路灯监控系统的设计与实现.docx

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路灯监控系统的设计与实现

本科毕业设计

（2014届）

题目

城市路灯监控系统的设计与实现

学院

电子信息学院

专业

电子信息工程

班级

10041813

学号

10041321

学生姓名

秦浩

指导教师

陈龙

完成日期

2014年6月

诚信承诺

我谨在此承诺：

本人所写的毕业论文《城市路灯监控系统的设计与实现》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。

承诺人（签名）：

年月日

摘要

随着社会经济的不断发展，城市路灯，作为城市建设的标志性之一，其改革创新层出不穷。

大众所追求的不仅仅是单一的照亮环境，赶走黑暗这一基本目标，在提倡绿色消耗，低碳消耗的当今社会，如何保证在满足路灯使命的前提下尽量减低功耗又是每一个路灯设计者不可回避的问题。

本文主要介绍模拟城市路灯监控系统的各部分工作原理，包括硬件部分以及软件部分，讲述各部分主控芯片及外围器件的工作过程及原理，讲述系统最终的调试与实现。

以光敏电阻、光电开光联合组成传感器感应部分，以89C52单片机作为控制部分，大功率LED灯作为路灯，SN3350作为LED灯的驱动装置，1602液晶显示屏作为显示装置。

传感器控制路灯的开启与关闭；对路灯事先进行编号，系统能及时将损坏路灯的信息反馈到控制器，并显示；本模拟设计有暗到亮共5个等级可调，调控原理采用PWM调节LED的驱动器SN3350。

系统经过最终调试，基本达到了预期要求，实现了自动传感感应、亮度5级可调、故障自动报警检测等目标。

关键词：

路灯监控；光电传感；功率调节；故障检测；LED驱动

Abstract

WiththecontinuousdeVelopmentofsocialeconomy,urbanstreetlamp,asoneoftheiconiccityconstruction,reformsandinnoVatesallthetime.People'spursuitisnotjustthatthelampcanlightuptheenVironmentandgetridofthedark.Intoday'ssociety,greenconsumptionandlowcarbonconsumptionareadVocatedandhowtomakesureto reduceconsumptionasfaraspossibleonthepremiseofstreetlamp’smissionisanunaVoidableproblemforeVerystreetlampdesigner.

Thispapermainlyintroducestheworkingprincipleofeachpart,includingthehardwarepartandsoftwarepart,illustratestheworkingprocessandprincipleof themainchipand peripheraldeVice,illustratesthefinalassemblyandimplementationofthesystem.Twokindsofsensors,photosensitiVeresistanceandphotoelectricmedallionastheinductionpart,89c52MCUasthecontrolpart,highpowerLEDlightsasthestreetlamp,SN3350astheLEDdriVedeVice,1602LCDscreenasthedisplaydeVice.StreetlampsarenumberedinadVance.Inordertomaintenancetimely,whenonestreetlampdamaged,themonitoringsystemcanfeedbacktothecontrollertimelyandthelampnumberisdisplayedontheLCDscreen.When thestreetlampsworknormally,wecanADJustthebrightnessofthelamp accordingtotheactualneed.Fromdarktolight,thissimulationdesignhasatotalof5ADJustableleVel.ThemethodisusingPWMtocontrolLEDdriVeSN3350.

Aftercommissioning,thesystemreachedtheanticipatedgoaleVentuallyandachieVedthegoalofautomaticinduction，5leVelADJustablebrightnessandautomaticalarmdetection.

