模拟路灯控制系统设计

摘要：模拟路灯控制系统以SCT89C58为控制核心。以DS1302为时钟源，以红外线传感器、光学传感器对移动物体和环境明暗变化进行信息采集，通过软件编程能实时显示时钟和设定、显示开关灯时间，控制整条支路根据设定时间、环境明暗、交通情况自动开灯、关灯、调节亮灯状态或独立控制单灯开和关，并能根据布设在支路单元上的光敏器件的采集信息进行路灯故障声光报警。在设计中编程语言使用了C51，并采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。因此，本系统具有性能优良、稳定可靠、节能环保的优点。
关键词：SCT89C58；路灯控制；人机接口；节能环保

    照明工程迅猛发展，其路灯数量的增大，而且功耗和性能大不提高，因而对路灯定时器控制的要求比较精确。目前，路灯开关灯控制方法多为传统的“钟控”和“光控”。因此，系统不能适应天气突变与季节变化等自然情况，且容易受外部环境干扰，灵敏度低，可靠性也较差。从而会出现：开灯早，关灯晚；或者开灯晚，关灯早的现象。前者会造成巨大的电能浪费，后者会损害城市形象、影响社会治安和交通安全，从而影响城市的投资环境。本设计利用微型计算机技术对传统的两种方式进行了优化，使之能实现控制开关灯的合理化、科学化。

1 总体系统设计
    该模拟路灯控制系统选用STC89C58作为整个模拟路灯控制系统的控制芯片，利用优化的C语言编程方案实现路灯的控制功能。控制器以DS1302为时钟源，通过12864液晶显示模块适时显示时钟和监测系统运行状态，并利用4键独立式键盘提供用户设置界面。系统提供2种工作模式：人工控制模式和自动控制模式。在人工控制模式下，操作员通过主控制台上的按钮设置路灯的开关时间，也可直接控制单灯的开与关；在自动控制模式下，光敏电阻采集路灯所处环境的光亮度，红外对管识别是否有物体通过。从而使控制器完成对路灯及时控制的目的。如果路灯出现故障，布设在支路单元上的光敏器件就会采集LED灯的故障信息，然后由单片机控制路灯故障声光报警机构报警。LED灯以恒流电源为驱动源，单片机根据设定信息通过控制器可使恒流源工作或者停止工作实现LED调光功能。系统硬件方框总图如图1所示。

2 硬件组成与原理
    硬件设计是整个系统的基础，要考虑的方方面面很多，除了实现模拟路灯控制系统基本功能以外，主要还要考虑如下几个因素：1)系统稳定度；2)器件的通用性或易选购性；3)软件编程的易实现性；4)系统其它功能及性能指标。因此只有合理的硬件设计才能更好的与软件控制相结合，从而达到整体性好，人性化强、可靠性高的优点。
2．1 控制电路
    控制电路实质是单片机最小系统。控制电路是系统的核心，考虑到程序的大小选用了STC89C58单片机。它由晶体振荡电路以及轻触按键构成复位电路构成，主要是实现对外围电路的控制功能，使各模块电路正常有序的工作。
    晶体震荡电路结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，作用是为系统提供基本的时钟信号。
    单片机复位电路的作用是使单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，本设计中用的是按键电平复位，即当电路已在运行当中时，按下复位键后松开，即能使RST为一段时间的高电平，从而实现复位的操作。
2．2 独立式键盘电路
    独立式键盘相互独立，每个按键占用一根I／O口线，每根I／O口线上按键的工作状态不会影响其他按键的工作状态。单片机在上电运行后，连接到键盘一端的I／O口默认为高电平，键盘的另一端共地，当有按键动作产生时，相应连接该按键的I／O口会被接地线拉成低电平，同时，与键盘连接的四输入与门输出到中断口的电平为低，如果处理器允许中断产生则会作出响应，否则，响应其他操作。
2．3 显示电路
    显示电路用于在人机接口中反馈信息，主要由液晶模块构成。硬件设计中选用了带KS0108控制器的12864全点阵图形式液晶。通过编程可实现对液晶显示屏的任意位置的显示、滚动显示和反显等功能。
2．4 实时时钟电路
    本系统采用实时时钟电路DS1302，它是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，工作电压宽达2．5～5．5 V。DS1302在硬件电路中与CPU的连接仅需要3条线。即SCLK、I／O、RST。DS1302在第一次加电后，必须进行初始化操作。初始化后就可以按正常方法调整时间。
2．5 LED灯驱动电路
    由于单片机的I／O口不能够直接驱动LED灯发光，因此采用了驱动电路来识别单片机发出的开关灯信号，并控制路灯的亮灭。单片机给出的信号只有高低电平，为了避免开机时单片机的I／O口处于高电平而使路灯发光，开灯信号使用了低电平，关灯信号使用了高电平。对应两盏灯与单片机的接口线为：灯1连接到P3．6，灯2连接到P3．7。
2．6 交通检测与环境感应电路
    这两个电路都是使用传感器实现外部信号的采集，然后送给单片机进行处理。在器件上分别使用了红外对管和光敏电阻，红外对管用于移动物体适时监测，包括红外线发射管和红外线接收管，是一种红外线发射电路、接收电路一体使用的反射型感应开关模块，本身发射出一束红外光线，在该红光线的射程内如果有一物体挡住红外光线，并将红外光线反射回模块，从而传输给单片机；光敏电阻通过光线的强弱来判断是白天还是黑夜，在白天，光线较强，光敏电阻处于高阻值的状态，因而传给MCU低电平，在黑夜，则正好相反。
    硬件设计中，交通检测电路有3个测试点，与单片机接口线分别为P1．5、P1．6、P1．7，光敏电阻电路只输出一个高低电平状态，与单片机通信的口线为P1．4。
2．7 故障判断与报警电路
    在对多盏路灯进行管理时，检测故障是一件费力的事情，采用故障判断电路能够减少人为判断的工作量，为了及时反映路灯故障的信息，通过报警电路加以提示，能够及时知道路灯的工作情况，故障时就能第一时间到达现场进行维修，以保证良好的交通环境。硬件设计中，故障判断利用了光学传感器实现，如果灯已开而灯未，即产生了故障，电路会传给单片机一个高电平信号，同时，单片机会控制报警电路工作，蜂鸣器发生且故障灯亮起。采集灯1和灯2故障信息的传感器对应连接到单片机的P3．0和3．1口，报警电路独立与单片机的P3．3口相连。
    整机电路如图2所示。

