單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告-路燈節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1、你學(xué)校的名稱單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目：學(xué) 院：專 業(yè)：班 級(jí)：姓 名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)老師： 摘要路燈是城市照明工程的主要組成部分，在夜晚，路燈的照明起到非常重要的作用。但是路燈在起著重要作用的同時(shí)，也在消耗著大量的能源。目前一般的傳統(tǒng)路燈，主要是高壓鈉燈，一盞路燈的功率約為100W400W，一些大型路燈功率可以達(dá)到1000W以上。我們以一盞路燈200W來(lái)計(jì)算，一個(gè)晚上照明12個(gè)小時(shí)(從晚上7點(diǎn)到第二天早上7點(diǎn)），那么一盞路燈就要消耗20012/1000 2.4度電能。假設(shè)路燈之間的間距是20米，一條長(zhǎng)2公里的街道就有22000/20 200盞路燈（道路兩邊各有一盞路燈，所以要乘2），那么這條街道

2、一晚上消耗的電能就有2002.4 480度，1年消耗的電能是48036517.52萬(wàn)度。在一個(gè)城市中，除了主干道外，還有很多次干道和小的路段，這些街道在夜晚的人流量和車(chē)流量都比較小。特別是一些郊區(qū)和比較偏僻的路段，在半夜1點(diǎn)鐘以后，人流量和車(chē)流量一般非常少。但是即使沒(méi)有人或車(chē)經(jīng)過(guò)，這些路燈也是長(zhǎng)期點(diǎn)亮的，這時(shí)電能就被白白浪費(fèi)掉了。很多路段真正有效的照明時(shí)間只占到整個(gè)照明時(shí)間的20%30%，也就是說(shuō)大部分電能被浪費(fèi)掉了。如果有效照明時(shí)間是30%，那么一條街道浪費(fèi)的電能就有17.520.712萬(wàn)度。一個(gè)中等規(guī)模的城市這樣的街道可能就有100個(gè)以上，一個(gè)大城市往往有數(shù)百個(gè)這樣的街道，那么就是說(shuō)一個(gè)城

3、市每年在路燈上浪費(fèi)的電能就有數(shù)百到數(shù)千萬(wàn)度以上?？紤]到全國(guó)有數(shù)百個(gè)大型城市，中小規(guī)模的城市更多，總的浪費(fèi)電能是非常巨大的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，杭州市一年用于城市照明的費(fèi)用就高達(dá)3億元以上。如果我們采取一定的節(jié)能措施，比如說(shuō)在沒(méi)有人和車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)自動(dòng)關(guān)閉路燈，就可以收到明顯的節(jié)能效果。在能源日益緊張的今天，特別是很多城市存在電力不足的矛盾，這無(wú)疑是非常有意義的。目錄1緒論。11.1 課題概述。11.1.1 課題的題目。11.1.2 課題研究的背景。11.1.3 課題研究的目的及意義。11.2 課題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。11.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀。11.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀。21.3 論文的主要研究?jī)?nèi)容。22 系統(tǒng)方案

4、設(shè)計(jì)。 32.1節(jié)能方法。32.1.1傳統(tǒng)節(jié)能方法。32.1.2具有智能控制的節(jié)能方法。 32.2智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。 42.3智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 52.3.1設(shè)計(jì)思路。 52.3.2 總體設(shè)計(jì)框圖。63 硬件設(shè)計(jì)。73.1硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 73.2光學(xué)信號(hào)的采集與檢測(cè)設(shè)計(jì)。83.2.1光源檢測(cè)原理。83.2.2檢測(cè)裝置所需器件及選型。 83.3紅外檢測(cè)信號(hào)的采集與單片機(jī)的處理。103.3.1紅外檢測(cè)原理。103.3.2熱紅外傳感器的結(jié)構(gòu)和原理。104軟件設(shè)計(jì)。124.1軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。124.2程序設(shè)計(jì)。134.2.1 設(shè)定時(shí)間程序。135總結(jié)與體會(huì)。17參考文獻(xiàn)。181緒

5、論1.1 課題概述1.1.1 課題的題目課題的題目:路燈節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用1.1.2 課題研究的背景隨著社會(huì)的發(fā)展，能源問(wèn)題己經(jīng)成為全球最為關(guān)注的問(wèn)題之一，能源危機(jī)已經(jīng)成為全人類所面臨的主要危機(jī)，特別是我國(guó)的電力能源近年來(lái)顯得十分吃緊，電力緊張阻礙著我們的日常生產(chǎn)、生活，甚至嚴(yán)重影響到我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會(huì)文明的進(jìn)步。在城市亮化、美化大潮的趨勢(shì)下，城市景觀照明耗電也吞噬著我們的電力資源。而發(fā)電企業(yè)投資和建設(shè)需要一個(gè)較長(zhǎng)的周期，快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要更多更充足的電力供應(yīng)和消耗，電力的供求之間矛盾重重。電力供應(yīng)缺口很難在短期內(nèi)得以緩解，發(fā)展與節(jié)約并重，已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)建設(shè)的必然選擇。此時(shí)，燈光照明行業(yè)節(jié)

