經(jīng)緯型智能路燈控制系統(tǒng)

摘要：為了使路燈照明更加節(jié)能、高效，以時(shí)鐘芯片DS12887和單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)智能路燈控制電路，根據(jù)日期和路燈所在地的經(jīng)、緯度，計(jì)算出談地當(dāng)天天黑時(shí)間和天亮?xí)r間，設(shè)定為時(shí)鐘芯片DS12887的鬧鈴，以鬧鈴觸發(fā)單片機(jī)中斷，控制路燈天黑而開、天亮而關(guān)。該智能路燈控制系統(tǒng)能提高路燈的自動(dòng)化管理水平，使路燈開關(guān)控制更加及時(shí)、合理。
關(guān)鍵詞：智能路燈；DS12887時(shí)鐘芯片；ATM89C54；中斷控制

0 引言
    隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人民生活水平日益提高，能源和資源變得日益緊張，電力短缺已成為制約國(guó)民經(jīng)發(fā)展的突出矛盾。目前我國(guó)照明消耗的電能約占電生產(chǎn)總量的10％～20％，而城市公共照明則在照明用電中占30％，并且近幾年隨著讓城市亮起來(lái)口號(hào)的提出，全國(guó)路燈的數(shù)量仍在迅猛地增長(zhǎng)。公共路燈節(jié)的口號(hào)便由此而提出。通常的節(jié)能途徑有兩個(gè)：一個(gè)采用節(jié)能光源；二是采用合理的控制線路。本文在使用節(jié)能光源的情況下采用經(jīng)緯型路燈控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)路燈節(jié)能。
    經(jīng)緯型路燈控制器，采用單片機(jī)技術(shù)，模擬日照規(guī)律，天黑能自動(dòng)開燈，天亮能自動(dòng)關(guān)燈。它具有光控開關(guān)自動(dòng)變換開關(guān)時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，克服了光控開關(guān)易受干擾的缺點(diǎn)；具有定時(shí)開關(guān)定時(shí)精確的長(zhǎng)處，克服了定時(shí)開關(guān)不會(huì)自動(dòng)變換開關(guān)時(shí)間的短處。這類路燈控制器開關(guān)燈時(shí)間合理、準(zhǔn)確，有利于節(jié)省電力，目前路燈管理部門大都使用這類產(chǎn)品。但是目前經(jīng)緯型路燈控制系統(tǒng)中多采用DS1302時(shí)鐘芯片，該芯片沒(méi)有鬧鈴功能，只能采用查詢方式，能耗開支較大，這也是目前國(guó)內(nèi)下位機(jī)設(shè)計(jì)的通病。本文設(shè)計(jì)的經(jīng)緯型智能路燈控制系統(tǒng)采用DS12887時(shí)鐘芯片，該芯片具有鬧鈴功能，鬧鈴時(shí)間到可觸發(fā)單片機(jī)中斷，通過(guò)中斷方式控制路燈開關(guān)，免去了查詢開支，降低了能耗，提升了下位機(jī)的工作效率。

1 DS12887時(shí)鐘芯片概述
    實(shí)時(shí)鐘是電子控制和通信設(shè)備中常用的器件。美國(guó)DALLAS公司推出的實(shí)時(shí)鐘芯片DS12887，外圍電路簡(jiǎn)單，除具有精確時(shí)鐘外，還帶有114 B掉電不易失的通用RAM，因此深受用戶的歡迎。8位地址數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用的DS12887與同樣外部總線結(jié)構(gòu)的MCU接口連接非常方便。DS12 887主要特性如下：
    (1)內(nèi)含一個(gè)鋰電池，斷電后運(yùn)行十年以上不丟失數(shù)據(jù)；
    (2)可計(jì)秒、分、時(shí)、天、星期、日、月、年，并有閏年補(bǔ)償功能；
    (3)采用二進(jìn)制數(shù)碼或BCD碼表示時(shí)間、日歷和定鬧；
    (4)采用12小時(shí)或24小時(shí)制，12小時(shí)時(shí)鐘模式帶有PM和AM指示，有夏令時(shí)功能；
    (5)可選Motorola和Intel總線時(shí)序；
    (6)可編程方波信號(hào)輸出；
    (7)有128 B RAM單元與軟件接口，其中14 B作為時(shí)鐘和控制寄存器，114 B為通用RAM，所有RAM單元數(shù)據(jù)都具有掉電保護(hù)功能；
    (8)中斷信號(hào)輸出(IRQ)和總線兼容，定鬧中斷、周期性中斷、時(shí)鐘更新周期結(jié)束中斷可分別由軟件屏蔽，也可分別進(jìn)行測(cè)試。

