肖广兵 陈佳妮 孙宁 陈勇

摘  要： 介绍了以AT89C51单片机为核心控制单元的隧道智能调光系统。该系统由交直流供电模块、光照强度检测模块、AT89C51控制模块、上位机管理系统、道路监控等组成，利用无线传感网络实现通讯。通过对隧道内灯光照明的智能调控，使得光线在隧道内呈均匀分布，以保障隧道内车辆驾驶的安全性和舒适性。文章阐述了隧道智能调光系统的软硬件设计方案。该系统实现了对隧道内外光线的检测和智能控制，具有结构简单，操作方便等特点，能有效保障隧道路段的交通安全与通行能力。

关键词： 隧道照明; 智能调光; AT809C51; 无线传感网络

中图分类号：TP206.3          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2019）08-10-04

Abstract： The design of a tunnel lighting adjust system with AT89C51 is introduced， which includes AC/DC power module， illumination intensity detection module， AT89C51 microcontroller unit， PC administration system， real-time monitor， etc. It makes use of wireless sensor network to realize communication. The design of the systems software and hardware is introduced， which realizes the detection of the light change inside and outside the tunnel， and the intelligent control. The system has the characteristics of simple structure， convenient operation and so on， and can effectively ensure the traffic safety and traffic capacity in tunnel.

Key words： tunnel lighting; intelligent light-control; AT89C51; wireless sensor network

0 引言

隧道洞口光線的突变常会导致驾驶员出现视物不清的情况，易引发交通事故。因此，隧道口照明需要亮度渐变的过程，同时能够自适应外界光照变化。随着技术的发展，已经有一部分隧道将无线控制终端应用于隧道照明中[1]。然而绝大多数隧道出入口段仍依靠人工或分时段调控隧道灯亮度，这很大程度上限制了照明的灵活性[2]。王毅豪等将洞口照度作为分析参数，进行控制策略算法处理，从而下发控制指令。该系统以一定区域作为调光的单元，连接处容易产生反差，不能完全做到平稳过渡[3]。智能化照明是隧道工程研究的重要方向[4]，本文设计隧道智能调光系统，通过光敏电阻检测外界明暗变化，数据通过无线传感网络发送给上位机进行分析、决策，及时下达亮度调控指令，最后单片机利用脉冲宽度调制达成无极调节LED灯源亮度的目的。相对于传统的隧道照明，智能化调节隧道灯亮度可以自适应外界明暗的变化，及时更改洞口亮度，降低了黑洞效应致交通事故的概率，解决了人工与分时段调节的麻烦和时片大小问题，具有成本低，能耗少等优点[5]。

1 系统设计

隧道智能调光系统由交直流供电模块、光照强度检测模块、AT89C51控制模块、上位机管理系统、道路监控等组成，通过无线传感网络实现对数据的采集和灯光的调控。

照明灯的工作电源由220伏的交流电直接提供，通过整流电路转变为直流电为单片机供电。光照检测系统对外界光线变化实时监控，单片机通过无线传感网络将接收到的数据传送至PC终端，终端通过采集到的光照、天气、车流量等进行模糊计算制定方案，调节指令返回单片机[6]。AT89C51单片机接收到指令后，在现有亮度基础上利用脉宽调制（PWM）调光法加强或减弱灯源亮度，实现无极调控隧道灯亮度[7-8]。当隧道内外亮度差值过大，触发警报系统，由自动控制模式转为手动操控。智能调光系统结构如图1。

2 硬件电路设计

2.1 供电模块设计

AT89C51模块正常工作电压一般为4.5-5.5V的直流电压，而LED灯源连接使用220V的交流电。因此要将220V交流电分为两路，一路为隧道照明灯供电，另一路先通过变压器220：9转变为9V的交流电，在经过整流桥堆输出直流电，电容滤波后经过集成稳压块LM7805得到+5V的直流电。设置输入端和输出端滤波电容C1/C2，可以使电子电路的工作性能更加稳定，同时降低了交变脉动波纹对电子电路的干扰，限流电阻R1防止线路电流过大烧坏元器件，线路布置如图2。

2.2 AT89C51控制模块

AT89C51是一款带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，该模块包含的引脚功能有32个I/O口线，2个16位定时/计数器，6个中断源，它为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[9]。

图3是AT89C51的电路设计。单片机的晶振范围为0-24MHz，该系统选择12MHz。由亮度强弱变化产生的光敏电阻信号由AD转换器转换后串行发送到RXD接口（串行输入口），单片机将信息通过无线传感网络传送到上位机，上位机对处理后的亮度数据进行分析，将作出的决策返回单片机，由单片机控制灯源供电部分脉冲宽度从而增减光线强弱。

