智能路灯的设计与研究

杨 超 单 亮

智能路灯的设计与研究

杨 超 单 亮

该智能路灯控制系统分为系统控制部分、恒流源部分、液晶显示部分、传感器控制部分、负载(路灯)部分、外围辅助部分。全系统以单片机控制部分为主题，利用液晶显示部分分别显示路灯的点亮时间和关闭时间以及计时显示;系统由AT89C51进行精密控制，通过时间设定、环境光强弱的变化、物体的运动方向自动控制，电路工作时稳流电源将电流保持恒定不变。

单片机;智能路灯;恒流源

本设计采用单片机智能模块，单片机通过编程可以实现任意定时，同时单片机可以实现定时和驱动显示模块，显示器可用数码管或者液晶显示器，如果采用数码管显示占用单片机引脚多，做好用液晶显示器，用传感器来判断有无物体(车辆)从路灯下走过，如果有传感器接受到判断信息，向单片机传输信号，通过执行相应程序控制路灯的点亮或熄灭。

一 系统方案的选择

1.智能元件选择。智能元件在该设计中起到主要控制作用，选择好一个智能元件是至关重要的。为了方便控制节约成本，拟采用以下两种方案。

(1)采用凌阳最小系统板，该系统主要采用凌阳公司生产的61单片机为主控制器，接口方便控制简单，同时又有凌阳公司的模块化的程序，设计方便。

(2)采用ATMEL公司生产的AT89C51系列单片机，AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS－51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

根据教学和设计本身由于要求，AT89C51性价比较高，所以仍然采用AT89C51来作为该设计系统的主控元件。

2.显示器件选择。显示器件作为人机交互界面和信息提示手段是必不可少的，该系统中显示器件主要显示信息是当前时间、开关等时间、各个路灯的开关灯时间、错误路灯号码信息等。为了方便设计和全部显示信息，拟采用以下两种方案。

(1)采用7段数码二极管来显示各种信息，七段数码管是现在常用的显示器件，具有造价低廉，驱动方便等特点，被现在工业，商业广泛应用，七段数码管有共阴和共阳之分，但使用方法基本相同。

(2)采用液晶显示器，液晶显示器主要采用1602，1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有:阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H)，显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如“A”。

在该设计中显示信息较多，利用二极管有很多的不便，例如不能显示英文字母等;同时如果采用二极管则占用单片机I/O端口较多，不利于电路设计和编写程序，因此本设计采用了1602液晶显示屏。1602显示屏引脚图如图1所示。

图1 液晶显示屏1602引脚图

3.测光传感器的选择。本设计中的另一个重要环节就是利用传感器检测光的强弱来控制路灯的开和关，因此选择一个合适的传感器也是非常重要的。主要有两种选择方案。

(1)利用光敏二极管，光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，光敏二极管截止。当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。

(2)利用光敏电阻。光敏电阻器(photovaristor)又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器;入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换(将光的变化转换为电的变化)。

根据电路的要求，天色较暗时就应打开路灯而不是完全没有光线时，因此采用了光敏电阻来接受光线，再结合电压比较器将电信号(逻辑电平)传给单片机，由单片机发送控制指令控制路灯的开关。光敏电阻如图2所示，电压比较器电路如图3所示。即白天单片机得到低电平，晚上单片机得到高电平，所以单片机能够控制路灯的开和关。

图2 光敏电阻

图3 电压比较器电路图

4.物体检测传感器选择。智能路灯的另一个功能就是利用传感器检测物体和判断移动方向控制路灯的开和关，当检测到物体进入路灯范围时路灯开，当检测到物体移出路灯范围时路灯熄灭。因此最好采用光电传感器，光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。主要有两种方案，集成式传感器和分立式两种。

(1)分立式光电传感器，分立式的传感器应用灵活，安装方便，反馈信号质量高等特点。

(2)集成式的光电传感器，集成式的光电传感器电路结构简单，使用方便，如GP2A25，内部集成了电压比较器，可将光信号直接转换成电信号输出。

根据设计要求，为了方便电路设计和简化电路，本设计采用了集成的自反射式的光电传感器GP2A25。

二 数控恒流源设计方案选择

恒流源在本设计中主要是为智能路灯能提供恒定的电流和控制信号的，智能路灯对恒流源的要求是可也自动调光的恒流源，因此必须要采用数控恒流源来实现该功能。

1.数/模转换芯片选择。数/模转换芯片在数控恒流源中作用主要是通过单片机的数字量输出转换成可控的电压输出，为误差放大器提供电压输入。主要有两种选择方案，串行转换芯片和并行转换芯片。

