基于单片机的智能路灯系统设计和模拟

摘要：设计的智能路灯系统既可根据人体感应和周围环境亮度自动判断是否开启路灯，也可以利用DS1302充当时钟来实现路灯的定时开启和关闭。该系统的硬件电路由单片机最小系统电路、按键显示电路、光照强度采集电路、人体红外检测电路以及故障检测电路等组成。另外，在故障检测方面，在检测电路是否通路后可通过RS485总线向后台管理计算机发送报警信息。详细介绍了系统的工作原理及软硬件设计思路，最后利用Proteus仿真软件验证了设计方案的可行性和有效性。经过测试，该系统设计的路灯性能稳定，具有节能环保、节约人力等优势，有较高的应用价值。

关键词：智能路灯;单片机;AT89C51;传感器;模式选择

0引言

城市现代信息文明不断取得进步的同时，照明设施建设已“脱胎换骨”有了进一步的发展。与此同时，能源供需矛盾也愈发突出，节约能源的要求越来越高，因此利用现代科技手段来解决这些矛盾非常重要。本文设计采用的智能化管理系统既有节约电能，减少资源浪费的特点，又可以科学地解决现代化都市的一些问题。

现今，智能路灯控制系统[1]的设计已经较为成熟，市面上现存的路灯控制系统大致可分为以下两种类型：一种是使用时钟控制，一种是使用光敏电阻的感光特性并搭上各类传感器的信号检测所产生的电信号来控制。两者特点各不相同，其用途也不尽相同，本文计划通过简单的合成使得智能路灯系统同时拥有以上两种特点，可通过人为选择来决定当前路灯所处的模式。目前市面上已存在很多种类的路灯设计，诸如多模式LED路灯、基于ZigBee技术的智能路灯[2]、基于WSN技术的智能路灯[3]等智能设计。本次设计所使用的89系列单片机以其功能较为强大、体积小、易扩展等优点被广泛使用于智能控制领域。用单片机来设计智能路灯既可提升智能路灯控制系统的整体性能，也可以在很大程度上减少电能损耗，同时顺应了如今提倡节能环保的生活主题。

1系统硬件方案设计

1.1系统的结构框图

单片机在作为本文智能路灯系统主控芯电路部分的同时，还有时钟电路、光照采集和人体红外电路、断路检测电路、液晶显示以及由独立按键组成的电路。该智能路灯系统所需要实现的功能为：1)具有定时开闭和自动开闭两种工作模式。2)当处于定时模式时，可通过按键设置路灯的开、关灯时间;当处于自动模式时，可通过当前环境光照强度及是否有人经过自动开、关路灯。3)系统中的故障检测模块能够判断照明电路是否断路，当路灯电路出现断路现象时通过RS485总线向后台管理计算机发送报警信息，如图1所示。

1.2晶振复位电路

AT89C51外部接了一个石英振荡晶体，这是因为内部的振荡器并不稳定，需要外接一个振荡源来促使其稳定[4]。单片机提供时钟信号的晶振电路由两个30pF的电容和一个石英振荡器构成，它的两头连接着单片机的XTAL1和XTAL2引脚。同时，单片机的RST引脚连接到复位电路，使用独立按键来仿真点触开关可进行手动复位，当象征着复位的独立按键被按下时，其上连接的电解电容(CAP-elec)开始放电，对单片机的RST引脚输出高电平，使得单片机复位，此时单片机的程序计数器清零，该电路在单片机出现程序死机时很有用。

1.3传感器检测电路

1.3.1光敏二极管控制模块

光敏二极管对光强度的变化较为敏感，会根据光强差异而改变电压特性，且具有单向导电性等特点，因此这一器件十分适合本系统。如图2，把光敏二极管的两极加上电压，此时就会有电流流过光敏二极管，当二极管上有光照射到时，其上的电压就会随着光照强度的变化而变化，当光照强度弱时，光敏二极管的分压高，此时相应地输出高电位;当光照强度强时输出低电位，即可将光的变化转换为电的变化，从而实现路灯在不同光线下的自动控制[5]。光敏二极管收集到的信号需要通过ADC0809模数转换芯片进行采集，并连接到单片机的P2.3—P2.6引脚。

