城市路灯监控器系统的设计

2013-11-13杨丽丽莫晓军

科技视界 2013年15期

杨丽丽莫晓军

(浙江邮电职业技术学院，浙江绍兴 312016)

1 城市路灯监控器系统的实施意义

城市照明是城市基础设施的一个重要组成部分，在城市的交通安全、社会治安、人民生活和展示市容风貌中居于举足轻重的地位。城市照明正朝着现代化、科学化、节能化方向高速发展。

目前，中国城市照明控制领域主要运用的通过GPRS控制回路层面，只能获得一条回路的电流等参数，无法满足现今应用需求。此外随着社会发展的进步，城市路灯已从城市主干道延伸至社区和背街小巷。照明环境的明显改善，使得居民出行更加便捷安全，社会治安也得到明显好转。但是由此也给路灯管理工作带来了不少难度。本系统采用先进的数字信号处理技术、电源管理技术、无线通信技术、数据库管理技术等，实现了城市路灯照明系统的遥测遥控和路灯节能功能，在通信和软件处理方式上，系统通过GPRS无线通讯技术完成数据采集、传输、处理等功能。通过对道路照明设备的分布式控制和数字化管理，实现对路灯照明设备的实时在线控制，降低管理成本，做到无人值守。

2 系统设计方案阐述

本系统总体设计要求：能根据环境明暗变化，自动开关灯；能根据交通情况能自动调节亮灯状态；能独立控制每个路灯的开关时间并显示；能检测故障，发出报警，并显示出故障路灯的地址编码；自制可调恒流电源，控制并调节路灯亮度；当传感器失效时，控制器仍能按照内部设定时间进行正常开关灯；为完成相应功能，路灯监控系统主要可分六部分：电源电路、光敏传感器电路、单片机部分、掉电保护部分、按键部分和显示接口部分。其中电源电路主要是给系统提供一个+5v的稳压直流电和+36V的稳压直流电，系统实现框图如图1所示。

图1 系统实现框图

具体设计方案如下：

2.1 主控电路设计

在本系统中，主控电路主要完成路灯的亮暗开关控制；交通情况的监测及亮灯状态控制；路灯开启时间计算及控制；路灯故障自检、定位和报警等功能。从控制的程度分析，许多监测电路可以采用集成度较高的数字芯片直接给出数字信号，可以降低硬件电路的复杂度，但会增加软件设计的难度。因此在主控器件选择上可以考虑采用成本较低的单片。

本系统经过综合考虑选用了S3F9454单片机作为主控器件。

S3F9454是一款8位多功能通用型微控制器，适用于A/D转换，SIO等应用领域。S3F9454有2K字节的片内ROM和208字节的RAM，采了SAM88RCRI内核和自己独有的内部结构，扩展了片内寄存器卷，增加了内部数据寄存器空间。另外，S3F9454内部特有的CMOS技术使芯片呈现出低功率消耗和宽电压工作范围的特性。

S3F9454在SAM88RCRI内核上集成了以下外围接口：3个可编程I/O口（18个引脚）；4个中断源，同一中断优先级，一个中断向量；1个8位定/计数器；9路模数转换器，10位转换结果；1个8位PWM输出。

此款控制器在本系统的使用可以使系统在满足各项功能的基础上实现高稳定性、低成本、低功耗等，与本系统的工作环境和工作特性符合度较高。

2.2 稳压电源电路

稳压电源电路采用开关电源，它可靠性高，纹波低，交流输入电压为AC220V，对电路的短路、过载、过压或过温都具有保护作用，此外还具有可并联功能，方便快捷。

设计电路如图所示，220V的市电经过变压器，以及桥式整流和滤波，通过7812转化成+12V的电压，然后用7805转换成+5V的直流电压。本电路中用到的是+5V的直流电压，能够供电给单片机系统和各单元电路。

图2 直流稳压电源电路

2.3 键盘与显示界面

根据系统的要求，本电路设计了4*2键盘电路，分别有时钟键、增键、减键、季节键、测量键、亮灯率键、亮度键、人工键这8个按键。时钟键用于显示时间，可显示至分钟；增、减键可进行范围的调整；季节键可依据当前季节，调整路灯的开关时段，配合增减键也可调整系统默认时段；测量键用于显示当前路灯的工作电流和工作电流；亮灯率键用于统计路灯从上电到当前时刻的亮灯时间比例；亮度键可对打开路灯的亮度进行调节；人工键则可实现人工控制与自动控制之间的切换。

此外，由于本电路显示的数据较少，且未涉及到符号数的显示，因此采用数码管显示，其显示亮度高，成本较低廉，驱动部分的软件简单,显示效果直观、明亮。设计时可采用1个4位数码管显示时钟、路灯开关时段，再用1个3位数码显示电压、亮灯率及亮度。根据不同季节，不同区域，不同昼夜，不同天气，来合理的安排路灯的亮灭，达到节能目的和最优目标。根据不同季节，通过数码管来显示开灯的时间，为了节能，还可以通过时钟键、增/减键来合理的调节路灯的亮灭时间，还可以通过亮度键来调节路灯的亮度来达到最优。

2.4 传感器电路设计

图3 光敏传感器电路

路灯在工作状态时，当光敏传感器感应到强光时，立即自动关闭路灯；当强光消失后，路灯又会自动的打开。光敏电阻能根据日落和日出来控制路灯的开、关灯。光敏电阻阻值随光照强度变化,光线越强,阻值越小，电压减小，输出低电平，路灯自动关闭。光敏电阻是可调的，因为本电路采用AD材料。光敏电阻的作用是通过电阻的变化，起到一个光控的作用。光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性。

2.5 路灯电路的设计

系统设计要求晚上12点后，每只路灯亮度减半，由此达到节能目的。该功能由PWM调压控制。时间控制子程序控制。能显示路灯亮灯率，可显示各路灯的状态，并通过LCD显示。

此电路是通过占空比实现灯的亮、灭，信号从PWM端输入。当信号为低电平时，三极管Q1为截止状态，导致三极管Q2导通。MOS管Q3、Q4、Q5导通，路灯亮。当PWM输入高电平时，三极管Q1为导通，导致三极管Q2截止。MOS管Q3、Q4、Q5截止，路灯灭。另外，此电路还具有电压、电流检测功能，可以将电压的模拟信号传入单片机中。R5、R4提供电压、电流测量的信号，C3、E2为了使电压、电流更加光滑。以上即为本系统的总体设计方案，整机软件设计流程如图5。