路灯节能毕业设计.docx
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路灯节能毕业设计
河南工业职业技术学院
HenanPolytechnicInstitute
毕业设计（论文）
题目＿＿路灯节能系统＿
班级＿＿电子信息0801＿＿＿
姓名＿＿李慧＿＿＿＿＿＿
指导教师＿＿马瑛＿＿＿＿＿＿
摘要
随着我国经济发展迅猛，国民对电能的使用日益提高，与此而来的就是电能的浪费。
目前国内路灯照明光源一般采用高压钠灯、高压汞灯和金属卤化物灯。
常出现开灯早，关灯晚；或者开灯晚，关灯早的现象，不仅造成巨大的电能浪费、影响人们日常生活，还会损害城市形象、影响社会治安和交通安全，从而影响城市的投资环境。
总之，伴着城市规模的不断扩大，现有的路灯管理的方式方法已远远不能满足城市路灯发展与管理的需要，必须依靠现代化的高科技管理手段。
光控路灯开关的发明与使用就显得十分重要。
本设计基于光敏电阻的基本原理，设计了一个基于光控开关的路灯自动控制系统，实现路灯的智能控制。
该系统主要由内光电转换级、运放滞后比较级、驱动级等组成，通过对光控电路的设计、仿真，为最终的实际应用提供参考依据。
并分析了研究过程中出现的问题，逐步找出光控开关的最佳设计方法。
关键词：
光控路灯开关光敏电阻光电转换驱动电路
Abstract
AlongwiththerapiddevelopmentofnationaleconomyinChina,theuseofelectricity，andincreasingthepowerofthewasteis.Atpresentdomesticlamplightingsourceusuallyadoptsthehigh-pressuresodiumlamp,high-pressuremercurylampsandhalogenlamps.Often,thenightlights,Thelightsorlater,theearlier,notonlycausedgreatpowerwaste,affectPeople'sDailylife,alsocandamagetheimageofthecity,theinfluenceofsocialsecurityandtrafficsafety,andthusaffectthecity'sinvestmentenvironment.
Anyhow,withtheexpansionofcitystreet，theexistingmethodsofmanagementcan'tsatisfythedevelopmentandmanagementofurbanstreet,mustrelyonmodernhigh-techmanagement.Electriclampswitchinventionanduseappearsveryimportant.Basedonthebasicprincipleofphotoconductiveresistance,basedonopticalswitchstreetlamps,realizetheautomaticcontrolsystemofintelligentcontrol.Thissystemmainlybyphotoelectricconversion,op-amplagcomparison,driverstage,throughtheelectriccircuitdesignandsimulation,thepracticalapplicationforreference，Theresearchandanalysisoftheproblemsappearedintheprocess,graduallyfindoptimaldesignmethodofopticalswitch.
Keywords:
electriclampswitchphotoconductiveresistancephotoelectricdrivecircuit
绪论
随着中国城市和经济的迅速发展，城市照明交通安全和灯饰美化工程也越来越受到普遍关注，同时为了符合节约型、可持续性发展社会的标准，产生了对路灯、灯饰工程监管改革的需求。
路灯是城市照明工程的主要组成部分，在夜晚，路灯的照明起到非常重要的作用。
目前一般的传统路灯一般采用钠灯、水银灯、金卤灯等灯具，这类灯具有发光效率高、光色好、安装简便等优点被广泛应用，但也存在功率因子低、对电量要求严格、耗电量大等缺点。
我国大部分城市街道都采用“全夜灯”的方式进行照明，这些街道在夜晚人流量和车流量都比较小，即使没有人或车经过，这些路灯也是长期点亮着的，这时电能就被白白浪费掉了。
