I題黎立模擬路燈控制系統(tǒng)

1、模擬路燈控制系統(tǒng)設(shè)計摘要：本系統(tǒng)采用集散式控制模式，支路控制器和單元控制器均含有處理器。以STC89C52單片機作為系統(tǒng)的支路控制器， ATmega8作為單元控制器，對信息進行采集和處理，支路控制器和單元控制器采用相關(guān)通訊協(xié)議進行通訊，實現(xiàn)對模擬路燈的控制功能。該系統(tǒng)采用直流供電，由單片機控制模塊、聲光報警模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊、485通信模塊、實時時鐘模塊、紅外模塊、顯示模塊、恒流驅(qū)動電源模塊等組成，具有遠程獨立整體控制開燈關(guān)燈、定時開關(guān)燈、環(huán)境檢測智能調(diào)節(jié)開關(guān)燈、功率可調(diào)等功能，具有精度高、抗干擾能力強等特點。關(guān)鍵詞：集散式控制 STC89C52 ATmega8 485通信 功率可調(diào)Abstr

2、act: This system uses distributed control mode, slip controller and the cell controller contain processors. To STC89C52 slip as a system controller, microcontroller, ATmega8 as a cell controller, for information collection and processing, slip controller and the cell controller using the relevant co

3、mmunication protocol, to achieve a simulated street lamp control functions. The system uses DC power from the MCU control module, sound and light alarm modules, environmental monitoring module, communication module 485, real-time clock module, IR module, display module, constant current drive power

4、modules, has a long-range independence the overall control lights turn on the lights, timer switch light, environmental detection of intelligent regulator switch lights, power adjustable features, there are high precision, strong anti-interference ability and so on. Keywords: STC89C52 ATmega8 485 Bu

5、s Power Adjustable1 方案設(shè)計與論證根據(jù)題目要求：設(shè)計并制作一套模擬路燈控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。圖1-1 路燈控制系統(tǒng)示意圖針對系統(tǒng)要求，系統(tǒng)的總體方案，可以采用以下幾種方案來進行設(shè)計：方案一：采用集中控制方式，單元控制器，無處理器，只有支路控制器有處理器，所有的數(shù)據(jù)采集，處理控制都由支路控制器的處理器來執(zhí)行，單元控制器只是一些基本的檢測控制電路。方案二：采用集散式控制模式，支路控制器和單元控制器均含有處理器，均能對信息進行采集和處理，支路控制器和單元控制器采用相關(guān)通訊協(xié)議進行通訊。方案一，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但便于系統(tǒng)的擴展，不具有實用性。方案二，系統(tǒng)較方案

6、一復(fù)雜，系統(tǒng)通過總線可以很方便的擴展單元控制器，具有較高的實用性和靈活性。結(jié)合平時訓練中的聯(lián)系，和設(shè)計的系統(tǒng)的實用性角度，我們采用方案二。1.1 LED恒流驅(qū)動電源方案方案一： 利用集成穩(wěn)壓器MC7805改變自身壓差來維持通過負載的電流不變。雖然此方案電流能達到，但大的工作電流7805發(fā)熱嚴重，需要加足夠散熱器。此方案溫漂大，負載不能過重，作高精度的恒流源不適用。方案二：采用集成運放構(gòu)成的線性恒流源?？蓛蓚€運放構(gòu)成比較放大環(huán)節(jié)，復(fù)合管構(gòu)成調(diào)整環(huán)節(jié)。但此做法電路復(fù)雜，運放運行維持及飽和狀態(tài)難于把握。方案三： 采用AMC7135恒流芯片，產(chǎn)生350mA恒定電流輸出推動1W的高功率LED，通過場效應(yīng)

7、管的導通和截止來控制恒流源電路的導通和斷開，當給柵極高電平時，場效應(yīng)管導通,恒流源導通，LED燈亮，否則就滅，從而實現(xiàn)了對LED燈亮滅狀態(tài)的控制。無須任何外接組件,并具有輸出短路/開路保護與內(nèi)建過熱保護裝置。此方案簡單，精度高，穩(wěn)定且易于實現(xiàn)，故采用此方案。1.2 車輛檢測方案方案一：每個LED燈上放置超聲波模組，在物體M通過S，B，S時，系統(tǒng)探測到，把信息傳遞給支路控制器。考慮到此方案性價比太小，舍棄。方案二：采用調(diào)制模式。使用普通的紅外發(fā)射接收裝置，在S，B，S三個位置放置紅外發(fā)射和接收裝置，當物體經(jīng)過這些點時，把信息傳遞給支路控制器。此方案測試距離理想，性價比高，故選擇此方案。1.3 數(shù)