(1)并行转换芯片，转换速度最快。因为转换是并行的，其转换时间只受比较器、触发器和编码器电路延迟时间的限制。制成分辨率较高的集成并行A/D转换器是比较困难的。

(2)串行转换芯片，转换速度较慢，但电路结构简单因为是串行所以占用单片机引脚少，转换精度高。

TLC5618是美国TexasInstruments公司生产的带有缓冲基准输入的可编程双路12位数/模转换器。DAC输出电压范围为基准电压的两倍，且其输出是单调变化的。该器件使用简单，用5V单电源工作，并包含上电复位功能以确保可重复启动。通过CMOS兼容的3线串行总线可对TLC5618实现数字控制。器件接收用于编程的16位字产生模拟输出。数字输入端的特点是带有斯密特触发器，因而具有高的噪声抑制能力。根据这些特点本设计中的数/模转换器选择了TLC5618。

2.采样电阻的选择。采样电阻的选择很重要，要求噪声小，温度特性好，所以最好选择低温度系数的高精度采样电阻。例如，锰铜线电阻，温度系数约为5ppm每度。另外，由于采样电阻与负载串联时流过采样电阻的电流通常比较大，因而温度也会随之上升，可以通过减小载流量和增加散热面积来避免因温度过高导致采样电阻值发生变化。在条件咏絮的情况下，还可以采取风铃的方法解决。另外采样电阻组织取大一点，对稳定度有好处，但会使系统效率下降，折中考虑取R=0.5欧姆。

3.调整管的选择。由于稳流电源的输出电流经过调整管，因此调整管上的功耗将会很大，必须选择大功率的晶体管来做调整管。

为了与误差放大器更好地匹配，我们采用由一只三极管8050和功率管MJE8055组成的复合管结构，MJE8055的最大输出电流可以达到8A。

4.误差电压放大器的选择。电流稳定度与放大器有直接关系，在大功率电源里基本上是倒数关系。本设计选用TL082作为误差放大器，由于采样电阻选取0.5欧姆，其中最大采样电压为1V，而负载端最高电压为10V，复合调整管Ube=1.4V。于是要求误差放大器的最大输出电压为12.4V。为了防止放大器进入饱和区，设计将放大器的工作电压取为+15V/－15V。

三 系统整体设计及调试

首先，电路工作确保恒流源正常工作，测试恒流源恒流效果，适当改变负载，用仪表观察电流是否能够相对保持恒定不变。稳流部分有电流表接口可对输出电流的大小进行检测。

通电之前确认插针与导线正确链连接，总开关必须处于断开状态。确认电路正确后，打开总开关，检测显示器显示情况，出现显示错误则是汇编语言有问题，可对程序进行调试，时钟程序用定时/计数器0进行定时，采用的是中断方式计时，因为实现所有的功能程序比较长，时钟计时肯定有误差，必须经过多次调试。

整个程序时从时钟程序扩展来的，显示部分为一个调用子程序，定时部分为中断程序。调节定时计数器的初值，尽可能使时间误差减到最小。

On Intelligent Street Lamp Designing

Yang Chao Shan Liang

The intelligent street lamp control system is divided into the constant－current source part，the liquid crystal display part，the sensor control section，the load(lamp)of the external auxiliary part.The control system is characterized by the single－chip microcomputer.The use of liquid crystal display showed turning on and closing time and the time passed through.The whole system is managed by the AT89C51 system which controls the time setting，the changes in ambient light intensity，the direction of movement of objects.It also controls the circuit to stabilized power supply to remain the current constant.

SCM;intelligent street lamp;constant current source

TP29

A

1672－6758(2010)03－0065－2

杨超，硕士，讲师，鸡西大学，黑龙江·鸡西。邮政编码:158100

单亮，工程师，中国联通鸡西市分公司网络管理中心，黑龙江·鸡西。邮政编码:158100

Class No.:TP29Document Mark:A

(责任编辑:孔祥春 郑英玲)