基于单片机路灯节能控制系统设计与制作.pdf
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1、目 录一、设计思路.11.1 设计任务.11.2 设计调研.11.3 设计思路.11.4 设计框图.21.5 采取的技术方案.2二、设计过程与说明.42.1 硬件设计.42.1.1 单片机最小系统.42.1.2 红外线感应电路.52.1.3 光线检测电路.72.1.4 灯光控制电路.82.1.5 硬件问题.92.1.6 实现功能.92.1.7I/O 口分配表.92.2 软件设计.92.2.1 程序流程图.92.2.2 程序代码编写.102.3 软件调试.122.4 硬件调试.12三、设计成果简介.163.1 产品特点.163.1.1 性能特点.163.1.2 技术指标.163.1.3 创新之处
2、.163.2 成果展示.163.2.1 成果展示.163.2.2 PCB 及原理图.183.2.3 程序代码.183.2.4 仿真图.183.3 使用说明.183.4 设计总结.18五、参考文献.20附录一.21附录二.221一、一、设计思路设计思路1.11.1 设计任务设计任务设计一个路灯节能控制系统,功能如下:(1)当处于强光环境时,路灯不亮;(2)当处于弱光环境且检测到有人经过时,路灯亮;(3)当处于弱光环境,路灯亮时,检测到五秒无人经过后,路灯不亮。1.21.2 设计调研设计调研当前,随着经济的飞速发展,能源短缺问题日益突出,成为一个国家经济发展的“瓶颈”。作为工业生产和人民生活不可或
3、缺的电力能源更是如此。尤其现今越来越提倡低碳生活,节约能源已经成为一种全球共识,所以传统的路灯不符合如今所提倡的低碳生活,造成了严重的资源浪费。国外对路灯节能的探索。在电力紧张的背景下,政府出台了一些文件,要求在后半夜,采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的措施,关闭部分光源。这只能作为缓解电力紧张局面的权宜之计。因为,“亮一隔一”或“亮一隔二”不仅减小照度,同时区别于不同的灯杆布置方式,照度均匀度将不同程度、甚至是严重的下降,对交通、行人安全、对维护社会治安产生不利影响。七十年代的世界性能源危机中,日本大藏省曾要求在工厂、办公室和道路上进行间隔点灯的试验,结果导致生产率和办公效率降低以及治安、道路
4、交通事故的大幅上升,不到一年时间就在一片反对声中全部放弃了。显然,这种消极的节电是不可取的。另外,这种方式由于需要在同一路径上敷设两根路灯供电电缆,也增加了建设投资。“在保证照明效果下点着灯节电”,这样的概念才是科学的,合理的,这是发达国家道路照明系统的设计思想之一。我国路灯照明现状。据调查,我国小型城市在夜晚 9 点后,大中城市在午夜 12 点后,道路上几乎空无一人,即便是北京、上海、广州这样的繁华都市,凌晨 2 点以后,道路上也已罕见行人、车辆。从这一时段直至清晨 6 点路灯熄灭,在低交通流量的道路上仍然保持较高照度显然没有必要。城市公共照明在我国照明耗电中占 30%的比例,约 439 亿
5、 kWh,以平均电价 0.65 元/kWh 计算,一年开支 285 亿元。在市政开支极度紧张的今天,国内绝大部分的城市和地区几乎不约而同地采用了日本等国家在七十年代就抛弃了的路灯隔盏关灯的省钱方法,其中的弊病不言而喻不仅导致了路面照度分布不均,给治安及交通安全埋下了隐患,而且不能避免后半夜电网电压的升高对路灯寿命的减损,因此不能称做是真正意义上的节能。当发达国家在讨论什么是“恰到好处的照度水平”的今天,我们这种控制方法就太落后了。九十年代以来,夜景照明建设成为都市市政设施建设的一个重要环节,各地也取得了相应的成绩,但是市政开支普遍紧张与增设夜景照明形成了很大的矛盾以沿海某开放城市为例,大批路灯
6、在安装后迫于财政紧张的压力,支付不起沉重的照明电费开支,又不得不关掉近一半的灯,结果近年新装的部分路灯形同摆设,造成变相浪费。算一笔看不见的帐。我国现有的路灯 70%以上使用的都是高压钠灯,其设计寿命为 24000小时。但是由于我国城市电网技术落后,造成线路的电压波动大大超过国际标准,许多地区2的波动甚至超过额定电压的左右 15%,特别是在后半夜,由于电负荷减少使得电网电压有时接近 245V,致使路灯灯泡的实际使用寿命平均不到一年。现在,可以算这样一笔帐:以沿海开放城市为例,路灯每年需要更换一次灯泡,更换一只灯泡所需费用为 120 元,该市共有两万多只常开的路灯,则每年仅更换路灯灯泡的费用就高
