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1.1.1国外路灯现状 2
1.1.2国内路灯现状 2
1.2课题研究的目的及意义 3
2系统总体方案设计 6
2.1智能路灯节能控制系统的构思 6
2.1.1传统节能方法 6
2.1.2智能控制的节能方法 6
2.2系统总体设计方案 7
2.2.1系统原理简介 7
2.2.2系统设计方案 8
2.3系统框图 10
3硬件部分设计 11
3.1STC12C5A60S2单片机 11
3.2光照检测电路的设计 15
3.3红外光电传感器检测电路的设计 16
3.4外部时钟电路设计 16
3.5控制路灯亮灭电路设计 17
3.6显示电路的设计 17
3.6.1LCD1602主要技术参数 18
3.6.2LCD1602显示原理 18
3.7按键部分电路设计 19
3.8串口转并口电路的设计 19
3.9电源电路的设计 20
4系统软件设计 21
4.1系统软件设计 21
4.2系统主程序 21
4.3定时时间子程序 23
4.4键盘扫描子程序 24
4.4显示子程序 26
4.5中断服务子程序 27
5综合调试 29
5.1硬件电路制作与调试 29
5.2系统软件调试 29
结论 30
致谢 31
参考文献 32
附录A 硬件原理图 33
附录B 程序代码 34
附录C 实物图 55
绪论
随着经济的飞速发展，国内能源现状已呈现出能源消耗远大于能源供应的状况。
最新能源报告指出，虽然能源的缺少并非中国发展的绝对障碍，但目前国内面临资源的短缺却比过去任何时候都严重。
国内电力供应缺口很难在短时间内得以缓解，发展与节约并重，已成为经济发展的主导性策略[1]。
路灯是城市照明工程的主要部分，在夜晚路灯的照明起着非常重要的作用。
虽然路灯在城市中起着重要的作用，但是同时也在消耗着大量的能源。
在城市中，除了主干道以外，还有很多的次干道和一些小且偏僻的路段，这些路段在夜晚的人流量和车流量都比较小，特别是在半夜12点以后。
但是即使这些路段没有人或车经过，这些路段的路灯也是长期点亮的，造成了电能的白白浪费。
其实很多路段真正有效的照明时间只占总照明时间的25%-35%，说明大部分的电能都浪费了。
如果某市一年的城市照明费用是4亿元左右，那么浪费的费用高达2.8-3.0亿之多。
在能源紧张的今天，很多城市存在电力不足的情况，这种严重浪费的现象不仅影响经济的发展而且与建设节约型社会的要求不相符合。
如果采取一种新的控制方式，比如说深夜在没有人与车通过时路灯会自动关闭，那么就可以有明显的节能的效果[2]。
近几年来看，单片机技术发展迅猛，以微处理器技术和超大规模集成电路技术发展为先导，单片机技术发展拉动了广泛的应用领域。
单片机使用寿命较长、低电压供应、低功耗、体积小方便、性价比高并且可以进行远程调试。
单片机应用及其广泛，在智能仪表中应用可促进仪表多功能化、智能化、数字化；
在家用电器中应用于洗衣机、微波炉、电冰箱等；
在工业过程中应用于机器人控制、雷达导航控制以及路灯的控制[3]。
控制路灯系统中，单片机可以完成模拟量和开关量的采集、计算、处理。
然后输出控制信号控制设备工作。
所以单片机应用在智能路灯的控制中极其重要。
1 智能路灯控制系统概述
1.1国内外路灯控制技术
1.1.1国外路灯现状
近几十年来，国外照明节能技术有了很大的发展并且也在广泛的使用。
介绍以下几种广泛应用的方式：
风能海滨路灯技术。
这是一种以风力发电为能源的路灯，原理与与涡轮机路灯的工作原理有相似之处。
由于哥伦比亚的海滨地区无可接通电缆，为了解决这个区域的照明问题，设计师因地制宜地设计了这款风能路灯。
