智能光控路灯设计

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拟，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根本原理，设计了一台基于光敏电阻，集成电压比拟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；集成电压比拟器；单片机精品文档欢迎下载目 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拟 .11.2 光控路灯电路的根本原理.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 集成电压比拟器 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.13精品文档欢迎下载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开展。目前各种

3、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，而且防止了手动控制的麻烦，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，使得光控路灯

4、控制器得到了快速的开展和广泛的应用。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拟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拟，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拟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及一些户外公共场所好控制方式性能精

5、品文档欢迎下载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，晚上翻开，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：在各种路灯控制方式中，对于道路两旁以及

6、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正确的路灯控制方案。1.2 光控路灯电路的根本原理光控路灯的根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拟，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到达的两个目的： (1)精确性：要求在一定的光照强度下，路灯能够准确的点亮或熄

7、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，防止路灯频繁的点亮和熄灭。电路局部主要包括：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、集成电压比拟器 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电阻、光敏二极管、光敏三极管和

8、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)；当受到精品文档欢迎下载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设定

9、好的电信号的大小进行比拟，通过比拟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拟多，可以由各类集成元件来实现，通常有 555 定时器，电压比拟器等。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 电压比拟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拟后输出的结果，来控制路灯的亮与

10、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。为实现精确的上下电频控制，选着单片机来控制。2 系统方案设计2.1 光控路灯电路整体设计思路本设计的光控路灯电路由三局部组成：光电变换电路、信号鉴幅电路和单片机驱动路灯电路，其根本的原理框图如图 2.1 所示。精品文档欢迎下载图 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，图中标出了电路的根本组成局部，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，

11、再经电容进行滤波后，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 集成电压比拟器，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，比拟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

12、变阻器的分压，电压比拟器输出低电平，单片机通过程序来控制发光二极管不亮；黄昏光照减弱，光敏电阻的阻值逐渐升高，当光敏电阻精品文档欢迎下载阻值大于滑动变阻器阻值时，集成电压比拟器的同相输入端电压高于反相端电压，比拟器输出高电平，单片机再通过程序来控制二极管点亮，在二极管由亮到灭或是由灭到亮的变化瞬间要延时一段时间。调节滑动变阻器的阻值，可以改变路灯的起控点。在实际电路中，路灯与控制电路被别离，通过发光二极管的状态便可知道路灯的开关状态。图中电容 C3 起抗干扰作用，由于电容两端电压不会发生突变，当光照强度由于外界偶然因素突然改变时，电容 C3 会起到延迟的作用，从而提高电路的抗干扰能力。否那么，

13、在黄昏路灯的起控点附近由于光照强度不稳定，会造成比拟器的上下电平频繁交替输出而引起路灯频繁闪烁，影响电路的稳定性。2.3 光控路灯电路中 AT89c51 单片机程序编写 光控路灯电路程序编写如下：ORG 0000HSTART: MOV A, #0FFH MOV P1, A CLR A CALL DELAY1LOOP1: JB P1.0,LOOP3 ;假设 p1.0 为 1，那么发生转移LOOP2: CALL DELAY1S JB P1.0, LOOP3 MOV A ,#0FFH ;假设 p1.0 为 0，那么灯熄灭 MOV P0, A CALL DELAY1 JMP LOOP1LOOP3: C

14、ALL DELAY1S JNB P1.0, LOOP2 ;检测光照弱时有灯光照射 MOV A, #00H ;假设 p1.0 为 1，那么灯点亮 MOV P0, A CALL DELAY1 JMP LOOP1DELAY1: MOV R2, # 0FEH ;延时 513 微秒DELAY2: DJNZ R2, DELAY2 RET精品文档欢迎下载 DELAY1S: MOV R5, #10 K1: MOV R6. #0FFH K2: MOV R7, #80H K3: NOR DJNZ R7, K3 DJNZ R6, K2 DJNZ R5, K1 RET END3 系统方案中核心元件的工作原理3.1 光

15、敏电阻的工作原理光敏电阻属于光电导器件，基于半导体的光电导效应制成的光敏器件。在物质外表受到辐射光的照射后，材料的电学性质发生了变化电导率改变、发射电子、产生电动势等的现象为光电导效应。是入射光子改变物质电导率的一种物理现象，这种现象几乎在所有的半导体中都能观察到。 半导体导带内载流子的数目决定了半导体的导电能力。当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，分别在导带和价带中形成电子和空穴，光照增强时，产生的电子空穴对也愈多，阻值就越低，光照消失时，电子空穴对逐渐复合，电阻值又会变大。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照强度增大而增大。在半导体光敏材料两端装上引线

