胡菁蕓,劉 月,鮑震杰,靳亞?wèn)|

(西藏民族大學(xué) 信息工程學(xué)院,陜西 咸陽(yáng) 712082)

0 引言

城市現(xiàn)代信息文明不斷取得進(jìn)步的同時(shí),照明設(shè)施建設(shè)已“脫胎換骨”有了進(jìn)一步的發(fā)展。與此同時(shí)，能源供需矛盾也愈發(fā)突出,節(jié)約能源的要求越來(lái)越高,因此利用現(xiàn)代科技手段來(lái)解決這些矛盾非常重要。本文設(shè)計(jì)采用的智能化管理系統(tǒng)既有節(jié)約電能,減少資源浪費(fèi)的特點(diǎn),又可以科學(xué)地解決現(xiàn)代化都市的一些問(wèn)題。

現(xiàn)今,智能路燈控制系統(tǒng)[1]的設(shè)計(jì)已經(jīng)較為成熟,市面上現(xiàn)存的路燈控制系統(tǒng)大致可分為以下兩種類(lèi)型:一種是使用時(shí)鐘控制,一種是使用光敏電阻的感光特性并搭上各類(lèi)傳感器的信號(hào)檢測(cè)所產(chǎn)生的電信號(hào)來(lái)控制。兩者特點(diǎn)各不相同,其用途也不盡相同,本文計(jì)劃通過(guò)簡(jiǎn)單的合成使得智能路燈系統(tǒng)同時(shí)擁有以上兩種特點(diǎn),可通過(guò)人為選擇來(lái)決定當(dāng)前路燈所處的模式。目前市面上已存在很多種類(lèi)的路燈設(shè)計(jì),諸如多模式LED路燈、基于ZigBee技術(shù)的智能路燈[2]、基于WSN技術(shù)的智能路燈[3]等智能設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)所使用的89系列單片機(jī)以其功能較為強(qiáng)大、體積小、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用于智能控制領(lǐng)域。用單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)智能路燈既可提升智能路燈控制系統(tǒng)的整體性能,也可以在很大程度上減少電能損耗,同時(shí)順應(yīng)了如今提倡節(jié)能環(huán)保的生活主題。

1 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

單片機(jī)在作為本文智能路燈系統(tǒng)主控芯電路部分的同時(shí),還有時(shí)鐘電路、光照采集和人體紅外電路、斷路檢測(cè)電路、液晶顯示以及由獨(dú)立按鍵組成的電路。該智能路燈系統(tǒng)所需要實(shí)現(xiàn)的功能為:1)具有定時(shí)開(kāi)閉和自動(dòng)開(kāi)閉兩種工作模式。2)當(dāng)處于定時(shí)模式時(shí),可通過(guò)按鍵設(shè)置路燈的開(kāi)、關(guān)燈時(shí)間;當(dāng)處于自動(dòng)模式時(shí),可通過(guò)當(dāng)前環(huán)境光照強(qiáng)度及是否有人經(jīng)過(guò)自動(dòng)開(kāi)、關(guān)路燈。3)系統(tǒng)中的故障檢測(cè)模塊能夠判斷照明電路是否斷路,當(dāng)路燈電路出現(xiàn)斷路現(xiàn)象時(shí)通過(guò)RS485總線向后臺(tái)管理計(jì)算機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of the system

1.2 晶振復(fù)位電路

AT89C51外部接了一個(gè)石英振蕩晶體,這是因?yàn)閮?nèi)部的振蕩器并不穩(wěn)定,需要外接一個(gè)振蕩源來(lái)促使其穩(wěn)定[4]。單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)的晶振電路由兩個(gè)30 pF的電容和一個(gè)石英振蕩器構(gòu)成,它的兩頭連接著單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳。同時(shí),單片機(jī)的RST引腳連接到復(fù)位電路,使用獨(dú)立按鍵來(lái)仿真點(diǎn)觸開(kāi)關(guān)可進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位,當(dāng)象征著復(fù)位的獨(dú)立按鍵被按下時(shí),其上連接的電解電容(CAP-elec)開(kāi)始放電,對(duì)單片機(jī)的RST引腳輸出高電平,使得單片機(jī)復(fù)位,此時(shí)單片機(jī)的程序計(jì)數(shù)器清零,該電路在單片機(jī)出現(xiàn)程序死機(jī)時(shí)很有用。

