城市轨道交通车站照明系统设计

杨盛博、骆红宇

（长春科技学院智能制造学院，吉林 长春 130600）

0 引言

本文阐述了城市轨道交通车站照明设计的改进措施。观察发现，无论有人无人、太阳是否下山，城市轨道交通车站灯光从不熄灭，此类无形中浪费的电量占总耗电的40%左右。因此在保障光照质量的前提下进行节能措施是必要之举。这不仅是经济效益上的考量，更是响应国家节能减排的必要之举。管理员巡视各个照明区域时，分析是否有照明需求，从而确定开关数量，以减少浪费的发生。更合适的做法是从控制技术上彻底解决此类问题，例如在使用各种传感器的同时为它们装上一个大脑，即微处理器。以微处理器为核心的新型智能照明系统廉价、鲁棒性强、更加实用，适用于轨道交通车站、图书馆等多种场景。

1 总体设计方案

使用微处理器配以各种传感器检测环境信息的控制方式，已经成为城市轨道交通车站照明系统的主要方式。此类系统完成了节能目的的同时，也给人们带来了生活上的一些困扰。受到系统自身性能的影响，此类声光控智能照明系统需配合高于60 分贝的声音，在图书馆、轨道交通车站这些地方并不适用。

传感器用来探测人和光的信息，把探测到的情况转化为电信号发送给处理器分析，分析的结果决定照明灯的亮灭情况。尽管该系统鲁棒性十分优秀，不过为了防止意外情况的发生，在该系统发生故障时可以重启电路，需要添加一个复位按钮。所有探查到的信息每分钟更新一次，便于处理器实时分析情况。从设计思路可以看出这套系统所需用料少，安装便捷，省人工省钱的同时稳定可靠，不会对人造成任何伤害。

设计过程分为以下几个步骤：首先确定需要几个模块才能完成所有功能，在任务书中主要用到能检测人的红外传感器和能探查光的强弱的光敏传感器，然后在此基础上添加一个复位按钮、一个系统级开关、几个指示灯。把所有功能都按任务书上任务的顺序组装起来，最终形成系统的整体框架。

如图1 所示，两个传感器开始正常工作，探查范围内信号。其中，红外传感器负责探查区域内有没有人，有人时向处理器发送电信号，传感器旁边的指示灯被点亮。无人时指示灯不亮，返回继续从有没有复位按钮被按下开始重新运行。光传感器用来判断范围内太阳光的强度有没有到达一定阈值。正常白天亮度则指示灯一直处于熄灭状态，并不停返回有没有人按下复位按钮的一步向下运行。当处理器接收到传感器发送的电信号后，经过逻辑运算将是否启动照明灯的命令传输给继电器，点亮照明灯。

图1 系统最基本功能实施流程图

2 系统的硬件电路设计

插入微控制器后，生成重置信号，完成微控制器启动以确定微控制器的启动状态是处于运行或者停止，系统使用内部时钟电路和通电自重置电路。

安装一个由透明塑料制成镜头有特殊的光学用途的放大电路，该放大电路在检测元件前，放大70 分贝以上的Fresnel 镜头，延长检测距离至可以，测量范围10～20m 内的人类行动，进而增强检测元件的检测灵敏度，完成释电红外传感器的检测工作。安装时要注意以下几点以防干扰，要特别注意传感器的安装高度，以防小动物触发报警。传感器要安装在距离卤素灯至少3m，在其透过玻璃窗直射时才能正常工作。为保证传感器正常工作的要求，需要传感器抗干扰能力强，所以远离强磁干扰。

红外光越倾向于同心环，它就越集中和强大。不同区域的同心圆相互交错，透镜整体就没有盲点。段数较多则探测到的人体运动范围小，段数较少则探测到的人体运动范围会很大。人体散发的红外能量通过A、B、C 三个区域内的同心环聚集，聚集后的能量被传感器接受，否则热量太分散，不集中，能量信号经过传感器中的模数转换器变为数字电信号后进入电子电路进行传输，推动负载的运行。红外活动目标探测器基于此方法接收人类红外光的辐射，接受辐射并传输，检测人流活动。