16、，将其封装在带有透明窗的管壳里就形成了光敏电阻，其结构、示意图及图形符号如图 3.1 所示。为了增加灵敏度，两电极常做成梳妆，构成材料主要是金属的硫化物、硒化物等，本设计中采用CdS 光敏电阻。 CdS 光敏电阻的光敏特性：(1)光电灵敏度：在自然光下阻值约为 1K，暗电阻可达 2M，强光下阻值仅为几百欧姆；(2)光谱特性：不同波长的光照射，其响应灵敏度不同，而各种光敏电阻的光谱响应的峰值波长也不相同。硫化镉的峰值在可见光区，而硫化铅的峰值在精品文档欢迎下载红外区，在选用光敏电阻时要把元件和光谱特性结合起来。图 3.1 光敏电阻器结构、示意图及图形符号1.透光窗 2.外壳 3.光敏材料 4.绝

17、缘子 5.金属管座 6.引线(3)温度特性：温度升高将导致暗电阻和灵敏度下降，同时温度变化也影响光敏电阻的光谱特性曲线，随着温度升高，峰值波长向短波方向移动。3.2 集成电压比拟器 LM339 的工作原理电压比拟器是对输入信号进行鉴幅、比拟的电路，能够将模拟信号转换成数字信号，即输出不是高电平，就是低电平，在测量和控制中有着广泛的应用。在电压比拟器电路中，集成运放工作在非线性区，对于理想运放，由于差模增益无穷大，只要同相输入端与反相输入端之间有一定小的差值电压，输出电压就将到达正的或负的最大值。 LM339 类似于增益不可调的运算放大器，其集成块内部装有四个独立的电压比拟器，管脚分布如图 3.

18、2 所示。 “+表示同相输入端， “-表示反向输入端，用作比拟两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压，另一端加一个待比拟的信号电压。当“+端电压高于“-端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-端电压高于“+端时， 。输出管饱和，相当于输出端接低电位。设计中采用第三个电压比拟器，其中 12 脚接地，用 12V 电源接 3脚为其提供工作电压；8 脚内接比拟器的反相输入端，外接滑动变阻器的一端作为参考电压；9 脚内接比拟器的同相输入端外接光敏电阻的一端作为待比拟信号电压；14 脚内接该比拟器的输出端，外接单片机输入端。当两个输入端电压差异大于 10mV，就会从一种状态转换到另一种状态。

19、因为 LM339 的输出端相当于一个集电极不接电阻的晶体三极管，当三极管截止时，它的集电极电压根本上取决于上拉电阻与负载的值，因此在使用时 14 脚到正电源之间接了一个3K的上拉电阻选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。精品文档欢迎下载 图 3.2 LM339 管脚分布 LM339 可构成单限比拟器、 迟滞比拟器 、双限比拟器、振荡器等。设计中将 LM339 构成了单限比拟器电路，用12V 电源供电。当同相端电位大于反相端电位时，输出高电平；当同相端电位小于反相端电位时，输出低电平，其电压传输特性如图 3.3 所示。 图 3.3 单限比拟器传输特性LM339 集成电压比拟器的特点是：(1

20、)电压失调小，一般为 2mV；(2)共模范围很大，为 0Vcc-1.5V ；(3)比照拟信号源内阻限制大；(4)电源电压输出范围宽，单电源一般为 2-36V；(5)差动输入电压范围宽，大到可以接近电源电压；3.3 单片机 AT89c51 的工作原理精品文档欢迎下载MCS51 单片机的片内结构按功能划分由如下功能部件组成：（1）微处理器CPU （2）数据存储器PAM （3）程序存储器ROM/EPROM（4）4 个 8 位并行 I/O 口P0 口，P1 口，P2 口，P3 口（5）1 个串行口（6）2 个 16 位定时器/计数器（7）中断系统（8）特殊功能存放器SER 图 3.4 89c51 双列

21、直插封装方式 它的功能特点是：体积小、本钱低、易做成产品；稳定性高，适应温度范围宽；控制功能强；应用广泛，可以方便的实现多种机械控制和分布式控制系统。89c51 单片机的引脚如图 3.4 所示，40 只引脚按其功能来分，可分为如下 3类： 1电源及始终引脚：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2。 2控制引脚：、ALE、RESET(即 SET). 3I/O 口引脚：P0、P1、P2、P3，为 4 个 8 位 I/O 口的外部引脚。 用到的局部引脚及相关功能为：40 脚接 5V 电源；20 脚接地；9 脚为复位信号输入端，当输入为高电平有效，单片机运行时，只有在此引脚加上持续时精品文档欢迎下载间

22、大于 2 个周期的高电平，才可以完成复位操作；19 脚内接反相放大器的输入端，而 18 脚内接反相放大器的输出端，两引脚外接一个晶振为单片机提供时钟控制信号；31 脚具有复用功能，第一功能 EA 为内外程序存储器选择控制端，当 EA 为高电平时，单片机访问片内程序存储器，当 EA 接低电平时，不管是否有内部程序存储器，单片机都访问外部程序存储器，第二功能 Vpp 用于施加较高的编程电压，这里的编程电压为 5V；1-8 引脚为 P1 口，是 8 位准双向 I/O口，可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载，在设计中只用 1 脚作为输入端来接受鉴幅信号电路的输出信号；32-39 引脚为 P0 口，是