2 系統(tǒng)功能描述
2．1 自動(dòng)定時(shí)開關(guān)燈
    智能路燈控制系統(tǒng)根據(jù)路燈所在地的經(jīng)緯度與每天日期，運(yùn)用一系列天文公式，自動(dòng)計(jì)算出該天天黑時(shí)間和天亮?xí)r間。在系統(tǒng)時(shí)間設(shè)定后，系統(tǒng)自動(dòng)把當(dāng)前時(shí)間與當(dāng)天天黑天亮?xí)r間作比較，確定初始路燈開關(guān)狀態(tài)，并把此時(shí)之后的第一個(gè)天黑時(shí)間或天亮?xí)r間設(shè)定為定時(shí)芯片DS12887的鬧鈴時(shí)間；鬧鈴時(shí)間到，引發(fā)系統(tǒng)中斷，通過(guò)繼電器開關(guān)改變路燈開關(guān)狀態(tài)，并把下一個(gè)天黑時(shí)間或天亮?xí)r間設(shè)定為鬧鈴時(shí)間，如此循環(huán)往復(fù)，自動(dòng)根據(jù)每天天黑天亮?xí)r間開關(guān)路燈。
2．2 顯示、調(diào)整系統(tǒng)時(shí)間
    可以利用功能按鍵，觸發(fā)外部中斷，在LCD屏上顯示系統(tǒng)日期和時(shí)鐘，并可以手動(dòng)對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前的年、月、日、時(shí)、分、秒等時(shí)間要素進(jìn)行修改。日期和時(shí)間修改后，系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定路燈開關(guān)鬧鈴。
2．3 顯示、調(diào)整鬧鈴時(shí)間
    可以利用功能按鍵，觸發(fā)外部中斷，在LCD屏上顯示下次鬧鈴時(shí)間，也就是查詢當(dāng)天的天亮或天黑時(shí)間——路燈亮之前顯示的是路燈的開燈時(shí)間，路燈亮之后顯示的是路燈的關(guān)閉時(shí)間。此外，還可以針對(duì)日食、陰天等特殊情況手動(dòng)調(diào)整鬧鈴時(shí)間，比如可以手動(dòng)把開燈時(shí)間設(shè)定到日食前幾分鐘，路燈開啟之后，再手動(dòng)把關(guān)燈時(shí)間設(shè)定在日食過(guò)后幾分鐘，下一個(gè)開燈時(shí)間則由系統(tǒng)自動(dòng)按照正常情況設(shè)定。

3 硬件電路的設(shè)計(jì)
    智能路燈控制系統(tǒng)的硬件部分包括：復(fù)位電路、液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、鍵盤處理電路和繼電器驅(qū)動(dòng)電路等部分。
    使用Proteus對(duì)該電路進(jìn)行仿真，用Led燈模擬路燈的開關(guān)狀態(tài)，包括復(fù)位電路、液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路和按鍵處理電路等；單片機(jī)采用了ATM89C54，也可以采用其他單片機(jī)；功能按鍵包括ITN0，S1，S2，S3，S4，分別用于觸發(fā)外部中斷、顯示時(shí)間、加一、減一、顯示鬧鈴。

4 程序設(shè)計(jì)
    程序采用C語(yǔ)言編寫。主程序流程如圖1所示。主程序初始化后，開外部中斷，隨即轉(zhuǎn)入空語(yǔ)句循環(huán)。系統(tǒng)功能主要在中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)。2個(gè)主要中斷服務(wù)程序是按鍵中斷服務(wù)程序和鬧鈴中斷服務(wù)程序。

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4．1 按鍵中斷處理
    按鍵中斷服務(wù)程序流程如圖2所示。當(dāng)按下INT0鍵，觸發(fā)外部中斷，進(jìn)入按鍵中斷服務(wù)程序，初始化LCD顯示。

    進(jìn)入中斷后，按下S1鍵顯示系統(tǒng)時(shí)間；再次按下S1進(jìn)入設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間的年份設(shè)置狀態(tài)；繼續(xù)按下S1可以依次設(shè)置月、日、時(shí)、分、秒等；第8次按下S1時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定好的日期計(jì)算當(dāng)日天黑天亮?xí)r間，與當(dāng)前時(shí)鐘對(duì)比，自動(dòng)設(shè)定當(dāng)前路燈開關(guān)狀態(tài)和下一個(gè)鬧鈴時(shí)間，并顯示；第9次按下S1退出顯示。按S2鍵可以對(duì)要設(shè)置的位加一，按S3鍵減一。
    進(jìn)入中斷后，按下S4鍵顯示鬧鈴時(shí)間，再次按下S4進(jìn)入設(shè)置鬧鈴時(shí)間的小時(shí)設(shè)置狀態(tài)，繼續(xù)按下S4可以依次設(shè)置分和秒，最后退出顯示。按S2鍵可以對(duì)要設(shè)置的位加一，按S3鍵減一。
    部分程序如下：
   
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4．2 鬧鈴中斷處理
    開燈或關(guān)燈鬧鈴時(shí)間到時(shí)，由DS12887時(shí)鐘芯片引發(fā)單片機(jī)的外部中斷，系統(tǒng)進(jìn)入鬧鈴中斷服務(wù)程序。
    在鬧鈴中斷服務(wù)程序中，首先讀取鬧鈴時(shí)間，與正午時(shí)間12：00：00進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。如果鬧鈴時(shí)間晚于正午時(shí)間，說(shuō)明此時(shí)為天黑時(shí)刻，系統(tǒng)通過(guò)繼電器開關(guān)打開路燈，然后計(jì)算出第二天的天亮?xí)r間，設(shè)定為下一次鬧鈴時(shí)間。相反如果鬧鈴時(shí)間早于正午時(shí)間，說(shuō)明此事為天亮?xí)r刻，系統(tǒng)通過(guò)繼電器開關(guān)關(guān)閉路燈，然后計(jì)算出當(dāng)天的天黑時(shí)問(wèn)，設(shè)定為下一次鬧鈴時(shí)間。

    部分程序如下：
   
     

5 結(jié)語(yǔ)
    基于時(shí)鐘芯片DS2887的智能路燈控制系統(tǒng)提高了路燈的自動(dòng)化管理水平，使路燈開關(guān)控制更加及時(shí)、合理。實(shí)際應(yīng)用證明，該路燈控制系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、節(jié)能高效、穩(wěn)定可靠、便于控制、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的社會(huì)前景。