Keywords:

Streetlampmonitoring；Photoelectricsensor；Powerregulation；

Detectfault；TheLEDdriVer

1引言

1.1城市路灯监控系统的国内外发展及现状

城市路灯照明系统，作为城市公共设施，其建设与发展程度对人民生活质量和道路交通安全起着举足轻重的作用，随着科学技术的不断进步和智能化、网络化水平的不断提高，城市路灯照明系统也得到了前所未有的改善。

从新中国建设至今，电能的普及给国家社会，企业个人的发展带来了前所未有的机遇，提供了有力的动力支撑。

于此同时，在全民积极投身共产主义建设的步伐节奏下，公共设施的建造与改善成为了新时期的重头戏。

而城市路灯，作为城市的夜明珠，其建设步伐对整个城市的影响起着至关重要的作用。

经济的发展，生活水平的提高使市民不仅仅满足于路灯能驱赶黑暗，照亮夜间这一基本的使命，更希望路灯能给人们带来视觉上的享受，心理上的满足。

谈到路灯建设，我们不可回避的想到能源的问题，特别是进入21世纪以来，环境的破坏，资源的匮乏使新时期的人们更加意识的了生存环境带来的紧迫感。

鉴于此，我们更希望在满足人们基本需要的前提下尽可能的降低能源的损耗。

在路灯系统的建设初期，主要依靠人工来实现对路灯的控制，包括路灯的开启与关闭，路灯的巡检等。

这就带来的一些列的问题，人力资源的浪费，路灯开启关闭时间的准确性问题，损坏路灯的及时检修问题等都是一些列的考验。

后来随着控制技术和传感技术的不断进步与发展，光电转换的传感器运用到了路灯控制系统，解决了人工开启关闭路灯的繁琐步骤，但是损坏路灯的及时检测仍然是摆在面前的一大问题。

再后来，智能化与自动化水平进一步提高，无线技术得到了空前的发展并逐渐运用在了路灯控制系统上。

我国目前最新研究的路灯综合监控系统包括监控中心服务器、多个节点控制器、集中控制器和高效智能高压钠灯；本实用新型结构设计巧妙，能通过无线网络来远程化实时对城市路灯进行综合监控，工作人员无需到现场便可得知路灯工作情况，为管理提供方便，提高路灯日常管理的工作效率，有效地降低城市建设与维护成本，提高城市公共设施质量。

另外，通过控制中心能够对路灯的电流电压等各种参数进行即时管理，保证电力终端电能质量，提高节能减排效率，采用无线监控技术及高效节能技术，大幅度地降低城市公共事业维护开支。

经过检验检测表明，可在改造前能耗基准之上实现节能40％-65％的目标。

1.2本课题的主要研究内容

本次课题设计主要是以单片机作为控制中心加以必备的检测、驱动电路来模拟路灯的监控系统，考虑到具体的实际设计情况，本课题将主要对以下内容进行试验设计研究：

科技的不断进步创新使得新兴LED灯不但具有亮度高，寿命长的优势，更具有效率高，节能好的亮点。

本设计正是以此为契机，结合传感技术、控制技术、检测技术等，设计模拟城市路灯监控系统。

控制核心采用了我们熟悉的89C52单片机，传感部分是由光敏电阻和光电开关联合组成，另外，本系统还设计具有LED驱动、PWM自动调光、故障自动检测报警等装置。

最终通过系统的组装调试，基本实现了城市路灯监控系统的模拟，实现了路灯的智能化控制。

该系统设计由单片机控制、传感器感应、恒流源输出、检测控制显示和路灯亮度调节等5大模块构成。

其中，控制器选用l片89C52单片机担任中心控制器，其外围电路比较简单，作为我们熟知的单片机，它可靠性能高，抵抗外界干扰的能力比较强，并且价格相对比较便宜，长期工作能耗低，非常适用于本系统的控制。

采用光敏电阻，光电开关联合作为传感器感应模块的重要传感元件。

在每个路灯位置处分别放置光敏电阻和光电开关装置，事先可以设定传感亮度的感应程度（也就是外界环境黑暗到如何程度才会使路灯开启），当外界环境有亮转暗，且有物体经过这些点时，光电开关发射的光被物体遮挡，其输出引脚发生电平转换，经传感处理电路处理分析后，送到单片机，单片机会对这两组信号进行联合分析判断，进而控制路灯开启或关闭。

