基于MCU的路燈節(jié)能智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李剛

摘 要 隨著近年來(lái)中國(guó)科技的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的快速發(fā)展，人們的生活方式發(fā)生了巨大的改變。日常生活中的家電設(shè)備也越來(lái)越多樣化，這些家電設(shè)備的巨增使得我國(guó)的用電需求增加，我國(guó)的電力資源出現(xiàn)緊缺的問(wèn)題。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)設(shè)計(jì)路燈節(jié)能智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境光照的強(qiáng)弱以及有無(wú)行人車(chē)輛，智能控制路燈的亮度和開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當(dāng)環(huán)境光照強(qiáng)度高和無(wú)行人車(chē)輛時(shí)，降低路燈的電流或關(guān)閉路燈，若環(huán)境光強(qiáng)比較暗則增加路燈工作的電流，從而提高電力資源的利用率，達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了故障檢測(cè)系統(tǒng)，這些技術(shù)可以減輕維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。

關(guān)鍵詞 節(jié)能 MCU 智能

中圖分類(lèi)號(hào)：P273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

路燈在日常的生活當(dāng)中扮演著重要的角色，路燈的存在避免了很多突發(fā)事情發(fā)生，同時(shí)路燈也是城市的重要公共安全設(shè)施和景觀設(shè)施，是建設(shè)美麗城市的重要設(shè)施之一。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)每年我國(guó)路燈的數(shù)量都會(huì)增加600萬(wàn)，我國(guó)路燈的總數(shù)量已經(jīng)達(dá)到7000萬(wàn)盞。目前我國(guó)很多城市都采用傳統(tǒng)的照明方式，在能源匱乏和電力資源緊缺的今天，這種方式存在太多的弊端。我國(guó)的路燈使用情況都是晚上7點(diǎn)開(kāi)始工作，持續(xù)工作13個(gè)小時(shí)左右，第二天早上停止工作，這種做法會(huì)導(dǎo)致電力資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，而且其中大部分浪費(fèi)的電力資源是沒(méi)有意義的。比如在深夜居民都在家休息時(shí)，很多場(chǎng)所沒(méi)有行人和車(chē)輛，這些地方的路燈就可以停止工作，夏季太陽(yáng)很早就升起，有些地域早上4點(diǎn)天就亮了，這段時(shí)間之后就可以讓路燈停止工作。而且路燈都是工作在高壓狀態(tài)，路燈正常工作是非常耗電的，這些電力的資源的消耗占據(jù)電力資源的30%。傳統(tǒng)的改進(jìn)方法是加入人力資源進(jìn)行控制，但是路燈的覆蓋面太廣，需要投入的人力資源也是非?？捎^的。路燈數(shù)量的增多使得路燈在能源消耗方面占了跟多的比重，路燈能源消耗問(wèn)題已經(jīng)成為各個(gè)部門(mén)關(guān)注的焦點(diǎn)。而且傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都沒(méi)有考慮故障檢測(cè)的功能，也使得后續(xù)維護(hù)的任務(wù)壓力變大，消耗了很多人力物力。所以現(xiàn)在對(duì)路燈節(jié)能方面投入的研究精力越來(lái)越多，而且研究的內(nèi)容也越來(lái)越深入。

1背景

實(shí)現(xiàn)智能化的路燈照明系統(tǒng)，是解決路燈節(jié)能問(wèn)題一個(gè)有效的方法，現(xiàn)在城市的智能化發(fā)展越來(lái)越完善，近年來(lái)人工智能也是研究的熱門(mén)話題。如何對(duì)路燈進(jìn)行智能化的控制

圖1：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

也是當(dāng)前社會(huì)關(guān)注的話題。我國(guó)始終都在提倡節(jié)能減排這一環(huán)保的理念，只有提高電力資源的利用率才能更好的實(shí)現(xiàn)這個(gè)節(jié)能減排的目的。同時(shí)國(guó)家有關(guān)部門(mén)也發(fā)表了很多路燈節(jié)能方面的文件，要求鄉(xiāng)村和城市要大大推進(jìn)路燈的全面覆蓋，但是在路燈全面覆蓋的同時(shí)還要大力倡導(dǎo)節(jié)能減排的理念，從而推進(jìn)社會(huì)更好的建設(shè)和發(fā)展，因此智能照明系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也已經(jīng)刻不容緩。本文就是針對(duì)該問(wèn)題設(shè)計(jì)了路燈節(jié)能智能控制的方案，實(shí)現(xiàn)路燈的智能控制，根據(jù)環(huán)境亮度智能的調(diào)節(jié)路燈工作的電流大小，減少不必要的電力資源的消耗。該系統(tǒng)還增加了故障檢測(cè)模塊，當(dāng)照明系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可以自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)通知控制中心及時(shí)處理。該設(shè)計(jì)很大程度上減少了電力資源的浪費(fèi)，同時(shí)也減輕了后續(xù)維護(hù)的人員的負(fù)擔(dān)。同時(shí)該智能照明系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定，使用壽命更長(zhǎng)，因此具有很大的應(yīng)用前景。

