單片機控制的模擬路燈控制系統(tǒng)設(shè)計

1、論文設(shè)計題目：模擬路燈控制系統(tǒng) 學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：模擬路燈控制系統(tǒng)摘要：本系統(tǒng)采用凌陽SPCE061A單片機，構(gòu)成系統(tǒng)的支路控制器和單元控制器。自己制作的LED數(shù)碼管顯示模塊、鍵盤輸入控制模塊、光敏傳感器、光電傳感器、聲光報警模塊等作為系統(tǒng)的輔助電路。分別實現(xiàn)了開關(guān)燈時間的顯示和控制，不同環(huán)境明暗和交通情況下的路燈智能控制，故障報警等題目中的基本要求。系統(tǒng)的單元控制器利用自制恒流驅(qū)動電源，可以使驅(qū)動電源輸出功率在規(guī)定的時間自動減少，完成題目要求的發(fā)揮部分。此外，系統(tǒng)采用雙核控制，在若干車輛雙向行駛的復(fù)雜交通情況下，依然可以實現(xiàn)對路燈的智能控制；自己加工輔助模塊，大大提高了系統(tǒng)的性價比，部分模

2、塊（如LCD顯示模塊）的選材還體現(xiàn)了低功耗的新興理念。關(guān)鍵詞：路燈控制凌陽SPCE061A恒流驅(qū)動電源Abstract:This system uses Sunplus SPCE061A SCM, constitute a system of tributaries controller and a unit controller.Their led led display module, keyboard input control module, photosensitive sensors, acousto-optic photoelectric sensors, alarm modul

3、e, and so on as a system of auxiliary circuits.Switch lamps respectively implementation time is displayed and control, different environments and darks and traffic situations Streetlight alarming intelligent control, and so the basic requirements in the topic. System unit controller self-made consta

4、nt-current drive power, can make driving power output power within the prescribed time automatically, complete the requirements of the play a part of the topic.Additionally, the system with dual-core control, in certain vehicles two-way carriageway of complex traffic situations, still can implement

5、smart control on the street; its own processing subsidiary modules, greatly improved price, some modules (such as LCD display modules) selection also embodies the emerging concept of low power consumption.Keywords: Street light controlSunplus SPCE061Aconstant current driving power1 方案比較與論證1.1 最小系統(tǒng)開發(fā)

6、板比較論證：方案一：采用MCS-51系列單片機。傳統(tǒng)的51 單片機具有價格低廉,使用簡單等特點，但其運算速度低，功能單一，RAM、ROM空間小。方案二：采用SPCE061A單片機作為控制模塊。 SPCE061A具有豐富的資源：RAM，ROM空間大、指令周期短、低功耗、低電壓、體積小，易擴展，可編程音頻處理，易于編寫和調(diào)試，且獨具語音播報功能等優(yōu)點。這些特點極大地提高了開發(fā)效率。綜上分析，選擇方案二。1.2 顯示模塊比較論證：方案一：采用SPLC501液晶顯示模塊。內(nèi)建128*64點陣，有豐富的文字和圖形顯示功能，輕薄便攜，視覺舒適，但液晶顯示不夠鮮明，欠穩(wěn)定，壽命短。 方案二：采用LED數(shù)碼管

7、顯示。LED數(shù)碼管具有顏色鮮艷，亮度高、功耗低、可視角度大和刷新速率快等優(yōu)點；并且通過查閱相關(guān)資料得知，LCD與LED的功耗比大約為10:1，相比較而言，LED功耗更低。鑒于本系統(tǒng)只顯示有限的數(shù)字和符號，選擇方案二。1.3 鍵盤輸入控制模塊比較論證：方案一：采用觸摸屏液晶顯示按鍵輸入控制。采用觸摸屏液晶，精度可調(diào)，美觀大方，時尚前衛(wèi)。但同時價格昂貴，易損壞，維護量工作大。方案二：采用自制的4*4矩陣式鍵盤輸入控制，4*4矩陣式鍵盤充分利用單片機的I/O端口，節(jié)省硬件的同時，擴增了按鍵數(shù)。同時，自己制作的矩陣式鍵盤，方便耐用，原理簡單，檢修容易?；跍p少開支和方便控制的考慮，選擇方案二。1.4

