【正文】 公路兩旁路燈控制系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案 課題的背景及意義路燈照明對(duì)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(guò)去的幾十年里，中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)生了天翻地覆的變化，中國(guó)的路燈數(shù)量逐年上升，數(shù)量龐大，但是國(guó)內(nèi)路燈的控制系統(tǒng)老舊落后，國(guó)家應(yīng)該高度重視這種現(xiàn)狀。由于中國(guó)人口基數(shù)和人口密度大，遼遠(yuǎn)的公路總長(zhǎng)度，中國(guó)已經(jīng)是路燈總數(shù)量全球最多的國(guó)家之一。2012年路燈總數(shù)量已經(jīng)達(dá)到3000多萬(wàn)盞，隨著國(guó)家對(duì)公路安全的重視不斷加強(qiáng)，每年的增長(zhǎng)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(guó)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(guó)民生活提供安全的環(huán)境，但是，由此產(chǎn)生的問(wèn)題也很嚴(yán)峻，首先，路燈數(shù)量多導(dǎo)致能源的使用逐年增加，而且使道路路燈的維護(hù)更加困難，維護(hù)人員和維護(hù)費(fèi)用增加，政府的財(cái)政支出花銷增多，光源污染現(xiàn)象嚴(yán)重，問(wèn)題的出現(xiàn)給社會(huì)帶來(lái)了不利影響，亟待政府出臺(tái)政策解決問(wèn)題[2]。中國(guó)的路燈控制系統(tǒng)老舊，電能使用效率低，浪費(fèi)能源過(guò)多。中國(guó)路燈系統(tǒng)的控制方式落后，無(wú)法遠(yuǎn)程控制路燈點(diǎn)亮和熄滅的時(shí)間，而且缺乏設(shè)備故障檢測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)，急需升級(jí)改善。單片機(jī)擁有卓越的控制能力，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在很多領(lǐng)域?；趩纹瑱C(jī)的智能路燈控制系統(tǒng)可以改變中國(guó)路燈現(xiàn)狀，使得路燈的管理變得簡(jiǎn)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(shè)計(jì)一款智能路燈控制系統(tǒng)具有非常重要的意義[1]。相比國(guó)內(nèi)的路燈控制系統(tǒng)，國(guó)外的路燈控制系統(tǒng)有著很大的優(yōu)勢(shì)，國(guó)外的科技很新穎獨(dú)特。國(guó)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(dá)國(guó)家，將RFID技術(shù)運(yùn)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(biāo)簽，設(shè)計(jì)了一款智能路燈自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以對(duì)路燈進(jìn)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(guó)洛杉磯與荷蘭PHILIPS公司達(dá)成合作協(xié)議，計(jì)劃將洛杉磯10萬(wàn)盞以上的路燈全新升級(jí)，將它們統(tǒng)一添加到一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中。如果發(fā)現(xiàn)路燈出現(xiàn)問(wèn)題，管理者想要控制它們的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，只須在電腦前打開(kāi)瀏覽器就可以成功控制路燈，在飛利浦的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，用戶通過(guò)地圖能查看到全城路燈的詳細(xì)狀況，包括每一盞路燈的型號(hào)和使用狀態(tài)。管理者使用鼠標(biāo)對(duì)路燈操作，就可以實(shí)現(xiàn)打開(kāi)或關(guān)閉城市路燈并且可以控制路燈的亮暗。PHILIPS公司設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外的路燈系統(tǒng)的發(fā)展比較，國(guó)外的科技真的很先進(jìn)，中國(guó)應(yīng)該努力的學(xué)習(xí)國(guó)外的科技和設(shè)計(jì)思路，提高中國(guó)自身的科技力量，從而提升中國(guó)的國(guó)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(guó)道路路燈控制系統(tǒng),不但可以達(dá)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(yùn)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(duì)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(jiǎn)便可靠，提高服務(wù)效率，使城市的市容市貌更美麗，道路交通環(huán)境更安全。 