智能路灯控制系统

刘轲 

 西南师范大学计算机与信息科学学院，重庆 400715

 

摘要：本论文旨在论述智能路灯控制系统的设计及工作原理。该系统主要由单片机、光敏电阻、过零触发器构成，提供两种工作模式：人工控制模式和自动控制模式。在人工控制模式下，操作员通过主控制台上的按钮设置路灯的开关时间，所有控制及运行状态的信息均使用LED显示器显示。在自动控制模式下光敏电阻采集路灯所处环境的光亮度。通过A/D转换器把模拟信号转变成数字信号传送给单片机，单片机接收信号后，进行判断之后将信号发送给过零触发器。过零触发器即可根据不同的信号来控制路灯的开和关。为了节约能源在0：00过后只开启一半数量的路灯。故障检测是通过检测线路电流值是否和正常状态下的电流值一致，如果相差到一固定值，则自动把线路编号反馈到LED显示器上，并用声音报警提示路灯管理员查看故障。

关键词：人机接口                光学传感器            A/D转换器  

        过零触发器              电流传感器

 

Intelligent Street Lamps Controlling System

 

LIU Ke  QIN Tai  MA Xiaotian  YAG Lin

School of Computer and information science, Southwest China Normal University, Chongqing 400715, China

 

Abstract: This paper is aimed to expound the designing and working principles of intelligent street lamps controlling system. Consisting of mainly a singlechip, several photosensitive resistances, zero-triggers, and A/D transforms, this system can work in two modes: manual controlling mode and automatic controlling mode. For the former one, the operator sets the time of lamps’ turning on and off by using the buttons on the chief controlling board. All the information and data are displayed on a LED monitor. For the latter one, photosensitive resistances respond to luminosity of the spots where lamps re located and produce imitated signs which are transformed into digital signs through A/D transforms, and then transmitted to the singlechip. The singlechip accepts the signs, distinguished them and transmits them to zero-triggers, which operate the turning on and off of the samples of electric current value to the distinguished signs. CYH-1000AR/V0 compares the samples of electric current value to make sure whether there is a breakdown in a certain section of the circuit. If true, it transmits the circuit number to the single computer which will display the message on the LED monitor and annunce anditive warnings. 

Key word:：human-machine interface    optics sensor     A/D transition

           zero trigger       electricity sensor

 

正文：

1.   智能路灯控制系统的系统概述

1.1智能路灯系统的总体介绍

 智能路灯控制系统采用msc51系列八位单片机的AT89C51作为处理器，利用光学传感器检测环境的亮度并用电信号传给处理器，经过处理器的运算处理通过I/O接口控制过零触发器来实现路灯开灭的管理，在亮度比较低或者午夜12点后关闭一半的路灯，在亮度低的情况下开启全部路灯实现照明。系统提供了四个按键和一个四位LED显示器的人-机界面，可以通过键盘来进行各种设置。使用了电流传感器检测路灯电路的工作电压，并将即时数据传输给处理器，由处理器判断是否存在故障。提供一个声音报警器在故障时报警。整个系统模块划分为：人-机界面模块，光学传感器模块，路灯开关模块，故障检测模块，声音报警模块。系统具有以下特点：

1.根据街道光亮度的情况控制路灯的打开和关闭；这样就不需要工作人员定时地去合上路灯开关或者拉下路灯开关，而且能在天气比较暗，但是又没有到开灯时间时自动点亮路灯；

2.系统把一天的二十四小时分成了两段（二个时间点）在0：00时，街道上的路灯只亮一半，这样既有利于节约能源，也不妨碍照明，因为那段时间几乎没有行人，只有车辆，而车辆又有自己的照明灯。在系统时间到达7：00时，街道上的路灯由光敏传感器控制。

3.有良好的抗干扰性能，我们在系统中采用智能延迟技术，对于在夜间突然的亮光，比如在闪电或者放烟花时都不会影响路灯的正常工作；

4.可以灵活选择自动/人工两种工作方式；                            

5.保护器件的功能，过零触发器避免了接通电源瞬间给线路上的元件带来损坏的可能；

6.动检测线路故障的功能，系统通过对线路上电流进行采样比较，如果和正常状态的电流值相差到一定值，系统就提示线路中有故障，将其线路号显示在LED上，并用声音提示操作员检查故障；

7.不必改造路灯和现有的线路；

8.成本底，效益高，我们选用 的芯片都比较便宜，而且能控制大范围的路灯，可减少员工，提供经济效益。

 

1.2系统总体硬件介绍

  智能路灯控制系统的每个模块的硬件电路有：键盘部分的按键和AT89C51单片机I/O接口连接；显示部分的译码器74ls138，显示驱动芯片74ls521和LED显示器的连接；光学传感器与I2C总线A/D转换器tlc1549的连接；路灯电路的开关模块的数据锁存器74ls373，放大器7407与过零触发器moc3083的连接；故障检测模块的电流触发器CHY-1000AR和A/D转换器tlc1549的连接。