它以天然的竹子为原料灯体是竹筒，这些竹筒有序地螺旋排列于灯柱上。
螺旋状灯体与竹筒的外侧的尖角大大地提高了风能的利用率，也完成了照明的工作[4]。
LVD无极灯。
无极灯就是电磁感应灯，灯管内没有传统的灯丝与电机，用于专用的集成电路的高频镇流器。
发射高频电波能量，通过电磁感应并绕有线圈的磁环套在灯管外，将高频电波能量耦合进充有混合惰性气体和汞合金的放电灯管内，管内带电粒子运动使汞合金分子发生电离与激发，产生紫外分子，这些光子打击涂有荧光粉的壳内壁上，就会产生可见光辐射。
绿色的无极灯高光效、长寿命、无频闪、环保。
采用了有源功率因数补偿，在电源电压变动下可恒压供电。
其缺点是发光角度不可控，靠光学反射提高光源利用效率，受发光特性局限。
初期成本较高，但运行成本低[4]。
高压钠灯。
工作电路中除了灯泡，还要有内外触发高压钠灯相应的电路。
有镇流器、灯泡、触发器等电路组成。
正常工作时要求外触发高压钠灯燃点电路外触发高压钠灯燃点电路中要有配套镇流器串联使用外，还要在灯泡两端并联一个触发器才能使高压钠灯正常工作。
使用寿命长，是单管的两倍。
两管交替使用，可以自动更换另一管工作。
遇到突发状况，立刻就可以重新启动。
其缺点是不能热启动、频繁启动光源容易损坏、有闪频、有眩光刺眼、有汞污染并长生大量的废弃光源。
运行成本高，不环保，性价比低[4]。
1.1.2国内路灯现状
目前国内的市场上有多种路灯节能控制的产品，能达到一定节能效果，但是在功能和效果方面还不是很完善，主要有以下几种方式：
分档位电磁降压节能技术。
一般以自耦变压器，按照着不同的时间段来分档位进行调整电压，然后输出给负载比较合适的电压值，以达到既省电又保证照明要求的目的。
还可以对路灯进行软启动，故障自动旁路，分时段进行自动降压，对电网无污染，投资少回报快，安装简便。
其不足是反应速度较慢，用电高峰期时电压降到非稳定区，容易造成灯光闪，不能自动调节，同时如果电压突然升高，则不能避免灯受到电压的瞬时高压冲击，对灯本身的保护能力差。
相对来说稳压功能也较差，其效率也普遍偏低[5]。
可控硅调压节能技术。
可控硅是比较传统的电力电子器件，该技术的原理是利用可控硅在路灯配电柜或箱式变处让交流电压在一个周期内间断的通过或断开来达到低电压的目的，但是不足之处是可控硅交流调压会产生高次谐波和线路振荡。
产生谐波会污染电网，使荧光灯及气体灯小停并且闪动，降低灯泡寿命及一些相关附件的使用寿命，不绿色不环保。
国家相关的规定已明令禁止使用这种无功补偿技术设备。
以系统节约电能滤波形式，主要是有净化电网，补充无功功率，补偿电网的功能，但是仍然缺少实际节电效果[5]。
路灯无线监控系统。
该系统由中央调度室的微机网络系统、无线通信系统和现场的路灯开关智能终端组成。
系统根据日出日落的时间和光照值，采用时间控制和光照的控制结合的方法，通过无线数据传送信道自动遥控开或关灯，也可以智能调节电压、远程遥控现场的光照电压、电流、功率等数据，可对采集到的数据进行分析，自动的计算出亮灯率，从而判断路灯运行的情况。
系统可以实现各种故障的语音和声光报警、防盗报警，提高了城市照明系统的运行可靠性。
系统安装复杂，投资规模较大，不适合现阶段的大规模推广[5]。
风光互补太阳能节能路灯系统。
本系统主要组成部分包括风力发电、太阳能电池组、控制器、蓄电池、光源。
在白天可以利用太阳光和风力发电，晚上利用风力发电机发电，弥补了晚上没有太阳能供电的单一性，使供电系统更具有稳定性与可靠性。
可以通过蓄电池向负载放电，为负载提供电力。
路灯开关无需人员的操作，由智能时控器自动感应光照度进行控制。
