模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、1模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計目 錄摘要摘要 .2關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 .2ABSTRACT.2KEY WORDS.21 系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計 .31.1 設(shè)計要求.31.1.1 基本要求 .31.1.2 發(fā)揮部分 .31.2 總體設(shè)計方案.41.2.1 功能分解及設(shè)計思路 .41.2.2 方案論證與比較 .41.2.3 系統(tǒng)各模塊的最終方案 .61.3 系統(tǒng)功能說明書.61.3.1 路燈的工作模式 .61.3.2 按鍵操作說明 .72 單元電路設(shè)計單元電路設(shè)計 .72.1 電源供電電路.72.2 單片機最小系統(tǒng).82.3 輸入與輸出.82.4 電流源驅(qū)動.93.1 系統(tǒng)主程序流程圖.93.1.1 系統(tǒng)流程圖

2、.93.1.2 定時器溢出中斷處理函數(shù)流程圖 .103.1.3 按鍵掃描流程圖 .123.2 系統(tǒng)子程序.124 系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試 .134.1 測試儀器.134.2 指標(biāo)測試.134.2.1 各部分測試的指標(biāo) .134.2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能 .135 結(jié)束語結(jié)束語 .14參考文獻參考文獻 .15附錄附錄 1 程序代碼程序代碼 .16附錄附錄 2 硬件原理圖硬件原理圖 .29附錄附錄 3 PCB 圖（部分）圖（部分） .302模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計摘要：本文介紹了一個模擬路燈控制系統(tǒng)的應(yīng)用方案，用以實現(xiàn)模擬路燈的智能控制。本方案以STC12C5410AD 為核心，加以簡單的外圍電路，實現(xiàn)了模

3、擬路燈控制系統(tǒng)的技術(shù)要求。該系統(tǒng)除了選用廉價的單片機芯片，還采用了廉價的紅外對射傳感器，大大降低了系統(tǒng)成本。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,電源驅(qū)動僅采用變壓器與三端穩(wěn)壓器相結(jié)合，附加少許濾波電容便實現(xiàn)了穩(wěn)定的電源輸出。經(jīng)過測試，證實該系統(tǒng)能長時間穩(wěn)定工作，滿足設(shè)計要求指標(biāo)。關(guān)鍵詞：模擬控制 LED 照明 單片機 1 系統(tǒng)設(shè)計1.1 設(shè)計要求設(shè)計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 1.1 所示：輸入、顯示裝置支路控制器單元控制器1單元控制器2LED燈1LED燈2圖 1.1 模擬路燈控制系統(tǒng)路燈布置如圖 1.2 所示：LED燈1LED燈2402040SABCS404040M定位點圖 1.2 路燈布置

4、示意圖（單位：cm） 1.1.1 基本要求（1）支路控制器有時鐘功能，能設(shè)定、顯示開關(guān)燈時間，并控制整條支路按時開燈和關(guān)燈。（2）支路控制器應(yīng)能根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動開燈和關(guān)燈。（3）支路控制器應(yīng)能根據(jù)交通情況自動調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)：當(dāng)可移動物體 M（在物體前端標(biāo)出定位點，由定位點確定物體位置）由左至右到達 S 點時（見圖 2） ，燈 1 亮；當(dāng)物體 M 到達 B 點時，燈 1 滅，燈 2 亮；若物體 M 由右至左移動時，則亮燈次序與上相反。（4）支路控制器能分別獨立控制每只路燈的開燈和關(guān)燈時間。3（5）當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時（燈不亮） ，支路控制器應(yīng)發(fā)出聲光報警信號，并顯示有故障路燈的地址編號。1.1.

5、2 發(fā)揮部分（1）自制單元控制器中的 LED 燈恒流驅(qū)動電源。（2）單元控制器具有調(diào)光功能，路燈驅(qū)動電源輸出功率能在規(guī)定時間按設(shè)定要求自動減小，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）性價比高，工作穩(wěn)定，符合電磁兼容（EMC）方面的要求，無對外干擾或干擾小。1.2 總體設(shè)計方案1.2.1 功能分解及設(shè)計思路本模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計方案要實現(xiàn)的主要功能主要分解為以下五個方面：（1）是時鐘功能及定時開關(guān)燈。（2）是根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動開燈和關(guān)燈。（3）是根據(jù)交通情況自動調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)：當(dāng)汽車靠近路燈時，路燈能自動點亮；當(dāng)汽車遠離時，路燈自動熄滅。（4）聲光報警功能，當(dāng)路燈