1.3 傳感器檢測(cè)電路

1.3.1 光敏二極管控制模塊

光敏二極管對(duì)光強(qiáng)度的變化較為敏感,會(huì)根據(jù)光強(qiáng)差異而改變電壓特性,且具有單向?qū)щ娦缘忍攸c(diǎn),因此這一器件十分適合本系統(tǒng)。如圖2,把光敏二極管的兩極加上電壓,此時(shí)就會(huì)有電流流過(guò)光敏二極管,當(dāng)二極管上有光照射到時(shí),其上的電壓就會(huì)隨著光照強(qiáng)度的變化而變化,當(dāng)光照強(qiáng)度弱時(shí),光敏二極管的分壓高,此時(shí)相應(yīng)地輸出高電位;當(dāng)光照強(qiáng)度強(qiáng)時(shí)輸出低電位,即可將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化,從而實(shí)現(xiàn)路燈在不同光線下的自動(dòng)控制[5]。光敏二極管收集到的信號(hào)需要通過(guò)ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行采集,并連接到單片機(jī)的P2.3—P2.6引腳。

圖2 光敏二極管控制系統(tǒng)Fig.2 Photodiode control system

1.3.2 人體紅外檢測(cè)模塊

人體紅外檢測(cè)模塊完成的功能是完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換,即當(dāng)它的感應(yīng)范圍內(nèi)有人進(jìn)入時(shí),可相應(yīng)輸出高電平;當(dāng)在它的感應(yīng)范圍內(nèi)沒(méi)有感應(yīng)到人體的時(shí)候,可相應(yīng)輸出低電平[6]。此處的仿真即用一個(gè)獨(dú)立按鍵表示,當(dāng)按鍵按下,表示路燈附近有人體經(jīng)過(guò),輸出高電平;反之,表示附近無(wú)人,輸出低電平。

1.4 LCD顯示電路設(shè)計(jì)

采用LCD1602液晶屏,該液晶屏顯示具有質(zhì)量高、體積小、接口為數(shù)字式且功耗低等特點(diǎn),操作方便,可用性高。當(dāng)前所處的模式、當(dāng)前時(shí)間以及確定的時(shí)間通過(guò)單片機(jī)的P0端口傳遞給LCD1602,再由LCD1602顯示出來(lái),LCD1602與單片機(jī)的連接如圖3所示。

圖3 1602液晶顯示電路Fig.3 1602 LCD circuit

1.5 時(shí)鐘計(jì)數(shù)電路

時(shí)鐘模塊使用的是美國(guó)DALLS公司推出的DS1302芯片,可使用該芯片為本系統(tǒng)提供定時(shí)、計(jì)數(shù)功能,利用其特點(diǎn)設(shè)計(jì)智能路燈的手動(dòng)模式。當(dāng)處于定時(shí)模式時(shí)可向單片機(jī)提供實(shí)時(shí)時(shí)間和日期信息。DS1302的兩個(gè)電源引腳分別為VCC1和VCC2,其中前者為后備電源,后者為主電源。使用兩個(gè)電源是為了當(dāng)主電源即VCC2被關(guān)閉時(shí),時(shí)鐘仍然可以繼續(xù)正常運(yùn)行,可防止斷電使時(shí)間和日期數(shù)據(jù)丟失。DS1302芯片上電工作后,在傳送的過(guò)程中給RST復(fù)位引腳置高電平,此時(shí)可對(duì)該芯片進(jìn)行讀或?qū)懖僮?當(dāng)它置為低電平時(shí),數(shù)據(jù)傳送將會(huì)停止[7]。如圖4所示,DS1302的SCLK、RWD引腳連接單片機(jī)相關(guān)引腳。如在6：00—18：00這一時(shí)間段內(nèi),會(huì)通過(guò)相關(guān)引腳向單片機(jī)發(fā)送信號(hào)使其做出相應(yīng)的操作來(lái)控制路燈的開(kāi)啟和關(guān)閉。

