【正文】 公路兩旁路燈控制系統(tǒng)項目設計方案 課題的背景及意義路燈照明對人們的日常生活有著很重要的作用，路燈照明系統(tǒng)的好壞直接影響到人們夜晚出行的安全。過去的幾十年里，中國的經(jīng)濟發(fā)生了天翻地覆的變化，中國的路燈數(shù)量逐年上升，數(shù)量龐大，但是國內(nèi)路燈的控制系統(tǒng)老舊落后，國家應該高度重視這種現(xiàn)狀。由于中國人口基數(shù)和人口密度大，遼遠的公路總長度，中國已經(jīng)是路燈總數(shù)量全球最多的國家之一。2012年路燈總數(shù)量已經(jīng)達到3000多萬盞，隨著國家對公路安全的重視不斷加強，每年的增長速度很快，到2016年，路燈的數(shù)量之多可想而知。就路燈照明而言，耗電量就幾乎占全國照明總用電量的三分之一[1]。良好的交通道路照明可以給國民生活提供安全的環(huán)境，但是，由此產(chǎn)生的問題也很嚴峻，首先，路燈數(shù)量多導致能源的使用逐年增加，而且使道路路燈的維護更加困難，維護人員和維護費用增加，政府的財政支出花銷增多，光源污染現(xiàn)象嚴重，問題的出現(xiàn)給社會帶來了不利影響，亟待政府出臺政策解決問題[2]。中國的路燈控制系統(tǒng)老舊，電能使用效率低，浪費能源過多。中國路燈系統(tǒng)的控制方式落后，無法遠程控制路燈點亮和熄滅的時間，而且缺乏設備故障檢測和報警系統(tǒng)，急需升級改善。單片機擁有卓越的控制能力，已經(jīng)廣泛應用在很多領(lǐng)域?；趩纹瑱C的智能路燈控制系統(tǒng)可以改變中國路燈現(xiàn)狀，使得路燈的管理變得簡單、可靠，能節(jié)約更多的電能，能使人們更加安全的出行。因此，設計一款智能路燈控制系統(tǒng)具有非常重要的意義[1]。相比國內(nèi)的路燈控制系統(tǒng)，國外的路燈控制系統(tǒng)有著很大的優(yōu)勢，國外的科技很新穎獨特。國外將RFID、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)用于路燈控制系統(tǒng)。有些發(fā)達國家，將RFID技術(shù)運用到路燈控制系統(tǒng)中，在公路旁邊安裝RFID讀卡器，在汽車上安裝RDID電子標簽，設計了一款智能路燈自動控制系統(tǒng)，可以對路燈進行智能控制，不僅能夠節(jié)約能源，而且管理路燈系統(tǒng)更加有效率。2015年，美國洛杉磯與荷蘭PHILIPS公司達成合作協(xié)議，計劃將洛杉磯10萬盞以上的路燈全新升級，將它們統(tǒng)一添加到一個無線網(wǎng)絡中。如果發(fā)現(xiàn)路燈出現(xiàn)問題，管理者想要控制它們的開關(guān)狀態(tài)，只須在電腦前打開瀏覽器就可以成功控制路燈，在飛利浦的無線網(wǎng)絡系統(tǒng)中，用戶通過地圖能查看到全城路燈的詳細狀況，包括每一盞路燈的型號和使用狀態(tài)。管理者使用鼠標對路燈操作，就可以實現(xiàn)打開或關(guān)閉城市路燈并且可以控制路燈的亮暗。PHILIPS公司設計的系統(tǒng)使用非常方便，可以給人們的夜行提供良好的環(huán)境。從國內(nèi)外的路燈系統(tǒng)的發(fā)展比較，國外的科技真的很先進，中國應該努力的學習國外的科技和設計思路，提高中國自身的科技力量，從而提升中國的國民生活質(zhì)量。 以MCU為控制核心的智能路燈控制系統(tǒng)可以顯著改善中國道路路燈控制系統(tǒng),不但可以達到智能化控制，使路燈控制系統(tǒng)的管理更加有效率，而且還能降低了運行成本，除此之外，智能的路燈控制系統(tǒng)可以很好的節(jié)約能源，減少對環(huán)境的影響，提高人們的日常生活質(zhì)量，減少因路燈系統(tǒng)不完善而發(fā)生的事故[4,5]。因此，智能路燈控制系統(tǒng)的全面使用，使路燈控制系統(tǒng)的管理更簡便可靠，提高服務效率，使城市的市容市貌更美麗，道路交通環(huán)境更安全。 