基于单片机的节能型路灯控制系统设计

廖桂发　黎文展　杨保海

【摘要】为了解决现有路灯无法持续光亮，耗能大，较单一的控制路灯光亮的问题，同时避免不必要的浪费，基于单片机的节能型路灯控制系统设计，实现了有效控制路灯光亮，同时节约太阳能能源，实现有需必应的智能路灯。这一系列系统有时钟、光、声控和太阳能小模块，主控制器为89系列单片机，可通过定时系统开启路灯工作模式，也可通过环境光照程度控制路灯光亮程度，也可声控路灯光亮。

【关键词】定时 声控 光控 太阳能 智能

1绪论

随着社会的发展，如今提倡节约型社会和智能生活，本文就是论述节能以及智能路灯。路灯现在已经普及全国，路灯作为城市街道和农村道路的基本设施之一，不仅为路人、车辆提供了有效帮助，还使街道以及农村道路得到了形象美化。路灯虽然带来了诸多便利，但同时也消耗了大量资源，因此节能路灯应运而生。

2系统设计

系统具体要求：路灯控制器有时钟功能，通过时钟功能来让蓄电池工作提供电量;路灯控制器能根据环境的明亮程度来控制路灯的光亮程度，从而减少不必要的电量浪费;路灯控制器还能根据路人提供的声响来控制路灯的光亮程度，从而减少不必要的电量浪费;当蓄电池低于20%时，就通过声控来控制路灯的亮：太阳能电池能有效的存储电能，避免电量的消耗。

系统设计思路：首先通过时钟计时确定路灯工作时间，例如每天晚上6点半路灯开始工作，次日7点路灯结束工作。在路灯工作的时候，首先是光控电路控制路灯的光亮程度，当路灯处于较黑暗环境，也就是趋于稳定的黑暗环境时（夜已完全黑下来），路灯将通过声控来控制路灯的光亮程度。当天亮程度有所变换时，将通过光控来控制路灯光亮程度，实现节能。但时长到一定程度时，时钟系统将控制路灯是否工作来关闭路灯。当蓄电池电量低于20%时，就只启动另一个声控系统，声音作为开关，控制路灯亮灭，从而确保路灯的智能工作，达到节约资源的作用。

基于以上系统要求和设计思路，設计的系统设计流程图如图1所示：

图1 系统流程图

2.1时钟系统

数字钟由中小规模集成电路构成，可以显示时、分、秒，并添加1HZ标准脉冲信号（晶振产生），“秒”和“分”是按60进制计数器，“时”是按24进制计数器。所以时分秒是24小时制，数字钟还有校时功能，时和分单独校时，校对其中一个的同时停止对另一个进位。数字时钟电路包括译码显示器，555定时器和时、分、秒计数器三个子电路，干路系统则由秒信号发生器以及数字时钟电路组成。

首先由555定时器产生一个1秒的震荡信号，再用74LS90芯片用异步清零法分别组成六十进制的秒和分计数器和二十四进制时计数器。产生CP脉冲是由555定时器的输出作为秒计数，把秒计数器六十进位输出作为分计数器的CP脉冲，把分计数器地进位输出作为时计数器的CP脉冲。秒信号产生器是整个计时时钟最重要的部分，计时系统的准确性靠它实现，最主要的是分频器和石英晶体振荡器。流程为：1.555定时器的秒信号输入秒计数器中，2.以60秒为单位将信号发送到分计数器，依此类推。3.再由译码器输出到显示器上。

2.2光控系统

光敏电阻器是一种由半导体制作的电阻，采用光敏效应原理实现，其阻值和射光的强度变化有关。光敏电阻器是由半导体材料硫化镉或硒化镉等制成的特殊电阻器，工作原理是内光电效应。光照越强，阻值越低，随着光照强度的升高，电阻值就会随之降低，亮电阻值可以降到几欧以下。光敏电阻对光线十分敏感，在无光照时暗电阻一般可达2兆欧。掺杂型光敏电阻现在很多地方多会用到。光敏电阻器的阻值可根据光照在数千欧到数兆欧之间调节。入射光消失后，光敏电阻产生的信号不为主要控制信号，当环境到一定的黑暗程度不发生变化时就可以关闭光控系统，由声控系统控制路灯。

该系统采用的光控开关原理图2：

图2 光控开关原理图

2.3声控系统

震动产生声音，声音在空气中传播，遇到固体时就会传导。当电量充足时，利用对声音敏感的声控元件来控制灯，其阻值随着声音的变化而变化。夜晚来临的时候，因光敏阻止变大，此时有声音，声控产生电信号，多级的放大电路将此信号放大，最后闸管导通，然后路灯就会变更亮。在晶闸管电路中增加阻容放电电路，作为延时电路。当电容器中电荷逐渐减少的时候，此时灯泡就会慢慢变暗。

当电量不足20%时，启动另一套控制方式。声控电路直接控制路灯的亮灭，而无须经过延时电路，以达到省电的效果，从而将路灯的照明寿命延长，达到省电的目的。

该系统采用如图3所示的两种声控方式：

图3声控模式图

2.4太阳能蓄电系统

太阳能是利用半导体材料具有的光电效应原理，将太阳能转换成能够使用电能的装置。白天由总控制器将太阳能转化为电能向蓄电池组充电，当路灯受时钟系统控制开启时，蓄电池可以提供负载。增加直流保护元件，保证蓄电池在任何场景都能保持良好的状态。总控制器是组成太阳能路灯照明控制系统的核心部分，它的功能效果直接影响着太阳能路灯的光照使用。

总控制器是Atmega48单片机。蓄电池是储存电压，将标准电压供给电路和电压采集电路。电压采集电路的作用是识别太阳光线的强弱以及将其转化为蓄电池的电压储存起来使用，它主要由蓄电池电压采集电路和太阳能电池板组成。Atmega48是低功耗CMOS的8位单片机芯片基于AVR RISC构架的，芯片的硬件接口电路丰富强大并且内置大容量存储器，它的特点和高档单片机相差无几，但因为采用了小引脚封装，所以其价格较低廉。

太阳能蓄电系统模块，如图4：

图4 太阳能蓄电模块图

2.5核心结构系统

通过核心结构把时钟系统、光控系统、声控系统和太阳能蓄电结构系统合并在一起，使得时钟系统得以控制路灯的工作状态，光控系统受环境影响，光亮程度不同，且当环境稳定时，光控系统进入休眠状态，声控系统启动，光亮程度受声音大小控制。其中太阳能蓄电池责提供电能，是路灯工作的动力来源，同时当电量低于等于20%时则转换另一个声控电路，可通过声音控制路灯亮灭，从而达到节能，同时也能方便照亮路人。把这些结合起来需要89系列的单片机来控制其的工作状态，提高工作效率。如图5：

图5 核心结构系统图

3分析与结论

现在农村道路的路灯多为太阳能发电的，且从黑夜一直亮到天亮，这种单一的运行路灯比较耗费自身能源，且不利于保护自身，也给路人带来了一定的麻烦，比如电量不足时光照不明所带来出行的不便，即不能及时给路人照明。在城镇道路亦是如此不能及时照明，同时也没能带来美丽的夜景。而现在这款路灯的设计为节约自身能源带来便利，同时也更智能化，增加了蓄电池的使用时长，使路灯得以高效工作。