8、據(jù)通信方案方案一：CAN總線。CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN總線是多主的，任一節(jié)點均可任意往總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，協(xié)議由硬件保證。CAN總線數(shù)據(jù)幀為8個字節(jié)的短幀，傳輸大批量數(shù)據(jù)不方便，CAN總線硬件成本高。方案二：無線通信。利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換通信。實驗室缺少實現(xiàn)的條件。方案三：RS485總線。485總線是主從式的，通訊距離遠，可達1200米以上，可靠性高。485的數(shù)據(jù)幀及通信協(xié)議自定，較靈活，主要在于軟件設(shè)計；對于此系統(tǒng)傳輸線僅使用雙絞線，方便又是差分傳輸，有極強的抗共模干擾的能力，總線收發(fā)器靈敏度很高，且性價比高，支持到多個節(jié)點，可

9、達到幾百個，易于系統(tǒng)擴展，可以控制更多的路燈。由于此方案較熟悉，且操作簡便容易實現(xiàn)，故采用此方案。1.4 故障檢測方案方案一：電流取樣法。根據(jù)電流取樣電阻上的取樣電流，判斷燈的狀況。如果出現(xiàn)接觸不良與斷路（保險燒壞為短路狀況），則檢測不到電流。由單元控制器將信息反饋給支路控制器，產(chǎn)生聲光報警并且顯示故障路燈信息。方案二：在路燈上安裝光敏傳感器，檢測把信息傳給控制器判斷燈是否亮。由單元控制器將信息反饋給支路控制器，產(chǎn)生聲光報警并且顯示故障路燈信息。綜上，可以初步確定系統(tǒng)的支路控制器和單元控制器的功能和模塊，支路控制器和單元控制器的框圖1-2和1-3。 圖1-2 支路控制器框圖 圖1-3 單元控制

10、器框圖2 理論分析與設(shè)計2.1 紅外車輛檢測電路設(shè)計在S、B、S處安裝紅外對管，當有車輛通過時，紅外接收管不能接收到紅外發(fā)射管的紅外線，此時紅外接收管兩端的電壓會發(fā)生變化。經(jīng)比較輸出，送入單片機外部中斷管腳。利用單片機感知是否有測量通過。另外考慮到環(huán)境光線和人體紅外線對紅外對管的影響，防止出現(xiàn)誤動作，采用以下兩種措施提高抗干擾能力：一、是給紅外發(fā)射管加一個固定頻率的信號， 區(qū)別干擾紅外線。二、是使用不透光的材料將紅外接收管包住，只留下一個較小的接收面，可以提高系統(tǒng)的可靠性。2.2功率步進計算亮度控制采用PWM調(diào)制技術(shù)，根據(jù)P=U*I,測試發(fā)現(xiàn)，LED燈電流和電壓成線性關(guān)系，故功率與電流平方成正

11、比：P=f(I*I),功率調(diào)整，利用PWM電流的變化對功率進行調(diào)整。在單片機程序中將功率滿量程分為100等分，故功率理論上最大誤差是1%。滿足題目的功率誤差不大于2%。另外還可以對滿量程進行更細分，則功率調(diào)節(jié)精度更高。3 電路圖和設(shè)計文件3.1各模塊電路圖LED驅(qū)動恒流源以恒流源芯片AMC7135作為主芯片，利用場效應(yīng)管控制AMC7135的電流。為LED燈提供所需的功率。具體電路如圖3-1所示。圖3-1 LED恒流驅(qū)動電源模塊紅外車輛檢測電路原理已經(jīng)在前面做了詳細的敘述，電路如圖3-2所示：圖3-2 紅外車輛檢測電路3.2主從通信協(xié)議的實現(xiàn)正常情況分支控制器可以自己決定發(fā)起命令，單元電路只能回

12、復(fù)響應(yīng)，但是遇到燈損壞的特殊情況時，允許周期性（以較低的頻度發(fā)出）發(fā)出報警信息直到得到分支控制器響應(yīng)。發(fā)送要避開當前正在接受的數(shù)據(jù)周期。理論上存在單元電路和分支電路同時發(fā)的沖突，實際幾率很低，即便是出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，數(shù)據(jù)校驗位也可以彌補。程序流程圖如圖4-1。 圖4-1 程序流程圖4 測試數(shù)據(jù)與分析4.1 測試儀器TDS1002型60MHZ 10GS/s雙通道數(shù)字存儲示波器、高精度數(shù)字BRT500臺式萬用表、DS-1（DH1718D-2）雙通道直流穩(wěn)壓源、卷尺。4.2 測試方案（1）測試定時控制開燈關(guān)燈：系統(tǒng)設(shè)定為人工控制模式，設(shè)定開燈和關(guān)燈時間，并在液晶上顯示，分別記錄開燈和關(guān)燈時實時時鐘的時間