設(shè)計(jì)的主要工作模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是，能顯示實(shí)時(shí)時(shí)間，能定時(shí)點(diǎn)亮和熄滅路燈，能根據(jù)環(huán)境明暗自動(dòng)點(diǎn)亮和熄滅路燈，能根據(jù)交通情況自動(dòng)點(diǎn)亮和熄滅路燈，并且能檢查故障。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可控制性很好，比較智能化，操作簡(jiǎn)單，容易上手。要想設(shè)計(jì)好模擬路燈控制系統(tǒng)，系統(tǒng)最關(guān)鍵的就是設(shè)計(jì)控制模塊和檢測(cè)模塊。首先，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心就是要挑選一個(gè)合適，控制能力又強(qiáng)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(shè)計(jì)檢測(cè)模塊，包括環(huán)境檢測(cè)和交通情況檢測(cè)，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，確定所有的檢測(cè)元器件，設(shè)計(jì)好完整的檢測(cè)電路。系統(tǒng)還需要能夠顯示實(shí)時(shí)時(shí)間，設(shè)定路燈點(diǎn)亮和熄滅的時(shí)間，因此，要設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，顯示電路和按鍵輸入電路。系統(tǒng)還要求，當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能過(guò)自動(dòng)的發(fā)出聲光報(bào)警，所以需要設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)聲光報(bào)警電路。當(dāng)設(shè)計(jì)好了硬件電路圖后，設(shè)計(jì)的主要工作就是要設(shè)計(jì)各個(gè)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(dú)立鍵盤程序模塊、DS1302時(shí)鐘程序模塊，環(huán)境檢測(cè)程序模塊、聲光報(bào)警程序模塊、交通檢測(cè)程序模塊、設(shè)定路燈開(kāi)關(guān)時(shí)間程序模塊等。當(dāng)兩者都設(shè)計(jì)完成之后，就需要可以進(jìn)行仿真或者實(shí)物制作，期間，需要不斷的調(diào)試軟件和硬件電路，最后實(shí)現(xiàn)課題規(guī)定的功能和性能指標(biāo)要求。以上就是整個(gè)設(shè)計(jì)的主要的工作。2 設(shè)計(jì)思想與方案 設(shè)計(jì)思想首先根據(jù)課題的設(shè)計(jì)要求，查找翻閱相關(guān)資料，確定系統(tǒng)的各個(gè)模塊，確定模塊后，再去選擇各個(gè)模塊需要的電子元器件，可以在Proteus仿真軟件中先設(shè)計(jì)好原理圖，再完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。在Proteus中仿真，當(dāng)所有的功能都能實(shí)現(xiàn)時(shí)，然后就可以設(shè)計(jì)硬件原理圖，可以根據(jù)硬件原理圖做出實(shí)物，再通過(guò)反復(fù)的調(diào)試，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的功能，最后整理設(shè)計(jì)的相關(guān)材料，編寫課題說(shuō)明書。設(shè)計(jì)的思路主要硬件電路系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)包括主控模塊電路、電源電路、晶振電路、復(fù)位電路、下載電路、獨(dú)立按鍵電路、路燈電路、液晶顯示電路、DS1302時(shí)鐘電路、交通監(jiān)測(cè)電路、明暗環(huán)境監(jiān)測(cè)電路、聲光報(bào)警電路、故障監(jiān)測(cè)電路等；軟件系統(tǒng)是針對(duì)設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊編寫相應(yīng)的模塊程序。其中包含系統(tǒng)監(jiān)控程序、液晶顯示程序、獨(dú)立鍵盤程序、DS302時(shí)鐘程序，環(huán)境檢測(cè)程序、聲光報(bào)警程序、交通檢測(cè)程序，設(shè)定路燈開(kāi)關(guān)時(shí)間程序等模塊。 設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)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(lái)設(shè)計(jì)，也可以采用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，兩者都有各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，首先來(lái)介紹基于FPGA控制芯片設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)系統(tǒng)，非常的靈活，它可以支持在線修改的功能，隨時(shí)修改軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)任何數(shù)字電路?