基于單片機(jī)模擬路燈控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、基于51單片機(jī)的模擬路燈控制系統(tǒng)1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)要求一、任務(wù)（來自原題）設(shè)計(jì)并制作一套模擬路燈控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，路燈布置如圖2所示。圖1 路燈控制系統(tǒng)示意圖圖2 路燈布置示意圖（單位：cm）二、設(shè)計(jì)要求+1基本要求（1）支路控制器有時(shí)鐘功能，能設(shè)定、顯示開關(guān)燈時(shí)間，并控制整條支路按時(shí)開燈和關(guān)燈。（2）支路控制器應(yīng)能根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動(dòng)開燈和關(guān)燈。（3）支路控制器應(yīng)能根據(jù)交通情況自動(dòng)調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)：當(dāng)可移動(dòng)物體m（在物體前端標(biāo)出定位點(diǎn)，由定位點(diǎn)確定物體位置）由左至右到達(dá)s點(diǎn)時(shí)（見圖2），燈1亮；當(dāng)物體m到達(dá)b點(diǎn)時(shí)，燈1滅，燈2亮；若物體m由右至左移動(dòng)時(shí)，則亮燈次序與上相

2、反。（4）支路控制器能分別獨(dú)立控制每只路燈的開燈和關(guān)燈時(shí)間。（5）當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)（燈不亮），支路控制器應(yīng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并顯示有故障路燈的地址編號(hào)。2發(fā)揮部分（1）自制單元控制器中的led燈恒流驅(qū)動(dòng)電源。（2）單元控制器具有調(diào)光功能，路燈驅(qū)動(dòng)電源輸出功率能在規(guī)定時(shí)間按設(shè)定要求自動(dòng)減小，該功率應(yīng)能在20%100%范圍內(nèi)設(shè)定并調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)誤差2%。（3）性價(jià)比高，工作穩(wěn)定，符合電磁兼容（emc）方面的要求，無對(duì)外干擾或干擾小。 1.2 總體設(shè)計(jì)方案1.2.1 功能分解及設(shè)計(jì)思路 本模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案要實(shí)現(xiàn)的 主要功能主要分解為以下五個(gè)方面：一是時(shí)鐘功能及定時(shí)開關(guān)燈。二是根據(jù)環(huán)境明暗變化，

3、自動(dòng)開燈和關(guān)燈。三是根據(jù)交通情況自動(dòng)調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)：當(dāng) 汽車靠近路燈時(shí)，路燈能自動(dòng)點(diǎn)亮；當(dāng)汽車遠(yuǎn)離時(shí)，路燈自動(dòng)熄滅。四聲光報(bào)警功能，當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)而不 亮?xí)r，控制器發(fā)出信號(hào)，并顯示有故障路燈的地址編號(hào)。五是根據(jù)綠色節(jié)能照明要求，采用恒流源 驅(qū)動(dòng)led路燈發(fā)亮且能調(diào)光，路燈驅(qū)動(dòng)電源輸出功率能在20%100%范圍內(nèi)設(shè)定并調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)誤差2%。以上功能的實(shí)現(xiàn)，都是以單片機(jī)為核心， 在單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的輸入輸出和顯示功能的基礎(chǔ)上，由單片機(jī)的內(nèi)置邏輯和運(yùn)算功能，加上一定的外圍電路得以實(shí)現(xiàn)。針對(duì)以上的五個(gè)功能，采用模塊 化的設(shè)計(jì)思想，以下分別敘述之。1.2.2 方案論證與比較 1.2.2.1 時(shí)鐘功能及定時(shí)開

4、關(guān)機(jī)。方案一：采用專用時(shí)鐘芯片。 現(xiàn)在流行的串行時(shí)鐘電路 很多，如ds1302、 ds1307、pcf8485等。其優(yōu)勢(shì)是可以單獨(dú)使用，直接連接到單片機(jī)外圍，有自己獨(dú)立的時(shí)鐘晶振，精度較高。單片機(jī)通過串行接口 讀取和寫入當(dāng)前的時(shí)鐘值，時(shí)鐘芯片的運(yùn)行受單片機(jī)死機(jī)的影響少。其缺點(diǎn)一是消耗了單片機(jī)io口資源。二是在編程時(shí)需要增加讀寫串行口的內(nèi)容，消耗了單片機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。三是增加了成本。增加了時(shí)鐘芯片及其外圍電路的開支。ds1302的典型應(yīng)用電路如圖3 所示： 圖3 ds1302的典型應(yīng)用電路方案二：采用單片機(jī)內(nèi)置時(shí)鐘振蕩電路及定時(shí)器構(gòu)建時(shí)間平臺(tái)。本方案直接利用單片機(jī)的內(nèi)置定時(shí)器，通過定時(shí)器的中斷和簡