圖4 時(shí)鐘計(jì)數(shù)電路Fig.4 Clock counting circuit

1.6 按鍵電路

由四個(gè)獨(dú)立按鍵組成的按鍵電路有以下四個(gè)功能:即設(shè)置當(dāng)前所處的模式為手動(dòng)或者自動(dòng)、設(shè)置當(dāng)處于手動(dòng)模式下路燈所處狀態(tài)的時(shí)間、時(shí)間數(shù)字加一以及時(shí)間數(shù)字減一，按鍵電路如圖5所示。使單片機(jī)的P3.0,P3.2,P3.3,P3.4四個(gè)引腳分別與各個(gè)獨(dú)立按鍵相連,當(dāng)按下第一個(gè)按鍵時(shí),1602顯示進(jìn)入模式選擇,可設(shè)置當(dāng)前所處模式。處于手動(dòng)模式時(shí),可通過(guò)第二個(gè)按鍵進(jìn)行設(shè)置路燈開(kāi)啟或者關(guān)閉的時(shí)間,此時(shí)第三個(gè)和第四個(gè)按鍵則分別對(duì)應(yīng)著時(shí)間數(shù)字的加一或者減一,當(dāng)時(shí)間調(diào)到需要設(shè)置的正確值時(shí),再次按下第二個(gè)按鍵,即可設(shè)置成功。當(dāng)處于自動(dòng)模式下,則后面三個(gè)按鍵無(wú)需使用。

圖5 按鍵電路Fig.5 Key circuit

1.7 路燈控制電路

路燈組控制電路是整個(gè)設(shè)計(jì)中較為重要的部分,主要是通過(guò)連接單片機(jī)的P2.2引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的控制指令,此時(shí),由單片機(jī)、發(fā)光二極管以及驅(qū)動(dòng)電路組成的LED路燈組電路即可通過(guò)單片機(jī)的P2.2引腳來(lái)控制實(shí)現(xiàn)路燈狀態(tài)的改變。如圖6所示,路燈組電路由1 kΩ電阻連接到的三極管放大電路和繼電器組成,當(dāng)連接三極管基極一端的電位為低電平時(shí)三極管導(dǎo)通,其集電極連接的繼電器觸點(diǎn)打開(kāi),接通發(fā)光二極管所在的電路,此時(shí)路燈點(diǎn)亮。

圖6 路燈組控制電路Fig.6 Control circuit of street lamp group

當(dāng)處于手動(dòng)模式時(shí),通過(guò)設(shè)置時(shí)鐘電路將路燈點(diǎn)亮的時(shí)間設(shè)置為18:00—6:00;當(dāng)處于自動(dòng)模式時(shí),通過(guò)光電檢測(cè)和人體紅外檢測(cè)可設(shè)置路燈的點(diǎn)亮或關(guān)閉,即當(dāng)光照強(qiáng)度弱且路燈可檢測(cè)范圍內(nèi)有人體經(jīng)過(guò)時(shí),檢測(cè)信號(hào)通過(guò)P2.2引腳輸入單片機(jī)使路燈點(diǎn)亮,在延遲一定的時(shí)間后路燈自動(dòng)關(guān)閉。

1.8 斷路檢測(cè)電路

本文系統(tǒng)的仿真使用單刀雙擲開(kāi)關(guān)來(lái)模擬電路的通路或斷路,當(dāng)開(kāi)關(guān)置于電源一端時(shí)表明電路正常,向ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的IN1輸出高電平,當(dāng)開(kāi)關(guān)接地時(shí)則表明電路出現(xiàn)斷路,向IN1輸出低電平。此時(shí)單片機(jī)接收模數(shù)轉(zhuǎn)換來(lái)的信息,再經(jīng)過(guò)分析處理后通過(guò)串口輸出字符串“Circurit Open”.