1.3.2人体红外检测模块

人体红外检测模块完成的功能是完成从光信号到电信号的转换，即当它的感应范围内有人进入时，可相应输出高电平;当在它的感应范围内没有感应到人体的时候，可相应输出低电平[6]。此处的仿真即用一个独立按键表示，当按键按下，表示路灯附近有人体经过，输出高电平;反之，表示附近无人，输出低电平。

1.4LCD显示电路设计

采用LCD1602液晶屏，该液晶屏显示具有质量高、体积小、接口为数字式且功耗低等特点，操作方便，可用性高。当前所处的模式、当前时间以及确定的时间通过单片机的P0端口传递给LCD1602，再由LCD1602显示出来，LCD1602与单片机的连接如图3所示。

1.5时钟计数电路

时钟模块使用的是美国DALLS公司推出的DS1302芯片，可使用该芯片为本系统提供定时、计数功能，利用其特点设计智能路灯的手动模式。当处于定时模式时可向单片机提供实时时间和日期信息。DS1302的两个电源引脚分别为VCC1和VCC2，其中前者为后备电源，后者为主电源。使用两个电源是为了当主电源即VCC2被关闭时，时钟仍然可以继续正常运行，可防止断电使时间和日期数据丢失。DS1302芯片上电工作后，在传送的过程中给RST复位引脚置高电平，此时可对该芯片进行读或写操作;当它置为低电平时，数据传送将会停止[7]。如图4所示，DS1302的SCLK、RWD引脚连接单片机相关引脚。如在6：00—18：00这一时间段内，会通过相关引脚向单片机发送信号使其做出相应的操作来控制路灯的开启和关闭。

1.6按键电路

由四个独立按键组成的按键电路有以下四个功能：即设置当前所处的模式为手动或者自动、设置当处于手动模式下路灯所处状态的时间、时间数字加一以及时间数字减一，按键电路如图5所示。使单片机的P3.0，P3.2，P3.3，P3.4四个引脚分别与各个独立按键相连，当按下第一个按键时，1602显示进入模式选择，可设置当前所处模式。处于手动模式时，可通过第二个按键进行设置路灯开启或者关闭的时间，此时第三个和第四个按键则分别对应着时间数字的加一或者减一，当时间调到需要设置的正确值时，再次按下第二个按键，即可设置成功。当处于自动模式下，则后面三个按键无需使用。

1.7路灯控制电路

路灯组控制电路是整个设计中较为重要的部分，主要是通过连接单片机的P2.2引脚来实现具体的控制指令，此时，由单片机、发光二极管以及驱动电路组成的LED路灯组电路即可通过单片机的P2.2引脚来控制实现路灯状态的改变。如图6所示，路灯组电路由1kΩ电阻连接到的三极管放大电路和继电器组成，当连接三极管基极一端的电位为低电平时三极管导通，其集电极连接的继电器触点打开，接通发光二极管所在的电路，此时路灯点亮。

当处于手动模式时，通过设置时钟电路将路灯点亮的时间设置为18：00—6：00;当处于自动模式时，通过光电检测和人体红外检测可设置路灯的点亮或关闭，即当光照强度弱且路灯可检测范围内有人体经过时，检测信号通过P2.2引脚输入单片机使路灯点亮，在延迟一定的时间后路灯自动关闭。

1.8断路检测电路

本文系统的仿真使用单刀双掷开关来模拟电路的通路或断路，当开关置于电源一端时表明电路正常，向ADC0809模数转换器的IN1输出高电平，当开关接地时则表明电路出现断路，向IN1输出低电平。此时单片机接收模数转换来的信息，再经过分析处理后通过串口输出字符串“CircuritOpen”.ADC0809芯片的控制地址锁存允许信号ALE、数据输出允许信号OE分别与单片机的P2.3和P2.4引脚相连，单片机的P1端口可接到该芯片的8位数字输出端。当ALE=1时，地址输入为001，此时将断路检测电路的模拟输入到比较器，模数转换完成的标志为EOC变为高电平。数据总线接收来自ADC0809的输出转换结果的数字量，此时OE的输入为高电平。