23、双向 8 位三态 I/O 口、地址总线低 8 位及数据总线复用口，可驱动 8 个 LS 型 TTL 负载，本设计中用 P1.0-P1.5 作为输出口接发光二极管，控制二极管的亮与灭。4 系统方案的主要特点 (1)路灯控制的精确性与可调性 本设计中采用了集成电压比拟器作为信号鉴幅电路的核心元件。对于集成电压比拟器来说，只要同向输入端与反向输入端之间有很小的差值电压，就会影响比拟器的输出。也就是说，只要光敏电阻阻值与滑动变阻器阻值之间有很小的差值，就能决定电压比拟器的输出，实现路灯精确的点亮或熄灭。路灯的点亮或熄灭由光敏电阻阻值和滑动变阻器阻值共同决定，当光敏电阻阻值大于滑动变阻器阻值时，路灯点亮

24、；反之，路灯熄灭。调节滑动变阻器的阻值，可以改变路灯的起控点，实现路灯在一定的光照强度下点亮或熄灭。 (2)应用单片机的灵活性 用单片机可以灵活的驱动路灯在何种光照强度下亮与灭，同时可以用延时时间来控制由于其他光照带来的光照强度变化而引起的路灯频繁闪烁；另外使得电路简单，易于调试。 (3)路灯控制的延迟功能在设计时考虑到外部偶然光照对光敏电阻的影响，在光敏电阻两端并联了电容器。这样光控路灯就具备了延迟功能，增强了电路的抗干扰能力。改变电容器的大小，可以改变延迟时间和电路的抗干扰能力。精品文档欢迎下载5 设计过程中出现的问题及解决方法用光照强度对路灯实现自动控制，在许多书籍和杂志中都有介绍。?新

25、颖实用分立元件电子制作 138 例?中介绍了一例光控自动照明灯，其电路如图 4.1 所示，?电子制作?杂志 2000 年第四期也介绍了一例简易光控路灯电路，其电路如图 4.2 所示。容易看出这两例光控路灯电路的根本控制原理是一致的，即用晶闸管的导通与关断对路灯的亮灭进行控制，图 4.2 电路是对图 4.1 电路的改良和完善，图 4.1 光控自动照明灯其根本的工作原理是：220V 交流电经继电器 J 降压、桥式整流把直流电压加到由 Rl、RdS 串联组成的分压电路上，有光照时，RdS 阻值较小，其上压降很小，可控硅 V 因触发信号减小而截止，J 失电，常开接点 J2 断开接触器 C 线圈电源，接

26、触器不动作，灯熄灭。光线暗时，RdS 上的压降会升高，可控硅 V 被触发导通，继电器 J 动作，灯点亮。C 为抗干扰电容，用于消除夜晚来临或早晨光照到达 RdS 临界状态时使继电器 J 触点发生抖动，造成灯光闪烁。白天 J 不动作，常闭触电 Jl 闭合接通 C 的放电回路把剩余电荷释放掉。由于可控硅两端所加为脉动直流电压，电压过零时会自行截止，所以当光照增强 RdS 阻值减小时，可控硅 V 会因没有足够的触发信号而由导通状态变为截止状态 。精品文档欢迎下载图 4.2 继电器光控路灯参照其电路图进行了制作，发现可控硅被导通以后，即使 RdS 阻值很小，可控硅 V 仍维持导通状态，无法断开，这就造

27、成了灯泡被点亮后不会自行熄灭认真分析了上述的两例线路，由于可控硅 V 内存在结电容效应且其触发电流很小，可控硅 V 被导通后很难自行断开，线路对可控硅参数要求很高，这就造成了电路调试非常困难。为了防止可控硅被导通后无法自行断开，我考虑单片机的输入和输出都是严格的高电平和低电平两种状态，所以三极管的基极电位应该只有高电平和低电平两种状态 。但是光敏电阻两端电压的变化是连续的，要实现信号由连续状态变为只有上下电平两种状态，想到电压比拟器有此功能，用电压比拟器的输出端电位控制单片机的输入和输出，再由输出来控制路灯的点亮和熄灭。集成电压比拟器和单片机都需要工作在低电压条件下，采用这两个元件可以实现对路

28、灯的低压控制，这就增加了控制电路的平安，防止了使用图 4.2 电路中的保险丝。在光控路灯电路的实际应用中，控制电路与路灯回路必须被别离，防止路灯的光线照射到光敏电阻上，造成电路无法正常工作。结束语 通过对以有的光控自动照明灯电路和继电器光控路灯电路分析，得到了采用单片机来实现开关路灯电路的智能控制，集成电压比拟器来实现电压的精确控制，光敏电阻实现对光照强弱的感应控制；还介绍了光控路灯电路核心元件的工作原理。未来将会出现白天通过光照来给路灯电容充电，夜晚放电，再经过智能光控路灯电路实现街道照明，从而实现更加节能路灯控制。精品文档欢迎下载参考文献1郭培源，付扬.光电检测技术与应用M北京：北京航空航

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