7、达两百多万元人民币,如果采用了智能光源降压一稳压一调光技术,路灯灯泡的使用寿命可延长一倍,仅此一项,一年就可节约开支两百多万元,加上节电 30%,一年可节约七百多万元电费,两项相加就有近千万元之巨。如果 450 万元作为先期投入,半年内所节约的费用即可回收,逐年节约的资金可以重新投入市政建设。基于单片机的路灯的节能控制系统采用采用了智能光源降压一稳压一调光技术,通过智能化技术来控制路灯,因此,我采用单片机作为内核来降低制作成本低,采用红外线传感器方便使用,来设计一种高效节能的路灯节能控制系统。1.31.3 设计思路设计思路路灯节能控制系统主要用到的是节能控制电路,电路能够检测环境中的人体经过,
8、并具有感应的模块。该系统的最基本组成部分应包括:信号采集模数转换电路、单片机控制电路、热释电电路和灯光控制电路等部分。为适应农村和城市等场所对节能要求,设计的节能控制系统采用光敏电阻,采用延时的工作方式;节能系统以单片机为控制核心,选用传感器判断光线强弱,配合外围电路构成路灯节能控制系统。1.41.4 设计框图设计框图从设计的要求来分析该设计须包含如下结构:红外线感应部分、单片机主控部分、灯光控制部分,光线检测四大部分。总体设计框图如图 1.1 所示:单 片机最小系统灯光控制电路红外线感应电路光线检测电路图 1.1 总体设计框图整个系统是在系统软件控制下工作的。设置在监测点上的检测探头将检测到
9、的人体和光线变换成电信号,送出模拟信号,给 AD 采集电路采集。在单片机内,经软件查询、识别判决等环节实时发出控制信号。1.1.5 5 采取的技术方案采取的技术方案3方案一:以一个光敏电阻和人红外线感应电路构成控制电路,围绕 STC15F2K60S2 型号的单片机构建一个路灯控制系统。方案二:以光敏电阻和人红外线感应电路构成控制电路,来围绕 STC89C51 单片机搭建一个路灯控制系统。以节能和节约的想法,选用方案二,主要采取 STC89C51 单片机控制,此单片机价格便宜,可以节约成本;从选用所需完成功能、控制线路设计入手,通过原理图设计、单片机控制、硬件调试、故障检修与排除、程序修改及完善
10、等技术路线和方案,完成本次设计。4二、设计过程与说明2.12.1 硬件设计硬件设计2.1.12.1.1 单片机最小系统单片机最小系统(1)单片机选型单片机是基于单片机路灯节能控制系统的心脏,用来接收人体和亮度信号。在保证路灯节能控制系统的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上,能够不提高成本。缩小体积考虑到性价比,在众多单片机中 51 系列单片机无疑是使用最广泛的。51 系列单片机的优点是价钱便宜,I/O 口多,程序空间大。(2)单片机最小系统构成要使单片机工作起来最基本的电路构成为单片机最小系统如图 2.2 示。图 2.1 STC89C51 单片机图5图 2.2 单片机最小系统单片机最小系统包括单
11、片机、复位电路、时钟电路构成。单片机内部具有一个高增益反相放大器,用于构成振荡器。通常在引脚 XTALl 和 XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器,可以根据情况选择 6MHz、8MHz 或 12MHz 等频率的石英晶体,补偿电容通常选择 20.30pF 左右的瓷片电容。单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。上电复位要求接通电源后,自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下,在单片机运行期间,用按钮开关操作使单片机复位。上电自动复位通过电容 C3 充电来实现。手动按键复位是通过按键将电阻 R2 与 VCC 接通来实现。系统采用 STC 系统列单
12、片机,相比其他系列单片机具有很多优点。一般 STC 单片机资源比其他单片机要多,而且执行速度快;STC 系列单片机使用串口对单片机进行烧写,下载程序较为方便;STC89C51 单片机内部集成了看门狗电路;且具有很强抗干扰能力。系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路,如图 2.3 和图 2.4 所示:图2.3时钟电路图图2.4复位电路图2.1.22.1.2 红外线红外线感应电路感应电路自然界中存在的各种物体,如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线,利用红外传感器可对其进行检测。根据工作原理,红外传感器分为热型和量子型两类,6热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传
