论文部分内容阅读
摘要：路灯作为城市建设中基础照明设施，在人们的日常生活中起着不可或缺的作用。随着城市的快速发展以及社会的进步，绿色、环保、可持续成为社会的发展口号。然而在现实生活中，城市路灯等照明设施存在照明质量低、照明投入大、设施管理成本高等问题。为持续推进城市照明工程的科学、绿色、节能发展，针对上述现存问题设计一款新型的智能路灯控制系统具有十分重要的现实意义与价值。在对道路照明的时候，一方面要尽可能地节能，其中包括电力资源和人力资源的节能;另一方面也要保证其一定的照明质量。随着单片机电子技术的发展，单片机在自动化、集成电路、工业生产控制等领域的引用也逐渐广泛起来。该智能路灯系统设计正是以STC89C52单片机为核心，集合智能调光，时间设定，定时开关，闹钟报警等功能一体，可以智能的控制路灯等照明设施的定时自动开关，并能根据外界光照环境的变化实现照明开关以及照明功率的调整，给我们带来便捷的同时，还能够降低对照明设施的投入成本，极大程度上满足现代城市光照设施的综合需求。
关键词：STC89C52;光照传感器;路灯;单片机
中图分类号：TP23 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2021）27-0132-04
1 城市照明现状
对城市规划建设来说，路灯等照明设施一方面为城市居民提供便利以及夜间出行安全保障，另一方面照明设施对城市的形象美化、提升也起着举足轻重的作用。据国家能源局统计，2013年年度全国总用电量约为5.32万亿千瓦时，同比增长7.5%[1]。而同年度的照明用电量占全部照明用电量的30%，约占全社会用电量的9%，一年市政路灯照明的开支就高达552亿元[2]，位居各領域照明用电量之首。另外一组数据表示，我国城市道路照明设施数量从2004年的1053.15万盏，以年均增长率超过11%的速度增长为2014的3000万盏。其数据及潜能之庞大使得智能节能路灯普及势在必行。
2 城市照明设施现状
通过观察不难发现，现代城市道路照明设施主要存在以下几点问题：
2.1 照明实际利用率有待提高
传统现代道路照明设施主要采用人工控制或定时控制两种手段控制路灯的开启。因此实际上的路灯照明无法根据类如照明时间段变化、实际照明需求以及突发情况等情况采取灵活的调整，根据调查数据表明，目前投入使用大部分道路路灯照明设施的实际电能利用率却不到60%。由此可见传统路灯照明设施的电能浪费有多严重。如实际生活中因为不同季节不同时间段的差异，时常导致如下情景：夏季傍晚天色尚且还亮但过早开启路灯，导致照明资源的浪费，提高照明的投入成本;而冬季傍晚天色已暗但迟迟未开启路灯，导致实际照明效果不到位，无法起到应有的作用。
2.2 照明设施控制方式单一
传统现代道路照明设施通常采用定时控制或人工控制的方式，但是定时控制和人工控制均有着各自的优势和弊端。人工控制主观且被动，需要投入大量人力资源进行管理，无法实现路灯设施的自动化以及智能化;而定时控制又过于客观性，非常容易受外界特殊情况的影响，如突然而来的乌云密布但路灯迟迟未开启等等，导致灵活性比较低。
2.3 人工管理成本投入大
传统现代道路照明设施无论是发生故障时的检测、又或者是其开启与关闭时的人工控制，均需要投入大量的人工成本。而随着城市的高速发展导致的道路照明设施数量急剧上升，这部分成本也随着相应大幅度提高。
3 系统总体设计
3.1 选用单片机作为主控制模块的优势
单片机是指采用数字处理和微电子技术、集成技术等相融合的一种控制器，与PLC.ARM.DSP等数字处理控制器拥有相类似的功能和作用。单片机内部集成了微处理器、定时计数器模块、数据存储器、通信模块、输入输出接口模块甚至模数转换模块等[3]。以单片机作为该系统的主控制模块主要有以下优势：
