馮哲　田莎莎

摘要：傳統(tǒng)的手動(dòng)控制路燈已不能滿足市場和社會(huì)的需求，而單片機(jī)以其體積小，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)在各個(gè)自動(dòng)控制領(lǐng)域受到人們青睞。本系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)和其他外圍電路實(shí)現(xiàn)了智能控制路燈，本系統(tǒng)可以根據(jù)光線的明暗自動(dòng)開關(guān)路燈，還可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制和定時(shí)控制。該路燈照明系統(tǒng)更加實(shí)用，方便人們出行安全，達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目的。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；光照；智能控制；節(jié)能

中圖分類號：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2017）10-0138-04

隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，城市照明設(shè)施的功能從簡單的照明發(fā)展到了美化環(huán)境，改善城市形象。單片機(jī)以其體積小，價(jià)格低廉被廣泛運(yùn)用于智能控制領(lǐng)域。因此用單片機(jī)進(jìn)行路燈的智能控制既可以提高路燈控制系統(tǒng)的性能，又可以在一定程度上減少能源消耗。

據(jù)統(tǒng)計(jì)中國已經(jīng)安裝了大約有2億盞路燈，并以每年2000萬盞的速度增加。另外，我國大部分地區(qū)都采用人工或定時(shí)控制，全國如此多的路燈，開關(guān)控制也占用了大量的人力，而在定時(shí)控制上也有許多不合理的部分，冬夏季節(jié)的白天黑夜時(shí)間相差較大，只使用定時(shí)控制并不能解決這個(gè)問題，時(shí)時(shí)出現(xiàn)天還沒黑路燈已在工作，冬天早晨天還未完全亮，而路燈已經(jīng)熄滅，以及陰雨霧霾天氣造成的能視度太低這樣的特殊問題，大大影響了人們的日常出行，并間接導(dǎo)致交通意外的增多。本設(shè)計(jì)通過使用AT89C52單片機(jī)對路燈進(jìn)行智能控制，讓系統(tǒng)根據(jù)光照的強(qiáng)弱來自動(dòng)開關(guān)路燈，達(dá)到節(jié)約電能并確保在需要的時(shí)候方便正確打開和關(guān)閉路燈。

1.AT89C52簡介

AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的高性能、低電壓和低功耗的8位單片機(jī)，片內(nèi)置Flash存儲(chǔ)單元和通用的8位CPU，功能強(qiáng)大，在許多控制場合都可以使用。

AT89C52單片機(jī)一共有四十個(gè)引腳，本次設(shè)計(jì)中主要用到的單片機(jī)引腳介紹如下：

1）XTALl，XTAL2，RST這三個(gè)引腳用于單片機(jī)的晶振復(fù)位；

2）P2.1引腳連接光電檢測電路，為單片機(jī)提供光電檢測的信號；

3）P0.1-P0.7，P2.4-P2.6引腳連接LED顯示時(shí)間；

4）P3.0-P3.3引腳用于連接按鍵模塊，調(diào)節(jié)當(dāng)時(shí)時(shí)間和定時(shí)時(shí)間；

5）P3.4-P3.6引腳連接實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，用于提供實(shí)時(shí)信息；

6）PI.O，P1.1，P1.2，P2.2和P2.3五個(gè)引腳連接路燈的驅(qū)動(dòng)電路，控制路燈的打開關(guān)閉。

2.光控路燈的設(shè)計(jì)與概括

智能路燈系統(tǒng)的電路部分包括：主控制器、時(shí)鐘、光線檢測、液晶顯示和按鍵，其需要實(shí)現(xiàn)的功能為：

1）根據(jù)光照的強(qiáng)弱智能打開關(guān)閉路燈。

21可以用按鍵設(shè)置時(shí)間，實(shí)現(xiàn)定時(shí)開關(guān)路燈。

3）在凌晨之后實(shí)現(xiàn)隔一亮一效果，避免浪費(fèi)電資源。

如圖1所示，主控制器模塊的核心是AT89C52系列單片機(jī)；液晶顯示模塊采用LCD液晶，其功耗小，可直接與單片機(jī)連接，使用起來簡單方便；光線檢測模塊采用光敏電阻反映外部光照強(qiáng)度，與電壓比較器組成光電檢測電路；時(shí)鐘模塊采用專用的時(shí)鐘芯片，提供實(shí)時(shí)的時(shí)間信息，單片機(jī)可以直接讀取芯片中的時(shí)鐘信息，節(jié)約系統(tǒng)資源；按鍵控制模塊采用X4獨(dú)立鍵盤，較為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠和簡潔方便。

3.電路設(shè)計(jì)