設計的主要工作模擬路燈控制系統(tǒng)的設計的特點是，能顯示實時時間，能定時點亮和熄滅路燈，能根據(jù)環(huán)境明暗自動點亮和熄滅路燈，能根據(jù)交通情況自動點亮和熄滅路燈，并且能檢查故障。設計的系統(tǒng)可控制性很好，比較智能化，操作簡單，容易上手。要想設計好模擬路燈控制系統(tǒng)，系統(tǒng)最關(guān)鍵的就是設計控制模塊和檢測模塊。首先，設計系統(tǒng)的核心就是要挑選一個合適，控制能力又強的控制模塊，需要查詢相關(guān)的資料，確定用那種芯片作為系統(tǒng)的主控模塊。然后設計檢測模塊，包括環(huán)境檢測和交通情況檢測，根據(jù)設計的要求，確定所有的檢測元器件，設計好完整的檢測電路。系統(tǒng)還需要能夠顯示實時時間，設定路燈點亮和熄滅的時間，因此，要設計實時時鐘電路，顯示電路和按鍵輸入電路。系統(tǒng)還要求，當路燈出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能過自動的發(fā)出聲光報警，所以需要設計者設計聲光報警電路。當設計好了硬件電路圖后，設計的主要工作就是要設計各個模塊的軟件程序。軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)監(jiān)控程序模塊、液晶顯示程序模塊、獨立鍵盤程序模塊、DS1302時鐘程序模塊，環(huán)境檢測程序模塊、聲光報警程序模塊、交通檢測程序模塊、設定路燈開關(guān)時間程序模塊等。當兩者都設計完成之后，就需要可以進行仿真或者實物制作，期間，需要不斷的調(diào)試軟件和硬件電路，最后實現(xiàn)課題規(guī)定的功能和性能指標要求。以上就是整個設計的主要的工作。2 設計思想與方案 設計思想首先根據(jù)課題的設計要求，查找翻閱相關(guān)資料，確定系統(tǒng)的各個模塊，確定模塊后，再去選擇各個模塊需要的電子元器件，可以在Proteus仿真軟件中先設計好原理圖，再完成系統(tǒng)的軟件設計。在Proteus中仿真，當所有的功能都能實現(xiàn)時，然后就可以設計硬件原理圖，可以根據(jù)硬件原理圖做出實物，再通過反復的調(diào)試，實現(xiàn)設計要求的功能，最后整理設計的相關(guān)材料，編寫課題說明書。設計的思路主要硬件電路系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)設計。硬件系統(tǒng)包括主控模塊電路、電源電路、晶振電路、復位電路、下載電路、獨立按鍵電路、路燈電路、液晶顯示電路、DS1302時鐘電路、交通監(jiān)測電路、明暗環(huán)境監(jiān)測電路、聲光報警電路、故障監(jiān)測電路等；軟件系統(tǒng)是針對設計的各個模塊編寫相應的模塊程序。其中包含系統(tǒng)監(jiān)控程序、液晶顯示程序、獨立鍵盤程序、DS302時鐘程序，環(huán)境檢測程序、聲光報警程序、交通檢測程序，設定路燈開關(guān)時間程序等模塊。 設計方案 設計模擬路燈控制系統(tǒng)有很多種方法，可以用高度集成的FPGA控制芯片來設計，也可以采用單片機技術(shù)實現(xiàn)模擬路燈控制系統(tǒng)的設計，兩者都有各自的優(yōu)勢和特點，首先來介紹基于FPGA控制芯片設計的系統(tǒng)方案。 方案一：FPGA控制芯片是一種集成度非常高的芯片，使用FPGA設計系統(tǒng)，非常的靈活，它可以支持在線修改的功能，隨時修改軟件系統(tǒng)設計，但是不用修改任何硬件電路，它能解決定制電路的缺陷，可以肯定的是，F(xiàn)PGA可以設計任何數(shù)字電路。基于FPGA的模擬路燈控制系統(tǒng)需要設計一些外圍的電路，其中包括環(huán)境檢測電路、故障檢測電路、交通檢測電路、聲光報警電路、按鍵電路、顯示電路和路燈電路等?；贔PGA芯片設計的系統(tǒng)框圖如圖1所示。 