基于AT89C51的隧道智能調光系統的設計

肖廣兵 陳佳妮 孫寧 陳勇

摘? 要： 介紹了以AT89C51單片機為核心控制單元的隧道智能調光系統。該系統由交直流供電模塊、光照強度檢測模塊、AT89C51控制模塊、上位機管理系統、道路監控等組成，利用無線傳感網絡實現通訊。通過對隧道內燈光照明的智能調控，使得光線在隧道內呈均勻分布，以保障隧道內車輛駕駛的安全性和舒適性。文章闡述了隧道智能調光系統的軟硬件設計方案。該系統實現了對隧道內外光線的檢測和智能控制，具有結構簡單，操作方便等特點，能有效保障隧道路段的交通安全與通行能力。

關鍵詞： 隧道照明; 智能調光; AT809C51; 無線傳感網絡

中圖分類號：TP206.3? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）08-10-04

Abstract： The design of a tunnel lighting adjust system with AT89C51 is introduced， which includes AC/DC power module， illumination intensity detection module， AT89C51 microcontroller unit， PC administration system， real-time monitor， etc. It makes use of wireless sensor network to realize communication. The design of the systems software and hardware is introduced， which realizes the detection of the light change inside and outside the tunnel， and the intelligent control. The system has the characteristics of simple structure， convenient operation and so on， and can effectively ensure the traffic safety and traffic capacity in tunnel.

Key words： tunnel lighting; intelligent light-control; AT89C51; wireless sensor network

0 引言

隧道洞口光線的突變常會導致駕駛員出現視物不清的情況，易引發交通事故。因此，隧道口照明需要亮度漸變的過程，同時能夠自適應外界光照變化。隨著技術的發展，已經有一部分隧道將無線控制終端應用于隧道照明中[1]。然而絕大多數隧道出入口段仍依靠人工或分時段調控隧道燈亮度，這很大程度上限制了照明的靈活性[2]。王毅豪等將洞口照度作為分析參數，進行控制策略算法處理，從而下發控制指令。該系統以一定區域作為調光的單元，連接處容易產生反差，不能完全做到平穩過渡[3]。智能化照明是隧道工程研究的重要方向[4]，本文設計隧道智能調光系統，通過光敏電阻檢測外界明暗變化，數據通過無線傳感網絡發送給上位機進行分析、決策，及時下達亮度調控指令，最后單片機利用脈沖寬度調制達成無極調節LED燈源亮度的目的。相對于傳統的隧道照明，智能化調節隧道燈亮度可以自適應外界明暗的變化，及時更改洞口亮度，降低了黑洞效應致交通事故的概率，解決了人工與分時段調節的麻煩和時片大小問題，具有成本低，能耗少等優點[5]。

1 系統設計

隧道智能調光系統由交直流供電模塊、光照強度檢測模塊、AT89C51控制模塊、上位機管理系統、道路監控等組成，通過無線傳感網絡實現對數據的采集和燈光的調控。

照明燈的工作電源由220伏的交流電直接提供，通過整流電路轉變為直流電為單片機供電。光照檢測系統對外界光線變化實時監控，單片機通過無線傳感網絡將接收到的數據傳送至PC終端，終端通過采集到的光照、天氣、車流量等進行模糊計算制定方案，調節指令返回單片機[6]。AT89C51單片機接收到指令后，在現有亮度基礎上利用脈寬調制（PWM）調光法加強或減弱燈源亮度，實現無極調控隧道燈亮度[7-8]。當隧道內外亮度差值過大，觸發警報系統，由自動控制模式轉為手動操控。智能調光系統結構如圖1。

2 硬件電路設計

2.1 供電模塊設計

AT89C51模塊正常工作電壓一般為4.5-5.5V的直流電壓，而LED燈源連接使用220V的交流電。因此要將220V交流電分為兩路，一路為隧道照明燈供電，另一路先通過變壓器220：9轉變為9V的交流電，在經過整流橋堆輸出直流電，電容濾波后經過集成穩壓塊LM7805得到+5V的直流電。設置輸入端和輸出端濾波電容C1/C2，可以使電子電路的工作性能更加穩定，同時降低了交變脈動波紋對電子電路的干擾，限流電阻R1防止線路電流過大燒壞元器件，線路布置如圖2。