6、出現(xiàn)故障時而不亮?xí)r，控制器發(fā)出信號，并顯示有故障路燈的地址編號。（5）是根據(jù)綠色節(jié)能照明要求，采用恒流源驅(qū)動 LED 路燈發(fā)亮且能調(diào)光，路燈驅(qū)動電源輸出功率能在 20%100%范圍內(nèi)設(shè)定并調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)誤差2%。以上功能的實現(xiàn)，都是以單片機為核心，在單片機系統(tǒng)實現(xiàn)的輸入輸出和顯示功能的基礎(chǔ)上，由單片機的內(nèi)置邏輯和運算功能，加上一定的外圍電路得以實現(xiàn)。針對以上的五個功能，采用模塊化的設(shè)計思想，以下分別敘述之。1.2.2 方案論證與比較（1）時鐘功能及定時開關(guān)機【方案一】采用專用時鐘芯片現(xiàn)在流行的串行時鐘電路很多，如 DS1302、 DS1307、PCF8485 等。其優(yōu)勢是可以單獨使用，直接連接到單

7、片機外圍，有自己獨立的時鐘晶振，精度較高。單片機通過串行接口讀取和寫入當(dāng)前的時鐘值，時鐘芯片的運行受單片機死機的影響少。其缺點一是消耗了單片機 IO 口資源。二是在編程時需要增加讀寫串行口的內(nèi)容，消耗了單片機的運行時間。三是增加了成本。增加了時鐘芯片及其外圍電路的開支。DS1302 的典型應(yīng)用電路如圖 1.3 所示：4圖 1.3 DS1302 的典型應(yīng)用電路【方案二】采用單片機內(nèi)置時鐘本方案直接利用單片機的內(nèi)置定時器，通過定時器的中斷和簡單運算實現(xiàn)時鐘功能。例如： STC 單片機，在 4M 時鐘時，單個指令的運行時間是 1 微秒，設(shè)置定時器 1 每 125個指令周期產(chǎn)生一個中斷，即 125 微

8、秒，8 個中斷后，時間平臺是 1 毫秒，設(shè)置以下時間計數(shù)變量分別為：uchar To1mS = 0 x00; /當(dāng)該變量增加到某個數(shù)值時,表示經(jīng)過了 1 毫秒uchar To2mS = 0 x00; /當(dāng)該變量增加到某個數(shù)值時,表示經(jīng)過了 2 毫秒uchar Is2mS = 0; /到達 2 毫秒時刻uchar To20mS = 0 x00; /當(dāng)該變量增加到某個數(shù)值時,表示經(jīng)過了 20 毫秒uchar Is20mS = 0; /到達 20 毫秒時刻uchar To1S = 0 x00; /當(dāng)該變量增加到某個數(shù)值時,表示經(jīng)過了 1 秒uchar Is1S = 0; /到達 1 秒時刻在秒時間平

9、臺，用 ToMIN 變量，計數(shù) 60 秒后進入分鐘平臺，計數(shù) 60 分鐘后，進入小時平臺。方案二沒有增加外置電路，充分利用了單片機的定時器功能，實施簡潔方便，主要的缺點是當(dāng)控制系統(tǒng)斷電或死機以后，需要人工重新定時。本系統(tǒng)的時鐘功能實現(xiàn)采用方案二。（2）根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動開燈和關(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)，加一級電壓跟隨器后輸入比較器，與比較器負輸入端的電壓值進行比較，得到一個高電平或低電平輸出，進入單片機的 IO 口。優(yōu)點是電路比較直觀，操作比較方便，可直接通過電位器調(diào)節(jié)路燈的開啟亮度。對維護人員的要求不高。缺點是不方便進行數(shù)碼控制。【方案二】采用 AD

10、 變換。光敏電阻與固定電阻串聯(lián)，由單片機內(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)5點在于可以方便以實現(xiàn)對路燈開啟電平的數(shù)碼控制和遠程控制。本系統(tǒng)采用方案二。（3）根據(jù)交通情況自動調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)。當(dāng)汽車靠近路燈時，路燈能自動點亮；當(dāng)汽車遠離時，路燈自動熄滅?！痉桨敢弧坎捎霉I(yè)級的光電傳感器。這種光電傳感器普遍運用于電梯、生產(chǎn)線等工業(yè)場所。優(yōu)點是使用方便，型號很多，輸出量是開關(guān)量，不需調(diào)理電路。缺點是價格較貴?！痉桨付坎捎昧畠r的紅外對射傳感器。紅外對射的特點是傳輸距離較遠，能量集中。當(dāng)沒有物體遮擋時，紅外光直射到紅外

