模擬路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：模擬路燈控制系統(tǒng)以SCT89C58為控制核心。以DS1302為時(shí)鐘源，以紅外線傳感器、光學(xué)傳感器對(duì)移動(dòng)物體和環(huán)境明暗變化進(jìn)行信息采集，通過(guò)軟件編程能實(shí)時(shí)顯示時(shí)鐘和設(shè)定、顯示開關(guān)燈時(shí)間，控制整條支路根據(jù)設(shè)定時(shí)間、環(huán)境明暗、交通情況自動(dòng)開燈、關(guān)燈、調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)或獨(dú)立控制單燈開和關(guān)，并能根據(jù)布設(shè)在支路單元上的光敏器件的采集信息進(jìn)行路燈故障聲光報(bào)警。在設(shè)計(jì)中編程語(yǔ)言使用了C51，并采用模塊化設(shè)計(jì)方法，不僅易于編程和調(diào)試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。因此，本系統(tǒng)具有性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：SCT89C58；路燈控制；人機(jī)接口；節(jié)能環(huán)保

    照明工程迅猛發(fā)展，其路燈數(shù)量的增大，而且功耗和性能大不提高，因而對(duì)路燈定時(shí)器控制的要求比較精確。目前，路燈開關(guān)燈控制方法多為傳統(tǒng)的“鐘控”和“光控”。因此，系統(tǒng)不能適應(yīng)天氣突變與季節(jié)變化等自然情況，且容易受外部環(huán)境干擾，靈敏度低，可靠性也較差。從而會(huì)出現(xiàn)：開燈早，關(guān)燈晚；或者開燈晚，關(guān)燈早的現(xiàn)象。前者會(huì)造成巨大的電能浪費(fèi)，后者會(huì)損害城市形象、影響社會(huì)治安和交通安全，從而影響城市的投資環(huán)境。本設(shè)計(jì)利用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的兩種方式進(jìn)行了優(yōu)化，使之能實(shí)現(xiàn)控制開關(guān)燈的合理化、科學(xué)化。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    該模擬路燈控制系統(tǒng)選用STC89C58作為整個(gè)模擬路燈控制系統(tǒng)的控制芯片，利用優(yōu)化的C語(yǔ)言編程方案實(shí)現(xiàn)路燈的控制功能。控制器以DS1302為時(shí)鐘源，通過(guò)12864液晶顯示模塊適時(shí)顯示時(shí)鐘和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并利用4鍵獨(dú)立式鍵盤提供用戶設(shè)置界面。系統(tǒng)提供2種工作模式：人工控制模式和自動(dòng)控制模式。在人工控制模式下，操作員通過(guò)主控制臺(tái)上的按鈕設(shè)置路燈的開關(guān)時(shí)間，也可直接控制單燈的開與關(guān)；在自動(dòng)控制模式下，光敏電阻采集路燈所處環(huán)境的光亮度，紅外對(duì)管識(shí)別是否有物體通過(guò)。從而使控制器完成對(duì)路燈及時(shí)控制的目的。如果路燈出現(xiàn)故障，布設(shè)在支路單元上的光敏器件就會(huì)采集LED燈的故障信息，然后由單片機(jī)控制路燈故障聲光報(bào)警機(jī)構(gòu)報(bào)警。LED燈以恒流電源為驅(qū)動(dòng)源，單片機(jī)根據(jù)設(shè)定信息通過(guò)控制器可使恒流源工作或者停止工作實(shí)現(xiàn)LED調(diào)光功能。系統(tǒng)硬件方框總圖如圖1所示。

