【《基于STM单片机的智能路灯控制系统设计》12000字（论文）】

基于STM单片机的智能路灯控制系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u255641前言 【内容摘要】当前，路灯照明已经成为城乡建设中必不可少的公共设施，而随着人类生活水平的提高以及信息技术的快速发展，路灯的控制方式也需要不断地融入新技术。为了进一步提高路灯的工作效率，本设计从节约电能的理念出发，利用先进的北斗定位技术，获取各路灯所在地的经度、纬度和时间信息，再通过STM32最小系统计算出路灯所在地的日出时间和日落时间，并将此时间与实时时间对比，当满足开灯或者关灯条件时路灯就会自动打开或者关闭，从而实现路灯的自动化，节省人力物力，提高公共照明设施的质量，给民众带来更大的便利。【关键字】北斗卫星定位系统；路灯控制器；STM32最小系统1前言1.1研究背景如今，城市和农村的现代化、智能化发展迅速，路灯在其中的作用彰显得极其重要，不仅可以在夜晚给人类带来光明，还可以美化环境，改善城市和农村的形象。国家的经济实力的发展，使得国民的日常生活用电量增加，消耗电能的速度加快。如今“绿色城市、智能城市”已经成为我国中国特色社会主义的重要发展趋势REF_Ref19517\r\h"\#"[0[1,REF_Ref19530\r\h"\#"0]2]，所以节约能源、绿色发展是发展的前提要求。基于国家政府政策的支持以及人们生产生活中对路灯的需求，路灯数量在不断地增加，分布范围扩大，而传统控制方式的路灯由于耗能大、管理难等缺点，已经不能够满足社会发展的要求。最近几年我国的北斗技术被应用到了多个领域，但目前还没有应用到路灯的控制器中，在此情况下可以考虑将北斗技术应用到路灯的控制器中，改善路灯的控制方式，实现自动化，及时在光线变化时调整路灯开闭。随着城乡建设的快速现代化发展，人们节能理念意识增强，传统路灯的控制模式已经过时。所以，智能路灯也会应运而生。1.2研究意义随着城市和农村的现代化快速发展，路灯数量越来越多。我国每年新增路灯250～280万盏REF_Ref24451\r\h[3]，可见路灯数量稳定增加，分布范围逐渐扩大，成为漆黑夜晚最美的点缀。但在这数量庞大的路灯系统中，传统路灯占据了主体，它是使用电子定时器来控制路灯亮灭的，开灯和关灯的时间需要人工调整每个路灯的电子定时器，这使得在天气恶劣的情况下路灯就更难管控，导致路灯的管理方式较为单一，能源消耗增多，智能化水平低下。随着节约型和可持续性发展社会建设进程的逐渐推进REF_Ref16205\r\h[4]，建设资源节约型、信息智能化社会已成为时代的引领。同时也为了将北斗技术更多地融入到人们的生产生活中，发挥其重要作用，本设计考虑将北斗技术应用到路灯等公共照明设施中，从而改变路灯的管理模式较为单一的局面，节省人力物力，降低国家的能源消耗负担，减少财政支出。本设计利用北斗卫星定位系统测得每个路灯所在位置的经度、纬度和实时时间，再通过STM32最小系统计算出路灯所在位置的日出和日落时间REF_Ref20591\r\h[5]，并将这个时间和实时时间对比，判断是否满足开关灯的时间，如果满足条件则自动控制路灯开闭，从而达到节约能源和提高路灯管理效率的效果。1.3国内外研究现状1.3.1国内研究现状在国内，20世纪80年代末90年代初就有很多关于智能路灯控制器的研究了。在21世纪初，GMS/GPRS系统在我国逐步开始应用于路灯领域，其中2003年广西柳州市开发了一款结合GPRS和地理信息技术的路灯监控系统；2004年哈尔滨将GPRS技术和无线网络技术相结合增强了路灯的监控功能，并取得了一定的成果；2015年厦门软件职业技术学院高级工程师姚树香运用ZigBee技术研发了一款LED路灯自动控制系统，加速了路灯控制器的发展。2018年哈尔滨市又将北斗、遥感等技术融入到路灯的控制器当中，开发了一个“智慧路灯”信息系统，将路灯进一步推向智能化。当前我国最为常见的是使用光控和经纬度时控这两种路灯控制器，随着技术的不断创新、大众节能意识的增强，LED等更高效的灯具也在被广泛的使用，如太阳能路灯。