模擬路燈控制系統(tǒng)

1、模擬路燈控制系統(tǒng)李乃曦，曹緒華，孫德芬山東凱文科技職業(yè)學(xué)院信息學(xué)院（2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽（高職高專組）全國二等獎）6.2.1 題目要求任務(wù)：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6.2.1所示，路燈布置如圖6.2.2所示。圖6.2.1 路燈控制系統(tǒng)示意圖圖6.2.2 路燈布置示意圖（單位：cm）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(diǎn)，由定位點(diǎn)確定物體位置）由左至右到達(dá)S點(diǎn)時（見圖2

2、），燈1亮；當(dāng)物體M到達(dá)B點(diǎn)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(dú)立控制每只路燈的開燈和關(guān)燈時間。（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。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）其它（性價比等）。說明:（1）光源采用1 W的LED燈，LED的類型不作限定。（2）自制的LED驅(qū)動電源不得使用產(chǎn)品模塊。（3）自制的LED驅(qū)動電源輸出端需留

3、有電流、電壓測量點(diǎn)。（4）系統(tǒng)中不得采用接觸式傳感器。（5）基本要求（3）需測定可移動物體M上定位點(diǎn)與過“亮燈狀態(tài)變換點(diǎn)”（S、B、S等點(diǎn)）垂線間的距離，要求該距離2cm。6.2.2 設(shè)計報告摘 要該系統(tǒng)由主控模塊、光控模塊、傳感器模塊、故障檢測模塊及LED恒流源驅(qū)動模塊組成。其中主控模塊包括支路控制器和兩個led單元的控制器，由一片STC12系列單片機(jī)為核心器件構(gòu)成，恒流源以SN3350為核心芯片，輔以其它必要的外圍電路和軟件構(gòu)成了一個完整的模擬路燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)能根據(jù)環(huán)境明暗變化自動開燈和關(guān)燈；能根據(jù)交通狀況自動調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)；具有時鐘功能，能設(shè)定、顯示開/關(guān)燈時間，并能控制整條支路或每只路

4、燈按時開燈和關(guān)燈；當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時可發(fā)出聲光報警，并顯示故障燈的編號；具有調(diào)光功能，能在規(guī)定時間按設(shè)定要求自動調(diào)節(jié)led驅(qū)動電源功率，調(diào)節(jié)與設(shè)定范圍為20%100%，調(diào)節(jié)誤差2%。系統(tǒng)使用節(jié)能環(huán)保的LED燈光源，采用科學(xué)有效的監(jiān)控手段進(jìn)行亮度控制、時間控制、交通狀況監(jiān)測、故障自動報警等，可節(jié)省人力和電力資源，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，性價比高。關(guān)鍵詞：路燈控制；LED；恒流源；光電開關(guān)1系統(tǒng)方案選擇與論證根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可由主控器、傳感器、恒流源、時鐘、顯示、鍵盤輸入、故障檢測報警和環(huán)境亮度檢測等模塊構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)如圖6.2.3所示。主要模塊的具體方案選擇論證如下：圖6.2.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)1)

5、控制器方案的選擇與論證方案一：采用單片機(jī)89C51作為控制核心。89C51單片機(jī)價格低廉，使用簡單，但其運(yùn)算速度較低，功能較為單一。用一個89C51單片機(jī)需輔以必要的外圍AD芯片來實現(xiàn)單元控制和支路控制的功能，這就增加了硬件電路的復(fù)雜程度，且編程較復(fù)雜。方案二：采用FPGA作為系統(tǒng)的控制器。FPGA可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高。但本設(shè)計對數(shù)據(jù)處理速度要求不高，F(xiàn)PGA的高速處理優(yōu)勢得不到體現(xiàn)，并且因其價格較高會使系統(tǒng)成本增加。方案三：采用一片單片機(jī)STC12C5410AD作為中心控制器。該芯片內(nèi)置AD和DA功能，減少了外圍電路的復(fù)雜度，且具有高速、高可靠性、低功耗、超強(qiáng)抗干擾、價