6、電也成為了我們的必然選擇!1.1.3 課題研究的目的及意義路燈是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家建設(shè)中必需的用電設(shè)備，它在我國(guó)的整體用電量中所占比例巨大，如果通過(guò)節(jié)能裝置對(duì)其進(jìn)行有效控制，就能夠降低電力損耗，達(dá)到節(jié)約能源，降低生產(chǎn)安裝成本，有助于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。本文研究的智能路燈節(jié)能控制器是通過(guò)運(yùn)用MCS51單片機(jī)設(shè)計(jì)的，通過(guò)配套的功率變換組件，可在路燈的啟停和運(yùn)行中，有效的調(diào)節(jié)路燈的端電壓，控制路燈的照明亮度，從而改變了路燈在不同時(shí)段的耗電量，改善了功率因素，到了節(jié)約電能的目的。1.2 課題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀近20年來(lái)，美國(guó)和日本照明節(jié)能集中在使用緊湊型熒光燈(CFL)和熒光燈采

7、用鎮(zhèn)流器兩個(gè)方面，兩個(gè)國(guó)家中用新技術(shù)替換老產(chǎn)品的過(guò)程有點(diǎn)不同:2001年美國(guó)銷(xiāo)售的鎮(zhèn)流器中電子的占53%，而日本只有36%。而兩個(gè)國(guó)家在銷(xiāo)售CFL燈占白熾燈的比例中，美國(guó)只占3%，日本占了15%。兩個(gè)國(guó)家的國(guó)家、省和地方都在立法，鼓勵(lì)和普及活動(dòng)這三方面做文章，旨在推動(dòng)節(jié)能產(chǎn)品的廣泛使用。國(guó)外照明節(jié)能技術(shù)的發(fā)展具有以下特點(diǎn).(1)大力推動(dòng)綠色照明，在光源的材料，使用規(guī)范上加以有效管理，出臺(tái)了一系列的標(biāo)準(zhǔn)和管理要求，將照明節(jié)能推廣到全民范圍;(2)不斷提高功率器件性能要求，主要體現(xiàn)在鎮(zhèn)流裝置上技術(shù)提高。通過(guò)對(duì)鎮(zhèn)流器技術(shù)改進(jìn)來(lái)提高照明設(shè)備的功率因素。1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀目前我國(guó)市場(chǎng)上有多種路燈節(jié)能

8、控制產(chǎn)品，能達(dá)到一定節(jié)能效果，但就功能和效果上還不能盡如人意，主要有以下幾類情況:采用自耦變壓器及磁飽和電抗器的降壓技術(shù)。其不足是由于反應(yīng)速度較慢，用電高峰時(shí)電壓降到非穩(wěn)定區(qū)，容易造成燈光閃滅，不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)如果電壓突然升高，則不能避免燈具受到市電的瞬時(shí)高壓沖擊，對(duì)燈具的保護(hù)能力較差;相對(duì)來(lái)說(shuō)穩(wěn)壓功能較差。.針對(duì)于磁飽和電抗器來(lái)說(shuō)，除了上述不足外，其效率也普遍偏低。采用電子器件構(gòu)成的可控硅式設(shè)備。該設(shè)備主要采取簡(jiǎn)單的相控技術(shù)，不足之處是元件易發(fā)熱燒壞，由于采用相控技術(shù)產(chǎn)生諧波污染電網(wǎng)，使熒光燈及氣體燈小停閃動(dòng)，減損燈具壽命及相關(guān)附件的使用壽命，降低照明質(zhì)暈，不綠色不環(huán)保，國(guó)家相關(guān)規(guī)定已明令

