基于單片機的節(jié)能型路燈控制系統(tǒng)設(shè)計

廖桂發(fā)　黎文展　楊保海

【摘要】為了解決現(xiàn)有路燈無法持續(xù)光亮，耗能大，較單一的控制路燈光亮的問題，同時避免不必要的浪費，基于單片機的節(jié)能型路燈控制系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了有效控制路燈光亮，同時節(jié)約太陽能能源，實現(xiàn)有需必應的智能路燈。這一系列系統(tǒng)有時鐘、光、聲控和太陽能小模塊，主控制器為89系列單片機，可通過定時系統(tǒng)開啟路燈工作模式，也可通過環(huán)境光照程度控制路燈光亮程度，也可聲控路燈光亮。

【關(guān)鍵詞】定時 聲控 光控 太陽能 智能

1緒論

隨著社會的發(fā)展，如今提倡節(jié)約型社會和智能生活，本文就是論述節(jié)能以及智能路燈。路燈現(xiàn)在已經(jīng)普及全國，路燈作為城市街道和農(nóng)村道路的基本設(shè)施之一，不僅為路人、車輛提供了有效幫助，還使街道以及農(nóng)村道路得到了形象美化。路燈雖然帶來了諸多便利，但同時也消耗了大量資源，因此節(jié)能路燈應運而生。

2系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)具體要求：路燈控制器有時鐘功能，通過時鐘功能來讓蓄電池工作提供電量;路燈控制器能根據(jù)環(huán)境的明亮程度來控制路燈的光亮程度，從而減少不必要的電量浪費;路燈控制器還能根據(jù)路人提供的聲響來控制路燈的光亮程度，從而減少不必要的電量浪費;當蓄電池低于20%時，就通過聲控來控制路燈的亮：太陽能電池能有效的存儲電能，避免電量的消耗。

系統(tǒng)設(shè)計思路：首先通過時鐘計時確定路燈工作時間，例如每天晚上6點半路燈開始工作，次日7點路燈結(jié)束工作。在路燈工作的時候，首先是光控電路控制路燈的光亮程度，當路燈處于較黑暗環(huán)境，也就是趨于穩(wěn)定的黑暗環(huán)境時（夜已完全黑下來），路燈將通過聲控來控制路燈的光亮程度。當天亮程度有所變換時，將通過光控來控制路燈光亮程度，實現(xiàn)節(jié)能。但時長到一定程度時，時鐘系統(tǒng)將控制路燈是否工作來關(guān)閉路燈。當蓄電池電量低于20%時，就只啟動另一個聲控系統(tǒng)，聲音作為開關(guān)，控制路燈亮滅，從而確保路燈的智能工作，達到節(jié)約資源的作用。

基于以上系統(tǒng)要求和設(shè)計思路，設(shè)計的系統(tǒng)設(shè)計流程圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)流程圖

2.1時鐘系統(tǒng)

數(shù)字鐘由中小規(guī)模集成電路構(gòu)成，可以顯示時、分、秒，并添加1HZ標準脈沖信號（晶振產(chǎn)生），“秒”和“分”是按60進制計數(shù)器，“時”是按24進制計數(shù)器。所以時分秒是24小時制，數(shù)字鐘還有校時功能，時和分單獨校時，校對其中一個的同時停止對另一個進位。數(shù)字時鐘電路包括譯碼顯示器，555定時器和時、分、秒計數(shù)器三個子電路，干路系統(tǒng)則由秒信號發(fā)生器以及數(shù)字時鐘電路組成。

首先由555定時器產(chǎn)生一個1秒的震蕩信號，再用74LS90芯片用異步清零法分別組成六十進制的秒和分計數(shù)器和二十四進制時計數(shù)器。產(chǎn)生CP脈沖是由555定時器的輸出作為秒計數(shù)，把秒計數(shù)器六十進位輸出作為分計數(shù)器的CP脈沖，把分計數(shù)器地進位輸出作為時計數(shù)器的CP脈沖。秒信號產(chǎn)生器是整個計時時鐘最重要的部分，計時系統(tǒng)的準確性靠它實現(xiàn)，最主要的是分頻器和石英晶體振蕩器。流程為：1.555定時器的秒信號輸入秒計數(shù)器中，2.以60秒為單位將信號發(fā)送到分計數(shù)器，依此類推。3.再由譯碼器輸出到顯示器上。

2.2光控系統(tǒng)

