模擬路燈控制系統(tǒng)

1、 摘 要本系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)作為模擬路燈控制系統(tǒng)的核心。由紅外光電傳感器電路、光敏反饋電路、LED恒流源控制電路、鍵盤輸入電路、LED燈及LCD狀態(tài)指示電路構(gòu)成。時(shí)鐘系統(tǒng)由單片機(jī)構(gòu)成，采用光敏電阻感應(yīng)外部環(huán)境亮暗的變化以及檢測(cè)LED燈的狀態(tài)，利用反射式光電傳感器檢測(cè)路上信息，由運(yùn)算放大器構(gòu)成恒流源作為L(zhǎng)ED燈的供電系統(tǒng)，利用PWM調(diào)節(jié)LED的發(fā)光功率?？煽康挠布O(shè)計(jì)和優(yōu)化的軟件算法，以及4*4鍵盤與LCD顯示屏使得路燈控制系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)單、直觀；系統(tǒng)對(duì)故障報(bào)警功能進(jìn)行了具體的細(xì)化，令本設(shè)計(jì)更加人性化。關(guān)鍵詞：MSP430單片機(jī)，LCD顯示屏，恒流源AbstractBased on 16-

2、bitsMCU SPCE061A as the control center of simulative street lamp system,which consists of an infrared phototube circuit, a photosensitive feedback circuit, a keyboard input circuit, a LED and LCD circuit for displaying state. The clock system is made up of MCU, with the photoresistance to detect the

3、 light's change of outside and LED light's state and the reflected photoetube to detect the information of the roadway. As to the LED circuit, LM393 is elected as the center of Constant Current Source system and PWM to adjust the power of LED. With credible hardware design and optimized soft

4、ware arithmetic, keyboard and LCD screen make the street lamp control system simple and intelligible. Besides, its failure alarm, making the system to perform better.Key words: MCU MSP430, LCD Screen, Constant Current Source一、方案的選擇與論證1主控MCU選擇方案一：采用傳統(tǒng)的8位89C51單片機(jī)作為模擬路燈控制系統(tǒng)的核心。51 單片機(jī)具有價(jià)格低廉,使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但其運(yùn)算

5、速度低，功能單一，RAM、ROM空間小。內(nèi)置接口功能較少，需要擴(kuò)展較多的外圍模塊，較為不易。方案二:采用16位單片機(jī)MSP430作為模擬路燈控制系統(tǒng)的核心。MSP430具有許多優(yōu)點(diǎn)：有多種省電模式，功耗特別省，在液晶顯示時(shí)也能達(dá)到0.8uA的低電源消耗；片內(nèi)資源豐富,有ADC,PWM,若干TIME,串行口，WATCHDOG,比較器,模擬信號(hào)；6微秒的快速啟動(dòng)時(shí)間可以延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間并使啟動(dòng)更加迅速，降低了電池的功耗MSP430產(chǎn)品系列可以提供多種存儲(chǔ)器選擇；ESD保護(hù)，抗干擾力特強(qiáng) ；1.8V-3.6V低電壓供電。由此看來，430單片機(jī)比89C51更具有優(yōu)越性。 基于上述分析，我們選擇方案二。2.

6、反饋控制電路的選擇 根據(jù)要求需要設(shè)計(jì)感受外界光照強(qiáng)度的反饋電路和路燈故障反饋電路，感受外界光照強(qiáng)度一般采用光敏電阻或光敏二極管，其原理基本相同。(1)感受外界光照強(qiáng)度的反饋電路方案：方案一：采用光敏二極管感受外屆光照變化，無光照時(shí),有很小的飽和反向漏電流，二極管截止；光照時(shí)反向電流增大，形成光電流。方案二：采用光敏電阻對(duì)光源的感應(yīng)改變自身電阻，由電壓比較器提取之間電壓，考慮到電阻變化的靈敏度，采用兩個(gè)光敏電阻串聯(lián)的方式，通過改變與光敏電阻串聯(lián)的電位器的值可以調(diào)節(jié)光敏電阻的感光范圍。(2)路燈故障反饋電路方案：方案一：路燈故障反饋可以采用電流反饋，即在LED燈的支路串聯(lián)一個(gè)小電阻，由于流過支路的