5、 單運(yùn)算實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘功能。例如： st c單片機(jī)，在4m時(shí)鐘時(shí)，單個(gè)指令的運(yùn)行時(shí)間是1微秒，設(shè)置定時(shí)器1每125個(gè)指令周期產(chǎn)生一個(gè)中斷，即125微秒，8個(gè)中斷后，時(shí)間平臺(tái)是1毫秒 ，設(shè)置以下時(shí)間計(jì)數(shù)變量分別為：uchar to1ms = 0x00; /當(dāng)該變量增加到某個(gè)數(shù)值時(shí),表示經(jīng)過了1毫秒uchar t o2ms = 0x00; /當(dāng)該變量增加到某個(gè)數(shù)值時(shí),表示經(jīng)過了2毫秒uchar is 2ms = 0; /到達(dá)2毫秒時(shí)刻uchar to 20ms = 0x00; /當(dāng)該變量增加到某個(gè)數(shù)值時(shí),表示經(jīng)過了20毫秒uchar is20ms = 0; /到達(dá)20毫秒時(shí)刻uchar to 1s =

6、0x00; /當(dāng)該變量增加到某個(gè)數(shù)值時(shí),表示經(jīng)過了1秒uchar is1 s = 0; /到達(dá)1秒時(shí)刻在秒時(shí)間 平臺(tái)，用tomin變量，計(jì)數(shù)60秒后進(jìn)入分鐘平臺(tái)，計(jì)數(shù)60分鐘后，進(jìn)入小時(shí)平臺(tái)。方案二沒有增加外置電路，充分利用了單片機(jī)的定時(shí)器功能，實(shí)施簡潔方便，主要的缺點(diǎn)是當(dāng)控制系統(tǒng)斷電或死機(jī)以后，需要人工重新定時(shí)。本系統(tǒng)的 時(shí)鐘功能實(shí)現(xiàn)采用方案二。1.2.2.2 根據(jù)環(huán) 境明暗變化，自動(dòng)開燈和關(guān)燈功能。方案一：采用比較器的解決方案。光敏電阻與 固定電阻串聯(lián)，加一級(jí)電壓跟隨器后輸入比較器，與比較器負(fù)輸入端的電壓值進(jìn)行比較，得到一個(gè)高電平或低電平輸出，進(jìn)入單片機(jī)的io口。 優(yōu)點(diǎn) 是電路比較直觀，操

7、作比較方便，可直接通過電位器調(diào)節(jié)路燈的開啟亮度。對(duì)維護(hù)人員的要求不高。缺點(diǎn) 是不方便進(jìn)行數(shù)碼控制。方案二：采用ad變換。光敏 電阻與固定電阻串聯(lián)，由單片機(jī)內(nèi)置的ad變換接口讀入當(dāng)前的電壓值，然后根據(jù)讀取的電壓值判斷當(dāng)前的環(huán)境亮度。路燈的開啟電平由內(nèi)部的變量控 制。方案二的優(yōu)點(diǎn)在于可以方便以實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈開啟電平的數(shù)碼控制和遠(yuǎn)程控制。本系統(tǒng) 采用方案二。1.2.2.3 根據(jù)交通情況自動(dòng)調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)。當(dāng)汽車 靠近路燈時(shí)，路燈能自動(dòng)點(diǎn)亮；當(dāng)汽車遠(yuǎn)離時(shí)，路燈自動(dòng)熄滅。方案一 ：采用工業(yè)級(jí)的光電傳感器。這種光電傳感器普遍運(yùn)用于電梯、生產(chǎn)線等工業(yè)場(chǎng)所。優(yōu)點(diǎn)是使用方便，型號(hào)很多，輸出量是開關(guān)量，不需調(diào)理電路。缺

8、 點(diǎn)是價(jià)格較貴。方案二：采用廉價(jià)的紅外對(duì)射傳感器。紅外對(duì) 射的特點(diǎn)是傳輸距離較遠(yuǎn)，能量集中。當(dāng)沒有物體遮擋時(shí)，紅外光直射到紅外探頭上，紅外接收管連續(xù)輸出低電平到單片機(jī)，當(dāng)有物體經(jīng)過時(shí)，紅外光 被遮住，此時(shí)紅外探頭輸出高電平到單片機(jī)。由于紅外光的發(fā)射有一定的偏角，本設(shè)計(jì)利用了黑色套管遮擋紅外發(fā)射燈頭，以減少紅外光的散失。 本 系統(tǒng)采用方案二。1.2.2.4 故障報(bào)警功能采 用光敏電阻檢測(cè)路燈的亮度，同時(shí)排除環(huán)境光的干擾。利 用單片機(jī)的ad口，讀入光敏電阻上檢測(cè)到的路燈亮度值。1.2.2.5 恒流源驅(qū)動(dòng)led及20到100范圍內(nèi)可調(diào)亮度。方案一：采用恒流源驅(qū)動(dòng)芯片，目前市場(chǎng)上成品的恒流源驅(qū)動(dòng)芯片比