11、探頭上，紅外接收管連續(xù)輸出低電平到單片機，當(dāng)有物體經(jīng)過時，紅外光被遮住，此時紅外探頭輸出高電平到單片機。由于紅外光的發(fā)射有一定的偏角，本設(shè)計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。（4）故障報警功能采用光敏電阻檢測路燈的亮度，同時排除環(huán)境光的干擾。利用單片機的 AD 口，讀入光敏電阻上檢測到的路燈亮度值。（5） 恒流源驅(qū)動 LED 及 20到 100范圍內(nèi)可調(diào)亮度?！痉桨敢弧坎捎煤懔髟打?qū)動芯片，目前市場上成品的恒流源驅(qū)動芯片比較多，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，但價格較貴?！痉桨付坎捎?PWM 方式驅(qū)動功率三極管輸出驅(qū)動電流

12、，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，實現(xiàn)閉環(huán)控制。方案二利用了單片機的 AD 變換資源，同時采用 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 圖 1.4 系統(tǒng)各模塊的最終方案1.3 系統(tǒng)功能說明書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，分別是自動群控模式、自動分控模式、根據(jù)照度自動控制模式、根據(jù)交通情況自動控制模式、手動控制模式，下面對每種工作模式簡單介紹如下：（1）自動群控模式在該模式下，支路控制器根據(jù)設(shè)定好的定時信息，自動地同時打開或者關(guān)閉兩

13、盞路6燈。系統(tǒng)啟動后默認(rèn)進入該模式。（2）自動分控模式在該模式下，支路控制器根據(jù)設(shè)定好的定時信息，分別控制兩盞路燈的開關(guān)，例如，當(dāng)系統(tǒng)的時間和路燈 1 開燈的時間相等時，開啟路燈 1；當(dāng)系統(tǒng)的時間和路燈 2 關(guān)燈的時間相等時開啟路燈 2。（3）根據(jù)照度自動控制模式在該模式下，當(dāng)環(huán)境照度低于一定的值時開啟兩盞路燈，當(dāng)環(huán)境照度高于一定的值時關(guān)閉兩盞路燈。（4）根據(jù)交通情況自動控制模式在該模式下，當(dāng)可移動物體 M 由左到右到達 S 點時（見圖） ，燈 1 亮；當(dāng)物體M 到達 B 點時，燈 1 滅，燈 2 亮；若物體 M 由右到左移動時，則亮燈的次序與上相反。（5）手動控制模式在手動模式時，兩盞路燈只

14、能由支路控制器用增加和減少鍵手動的調(diào)整亮度，路燈的亮度可以在 0100自由的上下調(diào)整，步進為 10。（1）（4）等四種工作模式是互斥的，即在某一時刻只能具有其中的一種功能，不過各種模式可以手動的切換，手動調(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)還具備故障檢測功能，當(dāng)路燈出現(xiàn)無法正常工作的狀況時，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及數(shù)碼管顯示告知用戶。1.3.2 按鍵操作說明支路控制器具備 5 個按鍵，分別為時間調(diào)整鍵、模式選擇鍵、增加鍵、減少鍵、確認(rèn)鍵。（1）時間調(diào)整鍵：按時間調(diào)整鍵時，可以循環(huán)地選擇系統(tǒng)時間、路燈 1 和 2 共同的開關(guān)燈時間、

15、路燈 1 的開關(guān)燈時間和路燈 2 的開關(guān)燈時間。（2）模式選擇鍵：按模式選擇鍵可以進行系統(tǒng)工作模式的切換，順序為自動群控模式；自動分控模式；根據(jù)照度自動控制模式；根據(jù)交通情況自動控制模式；手動控制模式。（3）增加、減少鍵：按這兩個鍵可以對時間或者亮度進行增減，長按時時間或者亮度可以連續(xù)變換。（4）確認(rèn)鍵：確認(rèn)鍵只在時間調(diào)整時有效，分別確認(rèn)小時、分鐘、秒的輸入。72 單元電路設(shè)計2.1 電源供電電路 圖 2.1該電路采用變壓器與三端穩(wěn)壓器相結(jié)合。使 220V 電壓經(jīng)變壓器變壓，降為 12V。過整流橋并利用兩個容量較大的電容濾波，從而得到較為穩(wěn)定的直流電壓。通過 7805型號的三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓之后，

