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1、智能光控路灯设计摘要: 通过对四种不同方式的路灯控制分析与比较，提出对公共场所路灯进行光控制的最优控制方案，阐述了光控路灯电路的工作基本原理，设计了一台基于光敏电阻，集成电压比较器和单片机的光控路灯电路，以及在实际生活中的应用。本文所设计的路灯控制电路结构简单、易于调试，具有很强的实用性，可广泛应用于道路两旁、广场等公共场所的照明控制。关键词：光控路灯电路；集成电压比较器；单片机I目 录引言 .11 系统方案选择和论证 .11.1 四种路灯控制方式的分析与比较 .11.2 光控路灯电路的基本原理 .21.3 光控路灯电路的器件选择 .22 系统方案设计 .32.1 光控路灯电路整体设计思路 .
2、32.2 光控路灯电路原理图及功能实现 .42.3 光控路灯电路中 AT89C51 单片机程序编写 .53 系统方案中核心元件的工作原理 .63.1 光敏电阻的工作原理 .63.2 集成电压比较器 LM339 的工作原理 .73.3 单片机 AT89C51 的工作原理 .84 系统方案的主要特点 .105 设计过程中出现的问题及解决方法 .10结束语 .12参考文献 .131引言近来国家大力提倡节能减排，而传统的路灯控制方式多数是采用集中、定时来控制其开、关状态，不仅浪费了电能，也造成了人力资源的浪费。随着科技的进步，自动控制在各行各业得到了广泛的应用，路灯控制向着节能与自动化的方向发展。目前
3、各种路灯控制器广泛应用于全国各大中小城市，我国的路灯控制主要采用手动控制、时间控制、声控制和光控制等。为满足行人的需求，又节约电能，我们希望安装在公共场所或道路两旁的路灯能随光照强弱变化而自动开启或关闭。采用光控路灯来自动实现光线较暗时，路灯自动点亮，既方便又实用，这样不仅可以节约电能，延长灯泡使用寿命，而且避免了手动控制的麻烦，节约了人力资源。光控路灯方式一般采用光电传感器将光信号转换为电信号，经鉴幅电路判别后，用单片机驱动电路控制路灯，路灯在接收到相应的信号时延迟一段时间缓慢地实现光照强时路灯灭，光照弱时路灯亮，以便让行人的眼睛能适应路灯变化带来的影响。由于该电路制作简单易于调试，使得光控
4、路灯控制器得到了快速的发展和广泛的应用。1 系统方案选择和论证1.1 四种路灯控制方式的分析与比较常见的路灯控制方式主要有手动控制、时间控制、声控制、光控制等。表 1.1是对这四种路灯控制方式的分析与比较，不难看出：在这四种控制方式中，手动控制方式的灵活性最大，能够及时适应环境的变化，从而节约电能。缺点就在于这种控制方表 1.1 常见路灯控制方式比较是否需要人力是否节约电能路灯开关能否随环境变化应用场所综合应用前景手动控制 是 是 能 适合任意场所 不好时间控制 否 否 不能适合道路两旁企业单位等一般场所一般声控制 否 是 能适合楼道走廊等人员流动较少的场所好光控制 否 是 能 适合道路两旁以
5、及一 好控制方式性能2些户外公共场所式需要专门的人员来实现控制。在自动化控制日益流行的今天，采用这种控制方式势必浪费人力资源，这就决定了这种控制方式必然没有广泛的应用前景。对路灯实行按时间控制的方式虽然能够节约人力，但是按时间控制无法适应环境季节的的变化，这就可能造成电能的浪费。采用声控和光控能够实现对路灯的自动控制，节约人力资源，有效利用电能，从而使其有很好的应用前景。但声控路灯只适用于单位的楼道走廊等人员流动较少的场所，而且声控路灯必须白天关闭，晚上打开，仍然需要有专人看管。对于道路两旁以及一些户外公共场所等必须采用光控路灯才能充分满足行人的需求。 综合以上分析，可以得出：在各种路灯控制方
6、式中，对于道路两旁以及一些户外公共场所等人员流动较多的地方采用光照强度控制的方式无疑是最佳的路灯控制方案。1.2 光控路灯电路的基本原理光控路灯的基本思想是采用光电传感器将获得的光信号转换为电信号，再将电信号与信号鉴幅电路中预先设定好的电信号进行比较，由信号鉴幅电路的输出控制路灯驱动电路，由路灯驱动电路来控制路灯的点亮与熄灭。如果信号鉴幅电路输出高电平，驱动电路将驱动路灯点亮，反之路灯熄灭。路灯驱动电路的核心元件是单片机，用单片机的输入来控制它的输出，进而实现对路灯亮、灭及延时的控制。1.3 光控路灯电路的器件选择 光控路灯电路器件选择达到的两个目的：(1)精确性：要求在一定的光照强度下，路灯