8、環(huán)境明暗-路燈控制模塊比較論證：方案一：在電子城購買光敏傳感器。采購光敏傳感器，使用方便，節(jié)省時間。但市面上的傳感器質(zhì)量參差不齊，質(zhì)量好的傳感器又價格高昂，價格低的傳感器測量準(zhǔn)確度又沒有保證。方案二：采用自己制作的光敏傳感器。該傳感器以光敏電阻為主要元件，利用其在環(huán)境明暗不同情況下的分壓不同，給單片機以不同反饋，實現(xiàn)開關(guān)燈控制，本方案對路燈實時控制，控制靈活，體現(xiàn)人性化設(shè)計。綜上分析，我們選用方案二。1.5 交通情況-路燈控制模塊比較論證：方案一：采用碰撞開關(guān)。碰撞開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，但是移動物體必須碰到碰撞開關(guān)才能工作。有一定破壞性。方案二：采用超聲波測距模組。超聲波測距模組通過超聲波的渡越時間法

9、，通過不斷發(fā)射超聲波，不斷感知超聲波，可以比較準(zhǔn)確的感知移動物體的位置，實現(xiàn)車來燈亮，車走燈滅。但超聲波測距模組價格不菲，用于本系統(tǒng)有些大材小用。方案三：采用自己制作的光電傳感器。自己制作的光電傳感器采用一體化結(jié)構(gòu)，對經(jīng)過的物體感知靈敏，高低電平變化明顯，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便。為減少開支提高性價比，選擇方案三。1.6 聲光報警模塊比較論證：方案一：選擇專門的語音存儲芯片1420，通過單片機控制放音。放音時間只有20秒，只能進(jìn)行簡單的放音，不能滿足報警的要求。方案二：凌陽SPCE061A本身自帶DAC語音播放功能，具有大量語音處理函數(shù)庫供用戶調(diào)用，功能過于強大，自帶大部分語音處理函數(shù)庫大部

10、分都被浪費，報警的方式過于單一，不夠靈活。方案三：自己焊接外圍聲光報警模塊，自己焊接報警模組，聲光報警方式靈活，且僅利用單片機的一個或兩個端口，就可實現(xiàn)報警動作。綜上分析，我們選擇方案三。1.7 恒流源模塊比較論證：方案一：購買現(xiàn)成的恒流源，電流穩(wěn)定；但價格昂貴。方案二：用LM2575ADJ制作可調(diào)恒流源。直流電壓輸入，經(jīng)LM2575ADJ和LM393構(gòu)成反饋回路，輸出恒定電流，通過對回路中的可調(diào)電阻調(diào)節(jié)輸出電流的大小。方案理論上可行，但實際試驗測試，輸出線性度不夠高，在5V電壓下工作性能不夠穩(wěn)定。方案三：用LM358制作PWM恒流驅(qū)動。方案將兩片LM358和單片機構(gòu)成有機整體，利用凌陽開發(fā)板

11、的PWM輸出，并且利用開發(fā)板自帶的AD采集對外部電壓采集，自動建立電壓與輸出電流的關(guān)系，從而精確調(diào)節(jié)電流輸出。方案電路連接簡單，控制靈活，合理充分地利用了開發(fā)板資源。鑒于以上分析，我們選擇方案三。系統(tǒng)需要的各個模塊，我們盡量選用自己制作，而避免購買市場現(xiàn)成的模組。一方面我們更熟悉各模塊原理，另一方面，自己制作的模塊可以更好為系統(tǒng)服務(wù)。經(jīng)過仔細(xì)的方案論證和分析，我們確定的最終方案如下：支路控制及單元控制器：SPCE061A單片機顯示模塊：自制LED數(shù)碼管顯示鍵盤輸入控制模塊：自制4*4矩陣式鍵盤環(huán)境明暗路燈控制模塊：自制光敏傳感器交通情況路燈控制模塊：自制光電傳感器驅(qū)動電源模塊：自制恒流驅(qū)動電源