LED的驱动电路主要应用了目前市场上比较流行的主控芯片SN3350，它外围设计电路比较简单，具有恒流的特性，效率高，驱动能力强，能较好的满足本系统设计要求。

恒流源芯片SN3350的3引脚为PWM输入端，这是设计好本系统的一个利用关键点，我们可以通过单片机输出不同占空比的PWM波，从而控制SN3350的输出电流，进而控制路灯的输出功率。

当物体离开路灯，根据具体环境情况可以设置路灯持续点亮的时间，如果这一阶段没有物体再次经过，路灯最终将熄灭，达到节能的目的。

自动检测故障报警装置可用于及时发现出现问题的路灯，并在液晶屏上显示出路灯的编号，以便于工作人员及时整改维修。

1.3本课题的研究目的与意义

路灯监控系统长久以来得到了许多研发设计者的不断改良，现阶段日趋成熟。

本次课题的研究主要是考虑到LED灯作为新型节能灯具，有望在路灯系统中得以广泛普及。

鉴于此，设计以SN3350作为LED灯驱动芯片，以89C52单片机作为控制中心来模拟一组路灯系统的工作状况，使得路灯在兼顾智能化的同时更加兼顾节能化。

虽然相对于现在普及的高压钠灯等路灯来说，LED灯还具有许多不足，但随着LED研发的不断进展与创新，其在路灯领域的应用将得到大的发展。

目前，新型LED灯具高效节能、环保、长寿命、安全、不伤眼、应用灵活、无蚊虫烦恼、开光自如、电压波动影响小、没有电磁干扰等诸多优势，因此，研究以此为背景的路灯监控系统是一个非常有意义的课题。

2路灯监控系统的整体设计

本文主要介绍模拟路灯监控系统的系统组成以及各部分工作原理，系统以89C52单片机为控制中心，以光敏电阻和光电开关为传感感应器件，配以低功耗高亮度LED灯珠以及输出可控PWM恒流源的SN3350组成。

