时控及光控的校园LED节能路灯设计

2024年2月10日发(作者：我的房间作文)

ELECTRONICS WORLD・技术交流 时控及光控的校园LED节能路灯设计怀化学院光电信息工程系 怀化学院武陵山片区生态农业智能控制技术湖南重点实验室 刘 晋怀化学院光电信息工程系 贺利朋 陈小玉怀化学院光电信息工程系 怀化学院武陵山片区生态农业智能控制技术湖南重点实验室 张顺如目前大学校园里使用的路灯存在不少的缺点：第一，功耗高，许多学校的路灯不是节能灯。第二，更为重要的现实问题是使用时的能源浪费问题，即在进入傍晚或黎明时，外界自然光亮度尚可，而一般校园路灯没有相应的控制手段，使路灯处于较弱的亮度来节省能源；而在午夜至黎明的这段时间校道上基本无人，路灯的持续照明则会造成能源的不必要浪费，而直接断电则有人经过而路灯却不亮会造成行人不便。因此，根据学校路灯实际使用情况，即：傍晚和黎明时分有自然光的补充，路灯无需充分点亮，午夜至黎明人流稀少，路灯无需时刻保持点亮状态，设计一种依据时间需求和自然光辐射、人体红外光辐射的双重控制路灯是符合校园路灯实际使用和节能需求的。1 系统设计目标与要求本设计的目标是根据校园路灯实际使用的情况，采用在照明时间上进行控制、及光电传感器对人体红外光、自然背景光的感应，设计出一种具有高节能且能够实现高品质照明的时控及光控双重控制模式的校园智能LED节能路灯，将实现：①在傍晚或黎明时依据自然光的明暗来控制路灯相应的亮度；②从午夜12点至凌晨6点熄灭路灯，该时间段内若有人经过则自动短时间亮起路灯以进行照明的功能。2 系统结构设计本设计将采用单片机作为主控芯片，外界光信息的采集用红外热释电传感器、硅光电池等来实现，用ADC进行模数转换，采用时钟芯片来提供时间参考，用以照明的LED灯的亮度控制电路采用PWM调制，采用光敏电阻进行开关电路的搭建。智能路灯控制系统的原理设计总方案如图1所示。图1 智能路灯控制系统的原理框图•

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•3 硬件设计3.1 主控芯片由于STC89C52RC单片机具有价格低、使用方便、资料多、可在线下载等诸多优点，本设计选用其作为主控芯片，该芯片是一种高性能低功耗的CMOS结构8位微CPU，其具有8K字节容量的可编程Flash存储器，512字节随机存储，32位信号输入输出线，虽然STC89C52RC单片机仍然使用MCS-51内核，但其做了很多的改进。3.2 红外热释电处理芯片采用热释电传感器EG4002作为人员经过路灯时的信号采集芯片。本设计需要有人经过时路灯能一直工作，所以将引脚A接入高电平，支持重复触发使有人经过时路灯能一直处于工作状态。VC引脚接入单片机的P1.0引脚，当处于午夜至黎明之外的时间段内时，单片机将VC引脚置为低电平使EG4002禁止触发，当处于午夜至黎明之间的时间内，单片机将VC引脚置为高电平使输出信号随输入信号而触发。3.3 AD转换芯片采用ADC0809转换器作为AD转换芯片。在本设计中ADC接入了硅光电池和热释电红外传感器的AD转换通道分别为IN0、IN1两个引脚。D0～D7引脚接单片机P3引脚用于输出AD转换结果。ST引脚用于控制AD转换脉冲的启动，当ST引脚电平被单片机由高电平置为低电平时出现下降沿启动ADC0809，开始ADC转换。单片机通过不停的读取EOC引脚电压的高低来判断转换是否完成。3.4 时钟芯片采用DS1302作为时钟芯片。外接32.768KHz的晶振为时钟芯片提供计时脉冲，分别接到芯片的X1和X2引脚。单片机P0.5引脚接SCLK控制数据的输入与输出，可以通过单片机给SCLK引脚设置0和设置1来产生上升沿和下降沿控制DS1302的数据输入和输出。当RST被置为低电平时禁止数据传输，当RST被置于高电平时启动数据传输。3.5 光控电源开关电路采用光敏电阻来搭建开关电路，当外界光强降到某个特定值时，光敏电阻的阻值也增大到某个特定值使基极电压达到开启电压，从而使三极管导通，驱动继电器工作。同理，当外界光强增强时，由于光敏电阻的阻值降低而导致基极电压低于开启电压，三极管不导通，从而使继电器不工作，电路总开关断开。

