張偉 楊森林

摘 要： 以STC89C51單片機(jī)作為控制芯片，利用光敏電阻的特性，根據(jù)光線強(qiáng)弱的不同傳送給單片機(jī)不同的信號，再結(jié)合聲音傳感器、紅外光電傳感器和紅外人體識別傳感器將檢測到的信息傳送給單片機(jī)，在單片機(jī)中經(jīng)過相關(guān)運(yùn)算處理，給出路燈亮、滅的信號。當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會發(fā)出報警指令，通過聲光報警電路向外釋放聲光報警信號，并經(jīng)過光敏電阻探察之后，通過數(shù)碼管指出故障路燈的具體位置。通過搭建硬件電路，將實(shí)物在不同環(huán)境下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)測試，經(jīng)驗(yàn)證該設(shè)計可以有效地實(shí)現(xiàn)路燈的智能通斷，從而有效地減少電力能源的損耗，實(shí)現(xiàn)對路燈的人性化控制，達(dá)到了節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞： 電力能源； 控制芯片； 傳感器； 單片機(jī)； 智能控制； 光敏電阻

中圖分類號： TN344?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0110?04

Design of intelligent street lamp control system based on SCM control

ZHANG Wei， YANG Senlin

（Shaanxi Key Laboratory of Surface Engineering and Remanufacturing， Xian University， Xian 710065， China）

Abstract： With the STC89C51 single chip microcomputer as the main control chip， the feature of the photosensitive resistance is adopted to transmit different signals to the SCM according to different light intensities， and then in combination with the sound sensor， infrared photoelectric sensor and infrared human body recognition sensor， the detected information is transmitted to the SCM， in which related calculations are performed to present the signals of street light on or off. When a street lamp fault occurs， the system will send out the alarm command. The acousto?optic alarm signals are given out by the acousto?optic alarm circuit， and the exact locations of fault street lamps are determined via the digital tube after the exploration of the photosensitive resistance. Several experimental tests of the physical object were carried out in different environments by establishing the hardware circuit. It is verified that the design can effectively realize the intelligent switching of the street lamp， so as to effectively reduce electric energy loss， realize humanized control of the street lamp， and achieve the purpose of energy saving.

Keywords： electric energy； control chip； sensor； SCM； intelligent control； photosensitive resistance

由于電力能源的緊缺，節(jié)約電能已經(jīng)成為社會的共識。綠色、環(huán)保、節(jié)能是目前電力系統(tǒng)發(fā)展的主流方向，對用電器的要求更是精準(zhǔn)嚴(yán)格。在人們的日常生活起居，城市的建設(shè)當(dāng)中，路燈都扮演著極其重要的角色。在能源較為緊缺的社會環(huán)境下，促進(jìn)路燈的智能化顯得極為重要，同時也順應(yīng)了節(jié)能與環(huán)保的生活主題。

關(guān)于路燈智能控制系統(tǒng)的設(shè)計，目前涉及到的有LED路燈、多模式的、基于PLC技術(shù)的、基于WSN技術(shù)、基于ZigBee技術(shù)、太陽能、電力載波技術(shù)等各種智能控制系統(tǒng)的設(shè)計。每種設(shè)計方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)、使用場合和設(shè)計成本也有差異。文中主要設(shè)計一款以單片機(jī)為控制芯片，易操作、成本低的智能路燈控制系統(tǒng)，針對不同的路況環(huán)境，選擇不同的工作模式，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

1 方案設(shè)計

以單片機(jī)作為主控芯片，采用三種類型的傳感器進(jìn)行信息的檢測，即紅外反射式光電傳感器、聲音傳感器和人體識別傳感器。利用紅外反射式光電傳感器來監(jiān)測是否有物體通過；利用聲音傳感器來監(jiān)測是否有車通過；利用紅外人體識別傳感器來監(jiān)測是否有人通過。3個傳感器配合來監(jiān)測是否有車和人通過，可以很好地排除外界干擾，達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)紅外反射式光電傳感器監(jiān)測到有物體通過，然后聲音傳感器或紅外人體識別傳感器監(jiān)測到有人或者車輛通過時，路燈變亮；監(jiān)測不到時，延時一定時間后路燈變暗。通過光敏電阻檢測環(huán)境明暗程度實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的通斷功能，同時檢測路燈故障。一旦有故障發(fā)生，發(fā)出聲光報警，并用數(shù)碼管來顯示故障燈的位置。檢測電路的工作原理如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計

硬件電路可分為以下4個組成部分：單片機(jī)控制電路部分、路燈控制電路部分、傳感器檢測與執(zhí)行電路部分和數(shù)碼顯示電路部分。

2.1 控制電路模塊設(shè)計

以STC89C51作為主控芯片，設(shè)計控制電路。其實(shí)現(xiàn)的功能是控制光電信號的采集，以及將采集到的信號做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理分析，再根據(jù)功能要求編寫程序完成相應(yīng)的運(yùn)算，把結(jié)果輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)中。在單片機(jī)中，將P0～P3作為通用輸入/輸出端口。單片機(jī)控制系統(tǒng)的電路圖如圖2所示。