方案二：單片機技術(shù)使用的范圍非常廣，已經(jīng)應用與很多領(lǐng)域，單片機最突出的特點就是控制能力非常強悍，芯片響應速度快，同時也是高度集成的一種芯片，集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器、串口、定時器、中斷、看門狗等外設，使得設計系統(tǒng)很方便，能達到很好的效果。系統(tǒng)可以使用AT89S52單片機為主控芯片，由實時時鐘芯片DS1302產(chǎn)生實時系統(tǒng)時間，由LCD1602液晶顯示屏顯示菜單、提示和實時時間等信息，使用獨立式鍵盤調(diào)整切換功能菜單、設置開關(guān)燈時間等，采用光敏電阻檢測環(huán)境的明暗情況，使用反射型紅外光電傳感器檢測交通情況，配合蜂鳴器和LED燈實現(xiàn)故障報警[6]。所以硬件電路設計包括AT89S52主控芯片、電源電路、晶振電路、復位電路、下載電路、獨立按鍵電路、路燈電路、顯示電路、時鐘電路、交通監(jiān)測電路、明暗環(huán)境監(jiān)測電路、聲光報警電路、故障監(jiān)測電路等?；趩纹瑱C設計的系統(tǒng)框圖如圖2所示。 圖1 基于FPGA芯片設計的系統(tǒng)框圖圖2 基于單片機設計的系統(tǒng)框圖 根據(jù)上述兩個方案的介紹，各有優(yōu)點，但是考慮到設計系統(tǒng)的成本和適用性，單片機有著天然的優(yōu)勢，單片機價格便宜，功耗低，易于控制，可靠性高，開發(fā)更加容易，而FPGA價格昂貴，不適合模擬路燈控制系統(tǒng)的設計，所以選用方案二。3 硬件系統(tǒng)的設計 主要元器件介紹 AT89S52單片機模擬路燈控制系統(tǒng)的設計是以AT89S52為主控芯片。AT89S52是一款高度集成、低功耗、控制能力非常強的8位控制芯片，是由Atmel公司生產(chǎn)，使用可編程的Flash存儲器，容量高達8KB,擁有256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器，與80C51單片機完全兼容。除此之外，文章采用的AT89S52是PDIP40封裝，具有4 0個引腳，多達32個可用的雙向I/O口，而且內(nèi)部資源豐富，具有系統(tǒng)異常可以復位的看門狗定時器，6個中斷源（2個外部中斷源，一個串口中斷源，3個定時/計數(shù)中斷源），3個可以定時計數(shù)的16 位定時器/計數(shù)器，其中一個定時器T2可以捕捉外部信息，1個全雙工異步串行通信口，內(nèi)部還有自帶的晶振和時鐘電路[7,8]。另外，AT89S52兼容匯編和C語言編程，C語言程序具有高度移植性，使得開發(fā)工作更簡便。AT89S52芯片的管腳分布圖如圖3所示。圖3 AT89S52芯片的管腳分布圖 DS1302芯片由于Ds1302具有高性能、低功耗、穩(wěn)定的實時時間計時能力等特點，所以文章選用DS1302產(chǎn)生系統(tǒng)所需的實時時鐘。DS1302由美國DALLAS公司研發(fā)生產(chǎn)，它可以對時間和日期進行準確的計時，識別年份是否為閏年，～[9]。DS1302內(nèi)部有31字節(jié)數(shù)據(jù)寄存器，可以臨時存放接收的數(shù)據(jù)。DS1302只有8個引腳，采用三根線信號線（SCLK、IO、RST）與CPU進行同步通信，Vcc1接外部后備電源，VCC2外接主電源，當主電源切斷的情況下，在后備電源的供電下，芯片同樣可以保持時鐘正常的運行，不會丟失數(shù)據(jù)，具有掉電保護的作用，安全性能好。1腳和2腳是時鐘源接口，在內(nèi)部電路作用下進行32768分頻，可以產(chǎn)出精確的1秒時基。RST是復位/片選線，當RST為高電平使能所有的數(shù)據(jù)傳送，使能單片機對DS1302進行讀寫操作。在數(shù)據(jù)傳送過程中，一旦RST突變?yōu)榈碗娖?，整個數(shù)據(jù)傳送將被停止，除此之外，當且僅當SCLK是低電平的時候，RST才能變成高電平，I/O引腳為傳送數(shù)據(jù)口，雙向傳輸數(shù)據(jù)(雙向)，SCLK引腳作為芯片的同步時鐘輸入口，通過這個引腳，DS1302能與其他芯片進行同步通信，只有當SCLK是上升沿的時候，I/O口才能接受的到外部傳送過來的數(shù)據(jù)[10]。 