6、格低等優(yōu)點(diǎn)。綜上比較，本系統(tǒng)采用方案三做為兩個控制器的核心器件。2) 光控模塊方案選擇與論證方案一：采用光電開關(guān)。在S，B，S三個位置分別放置光電開關(guān)裝置，當(dāng)物體經(jīng)過這些點(diǎn)時，光電開關(guān)發(fā)射的光被物體遮擋，則接收端因無法接收該光而使其一引腳輸出電平發(fā)生變化，單片機(jī)處理該信號繼而控制路燈的開/關(guān)。光電開關(guān)具有長壽命、高可靠性、靈敏度高等特點(diǎn)，且價格較低。方案二：采用紅外發(fā)射裝置。使用電路原理與方案一類似，但其精度低，靈敏度較弱，方向性差，性價比低。方案三：選用干簧管。該裝置是一種磁敏的特殊“開關(guān)”。它通常由兩個或三個既導(dǎo)磁又導(dǎo)電的材料做成的簧片觸點(diǎn)，當(dāng)永久磁鐵靠近干簧管時，簧片的接點(diǎn)就會感應(yīng)出極性

7、相反的磁極。由于磁極極性相反而相互吸引，“開關(guān)”閉合，當(dāng)磁力減小到一定值時，“開關(guān)”斷開。但其磁力的大小與磁鐵有關(guān)，靈敏度較差。綜上比較，本系統(tǒng)采用方案一作為傳感器模塊的主要元件。3) 恒流源方案的選擇與論證方案一：采用集成運(yùn)放設(shè)計。用集成運(yùn)放和電感組成簡單的電壓限制電路，根據(jù)所需電流調(diào)節(jié)可調(diào)電阻來獲得所需的電流。用此方法得到的輸出電流穩(wěn)定度較低，且硬件電路調(diào)試復(fù)雜。方案二：采用LED驅(qū)動電源芯片SN3350。其具有輸出350mA恒流的特性，穩(wěn)定度高，且具有過壓保護(hù)、過溫保護(hù)、體積小、外圍電路簡單等特點(diǎn)，可較好的滿足本系統(tǒng)的要求。方案三：采用恒壓源串聯(lián)電阻。將恒壓源串聯(lián)可變電阻，通過調(diào)節(jié)可變電

8、阻，輸出電流也可恒定在某一值。但是該方案外接電阻的阻值調(diào)節(jié)不靈敏，難以滿足設(shè)計的精度要求。綜上比較，本系統(tǒng)采用方案二制作恒流源。4) 顯示方案選擇與論證方案一：采用LED數(shù)碼管。通過單片機(jī)引腳控制，由數(shù)碼管動態(tài)顯示設(shè)定的時間和開關(guān)燈時間，因題目要求顯示數(shù)據(jù)多，所需數(shù)碼管的數(shù)量和單片機(jī)的控制接口較多，從而導(dǎo)致單片機(jī)I/O接口緊張，性價比較低。方案二：采用1632點(diǎn)陣塊顯示。能夠滿足題目要求，但同樣需要占用單片機(jī)較多的I/O接口，且軟件復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy。方案三：采用1602LCD液晶顯示。該模塊占用單片機(jī)I/O口較少，且可通過程序?qū)崿F(xiàn)級聯(lián)菜單功能，較好的滿足題目要求。綜上比較，本系統(tǒng)顯示模塊采用方案

9、三。5) 路燈亮度調(diào)節(jié)方案的選擇與論證方案一：直接通過對電壓的調(diào)節(jié)來改變亮度的大小。電路簡單且易實現(xiàn)，但容易產(chǎn)生過壓或欠壓現(xiàn)象，從而對電路造成不利影響，且不能滿足題目發(fā)揮部分的要求。方案二：由單片機(jī)生成PWM。恒流源芯片SN3350的3#腳可接PWM信號，通過調(diào)節(jié)PWM的占空比，就可調(diào)節(jié)恒流源輸出電流的大小，從而控制輸出功率的大小。因此，只要用單片機(jī)調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，即可在0100范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)恒流源的輸出功率，滿足題目發(fā)揮部分的要求。 方案三：使用555定時器設(shè)計輸出多諧振蕩器，調(diào)節(jié)占空比的大小來形成PWM信號，從而調(diào)節(jié)路燈的亮暗。但是這種方案的占空比是由變阻器調(diào)節(jié)，精度低，調(diào)節(jié)難，無法

10、滿足題目要求。綜上所述，本系統(tǒng)采用方案二實現(xiàn)路燈亮度的無級調(diào)節(jié)。2系統(tǒng)硬件的理論分析與設(shè)計1）環(huán)境亮度檢測模塊本設(shè)計采用光敏電阻來實現(xiàn)通過檢測外界環(huán)境的明暗程度、控制LED燈自動打開或關(guān)閉的要求，具體電路如圖6.2.4所示。圖6.2.4 環(huán)境亮度檢測電路當(dāng)環(huán)境光線較強(qiáng)時，光敏電阻Rgm呈低阻狀態(tài)，5V電壓經(jīng)光敏電阻Rgm和R6分壓后在R6上的電壓高，單片機(jī)P1_0口檢測到該電壓信號后，控制P1_1給三極管Q1基極施加高電平，使Q1導(dǎo)通，繼電器線圈通電，吸合開關(guān)K1，led燈D6所在支路形成通路，燈點(diǎn)亮；環(huán)境光線暗時，光敏電阻呈高阻狀態(tài)，電阻R6上的電壓較低，P1_1輸出低電平，三極管Q1截止，