；贔PGA的模擬路燈控制系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一些外圍的電路，其中包括環(huán)境檢測(cè)電路、故障檢測(cè)電路、交通檢測(cè)電路、聲光報(bào)警電路、按鍵電路、顯示電路和路燈電路等。基于FPGA芯片設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。 方案二：?jiǎn)纹瑱C(jī)技術(shù)使用的范圍非常廣，已經(jīng)應(yīng)用與很多領(lǐng)域，單片機(jī)最突出的特點(diǎn)就是控制能力非常強(qiáng)悍，芯片響應(yīng)速度快，同時(shí)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(shí)器、中斷、看門狗等外設(shè)，使得設(shè)計(jì)系統(tǒng)很方便，能達(dá)到很好的效果。系統(tǒng)可以使用AT89S52單片機(jī)為主控芯片，由實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302產(chǎn)生實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)間，由LCD1602液晶顯示屏顯示菜單、提示和實(shí)時(shí)時(shí)間等信息，使用獨(dú)立式鍵盤調(diào)整切換功能菜單、設(shè)置開(kāi)關(guān)燈時(shí)間等，采用光敏電阻檢測(cè)環(huán)境的明暗情況，使用反射型紅外光電傳感器檢測(cè)交通情況，配合蜂鳴器和LED燈實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警[6]。所以硬件電路設(shè)計(jì)包括AT89S52主控芯片、電源電路、晶振電路、復(fù)位電路、下載電路、獨(dú)立按鍵電路、路燈電路、顯示電路、時(shí)鐘電路、交通監(jiān)測(cè)電路、明暗環(huán)境監(jiān)測(cè)電路、聲光報(bào)警電路、故障監(jiān)測(cè)電路等?；趩纹瑱C(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖2所示。 圖1 基于FPGA芯片設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖圖2 基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖 根據(jù)上述兩個(gè)方案的介紹，各有優(yōu)點(diǎn)，但是考慮到設(shè)計(jì)系統(tǒng)的成本和適用性，單片機(jī)有著天然的優(yōu)勢(shì)，單片機(jī)價(jià)格便宜，功耗低，易于控制，可靠性高，開(kāi)發(fā)更加容易，而FPGA價(jià)格昂貴，不適合模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所以選用方案二。3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 主要元器件介紹 AT89S52單片機(jī)模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(qiáng)的8位控制芯片，是由Atmel公司生產(chǎn)，使用可編程的Flash存儲(chǔ)器，容量高達(dá)8KB,擁有256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，與80C51單片機(jī)完全兼容。除此之外，文章采用的AT89S52是PDIP40封裝，具有4 0個(gè)引腳，多達(dá)32個(gè)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(fù)位的看門狗定時(shí)器，6個(gè)中斷源（2個(gè)外部中斷源，一個(gè)串口中斷源，3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷源），3個(gè)可以定時(shí)計(jì)數(shù)的16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，其中一個(gè)定時(shí)器T2可以捕捉外部信息，1個(gè)全雙工異步串行通信口，內(nèi)部還有自帶的晶振和時(shí)鐘電路[7,8]。另外，AT89S52兼容匯編和C語(yǔ)言編程，C語(yǔ)言程序具有高度移植性，使得開(kāi)發(fā)工作更簡(jiǎn)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(shí)時(shí)時(shí)間計(jì)時(shí)能力等特點(diǎn)，所以文章選用DS1302產(chǎn)生系統(tǒng)所需的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。DS1302由美國(guó)DALLAS公司研發(fā)生產(chǎn)，它可以對(duì)時(shí)間和日期進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)，識(shí)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(shí)存放接收的數(shù)據(jù)。DS1302只有8個(gè)引腳，采用三根線信號(hào)線（SCLK、IO、RST）與CPU進(jìn)行同步通信，Vcc1接外部后備電源，VCC2外接主電源，當(dāng)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(shí)鐘正常的運(yùn)行，不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，具有掉電保護(hù)的作用，安全性能好。