12、聲光報警模塊：自制聲光報警模塊2 理論分析與設(shè)計2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。為了使本模擬路燈控制系統(tǒng)更好應(yīng)對更復(fù)雜的情況（譬如：當(dāng)多輛汽車穿梭于我們的公路上，并且雙向行駛等復(fù)雜情況），我們使用了兩片SPCE061A單片機分別作為系統(tǒng)的支路控制器和單元控制器。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2 單元硬件設(shè)計：2.2.1 鍵盤輸入控制電路設(shè)計對于鍵盤輸入設(shè)計，我們采用矩陣式，這樣對于同樣的端口，矩陣鍵盤多了一倍的按鍵，易于通過多余的按鍵實現(xiàn)擴展功能的實現(xiàn)。值得一提的是，我們拆卸廢舊電腦鍵盤的按鍵，自己組裝成4*4符合題目要求的矩陣鍵盤，不但變廢為寶，而且節(jié)省了開支，提高了系統(tǒng)的性價比。根據(jù)設(shè)

13、計需求，我們設(shè)計的矩陣鍵盤原理圖如圖2所示，矩陣鍵盤功能圖如圖3所示。圖2鍵盤原理圖圖3鍵盤功能圖 A: 設(shè)定路燈的關(guān)燈時間 B: 設(shè)定路燈的開燈時間 C：設(shè)定路燈的關(guān)燈時間 D：設(shè)定路燈的開燈時間 E: 確定F: 開始調(diào)節(jié)時間 G：分鐘加1 H：小時加12.2.2 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)能夠顯示開關(guān)燈時間，我們自制的數(shù)碼管顯示電路可以同時顯示開關(guān)燈時間，同時顯示路燈此時此刻的狀態(tài)。主要原理圖如圖4所示，圖4數(shù)碼管顯示原理圖2.2.3 光敏傳感器電路設(shè)計自制光敏傳感器原理圖如圖5所示，LDR是暗阻5V。當(dāng)有光照時，LDR光阻近似為零，Signal輸出為低電平。而當(dāng)無光時，Sig

14、nalVCC*(LDR/(LDR+(R1/R2).由于LDR和R1/R1近似相等，Signal也約等于VCC/2。若VCC/2不能給單片機以高電平，則可通過調(diào)節(jié)R2改小R1/R2的阻值，提高Signal的電壓值。圖5 光敏傳感器原理圖2.2.4 光電傳感器電路設(shè)計圖6 光電傳感器原理圖圖7 光電傳感器的位置自制光電傳感器如圖6所示，光電開關(guān)導(dǎo)通后，Signal輸出電平近似為零，LED不亮，此時對應(yīng)公路上有車輛經(jīng)過；若光電開關(guān)沒有導(dǎo)通，Signal輸出電平為高電平，LED點亮，此時對應(yīng)公路沒有車輛經(jīng)過。系統(tǒng)中的光電傳感器安裝位置如圖7所示，安裝點距“亮燈狀態(tài)變換點”垂線間的距離1cm.2.2.5

15、 聲光報警電路設(shè)計自制聲光報警電路原理圖如圖8所示，聲光報警電路由擇價格便宜、驅(qū)動電壓較小的紅色發(fā)二極管和普通蜂鳴器構(gòu)成。經(jīng)測試得知，LED1的正常工作電壓約為2V，額定電流約為50mA，則串聯(lián)電阻阻值R（U-2）/（50/1000）60。圖8發(fā)光報警裝置2.2.6 恒流驅(qū)動電源電路設(shè)計圖10 穩(wěn)壓部分圖11 恒流源部分恒流源主要由穩(wěn)壓部分和恒流源部分組成，穩(wěn)壓部分主要由三端穩(wěn)壓器件LM317T及整流濾波部分組成，為恒流源及系統(tǒng)其它模塊提供穩(wěn)定電壓。恒流源部分為負(fù)載LED提供恒定電流的同時，整體作為反饋回路，為單片機提供電壓采集端口，構(gòu)建“電壓-電流-PWM”關(guān)系式，使負(fù)載始終渡過恒定的電流。