传感信号信号的采集处理以及故障信号的采集处理主要运用了电压比较器，例如LM339在本系统中有所运用。

为了使读者更清晰的了解整个系统的工作情况，现将系统的整体设计流程以及最终实现的任务目标做进一步详细的描述。

2.1路灯监控系统的设计流程

在整个系统的设计过程中，为了有更明确的设计思路与目标，首先要有一张大概完整的流程设计图，如图2-1所示；然后根据流程图的流向分步骤进行整合设计。

考虑到实际路灯的工作情况以及最终要完成的设计目标，现将各部分工作原理进行简单描述，以此建立一个完整的系统概念。

具体各部分的工作情况将在文章第3部分做最详细的描述。

图2-1系统整体框图

光敏电阻和光电开关联合组成整个系统的传感器感应部分。

当外界环境变暗，光敏电阻光电转换，阻值变大，经信号处理电路采集处理后传送到单片机。

光电开关目的在于采集通过路灯的物体这一信号，当有物体经过路灯时，光电开关打开，经信号处理电路传送到单片机。

到外界环境黑暗达到一定程度时，单片机接收到开启路灯的信息，如果与此同时物体经过路灯，路灯将被控制点亮。

具体外界环境达到如何黑暗程度才能点亮路灯，这一信息可以通过传感部分进行调节。

正如前面所讲，本设计想在长时间没有物体经过路灯时使部分路灯熄灭以达到节能的目的，这一目标的实现也在传感部分实现，且这一具体的时间也可以根据具体情况进行调节。

恒流源输出部分采用SN3350作为主控芯片，本芯片有一大亮点就是可以通过输入不同占空比的PWM波来调节其输出电流。

鉴于此，通过单片机设定输出不同占空比的PWM波即可以方便的控制路灯的亮度，进而根据具体情况实现路灯功率的调节。

亮度调节部分采用外部中断，通过+、-两个按键对LED路灯进行照明亮度的调节，设有由暗到亮5个亮度等级可调。

故障检测是在路灯正常照明状况下突然出现某一LED路灯损坏时，经故障信号处理电路采集这一信号并进行简单处理后送到单片机，使单片机及时输出路灯损坏的编号。

本设计模拟三组路灯工作照明，每组路灯有三盏LED灯组成。

查阅资料可知，高功率LED灯在损坏时内部处于短路状态，为此，实验时在LED灯旁加三组按键模拟路灯损坏短路。

LCD液晶显示用于显示损坏路灯的编码，以便及时对路灯进行维修，在路灯正常工作状态下用于显示此时路灯的亮度等级。

2.2路灯监控系统的目标任务

对于一个正常工作的路灯系统来讲，首先必须保证的是在有感应信号时及时点亮路灯，如果这一基本任务完成不了，后面的设计将无任何意义。

然后才能考虑路灯功率的调节，损坏路灯的自动检测，这使得路灯监控系统更加智能化和实用化。

综合这些，本次模拟路灯监控系统需要实现的目标任务可概括为以下几点：

（1）在天色变暗且有物体通过时，路灯自动开启且延续5秒高亮，直到再次物体通过，系统重新执行此过程，否则路灯熄灭；

（2）路灯持续点亮的时间可调，驱动LED灯点亮的环境黑暗程度可调；

（3）系统可以自动检测损坏的LED路灯，并且按照之前路灯编号即刻显示在LCD液晶屏上；

（4）系统在正常工作状态下显示路灯的亮度等级，以便观察调节；

（5）可以根据具体环境要求通过按键调节LED灯珠的最大功率，实现亮度有暗到亮5级可调；

（6）LED灯采用高亮节能的照明灯，整个系统采用5V、9V两路供电。

通过上面的介绍，可以对整个系统的框图及工作过程有了大体上的了解，对最终实现的目标任务也有了明确的认识，接下来就要对整个系统的各个部分进行详细的讲述，这一部分是电路设计的核心所在，也是接下来系统制作与组装的原理支持。

对下一部分的讲述，将从硬件和软件两部分分别展开叙述。

3系统硬件电路设计

本设计模拟城市路灯监控系统，虽然是在相对稳定的环境下进行一系列路灯状况的模拟试验，但实际应用操作中必须要考虑到路灯这一角色的特点。

路灯必须长期处于外界环境的时刻变化之中，经受诸多的环境改变的考验，诸如温度，湿度，电压波动等。

这就要求路灯设计者必须考虑到建立起良好的路灯监控系统的硬件支持。

本设计模拟路灯监控系统，为叙述条理便捷，将分模块进行讲述。

根据实际设计电路，将该路灯监控系统分为传感器部分、功率调节部分、输出显示部分、控制部分、故障检测部分和驱动部分六大部分，下面将分别对每一部分电路原理及所用核心器件进行讲述。

3.1单片机最小系统设计

本设计的控制部分采用89C52单片机，它是整个系统条例有序工作的核心所在，所有的外围设施都是在其周围所搭建。

在本设计中，单片机不仅要对处理后传感器信号进行进一步分析处理，外部功率的调节，故障信号的处理，LCD液晶的显示，PWM波的生成都需要单片机有条不紊的工作。

因此，控制部分的电路必须稳定可靠。

89C52单片机是我们非常熟悉的且应用非常广泛的一种单片机，是一种高性能、低功耗的CMOS8位微控制器，具有8K的可编程Flash存储器。

89C52单片机最小系统如图3-6所示。

一个简单的单片机最小系统需要由供电电源、振荡电路和复位电路所组成，供电电源采用5V直流电源供电，本设计中应用了典型的7805芯片产生5V电压，这一部分电路相对比较简单且不属于本设计必须内容，所以在此不在详细叙述。

振荡电路是在在单片机的内部有一个高增益反向放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成一个稳定的自激振荡器。