7、能够准确的点亮或熄灭。(2)稳定性：要求路灯的亮灭状态不易受到外界偶然光照变化的影响，避免路灯频繁的点亮和熄灭。电路部分主要包括：光电变换电路、信号鉴幅电路和路灯驱动电路。设计中，电源电路为常见的各种电路设计中所采用的经典电源电路，光电变换电路、信号鉴幅电路、单片机驱动路灯电路三者的核心元件分别是光敏电阻 CdS、集成电压比较器 LM339 和单片机 AT89C51。光电变换电路的核心元件是光电传感器。光电传感器是将测到的变化量转化为光变化量，在通过光电转换元件将光变化量转化为电变化量的装置，具有灵敏度高、响应快、功耗低、易集成、能够实现非接触测量等优点，常用的光电传感器有光敏3电阻、光敏二极
8、管、光敏三极管和光电池。本设计选择光敏电阻（半导体材料具有是纯电阻性） ，如图 1.1 所示当无光照射时，电阻值很大(一般超过 1M )；当受到一定波长的光照射时，其电阻值会迅速减小。光照不变时，电压越高，光电流越大，并且不会出现饱和现象。当然，与一般电阻一样光敏电阻的工作电压和电流都不能超过额定值。光敏电阻的光照特性如图 1.2 所示。光照强度越大，电流越大，不同的光敏电阻的光照特性是不同的。由于光敏电阻的光照特性是非线性的，不宜作线性敏感元件，所以在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器。图 1.1 光敏电阻伏安特性曲线 图 1.2 光敏电阻光照特性曲线信号鉴幅电路将获得的电信号与预先
9、设定好的电信号的大小进行比较，通过比较值的大小决定信号鉴幅电路的输出，由输出电位来控制路灯驱动电路。信号鉴幅电路种类比较多，可以由各类集成元件来实现，通常有 555 定时器，电压比较器等。信号鉴幅电路的性能决定了光控电路的性能。如何提高控制系统在光照临界状态的稳定性，是设计的难点所在。信号鉴幅电路的抗干扰能力，即对外部偶然光照强度变化(如闪电等) 的影响，也将决定光控路灯电路的性能，而 LM339 电压比较器很好地解决了这些难点，所以用 LM339 作为信号鉴幅电路的核心器件。路灯驱动电路的核心器件是单片机，用 AT89c51 单片机驱动电路，是根据信号鉴幅电路判别比较后输出的结果，来控制路灯
10、的亮与灭。如果信号鉴幅电路输出高电平，驱动电路将驱动路灯亮，反之路灯灭。为实现精确的高低电频控制，选着单片机来控制。2 系统方案设计42.1 光控路灯电路整体设计思路本设计的光控路灯电路由三部分组成：光电变换电路、信号鉴幅电路和单片机驱动路灯电路，其基本的原理框图如图 2.1 所示。图 2.1 系统设计原理框图 2.2 光控路灯电路原理图及功能实现如图 2.2 所示是本文所设计路灯控制电路的原理图，图中标出了电路的基本组成部分，此电路结构清晰，制作完成后稍加调试就能实现光控功能。电路工作原理：图示最左边为电源电路，220V 交流电经 12V 变压器变压，再经整流桥后变为脉动直流电压，再经电容进
11、行滤波后，进入集成稳压器 7812 的输入端，稳压器输出再经滤波后可提供 12V 的直流电压，而将 12V 的电压用相同的方式经过集成稳压器 7805 可得到+5V 的直流电压。光电变换由光敏电阻 CdS 完成，白天自然光照射时，光敏电阻阻值约为 1K ，夜幕降临时电阻逐渐升高，最高阻值可达 2M 。图中 LM339 集成电压比较器，同相端输入取自光敏电阻与电阻 R1 的分压，反相端图 2.2 光控路灯电路原理图5输入取自滑动变阻器与电阻 R2 的分压，可设定滑动变阻器的阻值在 100K 左右，比较器的输出经过单片机接发光二极管。白天光照较亮，光敏电阻的阻值较小，使得光敏电阻的分压小于滑动变阻器的分压，电压比较器输出低电平，单片机通过程序来控制发光二极管不亮；傍晚光照减弱，光敏电阻的阻值逐