9、禁止使用這種無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)設(shè)備。以系統(tǒng)節(jié)電濾波形式，主要是凈化電網(wǎng)，補(bǔ)充無(wú)功功率，補(bǔ)償電網(wǎng)，而對(duì)于有功電度表計(jì)量系統(tǒng)，缺少實(shí)際節(jié)電效果。1.3 論文的主要研究?jī)?nèi)容本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新研究成果，比較幾種常用的路燈節(jié)能控制方法。討論了基于可變電抗技術(shù)的功率單元的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)建。詳細(xì)描述了路燈智能控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)，并應(yīng)用模糊控制算法進(jìn)行了控制算法設(shè)計(jì)，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和調(diào)試，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。論文研究的主要內(nèi)容:（1） 基于可變電抗技術(shù)的調(diào)壓節(jié)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（2） 基于MCS51單片機(jī)設(shè)計(jì)的路燈節(jié)能控制器；（3） 路燈節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)；（4） 路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的仿真和試驗(yàn)研究

10、。2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1節(jié)能方法2.1.1傳統(tǒng)節(jié)能方法長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)大多數(shù)城市路燈照明控制廣泛采用傳統(tǒng)控制方式，其節(jié)能方法主要有以下幾種:人工控制節(jié)能方式:根據(jù)開(kāi)關(guān)燈時(shí)間表由值班人員負(fù)責(zé)手動(dòng)進(jìn)行開(kāi)/關(guān)燈操作。時(shí)控節(jié)能方式:以時(shí)間為唯一的開(kāi)關(guān)燈依據(jù)，不論氣象條件如何變化，均只能在規(guī)定時(shí)刻開(kāi)關(guān)燈，隨季節(jié)變化人工干預(yù)調(diào)整開(kāi)關(guān)時(shí)間。光控節(jié)能方式:按光照度的差異來(lái)控制路燈開(kāi)關(guān)。這些節(jié)能方式存在著較為明顯的缺憾，國(guó)內(nèi)大多數(shù)城市路燈的開(kāi)/關(guān)燈控制由各變壓器(配電箱)分散控制，盡管城市路燈運(yùn)行有專門(mén)控制線，只有控制功能而無(wú)法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。由于不能?chē)?yán)格按照室外自然光照度進(jìn)行控制，不僅實(shí)時(shí)性差，故障率高，而且浪費(fèi)嚴(yán)重

11、。另外，傳統(tǒng)控制方式要求人不離崗，及時(shí)控制燈光的開(kāi)啟和關(guān)閉，由于人工控制誤差而造成電能浪費(fèi)很是驚人。比如采用定時(shí)器控制方式時(shí)，由于一年四季的時(shí)差，要經(jīng)常對(duì)定時(shí)器進(jìn)行人工調(diào)整，從夏至到冬至，日出時(shí)間推遲、日落時(shí)間提前;從冬至到夏至，日出時(shí)間提前、日落時(shí)間推遲，據(jù)此天氣現(xiàn)象，要求路燈開(kāi)關(guān)時(shí)間根據(jù)日出日落時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。這樣不僅消耗大量人力資源，還可能由于調(diào)整不及時(shí)而造成浪費(fèi)。2.1.2具有智能控制的節(jié)能方法該節(jié)能方法是通過(guò)智能控制器對(duì)功率單元進(jìn)行控制，進(jìn)而操控可變電抗變換器來(lái)改變路燈的輸出電壓，通過(guò)改變路燈的光照來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。圖2-1 路燈節(jié)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖此方法利用了人眼在夜

12、晚行進(jìn)時(shí)對(duì)光照要求不敏感的特點(diǎn)改變了路燈的端電壓，在不同的時(shí)段根據(jù)實(shí)際要求獲得相應(yīng)的照度，實(shí)現(xiàn)路燈亮度的智能化調(diào)節(jié)。其基本思想是:將可變電抗變換器的一次繞組直接與路燈負(fù)載相接，在變換器中增加二次線圈，將二次線圈與功率變換器以及智能控制器連接。通過(guò)智能控制器與電力電子功率變換單元來(lái)控制可變電抗器的二次繞組，達(dá)到改變可變電抗變換器一次阻抗的目的，進(jìn)而改變路燈的輸入電壓，使路燈既可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)又可以對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié).其工作過(guò)程為:首先，通過(guò)對(duì)光照信號(hào)的采集，由智能控制器判斷路燈照明系統(tǒng)是否需要開(kāi)啟，如需要運(yùn)行則由功率單元來(lái)完成路燈的軟啟動(dòng)(一般情況下是由數(shù)十、甚至上百盞路燈組成一條街道的照明系統(tǒng))。路燈開(kāi)