1.3.2国外研究现状在国外，德国、新加坡、法国等国家已经开始使用计算机网络进行对路灯的控制和管理，也就是通过程序实现路灯的自动化管控，配合当天的日出日落情况节省能源，其中耶路撒冷的路灯监控系统最为典型REF_Ref915\r\h[6]，可以根据实际情况自动调节路灯功率，从而达到节能的目的。国外对于路灯节能的研究比我国早，他们十分重视公共照明设施的能源节约问题，尝试着用不同的方法去解决这个问题。欧美国家对路灯的节能问题采取了很多措施，比如在光的能源上用节能光源取代传统光源；严格要求灯具厂商，不断修改节能办法。以上是国内外对现代路灯的一些研究现状，共同特点如下：倡导节能。改进路灯控制器，提升质量。（3）智能自动化路灯未能全覆盖。（4）虽然公共照明设施的智能自动化取得了一定的进展，但对于路灯还未来能完全根据当地实际的日出时间和日落时间来控制路灯的开闭。1.4论文的组织结构本设计以路灯的智能化和节能化为出发点，结合现阶段我国北斗技术的定位功能，利用STM32最小系统作为核心处理器，设计出一款基于北斗数据的自动路灯开闭设备，跟上城乡现代化发展的步伐，实现路灯的自动化和节能化。本论文的结构如下所示：第一部分：主要论述路灯在人们生产生活中的重要性和传统路灯的不足，说明研究该设备的背景、意义以及前人对于自动化路灯的研究现状。第二部分：分析选择设计的总体方案，阐明各模块的功能。第三部分：设计各模块的电路原理图，并阐述各模块的原理。第四部分：进行软件设计，编写程序实现路灯的自动开闭功能。第五部分：对设计的软硬件进行测试，观察结果，并对结果进行分析。第六部分：论述本设计实现的主要功能，并指出本设计的不足以及展望。2系统总体设计2.1系统设计要求该系统需要实现的功能要求如下所示：（1）系统采用220V电源供电。（2）可以同时控制多盏路灯的亮灭。（3）能获取到路灯所在位置的经纬度和时间信息。（4）能计算出路灯所在位置的日出时间和日落时间。（5）可以显示路灯所在位置的经纬度、实时时间和计算所得的日出时间和日落时间。（6）在北斗模块获取数据失败的情况下，可以利用光控控制路灯的开闭。（7）可以手动提前打开或者关闭路灯。2.2系统总体设计方案2.2.1系统设计总体思路本设计选用北斗模块获取路灯所在地的经度、纬度和时间信息，转码后将其发送给核心处理器。核心处理器通过编写C语言计算出路灯所在位置的日出时间和日落时间，并将时钟模块提供的实时时间与计算出来的时间进行对比，如果实时时间满足开灯或者关灯的时间时就会自动打开或者关闭路灯。考虑特殊情况，北斗模块可能获取北斗数据完全失败，因此该系统增加光敏电阻模块。当遇到这种情况之时，光敏电阻模块根据光强改变其阻值，从而改变AD端的电压，此时核心处理器通过判断AD端的电压来控制路灯的开闭。如果需要人为控制路灯的开闭，可以手动设置实时时间，让其提前达到开灯或者关灯的时间。路灯的控制方式采取总控方式，也就是用多个继电器同时控制多盏路灯的自动开闭。显示屏上显示路灯所在位置的经纬度、实时时间以及日出时间和日落时间。2.2.2日出时间和日落时间的计算原理早晨太阳从东边升起，当上边缘与地平面相切时，日出开始的时刻称为日出时间；夜幕降临，太阳从西边落下，当上边缘与地平面相切时，日落结束的时刻称为日落时间。地球的运行有自转和公转两种形式，自转是围绕连接南极和北极的中心轴运行的，公转则是围绕以太阳为中心的椭圆轨道运行的。但是由于地球的南北极连线轴不是垂直于公转面，存在一定的角度，所以同一个地方，每天的日出时间和日落时间会随着地球的公转变化，也就是季节不同，日出和日落的时间就不同。因此，本设计主要是通过北斗模块获取到的经纬度、UTC（世界协调时间）时间后转码传送给STM32最小系统，再由最小系统利用相关公式计算路灯所在地的的日出时间和日落时间。（1）时区的计算方法为a÷15度=b⋯⋯c式4-1中，a是经度，b为商数，c为余数。当c小于7.5度时，b即为路灯所在地的时区数；当c大于7.5度时，b加（减）1即为路灯所在地的时区数。