风光互补路灯不需要输电线路，不消耗电能，而且有明显的经济效益。
主要的问题是技术还不够成熟，投资大，回收期较长，目前应用也较少[5]。
1.2 课题研究的目的及意义
本设计方案摒弃了“全夜开，夜晚全灭或半灭灯”的传统控制路灯的模式，采用了光线、时间和车流量的三重模式控制，在很大程度上实现了“随需而控”，不仅节约能源，而且在节约能源的基础上到达了设备使用寿命长、控制方式灵活和照明质量更加高的效果。
本设计控制模式比传统的由于无光照和光照质量较差而带来的交通安全的问题，它在很大程度上克服了传统路灯的照明和管理存在的路灯使用寿命短，操作员工作量大，照明效果不好，设备维护费用大等难题。
智能化路灯照明系统能够根据不同的区域、不同的功能需求，在不同的季节、每天不同的时间段、不同的光照度或半夜不同的交通车流量情况下，按照特定的设置，实现对道路的照明的动态智能化管理。
本设计有两种模式：
自动模式和手动模式。
⑴其中的自动模式按照时间、光照度综合控制。
春秋季节当18:
00—23:
00时为亮灯时间，路灯全部点亮；
夏季19:
00时为
亮灯时间，路灯全部点亮；
冬季17:
00时为亮灯时间，路灯全部点亮。
四季的23:
00—3：
00时间为交通低谷期，路灯默认状态是全灭，此时如果红外光电传感器检测到相应范围内有人或者车辆，则点亮该范围内的路灯，等物体移动到下一个范围则下一段的路灯会点亮，而之前范围内的路灯熄灭。
在以上时间段以外的时间如果天气发生变化使得道路能见度很低时，用光敏电阻检测路面上的光照强度小于15勒克斯的时候路灯就会点亮，来保证道路交通的顺畅。
⑵手动模式下路灯的亮灭则完全由人工通过按键分段分区控制。
表1.1 几种路灯节能方式比较表
路灯节能方法
常用控制节能方法
光源节能方法
智能路灯节能控制法
启动方法
一般启动
软启动
光源选择
常用光源
节能光源
控制方式
简单控制
智能控制
能量损耗
较小
最小
可靠性
低
较低
最低
使用寿命
短
较短
长
启动电流
大
环境要求
无污染
有一定污染
光源更换周期 较短 短 较长成本 低 适中 适中
由表1.1所示智能路灯节能控制系统与目前市场上常用的控制节能方法、光源节能方法相比较，具有明显的技术优势，从产品的成本和其消耗使用效率上来看也具有较强的价格优势。
近几年来，道路照明设施随着各地经济和交通的发展，其规模越来越大，道路照明耗电迅速上升。
又因为路灯是我国经济发展和国家建设中必需的用电设备，它在我国的整体用电量中所占比例巨大，因此如果能通过节能装置对其进行有效控制，就能够降低电力损耗，达到节约能源，降低生产安装成本，有助于我国经济的快速发展。
像这种智能路灯节能控制系统高科技技术节能产品的应用如果能够在我国城市路
灯行业得以全面推广和应用，那么该系统将创造巨大的社会效益及其产生的深远影响都是不可估量的[6]。
2系统总体方案设计
2.1智能路灯节能控制系统的构思
2.1.1传统节能方法
近几年来看，国内大多数城市的路灯照明控制系统广泛采用了传统的控制方式，其主要节能方法主要有以下三种：
人工控制节能方法:
事先制定好开关灯的季节和每天时间表，然后根据开关灯时间表由值班人员负责手动进行开/关灯的操作。
时控节能方法：
以时间为唯一开关灯标准，无论天气还是自然光照的亮暗度条件如何变化，却也只能在规定时刻重复的开关灯，随季节变化进行人工干预调整其开关时间。
光控节能方法：
按照光照度变化的不同来控制路灯开关[7]。
这些传统节能方式均存在着较为明显的缺憾，在国内大多数城市路灯的开/关灯控制都是由各变压器（配电箱）分散的来控制的，尽管城市路灯运行拥有专门控制线，只有控制功能而无法实现监测。