13、感器。与量子型相比,响应的红外线波长范围较宽,价格便宜,并可在常温下工作。量子型与热型的特点相反,而且要求冷却条件。系统采用的是热释电红外传感器,人体存在传感器主要采用了红外传感器的原理,它是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、自动照明等场合,及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。其原因为:被测对象自身发射红外线,可不必另设光源;大气对 2-2.61LM、3-51LM、8-1411M 三个被称为“大气窗口”的特定光通量的红外线吸收甚少,可非常容易被检测;中、远红外线不受可见光影响,可不分昼夜进行检测。人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性如下:人体都有恒定的体温
14、,一般在 37 度,所以会发出特定波长 10M 左右的红外线,被动式红外探头就靠探测人体发射的 10M 左右的红外线而进行工作的。人体发射的 10M 左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源采用热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,后续电路经检测处理后就能产生由人体存在的信号。全自动感应:人进入其感应范围则输出低电平,人离开感应范围则自动延时关闭低电平,输出待机时的高电平。两种触发方式:a.不可重复触发方式:即感应输出低电平后,延时时间段一结束,输出将自动从低电平变为高电平;b.可重复触发方式:即感应输出低电平后,在延时时
15、间段内,如果有人体在其感应范围内活动,其输出将一直保持低电平,直到人离开后至延时结束,低电平跳变为高电平(感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段,并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点).具有感应封锁时间:感应模块在每一次感应输出后,待延时时间一结束,可以紧跟着设置一个封锁时间段,在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作,可应用于间隔探测产品;同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。(此时间可设置在零点几秒几十秒钟)。这种探头是以探测人体辐射为目标的,所以热释电元件对波长为 10M 左右的红外辐射非常敏感。
16、为了仅仅对人体的红外辐射敏感,在它的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤光片,使环境的干扰受到明显的抑制作用。人体存在的探测,其传感器包含两个互相串联的热释电元,而且制成的两个电极化方向正好相反,环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用,使其产生释电效应相互抵消,于是探测器无信号输出。一旦有人进入探测区域内,人体红外辐射通过部分镜面聚焦。并被传感器的热释电元接收,但是两片热释电元接收到的热量不同,热释电也不同,不能抵消,经信号处理而输出有人体存在的信号。菲泥尔滤光片根据性能要求不同,具有不同的焦距(感应距离),从而产生不同的监控视场,视场越多,控制越严密。有人进入时,移动人体发出的红外线被红外传感
17、器接收,则人体存在被感应,并输出高电平。若人体进入最不敏感移动方向时,则传感器所体现的信号就会不理想,有时还会产生误动作,所以要特别注意传感器的安装方向。传感器 HP-208 是基于红外线技术的智能产品,它的主要特性如下:a.感应为全自动方式,人进入感应范围时输出高电平(高 3.3V),人离开感应范围则自7动延时关闭高电平,输出低电平(低 0.3V),其高低电平利于采集;b.采用可重复触发方式。即感应输出高电平后,在延时时间段内,如果有人体在其感应范围活动,其输出将一直保持高电平,直到人离开后才延时 8 秒-15 秒后将高电平变为低电平;c.传感器工作电压宽为 DC3V-DC24V;d.传感器
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