ADC0809芯片的控制地址鎖存允許信號(hào)ALE、數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)OE分別與單片機(jī)的P2.3和P2.4引腳相連,單片機(jī)的P1端口可接到該芯片的8位數(shù)字輸出端。當(dāng)ALE=1時(shí),地址輸入為001,此時(shí)將斷路檢測(cè)電路的模擬輸入到比較器,模數(shù)轉(zhuǎn)換完成的標(biāo)志為EOC變?yōu)楦唠娖?。?shù)據(jù)總線接收來(lái)自ADC0809的輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量,此時(shí)OE的輸入為高電平。

圖7 串口輸出Fig.7 Serial port output

采用電平轉(zhuǎn)換電路將計(jì)算機(jī)的信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成RS-485標(biāo)準(zhǔn)電平,因?yàn)閱纹瑱C(jī)中只有一個(gè)采用TTL電平的可編程串口,與PC機(jī)中的兩個(gè)RS-232串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口COM1、COM2無(wú)法對(duì)接。通過(guò)TXD實(shí)現(xiàn)串行長(zhǎng)距離可靠通信,使得串口輸出如圖的特定字符。其中,用于485協(xié)議與TTL協(xié)議轉(zhuǎn)換的小功率收發(fā)器,是一種符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)的MAX487差分平衡型收發(fā)器芯片[8],其特點(diǎn)為所含的驅(qū)動(dòng)器具有過(guò)載保護(hù)功能。如圖7所示，本次設(shè)計(jì)將兩個(gè)MAX487相連,左邊的MAX487接收器為U5,右邊的為U4,此時(shí)將U5輸出使RE置低,U4的RE置高,使得U5的接收器輸出RO有效,U4的RO為高阻狀態(tài)。相關(guān)引腳連接完畢后使左端接收器輸出接虛擬串口的RXD,使得串口輸出指定字符。

2 軟件流程圖

程序流程如圖8所示,首先,初始化相關(guān)的器件和程序后進(jìn)行模式選擇,若處于手動(dòng)模式時(shí),則向DS1302發(fā)送請(qǐng)求,更新時(shí)間數(shù)據(jù)后設(shè)定時(shí)間;若處于自動(dòng)模式時(shí),依據(jù)傳感器的反饋給與相應(yīng)的燈光處理。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.8 System software flow chart

然后檢測(cè)電路是否故障,當(dāng)電路出現(xiàn)故障時(shí),通過(guò)串口輸出相應(yīng)字符。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分有一個(gè)主函數(shù)和兩個(gè)中斷,其中一個(gè)中斷為外部中斷,主要用于處理手動(dòng)、自動(dòng)模式的切換,另一個(gè)中斷為定時(shí)器中斷。

3 系統(tǒng)仿真

本文設(shè)計(jì)所用到的Proteus軟件具有非常強(qiáng)大的原理圖繪制功能,可將原理布圖和代碼調(diào)試完美融合且可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和外圍電路的協(xié)同仿真,是一個(gè)從概念到產(chǎn)品功能，設(shè)計(jì)完整的軟件。同時(shí)它也支持主流單片機(jī)系統(tǒng),可提供豐富大量的元器件庫(kù),這是普通實(shí)驗(yàn)室無(wú)法與之相比的,這一特點(diǎn)為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)提供了大量的虛擬儀表儀。因此Proteus仿真軟件的使用為本設(shè)計(jì)提供了很大的幫助。

