摘要：隨著我國”智慧城市”建設進程的不斷深入，為實現城市節能減排和可持續發展，應用智控系統實現對路燈的有效監管，使其實現路燈定時控制，根據亮度狀況自動開關燈，檢測車輛經過后自動控制路燈亮滅，這些智能化的功能實際應用中具有重要意義[1] [2] [3]。本文開發設計一個基于單片機控制的路燈控制系統，通過軟件，來定時開關路燈，路燈定時時間可調，并能夠根據環境亮度進行自動控制開關燈，檢測車輛行人通過情況自動控制路燈狀態，以及路燈故障智能報警功能。
關鍵詞：路燈；智能控制；傳感器
中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）14-0197-02
本設計所研究的智能路燈控制系統的工作原理是通過環境亮度、紅外感應、定時控制路燈的亮滅。其中，亮度感應是通過光敏電阻在明亮環境下電阻小在昏暗環境下電阻大的特性，在電橋電路中輸出電壓與基準電壓比較，從而對環境亮度變化進行判斷；紅外感應是通過紅外熱釋管，經過放大電路將信號放大后與基準電壓進行比較，從而判斷環境中是否有車輛或行人經過；定時控制通過實時時鐘芯片ds1302進行判斷；故障判斷是通過雙限電路，對短路斷路電壓設置低電平，對正常的導通電壓設置高電平，當出現低電平時，主控發出信號進行報警。
根據控制系統方案，本設計由主控部分，光敏傳感器、紅外傳感器、實時時鐘、液晶顯示、電壓比較等部分組成。
主控部分采用STC89C52RC作為主控芯片。該芯片是宏晶科技生產的一種低功耗、低成本、高性能CMOS 8位微控制器。
系統中需要使用熱釋紅外感應模塊判斷外界是否人或車輛通。在被動紅外感應中熱釋電紅外傳感器應用最為普遍，同時，熱釋電紅外傳感器的高靈敏度，遠距離感應性能滿足本設計要求[4]。應用LCD1602作為液晶顯示模塊，用來顯示字母數字符號等的點陣符號的液晶模塊。
在本設計中，電壓比較芯片的作用是對光敏電阻和紅外熱釋電探測器的輸出信號與基準電壓比較。考慮到故障檢測電路中也用到了兩個運放作為普通運放功能，所以選用LM339作為電壓比較芯片。
綜上，根據要求與思路，硬件電路設計由：STC89C52RC最小系統、穩壓電路、LCD顯示電路、實時時鐘電路、按鍵電路、電壓比較電路、紅外感應電路、光線感應電路、功率調節電路、故障檢測電路、故障報警電路組成。
1 電源電路
在本設計中，需要用到+5V電源。所以使用LM78XX系列穩壓芯片中的LM7805作為電源穩壓芯片。LM7805應用廣泛，外圍電路設計簡單，是一種普遍的電源設計方案。電源電路設計如圖2：
用lm78系列構建的穩壓電路的外部器件少，片內設有保護電路，電路簡單，使用廣泛，電路穩定，成本低廉。LM7805有3個引腳，分別是電壓輸入、接地、電壓輸出。最大輸入電壓小于36V，輸出端電壓電4.8V～5.2V，最大輸出電流1.5A。
外圍電路中，解電容作為電路的濾波電容，濾除輸入輸出電壓中的殘余交流電平，小容量電容則濾除高頻諧波和尖脈沖。另外大容量電容對高頻成分的容抗很高，因而并聯小容量電容做高頻回路。
2 非電量電測部分電路設計
非電量電測的目的就是把待測量物理量通過一種元件換算為與它有關的電信號，然后利用電氣測量的方法對電信號進行測量，從而確定待測非電量的值[6]， 傳感器是將外界信息按一定規律轉換成電量的裝置，它是實現自動化檢測和自動控制的一個重要組成部分[7]。本設計中需要采集的非電量包括：光照度和紅外。非電量采集電路包括光敏電阻電橋電路，紅外模塊接口電路。
在本設計中，通過電橋電路，通過比較IN A+端的輸出電壓與2.5V判斷當前光線亮度是否滿足亮燈條件。
設：IN A+端的電壓為UA，U=5V
[UA=U-UR13+R21×R13=U（1-R13R13+R21）=UR21R13+R21]