13、，做對比。（2）測試支路控制器受環(huán)境明暗變化調(diào)節(jié)燈狀態(tài)：系統(tǒng)設(shè)定為智能模式，環(huán)境光明亮的環(huán)境下設(shè)定初始狀態(tài)為燈滅，然后用黑色罩子蓋住光敏傳感器，觀察兩燈變化的狀態(tài)；去掉蓋在光敏傳感器黑色罩子觀察兩燈變化的狀態(tài)。（3）測試支路控制器根據(jù)交通情況自動調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)：系統(tǒng)設(shè)定為智能模式，1）物體M移動路線S-A-B-C-S，分別記錄物體到S、B、S點時的燈1和燈2的狀態(tài)。2）物體M移動路線S-C-B-A-S，分別記錄物體到S、B、S點時的燈1和燈2的狀態(tài)。（4）測試支路控制器能獨立控制每只路燈開燈和關(guān)燈時間：系統(tǒng)設(shè)定為人工控制模式，設(shè)定燈1（燈2）開燈和關(guān)燈時間，并在液晶上顯示，記錄亮燈前后狀態(tài)和燈1

14、（燈2）開燈和關(guān)燈時實時時鐘的時間。（5）故障測試：設(shè)定初始狀態(tài)為燈亮，1）去掉圖1-1中電流測試的連接棒（作為斷路狀態(tài)），觀察記錄聲光報警信息。2）短接圖1-1中兩電壓測試點，觀察記錄聲光報警信息。（此操作盡管有保險管作為保護，但仍可能由于電流過大損壞AMC7135芯片，甚至損壞整個系統(tǒng)，所以不做測試。）（6）調(diào)光功能測試：分別設(shè)定不同的功率值，測定電壓和電流數(shù)據(jù)并記錄，計算出功率。4.3 測試結(jié)果系統(tǒng)設(shè)計完成后進行了詳細的測試，針對賽題各項要求，從定性到定量對各項指標完成測試，各項指標均達到或超過賽題要求，詳細測試結(jié)果見附件附表。4.4 結(jié)果分析系統(tǒng)采用不同的模式測試指標均達到題目的基本和

15、發(fā)揮部分要求，各項指標測量效果明顯，精度高，整體性都達到題目發(fā)揮部分要求。5 總結(jié)本系統(tǒng)采用集散式控制模式。以STC89C52單片機作為系統(tǒng)的支路控制器， ATmega8作為單元控制器，對信息進行采集和處理，支路控制器和單元控制器采用相關(guān)通訊協(xié)議進行通訊，實現(xiàn)對模擬路燈的控制功能。具有遠程獨立整體控制開燈關(guān)燈，定時開關(guān)燈，環(huán)境檢測智能調(diào)節(jié)開關(guān)燈，功率可調(diào)等功能。有精度高、抗干擾能力強等特點。所有指標均達到或部分超過賽題要求。參考文獻1 張迎新等. 單片機基礎(chǔ). 北京航空航天大學出版社,2006.2 孫傳友等. 測控電路及裝置. 北京航空航天大學出版社,2002.3 黃智偉著.全國大學生電子設(shè)計

16、競賽電路設(shè)計.北京航空航天大學出版社,2006.4 黃智偉等.全國大學生電子設(shè)計競賽訓練教程. 北京電子工業(yè)出版社,2005.附件：各項指標測試表類型序號項目與測試條件測試記錄基本要求1設(shè)定顯示控制開關(guān)燈時間人工控制模式：設(shè)定開燈時間20：10：00開燈時間20：10：00人工控制模式：設(shè)定關(guān)燈時間20：11：00關(guān)燈時間20：11：002測試支路控制器受環(huán)境明暗變化調(diào)節(jié)燈狀態(tài)（測試環(huán)境光線明亮）智能模式:罩住光敏傳感器燈1狀態(tài)變化滅亮燈2狀態(tài)變化滅亮智能模式:去掉光敏傳感器燈1狀態(tài)變化亮滅燈2狀態(tài)變化亮滅3測試支路控制器根據(jù)交通情況自動調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)（已檢測）智能模式：物體M移動路線S-A-B

17、-C-S燈1狀態(tài)燈2狀態(tài)S亮滅B滅亮S滅滅智能模式：物體M移動路線S-C-B-A-SS滅亮B亮滅S滅滅4測試支路控制器能獨立控制每只路燈開燈和關(guān)燈時間人工控制模式：設(shè)定燈1（燈2）開燈時間20：30：00燈1（燈2）開燈時間20：30：00燈2（燈1）狀態(tài)變化狀態(tài)不變?nèi)斯た刂颇Ｊ剑涸O(shè)定燈1（燈2）關(guān)燈時間20：31：00燈1（燈2）關(guān)燈時間20：31：00燈2（燈1）狀態(tài)變化狀態(tài)不變5故障測試（初始狀態(tài)兩燈亮）斷開燈1（燈1）單元控制電路中電流測試點的接口棒故障編號L1（L2）是否聲光報警是發(fā)揮部分6功率設(shè)定電流I（mA）電壓U（V）功率P(mW)誤差（%）20%151.081.541232.81 0.22 30%185.041.877347.3