13、啟后，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定的時(shí)間后，智能控制器會(huì)做出判斷，之后會(huì)關(guān)閉路燈，進(jìn)入到另一種狀態(tài)，此時(shí)如果有人經(jīng)過(guò)并且天黑，那么智能控制系統(tǒng)會(huì)讓燈自動(dòng)開(kāi)啟并且延時(shí)，延時(shí)時(shí)間根據(jù)控制者的要求而定。智能控制器作為整套系統(tǒng)的核心部分其控制方式選取的為模糊控制算法，采集的外部信號(hào)通過(guò)放大、轉(zhuǎn)換后輸入到控制器的微處理器中，這里我們采集的信號(hào)為光信號(hào)與聲音信號(hào)兩種，其中光信號(hào)用來(lái)控制整套系統(tǒng)的啟停，而聲音信號(hào)則用來(lái)實(shí)時(shí)反映外部環(huán)境的要求，通過(guò)模糊控制的方式將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理比對(duì)，選取最優(yōu)化的控制信號(hào)加以輸出。2.2智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)所遵循的基本原則有:(1)穩(wěn)壓控制:任何功率電器在使

14、用過(guò)程中都應(yīng)處于其穩(wěn)定的電壓范圍內(nèi)，作為與我們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的路燈照明設(shè)備就更應(yīng)該穩(wěn)壓工作，保持路燈電壓平穩(wěn)從節(jié)能和功效兩方面來(lái)說(shuō)都具有十分重要的意義。所以無(wú)論在用電的高峰還是低谷始終將供電電壓穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)是路燈控制首要解決的問(wèn)題.(2) 軟起動(dòng)功能:由于路燈并聯(lián)后屬于大功率電器，而現(xiàn)在所使用的啟動(dòng)方式均為直接啟動(dòng)，這種啟動(dòng)方式會(huì)造成啟動(dòng)電流過(guò)大，對(duì)燈具的耐用性有一定的損害，而且該起動(dòng)電流還會(huì)引起電網(wǎng)電壓急劇下降，電壓頻率也會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)破壞同電網(wǎng)其它設(shè)備的正常運(yùn)行，因此使用軟啟動(dòng)功能來(lái)點(diǎn)亮路燈可以防止起動(dòng)時(shí)大電流對(duì)照明設(shè)備的不良影響.(3) 自動(dòng)啟停:路燈作為我們?nèi)粘Ｉ畋乇坏墓苍O(shè)

15、施，它的啟停跟道路上行人與車(chē)輛的需求有著直接的關(guān)系，只要是環(huán)境需要無(wú)論是在雷雨將至的暑天午后還是日常狀況下的夜幕之時(shí)，它都會(huì)根據(jù)外部環(huán)境的明暗程度來(lái)自動(dòng)判斷系統(tǒng)是否需要開(kāi)閉。表2-1 幾種路燈節(jié)能方式比較 路燈節(jié)能 常用控制 光源節(jié)能 智能路燈 方法 節(jié)能方法 方法 節(jié)能控制 方法 啟動(dòng)方法 一般啟動(dòng) 一般啟動(dòng) 軟啟動(dòng)光源選擇 常用光源 節(jié)能光源 常用光源控制方式 簡(jiǎn)單控制 簡(jiǎn)單控制 智能控制能量損耗 較小 較小 最小可靠性 較低 低 較高 使用壽命 短 較短 長(zhǎng) 啟動(dòng)電流 大 大 較小 環(huán)境要求 無(wú)污染 有一定污染 無(wú)污染 光源更換 較短 短 較長(zhǎng)周期成本 低 適中 適中由上表可知，智能路燈

16、節(jié)能控制系統(tǒng)與目前市場(chǎng)上常用的控制節(jié)能方法、光源節(jié)能方法相比較，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從產(chǎn)品的成本和其消耗使用效率上來(lái)看也具有較強(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。所以，綜合來(lái)講，智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)在路燈照明節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)該很有前途的產(chǎn)品。2.3智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1設(shè)計(jì)思路路燈控制器電路主要由可變電抗變換器，功率單元，紅外檢測(cè)控制電路，光控電路，開(kāi)關(guān)控制電路及延時(shí)電路構(gòu)成。其中可變電抗變換器與功率單元共同組成本文所提出可變電抗器， 將可變電抗變換器的一次線圈與路燈負(fù)載串接，構(gòu)成一次阻抗串聯(lián)電路，其二次線圈與功率變換單元構(gòu)成二次阻抗變換電路，通過(guò)改變二次阻抗來(lái)改變一次阻抗與負(fù)載阻抗的比例關(guān)系，實(shí)現(xiàn)負(fù)載調(diào)