由于不能严格按照实际道路的自然光照度进行控制，不仅存在实时性差异，故障率高，而且能源消耗严重。
另外，传统的控制方式要求人员不能离开岗位，必须及时控制灯光的开启和关闭，由于人工控制存在误差而会造成电能浪费很不合理。
比如采用定时器控制的方式时，由于一年四季每个季节不同的时差，要经常对定时器进行人工的调整，从夏至到冬至，日出时间会推迟、日落时间也会对应提前;
从冬至到夏至，日出时间会提前、日落时间也会推迟，据此天气的现象，要求路灯开关时间根据日出日落的时间对应进行调整。
这样不仅仅消耗大量人力资源，还有可能由于调整不及时而造成能源不必要的浪费，严重了也会造成交通事故。
2.1.2智能控制的节能方法
本设计用单片机设计路灯控制系统，力求以结构简单、控制方便为设计目标。
本系统是基于MCS-51系列单片机STC12C5A60S2和相关的光电检测电路及时钟
电路设计的智能路灯控制器，能够通过按键设置手动与自动模式，可以设置日期时间，将DS1302作为时钟芯片，该芯片能够进行精确走时，再利用光敏电阻进行光照度转换。
具体实现功能如下：
⑴利用单片机的PWM发生器控制LED灯的亮灭。
⑵利用DS1302作为时钟系统可以进行实时时间的走时，当单片机睡眠时，时钟芯片靠外部电压继续正常走时，单片机通过I2C接口与芯片取得数据联系。
⑶A/D转换，该单片机芯片具有A/D转换功能，所以不需要外部另外的A/D转换芯片，直接将传感器根据光照不同所反馈的电压加入到单片机的A/D转换器输入引脚。
⑷采取实时光照控制法、时间控制法与传感器检测车流量的方法以及手动控制法相结合，真正达到了智能控制的方式。
设置好每天开关路灯的时间，在此基础上又加了光照控制和传感器检测车流量的方式。
除了设置时间段以外的时间如果天气突变使得道路的能见度很低的话，这时光照控制也会使得路灯再次开启，给予道路交通的安全和顺畅。
在深夜车流量低谷时道路上没有车通过路灯是全灭的状态，如果有车辆或行人通过了一段路灯会亮，随后经过哪一段的路灯哪一段的路灯才会亮，走过去之后路灯又会随之灭掉。
手动控制是人为的控制路灯的亮灭，可用于特殊情况。
2.2系统总体设计方案
2.2.1系统原理简介
本设计主要由硬和件软件组成，是本着有实际使用的价值来设计的。
将一年可以大致的分成三个季节：
春季和秋季、夏季、冬季三个季节段来对路灯进行控制。
而每个时间段都有着不同的开关灯的时间。
其中的自动模式按照时间、光照度综合控制，手动模式下路灯的亮灭则完全由人工通过按键控制。
自动模式下首先判断当前时间，系统配置的时钟芯片DS1302可以保证时间的准确性同时不占用单片机资源。
⑴春秋季节当18:
00时
为亮灯时间，路灯全部点亮；
⑵四季的23:
⑶在以上时间段以外的时间如果天气发生变化使得道路能见度很低时，用光敏电
阻检测路面上的光照强度小于15勒克斯的时候路灯就会点亮，来保证道路交通的顺畅。
2.2.2系统设计方案
⑴控制系统
在智能路灯的控制系统中，控制方式的选择是很重要的。
方案一：
采用数字式多点开关控制电路系统。
这是一种数字式多点开关控制电路系统及其控制器，该电路系统包括若干负载回路，电路系统设置有一微控制器，每个负载回路中串接若干常闭点触开关、一继电器开关及点触开关信号采样模块，各采样模块输出端口与微控制器信号输入端连接，微控制器的控制端经电流放大电路与相应继电器开关的控制端连接。
同时提供了相应电路结构的数字式多点开关控制器，在外接电器负载回路及翘板开关后即组成的多点开关控制电路系统。
方案二：
采用STC125A60S2系列单片机控制系统。