1）单片机种类多，应用领域、应用场景广泛。
2）运算速度快。单片机内部通过降低时钟频率使其运算速度大大提高。部分单片机中还会使用例如锁相环、外部振荡器等手段去提高单片机的运算速度以及性能。
3）可使用寿命长。传统单片机的使用年限可达15年以上，这是由于集成芯片的不断更新，单片机的使用寿命变得更加长，甚至会随着使用更加趋于稳定。
4）设备成本低，可移植性强，系统稳定性强等。
3.2 方案设计要求
本方案旨在设计一个集合智能调节灯光光照强度、定时开光、显示检测光照强度、设定光照强度阈值、显示时间、具有闹钟功能为一体的智能路灯系统。
1）本路灯系统采用模块化设计，主要包含如图1六大模块。
2）当系统开启时，系统会实时检测外界光照情况，此时光照强度检测模块通过ADC0832 A/D转换电路实时将外界光照强度信息装换为数字信息，并进而将检测到的外界光照强度大小输出显示到系统的LCD1602液晶显示屏上;与此同时，时钟模块通过DS1302时钟芯片，根据系统设定的时间以及闹钟，时刻检测时间的变化，当实际时间到达设定时间时，系统将开启短时间警报，当警报结束时自动开启或关闭系统;警报模块当检测到外界光照强度超过阈值或闹钟触发情况下开启系统蜂鸣器进行短暂报警处理;光照功率调节模块通过ADC0832 D/A转换电路可将光照检测模块获取的光照数字信号进行加工处理转换为模拟信号，进而动态调节照明电路的输出功率。
4 硬件电路设计
单片机STC89C52、ADC0832A/D转换电路、LCD1602液晶显示屏、DS1302时钟芯片。
4.1 光照检测模块
1）光敏电阻。光敏电阻是用硫化隔或硒化隔等半导体材料制成的特殊电阻器其工作原理是基于内光电效应。光照愈强，阻值就愈低，随着光照强度的升高，电阻值迅速降低亮电阻值可小至1KQ以下。光敏电阻对光线十分敏感其在无光照时，呈高阻状态，暗电阻一般可达1.5 MQ。光敏电阻的特殊性能随着科技的发展将得到极其广泛应用[4]。在本系统中，光敏电阻主要起检测外界光照强度作用。 2）AD/DA转换。AD/DA转换也就是模数/数模转换，而该部分中我们使用的是ADC模数转换，也就是将外部模拟信号转化为内部数字信号。其原理为光敏电阻通过感应外界的光线强度获得数据，并将数据由ANIO端口传入转换模块，再通过ADC0832 A/D转换芯片将感应数据转换成数字数据。（AD/DA转换模块内部结构图如图2）其中ANIO-ANI3为模拟信号输入端。在本系统中，AD/DA转换电路主要起转换外界光照强度信号为数字信号作用。
3）光照检测模块框图
4.2 DS1302的控制[5]
DS1302的RST，SCLK和I/O分别与单片机的P2.0，P2.1和P2.2相连。单片机与DS1302进行数据交换时，首先要将RST变为高电位，也就是单片机P2.0必须为逻辑1。在 RST保持为高电位时，SCLK时钟由低电位变为高电位的上升沿时，数据被写入DS1302中，数据从最低位通过IO开始写入。在RST保持高电位，SCLK时钟由高电位变为低电位的下降沿时，从 DS1302读取数据，数据也是从DS1302的最低位通过I/O读取。在本系统中，DS1302控制电路主要起计时、定时作用。
4.3 液晶显示模块
LCD1602芯片的RW引脚为读写信号线引脚，接入高电平时进行读操作，当接入低电平时进行写操作;RS引脚为寄存器选择引脚。当RS引脚接入高电平时选择数据寄存器、而当接入低电平时选择指令寄存器。E引脚为使能端。而D0～D7引脚为一8位双向数据线，同时也是液晶屏幕显示内容的数据输入端。在本系统中，LCD1602芯片主要起显示数据作用。
4.4 报警模块
