一種節能路燈的智能控制系統硬件設計

阿衍學， 李丹

（1.黑龍江省機械科學研究院，哈爾濱150040；2.長江大學電子信息學院，湖北荊州434023）

一種節能路燈的智能控制系統硬件設計

阿衍學1， 李丹2

（1.黑龍江省機械科學研究院，哈爾濱150040；2.長江大學電子信息學院，湖北荊州434023）

隨著城市市政建設的發展，傳統的路燈控制與維護手段已遠遠不能適應城市現代化發展的速度，文中設計了一種節能路燈的智能控制系統。

節能；單電機；控制；路燈

1 系統總體結構設計

根據智能控制系統的特點和單片機的工作原理，以AT89C51作為主控制器，進行主要的信息處理，包括路燈控制模塊，檢測模塊，時鐘模塊。本系統的總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

2 各模塊器件選擇

2.1 單片機的選擇

方案一：采用數字電路實現。數字電路結構簡單，響應速度快。但處理能力有限，由于要求支路控制器需實現的功能很多，數字電路不易實現。

方案二：采用AT89C51作為主控制單片機。單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優點，使其在各個領域應用廣泛。

綜合設計要求和性價比，選擇方案二為本系統的最終方案，用AT89C51制作的最小系統板，結構緊湊，工作穩定，性價比很高。

2.2 時鐘的選擇

方案一：采用軟件編程實現時鐘。利用單片機定時器中斷，產生1 s信號，實現時鐘。此方案不需硬件，但占用太多程序存儲器、中斷源等單片機資源。

方案二：利用DS1302與單片機之間采用同步串行的方式進行通信僅需用到3個口線（其引腳圖如圖2所示）：RES（復位）、I/O（數據線）、SCLK（串行時鐘）。SCLK/RAM的讀/寫數據以1個字節或多達31個字節的字符組方式通信。DS1302工作時功耗很低保持數據和時鐘信息時功率小于1mW。DS1302芯片體積小、占用空間小，引腳也很少，操作起來非常方便，因此采用此方案。

2.3 檢測光源的選擇

檢測光源模塊是用來判斷光線明暗變化。為了確保路燈在工作過程中根據光線明暗變化，自動開燈和關燈，系統需要利用感光元件來檢測出光線明暗，充分節能。對于感光元件的選擇有以下幾種方案。

方案一：采用線性光敏傳感器。其對光線的強弱呈線性變化，靈敏度高，可靠性、穩定性高，但其價格相對較貴。

方案二：采用光敏電阻。靈敏度較低，但價格便宜。選用方案二，通過相應電路設計計算，能夠完成對環境明暗變化判斷要求。

2.4 顯示方案的選擇

方案一：采用LED數碼管顯示。該方案控制簡單，且LED數碼管亮度高，醒目，但是數碼管只能顯示有限的數字和符號，占用資源較多且信息量較少，為了方便觀察，因此我們不采用此方案。

方案二：采用諾基亞5110 LCD顯示。完成參數與狀態顯示要求有較大的顯示容量，因此選用諾基亞5110 LCD顯示模塊，它可顯示漢字及圖形，方便好用。

3 系統各模塊硬件設計

3.1 AT89C51簡介

AT89C51主要特性［1－2］：與MCS-51單片機產品兼容；4K字節可編程閃存儲器；1000次寫/擦循環，數據保留時間10 a；全靜態工作；三級程序存儲器鎖定；128*8位內部RAM；32可編程I/O線；2個16位定時器/計數器；5個中斷源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；片內振蕩和時鐘電路。

3.2 時鐘部分

本系統的時鐘電路是由時鐘芯片DS1302來實現的，電路圖如圖2所示。

圖2 時鐘電路

3.3 光檢測部分

本系統對壞境光線的檢測電路如圖3。通過1個光敏電阻與1個電阻分壓來控制NPN型三極管是否導通。當有光時，光敏電阻R的阻值很小，變阻器分到一部分電壓，從而使三極管B極和E極間的電壓大于0.7V而導通，GM檢測點是低電平；當無光時，光敏電阻的阻值很大，比變阻器的阻值大很多倍，變阻器上分到的幾乎可以忽略，三極管B極和E極間的電壓小于0.7V而截止。此時檢測點GM的電壓為高電平。調節變阻器阻值的大小從而可以調節感光的靈敏度。

圖3 光敏電阻檢測環境電路

3.4 繼電器控制部分

本系統的亮燈控制電路是由微處理器直接控制繼電器來實現的，每一個燈都配備了1個繼電器作為控制。微處理器可以分別控制每一個燈的亮滅，方便好用，線路簡單，操作控制方便。電路如圖4所示。單片機通過PNP型三極管B極和E極間的電壓來控制三極管是否導通，從而控制了繼電器。因為繼電器在動作時會產生高電壓脈沖干擾信號。為了消除這種影響，在繼電器線圈的兩端并聯1個蓄流二極管1N4148，二極管的正極接在線圈的負極，二極管的負極接在線圈的正極，當繼電器失電時電流從線圈的負極流向二極管的正極，然后再從正極流到二極管的負極，之后再次流到線圈的正極，這樣使線圈上存儲的能量最終消耗在線圈的內部，達到保護其它部分電路的目的。

3.5 顯示部分

圖4 繼電器控制電路

本系統的顯示模塊采用諾基亞5110液晶顯示器，價格低廉，顯示分辨率高。這是一塊低功耗的CMOS LCD控制驅動器，設計為48行 84列的圖形顯示。所有必需的顯示功能集成在1塊芯片上，包括LCD電壓及偏置電壓發生器，只需很少外部元件且功耗小。與微控制器的接口使用串行總線，接口很少。電路圖如圖5所示。

圖5 顯示電路

3.6 LED燈具電源

由于LED燈泡的導電電壓約為 1.7 V，導通電流大約為20mA。所以計算可得20 mA=（20V-5×1.7）/R，R大約為575 Ω。

圖6 LED燈具電源

4 結 論

對公共照明管理者和使用者來說，本系統帶來了極大的方便，只需在管理中心的微機上進行簡單操作，就可以對線路上的任意路燈節點進行控制，并實現所有路燈的狀態和相關信息的控制，只需少量人力進行維修。

［1］ AT89C51 DATA SHEEt［M］.Philips Semiconductors 1999.

［2］ AT89S52 DATA SHEET［M］.Atmel Corporation 2005.

（編輯昊 天）

TP 272

A

1002－2333（2014）05－0079－02

阿衍學（1979—），男，工程師，從事機械設計、機床設計，數控機械加工及科研項目管理等工作。

2014-03-05