很多路段真正有效的照明时间只占到整个照明时间的20%－30%。
因此有些地方采用“半夜灯”前半夜全亮后半夜全灭的方式，此方法虽然节约了用电量，却带来许多社会治安和交通安全问题。
LED照明作为一种较新的技术，广泛用于各种照明中。
它具有效率高、使用寿命长等优点。
一个LED路灯，如果要达到和普通的高压钠灯和高压水银灯那样的亮度，大约需要消耗的40W以上功耗，只有传统路灯的25%－40%。
因此该设计应用光控制LED灯的方法来管理路灯照明，这节约了很大的资源。
第一章模拟路灯控制方案
本系统是基于单片机控制的路灯模拟控制系统，以单片机AT89S52为主控制器，利用监测定位对路面交通情况、外界环境亮度及对交通灯的影响和故障等信息进行采集，实现对路灯的智能化节能控制。
该系统以1W高亮度LED灯作为模拟路灯，制作了LED灯恒流驱动电源，电流调节范围在0-1A内。
通过红外式反射光电传感器监测路面交通情况，控制LED路灯亮、灭。
通过光敏三极管对环境变化及路灯故障等信号进行监测，实现了路灯亮、灭控制和路灯故障报警。
LED灯能在规定时间内实现自动减小亮度，并能在规定范围内设定调节。
该系统节能，性价比高，具有应用价值。
系统框图如图1所示，
图1路灯控制框图
路灯智能控制系统由控制中心、各个监测点、路灯驱动三大部分组成。
LED路灯控制系统以AT89S52单片机为控制核心，通过单片机实现对路灯亮度调节、日光监测、路灯开关的控制等。
路灯控制单元系统采用恒流源供电，具有输出功率调整功能，并能定时调整功率。
驱动部分利用单片机产生PWM信号调制恒流源来驱动多路白光LED进行照明（使用多路LED是为了保证照明的亮度）。
通过调节PWM信号的占空比，就可以调整LED的亮度。
同时对LED灯的电流和照明光强度进行监测，并反馈到PWM控制中，这样可以保证照明的亮度。
日光监测利用光敏电阻感应监测模块，利用电桥，可将光线信号转换成电信号，再通过电压比较器与用户设置的参数作比较，经主芯片计算后作出相应的动作，同时单片机启动个各监测点开始监测人流量。
路灯驱动模块的作用是将控制芯片发出的低电压控制信号转换成能控制220V电压的控制信号。
电路要求具有耐高反压的三极管或场效应管组成。
主芯片是以采用AT89S52单片机。
它具有结构简单、控制能力强、可靠性高、体积小、价格低等优点。
因此为了节约成本在满足系统需要的前提下完成数据的计算和各个模块之间统一有效的分时操作而采用这种芯片，它可以用5V直流供电系统能有效地减少电路的损耗，同时这种芯片性能稳定工作频率在0—33MHZ之间可以有效地减小好各种外界干扰的影响。
1.1任务
设计并制作一套模拟路灯控制系统，路灯布置如图1-1所示，它能完成整个路段人流量、车流量的监测并实时的将数据传回到主控芯片便于主控芯片对路灯管理控制。
图1-1路灯布置示意图
1.2要求
1.2.1基本要求
（1）电路根据如图所示在路灯下面设置一些监测装置来监测路上的行人、车辆等。
（2）主控制芯片应能根据环境明暗变化，自动开灯或关灯。
（3）主控制芯片应能根据交通情况自动调节亮灯状态：
当可移动物体M（在物体前端标出定位点，由定位点确定物体位置）由左至右到达监测点一时，灯A亮，同时判断物体到达第二测试点的时间。
当人流较多时通过两点的时间就比较小。
单片机输出的PWM脉冲的周期相对变短，灯管的亮度增加。
相反人流量小时单片机输出的PWM脉冲周期较长灯管的亮度减小。
1.3说明
1、光源以1W的白色LED灯为主，它亮度强，使用寿命长、损耗小、发热量低、能较长时间工作而不烧坏硬件设备。
2、自制电源为整个电路提供电能。
3．自制的LED驱动电源输出端需留有电流、电压测量点。
4．系统中不得采用接触式传感器,因此电路采用光敏电阻，光敏二极管等非接触器件。
5．基本要求（3），需测定可移动物体M定位点与过“亮灯状态变换点”（A、B等点）垂线间的距离，要求该距离≤20cm。
1.4方案论证与比较
1.4.1控制芯片方案选择
方案一:
采用89C51芯片作为硬件核心，采用FlashROM，内部具有4KBROM存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术,当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。
方案二:
采用AT89S52,片内ROM全都采用FlashROM；能以3V的超底压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KBROM存储空间，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。
所以选择采用AT89S52作为主控制系统.