ELECTRONICS WORLD・技术交流4 软件设计在软件设计上主要采用Keil C51软件包作为开发工具，系统设计思路是先进行初始化，具体过程是先对内部定时器T0和TI进行设置，然后利用时钟芯片DS1302完成系统初始化函数，接下来进行外部信息采样，分别开启ADC0809芯片的0通道的采样硅光电池电压，开启ADC0809芯片的1通道的采样热释电的电压，每个采样环节都同时读取时钟芯片里面的时间，根据ADC0809采样值和时间计算出LED灯珠的应该点亮的个数和判断LED灯的开关。硅光电池与热释电传感器采样数据及LED灯控制完成一次后接着进行下一次相同操作过程。图2所示是软件设计流程图。图2 智能路灯控制系统的软件系统4.1 AD转换函数的设计本函数模块作用主要是开启ADC转换电路，读取转换器接收到的模拟信号，并将之转换成数字信号的。通过对ADC0809芯片的A、B和C三个引脚进行设置，选择模拟输入信号中的一路信号，通过对ST引脚进行0→1→0顺序设置，开启相应的模数转换，用while循环语句等待该转换的完成后可以将OE引脚设置成高电平进行相应的数字数据输出，输出的数字信号连接到单片机的端口，供单片机利用。4.2 DS1302时钟函数的设计本模块主要分为读写两个子模块，写入DS1302初始时间值，读出实时时间值。（1）写模块根据写入命令字的不同对寄存器的不同位进行操作。对DS1302写入80h时初始化实时时钟的秒位，写入82h时初始化实时时钟的分位，写入84h时初始化实时时钟的小时位，写入86h时初始化实时时钟的日位，写入88h时初始化实时时钟的月位，写入8Ah时初始化实时时钟的周位，写入8Ch初始化实时时钟的年位。根据实际需求可对DS1302进行时间初始化。（2）读模块根据写入不同的命令字可读出不同时间位的值。向DS1302写入81h时将读取实时时钟的秒位，向DS1302写入83h时将读取实时时钟的分位，向DS1302写入85h时将读取实时时钟的小时位，向DS1302写入87h时将读取实时时钟的日位，向DS1302写入89h时将读取实时时钟的月位，向DS1302写入8Bh时将读取实时时钟的周位，向DS1302写入8Dh时将读取实时时钟的年位。根据写入不同的命令字可将时间所有的位依次读出。4.3 LED控制函数的设计本模块由LED数量控制、LED占空比控制和LED时控光控这三个子模块组成。（1）LED数量控制将电压分成若干个区间，根据硅光电池所采样的电压值用if

el语句对应出相应的LED数量，外界光强越弱则对应LED所亮灯珠数越多。然后通过向74HC595写入数量值控制相应数量的继电器导通，从而控制相应数量的LED灯珠被点亮。（2）LED占空比控制根据硅光电池所采样的电压值用if el语句对应出相应的占空比。外界自然光强越弱的情况对应单颗LED灯珠亮度越强。（3）LED时控光控根据实际情况设定相应的亮灯区间到设定时间自动亮灯，到午夜模式时有人路过即亮灯。5 系统测试及结果分析我们将电路焊接好后检查是否有错焊以及虚焊，以及通电检查电路中主要测试点的电压是否正常，有无短路及断路的情况，经过测试可以确认各个硬件已达到设计要求。我们在每一个子模块的程序编写完成后用编译器进行了编译，再将编译无误的程序下载到硬件芯片上进行验证查看其运行效果，当每个子程序的运行效果都达到了预期目标后再将所有子程序组合在一块进行验证。系统测试结果表明，我们基于STC89C52单片机设计的时控与光控双重作用的校园LED节能路灯达到了设计目标，其使用方便，节能效果良好。基金项目：2016年度湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目（项目序号：602）；2016年地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2）。作者简介：刘晋，男，大学本科，怀化学院光电信息工程系光电信息科学与工程专业13级学生，研究方向：光电技术。贺利朋，男，大学本科，怀化学院光电信息工程系光电信息科学与工程专业17级学生，研究方向：光电技术。陈小玉，女，大学本科，怀化学院光电信息工程系光电信息科学与工程专业19级学生，研究方向：光电技术。张顺如【通讯作者】，男，怀化学院教授，研究方向：光电技术。•

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