白天時光線充足，光敏電阻阻R13值降低，UA>0.5U；臨近夜晚，隨著環境光線逐漸降低，UA逐漸增大，直到UA<0.5U。輸出電壓接電壓比較器同相輸入端，與2.5V電壓進行比較。
為確保設計電路穩定可靠，利用Multisim軟件對電路進行仿真，下圖中萬用表1顯示LM339同相輸入端電壓，萬用表2顯示LM339輸出端電壓。白天的仿真結果如圖3：
電位器模擬光敏電阻，光敏電阻阻值小于調節電位器阻值，留存5KΩ作為光敏電阻的亮電阻，仿真結果顯示LM339輸出端為高電平，與理論預期結果一致。
夜晚仿真結果如圖4：
光敏電阻阻值大于調節電位器后，LM339輸出低電平，與理論預期結果一致。
3 紅外感應模塊
紅外感應部分所采用的紅外感應模塊HC-SR501。該模塊是基于紅外熱釋電傳感器的自控模塊，采用LHI778傳感器。由于物體發出紅外線的能量十分有限，為了提高熱釋電紅外傳感器的接收靈敏度，在其表面罩上一片菲涅耳透鏡，其探測距離可以增加到原來的5～7倍。當有車輛或行人從透鏡前經過時，傳感器就接收到一個紅外脈沖，根據熱釋電紅外傳感器的探測變化的溫度的原理，加上透鏡后，將加大溫度變化的影響，傳感器的輸出信號將得到加強。
4 功率調節電路
在本設計中，功率調節通過單片機模擬PWM進行調節。功率調節電路主要由單運放OP07完成。功率調節模塊電路如圖5。
調節功率的功能靠調節PWM波占空比實現，電路的主要作用是提高PWM的驅動能力。設計中的單個LED燈用PWM可以直接驅動，但考慮實際中，路燈的功率是遠大于1個LED的功率，所以實際應用中不僅要提高PWM波的驅動力，在遇到大功率路燈時還需要用到MOS管提高控制系統在驅動大功率時的能力。
5 故障報警
根據設計任務要求，系統要能對故障進行聲光報警。根據故障分析，在不同的故障情況下，LED燈正端可以檢測到高低兩種電平[5]， 故障電路分為故障檢測電路和故障報警電路兩部分。監測電路用于檢測肚脹發生，并向單片機發送故障信號。報警電路用于對故障進行報警，當單片機受到故障信號后，接通報警電路產生聲光報警。
報警電路主要由一個NPN三極管、發光二極管和蜂鳴器組成，當單片機檢測到故障時，單片機給三極管b極發送低電平，三極管管導通產生聲光報警。
6 故障檢測仿真
通過Multisim搭建故障檢測的仿真電路對故障檢測電路可靠性進行驗證。下圖中左側萬用表顯示故障檢測點電壓，右側萬用表顯示雙限比較器檢測故障結果。
路燈短路故障狀態如圖6：
當LED燈被短路時，故障檢測點電壓為0V，小于門限電壓1V～4V，經雙限比較后輸出低電平故障信號到單片機，符合預期。
路燈斷路狀態如圖7：
在斷路狀態下，故障檢測點電壓為5V，超出1V～4V門限電壓，經雙限比較器輸出低電平故障信號到單片機，符合預期。
7 系統調試及小結
調試工作是系統設計最重要的一步，在實踐中發現，MOS管的功率通常非常高，對于單個LED燈的調節作用幾乎微乎其微，即便是功率最小的MOS管在本設計這種實驗板中起不到限流的作用。最終決定直接用PWM調節功率。
參考文獻：
[1] 賀一鳴，王崇貴，劉進宇. 智能路燈控制系統設計與應用研究[J]. 現代電子技術，2010（01）：207-210.
[2] 劉蘇敏. 智能路燈節能控制系統研究[D].武漢理工大學，2007.
[3] 陳鳳賢. 基于多智能體技術的路燈節能控制系統的研究[D].華南理工大學，2013.
[4] 單成祥.傳感器理論設計基礎及其應用[M].國防工業出版社，1999
[5] 馬騰， 李淵， 李寶營，等. LED路燈智能控制系統設計[J]. 大連工業大學學報， 2012，31（1）.
[6] 吳道悌， 劉曉輝， 鄭明. 非電量電測技術[M]. 西安交通大學出版社， 2004.
[7] 沙占友，王彥朋.智能傳感器系統設計與應用[M].電子工業出版社，2004.