17、功，從而改變路燈端電壓。工作時(shí)，光控電路和聲控電路同時(shí)控制開(kāi)并控制電路，而光控電路具有優(yōu)先控制的功能，即先讓光控電路來(lái)控制開(kāi)關(guān)電路，使燈打開(kāi)，只有到設(shè)定的時(shí)間后且在有紅外信號(hào)時(shí)路燈會(huì)照明并且延時(shí)照明一段時(shí)間，這部分電路由延時(shí)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，電源電路的作用是為負(fù)載電路提供照明電源同時(shí)向電路中的控制電路提供工作電源，交流電源經(jīng)過(guò)橋式整流以后，再經(jīng)過(guò)電容降壓，為負(fù)載提供電源，同時(shí)經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓以后，為控制電路提供工作電流。該電路是利用光敏電阻對(duì)光敏感的特性和開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)，即白天或光線較亮的時(shí)候，控制燈不亮，而在晚上或光線較暗時(shí)控制燈亮，同時(shí)還要有一個(gè)延時(shí)電路，以達(dá)到延時(shí)照明的目的，當(dāng)有光亮的時(shí)候，此

18、控制電路阻止，信號(hào)不再往下傳輸，即燈不會(huì)亮，而只有當(dāng)光線足夠暗且有聲音的時(shí)候此控制電路才起作用，才往下一電路傳輸信號(hào)，燈才會(huì)亮。此電路既可以用三極管實(shí)現(xiàn)，也可以用4000糸列的數(shù)字集成實(shí)現(xiàn)，出于簡(jiǎn)單穩(wěn)定的目的，這里選用數(shù)字集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。本電路的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)在白天光線比較亮的情況下，燈不亮，而在光線比較暗或天黑的時(shí)候，燈就會(huì)亮，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定時(shí)間的時(shí)候路燈滅此時(shí)如果有人經(jīng)過(guò)那么燈會(huì)變亮同時(shí)加上延時(shí)電路的延時(shí)作用，燈會(huì)延時(shí)亮一段時(shí)間，不致燈連續(xù)工作，造成能源浪費(fèi)或元器械件的損壞。其控制電路可由TC4011BP數(shù)字集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，延時(shí)電路由電阻，電容實(shí)現(xiàn)，光控電路由光敏電阻實(shí)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)電路由開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)

19、。2.3.2 總體設(shè)計(jì)框圖路燈控制器電路的總體框圖由光控電路，紅外檢測(cè)控制電路，開(kāi)關(guān)電路，延時(shí)電路，負(fù)載電路和電源電路等構(gòu)成，工作時(shí)，先由光控電路控制電路輸入信號(hào)，當(dāng)設(shè)定的時(shí)間到的時(shí)候由光控電路和紅外檢測(cè)控制電路控制輸入信號(hào)，使開(kāi)關(guān)打開(kāi)，同時(shí)也促使延時(shí)電路開(kāi)始工作，而電路的電源由電源經(jīng)過(guò)橋式整流以后，再經(jīng)過(guò)降壓電路降過(guò)壓以后來(lái)提供，電路中其他需供電的電路由降壓以后再進(jìn)行穩(wěn)壓以后來(lái)供電，負(fù)載的供電直接由電源來(lái)提供?？傮w框圖如下所示，工作流程如箭頭所示：開(kāi)關(guān)電路光控電路紅外檢測(cè)電路延時(shí)電路基于MCS51的智能控制器電源電路整流電路穩(wěn)壓電路圖2.3.2 總體方框圖照明電路3 硬件設(shè)計(jì)3.1硬件結(jié)構(gòu)設(shè)

20、計(jì)智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件部分由智能控制器和功率變換單元組成。其中功率變換單元由電力電子功率器件、觸發(fā)控制器、信號(hào)檢測(cè)與處理器等組成。智能控制系統(tǒng)硬件主要由紅外檢測(cè)傳感器、光學(xué)傳感器、信號(hào)變送器、微處理器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等組成。硬件系統(tǒng)的工作原理為:光信號(hào)通過(guò)光電傳感器轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，經(jīng)變送器輸入至A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開(kāi)啟和關(guān)閉。紅外信號(hào)通過(guò)紅外檢測(cè)傳感器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)路燈的開(kāi)啟。其系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。圖3-1 硬件結(jié)構(gòu)圖受控路燈紅外信號(hào)信號(hào)處理（DSP）A/D轉(zhuǎn)換MCS51單片機(jī)處理器光信號(hào)光學(xué)傳感器開(kāi)關(guān)電路3.2光學(xué)信號(hào)的采集與檢測(cè)設(shè)計(jì)3.2.1光源檢測(cè)原理光源檢測(cè)其實(shí)

21、就是利用了一個(gè)光電式傳感器。所謂光電式傳感器是能將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種器件，簡(jiǎn)稱光電器件。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件3部分組成。其基本原理是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào).光電效應(yīng)是指用光照射某一物體，可以看作是一連串帶有一定能量為的光子轟擊在這個(gè)物體上，此時(shí)光子能量就傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，從而使受光界射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)。通常把光電效應(yīng)分為3類:(1) 在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管等