电路中的电容一般取30PF左右，在本系统中使用的12MHz。

系统的复位电路设计为简单的上电自动复位形式，在刚给单片机上电后，由于电容两端电压不能跳变，单片机复位端为高电平，之后电容开始通过10K电阻充电，复位端逐渐变为低电平。

图3-189C52单片机最小系统

3.2传感器电路设计

正如前面所讲，本系统采用光敏电阻和光电开关两种传感器联合组成电路的传感部分。

光敏电阻负责采集外界环境的亮度变化，本系统采用的光敏电阻为国产5506型号，其亮电阻为2-5K欧姆，暗电阻0.2M欧姆左右，可以在-30～70摄氏度外界环境下工作。

实验过程中将其与100K滑动变阻器串联成分压电路。

其工作原理如图3-1所示。

电路中，LM339作为电压比较器，它的输出端是集电极开路，发射极直接接地的，因此在其输出端接上10K电阻上拉到5V电源以保证其正常工作，其供电电压为5V，负输入端输入两个电阻的分压电压值：

5V×（160/207）=3.86V；正输入端为光敏电阻和滑动变阻器的分压电压值，当外界环境变暗，光敏电阻阻值变大，其分压增加，当光敏电阻分压超过3.86V时，电压比较器输出电压由接近0V转变为近似5V；对后续电路来讲，即由低电平变为高电平，此即完成了光敏电阻的传感转换，调节滑动变阻器的阻值，可以轻松的改变此转换电路对外界环境亮暗感应的灵敏度。

图3-2光敏电阻传感原理图

光电开关采用漫反射PNP常闭型光电开关E3F-DS30C2，其工作温度为-30～65摄氏度，系统设计时为其5V供电，当有物体经过其时，观点开关导通，输出5V电压，平时没有物体经过时，处于常闭状态，输出0V。

光电开关作为传感部分的原理如图3-2所示。

为了使得后续电路得到稳定的高低电平的变化信号，光电转换部分同样运用了电压比较器。

LM339负输入端输入10K固定电阻和10K滑动变阻器的串联分压，分压值0到2.5V可调。

同向输入端为光电转换的信号输入端，在此输入端之前加入了RC放电延时电路，其作用是为了在物体经过光电开关后能使路灯持续点亮一段时间，时间常数为r×c=11秒，二极管D1起着单向导电的作用，防止放电电流回流到光电开关内。

当RC放电电路的电压高于负输入端的电压时，电压比较器即输出高电平，平时处于低电平状态。

调节滑动变阻器，即调节负输入端比较电压，既可以方便的改变持续点亮路灯的时间。

图3-3光电开关传感原理图

3.3功率调节电路设计

本设计LED灯亮度有暗到亮共5级可调，调节部分采用“+、-”两个按键分别作为调亮和调暗按钮，控制方式采用外部中断。

由于所采用的52单片机只有两个外部中断，而接下来所要讲述的故障检测部分也需要运用外部中断，考虑到中断源有限，本设计采用了硬件申请软件查询的方式来扩展了部分中断源。

功率调节电路如图3-3所示。

74LS21为两路四输入与门，功率调节部分由于只需要两路输入，因此A3、A4悬空状态，A1、A2分别连接功率调节按键，当“up”或“down”按键被按下时，A1或A2被拉低，与门输出由高电平转变为低电平，这一电平转换信号接到单片机的外部中断0接口P3.2，产生外部中断，同时，由于“up”按键接到P1.3，“down”按键接到P1.4，这样再由中断服务程序内查询是调亮还是调暗。

