经纬型智能路灯控制系统

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摘要：为了使路灯照明更加节能、高效，以时钟芯片DS12887和单片机为核心设计智能路灯控制电路，根据日期和路灯所在地的经、纬度，计算出谈地当天天黑时间和天亮时间，设定为时钟芯片DS12887的闹铃，以闹铃触发单片机中断，控制路灯天黑而开、天亮而关。该智能路灯控制系统能提高路灯的自动化管理水平，使路灯开关控制更加及时、合理。
关键词：智能路灯；DS12887时钟芯片；ATM89C54；中断控制

0 引言
    随着我国经济高速发展，人民生活水平日益提高，能源和资源变得日益紧张，电力短缺已成为制约国民经发展的突出矛盾。目前我国照明消耗的电能约占电生产总量的10％～20％，而城市公共照明则在照明用电中占30％，并且近几年随着让城市亮起来口号的提出，全国路灯的数量仍在迅猛地增长。公共路灯节的口号便由此而提出。通常的节能途径有两个：一个采用节能光源；二是采用合理的控制线路。本文在使用节能光源的情况下采用经纬型路灯控制器来实现路灯节能。
    经纬型路灯控制器，采用单片机技术，模拟日照规律，天黑能自动开灯，天亮能自动关灯。它具有光控开关自动变换开关时间的优点，克服了光控开关易受干扰的缺点；具有定时开关定时精确的长处，克服了定时开关不会自动变换开关时间的短处。这类路灯控制器开关灯时间合理、准确，有利于节省电力，目前路灯管理部门大都使用这类产品。但是目前经纬型路灯控制系统中多采用DS1302时钟芯片，该芯片没有闹铃功能，只能采用查询方式，能耗开支较大，这也是目前国内下位机设计的通病。本文设计的经纬型智能路灯控制系统采用DS12887时钟芯片，该芯片具有闹铃功能，闹铃时间到可触发单片机中断，通过中断方式控制路灯开关，免去了查询开支，降低了能耗，提升了下位机的工作效率。

1 DS12887时钟芯片概述
    实时钟是电子控制和通信设备中常用的器件。美国DALLAS公司推出的实时钟芯片DS12887，外围电路简单，除具有精确时钟外，还带有114 B掉电不易失的通用RAM，因此深受用户的欢迎。8位地址数据总线分时复用的DS12887与同样外部总线结构的MCU接口连接非常方便。DS12 887主要特性如下：
    (1)内含一个锂电池，断电后运行十年以上不丢失数据；
    (2)可计秒、分、时、天、星期、日、月、年，并有闰年补偿功能；
    (3)采用二进制数码或BCD码表示时间、日历和定闹；
    (4)采用12小时或24小时制，12小时时钟模式带有PM和AM指示，有夏令时功能；
    (5)可选Motorola和Intel总线时序；
    (6)可编程方波信号输出；
    (7)有128 B RAM单元与软件接口，其中14 B作为时钟和控制寄存器，114 B为通用RAM，所有RAM单元数据都具有掉电保护功能；
    (8)中断信号输出(IRQ)和总线兼容，定闹中断、周期性中断、时钟更新周期结束中断可分别由软件屏蔽，也可分别进行测试。

2 系统功能描述
2．1 自动定时开关灯
    智能路灯控制系统根据路灯所在地的经纬度与每天日期，运用一系列天文公式，自动计算出该天天黑时间和天亮时间。在系统时间设定后，系统自动把当前时间与当天天黑天亮时间作比较，确定初始路灯开关状态，并把此时之后的第一个天黑时间或天亮时间设定为定时芯片DS12887的闹铃时间；闹铃时间到，引发系统中断，通过继电器开关改变路灯开关状态，并把下一个天黑时间或天亮时间设定为闹铃时间，如此循环往复，自动根据每天天黑天亮时间开关路灯。
2．2 显示、调整系统时间
    可以利用功能按键，触发外部中断，在LCD屏上显示系统日期和时钟，并可以手动对系统当前的年、月、日、时、分、秒等时间要素进行修改。日期和时间修改后，系统自动设定路灯开关闹铃。
2．3 显示、调整闹铃时间
    可以利用功能按键，触发外部中断，在LCD屏上显示下次闹铃时间，也就是查询当天的天亮或天黑时间——路灯亮之前显示的是路灯的开灯时间，路灯亮之后显示的是路灯的关闭时间。此外，还可以针对日食、阴天等特殊情况手动调整闹铃时间，比如可以手动把开灯时间设定到日食前几分钟，路灯开启之后，再手动把关灯时间设定在日食过后几分钟，下一个开灯时间则由系统自动按照正常情况设定。

3 硬件电路的设计
    智能路灯控制系统的硬件部分包括：复位电路、液晶显示驱动电路、实时时钟电路、键盘处理电路和继电器驱动电路等部分。
    使用Proteus对该电路进行仿真，用Led灯模拟路灯的开关状态，包括复位电路、液晶显示驱动电路、实时时钟电路和按键处理电路等；单片机采用了ATM89C54，也可以采用其他单片机；功能按键包括ITN0，S1，S2，S3，S4，分别用于触发外部中断、显示时间、加一、减一、显示闹铃。

4 程序设计
    程序采用C语言编写。主程序流程如图1所示。主程序初始化后，开外部中断，随即转入空语句循环。系统功能主要在中断服务程序中实现。2个主要中断服务程序是按键中断服务程序和闹铃中断服务程序。

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4．1 按键中断处理
按键中断服务程序流程如图2所示。当按下INT0键，触发外部中断，进入按键中断服务程序，初始化LCD显示。

    进入中断后，按下S1键显示系统时间；再次按下S1进入设置系统时间的年份设置状态；继续按下S1可以依次设置月、日、时、分、秒等；第8次按下S1时，系统根据设定好的日期计算当日天黑天亮时间，与当前时钟对比，自动设定当前路灯开关状态和下一个闹铃时间，并显示；第9次按下S1退出显示。按S2键可以对要设置的位加一，按S3键减一。
    进入中断后，按下S4键显示闹铃时间，再次按下S4进入设置闹铃时间的小时设置状态，继续按下S4可以依次设置分和秒，最后退出显示。按S2键可以对要设置的位加一，按S3键减一。
    部分程序如下：

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4．2 闹铃中断处理
    开灯或关灯闹铃时间到时，由DS12887时钟芯片引发单片机的外部中断，系统进入闹铃中断服务程序。
    在闹铃中断服务程序中，首先读取闹铃时间，与正午时间12：00：00进行对比，如图3所示。如果闹铃时间晚于正午时间，说明此时为天黑时刻，系统通过继电器开关打开路灯，然后计算出第二天的天亮时间，设定为下一次闹铃时间。相反如果闹铃时间早于正午时间，说明此事为天亮时刻，系统通过继电器开关关闭路灯，然后计算出当天的天黑时问，设定为下一次闹铃时间。