2 硬件組成與原理
    硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，要考慮的方方面面很多，除了實(shí)現(xiàn)模擬路燈控制系統(tǒng)基本功能以外，主要還要考慮如下幾個(gè)因素：1)系統(tǒng)穩(wěn)定度；2)器件的通用性或易選購(gòu)性；3)軟件編程的易實(shí)現(xiàn)性；4)系統(tǒng)其它功能及性能指標(biāo)。因此只有合理的硬件設(shè)計(jì)才能更好的與軟件控制相結(jié)合，從而達(dá)到整體性好，人性化強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
2．1 控制電路
    控制電路實(shí)質(zhì)是單片機(jī)最小系統(tǒng)?？刂齐娐肥窍到y(tǒng)的核心，考慮到程序的大小選用了STC89C58單片機(jī)。它由晶體振蕩電路以及輕觸按鍵構(gòu)成復(fù)位電路構(gòu)成，主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍電路的控制功能，使各模塊電路正常有序的工作。
    晶體震蕩電路結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率，作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。
    單片機(jī)復(fù)位電路的作用是使單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，本設(shè)計(jì)中用的是按鍵電平復(fù)位，即當(dāng)電路已在運(yùn)行當(dāng)中時(shí)，按下復(fù)位鍵后松開，即能使RST為一段時(shí)間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)位的操作。
2．2 獨(dú)立式鍵盤電路
    獨(dú)立式鍵盤相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵占用一根I／O口線，每根I／O口線上按鍵的工作狀態(tài)不會(huì)影響其他按鍵的工作狀態(tài)。單片機(jī)在上電運(yùn)行后，連接到鍵盤一端的I／O口默認(rèn)為高電平，鍵盤的另一端共地，當(dāng)有按鍵動(dòng)作產(chǎn)生時(shí)，相應(yīng)連接該按鍵的I／O口會(huì)被接地線拉成低電平，同時(shí)，與鍵盤連接的四輸入與門輸出到中斷口的電平為低，如果處理器允許中斷產(chǎn)生則會(huì)作出響應(yīng)，否則，響應(yīng)其他操作。
2．3 顯示電路
    顯示電路用于在人機(jī)接口中反饋信息，主要由液晶模塊構(gòu)成。硬件設(shè)計(jì)中選用了帶KS0108控制器的12864全點(diǎn)陣圖形式液晶。通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示屏的任意位置的顯示、滾動(dòng)顯示和反顯等功能。
2．4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路
    本系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路DS1302，它是美國(guó)DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，工作電壓寬達(dá)2．5～5．5 V。DS1302在硬件電路中與CPU的連接僅需要3條線。即SCLK、I／O、RST。DS1302在第一次加電后，必須進(jìn)行初始化操作。初始化后就可以按正常方法調(diào)整時(shí)間。
2．5 LED燈驅(qū)動(dòng)電路
    由于單片機(jī)的I／O口不能夠直接驅(qū)動(dòng)LED燈發(fā)光，因此采用了驅(qū)動(dòng)電路來(lái)識(shí)別單片機(jī)發(fā)出的開關(guān)燈信號(hào)，并控制路燈的亮滅。單片機(jī)給出的信號(hào)只有高低電平，為了避免開機(jī)時(shí)單片機(jī)的I／O口處于高電平而使路燈發(fā)光，開燈信號(hào)使用了低電平，關(guān)燈信號(hào)使用了高電平。對(duì)應(yīng)兩盞燈與單片機(jī)的接口線為：燈1連接到P3．6，燈2連接到P3．7。
2．6 交通檢測(cè)與環(huán)境感應(yīng)電路
    這兩個(gè)電路都是使用傳感器實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)的采集，然后送給單片機(jī)進(jìn)行處理。在器件上分別使用了紅外對(duì)管和光敏電阻，紅外對(duì)管用于移動(dòng)物體適時(shí)監(jiān)測(cè)，包括紅外線發(fā)射管和紅外線接收管，是一種紅外線發(fā)射電路、接收電路一體使用的反射型感應(yīng)開關(guān)模塊，本身發(fā)射出一束紅外光線，在該紅光線的射程內(nèi)如果有一物體擋住紅外光線，并將紅外光線反射回模塊，從而傳輸給單片機(jī)；光敏電阻通過(guò)光線的強(qiáng)弱來(lái)判斷是白天還是黑夜，在白天，光線較強(qiáng)，光敏電阻處于高阻值的狀態(tài)，因而傳給MCU低電平，在黑夜，則正好相反。
    硬件設(shè)計(jì)中，交通檢測(cè)電路有3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，與單片機(jī)接口線分別為P1．5、P1．6、P1．7，光敏電阻電路只輸出一個(gè)高低電平狀態(tài)，與單片機(jī)通信的口線為P1．4。
2．7 故障判斷與報(bào)警電路
    在對(duì)多盞路燈進(jìn)行管理時(shí)，檢測(cè)故障是一件費(fèi)力的事情，采用故障判斷電路能夠減少人為判斷的工作量，為了及時(shí)反映路燈故障的信息，通過(guò)報(bào)警電路加以提示，能夠及時(shí)知道路燈的工作情況，故障時(shí)就能第一時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維修，以保證良好的交通環(huán)境。硬件設(shè)計(jì)中，故障判斷利用了光學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)，如果燈已開而燈未，即產(chǎn)生了故障，電路會(huì)傳給單片機(jī)一個(gè)高電平信號(hào)，同時(shí)，單片機(jī)會(huì)控制報(bào)警電路工作，蜂鳴器發(fā)生且故障燈亮起。采集燈1和燈2故障信息的傳感器對(duì)應(yīng)連接到單片機(jī)的P3．0和3．1口，報(bào)警電路獨(dú)立與單片機(jī)的P3．3口相連。
    整機(jī)電路如圖2所示。

