郭玉秀，黄跃祖

（铜陵学院，安徽 铜陵 244000）

0 引 言

随着经济的迅猛发展和城市现代化的快速推进，城市的夜间光环境和城市风貌成为城市风貌的重要组成部分，而城市的夜景照明获得了人民的高度重视。美丽的城市夜间面貌不仅为人民创造了良好的夜间环境，而且从侧面显现了这个城市的经济发达程度、文化氛围以及人民生活的生活环境。城市的亮化工程一度被作为一个城市经济文化发展的名片，对树立一个良好的城市形象具有非凡的意义[1]。

1 小区亮化工程的设计

1.1 小区亮化工程的总体框架

小区的亮化设计涵盖以下几个部分，如图1、图2所示。

图1 小区亮化工程总体框架

图2 小区亮化工程总体布局

1.2 小区广场亮化设计

此次设计中，广场中央的圆形场地上设计一个16×16彩灯矩阵，可显示不同的图案及颜色。在夜间，彩灯矩阵可动态显示，可根据客户的实际需要，通过编程来显示不同图案以达到不同的效果。彩灯布局如图3所示。

1.3 小区亮化工程设计要求

此次设计为某小区的室外景观亮化工程，小区的照明平面设计如图2所示。整个小区的亮化照明系统涵盖6个板块，分别是建筑物照明、广场照明、道路照明、绿化景观照明、广告及标志照明和水体照明。其中，道路照明作为最基础最重要的照明部分，设计要求其无论在何时只要当环境亮度低于设定值，如极端天气条件下、自然光不能提供基本光照时，道路照明系统都应能提供照明。而其他照明板块需满足节能要求，即只有在特定的时间和特定光照环境下才会启动。

以往的照明控制中，通常是人工控制亮化工程的开关。人工控制不仅具有不确定性，而且效率低下。但是，采用定时器做控制器的亮化工程，由于自然条件的影响，亮化设施难以根据环境因素进行控制，常常有着天黑灯不亮、天亮灯不灭的问题，是对照明设施、电力能源的一种极大浪费。因此，此次设计要求控制系统更加智能、对环境反应应更加灵敏，但不能去除人为控制操作。

图3 广场彩灯示意图

2 基于AT89C51的硬件电路设计

2.1 工程设计的主要功能

为实现节能智能控制器的设计目标，需具有下列主要功能。

（1）系统以AT89C51单片机为核心的控制方式，采用自动和手动相结合的方式，分有二级优先级。高优先级对整个装置的运行和停止实现手动控制，即可手动开关装置；低优先级为装置自动运行，可以省去人工反复操作的麻烦。

（2）对小区照明的控制。当小区环境的亮度没有达到要求即光线太暗时，灯自动打开。当亮度达到要求时，灯不打开，这需要用到光敏传感器不断采集小区环境的光亮度，并对数据进行比较。另外，可根据需要对不同区域灯进行选择性控制。

（3）小区照明工程分有若干个子系统，需要对所有的照明设施进行统一控制，而单片机难以驱动过多的LED，需要通过中间继电器达到对所有电路控制的要求。

该控制器以低功耗、高可靠性的AT89C51单片机作为核心控制部分，通过对亮度信息的采集和软件编程，达到自主控制的要求。

本次亮化工程（如图4所示）采用的单片机为美国ATMEL公司制造的AT89C51单片机。单片机全称为单片微型计算机，是把构成微型计算机的各个部件布置在一块集成片上，芯片共有40个引脚。作为集成电路和微型计算机技术快速发展的产物，单片机体积小，容易嵌入系统，便于用户对机器进行检测和控制[3,6,8-9]。单片机的正常运行需要时钟电路和复位电路两个外围电路，它们是所有单片机控制系统设计的第一步。单片机外围电路图，如图5所示。

图5 单片机系统外围电路

（1）震荡电路：本次设计使用的是内部振荡器方式构成时钟脉冲振荡电路。输入引脚为单片机的19号引脚（XTAL1），输出引脚为芯片的18号引脚（XTAL2）。这两个引脚通过连接电容和石英晶振构成一个自激振荡器。

（2）复位电路：复位电路可使单片机进行初始化操作，其工作原理是利用在XTAL1和XTAL2号引脚上施加大于2个机械周期的高位电平使其进行复位[11]。

2.2 单片机驱动电路

图6为小区亮化控制系统的电源模块的电路原理图。它根据无间断电源系统原理设计的AT89系列单片机采用常规的DC 5V电压供电。电源先由AC220VAC9V/15W变压器降压变成AC9V，然后经二极管全波整流桥整流、电容滤波形成直流电，其次经过稳压芯片7812稳压后输出电压为9 V的直流电[7,10]。因为系统工作电压是5 V，所以在7812的输出端需要另接一个7805稳压芯片，用来输出5 V的工作电压。为防止供电故障，还有一个小型电池组也为系统提供了5 V的工作电压。在7805停止供电的后，电池组会为系统继续提供电源，从而保证系统不掉电。当电池组检测到电压不足时，会自动充电。