16、輸出一個電壓為 5V，電流為 750mA 的直流電源。2.2 單片機最小系統(tǒng)圖 2.2該控制系統(tǒng)的核心芯片采用的是 STC12C5404AD，它的最小系統(tǒng)由 STC 單片機，電容和晶振組成。上電瞬間，電源經(jīng)復(fù)位電容向單片機發(fā)送一個高電平信號，使單片機復(fù)位。同時晶振起振，使單片機工作。晶振的大小可根據(jù)實際需要進行選擇，常用的晶振有 4M,6M,11.0592M,12M,24M 等。2.3輸入與輸出8圖 2.3 按鍵輸入按鍵輸出采用 AD 變換，節(jié)省了 IO 口資源。通過不同大小的電阻進行分壓，按下不同的按鍵就會向單片機發(fā)送不同的電壓值。如：按下 s1 是 0V；按下 s2，電壓=2K/（2K+1

17、0K）*5V=0.83V。經(jīng)過單片機 AD 變換之后，就可以判斷是哪個按鍵按下去，從而執(zhí)行相應(yīng)的功能。 圖 2.4 顯示輸出該控制系統(tǒng)采用 LED 數(shù)碼管顯示輸出。LED 數(shù)碼管最突出的特點是使用簡單，價格低廉。在該系統(tǒng)中主要用來顯示數(shù)字時鐘，顯示模式設(shè)定等。2.4 電流源驅(qū)動 圖 2.59電流源驅(qū)動電路，是為驅(qū)動 1W 大功率 LED 燈而設(shè)計的。LED 燈屬于電流源驅(qū)動，根據(jù)計算，每個 1W 的 LED 燈至少需要 200mA 的驅(qū)動電流才能點亮，而單片機的 IO 輸出電流實際只有 20mA 到 30mA，所以必須經(jīng)過電流放大才能使其工作。因此在該電路中采用了一個 9013 對電流進行放大

18、。3 軟件設(shè)計3.1 系統(tǒng)主程序流程圖3.1.1 系統(tǒng)流程圖開始單片機存儲器及變量初始化顯示初始化對幾路模擬信號輪流進行采樣，每2毫秒采樣一個信號按鍵掃描及處理檢測環(huán)境的明暗度并決定是否自動開關(guān)燈路燈的故障檢測檢測交通情況，并根據(jù)交通情況對路燈的開關(guān)進行管理定時管理圖 3.1 系統(tǒng)流程圖3.1.2 定時器溢出中斷處理函數(shù)流程圖10開始1毫秒變量遞增到達1毫秒時刻清零1毫秒變量，設(shè)置激光傳感器掃描標(biāo)志，2毫秒變量遞增到達2毫秒時刻清零2毫秒變量，設(shè)置2毫秒標(biāo)志，20毫秒變量遞增到達20毫秒時刻清零20毫秒變量，設(shè)置20毫秒標(biāo)志，1秒變量遞增，管理蜂鳴器響的時間到達1秒時刻清零1秒變量，設(shè)置1秒標(biāo)

19、志，管理報警燈，如果需要響蜂鳴器，則驅(qū)動蜂鳴器清中斷標(biāo)志是是是是否否否否退出圖 3.2 定時器溢出中斷處理函數(shù)流程圖113.1.3 按鍵掃描流程圖開始對按鍵的掃描線進行AD采樣判斷AD值是否大于245按鍵消抖并根據(jù)AD值確定鍵值按鍵處理退出否復(fù)位按鍵掃描的相關(guān)變量是圖 3.3 按鍵掃描流程圖3.2 系統(tǒng)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(uchar KeyNum);/按鍵處理函數(shù)/定時器處理-void InitTimer(void);/定時器參數(shù)設(shè)定及啟動/路燈控制-void Brigh