2.2 AT89C51控制模塊

AT89C51是一款帶4K字節FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，該模塊包含的引腳功能有32個I/O口線，2個16位定時/計數器，6個中斷源，它為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案[9]。

圖3是AT89C51的電路設計。單片機的晶振范圍為0-24MHz，該系統選擇12MHz。由亮度強弱變化產生的光敏電阻信號由AD轉換器轉換后串行發送到RXD接口（串行輸入口），單片機將信息通過無線傳感網絡傳送到上位機，上位機對處理后的亮度數據進行分析，將作出的決策返回單片機，由單片機控制燈源供電部分脈沖寬度從而增減光線強弱。

2.3 光照強度檢測模塊

光敏電阻能感知細微的光線變化，在無光照時，呈高阻狀態，隨著光照強度的增大，阻值降低。如果要讀出精準的亮度值就需要將光敏電阻兩端的電壓接入LM358雙運算放大器（如圖4），利用ADC0809將電壓的模擬量轉變為數字量傳送至單片機輸入端[10]。LM358內部有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的運算放大器，適用于所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。

3 系統軟件設計

上位機軟件控制平臺采用Visual Basic6.0 軟件開發設計，界面的總體搭建模塊來源于VB軟件中的窗口控件。

如圖5所示，系統主界面主要由亮度、控制、天氣及設置四個部分組成，所對應的功能分別是外部光線變化趨勢圖;隧道燈的控制模式;外界天氣情況的實時監測;軟件界面調整。圖5右上角三個按鈕依次為報警器關閉按鈕、退出登錄按鈕、路況監控按鈕。而一旦外界與隧道入口段亮度差值超過極限，立即觸發警報，需要手動關閉調節照明方案。

如圖6所示，該系統軟件的核心在于亮度的調控，即能夠通過外界光照強度，依據光學公式計算入口燈光合適的亮度，從而實現自動化的調整。外部信息除去光線變化外，還包含天氣實時更新、車流量監控檢測等，管理人員可在自動化調光和人工調光中進行自動切換，依據天氣、車流量等信息合理安排[11]。該軟件分用戶和管理員兩個權限，用戶具有瀏覽的資格，管理員具備更改軟件設置和下達指令的權利。

圖7是燈光的控制方案，其中Lth為經過光學公式計算后得到的入口段亮度，k取對應的入口段亮度折減系數，Lmin和Lmax是人工設定的最大最小亮度值，避免調整后出現過暗視野不清或過亮眩暈的情況。人工調整下的δ表示天氣、車流量等因素引起的差值，調整值經過無線傳感網絡發送給單片機，單片機調整占空比實現隧道燈亮度的控制。

圖8左側是亮度調節的參數，最大/小值人為提前設定，避免燈光過亮引發眩暈或過暗無法保障視線清晰。推薦值為電腦計算所得最恰當亮度，自動調光狀態選取該值作為調節值，人工控制依據車流量、天氣等因素進行上下調節。圖9右側控制單個隧道燈明/滅，在保證光照調節值的前提下，使用盡可能少的隧道燈，隧道燈的工作狀態遵循輪換原則，從而提高燈的使用壽命。

考慮到大氣能見度會受氣象條件變化影響明顯，在特殊天氣情況下人工調整公式中的δ值變大，圖9界面為人工控制提供參考數據，實時更新天氣狀況，保障了調整方案的可靠性。

4 結束語

本文利用AT89C51模塊實現了隧道燈的智能化調節功能，將自動控制技術應用到隧道照明系統中，減少了人工管理的繁瑣。該設計方案控制簡單，緊急情況下可以自控與人工靈活切換，妥善處理各類隧道照明問題。AT89C51外圍電路簡單，性價比高，能滿足一般的使用要求，可以方便的在其他應用中實踐。本文僅考慮人眼的舒適性，而如今節能是隧道研究的重要方向，所以，節能基礎上的智能調光是進一步的研究目標。

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