（2）日出时间的计算公式为g=24∗180+式4-2中a为经度，d为时区，e为日期序列数，f为纬度，g为日出时间。日期序列数指的是当天在这一年中的序列数，例如2021年1月2日，日期序列数就是2；ACOS函数是指返回一个弧度的余弦值。（3）日落时间的计算公式为h=24∗（1+（d∗15−a））式4-3中a为经度，d为时区，g为日出时间，h为日落时间。2.3系统模块方案论证和选取2.3.1系统模块功能概述经反复地查阅资料，该系统共由七个模块组成，各模块的主要功能如下：（1）核心处理器模块在北斗模块能够正常接收信号时，核心处理器主要是接收北斗模块传送来的经纬度和时间信息，根据这些信息计算出日出时间和日落时间，再将实时时间与计算所得的时间进行比较，当满足开灯或者关灯的条件时就自动打开或者关闭路灯。如果北斗模块完全失灵，核心处理器主要是接收光敏电阻模块的电压值，将此电压值与设定的电压值比较，当达到设定的电压值时，就会路灯自动打开或者关闭。（2）北斗模块北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，可以为全球用户提供高精度的定位REF_Ref26202\r\h[7]。因此，该模块的主要作用是获取路灯所在位置的经纬度和时间信息，并转码传送给MCU。显示模块该模块主要是显示北斗模块获取到的经纬度、实时模块提供的实时时间（或者手动设置的实时时间）以及系统计算出来的日出时间和日落时间。（4）继电器模块该模块的每一个继电器控制一盏路灯。继电器主要是利用电流的磁效应去控制路灯的开闭，起到开关的作用，原理是用小一端的电流去控制大一端电流的一种开关REF_Ref29086\r\h[8]。（5）实时时钟模块此模块的作用主要是向系统提供实时时间。（6）电源模块该模块的作用是给整个系统供电，从各器件的电压承受能力出发，转换为合适的电压进行供电。（7）感光模块接入光敏电阻模块，当北斗模块获取数据完全失败时，光敏电阻起作用，可以根据环境光强改变阻值，从而改变电压传送给MCU。2.3.2系统的方案选择核心处理器模块的选择方案1：STC89C52是一款使用MCS−51内核的CMOS8位微控制器，带有8K字节可编程只读存储器，节电模式有空闲和掉电保护两种，带载能力较强，功能比51单片机丰富。而与ATMEL比也具有更大的存储空间，更灵活下载功能串口。但该单片机与其他的一些单片机相比耗能更大、外设少使得性能相对更弱。方案2：MSP430单片机是一款16位超低能耗混合信号处理器设备REF_Ref3380\r\h[9],具有超低功耗的特点，接口中集成了I/O口和定时器等多个结构，使用汇编语言编程非常方便，而且处理数据的能力远超八位处理器。但也存在着指令占用空间大，网上资料少，不利于学习研发、成本高等缺点。方案3：STM32F103C8T6是搭载ARMCortex−M3内核的32位微控制器，自身带有多个外围电路，存储器的容量大，通用I/O口的数量达到37个，GPIO的工作模式有8种，运行速度比16位的P430单片机以及8位的51、52系列单片机快很多，SWD接口方便在研究过程中下载和调试程序，具有封装体积小、性能高、成本低、功能丰富和功耗低等优点。综上分析，考虑到本设计的主芯片需要接收和存储其他模块传送来的数据并计算时间，而且需要及时判断实时时间是否达到开灯或者关灯的时间更靠自动控制路灯。计算时间和对比数据的运行速度越快，系统的精确度就越高，因此，选择方案3的STM32F103C8T6作为主芯片更适合此次的设计。（2）北斗模块方案1：BD-126是双模双频的定位系统REF_Ref3673\r\h[10]，与较为单一的定位模块相比，该模块的主芯片使用的是高性能和低功耗的MTK-3333芯片REF_Ref3673\r\h[10]，能够精准定位。此模块可以在3.6V-6V范围电压内直接传输数据给单片机，采用TTL电平输出，功能齐全。但它目前只与北斗二代进行通信。方案2：L76-LB是一款并发接收型的多定位系统，此系统的拥有更多的捕获信道、追踪信道和PRN信道，因此它的可用卫星更多，即使在复杂的坏境下也能快速精准定位，能主动消除干扰，缩减首次启动时间。