一种节能路灯的智能控制系统硬件设计

阿衍学， 李丹

（1.黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨150040；2.长江大学电子信息学院，湖北荆州434023）

一种节能路灯的智能控制系统硬件设计

阿衍学1， 李丹2

（1.黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨150040；2.长江大学电子信息学院，湖北荆州434023）

随着城市市政建设的发展，传统的路灯控制与维护手段已远远不能适应城市现代化发展的速度，文中设计了一种节能路灯的智能控制系统。

节能；单电机；控制；路灯

1 系统总体结构设计

根据智能控制系统的特点和单片机的工作原理，以AT89C51作为主控制器，进行主要的信息处理，包括路灯控制模块，检测模块，时钟模块。本系统的总体框架图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

2 各模块器件选择

2.1 单片机的选择

方案一：采用数字电路实现。数字电路结构简单，响应速度快。但处理能力有限，由于要求支路控制器需实现的功能很多，数字电路不易实现。

方案二：采用AT89C51作为主控制单片机。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。

综合设计要求和性价比，选择方案二为本系统的最终方案，用AT89C51制作的最小系统板，结构紧凑，工作稳定，性价比很高。

2.2 时钟的选择

方案一：采用软件编程实现时钟。利用单片机定时器中断，产生1 s信号，实现时钟。此方案不需硬件，但占用太多程序存储器、中断源等单片机资源。

方案二：利用DS1302与单片机之间采用同步串行的方式进行通信仅需用到3个口线（其引脚图如图2所示）：RES（复位）、I/O（数据线）、SCLK（串行时钟）。SCLK/RAM的读/写数据以1个字节或多达31个字节的字符组方式通信。DS1302工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW。DS1302芯片体积小、占用空间小，引脚也很少，操作起来非常方便，因此采用此方案。

2.3 检测光源的选择

检测光源模块是用来判断光线明暗变化。为了确保路灯在工作过程中根据光线明暗变化，自动开灯和关灯，系统需要利用感光元件来检测出光线明暗，充分节能。对于感光元件的选择有以下几种方案。

方案一：采用线性光敏传感器。其对光线的强弱呈线性变化，灵敏度高，可靠性、稳定性高，但其价格相对较贵。

方案二：采用光敏电阻。灵敏度较低，但价格便宜。选用方案二，通过相应电路设计计算，能够完成对环境明暗变化判断要求。

2.4 显示方案的选择

方案一：采用LED数码管显示。该方案控制简单，且LED数码管亮度高，醒目，但是数码管只能显示有限的数字和符号，占用资源较多且信息量较少，为了方便观察，因此我们不采用此方案。

方案二：采用诺基亚5110 LCD显示。完成参数与状态显示要求有较大的显示容量，因此选用诺基亚5110 LCD显示模块，它可显示汉字及图形，方便好用。

3 系统各模块硬件设计

3.1 AT89C51简介

AT89C51主要特性［1－2］：与MCS-51单片机产品兼容；4K字节可编程闪存储器；1000次写/擦循环，数据保留时间10 a；全静态工作；三级程序存储器锁定；128*8位内部RAM；32可编程I/O线；2个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡和时钟电路。

3.2 时钟部分

本系统的时钟电路是由时钟芯片DS1302来实现的，电路图如图2所示。

图2 时钟电路

3.3 光检测部分

本系统对坏境光线的检测电路如图3。通过1个光敏电阻与1个电阻分压来控制NPN型三极管是否导通。当有光时，光敏电阻R的阻值很小，变阻器分到一部分电压，从而使三极管B极和E极间的电压大于0.7V而导通，GM检测点是低电平；当无光时，光敏电阻的阻值很大，比变阻器的阻值大很多倍，变阻器上分到的几乎可以忽略，三极管B极和E极间的电压小于0.7V而截止。此时检测点GM的电压为高电平。调节变阻器阻值的大小从而可以调节感光的灵敏度。

图3 光敏电阻检测环境电路

3.4 继电器控制部分

本系统的亮灯控制电路是由微处理器直接控制继电器来实现的，每一个灯都配备了1个继电器作为控制。微处理器可以分别控制每一个灯的亮灭，方便好用，线路简单，操作控制方便。电路如图4所示。单片机通过PNP型三极管B极和E极间的电压来控制三极管是否导通，从而控制了继电器。因为继电器在动作时会产生高电压脉冲干扰信号。为了消除这种影响，在继电器线圈的两端并联1个蓄流二极管1N4148，二极管的正极接在线圈的负极，二极管的负极接在线圈的正极，当继电器失电时电流从线圈的负极流向二极管的正极，然后再从正极流到二极管的负极，之后再次流到线圈的正极，这样使线圈上存储的能量最终消耗在线圈的内部，达到保护其它部分电路的目的。

3.5 显示部分

图4 继电器控制电路

本系统的显示模块采用诺基亚5110液晶显示器，价格低廉，显示分辨率高。这是一块低功耗的CMOS LCD控制驱动器，设计为48行 84列的图形显示。所有必需的显示功能集成在1块芯片上，包括LCD电压及偏置电压发生器，只需很少外部元件且功耗小。与微控制器的接口使用串行总线，接口很少。电路图如图5所示。

图5 显示电路

3.6 LED灯具电源

由于LED灯泡的导电电压约为 1.7 V，导通电流大约为20mA。所以计算可得20 mA=（20V-5×1.7）/R，R大约为575 Ω。

图6 LED灯具电源

4 结 论

对公共照明管理者和使用者来说，本系统带来了极大的方便，只需在管理中心的微机上进行简单操作，就可以对线路上的任意路灯节点进行控制，并实现所有路灯的状态和相关信息的控制，只需少量人力进行维修。

［1］ AT89C51 DATA SHEEt［M］.Philips Semiconductors 1999.

［2］ AT89S52 DATA SHEET［M］.Atmel Corporation 2005.

（编辑昊 天）

TP 272

A

1002－2333（2014）05－0079－02

阿衍学（1979—），男，工程师，从事机械设计、机床设计，数控机械加工及科研项目管理等工作。

2014-03-05