模拟智能路灯控制系统的设计

2018-03-21刘小艳刘秉坤

实验科学与技术 2018年1期

刘小艳，刘秉坤

(清华大学电子工程系，北京海淀区 100084)

模拟智能路灯控制系统的设计被逐渐引入到高校电子电路实验教学中，一方面用来培养学生利用所学电路知识解决实际问题的能力，另一方面可扩展学生的视野，激发他们对电路学习的兴趣和创新意识。目前大多数高校主要使用PLC、单片机或FPGA作为控制单元来实现模拟智能路灯控制系统的设计[3-7]，但本科低年级的学生对PLC、单片机或FPGA接触较少，难以应用到电子电路基础实验教学中。本文主要使用通用模拟和数字集成电路以及常见的传感器等实现了模拟智能LED路灯控制系统，该系统能够根据环境明暗和交通状况自动调节路灯亮灭，统计和实时显示交通流量以及自动检测路灯故障。系统实现的电路简单实用，成本低廉，也非常适用于高校本科低年级的电子电路基础实验教学。

1 系统的基本功能和实现

模拟智能LED路灯控制系统的路灯布置情况如图1所示。系统的基本功能有以下4个方面。

1)根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。

2)根据交通情况自动调节亮灯状态。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，灯亮；当物体到达B点时，灯灭。物体由右至左移动时亮灯状态相反。该控制系统如图2所示。

3)具有计数显示功能，移动物体通过该灯，计数加1，计数大于99后自动清零。

4)具有路灯故障检测功能，当路灯出现故障时(灯不亮)，系统发出报警信号。

2 硬件电路设计

2.1 环境亮度检测电路

环境亮度检测通常利用光电传感器件来实现。常见的光电传感器件有光敏电阻、光敏二极管和光敏晶体管等，这些器件大多数情况下可以通用。光敏二极管和光敏晶体管的方向性都比光敏电阻好，但是它们的输出电压较小，一般需要与放大电路组合使用[8]。由于本模块对方向性要求不高，且光敏电阻可以作为纯电阻使用，因此采用光敏电阻实现环境亮度检测更简单，成本也较低廉。

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图1 路灯布置示意图

图2 路灯控制系统实现的示意图

由于光敏电阻的电阻值随光照强度的减小而升高[9]，因此可以通过探测其电阻值的变化来控制路灯的开关。为了便于测量，使用电阻分压电路将光敏电阻的电阻值转化为对应的电压值。将光敏电阻两端的电压与预先设定好的参考电压输入到运算放大器进行比较，电路实现如图3所示。

当白天光照强度较强时，光敏电阻R的电阻值较小，其两端的电压小于参考电压，运算放大器输出负电压；当夜晚光照强度降低后，光敏电阻阻值增加，其两端的电压大于参考电压，运算放大器输出正电压。此外，为了使运算放大器输出的正负电压与后续数字电路的输入电平匹配，还需增加图中由R4和施密特反相器CD40106组成的电平匹配整形电路。该模块最后的输出信号为数字信号QL。

2.2 物体到达检测电路

检测移动物体是否到达检测点可以采用红外光电传感器或超声波传感器[10]来实现。超声波传感器的方法主要是通过超声波测距来判断是否有物体经过，但是电路实现较为复杂，且容易产生较大误差；使用红外对管进行物体到达检测，方向性更好，准确度更高。因此本模块使用红外光电传感器来实现检测。

图3 环境亮度检测电路

常用的红外对管有反射式和透射式两种[11]，为了便于测试，本文选用透射式，选用的红外发射管型号为IR204C-A，红外接收管型号为PT204-6B。为了减少灯光等其他外界光线的影响，需要将被发射的红外线用38 kHz频率调制。另外，为了使红外发射能够达到系统要求的测量距离，还需要设计功率放大电路来驱动红外发射管。电路实现如图4所示。

在红外发射端，利用RC和施密特反相器组成的脉冲发生电路产生38 kHz的方波，并用三极管实现功率放大之后驱动红外发射管。在红外接收端，仍然采用电压比较电路，当没有物体经过检测点时，红外接收管就能正常接收到红外光，此时红外接收管导通，运算放大器的同相输入端电压小于反相输入端电压，输出负电压。当有物体经过检测点时，红外光被物体遮挡，红外接收管断开，此时运算放大器的同相输入端电压大于反相输入端电压，输出正电压。同上述一样运算放大器的输出端也需要接电平匹配和整形电路。该模块最后的输出信号为数字信号Q。

为了满足系统功能要求，需要同时检测图2中的S点和B点是否有物体到达，因此需要在S点和B点分别配备图4所示的物体到达检测电路。设定它们最后的输出信号分别为数字信号QS和QB。

图4 物体到达检测电路

2.3 路灯亮灭控制电路

路灯亮灭控制电路是用来控制LED灯的开关情况，需通过环境亮度检测电路及两组物体位置检测电路的输出信号进行逻辑运算来实现。具体实现方法通常有两种：一种是软件方法，通过单片机或FPGA等对输入信号进行逻辑处理来控制路灯；另外一种是纯硬件方法，通过D触发器和逻辑门等实现对路灯的控制。为适应本科低年级学生的知识掌握情况，本文采用纯硬件方法实现，分别使用两个D触发器记录两个检测点的物体通过状态，当它们的输出状态不相同时LED灯亮，否则LED灯灭，需要对两个D触发器的输出作异或处理。。