而且此模块可以根据不同的环境和运行模式自动调节定位时间，从而降低系统的功耗。我国北斗已经发展到第三代，使用的是三频信号。而且随着路灯分布范围的扩大，各个路灯所处的地理环境都有所不同，为了能够更加精准地进行定位，消除干扰，就需要使用性能更高的定位系统。对比两个方案，明显是方案2更符合本次的设计。（3）显示模块方案1：LCD1602是一款液晶显示屏，加入背光后才能在黑暗处显示内容。点亮此屏幕时需要接入交流驱动信号，每个独立的像素由TFT控制。显示范围固定为16×2个字符，每行16个字符，共有2行，内容显示清晰、稳定。但对于显示中文来说，通常只能显示“年月日”这种非常简单的文字，而且这种显示屏容易漏光，色彩单调，耗电量大，价格偏高。方案2：OLED的实质是有机发光二极管，在3.3V这种常用的低电压下可以正常运行，分辨率为128×64，可以自发光，不需要背光源，而且OLED尺寸小巧，价格便宜，与LCD屏比较，其具有更广的可视角度，更快的刷新频率，更宽的温度承受范围，更高的对比度，更低的耗电量，能达到节约能源的目的，是一种新型显示器，已成为市场上销量较高的显示屏幕。此次设计中需要显示经纬度、日出时间、日落时间和实时时间这些内容，显示范围比较大，而且路灯是安装在室外的，环境光线比较好，为了有更好的视角效果无疑是选择方案2的低功耗的OLED显示屏更符合此次设计。（4）实时时钟模块方案1：DS12C887是并口通信时钟芯片，自身带有备用电池和晶体振荡器，不需要外加外围电路，在断电时可以较长时间正常工作，起到断电保护的作用。但是该芯片的售价高，体积比较大。方案2：DS1302是串行输出的涓流时钟充电时钟时钟芯片，使用简单的三线接口与STM最小系统进行通信，工作电压比较宽，芯片功耗低。虽然使用该款时钟芯片需要外加备份电源和晶振电路，但是价钱便宜，体积小。本次设计主要是需要时钟模块提供实时时间，考虑到成本和器件体积大小的因素，而方案2的DS1302的功能能满足此次设计的需求，又可以节省成本，所以选择方案2。（5）感光器件方案1：光敏二极管是需工作在反向电压区，灵敏度较高。当感应不到光照射时，产生的电流很小；当感应到光照射时，产生的反向电流较大。当电流经过负载时，光信号就被转换为电信号。但是光敏二极管在使用的过程中受极性的影响比较大，使用起来不方便。方案2：光敏电阻的工作原理是根据光强改变阻值，从而改变路端电压，具有可靠性好、体积小等特点。虽然它的响应速度没有光敏二极管的快，但是使用起来不需要考虑极性的影响，阻值变化也相对较慢。此模块在北斗模块正常使用的过程中是不起作用的，也就是该模块被用到的几率相对较少，而且为了防止因感光元件产生的电流过大损坏系统中的其它元件，本次设计选择方案2的光敏电阻作为感光器件更合适。按键模块方案1：独立式按键，一个按键对应一个IO口，每个按键独立工作，编写程序简单，但如果按键个数多，就会比较浪费IO口。方案2：矩阵式按键，每个按键都处于行和列的交汇处。如果系统的按键数量多，就会节省IO口，但是编程起来也比较麻烦。此次设计中有四个按键，数量不多，而且每个按键的功能各不相同。因此，选择方案1的独立式按键就可以满足设计的需求。（7）电源模块方案1：LM1117是低压差电压调节芯片，可以实现稳压和降压，将5V电压转换为3电压，耐压值高，但是电压转换效率低，如果电压下降得快或者功率增加，则会有发热严重的现象，而且价格比AMS1117高。方案2：AMS1117是正向低压降压稳压芯片，当电路的温度过高时会自动切断电路，防止因高温损坏芯片，对芯片起保护的作用。本次设计中路灯的电源为220V交流电，而系统中有的元器件需要5V直流电压，有的需要3.3V直流电压。因此在设计的过程中就需要将电压进行转化。首先选择了一个AC转DC模块将220V的交流电转化为5V的直流电，该模块可以起到隔离、保护、稳压、降噪的作用。其次选择方案2的AMS1117稳压芯片将5V电压降到3.3V，防止由于温度过高损坏系统。