2.3 光亮度采集与处理电路

光亮度测量电路是由光亮度传感器光敏三极管、ADC0804数模转换器和AT89C51单片机三部分组成的。当光照射到光敏三极管上时，光敏三极管输出的电压信号与光照强度成正比。因为单片机只能识别数字量，所以光亮度测量电路中通过ADC0804模/数转换器将光敏三极管输出的电压信号转换成数字信号，然后传送给单片机AT89C51单片机经过内部的运算与处理便可得到当前的光亮度值。将这个值与所设定的光亮度值进行比较，从而控制亮化系统的开通和关闭[2]。光亮度测量电路图，如图7所示。

图6 单片机驱动电路

图7 光亮度采集与处理电路

2.4 中间继电器控制模块

继电器是一种控制器件，利用电磁或其他器件，在输入量如声、光与电发生变化时，控制电路开断或输出量变化[7,10]。图8为继电器控制模块。当P1端口有信号时，驱动三极管使继电器闭合，达到对电路的控制。二极管起到了对继电器保护的作用。

图8 继电器控制电路

2.5 串行通信接口模块电路

由于本设计中的单片机AT89C51内部有一个通用异步接收/发送器（DART）工作方式的全双工串行通信接口，能够在串行发送时接收传来的数据。因此，在此控制系统中采用异步全双工串行通信方式。通过这种通信方式将编译好的用户程序下载到单片机AT89C51内，从而对小区亮化工程控制器进行调试。

此设计中的串口通信接口电路结构较简单，在单片机 AT89C51串行口的P3.0、P3.1（RXD，TXD）引脚上加上MAX232电平转换器，再连接到RS-232C串行通信接口的（RXD，TXD）引脚上，从而简单快捷地组成标准的串口通信接口电路。RS232C串行通信接口电路，如图9所示。

图9 RS-232串口通信接口电路

2.6 键盘模块设计

本次亮化设计因只有6个控制模块，设计中将AT89C51单片机的P1.0～P1.6口当做开关输入，分别控制道路基础照明、广场照明、绿化景观照明、户外广告及标志照明、水体照明和建筑物照明等。按键接口图，如图10所示。通过软件程序编写，用按键控制不同的操作。

图10 键盘模块电路

2.7 LED驱动电路的设计

市面上常见的LED基本都采用直流电点亮，因此在220 V交流电与LED之间需加装电源适配器，也就是LED驱动电源。LED驱动电源可驱动正向压降在3～4.3 V的LED。电容降压电路是比较常见的小电流电路，由于其具有占用空间小、电流恒定和制作成本低等优点，常用于LED驱动电路中[4-5,12]。

图11为一个采用电容降压的实用LED驱动电路。该电路与目前所用的大部分应用电路的不同在于连接有圧敏电阻（瞬变电压抑制二极管）。压敏电阻（瞬变电压抑制二极管）能在电压突变时（如雷电、大用电设备启动时），瞬间有效地把突变电流泄放，从而达到保护LED和其他晶体管的目的。图11中VD1～VD4的作用是整流，即将交流电整流为脉动直流电。VD1～VD4可选用1N4007系列的整流二极管。C1、R1、RV1、L1和R2组0RV2，为整流后的滤波电路。电容降压式驱动电路可

以有效防止LED被瞬间高压击穿损坏，如图12所示。总电路图，如图13所示。

图11 具有滤波电路的LED电容驱动电路

图12 小区广场彩灯点阵电路图

图13 小区亮化工程控制电路

3 亮化工程的软件设计

本设计中选用单片机C语言在Keil uVision2 IDE集成开发环境下开发节能智能控制器的软件程序。

设计中采用Keil uVision2 IDE集成开发环境开发系统的全部软件程序，并通过编译生成单片机可以识别与执行的HEX文件，再通过STC-ISP-V483.exe软件将这个HEX文件经过串行通信接口RS-232C烧录进单片机AT89C51内部FlashRAM中。程序运行时，需实现光亮度采集，并将采集到的参数数据与预设值进行比较，根据比较结果通过执行机构控制小区亮化设施的开关。