2.2 傳感器檢測與執(zhí)行電路部分

2.2.1 光敏電阻控制模塊設(shè)計

把電壓并接到光敏電阻的兩極，就會有電流流過電阻，當(dāng)加上一定的光照，使得電流的變化跟隨光強(qiáng)變化，達(dá)到光電轉(zhuǎn)換的目的。光敏電阻自身的阻值能夠隨著光照強(qiáng)度的改變而改變，在路燈控制電路中加上了光敏電阻器件，可實(shí)現(xiàn)路燈在不同光線下的自動控制，如圖3所示。

發(fā)送電路的功能是讓發(fā)射器找到的目標(biāo)發(fā)出相應(yīng)的光束。該光束通過半導(dǎo)體光源、激光、或者發(fā)光二極管、紅外線等產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)射并更改脈寬。接收器通常由光電池提供電源，一般把透鏡跟光圈放到接收器的前端。接收器之后是檢測部分，實(shí)現(xiàn)信號的檢測與分離。

2.2.3 聲音檢測模塊

聲音檢測模塊主要是由聲音傳感器進(jìn)行檢測的，聲音傳感器是在傳感器中加上能夠?qū)β曇舢a(chǎn)生敏感信息的話筒器件。當(dāng)有聲音出現(xiàn)時，會使話筒中的薄膜發(fā)生震動，從而引起電容的改變，以至于形成跟聲波能量相對的電壓值。把此值變到0～5 V的范圍內(nèi)，并由A/D轉(zhuǎn)換之后傳送到接收器中，再發(fā)到計算機(jī)中。該部件的功用類似于麥克風(fēng)，聲音傳感器接收聲音信號，但無法測出噪聲的強(qiáng)度。BR?ZS1類型的傳感器屬于工業(yè)專用的類型，能夠產(chǎn)生4～20 mA的積分噪聲裝備，符合GB3785，GB/T 17181規(guī)定的有關(guān)噪聲探測標(biāo)準(zhǔn)。BR?ZS1制作的目的是更好地檢測噪聲，能夠及時地顯示出噪聲信號，而且能夠跟大多數(shù)的用戶兼容，實(shí)現(xiàn)24小時持續(xù)檢測，而且還能夠加上報警裝置。BR?ZS1具有檢測精度高、適應(yīng)能力強(qiáng)、費(fèi)用低等優(yōu)勢，在交通領(lǐng)域、工廠中檢測噪聲方面得到了廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)中主要通過聲音傳感器來判斷車輛有沒有車輛通過。聲音檢測模塊如圖5所示。

2.2.4 紅外人體識別檢測模塊

紅外人體識別傳感器的規(guī)模比較小，應(yīng)用起來具有較便捷、探測范圍廣、工作性能高、探測距離遠(yuǎn)，以及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于生活的許多方面。紅外人體識別傳感器用到的相關(guān)部件有帶通放大器、熱釋電型傳感器、延時電路、菲涅爾透鏡以及輸出電路幾部分。紅外人體識別檢測模塊主要通過紅外人體識別傳感器來檢測路上是否有人通過。

2.2.5 電壓比較器

電壓比較器主要功能是比較和放大信號。這里選用的是LM393集成芯片，其內(nèi)部包含兩個運(yùn)放。LM393內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。系統(tǒng)中路燈故障檢測和紅外光電傳感器中應(yīng)用到了電壓比較器LM393，是將它應(yīng)用到相應(yīng)的運(yùn)算放大電路模塊中去，從而將放大后的信息傳送給單片機(jī)。

2.3 顯示電路的設(shè)計

顯示電路采用的是LED數(shù)碼管顯示，用數(shù)碼管來表征出故障路燈的地點(diǎn)。報警裝置采用的是電磁式蜂鳴器和LED報警，電磁式蜂鳴器具體的工作過程為：根據(jù)電磁效應(yīng)，變化的電流會產(chǎn)生變化的磁場，磁場帶動周圍的硬件設(shè)備震動。而控制器的電流一般在幾毫安的范圍內(nèi)，達(dá)不到蜂鳴器的工作電流，因此需要利用集成運(yùn)放把控制器的輸出信號放大。蜂鳴器的驅(qū)動電路信號如圖7所示。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件框圖如圖8所示。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩部分。硬件調(diào)試主要是做成實(shí)物后，通過調(diào)試來觀察電路板中的短路、虛焊、過焊等問題并進(jìn)行處理。軟件調(diào)試主要是程序的調(diào)試，是在實(shí)物做好以后，通過向單片機(jī)內(nèi)燒入程序進(jìn)行測試，根據(jù)輸出的結(jié)果來判定程序的正確與否，從而達(dá)到調(diào)試的目的。