2系統(tǒng)總體介紹

該智能路燈系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)如圖1所示，該智能照明系統(tǒng)主要分為如下幾個(gè)模塊， 電源轉(zhuǎn)換模塊，行人車(chē)輛檢測(cè)模塊，光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊，報(bào)警模塊，通信模塊，故障檢測(cè)模塊。其中電源轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)的功能是將市電220V轉(zhuǎn)換到MCU可以正常工作的電壓范圍。系統(tǒng)的主要工作流程如下，單片機(jī)通過(guò)AD模塊采集光敏電阻分得電壓大小來(lái)判斷環(huán)境光照強(qiáng)度，根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)控制晶閘管的開(kāi)度。單片機(jī)根據(jù)行人檢測(cè)模塊測(cè)量的數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前環(huán)境中是否有行人車(chē)輛存在，當(dāng)有行人車(chē)輛時(shí)控制路燈正常工作，當(dāng)無(wú)行人車(chē)輛時(shí)就控制路燈停止工作。該系統(tǒng)添加了故障檢測(cè)模塊，當(dāng)控制路燈正常工作時(shí)，卻沒(méi)有檢測(cè)到路燈發(fā)光，MCU可以檢測(cè)到故障電路沒(méi)有電流通過(guò)，此時(shí)可以控制報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息，通知有關(guān)部門(mén)的人員及時(shí)維修，同時(shí)通過(guò)通信模塊將此故障發(fā)送到最近的控制中心，通知維護(hù)人員及時(shí)處理發(fā)生故障的路燈。

3硬件電路設(shè)計(jì)

3.1電源模塊

在本系統(tǒng)中，220V的市電先通過(guò)變壓器降到20V左右，然后轉(zhuǎn)換為直流電壓。單片機(jī)工作電壓為3.3V，部分芯片工作電壓為5V，通常的供電方案會(huì)存在一定的紋波。由于在該系統(tǒng)中，5V和3.3V的功耗都比較低，電流均小于500mA，但對(duì)電源的穩(wěn)定性要求較高，需要電源芯片具有低壓差，低發(fā)熱量，電源輸出穩(wěn)定的要求。因此選用Ti公司的TPS7350，TPS7333分別作為5V，3.3V的穩(wěn)壓芯片。Ti公司的微功耗低壓差線性電源芯片，具有完善的保護(hù)電路，包括過(guò)流過(guò)壓，電壓反接保護(hù)。使用TPS7350和TPS7333芯片只需要極少的外圍元件就能實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)壓電路。而且TPS7350和TPS7333芯片接受的輸入電壓的范圍比較大，具有低功耗的特點(diǎn)，而且使用壽命很長(zhǎng)。

3.2行人車(chē)輛檢測(cè)模塊

行人車(chē)輛檢測(cè)模塊使用的傳感器為激光傳感器，激光傳感器與MCU的通信方式為USB2.0，使用專(zhuān)用的SCIP指令系統(tǒng)，可以與MUC進(jìn)行高速傳輸數(shù)據(jù)。激光傳感器主要測(cè)量環(huán)境中障礙物的距離信息，通過(guò)存儲(chǔ)激光傳感器的數(shù)據(jù)，將前后存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以得到環(huán)境中運(yùn)動(dòng)物體的表面信息，根據(jù)運(yùn)動(dòng)物體的表面信息可以很容易的判斷出當(dāng)前運(yùn)動(dòng)物體是否是行人和車(chē)輛。當(dāng)環(huán)境中有行人車(chē)輛時(shí)控制系統(tǒng)控制路燈正常工作，當(dāng)無(wú)行人車(chē)輛時(shí)控制路燈停止控制，達(dá)到了智能控制路燈的效果。

3.3環(huán)境光強(qiáng)檢測(cè)模塊

環(huán)境光強(qiáng)檢測(cè)模塊主要使用的是5537光敏電阻，該電阻對(duì)光強(qiáng)的靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快，電阻變化明顯。該部分電路采用電阻分壓原理，將光敏電阻串聯(lián)到電路中進(jìn)行分壓，為了消除環(huán)境的干擾，系統(tǒng)對(duì)光敏電阻的分壓用運(yùn)算放大器進(jìn)一步放大。運(yùn)算放大器使用的是OP07，OP07的噪聲比較低，是一款非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路，其零飄不嚴(yán)重，使用時(shí)不需要額外的調(diào)零工作。OP07輸出的電壓接入單片機(jī)AD采集模塊，單片機(jī)根據(jù)AD模塊采集信號(hào)的強(qiáng)弱控制晶閘管的開(kāi)度，達(dá)到控制路燈工作電流大小的效果。該系統(tǒng)建立了晶閘管開(kāi)度與光照強(qiáng)度的線性關(guān)系，同時(shí)當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)超過(guò)一定范圍后控制晶閘管電路關(guān)閉，說(shuō)明此時(shí)是白天，當(dāng)光強(qiáng)小于一定范圍后控制晶閘管全開(kāi)，使路燈工作在最亮的狀態(tài)。endprint