9、較多，一般采用使用取樣電阻調(diào)節(jié)輸出電流的方式。這些芯片使用方便，性能較好，但 價(jià)格較貴。方案 二：采用pwm方式驅(qū)動(dòng)功率三極管輸出驅(qū)動(dòng)電流，用電流取樣電阻串入led供電回路，用ad口讀取當(dāng)前的電流值，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。方案二利用了單片機(jī)的ad變換資源，同時(shí)采用pwm方式，可以使led工作在斷斷續(xù)續(xù)的狀態(tài)，可以延長led的使用壽命。本系 統(tǒng)采用方案二。 1.2.3 系統(tǒng)各模塊的最終方案 1.3 系統(tǒng)功能說明書（用戶使用說明書） 1.3.1 路燈的工作模式本 模擬路燈控制系統(tǒng)具備5種工作模式，分別是自動(dòng)群控模式、自動(dòng)分控模式、根據(jù)照度自動(dòng)控制模式、根據(jù)交通情況自動(dòng)控制模式、 手動(dòng)控制模式，下面對(duì)每種工

10、作模式簡單介紹如下：（1） 自動(dòng)群控模式在該 模式下，支路控制器根據(jù)設(shè)定好的定時(shí)信息，自動(dòng)地同時(shí)打開或者關(guān)閉兩盞路燈。系統(tǒng)啟動(dòng)后默認(rèn)進(jìn)入該模式。（2） 自動(dòng)分控模式在該模式下，支路控制器根據(jù)設(shè)定好的定時(shí)信息，分別控制兩盞路燈的開關(guān)，例如，當(dāng)系統(tǒng)的時(shí)間和路燈1開燈的時(shí)間相等時(shí)，開啟路燈1； 當(dāng)系統(tǒng)的時(shí)間和路燈2關(guān)燈的時(shí)間相等時(shí)開啟路燈2。（3） 根據(jù)照度自動(dòng)控制模式在該模式 下，當(dāng)環(huán)境照度低于一定的值時(shí)開啟兩盞路燈，當(dāng)環(huán)境照度高于一定的值時(shí)關(guān)閉兩盞路燈。（4） 根 據(jù)交通情況自動(dòng)控制模式在該模式 下，當(dāng)可移動(dòng)物體m由左到右到達(dá)s點(diǎn)時(shí)（見圖），燈1亮；當(dāng)物體m到達(dá)b點(diǎn)時(shí)，燈1滅，燈2亮；若物體m由

11、右到左移動(dòng)時(shí)，則亮燈的次序與上相反。（5） 手 動(dòng)控制模式在手動(dòng)模 式時(shí)，兩盞路燈只能由支路控制器用增加和減少鍵手動(dòng)的調(diào)整亮度，路燈的亮度可以在0100自由的上下調(diào)整，步進(jìn)為10。（1）（ 4）等四種工作模式是互斥的，即在某一時(shí)刻只能具有其中的一種功能，不過各種模式可以手動(dòng)的切換，手動(dòng)調(diào)整路燈亮度的功能在這 四種模式中都是有效的。另外，該路燈 控制系統(tǒng)還具備故障檢測(cè)功能，當(dāng)路燈出現(xiàn)無法正常工作的狀況時(shí)，該控制系統(tǒng)能夠判定是哪一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，并將故障通過聲音警報(bào)及數(shù)碼管顯示告知用戶。 1.3.2 按鍵操作說明n 支路控制器具備5個(gè)按鍵，分別為時(shí)間調(diào)整鍵、模式選擇鍵、增加鍵、減少鍵、確認(rèn)鍵。n 時(shí)

12、間調(diào)整鍵：按時(shí)間調(diào)整鍵時(shí)，可以循環(huán)地選擇系統(tǒng)時(shí)間、路燈1和2共同的開關(guān)燈時(shí)間、路燈1的開關(guān)燈時(shí)間和路燈2的開關(guān)燈時(shí)間。n 模式選擇鍵：按模式選擇鍵可以進(jìn)行系統(tǒng)工作模式的切換，順序?yàn)樽詣?dòng)群控模式自動(dòng)分控模式根據(jù)照度自動(dòng)控制模式 根據(jù)交通情況自動(dòng)控制模式手動(dòng)控制模式。nn 增加、減少鍵：按這兩個(gè)鍵可以對(duì)時(shí)間或者亮度進(jìn)行增減，長按時(shí)時(shí)間或者亮度可以連續(xù)變換。l 確認(rèn)鍵：確認(rèn)鍵只在時(shí)間調(diào)整時(shí)有效，分別確認(rèn)小時(shí)、分鐘、秒的輸入。 2. 單元電路設(shè)計(jì)2.1 每部分模塊的電路設(shè)計(jì)2.1.1 電源供電電路 采用變壓器與三端穩(wěn)壓器相結(jié)合2.1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)其核心芯片是stc12c5404ad。2.1.3

