基于單片機控制的智能路燈控制系統設計

張偉 楊森林

摘 要： 以STC89C51單片機作為控制芯片，利用光敏電阻的特性，根據光線強弱的不同傳送給單片機不同的信號，再結合聲音傳感器、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，在單片機中經過相關運算處理，給出路燈亮、滅的信號。當路燈出現故障時，系統會發出報警指令，通過聲光報警電路向外釋放聲光報警信號，并經過光敏電阻探察之后，通過數碼管指出故障路燈的具體位置。通過搭建硬件電路，將實物在不同環境下進行多次實驗測試，經驗證該設計可以有效地實現路燈的智能通斷，從而有效地減少電力能源的損耗，實現對路燈的人性化控制，達到了節能的目的。

關鍵詞： 電力能源； 控制芯片； 傳感器； 單片機； 智能控制； 光敏電阻

中圖分類號： TN344?34 文獻標識碼： 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，節約電能已經成為社會的共識。綠色、環保、節能是目前電力系統發展的主流方向，對用電器的要求更是精準嚴格。在人們的日常生活起居，城市的建設當中，路燈都扮演著極其重要的角色。在能源較為緊缺的社會環境下，促進路燈的智能化顯得極為重要，同時也順應了節能與環保的生活主題。

關于路燈智能控制系統的設計，目前涉及到的有LED路燈、多模式的、基于PLC技術的、基于WSN技術、基于ZigBee技術、太陽能、電力載波技術等各種智能控制系統的設計。每種設計方法都有各自的優缺點、使用場合和設計成本也有差異。文中主要設計一款以單片機為控制芯片，易操作、成本低的智能路燈控制系統，針對不同的路況環境，選擇不同的工作模式，達到節能環保的目的。

1 方案設計

以單片機作為主控芯片，采用三種類型的傳感器進行信息的檢測，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測是否有物體通過；利用聲音傳感器來監測是否有車通過；利用紅外人體識別傳感器來監測是否有人通過。3個傳感器配合來監測是否有車和人通過，可以很好地排除外界干擾，達到節能的目的。當紅外反射式光電傳感器監測到有物體通過，然后聲音傳感器或紅外人體識別傳感器監測到有人或者車輛通過時，路燈變亮；監測不到時，延時一定時間后路燈變暗。通過光敏電阻檢測環境明暗程度實現控制系統的通斷功能，同時檢測路燈故障。一旦有故障發生，發出聲光報警，并用數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 硬件電路設計

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

2.1 控制電路模塊設計

以STC89C51作為主控芯片，設計控制電路。其實現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的數據處理分析，再根據功能要求編寫程序完成相應的運算，把結果輸出到執行機構中。在單片機中，將P0～P3作為通用輸入/輸出端口。單片機控制系統的電路圖如圖2所示。

2.2 傳感器檢測與執行電路部分

2.2.1 光敏電阻控制模塊設計

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

發送電路的功能是讓發射器找到的目標發出相應的光束。該光束通過半導體光源、激光、或者發光二極管、紅外線等產生，實現持續發射并更改脈寬。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，實現信號的檢測與分離。

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行檢測的，聲音傳感器是在傳感器中加上能夠對聲音產生敏感信息的話筒器件。當有聲音出現時，會使話筒中的薄膜發生震動，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，并由A/D轉換之后傳送到接收器中，再發到計算機中。該部件的功用類似于麥克風，聲音傳感器接收聲音信號，但無法測出噪聲的強度。BR?ZS1類型的傳感器屬于工業專用的類型，能夠產生4～20 mA的積分噪聲裝備，符合GB3785，GB/T 17181規定的有關噪聲探測標準。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，而且能夠跟大多數的用戶兼容，實現24小時持續檢測，而且還能夠加上報警裝置。BR?ZS1具有檢測精度高、適應能力強、費用低等優勢，在交通領域、工廠中檢測噪聲方面得到了廣泛的應用。該系統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模比較小，應用起來具有較便捷、探測范圍廣、工作性能高、探測距離遠，以及靈敏度高等優點，已被廣泛地應用于生活的許多方面。紅外人體識別傳感器用到的相關部件有帶通放大器、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，其內部包含兩個運放。LM393內部結構圖如圖6所示。系統中路燈故障檢測和紅外光電傳感器中應用到了電壓比較器LM393，是將它應用到相應的運算放大電路模塊中去，從而將放大后的信息傳送給單片機。

2.3 顯示電路的設計

顯示電路采用的是LED數碼管顯示，用數碼管來表征出故障路燈的地點。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：根據電磁效應，變化的電流會產生變化的磁場，磁場帶動周圍的硬件設備震動。而控制器的電流一般在幾毫安的范圍內，達不到蜂鳴器的工作電流，因此需要利用集成運放把控制器的輸出信號放大。蜂鳴器的驅動電路信號如圖7所示。

3 軟件設計

系統的軟件框圖如圖8所示。

4 系統實驗結果

4.1 系統調試

系統調試包括硬件調試和軟件調試兩部分。硬件調試主要是做成實物后，通過調試來觀察電路板中的短路、虛焊、過焊等問題并進行處理。軟件調試主要是程序的調試，是在實物做好以后，通過向單片機內燒入程序進行測試，根據輸出的結果來判定程序的正確與否，從而達到調試的目的。

4.2 硬件電路實驗結果

將實物分別放在白天和晚上兩個環境中，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，若發現該傳感器對應的紅色LED燈變亮，同時靠近一下人體識別模塊，若發現路燈變亮，則延時10 s后自動關閉；然后敲擊一下附近的物體發出聲音，可看到聲音傳感器旁邊的紅色LED燈閃一下，同時路燈點亮，沒有聲音時，延時10 s路燈自動關閉；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行良好。在路燈點亮時，用紙片擋住其中一個或兩個路燈，看是否會發出聲光報警，并在數碼管上顯示出對應故障路燈的位置，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的路燈是否會點亮，再按一下是否會變暗，按鈕二同理進行測試，若符合所述，則說明手動開關電路正常。

5 結 論

通過軟、硬件的結合，以及不同環境下的多次調試，設計的硬件電路實現了相應的功能。但設計中，仍然有許多需要改進的地方，如模擬系統中使用的聲音傳感器、紅外傳感器等易受環境影響，在實際應用中要做好相關的維護工作。同時系統是采用另外加2個小功率LED燈的方法來實現路燈夜晚的昏暗狀態，實際應用中可以采用PWM等方法來控制路燈的亮度，讓路燈的明暗程度具有可調性。最后在實際應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。

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