22、;(2) 在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，如光敏電阻、光敏晶體管等;(3) 在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，如光電池等。3.2.2檢測(cè)裝置所需器件及選型在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，光源檢測(cè)用于整套系統(tǒng)的開(kāi)啟和關(guān)閉，因此只需要有內(nèi)光電效應(yīng)的光敏器件即可。光敏器件包括光敏電阻、光敏二極管及光敏三極管等。光敏電阻的工作原理是用光電導(dǎo)體制成的光電器件又稱光導(dǎo)管，它是基于半導(dǎo)體光電效應(yīng)工作的。光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)可加直流偏壓，也可以加交流電壓。當(dāng)無(wú)光時(shí)，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，它的阻

23、值(亮阻值)急劇減少，因此電路中電流迅速增加.光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開(kāi)有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，其符號(hào)如圖3-3所示，為增加受光面積，PN 結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很小，稱為光敏二極管的暗電流;當(dāng)有光照時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子空穴，稱為光電載流子。在外電場(chǎng)的作用下，光電載流子參于導(dǎo)電，形成比暗電流大得多的反向電流，該電流稱為光電流。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。 圖3-3 光敏二極管光敏三極管除了具有光敏二極管

24、能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能，其符號(hào)如圖3-4所示。光敏三極管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個(gè)極 發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開(kāi)窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光卞要被基區(qū)吸收。工作時(shí)集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。比一般三極管的穿透電流還小:當(dāng)有光照時(shí)，激發(fā)大量的電子空穴對(duì)，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大，此刻流過(guò)管子的電流稱為光電流，可見(jiàn)光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。圖3-4 光敏三極管由于本系統(tǒng)涉及的光源采集為系統(tǒng)啟停提供控制信息，所以采用光敏電阻即可滿足系統(tǒng)需求。光敏電阻和其它半導(dǎo)體光電器件相比有以

25、下特點(diǎn):(1) 光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬.根據(jù)光電導(dǎo)材料的不同，光譜響應(yīng)可從紫外光、可見(jiàn)光、近紅外擴(kuò)展到遠(yuǎn)紅外，尤其對(duì)紅光和紅外輻射有較高的響應(yīng)度.(2) 工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安。(3) 所測(cè)光強(qiáng)范圍寬。既可測(cè)強(qiáng)光也可測(cè)弱光。(4) 靈敏度高。圖3-5所示是利用光敏電阻控制的路燈自動(dòng)啟停電路。該電路由兩部分組成。電阻R、電容C和二極管D組成半波整流電路。CdS光敏電阻和J組成光控繼電器。路燈接在繼電器常閉觸點(diǎn)上，光控繼電器控制燈的1點(diǎn)亮和熄滅。工作原理是:晚上光線很暗，CdS光敏電阻阻值很大，流過(guò)J的電流很小，使繼電器J不動(dòng)作，路燈接通電源點(diǎn)亮。早上，天漸漸變亮，即照度逐漸增大，CdS光敏電阻受光照

26、后，阻值變小，流過(guò)J的電流逐漸增大，當(dāng)照度達(dá)到一定值時(shí)，流過(guò)繼電器的電流足以使k動(dòng)作，使其閉合，其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，路燈熄滅。RCDKJ 圖3-5 光敏電阻控制的路燈自動(dòng)點(diǎn)電路3.3紅外檢測(cè)信號(hào)的采集與單片機(jī)的處理3.3.1紅外檢測(cè)原理紅外測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。其中，外部熱紅外信號(hào)傳播到熱釋電人體紅外傳感器，并通過(guò)運(yùn)算放大器將輸入的微弱紅外線信號(hào)轉(zhuǎn)換為一信號(hào)電平(電壓信號(hào))，此電壓信號(hào)則由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，并做出相應(yīng)的動(dòng)作來(lái)決定是否讓路燈開(kāi)啟。MCS51單片機(jī)運(yùn)算放大器紅外線傳感器紅外信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)電路圖3-6紅外檢測(cè)結(jié)構(gòu)框圖3.3.