1腳和2腳是時(shí)鐘源接口，在內(nèi)部電路作用下進(jìn)行32768分頻，可以產(chǎn)出精確的1秒時(shí)基。RST是復(fù)位/片選線，當(dāng)RST為高電平使能所有的數(shù)據(jù)傳送，使能單片機(jī)對(duì)DS1302進(jìn)行讀寫操作。在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，一旦RST突變?yōu)榈碗娖?，整個(gè)數(shù)據(jù)傳送將被停止，除此之外，當(dāng)且僅當(dāng)SCLK是低電平的時(shí)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(shí)鐘輸入口，通過(guò)這個(gè)引腳，DS1302能與其他芯片進(jìn)行同步通信，只有當(dāng)SCLK是上升沿的時(shí)候，I/O口才能接受的到外部傳送過(guò)來(lái)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(lái)作為顯示時(shí)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(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的字符型液晶，總共可以顯示32個(gè)字符，是一塊由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成點(diǎn)陣型液晶屏，可以用來(lái)顯示符號(hào)、數(shù)字、字母等。1602代表16X2,也就是可以顯示32個(gè)字符，每行顯示16個(gè)字符，總共兩行[11]。只需要控制LCD1602的3根引腳的時(shí)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(dāng)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(gè)字符 芯片正常工作電壓:～ 工作電流:2毫安 液晶顯示最佳時(shí)工作電壓:5伏特 LCD1602液晶顯示屏各個(gè)引腳解釋如表1所示:表1 LCD1602液晶顯示屏各個(gè)引腳解釋編號(hào)符號(hào)引腳解釋編號(hào)符號(hào)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(hào)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(fù)極 下面介紹各個(gè)引腳的功能。 第1腳：VSS為電源地。 第2腳：VDD接5V電源正級(jí)。第3腳：VL是用來(lái)對(duì)屏幕亮度對(duì)比度進(jìn)行調(diào)整的接口，當(dāng)置高電平時(shí)對(duì)比 度最差，接低電平時(shí)，對(duì)比度最好，如果對(duì)比度太高，會(huì)產(chǎn)生重影， 可以通過(guò)電位器調(diào)整對(duì)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(lái)傳送讀寫信號(hào)的接口，被置高電平代表可以進(jìn)行讀操作， 被置低電平代表可以進(jìn)行寫操作。 第6腳：E端是使能端，當(dāng)E為下降沿的時(shí)，LCD才能讀取單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái) 的數(shù)據(jù)和命令。 第7～14腳：用來(lái)同單片機(jī)相接線，傳輸雙向數(shù)據(jù)的信號(hào)接口。 第15腳：背光源正極。 第16腳：背光源負(fù)極。 LCD1602實(shí)物圖如圖4所示。 圖4 LCD1602實(shí)物圖 光敏電阻 光敏電阻的特點(diǎn)是當(dāng)光照強(qiáng)度變大，其電阻會(huì)減小，光照強(qiáng)度變小，電阻會(huì)增大，光照強(qiáng)度小的時(shí)候，暗電阻會(huì)高達(dá)1～5M歐姆，光照強(qiáng)度大的時(shí)候，亮電阻才50K歐姆左右，這說(shuō)明光敏電阻的靈敏度很好，可以比較準(zhǔn)確的檢測(cè)出環(huán)境的變化。所以文章采用GL3547光敏電阻檢測(cè)環(huán)境明暗情況。GL3547的亮電阻為50K～100K，暗電阻高達(dá)5M歐姆。光敏電阻與200K歐姆電阻串聯(lián)分壓接入LM324，當(dāng)光線變?nèi)鯐r(shí)，光敏電阻變小，使得LM324的輸出為低電平，單片機(jī)可以讀取低電平，執(zhí)行相應(yīng)的操作，整個(gè)原理就是光敏電阻將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成了電信號(hào)，從而得到環(huán)境的變化情況。如果設(shè)計(jì)的項(xiàng)目有光控功能需求，可以使用光線強(qiáng)度較亮的白熾燈模擬，縮短開(kāi)發(fā)的時(shí)間[12]。光敏電阻的實(shí)物圖如圖5所示。圖5 光敏電阻的實(shí)物圖 紅外光電傳感器文章設(shè)計(jì)的模擬路燈控制系統(tǒng)采用紅外光電傳感器ST178檢測(cè)交通環(huán)境情況。它的特點(diǎn)有三個(gè)，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(cè)距離為410mm ，采用非接觸檢測(cè)方式[13]。ST178的工作原理是，當(dāng)有物體靠近ST178時(shí)，它的輸出為低電平，沒(méi)有物體遮擋時(shí)，它的輸出為高電平，單片機(jī)可以觀察ST1