3 系统软件设计
    软件是本系统的灵魂。软件采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段。这里我们选用了移值性好、结构清晰、能进行复杂运算的C语言来实现编程。程序设计中，包括实时监测、人工控制和自动控制、故障判断几个过程。
    1)实时监洲过程
    路灯的所有信息通过实时监测的都会在反映在液晶主界面上。检测频率是1秒进行一次，包括时间、控制方式、路灯故障信息、路灯工作状态。监测流程如图3所示。

    2)人工控制过程
    人工控制有两种方式：单灯控制和定时开关，单灯控制时，处理器对比设置的单灯状态；定时控制时系统会将当前时间与设定的开关灯时间对比，直到两者时间一致。然后，处理器就会控制驱动电路开灯和关灯，流程如图4所示。
    3)自动控制过程
    根据交通的情况来调节灯亮的状态能够进一步达到节能的目的，特别是在深夜，车辆和行人都相对较少，一直开灯而没很好的利用只是在白白浪费资源，因此，最有效的解决办法是只在有人或车辆通过时才开灯。如图5所示，当可移动物体M(在物体前端标出定位点，由定位点确定物体位置)由左至右到达S点时，灯1亮；当物体M到达B点时，灯1灭，灯2亮；当物体M到达C点时，两灯均灭；若物体M由右至左移动时，则亮灯次序与上相反。

    程序设计的流程图如图6所示。

    4)故障判断与报警过程
    路灯出现故障会对交通造成一定的影响，这就要求维修人员能够第一时间到达现场排除故障。本系统能够实时判断路灯的状态，出现故障时会发出声光报警信号，并且在液晶屏上会显示故障路灯的编号，可省去管理人员必须到现场才能判断故障的麻烦。程序流程如图7所示。
根据以上描述，全局控制的流程如图8所示。

4 系统仿真测试
    仿真测试主要是对功能指标的测试。各项指标测试结果如表1所示。

    通过以上数据分析，可得出本设计完全符合设计的所有要求，实现了模拟路灯控制系统。

5 结论
    该控制系统是采用单片机实时控制，主要由4个模块组成，第1个模块为支路控制器，能适时读取时钟芯片的信息并显示，能对来自红外对管、光敏器件的监测信号进行处理并控制其他电路；第2个模块为单元控制器，负责接收支路控制器发出的控制指令并监测移动物体将信息、路灯状态信息传给支路控制器做判断，从而控制LED灯的开关；第3个模块为输入、显示装置，是对系统工作状态以及用户更改设置、直观显示、人机交互的作用。作为控制执行部件，广泛应用于自动控制和精密机械等领域，尤其在需要精确定位时应用得更为广泛。