27、2熱紅外傳感器的結(jié)構(gòu)和原理熱釋電人體紅外線傳感器是上世紀(jì)80年代末期出現(xiàn)的一種新型傳感器件。熱釋電紅外傳感器不受白天黑夜的影響，可晝夜不停地用于監(jiān)測(cè)，廣泛地用于防盜報(bào)警。熱釋電紅外(PIR)傳感器，亦稱為熱紅外傳感器，是一種能檢測(cè)人體發(fā)射的紅外線的新型高靈敏度紅外探測(cè)元件。它能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。將輸出的電壓信號(hào)加以放大，便可驅(qū)動(dòng)各種控制電路，如作電源開(kāi)關(guān)控制、防盜防火報(bào)警等。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的熱釋電人體紅外線傳感器主要有上海賽拉公司的SD02、PH5324，德國(guó)Perkinelmer 公司的LHi954、LHi958，美國(guó)Hamastsu公司

28、的P2288，日本Nippon Ceramic公司的SCA02-1、RS02D等。雖然它們的型號(hào)不一樣，但其結(jié)構(gòu)、外型和特性參數(shù)大致相同，大部分可以彼此互換使用。熱釋電紅外線傳感器由探測(cè)元、濾光窗和場(chǎng)效應(yīng)管阻抗變換器等三大部分組成，如圖3-7所示對(duì)不同的傳感器來(lái)說(shuō)，探測(cè)元的制造材料有所不同。如SD02的敏感單元由鋯鈦酸鉛制成；P2288由LiTaO3 制成。將這些材料做成很薄的薄片，每一片薄片相對(duì)的兩面各引出一根電極，在電極兩端則形成一個(gè)等效的小電容。因?yàn)檫@兩個(gè)小電容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小電容能自身產(chǎn)生極化，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反的正、負(fù)電荷。傳感器中兩個(gè)電容是極性相反串聯(lián)的

29、。當(dāng)傳感器沒(méi)有檢測(cè)到人體輻射出的紅外線信號(hào)時(shí)，在電容兩端產(chǎn)生極性相反、電量相等的正、負(fù)電荷，所以，正負(fù)電荷相互抵消，回路中無(wú)電流，傳感器無(wú)輸出。 當(dāng)人體靜止在傳感器的檢測(cè)區(qū)域 內(nèi)時(shí)，照射到兩個(gè)電容上的紅外線光能能量相等，且達(dá)到平衡，極性相反、能量相等的光電流在回路中相互抵消，傳感器仍然沒(méi)有信號(hào)輸出。圖3-7熱釋電紅外線傳感器當(dāng)人體在傳感器的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，照射到兩個(gè)電容上的紅外線能量不相等，光電流在回路中不能相互抵消，傳感器有信號(hào)輸出。綜上所述，傳感器只對(duì)移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)的人體和體溫近似人體的物體起作用。圖3-8 雙探測(cè)元熱釋電紅外傳感器濾光窗是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，能夠有效地濾

30、除7.014um波長(zhǎng)以外的紅外線。人體的正常體溫為3637.5，即309310.5K，其輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長(zhǎng)為m=2989/（309310.5）=9.679.64um，中心波長(zhǎng)為9.65um，正好落在濾光窗的響應(yīng)波長(zhǎng)的中心。 所以，濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過(guò)，而最大限度地阻止陽(yáng)光、燈光等可見(jiàn)光中的紅外線的通過(guò)，免引起干擾。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場(chǎng)效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。由于探測(cè)元輸出的是電荷信號(hào)，不能直接使用，因而需要將其轉(zhuǎn)換為電壓形式。場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗高達(dá)104M，接成共漏極形式來(lái)完成阻抗變換。使用時(shí)D端接電源正極，G端接電源負(fù)極，S端為信號(hào)輸出。對(duì)于移動(dòng)速度非常緩

31、慢的物體，如陽(yáng)光，兩個(gè)電容上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的，在回路中相互抵消；再加上傳感器的響應(yīng)頻率很低(一般為0.110Hz)，即傳感器對(duì)紅外光的波長(zhǎng)的敏感范圍很窄(一般為515um)，因此，傳感器對(duì)它們不敏感，因而無(wú)輸出。4軟件設(shè)計(jì)節(jié)能控制系統(tǒng)的控制功能是通過(guò)執(zhí)行軟件程序?qū)崿F(xiàn)的。軟件是系統(tǒng)的靈魂，沒(méi)有軟件，系統(tǒng)就不能正常運(yùn)行。軟件設(shè)計(jì)的好壞將關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的好壞，軟件的優(yōu)劣也關(guān)系到硬件各部分能否協(xié)調(diào)工作.本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用了目前廣泛使用的MCS-51單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言keil-C51作為軟件開(kāi)發(fā)工具，它表達(dá)能力強(qiáng)、可移植性好、便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)可以直接操作計(jì)算機(jī)硬件，對(duì)速度要求不是很