3.1晶振電路

如圖2所示為晶振電路，單片機(jī)要能正常工作，必須要使用時(shí)鐘進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，ATM89C52自帶一個(gè)時(shí)鐘振蕩器，但是單片機(jī)內(nèi)部振蕩電路不穩(wěn)定，需要外接一個(gè)振蕩源才能起振，所以單片機(jī)的晶振頻率是由外部振蕩源決定的，大多數(shù)電路中的外部振蕩源選擇使用石英晶體振蕩器，在這里也使用了石英晶體振蕩器，將振蕩器兩端接到單片機(jī)的XTALl與XTAL2引腳。

AT89C52單片機(jī)的第9號引腳RST為硬件復(fù)位端，如圖2所示，這里采用點(diǎn)觸開關(guān)進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，當(dāng)按下電路中的按鍵時(shí)，電容C3放電，對RST輸出高電平，將單片機(jī)復(fù)位。

3.2光電檢測電路

光電檢測電路使用光敏電阻反映外部環(huán)境的光照強(qiáng)度，利用了光敏電阻在不同光照強(qiáng)度下呈現(xiàn)不同阻值的特點(diǎn)。如下圖3所示，使用LM393組成一個(gè)比較電路，作為光電檢測電路的接收信號端，它的內(nèi)部具有兩個(gè)比較器，1、2、3號引腳為一組，5、6、7號引腳為另一組。8、4號引腳分別接電源和地。圖3中用滑動(dòng)變阻器來模擬光照強(qiáng)度的改變。當(dāng)光線變強(qiáng)的時(shí)候，光敏電阻的阻值變小，滑動(dòng)變阻器阻值下調(diào)，由于總電壓不變，導(dǎo)致光敏電阻上面分得的電壓變小，R3承擔(dān)大部分電壓，同相輸入端電壓高于反相輸入端，輸出管截止，輸出高電平給單片機(jī)P2.1口，此信號是用于控制路燈開關(guān)的一個(gè)條件。反之，當(dāng)光線暗的時(shí)候，光敏電阻的阻值變大即滑動(dòng)變阻器上調(diào)增大電阻，同相輸入端電壓低于反相輸入端，輸出管導(dǎo)通，輸出低電平給單片機(jī)P2.1口。

3.3LCD液晶顯示電路

設(shè)計(jì)采用1602液晶器，該液晶顯示器體積較小，重量很輕。液晶顯示1602與單片機(jī)的連接如圖4所示，當(dāng)前時(shí)間以及定時(shí)時(shí)間由單片機(jī)傳遞給1602液晶顯示屏，由液晶顯示屏顯示出來。

3.4DSl302時(shí)鐘芯片電路

時(shí)鐘模塊由DS1302芯片實(shí)現(xiàn)，向單片機(jī)提供實(shí)時(shí)時(shí)間信息，DS1302上電工作時(shí)，必須把復(fù)位腳置為1，且將地址和命令送人寄存器中才能把數(shù)據(jù)初始化。它有VCCl，VCC2兩個(gè)電源引腳，當(dāng)給VCC2加入5V電源時(shí)，時(shí)鐘芯片開始工作；關(guān)掉電源時(shí)，VCCl供電，可以防止斷電丟失時(shí)間日期數(shù)據(jù)，使時(shí)鐘能夠連續(xù)運(yùn)行。

如圖5所示，DSl302的5，6，7號引腳分別接單片機(jī)的16，15，14號引腳。在凌晨和早晨五點(diǎn)，會(huì)通過這三個(gè)引腳給單片機(jī)發(fā)出信號，讓單片機(jī)做出相應(yīng)的置位操作來改變控制電路開通關(guān)斷。

3.5按鍵電路

按鍵電路有四個(gè)功能：設(shè)置當(dāng)前時(shí)間、設(shè)置開關(guān)路燈時(shí)間、數(shù)字加一、數(shù)字減一。如圖6所示，按鍵與單片機(jī)的P3.0，P3.1，P3.2和P3.3四個(gè)引腳相連接。當(dāng)按下第三個(gè)按鍵時(shí)，進(jìn)入當(dāng)前時(shí)間設(shè)置程序，第一個(gè)設(shè)定值“年份”開始閃爍，此時(shí)前兩個(gè)按鍵用來調(diào)整年份數(shù)值的加一或者減一，調(diào)到正確值時(shí)，再次按下第三個(gè)按鈕，“年”恢復(fù)常亮，“月”開始閃爍等待設(shè)置，依此類托。按下第四個(gè)按鍵，進(jìn)入定時(shí)時(shí)間設(shè)定，開燈時(shí)間的“時(shí)”開始閃爍等待設(shè)置，設(shè)置方法與調(diào)整當(dāng)前時(shí)間一致。

3.6路燈控制電路

路燈控制電路是整體電路中最重要的部分，起控制作用的元件是單片機(jī)，其控制功能主要通過指令來實(shí)現(xiàn)。

如圖7所示，控制電路由單片機(jī)，發(fā)光二極管以及驅(qū)動(dòng)電路組成。當(dāng)路燈打開或者關(guān)閉條件達(dá)到時(shí)，單片機(jī)置位P1.0，P1.1，P1.2，P2.2和P2.3五個(gè)引腳的數(shù)值，根據(jù)這五個(gè)數(shù)值來實(shí)現(xiàn)路燈驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通或截止，從而控制路燈的開通關(guān)斷。