采用电平转换电路将计算机的信号电平转换成RS-485标准电平，因为单片机中只有一个采用TTL电平的可编程串口，与PC机中的两个RS-232串行通信标准接口COM1、COM2无法对接。通过TXD实现串行长距离可靠通信，使得串口输出如图的特定字符。其中，用于485协议与TTL协议转换的小功率收发器，是一种符合RS-485标准的MAX487差分平衡型收发器芯片[8]，其特点为所含的驱动器具有过载保护功能。如图7所示，本次设计将两个MAX487相连，左边的MAX487接收器为U5，右边的为U4，此时将U5输出使RE置低，U4的RE置高，使得U5的接收器输出RO有效，U4的RO为高阻状态。相关引脚连接完毕后使左端接收器输出接虚拟串口的RXD，使得串口输出指定字符。

2软件流程图

程序流程如图8所示，首先，初始化相关的器件和程序后进行模式选择，若处于手动模式时，则向DS1302发送请求，更新时间数据后设定时间;若处于自动模式时，依据传感器的反馈给与相应的灯光处理。

然后检测电路是否故障，当电路出现故障时，通过串口输出相应字符。本系统的软件设计部分有一个主函数和两个中断，其中一个中断为外部中断，主要用于处理手动、自动模式的切换，另一个中断为定时器中断。

3系统仿真

本文设计所用到的Proteus软件具有非常强大的原理图绘制功能，可将原理布图和代码调试完美融合且可实现单片机和外围电路的协同仿真，是一个从概念到产品功能，设计完整的软件。同时它也支持主流单片机系统，可提供丰富大量的元器件库，这是普通实验室无法与之相比的，这一特点为设计实验提供了大量的虚拟仪表仪。因此Proteus仿真软件的使用为本设计提供了很大的帮助。

3.1定时模式下的路灯仿真

通过按键选择使路灯处于定时模式，如图9所示。

3.2自动模式下的路灯仿真

通过按键选择使路灯处于自动模式，在该模式下可以根据光照强度和有无人体经过自动改变路灯的亮灭状态。首先调节光敏二极管所接收的光照强度，使其接收亮光，同时，按下模拟人体红外传感器的独立按键，即表示当处于白天时，有路人经过路灯，此时LED路灯组均处于熄灭状态。调节光敏二极管所处光照强度采集电路，使其所接受的光照强度较弱，同时按下代表热释电人体红外的独立按键，即表示当处于黑夜时，有人经过路灯，此时路灯处于点亮状态，如图10.

3.3电路断路状态仿真

用于仿真断路检测电路的单刀双掷开关接高电平时表示电路正常，此时虚拟串口无输出;当单刀双掷开关接地时，则表示电路出现断路，此时虚拟串口输出如图11所示的字符串“CircuitOpen”.

4结论

随着时代的进步和现代化科学技术的发展，传统意义上路灯的控制和维护方法已经无法满足和适应现代化都市的要求，同时伴随着单片机、IC芯片等技术的发展，智能路灯控制系统的发展也有了前提和基础。本文设计利用keil编译环境与Proteus仿真软件对路灯控制系统进行程序编写和硬件仿真，可实现两种模式的功能[9]，当处于手动模式下，该路灯系统所具有的时钟功能能够设定定时模式的时间，并通过1602显示出来;当处于自动模式时，可通过光电检测电路中的光敏二极管来感知外部光照强度，再根据光信号的强弱以及人体热释电感应传送的信号，单片机发出信号智能地打开和关闭路灯，同时可检测电路是否断路。本系统虽设计简单，但应用的范围却很广，可通过简单的控制实现节约人力、节能减排的目的，可获得较好的经济效益。本系统也存有需要改进的地方，如本文所涉及的人体检测及断路检测等涉及传感器的电路均使用简单模型代替，若运用于实际中需要进行进一步的设计，且其中使用的人体红外传感器在实际应用中应该做好相关的维护工作[10]，因为其非常容易为外界的环境因素所影响。

参考文献：

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