2.3.3系统框图各模块的选型如下：核心处理器：STM32最小系统北斗模块：L76-LB模块显示模块：OLED显示屏幕实时时钟模块：DS1302芯片感光器件：光敏电阻按键模块：独立式按键电源模块：AC转DC模块、AMS1117稳压芯片本设计由七个模块组成，各模块之间的关系如图2-1所示：图2-1系统总体框架图3硬件设计3.1STM32最小系统该设备选用STM32最小系统作为MCU，主芯片是STM32F103C8T6芯片。该模块如图3-1所示：图3-1STM32最小系统（1）电源电路此电路由连接外部3.3V的稳定的电源VCC提供电能。为了保证能获取备用寄存器的内容，VBAT在外部被连接在电源上，允许RTC正常运行。VDD、VDDA引脚连接到稳定的VCC电源上。电容C4、C5、C6和C7四个电容组成滤波电路，从而提高电路的稳定性。（2）时钟电路该系统有三个不同的时钟源和两个二级时钟源，用来驱动系统时钟（SYSCLK）。它们可以被单独打开或关闭，从而降低电能的消耗。在其外部电路中，C1和C2为可加载电容，Y1为8MHz外部晶振，能够产生精确的主时钟，减小输出失真和启动稳定时间。（3）复位电路复位电路的作用是重置系统中寄存器的值。当NRST引脚上为低电平时，系统会进行复位，使电路恢复到起始状态。（4）BOOT启动电路该系统的启动方式由BOOT0引脚和BOOT1引脚决定。当BOOT0置0时是用户闪存启动；当BOOT1置0，BOOT0置1时是系统内存启动；当BOOT1置1，BOOT0置1时是SRAM启动。（5）调试接口电路此电路的作用是将设备连接到主机上，由硬件调试器UART2、连接器SWD和若干连接线组成。3.2北斗模块在此模块中，当主电源断电时，MS62IFE电池会供电，保证系统能正常供电。模块通过天线接收到信息时，D2指示灯闪烁。L76-LB模块主要通过RXD1和TXD1两个引脚接到主芯片的PA10和PA9上，与STM32最小系统进行通行，将获取到经纬度和时间信息传给主控模块。当L76-LB芯片的RESET为低电平时，就会进行复位，让模块回到最初的工作状态。北斗模块的电路原理图如图3-2所示：图3-2北斗模块电路原理图3.3实时时钟模块此模块选用的是DS1302芯片复位引脚5接主芯片的PB12；串行时钟引脚7接主芯片PB10，为；引脚6接主芯片的PB11，为端口输入/输出引脚。这个模块就是通过这三个端口与主控模块进行数据传输的；引脚2和3为晶振引脚。DS1302会及时更新获取获取的北斗数据，RST为低电平时，系统开始初始化数据，在CLK处于上升沿时输入数据，当CLK处于下降沿时，输出数据，向系统提供实际时间，便于系统将日出和日落时间与实际时间对比。实时时钟模块电路原理图如下图3-3所示：图3-3实时时钟模块电路原理图3.4继电器模块继电器模块中采用总控方式控制多盏路灯的开闭。继电器模块中的三极管Q6、Q7、Q8三个三级管起放大电流的作用，J3、J4、J5为常用的5V继电器，其中D3、D4、D5为线圈，利用电流的磁效应控制路灯的开闭。Power1、Power2、Power3分别接到STM32F103C8T6芯片中的PB13、PB14、PB15引脚，继电器接入火线中，灯泡接在接线端子上，从而控制多盏路灯的开闭。继电器模块电路原理图如图3-4所示：图3-4继电器模块电路原理图3.5电源模块此系统的电源用的是220V市电，但因为很多芯片都是5V或者兼容3.3V电压直接供电，因此需要对220V市电进行转化，先降为5V再降为3.3V，从而向系统供电。保险丝（F1）和压敏电阻（VDR）对电路起保护作用，当D6指示灯闪烁时，接通电源。电阻R35起限流作用，电容C8、C9、C10、C11起滤波作用，增加电路的稳定性。电源模块电路原理图如图3-5所示：图3-5电源模块电路原理图3.6显示模块本设计的显示模块选用的是OLED屏幕，市面上的OLED屏幕已经比较成熟了，在此系统中只需通过接线端子接入OLED屏幕即可。CS接PA4端口，功能为片选信号；DC接PA48端口，功能是区分命令和数据；RST引脚接到主芯片的PA11端口，功能是复位；D0接PA5端口，D1是接到主芯片的PA7端口，是双向的数据输入/输出口。