光敏電阻器是一種由半導體制作的電阻，采用光敏效應原理實現(xiàn)，其阻值和射光的強度變化有關(guān)。光敏電阻器是由半導體材料硫化鎘或硒化鎘等制成的特殊電阻器，工作原理是內(nèi)光電效應。光照越強，阻值越低，隨著光照強度的升高，電阻值就會隨之降低，亮電阻值可以降到幾歐以下。光敏電阻對光線十分敏感，在無光照時暗電阻一般可達2兆歐。摻雜型光敏電阻現(xiàn)在很多地方多會用到。光敏電阻器的阻值可根據(jù)光照在數(shù)千歐到數(shù)兆歐之間調(diào)節(jié)。入射光消失后，光敏電阻產(chǎn)生的信號不為主要控制信號，當環(huán)境到一定的黑暗程度不發(fā)生變化時就可以關(guān)閉光控系統(tǒng)，由聲控系統(tǒng)控制路燈。

該系統(tǒng)采用的光控開關(guān)原理圖2：

圖2 光控開關(guān)原理圖

2.3聲控系統(tǒng)

震動產(chǎn)生聲音，聲音在空氣中傳播，遇到固體時就會傳導。當電量充足時，利用對聲音敏感的聲控元件來控制燈，其阻值隨著聲音的變化而變化。夜晚來臨的時候，因光敏阻止變大，此時有聲音，聲控產(chǎn)生電信號，多級的放大電路將此信號放大，最后閘管導通，然后路燈就會變更亮。在晶閘管電路中增加阻容放電電路，作為延時電路。當電容器中電荷逐漸減少的時候，此時燈泡就會慢慢變暗。

當電量不足20%時，啟動另一套控制方式。聲控電路直接控制路燈的亮滅，而無須經(jīng)過延時電路，以達到省電的效果，從而將路燈的照明壽命延長，達到省電的目的。

該系統(tǒng)采用如圖3所示的兩種聲控方式：

圖3聲控模式圖

2.4太陽能蓄電系統(tǒng)

太陽能是利用半導體材料具有的光電效應原理，將太陽能轉(zhuǎn)換成能夠使用電能的裝置。白天由總控制器將太陽能轉(zhuǎn)化為電能向蓄電池組充電，當路燈受時鐘系統(tǒng)控制開啟時，蓄電池可以提供負載。增加直流保護元件，保證蓄電池在任何場景都能保持良好的狀態(tài)。總控制器是組成太陽能路燈照明控制系統(tǒng)的核心部分，它的功能效果直接影響著太陽能路燈的光照使用。

總控制器是Atmega48單片機。蓄電池是儲存電壓，將標準電壓供給電路和電壓采集電路。電壓采集電路的作用是識別太陽光線的強弱以及將其轉(zhuǎn)化為蓄電池的電壓儲存起來使用，它主要由蓄電池電壓采集電路和太陽能電池板組成。Atmega48是低功耗CMOS的8位單片機芯片基于AVR RISC構(gòu)架的，芯片的硬件接口電路豐富強大并且內(nèi)置大容量存儲器，它的特點和高檔單片機相差無幾，但因為采用了小引腳封裝，所以其價格較低廉。

太陽能蓄電系統(tǒng)模塊，如圖4：

圖4 太陽能蓄電模塊圖

2.5核心結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

通過核心結(jié)構(gòu)把時鐘系統(tǒng)、光控系統(tǒng)、聲控系統(tǒng)和太陽能蓄電結(jié)構(gòu)系統(tǒng)合并在一起，使得時鐘系統(tǒng)得以控制路燈的工作狀態(tài)，光控系統(tǒng)受環(huán)境影響，光亮程度不同，且當環(huán)境穩(wěn)定時，光控系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，聲控系統(tǒng)啟動，光亮程度受聲音大小控制。其中太陽能蓄電池責提供電能，是路燈工作的動力來源，同時當電量低于等于20%時則轉(zhuǎn)換另一個聲控電路，可通過聲音控制路燈亮滅，從而達到節(jié)能，同時也能方便照亮路人。把這些結(jié)合起來需要89系列的單片機來控制其的工作狀態(tài)，提高工作效率。如圖5：

圖5 核心結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖

3分析與結(jié)論

現(xiàn)在農(nóng)村道路的路燈多為太陽能發(fā)電的，且從黑夜一直亮到天亮，這種單一的運行路燈比較耗費自身能源，且不利于保護自身，也給路人帶來了一定的麻煩，比如電量不足時光照不明所帶來出行的不便，即不能及時給路人照明。在城鎮(zhèn)道路亦是如此不能及時照明，同時也沒能帶來美麗的夜景。而現(xiàn)在這款路燈的設(shè)計為節(jié)約自身能源帶來便利，同時也更智能化，增加了蓄電池的使用時長，使路燈得以高效工作。