提高镜头动作效果的方法提高了检测运动的灵敏度。段密度透镜有多达26 个段，长度为50mm。从较早阐述的原则来看，段数较少检测到的人体运动将较大，选择少量镜片可以减少错误动作，人体运动范围要大，用少量镜片形成局部检测，减少周围干扰源是增强防干扰的有效方式。数字模式混合集成电路BISS0001 由操作放大器、电压比较器、状态控制器、延迟计时器和阻塞时间计时器元件组成，广泛应用于各种传感器和延迟控制器，可以时刻提供传感器使用状态，对传感器的使用起到保护作用。

人体感应模块将LED8 与LED9 设置为红外发射管，将LED7 与LED6 设置为红外接收管，电阻R15 与R14 可以设置用来保护LED 灯。此外，红外光在有遮挡物体的情况下，可以经由遮挡物发射后被接收。系统内电压低于输入端的2.5V 时，电阻R21 与R22 型限流保护发射管，直接输出低电平，LED 灯也会亮起，没有遮挡物体的情况下，接收管也不会导通，依然截止，故模块只有在整体电压持续大于2.5V 时，才输出高电平，此时LED 灯会熄灭。

感光电阻，太阳光越强，电阻值越高；当太阳光减少时，电阻减小，调节电流大小。模块中，利用感光电阻器，引起电阻值的变化。感光电阻器，通常还要进行梳理以提高灵敏度。制作方法是在基板上制作出非常薄的光分辨率光电图和梳理的欧姆电极，用铅连接起来。GR1 是光敏电阻的代号，太阳光完全消失时，这个电阻器的电阻会接近无限大，整个电路等同短路。电压比较器内部包含LM393 和电位器，用来对比光照流明值是否达到指定值，将此信号发送给处理器，由单片机进行检测，判断是否有光照。

3 系统的软件设计

在硬件电路设计完成后，需要给系统配上相应的软件，系统才能正常工作。由于软硬件分离，已经设计好的硬件部分不影响将要进行的软件部分的设计，接下来就是挑选合适的软件编写结构。该系统采用最常见的自顶层向下设计的思路。

首先确定主程序，然后在主程序的基础添加子程序，将整个程序分成4 大模块，分别为主程序、传感器信息检测、定时和信息存储模块。编写结构不仅使程序员省心省力，还会方便其他人学习，为今后可能要进行的迭代升级做好准备，预留足够多的扩展空间。

3.1 系统主程序模块

如图2 所示，主程序和命令处理程序共同组成监控程序。主程序可以调用多个子程序，对于系统资源有限的AT89C51 型号的微控制器，主程序通常是反复调用子路也就是形成闭环操作的过程。

图2 主程序流程图

软件设计时，主程序只起到调用子程序的用途，子程序完成具体任务要求的，故子程序的编写尤为重要，在各个子程序编写完成后，由主程序串联起来，形成了一个闭环的可循环的程序，当微处理器发出程序调用的命令后，所有需要的功能在这个循环中有序运行。

接通电源后，系统初始化自动运行，开始对寄存器和系统中芯片的数据进行数据重置操作，定义接口芯片，重置其内部参数。这一步直接影响后续所有操作，是系统能否正常使用的关键步骤。接口芯片的检测是重中之重，主要包括对光敏和红外传感器指示灯的检测，以确定其硬件完好，可以在通电后正常工作。系统时钟控制器的控制时间表是否完好无损、可以正常工作在起震区，如果无法正常工作，应先对其进行手动初始化，若显示错误则手工打开实时时钟。红外传感器应保证能够检测到人体在前后左右移动时发出的热能，当强光环境时光敏传感器能否正确识别光信号并将其转化为电信号传输给微处理器。