显示模块接线端原理图如图3-6所示：图3-6显示模块接线端原理图3.7光敏电阻模块该模块通过AD端连接到核心处理器的PA1端口，电阻R36和滑动变阻器R25起分压作用。当北斗模块获取数据完全失败时，该模块起作用，光敏电阻感应环境光强的大小改变阻值，从而改变AD端的电压。当核心处理器检测到AD端的电压值满足预先设定的值时，就会自动打开或者关闭路灯，保证路灯能够正常使用。光敏电阻模块原理图如图3-7所示：图3-7光敏电阻模块电路原理图3.8按键模块K2、K3、K4、K5是组成独立式按键模块，它们的一端接地，另一端接上拉电阻，分别对应端口K1、K2、K3、K4。在上拉电阻的作用下，按键没被按下时，各端口都处于高电平，然后与主控芯片的PB0、PB1、PB3、PB9连接，对应的功能分别是确认、上/+、返回/删除、下/-。当按键按下时，相应端口被拉为低电平，主芯片检测到信号实现按键对应的功能。按键模块电路图如图3-8所示：图3-8按键模块电路原理图4软件设计4.1软件总体设计思路程序的开发是在KeiluVision5软件中进行，选用的语言是C语言。总体思路如下：先对各个模块进行初始化，检测是否有设置路灯所在地的实时时间模式的按键按下，如果有按键按下，判断是自动校准还是手动校准当地的时间；如果没有按键按下，默认是自动校准当地的时间。通电后，北斗模块就开始获取北斗数据，判断北斗模块是否能成功获取数据，如果获取成功就对获取的数据进行解析，得出路灯所在位置的经度、纬度和时间信息传送给STM32最小系统，由此运用公式计算出日出时间和日落时间，实时时钟模块校准实时时间，比较实时时间与日出日落时间，当实时时间>日落时间时开灯，当日出时间<实时时间<日落时间时关灯。如果北斗模块获取数据失败，就采集光敏电阻模块的电压，当AD端的电压值大于1.0V就开灯；反之，当AD端的电压值小于0.8V则关灯。为了能够更加方便进行程序设计，软件设计程序总体流程如图4-1所示：图4-1软件设计程序流程图4.2系统软件主要模块设计4.2.1主函数程序设计主函数的总体流程图如下图4-2所示：图4-2主函数程序流程图4.2.2OLED屏显示页面程序设计OLED屏幕能储存字节，也就是每行能存储128个字节，每列能存储64个字节，每个字节用一个点表示。当对一个点写入1时，该点对应的位置就会亮起；相反，当对一个点写入0时，该点对应的位置就会灭。因此，该系统的显示页面就是利用这种原理显示经纬度、日出日落时间和当地实时的时间。OLED显示程序流程图如下图4-3所示：图4-3OLED屏显示程序流程图4.2.3北斗模块程序设计北斗模块的程序设计主要是对L26-LB&L76-LB_GNSS_协议进行解析，主要运用此模块支持的NMEA语句来实现功能。北斗模块的作用就是获取经纬度、UTC时间，因此，主要解析以“RMC”为头部的语句，规定的格式为：$--RMC,<a>,<b>,<c>,<d>,<e>,<f>,<g>,<h>,<i>,<j>,<k>,<l>,<n>*<Checksum><CR><LF>其中“$”是每条语句的开始，“--RMG”指的是该条语句的ID，<a>是路灯所在位置的UTC时间；<b>是指数据的有效性；<c>是指路灯所在地的纬度；<d>是指纬度的方向；<e>是指路灯所在地的经度；<f>是指经度的方向；<i>是指北斗模块获取到的UTC日期，格式为“日日月月年年”；“*”指的是数据字段结束符；<Checksum>”对数据进行校验和；<CR><LF>的是回车和换行位，标志着NMEA语句的结束。通过此语句获得的数据，需要进一步提取出需要的数据信息，按照通信协议把数据转换成单片机能识别的语言，再通过串口发送给单片机。北斗模块子程序的流程如图4-4所示：图4-4北斗模块程序设计流程图4.2.4实时时钟模块程序设计此模块的芯片是DS1302，其读写字节的原理如图4-5所示：图4-5实时时钟模块程序流程图4.2.5按键模块程序设计按键模块的作用就是手动设置时间，实现手动控制路灯的开闭。