蜂鸣器。如图6所示，蜂鸣器的P3.7口与PNP型三极管相连接，当P3.7口产生低电平信号时，蜂鸣器即可发出蜂鸣声。在本系统中，蜂鸣器主要起报警作用。
4.5 光照功率调节模块
D/A转换模块。与A/D转换模块相反，D/A转换是将数字信号转换为模拟信号，其原理为当A/D转换模块通过获取光敏电阻采集的光线强度数据后，将该部分数据通过ADC0832的ANIO端口输入，再通过D/A转换模块将该部分数字信号数据转换为模拟数据。在本系统中，D/A转换模块主要起将数字信号转换为模拟信号作用。系统框图如图7：
5 软件设计
6 系统实验结果
6.1 主界面
打开单片机系统开关后，可以看到LCD1602液晶显示屏上分别有以下信息内容：1）当前时间;2）初始光照强度大小阈值;3）当前光照强度大小。切换显示页面后可见闹钟开关以及闹钟设定时间。启动程序时，单片机系统光照检测模块中的ADC0832实时采集外界的光照模拟信号，并将该信号转换。
为数字信号，实时将光照强度大小显示在LCD1602液晶显示屏上。见图9。
6.2 切换显示页面、调节参数
可以通过单片机系统中的独立按键对时间，光照强度阈值大小，闹钟开关，闹钟時间进行设定（KEY1为切换页面，KEY2为选择设定区域，如选择时分秒，光照强度阈值，闹钟时分等，KEY3为增加数值大小，对应的KEY4为减少数值大小）。当闹钟开关设定为关闭时，系统默认为开启状态，即光照功率调节模块为开启状态。
6.3 系统工作
此时LED功率会随着光敏电阻检测到光照强度大小实时做出改变，我们通过LED灯打开数量直观反映，如：我们设定初始光照强度阈值为200，当检测外界光照强度刚好小于200时，我们打开一颗LED灯;当检测外界光照强度刚好小于200的80%时，也就是160时，我们打开两颗LED灯;当检测外界光照强度刚好小于200的60%时，也就是120时，我们打开三颗LED灯;当检测外界光照强度刚好小于200的40%时，也就是80时，我们打开四颗LED灯;当检测外界光照强度刚好小于200的20%时，也就是40时，我们打开全部也就是五颗LED灯。当检测外界光照强度大于200时，我们关闭所有LED灯，此时还有另外的三颗状态LED灯打开状态。
6.4 闹钟使用
当闹钟开关设定为开启，且当前时间未到达闹钟时间时，系统默认为关闭状态，即光照功率调节模块为关闭状态。LED灯功率不随外界光照强度大小做出改变;然而当时间到达闹钟时间时，系统会发出短暂报警，并打开光照功率调节模块。
此时开始，LED灯功率会随外界光照强度大小做出改变，调节规律与闹钟关闭状态下一致，即：此时LED功率会随着光敏电阻检测到光照强度大小实时做出改变，我们通过LED灯打开数量直观反映，如：我们设定初始光照强度阈值为200，当检测外界光照强度刚好小于200时，我们打开一颗LED灯;当检测外界光照强度刚好小于200的80%时，也就是160时，我们打开两颗LED灯;当检测外界光照强度刚好小于200的60%时，也就是120时，我们打开三颗LED灯;当检测外界光照强度刚好小于200的40%时，也就是80时，我们打开四颗LED灯;当检测外界光照强度刚好小于200的20%时，也就是40时，我们打开全部也就是五颗LED灯。当检测外界光照强度大于200时，我们关闭所有LED灯，此时还有另外的三颗状态LED灯打开状态。
7 结束语
本文设计了一款基于STC89C52单片机的智能路灯系统，可以实时监测外界光照强度大小并根据外界光照强度大小实时调节LED灯照明功率，同时具有显示外界光照强度大小，显示时间，设定闹钟定时开启，当光照强度过低报警等功能。且本系统具有实现简单，成本低廉，智能等优点，具有一定的实际使用意义。
参考文献：
[1] 张兵，白雪.智能化分时段节能路灯的开发和设计[J].黑龙江科技信息，2012（31）：21.