如图3 所示，计时中断是由微控制器内的计时器计时时间已到而产生的现象，内部时钟或外部接口都会有脉冲输入，而定时器中的计数器可以对其进行计数，到达设定的值后定时器本身计数会归零，同时向微处理器发出中断请求。定期中断是定期发生的，该系统的计时中断主要用途是构建多任务操作系统。当微处理器回应中断请求后，中断后需要完成的任务就可进行运行准备阶段，进行多任务时间处理。

图3 定时中断处理程序框图

3.2 数据采集模块

对于人体红外和光照强度信号要实时采集，最好的方式是将这两个传感器放入多任务模块里，这样方便调用和读写。

如果检测区间内人的位置信息没有更改，即人体没有活动，此时红外传感器就检测不出范围内存在人体，不会向微处理器发出电信号。所以采用每次检测并上传一次信号后，该信号持续一分钟甚至更久才再次检测的方法，巧妙地解决了如上问题。照明系统的软件应该人为设计间隔1min 探测一次人体信号以防止此类情况出现。考虑到暗光环境光敏电阻指示灯亮，检测到有人经过红外指示灯亮。当自然光照弱且前方有人经过的距离小于5m 时实现照明。

红外传感器只推荐在室内安装，位置与技能无失误则其误报率近乎为零。要在2m 左右的高度安装，特别注意周围不能有空调等能主动影响室温的电器，也不应有屏风、大型家具等隔离物。传感器安装的地方不能有强风。红外传感器对上下运动不敏感，对前后左右的运动敏感。综上所述，最重要的就是挑选适当的位置，这样才能避免传感器错误上报环境信息。

3.3 时钟模块

时钟芯片通电运行起来后才会对芯片的时钟进行初始化操作，在初始化过程中，时序有不可忽视的作用。在DS1302 上执行操作之前，须重置输入RST端为高电平，否则一切数据传输操作都要暂停。只要不进行读写操作，为了防止外部脉冲信号输入打乱时钟自身数据，RST 都要维持在低电平，逻辑要为0。在所有操作之前，把地址信息和指令信息都预先存放在位移寄存器当中。寄存器处于运行或休眠状态，以及运行的又以什么方式进行，控制系统都受到地址信息的操控。通过外观检查确定无损坏后，就要着手芯片内部的检查，这里就要用到最常见的自检初始化法。

二进制转换为BCD 码

4 系统的调试

为了测试单片机运行结果能否符合设计指标，单片机在系统级调试时要兼顾软件部分与硬件部分，经过调试后及时发现并解决问题，保证硬件和软件测试结果准确性。第一，确定硬件是否完好无损，采用静态调试，方法是将系统的所有硬件都插到万用板上，观察传感器、微处理器等硬件情况。插时要注意正负极、电压电流情况，避免这些问题而损坏单片机或传感器，确保电源极性和电压在任何地方都正确无误，最重要的是不能插错正反向，这些操作都要在不接通电池的情况下完成。第二，确定软硬件是否匹配，总体思路、电路图设计和软件的编写是否正确。做法是用protels 完成电路图，把在keil 软件中编写的软件导入protels 中，观察仿真图能否如预想的那样行动。

5 结语

此次研究在现有城市轨道交通车站照明的基础上，通过功能实施，设计程序框图，总体方案是使用微处理器配以传感器，检测控制环境信息。硬件电路利用人体感应模块将LED 设置为红外发射管，设置2.5V 为限制电压，大于为高电平熄灭，小于为低电平有效。通电接通系统主程序，并设置定时中断处理程序。系统检测区间人位置信息，并输入系统数据采集模块。编程二进制，转化BCD 码，设置时钟模块，把地址信息和指令信息预先存放于位移寄存器中。对单片机运行结果进行测试，用protels 软件完成电路图，确定软硬件是否匹配，通过界面进行观察寄存器、端口、指令的运行。