 1.2.1系统硬件框图

  1.2.2工作原理

系统通过光学传感器采集街道亮度的值经过A/D转换后以电信号的形式传送给处理器，处理器通过程序的计算判断是否亮灯以及是亮全部路灯还是亮一半的灯，然后经单片机的I/O接口向锁存器输出控制信号，信号经过放大后传给过零触发器来控制路灯电路的开闭。故障检测部分的工作原理是通过电流传感器采集路灯电路的工作电流值传给处理器然后将这个值与路灯电路的正常工作电流作比较来判断是否有路灯故障。

 1.3系统总体软件介绍

   为了简化系统电路以及提高系统的可靠性有许多功能都由软件实现，包括键盘的抗干扰功能，键盘的扫描方式，LED显示器的动态刷新显示子程序，对传感器送来的电信号的值的判断，以及定时控制路灯熄灭的计时控制程序。

  1.3.1人—机界面部分

单片机应用系统的人机对话是在应用系统与人之间的信息传递渠道。包括人对应用系统的状态干预与数据输入以及应用系统向人报告运行状态与运行结果。因此，其接口特点与单片机应用系统的特点以及用户的特点有关。

（1）    专用性。一般来说单片机应用系统都是专用计算机系统。人机通道外部设备配置水平完全根据系统功能要求而定，例如显示器位数、键盘数量、指示灯数目等。

（2）    小型廉价。单片机应用系统本身的特点是低成本，中小规模、环境适应性强、配置灵活。因此，相应的外部设备以配置小型、微型、廉价型为原则。

（3）    人机接口中一般都是数字逻辑控制电路。许多外部设备都有标准的接口控制与通信要求。

  1.3.2光学传感部分

1.3.2.1A/D转换器

   从放大器出来的电压信号进入到A/D转换器以形成单片机便于处理的数字信号。在芯片选择（/CS）无效情况下，I/O CLOCK最初被禁止且DATA OUT处于高阻状态。当串行接口把/CS拉至有效时，转换时序开始允许I/O CLOCK工作并使DATA OUT脱离高阻状态。串行接 口然后把I/O CLOCK 序列提供给I/O CLOCK并从DATA OUT接收前次转换结果。I/O CLOCK从主机串行接口接收长度在10和16个时钟之间的输入序列。开始10个I/O时钟提供采样模拟输入的控制时序。在/CS的下降沿，前次转换的MSB出现10个时钟长度，那么在10个时钟的下降沿，内部逻辑把DATA OUT拉至低电平以确保其余位的值为零。在正常进行的转换周期内，规定时间内/CS端高电平至低电平的跳变可终止改周期，器件返回初始状态（输出数据寄存器的内容保持为前次转换结果）。采用串行输出的方式。

   1.3.2.2 I2C总线

   单片机8031与A/D转换芯片TLC1549之间的通信是通过I2C总线来完成。单片机8031的P0.0 和P0.1作为数据线和时钟线。I2C总线上传送的每一个字节均为8位，传输字节数是没有限制的。每传送一个字节后都必须跟随一个应答位，并且首先发送的数据位为最高位。发送数据时，发送器(有可能为主控器，也有可能为被控器)会在SCL上产生时钟信号，同时在SDA上给出数据。当传完8位数据后，发送器将释放SDA，使其处于高电平，由主控器继续产生SCL的第9个时钟信号，这时，如果接收器成功的完成了数据接收，应该给出应答信号(A)，即将SDA拉低;否则要发送非应答信号(/A)，即输出SDA高电平。

  1.3.3过零触发器控制部分

    过零触发器电路控制开关的软件部分，被连接在主程序上的“过零触发器电路控制子程序”。通过程序把一天的24小时分成了两段（二个时间点），当系统时间在0：00-7：00时，程序就控制路灯在节能状态下进行工作 — 当“路灯标志位”最后一位是0时点亮2、4路的路灯，当“路灯标志位”最后一位是1时点亮1、3路的路灯；当系统时间在7：00-0：00时，程序等待来直传感器的中断信号，如果有中断信号那么程序向I/O口p2.4-p2.7输出0000，这时路灯全亮，如果没有中断信号那么程序向I/O口p2.4-p2.7输出1111，这时路灯全灭。

  1.3.4故障检测部分

    主要分为初始化和智能故障检测两部分。初始化是用来记录正常工作时的电流数据和相应线路号。智能故障检测是在按下检测键时由I/O口向tlc1549发出一个/cs信号，然后接收一组八位数字信号，把这八位数字信号与ROM中的原始数据比较，如果不小于原始数据一盏灯电流大小则调用显示程序显示正常，如果小于则显示器提示错误，并驱动声音报警器发出报警信息。

  1.3.5主程序部分

 

 

 

 

 

 

 

主程序流程图          　　　　　　TO中断程序流程图

2.电源部分：

单片机系统需要一个提供+5V电压的电源.

电源传感器需要一个提供+24V电压电源.

