zhì)量高等特點(diǎn)。

(2)集成式的光電傳感器，集成式的光電傳感器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，如GP2A25，內(nèi)部集成了電壓比較器，可將光信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為了方便電路設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)化電路，本設(shè)計(jì)采用了集成的自反射式的光電傳感器GP2A25。

二 數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)方案選擇

恒流源在本設(shè)計(jì)中主要是為智能路燈能提供恒定的電流和控制信號(hào)的，智能路燈對(duì)恒流源的要求是可也自動(dòng)調(diào)光的恒流源，因此必須要采用數(shù)控恒流源來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。

1.數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片選擇。數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片在數(shù)控恒流源中作用主要是通過(guò)單片機(jī)的數(shù)字量輸出轉(zhuǎn)換成可控的電壓輸出，為誤差放大器提供電壓輸入。主要有兩種選擇方案，串行轉(zhuǎn)換芯片和并行轉(zhuǎn)換芯片。

(1)并行轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換速度最快。因?yàn)檗D(zhuǎn)換是并行的，其轉(zhuǎn)換時(shí)間只受比較器、觸發(fā)器和編碼器電路延遲時(shí)間的限制。制成分辨率較高的集成并行A/D轉(zhuǎn)換器是比較困難的。

(2)串行轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換速度較慢，但電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單因?yàn)槭谴兴哉加脝纹瑱C(jī)引腳少，轉(zhuǎn)換精度高。

TLC5618是美國(guó)TexasInstruments公司生產(chǎn)的帶有緩沖基準(zhǔn)輸入的可編程雙路12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。DAC輸出電壓范圍為基準(zhǔn)電壓的兩倍，且其輸出是單調(diào)變化的。該器件使用簡(jiǎn)單，用5V單電源工作，并包含上電復(fù)位功能以確保可重復(fù)啟動(dòng)。通過(guò)CMOS兼容的3線串行總線可對(duì)TLC5618實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。器件接收用于編程的16位字產(chǎn)生模擬輸出。數(shù)字輸入端的特點(diǎn)是帶有斯密特觸發(fā)器，因而具有高的噪聲抑制能力。根據(jù)這些特點(diǎn)本設(shè)計(jì)中的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器選擇了TLC5618。

2.采樣電阻的選擇。采樣電阻的選擇很重要，要求噪聲小，溫度特性好，所以最好選擇低溫度系數(shù)的高精度采樣電阻。例如，錳銅線電阻，溫度系數(shù)約為5ppm每度。另外，由于采樣電阻與負(fù)載串聯(lián)時(shí)流過(guò)采樣電阻的電流通常比較大，因而溫度也會(huì)隨之上升，可以通過(guò)減小載流量和增加散熱面積來(lái)避免因溫度過(guò)高導(dǎo)致采樣電阻值發(fā)生變化。在條件詠絮的情況下，還可以采取風(fēng)鈴的方法解決。另外采樣電阻組織取大一點(diǎn)，對(duì)穩(wěn)定度有好處，但會(huì)使系統(tǒng)效率下降，折中考慮取R=0.5歐姆。

3.調(diào)整管的選擇。由于穩(wěn)流電源的輸出電流經(jīng)過(guò)調(diào)整管，因此調(diào)整管上的功耗將會(huì)很大，必須選擇大功率的晶體管來(lái)做調(diào)整管。

為了與誤差放大器更好地匹配，我們采用由一只三極管8050和功率管MJE8055組成的復(fù)合管結(jié)構(gòu)，MJE8055的最大輸出電流可以達(dá)到8A。

4.誤差電壓放大器的選擇。電流穩(wěn)定度與放大器有直接關(guān)系，在大功率電源里基本上是倒數(shù)關(guān)系。本設(shè)計(jì)選用TL082作為誤差放大器，由于采樣電阻選取0.5歐姆，其中最大采樣電壓為1V，而負(fù)載端最高電壓為10V，復(fù)合調(diào)整管Ube=1.4V。于是要求誤差放大器的最大輸出電壓為12.4V。為了防止放大器進(jìn)入飽和區(qū)，設(shè)計(jì)將放大器的工作電壓取為+15V/－15V。

三 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及調(diào)試

首先，電路工作確保恒流源正常工作，測(cè)試恒流源恒流效果，適當(dāng)改變負(fù)載，用儀表觀察電流是否能夠相對(duì)保持恒定不變。穩(wěn)流部分有電流表接口可對(duì)輸出電流的大小進(jìn)行檢測(cè)。

通電之前確認(rèn)插針與導(dǎo)線正確鏈連接，總開(kāi)關(guān)必須處于斷開(kāi)狀態(tài)。確認(rèn)電路正確后，打開(kāi)總開(kāi)關(guān)，檢測(cè)顯示器顯示情況，出現(xiàn)顯示錯(cuò)誤則是匯編語(yǔ)言有問(wèn)題，可對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，時(shí)鐘程序用定時(shí)/計(jì)數(shù)器0進(jìn)行定時(shí)，采用的是中斷方式計(jì)時(shí)，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)所有的功能程序比較長(zhǎng)，時(shí)鐘計(jì)時(shí)肯定有誤差，必須經(jīng)過(guò)多次調(diào)試。

整個(gè)程序時(shí)從時(shí)鐘程序擴(kuò)展來(lái)的，顯示部分為一個(gè)調(diào)用子程序，定時(shí)部分為中斷程序。調(diào)節(jié)定時(shí)計(jì)數(shù)器的初值，盡可能使時(shí)間誤差減到最小。

On Intelligent Street Lamp Designing

Yang Chao Shan Liang

The intelligent street lamp control system is divided into the constant－current source part，the liquid crystal display part，the sensor control section，the load(lamp)of the external auxiliary part.The control system is characterized by the single－chip microcomputer.The use of liquid crystal display showed turning on and closing time and the time passed through.The whole system is managed by the AT89C51 system which controls the time setting，the changes in ambient light intensity，the direction of movement of objects.It also controls the circuit to stabilized power supply to remain the current constant.

SCM;intelligent street lamp;constant current source

TP29

A

1672－6758(2010)03－0065－2

楊超，碩士，講師，雞西大學(xué)，黑龍江·雞西。郵政編碼:158100

單亮，工程師，中國(guó)聯(lián)通雞西市分公司網(wǎng)絡(luò)管理中心，黑龍江·雞西。郵政編碼:158100

Class No.:TP29Document Mark:A

(責(zé)任編輯:孔祥春 鄭英玲)