[2] 国家能源局发布2013年全社会用电量[J].中国能源，2014，36（1）：24.
[3] 梁小廷.单片机技术的发展及应用研究[J].民营科技，2018（6）：9.
[4] 王彦华，刘希璐.光敏电阻器原理及检测方法[J].装备制造技术，2012（12）：101-102，113.
[5] 曹晖，彭小军.DS1320的C51编程[J].新余高专学报，2001（2）：28-29.
【通联编辑：谢媛媛】
关键词：STC89C52;光照传感器;路灯;单片机
中图分类号：TP23 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2021）27-0132-04
1 城市照明现状
对城市规划建设来说，路灯等照明设施一方面为城市居民提供便利以及夜间出行安全保障，另一方面照明设施对城市的形象美化、提升也起着举足轻重的作用。据国家能源局统计，2013年年度全国总用电量约为5.32万亿千瓦时，同比增长7.5%[1]。而同年度的照明用电量占全部照明用电量的30%，约占全社会用电量的9%，一年市政路灯照明的开支就高达552亿元[2]，位居各領域照明用电量之首。另外一组数据表示，我国城市道路照明设施数量从2004年的1053.15万盏，以年均增长率超过11%的速度增长为2014的3000万盏。其数据及潜能之庞大使得智能节能路灯普及势在必行。
2 城市照明设施现状
通过观察不难发现，现代城市道路照明设施主要存在以下几点问题：
2.1 照明实际利用率有待提高
传统现代道路照明设施主要采用人工控制或定时控制两种手段控制路灯的开启。因此实际上的路灯照明无法根据类如照明时间段变化、实际照明需求以及突发情况等情况采取灵活的调整，根据调查数据表明，目前投入使用大部分道路路灯照明设施的实际电能利用率却不到60%。由此可见传统路灯照明设施的电能浪费有多严重。如实际生活中因为不同季节不同时间段的差异，时常导致如下情景：夏季傍晚天色尚且还亮但过早开启路灯，导致照明资源的浪费，提高照明的投入成本;而冬季傍晚天色已暗但迟迟未开启路灯，导致实际照明效果不到位，无法起到应有的作用。
2.2 照明设施控制方式单一
传统现代道路照明设施通常采用定时控制或人工控制的方式，但是定时控制和人工控制均有着各自的优势和弊端。人工控制主观且被动，需要投入大量人力资源进行管理，无法实现路灯设施的自动化以及智能化;而定时控制又过于客观性，非常容易受外界特殊情况的影响，如突然而来的乌云密布但路灯迟迟未开启等等，导致灵活性比较低。
2.3 人工管理成本投入大
传统现代道路照明设施无论是发生故障时的检测、又或者是其开启与关闭时的人工控制，均需要投入大量的人工成本。而随着城市的高速发展导致的道路照明设施数量急剧上升，这部分成本也随着相应大幅度提高。
3 系统总体设计
3.1 选用单片机作为主控制模块的优势
单片机是指采用数字处理和微电子技术、集成技术等相融合的一种控制器，与PLC.ARM.DSP等数字处理控制器拥有相类似的功能和作用。单片机内部集成了微处理器、定时计数器模块、数据存储器、通信模块、输入输出接口模块甚至模数转换模块等[3]。以单片机作为该系统的主控制模块主要有以下优势：
1）单片机种类多，应用领域、应用场景广泛。
2）运算速度快。单片机内部通过降低时钟频率使其运算速度大大提高。部分单片机中还会使用例如锁相环、外部振荡器等手段去提高单片机的运算速度以及性能。
3）可使用寿命长。传统单片机的使用年限可达15年以上，这是由于集成芯片的不断更新，单片机的使用寿命变得更加长，甚至会随着使用更加趋于稳定。
4）设备成本低，可移植性强，系统稳定性强等。
3.2 方案设计要求