3.1 定時(shí)模式下的路燈仿真

通過(guò)按鍵選擇使路燈處于定時(shí)模式,如圖9所示。

圖9 手動(dòng)模式下路燈仿真Fig.9 Street lamp simulation in manual mode

3.2 自動(dòng)模式下的路燈仿真

通過(guò)按鍵選擇使路燈處于自動(dòng)模式,在該模式下可以根據(jù)光照強(qiáng)度和有無(wú)人體經(jīng)過(guò)自動(dòng)改變路燈的亮滅狀態(tài)。首先調(diào)節(jié)光敏二極管所接收的光照強(qiáng)度,使其接收亮光,同時(shí),按下模擬人體紅外傳感器的獨(dú)立按鍵，即表示當(dāng)處于白天時(shí),有路人經(jīng)過(guò)路燈,此時(shí)LED路燈組均處于熄滅狀態(tài)。調(diào)節(jié)光敏二極管所處光照強(qiáng)度采集電路,使其所接受的光照強(qiáng)度較弱,同時(shí)按下代表熱釋電人體紅外的獨(dú)立按鍵,即表示當(dāng)處于黑夜時(shí),有人經(jīng)過(guò)路燈,此時(shí)路燈處于點(diǎn)亮狀態(tài),如圖10.

圖10 自動(dòng)模式下有人經(jīng)過(guò)Fig.10 Someone passing by in automatic mode

3.3 電路斷路狀態(tài)仿真

用于仿真斷路檢測(cè)電路的單刀雙擲開(kāi)關(guān)接高電平時(shí)表示電路正常,此時(shí)虛擬串口無(wú)輸出;當(dāng)單刀雙擲開(kāi)關(guān)接地時(shí),則表示電路出現(xiàn)斷路,此時(shí)虛擬串口輸出如圖11所示的字符串“Circuit Open”.

圖11 電路斷路狀態(tài)的串口Fig.11 Serial port with circuit open

4 結(jié)論

隨著時(shí)代的進(jìn)步和現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)意義上路燈的控制和維護(hù)方法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足和適應(yīng)現(xiàn)代化都市的要求,同時(shí)伴隨著單片機(jī)、IC芯片等技術(shù)的發(fā)展,智能路燈控制系統(tǒng)的發(fā)展也有了前提和基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)利用keil編譯環(huán)境與Proteus仿真軟件對(duì)路燈控制系統(tǒng)進(jìn)行程序編寫(xiě)和硬件仿真,可實(shí)現(xiàn)兩種模式的功能[9],當(dāng)處于手動(dòng)模式下,該路燈系統(tǒng)所具有的時(shí)鐘功能能夠設(shè)定定時(shí)模式的時(shí)間,并通過(guò)1602顯示出來(lái);當(dāng)處于自動(dòng)模式時(shí),可通過(guò)光電檢測(cè)電路中的光敏二極管來(lái)感知外部光照強(qiáng)度,再根據(jù)光信號(hào)的強(qiáng)弱以及人體熱釋電感應(yīng)傳送的信號(hào),單片機(jī)發(fā)出信號(hào)智能地打開(kāi)和關(guān)閉路燈,同時(shí)可檢測(cè)電路是否斷路。本系統(tǒng)雖設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,但應(yīng)用的范圍卻很廣,可通過(guò)簡(jiǎn)單的控制實(shí)現(xiàn)節(jié)約人力、節(jié)能減排的目的,可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。本系統(tǒng)也存有需要改進(jìn)的地方,如本文所涉及的人體檢測(cè)及斷路檢測(cè)等涉及傳感器的電路均使用簡(jiǎn)單模型代替,若運(yùn)用于實(shí)際中需要進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì),且其中使用的人體紅外傳感器在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該做好相關(guān)的維護(hù)工作[10],因?yàn)槠浞浅Ｈ菀诪橥饨绲沫h(huán)境因素所影響。