在光線不足的情況下，光電檢測電路比較器的反相輸入端高于同相輸入端，LM393的1號引腳輸出低電平，三極管飽和，檢測信號通過P2.1口輸入單片機(jī)，在一定的延時(shí)后，無論定時(shí)時(shí)間是否到了，單片機(jī)都會(huì)使五個(gè)路燈控制口為00000，使路燈驅(qū)動(dòng)電路工作，打開路燈。這就有效地防止了霧霾，沙塵暴等惡劣天氣導(dǎo)致能視度不足的情況。

凌晨時(shí)，路上行人明顯減少，這時(shí)候開啟所有路燈就顯得過于浪費(fèi)。所以當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)到凌晨時(shí)，程序中當(dāng)前時(shí)間數(shù)組的時(shí)分秒存儲(chǔ)單元數(shù)值為00，單片機(jī)發(fā)出置位信號，把P1.0，P1.1，P1.2，P2.2和P2.3五個(gè)控制路燈接口信號改為01010。讓路燈開啟“隔一個(gè)亮一個(gè)”的模式，達(dá)到既能提供正常照明，又節(jié)能環(huán)保的目的。

在定時(shí)部分，打開時(shí)間是18：30：00，關(guān)閉時(shí)間是05：00：00。當(dāng)天亮?xí)r，光照強(qiáng)度慢慢增加，考慮到早晨五點(diǎn)，光照已經(jīng)能夠正常照明。單片機(jī)會(huì)把這五個(gè)路燈接口信號全部寫為11111，驅(qū)動(dòng)電路不工作，路燈關(guān)閉。

圖7所示中，控制電路的驅(qū)動(dòng)部分使用的是PNP型三極管放大電路，發(fā)射極正相偏置，集電極反向偏置同時(shí)滿足才能導(dǎo)通。此放大電路的發(fā)射極連接了+5V的電源，所以只要基極小于4.3V就可以令三極管導(dǎo)通。

3.7整體電路設(shè)計(jì)

整體硬件電路如圖8所示，硬件電路包括：光電檢測電路，晶振電路，液晶顯示電路，計(jì)時(shí)電路，按鍵電路，路燈控制電路。

將前面介紹的電路加以組合，得到整個(gè)硬件電路的原理圖，如圖8所示。

4.系統(tǒng)仿真

利用protues軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，在仿真中，通過調(diào)節(jié)光電檢測電路的滑動(dòng)變阻器來模擬光照的強(qiáng)弱加上按鍵電路的時(shí)間變化，來調(diào)節(jié)路燈的開通與關(guān)斷。

如圖9所示，在天亮的時(shí)候由于光照很強(qiáng)，光敏電阻處于低電阻狀態(tài)，總電壓+5V不變，光敏電阻分壓減少，LM393同相輸入端大于反向輸入端，則1號引腳輸出高電平，輸出管截止，P2.1號引腳為高電平，表示此時(shí)光線滿足日常照明要求，單片機(jī)發(fā)出信號，置位P1.0，P1.1，P1.2，P2.2，P2.3：五個(gè)路燈控制端口為11111，使驅(qū)動(dòng)電路不工作，不開啟路燈。

如圖10所示，在凌晨時(shí)由于行人較少，可以關(guān)閉部分路燈，置位PI.O，PI.1，P1.2，P2.2，P2.3五個(gè)控制口為01010。每隔一個(gè)路燈打開，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保目的。

如圖11所示，在定時(shí)器18：30：00以后，光照強(qiáng)度較弱，光敏電阻處于高電阻狀態(tài)，而總電壓+5v不變，光敏電阻分壓增加，導(dǎo)致LM393同相輸入端低于反向輸入端，則l號引腳輸出低電平，輸出管飽和，P2.1號引腳為低電平，表示此時(shí)光線達(dá)不到日常照明要求，單片機(jī)發(fā)出信號，將PI.O，PI.1，P1.2，P2.2，P2.3五個(gè)路燈控制端口置為00000，使驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通，開啟路燈。

5.結(jié)論

本系統(tǒng)通過光電檢測電路接受外部光照強(qiáng)度，把光信號轉(zhuǎn)換為電信號送給單片機(jī)。根據(jù)光信號的強(qiáng)弱或定時(shí)時(shí)間和當(dāng)前時(shí)間比較的結(jié)果，單片機(jī)發(fā)出信號智能打開和關(guān)閉路燈。本系統(tǒng)操作簡單直接，但是功能有限，在今后的研究中將增加紅外感應(yīng)模塊、聲控模塊和亮度調(diào)節(jié)模塊，令路燈更加智能。