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基于单片机路灯节能控制系统设计与制作.pdf
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基于单片机路灯节能控制系统设计与制作.pdf
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目 录
一、设计思路................................................................................................................1
1.1 设计任务..........................................................................................................1
1.2 设计调研..........................................................................................................1
1.3 设计思路..........................................................................................................1
1.4 设计框图..........................................................................................................2
1.5 采取的技术方案..............................................................................................2
二、设计过程与说明....................................................................................................4
2.1 硬件设计..........................................................................................................4
2.1.1 单片机最小系统.....................................................................................4
2.1.2 红外线感应电路.....................................................................................5
2.1.3 光线检测电路.........................................................................................7
2.1.4 灯光控制电路.........................................................................................8
2.1.5 硬件问题.................................................................................................9
2.1.6 实现功能.................................................................................................9
2.1.7I/O 口分配表...........................................................................................9
2.2 软件设计..........................................................................................................9
2.2.1 程序流程图..............................................................................................9
2.2.2 程序代码编写........................................................................................10
2.3 软件调试........................................................................................................12
2.4 硬件调试........................................................................................................12
三、设计成果简介......................................................................................................16
3.1 产品特点........................................................................................................16
3.1.1 性能特点................................................................................................16
3.1.2 技术指标................................................................................................16
3.1.3 创新之处................................................................................................16
3.2 成果展示........................................................................................................16
3.2.1 成果展示....................................................................................................16
3.2.2 PCB 及原理图............................................................................................18
3.2.3 程序代码....................................................................................................18
3.2.4 仿真图........................................................................................................18
3.3 使用说明........................................................................................................18
3.4 设计总结........................................................................................................18
五、参考文献..............................................................................................................20
附录一..........................................................................................................................21
附录二..........................................................................................................................22
1
一、设计思路
1.1 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。
1.2 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 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。
1.3 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,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。
1.4 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。
1.5 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、程序修改及完善等技术路线和方案,完成本次设计。
4
二、设计过程与说明
2.1 硬件设计
2.1.1 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
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