本方案旨在设计一个集合智能调节灯光光照强度、定时开光、显示检测光照强度、设定光照强度阈值、显示时间、具有闹钟功能为一体的智能路灯系统。
1）本路灯系统采用模块化设计，主要包含如图1六大模块。
2）当系统开启时，系统会实时检测外界光照情况，此时光照强度检测模块通过ADC0832 A/D转换电路实时将外界光照强度信息装换为数字信息，并进而将检测到的外界光照强度大小输出显示到系统的LCD1602液晶显示屏上;与此同时，时钟模块通过DS1302时钟芯片，根据系统设定的时间以及闹钟，时刻检测时间的变化，当实际时间到达设定时间时，系统将开启短时间警报，当警报结束时自动开启或关闭系统;警报模块当检测到外界光照强度超过阈值或闹钟触发情况下开启系统蜂鸣器进行短暂报警处理;光照功率调节模块通过ADC0832 D/A转换电路可将光照检测模块获取的光照数字信号进行加工处理转换为模拟信号，进而动态调节照明电路的输出功率。
4 硬件电路设计
单片机STC89C52、ADC0832A/D转换电路、LCD1602液晶显示屏、DS1302时钟芯片。
4.1 光照检测模块
1）光敏电阻。光敏电阻是用硫化隔或硒化隔等半导体材料制成的特殊电阻器其工作原理是基于内光电效应。光照愈强，阻值就愈低，随着光照强度的升高，电阻值迅速降低亮电阻值可小至1KQ以下。光敏电阻对光线十分敏感其在无光照时，呈高阻状态，暗电阻一般可达1.5 MQ。光敏电阻的特殊性能随着科技的发展将得到极其广泛应用[4]。在本系统中，光敏电阻主要起检测外界光照强度作用。 2）AD/DA转换。AD/DA转换也就是模数/数模转换，而该部分中我们使用的是ADC模数转换，也就是将外部模拟信号转化为内部数字信号。其原理为光敏电阻通过感应外界的光线强度获得数据，并将数据由ANIO端口传入转换模块，再通过ADC0832 A/D转换芯片将感应数据转换成数字数据。（AD/DA转换模块内部结构图如图2）其中ANIO-ANI3为模拟信号输入端。在本系统中，AD/DA转换电路主要起转换外界光照强度信号为数字信号作用。
3）光照检测模块框图
4.2 DS1302的控制[5]
DS1302的RST，SCLK和I/O分别与单片机的P2.0，P2.1和P2.2相连。单片机与DS1302进行数据交换时，首先要将RST变为高电位，也就是单片机P2.0必须为逻辑1。在 RST保持为高电位时，SCLK时钟由低电位变为高电位的上升沿时，数据被写入DS1302中，数据从最低位通过IO开始写入。在RST保持高电位，SCLK时钟由高电位变为低电位的下降沿时，从 DS1302读取数据，数据也是从DS1302的最低位通过I/O读取。在本系统中，DS1302控制电路主要起计时、定时作用。
4.3 液晶显示模块
LCD1602芯片的RW引脚为读写信号线引脚，接入高电平时进行读操作，当接入低电平时进行写操作;RS引脚为寄存器选择引脚。当RS引脚接入高电平时选择数据寄存器、而当接入低电平时选择指令寄存器。E引脚为使能端。而D0～D7引脚为一8位双向数据线，同时也是液晶屏幕显示内容的数据输入端。在本系统中，LCD1602芯片主要起显示数据作用。
4.4 报警模块
蜂鸣器。如图6所示，蜂鸣器的P3.7口与PNP型三极管相连接，当P3.7口产生低电平信号时，蜂鸣器即可发出蜂鸣声。在本系统中，蜂鸣器主要起报警作用。
4.5 光照功率调节模块
D/A转换模块。与A/D转换模块相反，D/A转换是将数字信号转换为模拟信号，其原理为当A/D转换模块通过获取光敏电阻采集的光线强度数据后，将该部分数据通过ADC0832的ANIO端口输入，再通过D/A转换模块将该部分数字信号数据转换为模拟数据。在本系统中，D/A转换模块主要起将数字信号转换为模拟信号作用。系统框图如图7：