7、電流比較大，支路LED燈的亮滅引起電阻兩端的電壓差較大，再轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電流值。通過AD轉(zhuǎn)換相應(yīng)的數(shù)字電流值，增加了硬件與軟件設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)，若電路發(fā)生故障，不能完全保證對(duì)路燈的監(jiān)控。方案二：直接把上面提到的光敏電阻放在對(duì)應(yīng)的LED旁邊，利用LED發(fā)出的光作為光源，根據(jù)光敏器件的反饋量來判斷LED是否出現(xiàn)故障，外界的環(huán)境可能會(huì)對(duì)光敏器件造成影響，出現(xiàn)誤報(bào)，而且不能判斷電路的故障原因。方案三：將LED燈兩端的電壓進(jìn)行取樣，對(duì)LED燈在正常工作、斷路、短路時(shí)的電壓進(jìn)行區(qū)間劃分，然后輸入兩路比較器，比較器的輸出接兩路聲光報(bào)警系統(tǒng)，可以對(duì)電路的故障進(jìn)行初步的直觀區(qū)分。考慮第三種方案工作穩(wěn)定且方便直觀，可以有

8、效的對(duì)系統(tǒng)工作情況進(jìn)行監(jiān)控。綜合考慮以上方案電壓比較的方法。 3. 恒流源電路方案選擇方案一、由晶體管構(gòu)成鏡像恒流源。該電路的缺點(diǎn)在于電流的測(cè)量精度受到兩個(gè)晶體管的匹配程度影響,其中涉及比較復(fù)雜的工藝參數(shù)。而題目要求輸出功率調(diào)節(jié)誤差不高于2%，該電路的電流調(diào)節(jié)精度達(dá)不到。方案二、由運(yùn)算放大器構(gòu)成恒流源電路。運(yùn)算放大器構(gòu)成的橫流電路擺脫了晶體管恒流電路受限于工藝參數(shù)的特點(diǎn)。但是只由運(yùn)放構(gòu)成的恒流電路，輸出電流只能達(dá)到幾十毫安，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)要求的1W的LED燈,因此必須加上擴(kuò)流電路。方案三、由運(yùn)算放大器加上三極管構(gòu)成橫流電路。采用運(yùn)算放大器加上三極管構(gòu)成恒流電路，既能利用運(yùn)算放大器準(zhǔn)確的特性，

9、輸出又能達(dá)到要求。采用高精度運(yùn)算放大器LM393，更能增加其準(zhǔn)確的性能；采用三極管9014進(jìn)行擴(kuò)流，具有很大的擴(kuò)流能力，兩者結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)比較精確的橫流電路。鑒于上面分析，本設(shè)計(jì)采用方案三。4. 物體經(jīng)過檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)與論證方案一、采用霍爾傳感器。在路面上安裝霍爾傳感器，當(dāng)有金屬物體通過的時(shí)候它可以檢測(cè)到磁場(chǎng)的變化從而檢測(cè)到物體，再把信號(hào)送給單片機(jī)，由單片機(jī)發(fā)出指令去控制燈的開關(guān)。方案二、采用紅外發(fā)射接收電路。在公路的兩邊，正對(duì)的安裝紅外發(fā)射與接收（ST188紅外對(duì)管）的傳感器，當(dāng)有物體通過的時(shí)候發(fā)射光會(huì)被物體所遮擋，此時(shí)接收端沒有接收到信號(hào)，輸出低電平，再把當(dāng)前電平信號(hào)傳給單片機(jī)，由單片機(jī)發(fā)

10、出指令去控制燈的開關(guān)。由于霍爾傳感器的靈敏度容易受物體性質(zhì)材料的影響，所以采用方案二。5. 鍵盤顯示模塊的選擇：方案一：采用點(diǎn)陣式液晶顯示器（LCD）顯示。LCD功能強(qiáng)大，可顯示各種字體的數(shù)字、漢字、圖像，還可以自定義顯示內(nèi)容，顯示靈活生動(dòng)，同時(shí)配有4*4鍵盤更便于工作人員操作。方案二：采用LED數(shù)碼管顯示。使用4個(gè)四聯(lián)裝的數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，只能顯示非常有限的符號(hào)和數(shù)字，顯示單一，更多的時(shí)候還需要給別人解釋數(shù)碼管上面顯示的內(nèi)容，失去了數(shù)碼管顯示的意義，更增加了工作人員工作的負(fù)擔(dān),并且實(shí)現(xiàn)LED的顯示控制軟件較為麻煩且耗電較大。分析以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案一更方便實(shí)用。二、硬件電路設(shè)計(jì)1.系統(tǒng)的