32、高的應(yīng)用場(chǎng)合是一種十分理想的開(kāi)發(fā)工具。4.1軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在軟件開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，我們采用了了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，使得軟件系統(tǒng)具有了模塊化的特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)是在70年代逐漸被采用的一種新型的程序設(shè)計(jì)方祛，它具有易讀、易查、易調(diào)試、編程效率高等優(yōu)點(diǎn)。軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模塊如圖4-1所示。智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊模塊數(shù)據(jù)管理模塊數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)對(duì)比數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)定數(shù)據(jù)信號(hào)采集A/D轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換 圖4-1軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)軟件分成通信模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)處理與分析模塊。服務(wù)功能為:將傳感器采集到的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換發(fā)送到單片機(jī)中;在單片機(jī)的系統(tǒng)中完成數(shù)據(jù)的處理并

33、傳給相應(yīng)的輸出模塊，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換來(lái)控制路燈。4.2程序設(shè)計(jì)4.2.1 設(shè)定時(shí)間程序在控制要求中有設(shè)定時(shí)間后（如23：30）自動(dòng)熄滅，下面的程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)供參考：/*功能：本程序在12M晶振模式下,通過(guò)定時(shí)器中斷精確實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)鐘計(jì)時(shí)操作，并在KEIL 中實(shí)現(xiàn)輸出。時(shí)、分、秒的變化在定時(shí)中斷里處理。說(shuō)明:因采用工作方式2，自動(dòng)裝入初值，所以此程序計(jì)時(shí)很精確，只是在KEIL中模擬輸 出顯示的變化速度很快，這點(diǎn)可不理會(huì)*/#include#include#define TEST/此行用于KEIL輸出顯示，如果不需要顯示可將其刪除typedef unsigned char uchar;typedef u

34、nsigned int uint;#define TH0TL0_INIT (256-250) /定時(shí)器8位自動(dòng)裝入模式下寄存器初值,0.25ms中斷一次char cHour;/時(shí)char cMin;/分char cSec;/秒uint iCount;/秒計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)達(dá)到4000時(shí)1s，4000*0.25ms =1000ms = 1s bitbSecChanged;/秒發(fā)生變化標(biāo)志，每秒送一次輸出顯示，送顯完成后清0，提高主程序效率/=/T0定時(shí)器中斷服務(wù)程序，12M晶振下每0.25ms產(chǎn)生中斷，本程序執(zhí)行一次/=void Timer0() interrupt 1iCount+;/秒計(jì)數(shù)值+1if

35、(iCount=4000)/時(shí)間計(jì)數(shù)達(dá)到1SiCount = 0;/重新開(kāi)始下一秒計(jì)數(shù)cSec+;/時(shí)鐘:秒+1bSecChanged = 1;/置秒發(fā)生變化標(biāo)志if(cSec=60)/計(jì)夠60scSec = 0;/重新開(kāi)始下一分計(jì)數(shù)cMin+;/時(shí)鐘:分+1if(cMin=60)/計(jì)夠60分鐘cMin = 0;/重新開(kāi)始下一小時(shí)計(jì)數(shù)cHour+;/時(shí)鐘:小時(shí)+1if(cHour=24)/計(jì)夠24小時(shí)cHour = 0;/重新開(kāi)始第二天計(jì)數(shù)/=/主程序/=void main()uchar outstr10;/輸出字符串 TMOD = 0X02;/工作方式2，8位自動(dòng)重裝計(jì)時(shí)模式TH0 = TH

36、0TL0_INIT; /0.25ms中斷一次TL0 = TH0TL0_INIT; /0.25ms中斷一次#ifdef TEST SCON = 0x50; /* SCON: mode 1, 8-bit UART, enable rcvr */ TMOD |= 0x20; /* TMOD: timer 1, mode 2, 8-bit reload */ TH1 = 221; /* TH1: reload value for 1200 baud 16MHz */ TR1 = 1; /* TR1: timer 1 run */ TI = 1; /* TI: set TI to send first char of UART */#endifcHour = 0;/時(shí)cMin = 0;/分cSec = 0;/秒iCount = 0; /秒計(jì)數(shù)bSecChanged = 0;outstr2 = :;/時(shí)分分隔符outstr5 = :;/分秒分隔符outstr8 = 0;/字符串結(jié)束符EA=1; /開(kāi)總中斷ET0=1; /允許T0中斷TR0=1; /啟動(dòng)T0while(1)if(bSecChanged=1)/秒發(fā)生變化,將時(shí)間值轉(zhuǎn)換為可顯示字符串準(zhǔn)備送顯示bSecChanged = 0;/清除標(biāo)志,節(jié)省CPU資源/-if(cHour=23)&