1.4.2监测系统方案选择
方案一：
选用金属传感器，该传感器精度高，反应灵敏，但是金属传感器价格较高在高温或湿气较大的地方容易发生氧化不方便实用。
方案二：
选用红外发光二极管和光敏二极管，在很多非接触监测电路中经常用到。
该传感器反应灵敏且价格便宜考虑到系统监测电路和性价比并且它的外围监测电路简单，我们选择方案二。
方案三：
选用超声波传感器
超声波是利用在物质中传播、反射和衰减等物理性质来发现缺陷的一种无损监测方法，应用较为广泛。
适用于大多数缺陷的监测，但检出容易，定量难。
不易发现细小裂纹。
工作频率较高因此不适合本电路的工作频率并且芯片价格而比较昂贵因此本设计不采用超声波传感器。
第二章硬件设计方案
2.1主控芯片
AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
2.1.1AT89S52的特点
特点：
40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器；
128bytes的随机存取数据存储器（RAM）；32个外部双向输入/输出（I/O）口；5个中断优先级2层中断嵌套中断；2个16位可编程定时计数器；
2个全双工串行通信口，看门狗电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89S52设计和配置振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
2.1.2管脚说明
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平，可用作输入口，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉电阻的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口驱动4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚内部上拉电阻被拉高，且作为输入口。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉电阻的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入口。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（TTL）这是由于上拉电阻的缘故。
P3.0RXD（串行输入口）、P3.1TXD（串行输出口）、P3.2/INT0（外部中断0）、P3.3/INT1（外部中断1）、P3.4T0（计时器0外部输入）、P3.5T1（计时器1外部输入）、P3.6/WR（外部数据存储器写选通）、P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。
读端口实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。
只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。
RST：
复位。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期以上的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低八位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外输出脉冲或用于定时。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
程序存储器允许输出控制端。
在由外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）不管是否有内部程序存储器，注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
2.1.3芯片特点
（1）内部含Flash存储器。
在系统开发的过程中可以十分容易的进行程序的修改，大大的提高了编程人员的工作量，缩短了系统开发周期。
同时，在系统工作过程中，能有效地保持一些数据信息。
即使外界电源损坏的情况下也不影响信息的保存。
（2）和80C51插座兼容。
89系列单片机的引脚与80C51单片机的引脚顺序是一样的，所以，当需要用89系列的单片机代替80C51时，只需要见封装相同就可以进行代换。
（3）静态时钟方式。
89系列的单片机采用静态时钟方式，可以有效的节约电能，这对于降低产品的功耗节约成本十分有利。
（4）可进行反复的系统实验。
用89系列单片机设计的系统，可以反复进行试验，每次试验可以输入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优状态，而且根据用户的不同需要进行修改，从而使系统能不断满足用户的最新需要。
图2-1-3单片机及外围电路原理图
2.2电源模块
AT89S52的工作电压4.0V-5.5V，电源电路采用线性稳压电源，电源电路如图2-2所示。
交流电源由变压器T1将220V的交流电压转换成10V左右的低压交流电，VD1、VD2、VD3、VD4整流后转换成12V的脉动直流电压。
由于此脉动的直流电压含有较大的交流分量，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压所以在电路中加了C1、滤出交流分量。
通过三端稳压管L7805稳压，输出+5V的直流电压。
L7805是一种三端稳压集成模块，它有三个端即输入端、公共端、输出端。
它内部有调整管、基准电压源、取样电路、比较放大器、过流保护、芯片过热保护及调整管安全工作区保护电路组成。
三端集成稳压电源具有使用方便、安全可靠、性能稳定、价格低廉等优点是一种较为理想的低电压供电模型。
L7805是一种输出电流为1.5A的低电流稳压模块，能有效的为整个电路提供稳定的工作电压，因此在本设计过程中充分的考虑到节能的设计理念运用以7800系列的稳压模块为电路提供能量。
图2-2电源设计
2.3光控系统