11、具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總框圖如下：移動(dòng)物體 定位檢測(cè)恒流源電路輸入、顯示裝置單元控制器1單元控制器2支路控制器恒流源電路移動(dòng)物體 定位檢測(cè)信息傳輸圖1 模擬路燈控制系統(tǒng)框圖1 模擬路燈控制系統(tǒng)框圖圖1 模擬路燈控制系統(tǒng)框圖2.電源模塊1、 LED是現(xiàn)在非常流行的一項(xiàng)照明技術(shù)。本題要求采用功率為1W的LED來模擬路燈對(duì)道路進(jìn)行照明。涉及到用電就要考慮到電源，由于LED本身不是線性變化的，且趨向于低壓。所以一般在使用時(shí)通常要求有降壓電路、穩(wěn)壓電路、恒流電路；在此設(shè)計(jì)中選擇了恒流源供電。一般大功率LED的正向電壓為3.03.6V，典型值為3.3V，而我們通常使用的是3V、5V、9V、12V、15V等，這

12、就要求我們?cè)谑褂们跋冗M(jìn)行降壓處理。綜合以上考慮，采用三極管與穩(wěn)壓電路一起構(gòu)成恒流源電路。具體電路參數(shù)如電路圖所示：圖2 恒流源電路根據(jù)LED參數(shù)要求，兩端電壓，電流。由電路可確定兩個(gè)二極管之間電壓為，則恒流的輸入級(jí)要求恒壓，所以根據(jù)要求采用MC34063構(gòu)成降壓穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓輸出為。U為MC34063內(nèi)部比較器的基準(zhǔn)電壓。限流電阻起到過流保護(hù)作用，為負(fù)載電流，則。光敏電阻+5V9014單片機(jī)I/O圖3 光敏檢測(cè)電路3.檢測(cè)電路4.7kST1885VVCC輸出510ST1885VVCC發(fā)射接收?qǐng)D4 紅外對(duì)管三、軟件設(shè)計(jì)與算法分析本系統(tǒng)要完成設(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)燈等設(shè)計(jì)

13、。且對(duì)軟件的實(shí)時(shí)控制提出了較高的要求。對(duì)此我們?cè)谀K化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程。整個(gè)軟件系統(tǒng)簡(jiǎn)潔明了，具有良好的擴(kuò)展性。通過對(duì)單片機(jī)的編程，利用傳感器的輸入模塊返回信息控制外部電路的正常工作，用軟件完成對(duì)路燈的控制，以及路燈故障的檢測(cè)，以保證路燈的正常工作。本控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用分任務(wù)模塊式，總體軟件流程圖如下：圖3 軟件程序流程圖四、測(cè)試數(shù)據(jù)與分析1.光電管檢測(cè)到物體與光電管垂直照射面的距離測(cè)量。為了測(cè)定可移動(dòng)物體M上定位點(diǎn)與過“亮燈狀態(tài)變換點(diǎn)”垂直線間的距離，我們?cè)诠怆姽芮懊娈嬕粭l與光電管照射前方一致的一條明顯的直線，拿物體先慢慢從左向右移動(dòng)，再?gòu)挠蚁蜃笠苿?dòng)，移動(dòng)到光電管附

14、近，當(dāng)光電管反應(yīng)時(shí)就在物體前做標(biāo)記，測(cè)量?jī)蓸?biāo)記之間的距離。測(cè)得實(shí)驗(yàn)誤差參數(shù)如下：次數(shù)光電管1(cm)光電管2(cm)光電管3(cm)10.800.600.4020.600.500.802.通過軟件設(shè)置PWM占空比，同時(shí)測(cè)量電流和電壓。百分比電壓(V)電流(A)功率(W)百分比電壓(V)電流(A)功率(W)100%3.51 0.288 1.01088 80%3.19 0.224 0.71456 99%3.50 0.289 1.01150 75%3.10 0.210 0.65100 98%3.48 0.287 0.99876 70%2.91 0.133 0.38703 97%3.50 0.288

15、1.00800 65%2.82 0.122 0.34404 96%3.44 0.270 0.92880 60%2.73 0.113 0.30849 95%3.43 0.271 0.92953 55%2.63 0.104 0.27352 94%3.41 0.267 0.91047 50%2.52 0.092 0.23184 93%3.40 0.260 0.88400 40%2.32 0.072 0.16704 92%3.38 0.259 0.87542 30%2.10 0.053 0.11130 91%3.37 0.257 0.86609 20%1.86 0.034 0.06324 90%3.36 0.254 0.85344 10%1.58 0.017 0.02686 85%3.28 0.236 0.77408 0%0.00 0.000 0.00000 由測(cè)試表格可以看出，輸出功率大致呈線性變化。五、總結(jié)本設(shè)計(jì)以16位單片機(jī)MSP430系統(tǒng)為核心部件，以LM393和三極管共同構(gòu)成的恒流源電路，采用光電檢測(cè)技術(shù)，通過軟件分時(shí)復(fù)用控制算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，分模塊實(shí)現(xiàn)賽題要求。在系