这是一款高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但是速度却比8051快8-
12倍，编写程序方便并且I/O口资源充足。
本设计采用第二种方案来应用控制，这种方案主要靠硬件设计与软件编程来实现，能够更好的完成想要达到的目的，方便控制，简单易行。
⑵显示电路
本设计中需要有一个显示部分来显示当前日期、时间与当前使用的模式。
数码管静态显示。
用数码管静态显示编程原理简单，显示亮度强，无闪烁，占用CPU的时间少，有利于监测与监控。
但是占用I/O接口过多而繁琐，这样增加了硬件电路的复杂性，从而增加了成本。
所以本设计不采用本方案。
数码管动态显示。
适用于显示多位数的情况下，可节省I/O端口资源，硬件电路简单，成本低，占用CPU的时间少，但是显示亮度低。
，如果用动态显示电路就必须加驱动器进行驱动因为显示数据需要动态扫描，占大量运行周期。
如果加上驱动的话，硬件电路就过于复杂了，所以此方案不可行。
方案三：
使用液晶显示器LCD1602进行显示。
液晶显示器分为汉字显示器、彩屏显示器、字符显示器型。
本设计用的是1602字符型液晶，是一种专门用来显示字母、数字、符号的点阵型液晶模块。
有若干个5X7/5X11等点阵字符位组成，每一个点阵字符位都可显示一个字符。
每一个位和每一个位之间都有一个点距的间隔，行与行之间
也有间隔，起到了字符间距与行间距的作用，所以该芯片不能显示图形。
LCD1602液晶显示芯片现实的内容为16X2，就是显示两行，显示字符和数字。
本设计采用LCD1602液晶显示器方案三，符合本设计显示的需求。
⑶时钟电路
实时时钟DS1307。
低功耗，具有56字节非失性RAM的全BCD码时钟日历实时时钟芯片，地址和数据通过两线双向的串行总线的传输，芯片可以提供秒、分、小时、星期、日期、月和年等时钟日历数据信息，每一个月的天数可以自动进行调整。
并且有着闰年会自动补偿的高级功能。
芯片有一个内置的电源感应电路，具有掉电检测和电池切换不丢失的功能。
时钟电路DS1302.具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟电路，电路接口简单、使用方便、价格可以接受所以被广泛的应用。
是一种高性能、低功耗并且带
RAM的实时时钟电路，可以对年、月、日、时、分、秒进行准确计时，有闰年补偿作用。
工作电压2.5~5.5V。
采用的是三线接口与CPU进行同步通信，可以一次传送多个字节的时钟信号RAM数据。
DS1302内部有一个31x8的可用于临时存放数据的RAM寄存器，同时也增加了主电源/后备电源双电源的引脚，也提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。
DS1302与CPU连接，在调试程序时可不加电容，只需加一个32.77kHz的晶振。
采用单片机内部计算时间。
采用单片机定时器计时，程序运算量大，时
间精确度不高，而且断电时间即复位，无法实现与实时时间保持同步。
本设计采用方案二，DS1302与DS1307实现功能都差不多，可是在价格上前者却比后者要便宜，性价比要高。
⑷光照度检测电路
本设计要实现对光线亮暗强度的检测要选择适合的转换电路。
采用光电三极管，用后级调理电路来实现光的明暗变化的检测轴线。
必须在其管壳轴线与射光方向接近的一个方位，取决于透镜的对称性和管芯偏离中心的程度，入射光恰好聚焦在管芯所在的区域，光电管的
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