20、tnessSet(uchar LightNum, uchar Brightness);/亮度調(diào)整/延時函數(shù)-void delay（uint i）;/AD 采樣-void InitADC();/ADC 轉(zhuǎn)換初始化uchar GetADCResult(uchar ch);/取 ADC 轉(zhuǎn)換初值uint get_adc(uchar ch);/對 ADC 取值進行操作/顯示函數(shù)-void display();/蜂鳴器發(fā)生函數(shù)-void speak();/* 亮度調(diào)整函數(shù) */void BrightnessSet(uchar LightNum, uchar Brightness)；/* 中斷處理程序 *

21、/ void t0() interrupt 1 using 1 void t1() interrupt 3 124 系統(tǒng)測試4.1 測試儀器數(shù)字示波器： 該系統(tǒng)采用紅外對射傳感器，因為它的正常工作需要外加 38KHz 的觸發(fā)頻率。數(shù)字示波器主要用來測量頻率。萬 用 表： 在該系統(tǒng)中用來測量電壓、電流、電阻等4.2 指標(biāo)測試4.2.1 各部分測試的指標(biāo)表 12 功能測試序號指標(biāo)（目標(biāo)值）實測值1故障指示（編號）LED 上顯示正確2過中點后前燈亮后燈滅，試驗成功率（100）1003自動開關(guān)燈功能，試驗成功率1004實時誤差，采用時間加速方法（誤差小于 5MIN）誤差1MIN5單元控制器具有調(diào)光功能

22、，路燈驅(qū)動電源輸出功率能在規(guī)定時間按設(shè)定要求自動減小，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 750mAm 變化平緩穩(wěn)定4.2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能表 21 基本要求序號功能是否實現(xiàn)1支路控制器有時鐘功能，能設(shè)定、顯示開關(guān)燈時間，并控制整條支路按時開燈和關(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)交通情況自動調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)：當(dāng)可移動物體 M（在物體前端標(biāo)出定位點，由定位點確定物體位置）由左至右到達 S 點時（見圖 2） ，燈 1 亮；當(dāng)物體 M 到達 B 點時，燈 1 滅，燈 2 亮；若物體 M 由右至左移動時，則亮燈次序與

23、上相反。是4支路控制器能分別獨立控制每只路燈的開燈和關(guān)燈時間。是5當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時（燈不亮） ，支路控制器應(yīng)發(fā)出聲光報警信號，并顯示有故障路燈的地址編號。是表 22 發(fā)揮部分序號功能是否實現(xiàn)1自制單元控制器中的 LED 燈恒流驅(qū)動電源是2單元控制器具有調(diào)光功能，路燈驅(qū)動電源輸出功率能在規(guī)定時間按設(shè)定要求自動減小，該功率應(yīng)能在是1320%100%范圍內(nèi)設(shè)定并調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)誤差2%。表 23 特色功能序號功能是否實現(xiàn)1自制微型紅外光發(fā)射與光敏電阻組合替代工業(yè)光電傳感器是2利用單片機的 AD 變換功能，實現(xiàn)用一個 IO 口讀多個按鍵是3使用單片機內(nèi)部的定時器代替時鐘芯片，實現(xiàn)時鐘功能和定時開關(guān)機功能是4

24、采用 PWM 與電流取樣方式，實現(xiàn)閉環(huán)的恒流源控制是5 結(jié)束語該系統(tǒng)調(diào)試最終結(jié)果，符合本次設(shè)計的全部要求。經(jīng)過功率擴大、電網(wǎng)通訊等方面的改良，就能用于實際路燈控制。以其超低成本，高可靠性的特點，與其他現(xiàn)有成品相比，具有一定的競爭優(yōu)勢。該控制系統(tǒng)在調(diào)試過程中，遇到過一些與理論相差很大的實際問題。比如紅外對射傳感器的對焦問題，因為紅外線是不可見光，對焦比較麻煩，但是借用其他輔助工具就會簡單很多。最簡便的方法是利用帶攝像頭的手機來獲取紅外光，從而能順利完成對紅外對射傳感器的對焦。紅外對射的接收部分，因受頻率限制，只能接收頻率在38KHz 的紅外信號，所以在調(diào)試過程中有一定的難度。經(jīng)方案論證，采用 PWM 脈寬調(diào)制輸出，是切實可行的最有效方案。程序書寫如下：#includesbit pwmout=P11; /定義 PWM 輸出端口void init() interrupt 1 /中斷方式 1TH0=0 xff;TL0=0 xf3;/定時器初值 pwmout=pwmout; /對 PWM