本设计采用四输入与门而没有采用二输入与门是考虑到接下来的故障检测部分仍然需要此四输入与门芯片。

图3-4功率调节原理图

3.4故障检测电路设计

故障检测部分是本设计的一个重点环节，也是一个难点环节，因为这一部分需要考虑的问题特别繁多。

首先要想路灯高效高质工作，就必须保证路灯在损坏状况下及时进行自动报警以便维修，而现阶段很多路灯系统并没有做到如此。

唯有及时准确的反馈回故障信息才可能使得路灯系统更加完美。

而另一方面，路灯检测困难重重，因为我们事先不能确定到底是什么原因使得一盏路灯不正常工作了。

可能是灯泡损坏，可能是线路损坏，可能是电源问题，可能是驱动控制部分问题，而对不同问题的检测往往要采用不同的形式。

如果对于每一种形式都要设定一定的检测电路来监控路灯的工作状态，其成本损耗和正常的功率消耗又不得不是一个必须要考虑的问题。

在本故障检测部分，将分为故障信号采集和故障信号处理两方面进行说明。

3.4.1故障信号采集

本设计模拟以LED灯作为路灯的监控系统，所以不可能将整个系统长期置身于外界环境中观察其工作状态，另一方面，相对于持续工作的LED灯，线路、电源或系统的损坏几率要低得多，在查阅一定资料分析后发现，高功率LED灯在持续工作时是有烧坏的可能的，而且其损坏后内部处于短路状态。

这也是我们平时很容易见到的现象，例如串联在一起的LED灯有几盏损坏，而其他仍然明亮，这是损坏的灯内部短路了，而并非断路，否则所有的灯将都会熄灭。

综合上面的分析，本设计模拟3组路灯，且每组路灯有3盏LED灯组成，模拟电路图如图3-7所示。

路灯损坏假设是损坏概率比较大的LED灯出故障，为了检测故障时可否及时将损坏路灯的编码反馈到显示屏，实验时在每组路灯的一盏LED灯旁并联了一个开关按键用以模拟路灯损坏，内部短路。

图3-7模拟三组路灯工作图

LED驱动电路恒流输出点亮三组LED路灯，恒流输出部分将在驱动部分进行说明，电路图中三组两个20K电阻串联用于采集正常工作时每组LED灯到地的电压值，这一电压值非常有意义，它是能否准确断定有没有LED灯损坏的重要参数。

输出的三个电压值通过端口ABC送到后续检测信号处理电路。

驱动电路采用9V电压供电，通过实验发现，每组LED路灯正常工作时，其到地的电压为8V左右，而当有一盏LED灯短路损坏后，这一电压降降到6V左右，而其他正常工作的路灯电压仍为8V左右，这个电压变动即为采集到的故障信号。

由于是两个20K电阻串联分压，所以一旦有一盏灯出现故障，输出采集信号电压将有4V变为3V左右。

接下来的任务就是对每一组灯的故障信号进行处理，然后根据路灯编号将信息输出到显示屏。

3.4.2故障信号处理

如何将采集到的信号变动准确无误的进行处理并传送到控制器是故障信号处理部分的所要说明的重点内容。

正如前面所叙述，当有一盏LED灯出现故障时，采集电压值将有4V变到3V左右，对于这个电压变动，想要以准确的数字信号的形式传送到后续单片机进行处理，电路设计时继续采用了前面所用的电压比较器，只是负输入端的比较电压设置在这两个电压值之间。

对于如何准确辨析出具体是哪一盏路灯出现故障，设计时仍然采用了硬件申请中断软件查询的方式。

具体电路原理图如图3-8所示。

在本设计电路中，电压比较器仍然选用LM339，正如前面所述，LM339输出为集电极开路，发射极接地，所以仍然需要在其输出端分别接10K电阻上拉到5V电源，三个比较器的负输入端口接有分压电阻分压值，其电压值为5V×（47/67）=3.5V。

这样，在系统正常工作时，由于A、B、C电压都为4V左右，所以三个比较器的输出都为高电平，当有某盏LED灯损坏，例如A，其电压降为3V左右，则电压比较器发生电平转换，变为低电平。

后续电路74LS21为四输入与门，B2、B3、B4分别接到电压比较器的输出端口，B1通过按键RE连接到地。

按键RE的作用是模拟人机信