DS1302的引腳功能圖如圖4所示。 圖4 DS1302的引腳功能圖 LCD1602液晶顯示屏LCD1602液晶顯示屏具有良好的顯示字符功能，所以文章選用它來作為顯示時間、提示等信息，相比數(shù)碼管顯示器，它更容易控制，更加穩(wěn)定。LCD1602液晶顯示屏是一種廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的字符型液晶，總共可以顯示32個字符，是一塊由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成點陣型液晶屏，可以用來顯示符號、數(shù)字、字母等。1602代表16X2,也就是可以顯示32個字符，每行顯示16個字符，總共兩行[11]。只需要控制LCD1602的3根引腳的時序就能使LCD正常顯示數(shù)據(jù)，RS=0，RW=0,可以往LCD寫入指令或者顯示地址，RS=1，RW=0可以可以往LCD寫入顯示的數(shù)據(jù)，當E腳出現(xiàn)下降沿，數(shù)據(jù)和命令就能被接收或發(fā)送，從而顯示數(shù)據(jù)。 LCD1602基本技術(shù)參數(shù)為： 顯示容量:2行，每行16個字符 芯片正常工作電壓:～ 工作電流:2毫安 液晶顯示最佳時工作電壓:5伏特 LCD1602液晶顯示屏各個引腳解釋如表1所示:表1 LCD1602液晶顯示屏各個引腳解釋編號符號引腳解釋編號符號引腳解釋1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負極 下面介紹各個引腳的功能。 第1腳：VSS為電源地。 第2腳：VDD接5V電源正級。第3腳：VL是用來對屏幕亮度對比度進行調(diào)整的接口，當置高電平時對比 度最差，接低電平時，對比度最好，如果對比度太高，會產(chǎn)生重影， 可以通過電位器調(diào)整對比度，一般采用10K。 第4腳：RS是功能選擇口，被置高電平，代表傳輸數(shù)據(jù)，被置低電平，傳 輸控制命令字。 第5腳：R/W是用來傳送讀寫信號的接口，被置高電平代表可以進行讀操作， 被置低電平代表可以進行寫操作。 第6腳：E端是使能端，當E為下降沿的時，LCD才能讀取單片機發(fā)送過來 的數(shù)據(jù)和命令。 第7～14腳：用來同單片機相接線，傳輸雙向數(shù)據(jù)的信號接口。 第15腳：背光源正極。 第16腳：背光源負極。 LCD1602實物圖如圖4所示。 圖4 LCD1602實物圖 光敏電阻 光敏電阻的特點是當光照強度變大，其電阻會減小，光照強度變小，電阻會增大，光照強度小的時候，暗電阻會高達1～5M歐姆，光照強度大的時候，亮電阻才50K歐姆左右，這說明光敏電阻的靈敏度很好，可以比較準確的檢測出環(huán)境的變化。所以文章采用GL3547光敏電阻檢測環(huán)境明暗情況。GL3547的亮電阻為50K～100K，暗電阻高達5M歐姆。光敏電阻與200K歐姆電阻串聯(lián)分壓接入LM324，當光線變?nèi)鯐r，光敏電阻變小，使得LM324的輸出為低電平，單片機可以讀取低電平，執(zhí)行相應的操作，整個原理就是光敏電阻將光信號轉(zhuǎn)化成了電信號，從而得到環(huán)境的變化情況。如果設計的項目有光控功能需求，可以使用光線強度較亮的白熾燈模擬，縮短開發(fā)的時間[12]。光敏電阻的實物圖如圖5所示。圖5 光敏電阻的實物圖 紅外光電傳感器文章設計的模擬路燈控制系統(tǒng)采用紅外光電傳感器ST178檢測交通環(huán)境情況。它的特點有三個，采用靈敏度高的光電晶體管和發(fā)射功率高的紅外光電二極管組成，檢測距離為410mm ，采用非接觸檢測方式[13]。ST178的工作原理是，當有物體靠近ST178時，它的輸出為低電平，沒有物體遮擋時，它的輸出為高電平，單片機可以觀察ST1