5 软件设计
6 系统实验结果
6.1 主界面
打开单片机系统开关后，可以看到LCD1602液晶显示屏上分别有以下信息内容：1）当前时间;2）初始光照强度大小阈值;3）当前光照强度大小。切换显示页面后可见闹钟开关以及闹钟设定时间。启动程序时，单片机系统光照检测模块中的ADC0832实时采集外界的光照模拟信号，并将该信号转换。
为数字信号，实时将光照强度大小显示在LCD1602液晶显示屏上。见图9。
6.2 切换显示页面、调节参数
可以通过单片机系统中的独立按键对时间，光照强度阈值大小，闹钟开关，闹钟時间进行设定（KEY1为切换页面，KEY2为选择设定区域，如选择时分秒，光照强度阈值，闹钟时分等，KEY3为增加数值大小，对应的KEY4为减少数值大小）。当闹钟开关设定为关闭时，系统默认为开启状态，即光照功率调节模块为开启状态。
6.3 系统工作
此时LED功率会随着光敏电阻检测到光照强度大小实时做出改变，我们通过LED灯打开数量直观反映，如：我们设定初始光照强度阈值为200，当检测外界光照强度刚好小于200时，我们打开一颗LED灯;当检测外界光照强度刚好小于200的80%时，也就是160时，我们打开两颗LED灯;当检测外界光照强度刚好小于200的60%时，也就是120时，我们打开三颗LED灯;当检测外界光照强度刚好小于200的40%时，也就是80时，我们打开四颗LED灯;当检测外界光照强度刚好小于200的20%时，也就是40时，我们打开全部也就是五颗LED灯。当检测外界光照强度大于200时，我们关闭所有LED灯，此时还有另外的三颗状态LED灯打开状态。
6.4 闹钟使用
当闹钟开关设定为开启，且当前时间未到达闹钟时间时，系统默认为关闭状态，即光照功率调节模块为关闭状态。LED灯功率不随外界光照强度大小做出改变;然而当时间到达闹钟时间时，系统会发出短暂报警，并打开光照功率调节模块。
此时开始，LED灯功率会随外界光照强度大小做出改变，调节规律与闹钟关闭状态下一致，即：此时LED功率会随着光敏电阻检测到光照强度大小实时做出改变，我们通过LED灯打开数量直观反映，如：我们设定初始光照强度阈值为200，当检测外界光照强度刚好小于200时，我们打开一颗LED灯;当检测外界光照强度刚好小于200的80%时，也就是160时，我们打开两颗LED灯;当检测外界光照强度刚好小于200的60%时，也就是120时，我们打开三颗LED灯;当检测外界光照强度刚好小于200的40%时，也就是80时，我们打开四颗LED灯;当检测外界光照强度刚好小于200的20%时，也就是40时，我们打开全部也就是五颗LED灯。当检测外界光照强度大于200时，我们关闭所有LED灯，此时还有另外的三颗状态LED灯打开状态。
7 结束语
本文设计了一款基于STC89C52单片机的智能路灯系统，可以实时监测外界光照强度大小并根据外界光照强度大小实时调节LED灯照明功率，同时具有显示外界光照强度大小，显示时间，设定闹钟定时开启，当光照强度过低报警等功能。且本系统具有实现简单，成本低廉，智能等优点，具有一定的实际使用意义。
参考文献：
[1] 张兵，白雪.智能化分时段节能路灯的开发和设计[J].黑龙江科技信息，2012（31）：21.
[2] 国家能源局发布2013年全社会用电量[J].中国能源，2014，36（1）：24.
[3] 梁小廷.单片机技术的发展及应用研究[J].民营科技，2018（6）：9.
[4] 王彦华，刘希璐.光敏电阻器原理及检测方法[J].装备制造技术，2012（12）：101-102，113.
[5] 曹晖，彭小军.DS1320的C51编程[J].新余高专学报，2001（2）：28-29.
【通联编辑：谢媛媛】