电路图如下：

3.人机接口

    人机接口提供了使用人员与控制系统之间交互的功能，它包括了键盘和显示器两个部分。

3.1键盘部分：

键盘是一组开关(按键)的组合，键盘接口必须确定是否有键按下，按了哪一个键，消除抖动以及键值处理等。所有这些问题均由硬件或软件来完成。键盘配置往往距离主机单元板较远，因此还有长线传输中的干扰抑制问题。

    常用的按键有三种；机械触点式按键、导电橡胶式和柔性按键(又称触模式键盘)。

    机械触点式按键是利用弹性使键复位，手感明显，连线清晰，工艺简单，适合单件制造。但是触点处易侵入灰尘而导致接触不良，体积相对较大。导电橡胶按键是利用橡胶的弹性来复位，通过压制的方法把面板上所有的技键制成一块，体积小，装配方便，适合批量生产。但随着时间的延长．橡胶老化而使弹力下降，同时也易侵入灰尘。柔性按键是近年来迅速发展的一种新型按键，它可以分为凸球型和平面型两种。前者动作幅度触感明显，富有立体感，但制造工艺相对复杂；后者动作幅度微小，触感较弱，但工艺简单，寿命长。柔性技键的最大特点是防尘、防潮、耐蚀，外形美观，装嵌方便。而且外形和面板的朽局、色彩、键距都可以按照整机的要求来设计。因此，这种按键在微机测控系统中获得了广泛应用。

3.1.1键盘接口的抗干扰问题

    从键按下到接触稳定要经过数毫秒的抖动，键松开时也有同样的问题．如图所示．这样会引起一次按键多次读数问题。解决键抖动可使用硬件或软件方法，常见的双稳态消抖

电路和滤波消抖电路都是通过硬件来实现，适合按键较少的系统。若果按键较多，不能满足要求，因此常采用软件的方法进行消抖。常用的有两种方法：

1.在第一次检测到有按键闭合时，首先执行一段延时子程序，然后再确认该按键电平是否任保持闭合状态电平。如果保持闭合状态电平，则确认为真正有按键按下，从而消除了抖动的影响。

2.在第一次检测到有按键闭合时，对它进行保存，若以后若干次（比如60次）对按键采集的信息都相同的话，则说明存在按键按下，不是抖动。

第二种软件去抖实现简单，节约时间。本系统采用第二种方案。

 

3.1.2按键的识别

按键识别就是判断闭合间的键代码（或称键号）。目前常用的方法有两种：一种是用硬件电路来识别，成为编码键盘；另一种是利用软件方法来识别，称为非编码键盘。在编码键盘中设有硬件检测电路，以确定哪一个按键闭合，并产生该键的代码。非编码键盘则是依靠外部的硬件电路和软件来判别哪一个按键闭合。对于单片机的开发应用系统来说，目前用的比较多的是非编码键盘。非编码键盘在于单片机连接时，常用的方法有两种，一种是扫描法，另一种是线反转法。

扫描法识别键盘有无键被按下的方法是：让所有列均置为零电平，检查各行线电平是否有变化。如果有变化，则说明有键按下；如果没有变化，则说明无键被按下。识别具体按键的方法是：首先逐列置零电平，其余各列置为高电平，然后检查各行线电平的变化，如果某行电平有高电平变为零电平，则可确定此行此列交叉点处的按键被按下。

线反转法是先将行线编程为输入线，列线编成为输出线，并使输出线输出为全零电平，则行线中电平由高变低所在行为按键所在行。再将列线编程为输入线，行线编成为输出线，并使输出线输出为全零电平，则列线中电平由高变低所在列为按键所在列。

由于本系统设置4个键，且其他功能相对简单，便直接与P2.0~P2.3相连。

 

3.1.3键盘的工作方式

计算机应用系统中，键盘扫描只是CPU的工作内容之一。CPU在忙于各项工作任务时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。键盘的工作方式的选取根据实际应用系统中CPU工作的忙、闲情况而定。其原则是既要保证能及时响应按键操作，又要不过多占用CPU的工作时间。通常，分为3种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。

所谓编程扫描就是CPU对键盘的扫描采取程序控制方式，一旦进入建扫描状态，则反复的扫描键盘，等待用户从键盘上输入命令或数据。而在执行键入命令或处理键入数据过程中，CPU将不在响应键入要求，直到CPU返回重新扫描键盘为止。

定时扫描就是CPU每隔一定的时间对键盘扫描一遍。当发现有键按下时，便进行读入键盘操作，以求出键值，并分别进行处理。采用定时扫描法时，必须在其初始化程序中，对定时器写入相应的命令，使之能定时产生中断，以完成定时扫描的任务。

中断扫描工作方式是，当没有键入操作时，CPU不对键盘进行扫描，以节省出大量的时间对系统进行监控和数据处理。一旦键盘输入，则向CPU申请中断。CPU相应中断后，即转到相应的中断服务程序，对键盘进行扫描，以便判别键盘上闭合键的键号，并作出相应的处理。

本系统采用中断扫描方式。因为不管是编程扫描还是定时扫描，均占用CPU打量的时间。无论有没有输入操作，CPU总是在一定是时间内进行扫描。而本系统在平时正常工作的时候是很少用到按键，这是对CPU时间的浪费。

 

3.1.4基本电路图

本系统电路图如下：

K5为单片机开关，控制单片机的电源，K4为人工控制和单片机控制路灯切换开关，通过与74LS373相连实