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件是本系統(tǒng)的靈魂。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，不僅易于編程和調(diào)試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。同時(shí)，對(duì)軟件進(jìn)行全面測(cè)試也是檢驗(yàn)錯(cuò)誤排除故障的重要手段。這里我們選用了移值性好、結(jié)構(gòu)清晰、能進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算的C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)編程。程序設(shè)計(jì)中，包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、人工控制和自動(dòng)控制、故障判斷幾個(gè)過(guò)程。
    1)實(shí)時(shí)監(jiān)洲過(guò)程
    路燈的所有信息通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的都會(huì)在反映在液晶主界面上。檢測(cè)頻率是1秒進(jìn)行一次，包括時(shí)間、控制方式、路燈故障信息、路燈工作狀態(tài)。監(jiān)測(cè)流程如圖3所示。

    2)人工控制過(guò)程
    人工控制有兩種方式：?jiǎn)螣艨刂坪投〞r(shí)開關(guān)，單燈控制時(shí)，處理器對(duì)比設(shè)置的單燈狀態(tài)；定時(shí)控制時(shí)系統(tǒng)會(huì)將當(dāng)前時(shí)間與設(shè)定的開關(guān)燈時(shí)間對(duì)比，直到兩者時(shí)間一致。然后，處理器就會(huì)控制驅(qū)動(dòng)電路開燈和關(guān)燈，流程如圖4所示。
    3)自動(dòng)控制過(guò)程
    根據(jù)交通的情況來(lái)調(diào)節(jié)燈亮的狀態(tài)能夠進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能的目的，特別是在深夜，車輛和行人都相對(duì)較少，一直開燈而沒(méi)很好的利用只是在白白浪費(fèi)資源，因此，最有效的解決辦法是只在有人或車輛通過(guò)時(shí)才開燈。如圖5所示，當(dāng)可移動(dòng)物體M(在物體前端標(biāo)出定位點(diǎn)，由定位點(diǎn)確定物體位置)由左至右到達(dá)S點(diǎn)時(shí)，燈1亮；當(dāng)物體M到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，燈1滅，燈2亮；當(dāng)物體M到達(dá)C點(diǎn)時(shí)，兩燈均滅；若物體M由右至左移動(dòng)時(shí)，則亮燈次序與上相反。

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    程序設(shè)計(jì)的流程圖如圖6所示。

    4)故障判斷與報(bào)警過(guò)程
    路燈出現(xiàn)故障會(huì)對(duì)交通造成一定的影響，這就要求維修人員能夠第一時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)排除故障。本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)判斷路燈的狀態(tài)，出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并且在液晶屏上會(huì)顯示故障路燈的編號(hào)，可省去管理人員必須到現(xiàn)場(chǎng)才能判斷故障的麻煩。程序流程如圖7所示。
根據(jù)以上描述，全局控制的流程如圖8所示。

4 系統(tǒng)仿真測(cè)試
    仿真測(cè)試主要是對(duì)功能指標(biāo)的測(cè)試。各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

    通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析，可得出本設(shè)計(jì)完全符合設(shè)計(jì)的所有要求，實(shí)現(xiàn)了模擬路燈控制系統(tǒng)。

5 結(jié)論
    該控制系統(tǒng)是采用單片機(jī)實(shí)時(shí)控制，主要由4個(gè)模塊組成，第1個(gè)模塊為支路控制器，能適時(shí)讀取時(shí)鐘芯片的信息并顯示，能對(duì)來(lái)自紅外對(duì)管、光敏器件的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理并控制其他電路；第2個(gè)模塊為單元控制器，負(fù)責(zé)接收支路控制器發(fā)出的控制指令并監(jiān)測(cè)移動(dòng)物體將信息、路燈狀態(tài)信息傳給支路控制器做判斷，從而控制LED燈的開關(guān)；第3個(gè)模塊為輸入、顯示裝置，是對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)以及用戶更改設(shè)置、直觀顯示、人機(jī)交互的作用。作為控制執(zhí)行部件，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和精密機(jī)械等領(lǐng)域，尤其在需要精確定位時(shí)應(yīng)用得更為廣泛。