4.2 硬件電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將實(shí)物分別放在白天和晚上兩個環(huán)境中，觀察兩個微亮LED燈是否變亮，若在白天微亮LED燈不會變亮，而在晚上變亮，則可判斷出光敏電阻控制系統(tǒng)正常。路燈好壞檢測的電路圖如圖9所示。

在晚上遮擋住紅外反射式傳感器，若發(fā)現(xiàn)該傳感器對應(yīng)的紅色LED燈變亮，同時靠近一下人體識別模塊，若發(fā)現(xiàn)路燈變亮，則延時10 s后自動關(guān)閉；然后敲擊一下附近的物體發(fā)出聲音，可看到聲音傳感器旁邊的紅色LED燈閃一下，同時路燈點(diǎn)亮，沒有聲音時，延時10 s路燈自動關(guān)閉；則可判斷出紅外反射式傳感器、人體識別模塊和聲音傳感器運(yùn)行良好。在路燈點(diǎn)亮?xí)r，用紙片擋住其中一個或兩個路燈，看是否會發(fā)出聲光報警，并在數(shù)碼管上顯示出對應(yīng)故障路燈的位置，若可以則說明該故障檢測模塊正常。手動按一下按鈕看對應(yīng)的路燈是否會點(diǎn)亮，再按一下是否會變暗，按鈕二同理進(jìn)行測試，若符合所述，則說明手動開關(guān)電路正常。

5 結(jié) 論

通過軟、硬件的結(jié)合，以及不同環(huán)境下的多次調(diào)試，設(shè)計的硬件電路實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的功能。但設(shè)計中，仍然有許多需要改進(jìn)的地方，如模擬系統(tǒng)中使用的聲音傳感器、紅外傳感器等易受環(huán)境影響，在實(shí)際應(yīng)用中要做好相關(guān)的維護(hù)工作。同時系統(tǒng)是采用另外加2個小功率LED燈的方法來實(shí)現(xiàn)路燈夜晚的昏暗狀態(tài)，實(shí)際應(yīng)用中可以采用PWM等方法來控制路燈的亮度，讓路燈的明暗程度具有可調(diào)性。最后在實(shí)際應(yīng)用中還需要做好各個路燈之間的通信，以便在各種外界條件下控制好需要亮燈的個數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 甘本鑫，徐少明，蘇紅艷.基于單片機(jī)的LED路燈模擬控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（3）：205?207.

GAN Benxin， XU Shaoming， SU Hongyan. LED street lamps analog control system based on MCU [J]. Modern electronics technique， 2011， 34（3）： 205?207.

[2] 安雙利，錢銳，陸翔宇，等.基于單片機(jī)智能控制的路燈節(jié)能系統(tǒng)的研制[J].上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，28（1）：49?53.AN Shuangli， QIAN Rui， LU Xiangyu， et al. Development of energy saving control system for street lamps based on SCM [J]. Journal of Shanghai Second Polytechnic University， 2011， 28（1）： 49?53.

[3] 杜樹春.基于Proteus和Keil C51的單片機(jī)設(shè)計與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

DU Shuchun. Design and simulation of single chip microcomputer based on Proteus and Keil C51 [M]. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2012.

[4] 王艷芬，謝國洪，葉鐵旺.LED智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測試，2012（2）：60?63.

WANG Yanfen， XIE Guohong， YE Tiewang. Design of intelligent control system for LED road lamp system [J]. Electronic test， 2012（2）： 60?63.

[5] 張偉，楊森林.基于單片機(jī)的SCR過零控制實(shí)現(xiàn)研究[J].煤礦機(jī)械，2016，37（1）：243?245.

ZHANG Wei， YANG Senlin. Research on implementation of SCR zero control based on SCM [J]. Coal mine machinery， 2016， 37（1）： 243?245.

[6] ZHANG Wei， XING Juanjuan， YANG Senlin. The design of automatic power?off socket based on the 51 SCM [J]. Journal of residuals science & technology， 2016， 13（5）： 1?6.

[7] ZHANG Wei， XING Juanjuan. Application of APDL language in the switching power supply electromagnetic field analysis [J]. Journal of chemical & pharmaceutical research， 2014， 6（7）： 577?584.

[8] 朱平哲.基于AT89C52的LED智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計[J].寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2014，18（1）：87?90.

ZHU Pingzhe. Design of simulation street lamp control system based on AT89C52 single chip [J]. Journal of Ningbo Polytechnic， 2014， 18（1）： 87?90.

[9] 賈冬穎，王巍.基于STC單片機(jī)LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計[J].照明工程學(xué)報，2010，21（2）：71?73.

JIA Dongying， WANG Wei. The intelligent system for LED lighting based on STC?MCU [J]. China illumination engineering journal， 2010， 21（2）： 71?73.