3.1 主程序模块

节能智能控制器运行后，首先必须进行初始化与开中断，提前预设好亮度参数后，开始采集光亮度值。优先判断亮度是否达到预设值，如果没有，无论是否在17:00到7:00之间，节能智能控制器都保持道路基础照明端口通电。若在17:00到7:00之间，则保持全部亮化端口通电。在设计控制器软件程序前，首先需要制定相关的程序流程图，便于程序的调试、修改和移植。主程序流程图，如图14所示。

3.2 时钟子程序

此次设计中，为了提高单片机的使用效率，降低成本，使硬件电路设计更简单，时钟的设置并不使用专用时钟芯片，而是直接利用单片机内部含有的定时器和计数器相互配合，然后通过编程实现。该时钟功能是为了实现超越7:00到17:00范围内节能智能控制器自动选择关断不必要的亮化设施。时钟子程序流程，如图15所示。

图14 主程序工作流程

图15 时钟子程序流程

3.3 亮度数据采集

本系统的数据采集判断用逻辑0和1来定义。当时间不在17:00到7:00范围内时为逻辑0，在此范围内时为逻辑1；小区的光亮达到预设值时为逻辑0，没有达到预设值时为逻辑1（亮度达到预设值时应断开照明，反之应闭合）；启动为逻辑1，断开为逻辑0。关系即采集参数的逻辑分析，如表1所示。

表1 采集参数的逻辑分析

3.4 广场彩灯点阵

16×16 LED点阵扫描显示时，单片机通过P0和P2口控制列的输出，P1口低4位通过译码器控制行扫描，P1.4和P1.5通过译码器控制LED颜色，如表2所示。

表2 颜色控制端口

LED显示屏利用点阵的方法，通过扫描行数据，利用视觉残留达到显示图像的方式。由于进行行数据编译时十分费时，因此这里使用字模生成器来简化步骤。

4 智能控制器的仿真与调试

此次设计中，硬件电路部分根据控制器的实际需要通过软件proteus进行电路原理图的绘制。软件部分则通过Keil uVision2采用C51语言编译。设计完成该控制器的硬件和软件后，开始程序的编译。然后，利用PZ-ISP V1.48软件将之前编译好的程序通过连接计算机与该控制器的USB串口电缆，烧录到单片机内部的FlashRAM内。PZ-ISPV1.48烧录程序界面如图16所示。

图16 PZ-ISPV1.48烧录程序界面

4.1 智能控制器调试及仿真结果

小区亮化控制器的仿真调试结果显示有很多问题，经过不断的检查与修改，问题最终得到解决。该控制器在调试仿真时遇到的问题和解决方法如下。

问题1：在电力系统断电后，控制器内部的计时程序总是恢复初始值。

解决方法：为了解决突然断电问题，该控制器增加了后备电源供电措施，平时利用市电供电，停电时使用后备电源保持控制器的不间断工作。

问题2：在面临外界非自然光因素干扰时，由于系统只有一个光感应器造成了系统的误判，导致照明设施无法开启或浪费电能。

解决方法：将光敏电阻布置在人为因素干扰较少的地方，如楼顶等高处，并增加手动控制方式。当照明设施因光敏电阻误判而无法关闭时，可手动关闭，然后及时检查光敏电阻。

4.2 广场彩灯控制器仿真及调试结果

广场彩灯点阵是在16×16 LED点阵的基础上进行颜色控制升级达到的控制效果。简单来说，同时控制三块红、蓝、绿16×16的LED点阵，即对一个16×48的LED点阵进行控制。在对硬件的不断调试和对软件多次修改后，最终利用实物仿真达到了理想状态，仿真结果如图17所示。

图17 广场彩灯控制器实物仿真

这里，广场彩灯点阵使用的是LED点阵进行模拟仿真。相比软件仿真，硬件仿真能发现更多问题。此次，LED点阵设计和以往的设计并不相同，需要同时对三种颜色不同的LED点阵进行控制。

5 结 论

本文选取具有代表性的小区亮化工程进行设计验证，旨在为居住者提供较好的夜间生活环境，满足居民对生活场所的需要。作为城市基础建设的重要组合部分，亮化工程对提高居民的生活质量具有非凡的作用。简单地说，亮化设计是如何让城市在夜间亮起来。但是，作为一个现代化的城市不会只提供基础的道路照明。怎样让城市在夜间更美丽，如何让城市居民的夜间生活更美好，是人们要思考的问题。夜间亮化工程带来的不仅是对大众基本生活的提升，而且极大地丰富了人们的精神，促进了城市发展。因此，本文通过对某小区亮化工程进行设计，设计研究基于单片机的亮化智能控制器，力求构建一套更加人性化、系统化、智能化且更节能环保的小区亮化控制系统。

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