电路实现如图5所示。D触发器选用74LS74，它包含两个上升沿触发的D触发器，见图5中的D1和D2触发器。设这两个D触发器的初始状态均为 0，时钟输入分别为两组物体到达检测电路的输出信号QS和QB。当有物体到达某一检测点时，D触发器的输出变为高电平；当两个D触发器的输出状态(Q1，Q2)不同时，表明移动物体已通过一个检测点，但尚未通过另一个检测点，此时若环境为暗即环境亮度检测输出(QL)为高电平时，LED灯亮。因此控制LED的逻辑信号QLED表达式如下：

QLED=(Q1+Q2)QL

(1)

图5中采用异或门74LS86、与非门74LS00和施密特反相器CD40106的一个单元加以实现。

当移动物体先后通过两个检测点后，两个D触发器的输出均变为高电平，此时LED灯灭，同时还需要对两个D触发器进行复位，以便检测下一个移动物体。根据D触发器的功能表[12]，可以利用其清零端CLR进行复位，其复位逻辑表达式如下。

(2)

图5中采用与非门74LS00的一个单元加以实现。

图5 路灯亮灭控制电路

2.4 计数显示电路

计数显示电路可以使用两个四位二进制计数器74HC161级联和七段数码管实现。实现计数显示功能的电路如图6所示。用两个四位二进制计数器级联实现百进制计数，用低四位表示个位，用高四位表示十位LED灯亮灭一次表示有一个物体通过该路灯，所以低四位计数器输入的时钟信号为QLED，QLED翻转一次触发一次计数。每当低四位计数器计数到二进制1010(即十进制10)时，触发高四位计数器计数加一，同时将低四位计数器清零，实现计数进位。当高四位计数器计数到二进制1001(即十进制9)后，下一时钟上升沿到来后高四位计数器清零，实现计数到99后自动清零。

图6 计数显示电路

2.5 路灯故障检测电路

检测路灯故障的方法主要有两种：直接测量路灯两端电压[4]和光敏电阻检测路灯是否发光[13]。由于路灯的故障原因可能有很多(如短路或断路等)，使用光敏电阻可以直接检测路灯是否发光，而不受路灯故障原因的影响，因此本文选用光敏电阻来实现检测。

本系统中实现路灯故障检测需要综合利用环境亮度、物体是否到达和路灯是否发光这3条信息，即环境为暗且物体已到达，正常情况下此时路灯应亮，若此时路灯不亮则说明路灯故障。环境亮度和物体是否到达可以通过2.3节中“路灯亮灭控制电路”的输出信号QLED来判断；而路灯是否发光可以使用光敏电阻检测。

如图7所示为实现路灯故障检测的电路原理图，其中RT为光敏电阻，安装在贴近路灯的位置。图7中虚线框中的为检测路灯是否发光的电路，其原理与2.1节 “环境亮度检测电路”相同，但运放反相端设定的参考电压不同，该电路输出的信号为QT，当路灯发光时QT为0，路灯不发光时QT为1。由于2.3“路灯亮灭控制电路”中的QLED为1时，表示环境为暗且物体已到达，因此将QLED和QT两个信号相与，就可以实现路灯故障检测。两者相与的结果为0，则路灯无故障；若结果为1，则说明路灯故障，蜂鸣器发声报警。

图7 路灯故障检测电路

3 实验结果

上述所有电路安装完毕后，按照以下5步进行了测试。

1)首先设置黑夜环境，如用手遮挡光敏电阻。

2)移动物体从左至右运动到S点(或从右至左运动到B点)时，LED亮灯，计数器显示计数加一；物体继续运动到B点(或S点)时，LED灭灯。

3)累计共有99个物体经过路灯后，当下一物体到达时，计数器清零，重新开始计数。

4)最后设置白天环境，例如去除对光敏电阻的遮挡后，系统不再对到达物体进行反应，无论物体是否到达，LED不再亮灯。

5)设置故障情况，例如同时用手遮挡“环境亮度检测电路”和“路灯故障检测电路”中的光敏电阻，当移动物体从左至右运动到S点(或从右至左运动到B点)时，蜂鸣器发出警报。解除故障，如去除对“路灯故障检测电路”中的光敏电阻的遮挡后，蜂鸣器停止发出警报。

测试结果表明，该设计完全满足系统的基本功能要求。除此之外还可以在现有的基础上进行扩展，实现LED路灯自动调整亮度等更全面的功能。

4 结束语

本文设计的模拟智能路灯控制系统基本原理较为简单，使用的电路主要有电压比较电路、方波振荡电路、计数电路以及一些简单的逻辑电路，而无须使用单片机或FPGA等进行编程。对刚刚学习模拟电路和数字电路的本科低年级学生来说，这是一个非常好的综合性实验项目，既可以训练学生对专业基础知识的综合应用，又可以满足他们对新技术、新知识的渴望，从而培养学生的工程实践能力和激发学生的创新思维。

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