13、輸入與輸出鍵盤： 采用ad變換輸入口為鍵盤輸入口，節(jié)省了io口資源。led顯示： 2.1.4 電流源驅(qū)動(dòng) 3. 軟件設(shè)計(jì)軟件采用c語言編寫，可移植性和可讀性強(qiáng)。 軟件編寫體現(xiàn)了模塊化的任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式。代碼盡 量符合變量定義規(guī)范。 3.1 -子程序本系統(tǒng)包含以下子程序 /鍵盤處理-void keyboardscan(void); /鍵盤掃描函數(shù)void keyboardoperate(uch ar keynum);/按鍵處理函數(shù) / /定時(shí)器處理-void inittimer(void);/定時(shí)器參數(shù)設(shè)定及啟動(dòng) / /路燈控制-v 特調(diào)oid brightnessset(uchar lightnu

14、m, uchar brightness);/亮度調(diào)整 /ad采樣-void adexchange(uchar num);/ad采樣/* 亮度調(diào)整函數(shù) */void brightnessset(uchar lightnum, uchar brightness)；額頭紋/* * 溢出中斷處理程序 */ void interrupt 6 timerinterrupt(void);兒也讓他3.2 -系統(tǒng)主程序流程圖3.2.1 系統(tǒng)流程圖3.2.2定時(shí)器溢出中斷處理函數(shù)流程圖3.2.3按鍵掃描流程圖4. 系統(tǒng)測(cè)試4.1 測(cè)試儀器流明計(jì)而同樣問題數(shù)字示波器功率計(jì)萬用表直流電源等4.2 指標(biāo)測(cè)試4.2.1

15、各部分測(cè)試的指標(biāo)功率測(cè)試設(shè)置功率/w路燈兩端電壓/v路燈電流/a實(shí)際功率/w誤差/%0.25.580.0360.2010.40.3 如上圖是人體5.710.0530.3030.90.45.810.0680.3951.20.55.910.0840.4960.70.66.020.1010.6081.30.76.060.1150.6970.40.86.090.1320.8040.50.96.120.1470.9000.016.170.1631.0060.6功能測(cè)試序號(hào)指標(biāo)（目標(biāo)值）實(shí)測(cè)值1故障指示（編號(hào)）lcd上顯示正確2過中點(diǎn)后前燈亮后燈滅，試驗(yàn)成功率（100）1003自動(dòng)開關(guān)燈功能，試驗(yàn)成功率1

16、004實(shí)時(shí)誤差，采用時(shí)間加速方法（誤差小于5min）誤差1min5單元控制器具有調(diào)光功能，路燈驅(qū)動(dòng)電源輸出功率能在規(guī)定時(shí)間按設(shè)定要求自動(dòng)減小，該功率應(yīng)能在20%100%范圍內(nèi)設(shè)定并調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)誤差2%。電流從0ma至850mam變化平緩穩(wěn)定4.2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能1基本要求序號(hào)功能是否實(shí)現(xiàn)1支路控制器有時(shí)鐘功能，能設(shè)定、顯示開關(guān)燈時(shí)間，并控制整條支路按時(shí)開燈和關(guān)燈。是2支路控制器應(yīng)能根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動(dòng)開燈和關(guān)燈。是3支路控制器應(yīng)能根據(jù)交通情況自動(dòng)調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)：當(dāng)可移動(dòng)物體m（在物體前端標(biāo)出定位點(diǎn)，由定位點(diǎn)確定物體位置）由左至右到達(dá)s點(diǎn)時(shí)（見圖2），燈1亮；當(dāng)物體m到達(dá)b點(diǎn)時(shí)，燈1滅，燈2亮；若物體m由右至左移動(dòng)時(shí)，則亮燈次序與上相反。是4支路控制器能分別獨(dú)立控制每只路燈的開燈和關(guān)燈時(shí)間。是5當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)（燈不亮），支路控制器應(yīng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并顯示有故障路燈的地址編號(hào)。是2發(fā)揮部分序號(hào)功能是否實(shí)現(xiàn)1自制單元控制器中的led燈恒流驅(qū)動(dòng)電源是2單元控制器具有調(diào)光功能，路燈驅(qū)動(dòng)電源輸出功率能在規(guī)定時(shí)間按設(shè)定要求自動(dòng)減小，該功率