在上拉电阻的作用下，没按下按键时，K1、K2、K3、K4接线端均处于高电平，此时路灯的控制由系统自动控制。当按下按键时，此按键对应的接线端的电平就会被拉低，这时系统的实时时间就以手动设置的为准，再以此时间和当天的日出日落时间进行对比，从而实现路灯的开闭。按键模块程序流程如图4-6所示：图4-6按键模块程序流程图4.2.6光敏电阻模块程序设计光敏电阻模块主要是通过采集AD端的电压进行比较判断北斗模块是否完全失灵，完全失灵的情况下才会使起作用。当光敏电阻起模块时，其阻值会随光强发生变化，故该模块的电压输出值也随其阻值改变而改变，再将输出的模拟电压转换为数字电压传送给STM32最小系统，最后通过C语言编程实现对路灯开闭的控制。当检测到AD端电压值达到设定值时就会进行相应的开关灯操作。光敏电阻模块程序流程如图4-7所示：图4-7光敏电阻模块程序流程图4.2.7继电器模块程序设计路灯的开闭状态主要是由继电器模块来控制。将当前的时间和当天的日出时间与日落时间进行比较，当满足开灯时间时，将继电器引脚置1，即可开灯；当满足关灯的时间时，将继电器引脚置0，即可关灯。继电器模块程序流程图如图5-8所示：图4-8继电器模块程序流程图5测试数据本次选取广西师范大学育才校区第十五公寓作为研究地点，在无障碍物的走廊进行测试。设备接上220V交流电源，北斗模块的天线座放到没有障碍物遮挡的地方接收数据，记录显示器显示的数据。（1）用万用表测电路总电压U=220V，总电流I≈75mA。因此，利用公式计算设备的总功率为P=UI=220V×0.075A=16.5W。（2）设备通电后，当日出时间<实时时间<日落时间时，路灯处于关闭状态。实物图如图5-1所示：图5-1路灯关闭状态实物图（3）设备通电后，当当地时间在日落时间与日出时间之间时，路灯打开。实物图如图5-2所示：图5-2路灯打开状态实物图（4）选取广西师范大学育才校区第十五公寓作为研究地点，用此路灯设备定位获取的经纬度与用高德地图定位获取到的经纬度数据的对比见表5-1：表5-1L76-LB模块定位与高德地图定位经纬度的对比L76-LB模块定位数据高德地图定位数据误差百分比纬度25.16，N25.26，N0.3%经度110.19，E110.32，E0.12%本次测试选择在广西师范大学育才校区第十五公寓进行。表5-1数据显示，相同地点下，北斗定位获取的经纬度与高德地图定位获取的经纬度数据误差在0.1度左右，在误差允许的范围之内。说明本设计可以利用L76-LB模块定位获取经纬度。（5）选取广西师范大学育才校区第十五公寓作为研究地点，由此设备计算出来的日出时间和日落时间与中国天气网提供的日出时间和日落时间的对比见表5-2：表5-2设备计算的时间与中国天气网提供的时间之间的对比日期计算结果中国天气网数据误差（单位：分钟）日出时间日落时间2021年4月15日06:23:0318:56:5606:22:1318:57:400.830.732021年4月16日06:22:2018:57:3906:21:3118:58:210.850.72021年4月17日06:21:3818:58:2106:20:4618:59:040.870.722021年4月18日06:20:4618:59:5606:19:5919:00:350.780.652021年4月19日06:20:1419:59:3506:18:2619:01:180.800.72目前，时间正处于春分和夏至之间，太阳直射点北移，白昼变长。同一地点之下，连续测试五天的数据，由基于北斗数据的自动路灯开闭设备计算的日出时间在逐渐变早，而日落时间在逐渐变晚，也就是说白昼在逐渐变长。再将测试数据与中国天气网提供的日出时间和日落时间对比，误差不超过一分钟，在误差允许的范围之内，对人们的生产生活影响不大。所以基于北斗数据的自动路灯设备具有一定的可行性。6结论6.1设计目前能实现的功能在北斗系统全球化的背景下，本文结合当下先进的北斗技术，完成了基于北斗数据的自动路灯开闭设备的控制整体思路和框架设计，基本实现路灯的自动化。目前，设计实现的功能如下：（1）通过北斗模块获取路灯所