16、當(dāng)要求輸出功率按規(guī)定時間按要求減小時，只要關(guān)閉AD采集，直接結(jié)合定時器調(diào)整PWM，調(diào)整恒定電流，達(dá)到功率調(diào)整的要求。2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計：2.3.1 主程序設(shè)計分析本路燈控制系統(tǒng)本著以節(jié)約成本為主，支路控制器采用一塊SPCE061A板控制，單元控制器采用每兩個路燈共用一塊SPCE061A板，兩塊CPCE061A板之間通過串行通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由此程序分為兩大部分：支路控制器程序和單元控制器程序。支路控制器程序總流程圖：圖12 支路控制器程序總流程圖單元控制器程序總流程圖：圖13單元控制器程序總流程圖2.3.2 中斷程序設(shè)計分析中斷程序主要采用的中斷6服務(wù)程序和中斷4服務(wù)程序。中斷6服務(wù)程序主要

17、提供鍵盤掃描服務(wù)，中斷4中斷服務(wù)程序則主要提供數(shù)碼管使能及定時變量的累加。具體程序流程如圖14，圖15所示。圖14中斷6服務(wù)程序圖16 中斷4服務(wù)程序3 測試數(shù)據(jù)與分析3.1 系統(tǒng)測試：3.1.1 基本要求測試： 測試對象：光敏傳感器。 測試方法：將連入系統(tǒng)的光敏傳感器分別置于傍晚、深夜、清晨三種不同光強度的環(huán)境下，觀察路燈開啟與關(guān)閉情況。 測試數(shù)據(jù)：詳見表1表19月3日傍晚9月4日深夜9月4日清晨天氣多云多云轉(zhuǎn)晴晴時段18：3019：0019：3021：000：002：005：005:306:00路燈狀況滅亮亮亮亮亮亮滅滅 測試對象：光電傳感器。 測試方法：在自制仿真地形上，架設(shè)好調(diào)好的光電

18、傳感器，使自制的車輛M往返于公路的指定路線上，觀察并記錄路燈開啟與關(guān)閉狀況。 測試數(shù)據(jù)：設(shè)M上定位點與“亮燈狀態(tài)變換點”垂線間距離為d。LED1燈編號，LED2燈編號。測試數(shù)據(jù)詳見表2。表2位置S前S-BB-SS后路燈狀態(tài)滅 滅亮 滅滅 亮滅 滅距離d 測試對象：聲光報警模塊 測試方法：在路燈正常照明的情況下，故意使連接路燈的線路斷路，觀察有沒有聲光報警信號發(fā)出并顯示有故障路燈的地址編號。 測試數(shù)據(jù)：在不同的路燈發(fā)生斷路故障時，系統(tǒng)都能及時發(fā)出聲光報警，并準(zhǔn)確顯示故障路燈編號。3.1.2 發(fā)揮部分測試： 測試對象：恒流驅(qū)動電源電流輸出 測試方法：用萬用表測量不同負(fù)載下的電流輸出。 測試數(shù)據(jù)：詳

19、見表3表3負(fù)載數(shù)1個LED2個LED3個LED電流值 測試對象：恒流源輸出功率在規(guī)定時間內(nèi)按要求自動調(diào)整。 測試方法：設(shè)定完畢后，每隔一段時間對恒流留出的電壓和電流端口進(jìn)行測量，計算輸出功率。 測試數(shù)據(jù)：詳見表4表49月5日14：0015：0016：00U/VI/AP/W0.525誤差1.30%0.0813%0.135% 測后討論：自己制作的各個模塊基本都能能較為準(zhǔn)確的達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，雖然自制模塊做工不及市場買賣的模塊那樣細(xì)膩，雖然自制模塊外形不及市場買賣的模塊那樣精致。但自己制作的模塊卻能像市場買賣的模塊那樣不遜色的完成使命，而且為本系統(tǒng)節(jié)省了一筆較大開支，性價比得到明顯提升。3.2 結(jié)果分析：經(jīng)測試，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)：a) 支路控制器能夠設(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。b) 支路控制器可以根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動