2.3 光照强度检测模块

光敏电阻能感知细微的光线变化，在无光照时，呈高阻状态，随着光照强度的增大，阻值降低。如果要读出精准的亮度值就需要将光敏电阻两端的电压接入LM358双运算放大器（如图4），利用ADC0809将电压的模拟量转变为数字量传送至单片机输入端[10]。LM358内部有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适用于所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

3 系统软件设计

上位机软件控制平台采用Visual Basic6.0 软件开发设计，界面的总体搭建模块来源于VB软件中的窗口控件。

如图5所示，系统主界面主要由亮度、控制、天气及设置四个部分组成，所对应的功能分别是外部光线变化趋势图;隧道灯的控制模式;外界天气情况的实时监测;软件界面调整。图5右上角三个按钮依次为报警器关闭按钮、退出登录按钮、路况监控按钮。而一旦外界与隧道入口段亮度差值超过极限，立即触发警报，需要手动关闭调节照明方案。

如图6所示，该系统软件的核心在于亮度的调控，即能够通过外界光照强度，依据光学公式计算入口灯光合适的亮度，从而实现自动化的调整。外部信息除去光线变化外，还包含天气实时更新、车流量监控检测等，管理人员可在自动化调光和人工调光中进行自动切换，依据天气、车流量等信息合理安排[11]。该软件分用户和管理员两个权限，用户具有浏览的资格，管理员具备更改软件设置和下达指令的权利。

图7是灯光的控制方案，其中Lth为经过光学公式计算后得到的入口段亮度，k取对应的入口段亮度折减系数，Lmin和Lmax是人工设定的最大最小亮度值，避免调整后出现过暗视野不清或过亮眩晕的情况。人工调整下的δ表示天气、车流量等因素引起的差值，调整值经过无线传感网络发送给单片机，单片机调整占空比实现隧道灯亮度的控制。

图8左侧是亮度调节的参数，最大/小值人为提前设定，避免灯光过亮引发眩晕或过暗无法保障视线清晰。推荐值为电脑计算所得最恰当亮度，自动调光状态选取该值作为调节值，人工控制依据车流量、天气等因素进行上下调节。图9右侧控制单个隧道灯明/灭，在保证光照调节值的前提下，使用尽可能少的隧道灯，隧道灯的工作状态遵循轮换原则，从而提高灯的使用寿命。

考虑到大气能见度会受气象条件变化影响明显，在特殊天气情况下人工调整公式中的δ值变大，图9界面为人工控制提供参考数据，实时更新天气状况，保障了调整方案的可靠性。

4 结束语

本文利用AT89C51模块实现了隧道灯的智能化调节功能，将自动控制技术应用到隧道照明系统中，减少了人工管理的繁琐。该设计方案控制简单，紧急情况下可以自控与人工灵活切换，妥善处理各类隧道照明问题。AT89C51外围电路简单，性价比高，能满足一般的使用要求，可以方便的在其他应用中实践。本文仅考虑人眼的舒适性，而如今节能是隧道研究的重要方向，所以，节能基础上的智能调光是进一步的研究目标。

参考文献（References）：

[1] 傅晓明，柴广跃，钟海涛，田劲东，刘文.基于ZigBee的LED智能照明定位应用研究[J].照明工程学报，2017. 28（5）： 32-41

[2] 李丹丹.隧道照明智能控制系统研究与实现[J]. 价值工程， 2013.32（33）：102-103

[3] 王毅豪，袁钢.高速公路隧道LED灯智能调光系统设计与实现[J]. 中国交通信息化， 2017.12：123-126

[4] 朱应昶， 肖辉. 城市道路照明智能化研究[J]. 照明工程学报， 2017.28（5）：16-19

[5] 周华妹，周华安，李端峰，毛元方.基于ZigBee的隧道照明智能控制系統研究与实现[J].测控技术， 2019.38（2）：69-74

[6] 黄芝龙.基于模糊控制的高速公路隧道照明节能系统的设计与实现[D]. 华中师范大学，2018.

[7] 孟庆伟.具有PWM调光功能的无电解电容LED照明驱动研究[D].西南交通大学， 2017.

[8] 陈光勇.浅谈公路隧道照明调光方案比选[J]. 中国交通信息化， 2018.9：135-137

[9] 孙波，刘士彩，郭帅，李昊朔，张志勇.基于AT89C51单片机的烟雾报警装置设计[J]. 实验室科学， 2018.21（6）：45-50

[10] 宗素兰，张翠侠.AT89C51系统中的A/D转换仿真研究[J].宿州学院学报， 2018.33（7）：119-121

[11] 魏清华，梁波.基于车辆行为信息感知的隧道照明亮度自动调节系统[J]. 现代电子技术， 2019.42（2）： 94-97，102