光控系统由光敏电阻和电压比较器LM393组成，光敏电阻器（photovaristor）又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随着入射光线的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻器一般用于光的监量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
电压比较器LM393用来比较两个电压的大小（用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系）：
当”＋”输入端电压高于“－”输入端时，电压比较器输出为高电平；当”＋”输入端电压低于“－”输入端时，电压比较器输出为低电平。
电压比较器的作用：
它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。
利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。
运算放大器是通过反馈回路和输入回路来确定“运算参数”，比如放大倍数，反馈量可以是输出的电流或电压一部分或全部。
而电压比较器则不需要反馈，直接比较两个输入端的量，如果同相输入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。
电压比较器输入是线性量，而输出是开关（高低电平）量。
一般应用中，有时也可以用线性运算放大器，在不加负反馈的情况下，构成电压比较器来使用。
可用作电压比较器的芯片包含所有的运算放大器。
常见的有LM324、LM358、uA741、TL081\2\3\4、OP07、OP27，这些都可以做成电压比较器（不加负反馈）。
LM339、LM393是专业的电压比较器，切换速度快，延迟时间小，可用在专门的电压比较场合，其实它们也是一种运算放大器。
图2-3-1LM393引脚功能图
光敏电阻分得的电压经电压比较器与用户设置的参数进行比较，做出相应的动作，返回到主控制系统中，再由主控制器进行运算、处理，从而实现智能光控。
其工作原理：
当光照下降时由于光敏电阻阻值上升，电压比较器反向输入端电压升高，到设定的值时LM393的输出由低电平转变为高电平。
这个高电平经P1.7口送到单片机内部与程序设定的初值比较，判断是否打开人流监测电路，如果检测到的只达到启动人流量的电平值那么点将启动个个监测点判断是否有人通过，否则说明路上的光照依然很强烈不需要启动路灯照明。
从而达到节能的目的。
图2-3-2光控系统原理图
2.4红外线监测模块
判断交通状况使用红外反发射探头和接收探头组成的监测电路.当发射管的红外信号经反射被接收管接收后,接收管的电阻会发生变化,在电路上一般以电压的变化形式体现出来,而接受探头的一端单片机控制端口相连将监测到的新电平送到单片机对应的控制引脚，单片机根据监测到的不同时间的信号输出合适的PWM脉冲对路灯的亮度进行控制。
在电路中设置了各个监测点对人流量及人流的方向进行监测当人流量较大的时候，通过两个监测点的时间就比较的短单片机将这一监测信号进行计算来判断物体移动的速度
图2-4-1红外监测模块原理图
个个监测点的电平值如图所示，根据次真值表不仅可以看出物体移动的方向。
如果只有监测点一监测到了物体，监测点而没有监测到物体侧说明物体已经返回或停止在了两个监测点的中间所以在设计中增加了延时电路无论物体是否通过监测点二路灯都将延时一段时间确保人能够通过。
方向
监测点一
监测点二
监测点三
监测点四
从左向右
1
1
0
0
从右向左
0
0
1
1
表2-4红外监测开关真值表
2.4路灯控制模块
路灯控制模块采用以8550为中心的控制模块通过改变加到基极PWM脉冲的频率从而改变继电器的通断频率从而改变灯管的明暗。
8550的集电极与继电器的一端相连存在较高的反向电压所以再集电极加一个具有高反压的二极管这样可以保证三极管能够正常的的工作。
8550是一种低电压,大电流,小信号的PNP型硅三极管主要应用于开关电路就有较好的开关灵敏度。
2.5程序流程框图
2.6整体电路图的设计
2.7PCB原理图
第三章系统调试
3.1软件调试
本设计采用的是C语言的编程方式，根据设计要求编写程序，并在KeiluVision2软件中进行程序编写的调试，确定编写上没有错误后，利用ISIS7Professional配合所设计的硬件电路进行系统的调试。
C语言编写的程序有许多优越性：
（1）不懂得单片机的指令集，也能够编写单片机程序；
（2）无须懂得单片机的具体硬件，也能够编出符合硬件实际的专业水平的程序；（3）C语言对数据进行了许多专业处理，避免了运行中间异步的破坏等。
3.2硬件及总体电路调试
根据原理图及PCB图制成电路板，焊接完成后，把程序烧写到AT89S52中，把芯片插到电路中，接入5V电源。
模拟设计一个监测系统，测试电路是否能正常工作。
首先测试光控模块，在室内利用灯泡的打开和断开模拟日光的明暗测试光控模块是否正常。
如果光控模块能正常工作再测试人流量监测模块是否能正常工作利用任何不透明的物体通过监测点观察模拟路灯是否能改变发光亮度。
通过测试电路的光控监测部分能正常工作，人流监测部分由于发光管的驱动电流较小，发出的信号较弱，接收管没能及时的接受到监测信号，因此减小与发光二极管串联电阻的阻值增大电流使信号增强。
3.3系统改进方案
在本设计中首先存在不足的是断电保护，为了在断电的情况下系统也能够正常工作，在电源供电方面进行改进：
用一组备用电池与电源并联，通过继电器连接。
继电器有“常开、常闭”触点，继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
本设计中让继电器的常闭触电与路灯电源引脚相连接，另一端与备用电池相连接，当正常通电情况下，继电器常开触点闭合，使备用电池断开，系统由电源供电，当电源断电，继电器常闭触点闭合，系统由备用电池供电，这样系统就可以在电源断电的情况下也能正常工作。
其次是在阴雨天气，路面亮度不够，此时可以通过光感受模块来控制路灯的亮暗。
该模块由光敏二极管为核心元
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