11、led燈關(guān)斷，從而實現(xiàn)了路燈隨環(huán)境明暗程度自動開燈或關(guān)燈的功能。2） 故障檢測報警模塊故障檢測與報警模塊與圖6.2.4右半部分相似。當(dāng)led燈亮?xí)r，其所在支路導(dǎo)通，電阻R4上的電壓約為0.355=1.75（V）；如果led燈出現(xiàn)故障，則該支路處于開路狀態(tài)，電阻R4上的電壓為0，單片機(jī)通過P1.3口檢測到該信號后，進(jìn)而同環(huán)境亮度檢測控制原理一樣，控制報警支路中的三極管導(dǎo)通，點(diǎn)亮發(fā)光二極管，驅(qū)動蜂鳴器，發(fā)出報警信號。3） 恒流源模塊本系統(tǒng)恒流源電路以LED驅(qū)動芯片SN3350為核心，輔以簡單的外圍電路，實現(xiàn)了輸出電流恒流的功能。其輸入電壓為640V，輸出電流最大可達(dá)700mA，滿足額定功率為1W的

12、led驅(qū)動要求。圖6.2.5為恒流源電路原理圖。圖6.2.5 恒流源電路由SN3350芯片的資料可知，其輸出電流與電流檢測電阻R1有關(guān)。通常情況下R1取特定值(R10.13)，SN3350相應(yīng)的額定輸出電流如表6.2.1所示。表6.2.1 SN3350輸出電流特性R1（）額定輸出電流（mA）0.137690.156670.273700.3333根據(jù)題目要求，該系統(tǒng)選擇特性阻值為0.3。由芯片的特性曲線知，當(dāng)外圍電路中電阻R1取0.3，電感L1取47mH時，輸出效率較高，表現(xiàn)出良好的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，故該系統(tǒng)選擇此值。通過實驗，當(dāng)輸入端加入8.3V直流電壓時，其輸出電流恒定為350mA。該電路的輸入端增

13、加了四個穩(wěn)壓管，使輸入電壓更加穩(wěn)定，繼而輸出電流驅(qū)動1W的LED。由此可見，該方法的電路所需器件少，設(shè)計簡單，性價比高，且該芯片內(nèi)有過流保護(hù)，當(dāng)異常情況發(fā)生電流過大時，可保護(hù)LED。題目發(fā)揮部分要求，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)。為此，將SN3350芯片的3#腳ADJ外接PWM信號，通過調(diào)節(jié)PWM的占空比，進(jìn)而實現(xiàn)驅(qū)動電源輸出功率的無級調(diào)節(jié)。3） 下載模塊下載模塊用于單片機(jī)程序下載，它由MAX232和外圍電路組成,具體電路如圖6.2.6所示。圖6.2.6 下載模塊 3系統(tǒng)軟件設(shè)計程序流程圖如圖6.2.7所示。圖 程序流程圖程序流程為

14、：選擇路燈的控制方式以后等待外界信號的檢測輸入。判斷接收為自由控制燈信號，環(huán)境監(jiān)測信號，交通信號，單片機(jī)處理相應(yīng)信號，然后控制開關(guān)路燈，并計時路燈開關(guān)時間，用LCD顯示。若正常情況下路燈不亮，則控制器檢測到該信號并用報警燈提示和LCD顯示故障燈的地址。此外，路燈的每部分電源由自制恒流源提供，且其輸出功率可通過控制SN3350的引腳三進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)路燈的亮度可控。4系統(tǒng)測試與結(jié)果分析1） 測試儀器測試使用的儀器設(shè)備如表所示。表 測試使用儀器與設(shè)備序號儀器名稱型號、規(guī)格數(shù)量1直流穩(wěn)壓電源CA17303D12數(shù)字示波器54622D13數(shù)字萬用表MASTECH14模擬示波器MOS-620B15多功

15、能計數(shù)器NFC-1000C-116函數(shù)信號發(fā)生器/計數(shù)器SP1643B12） 基本要求測試(1) 支路開/關(guān)燈時間控制功能檢測測試結(jié)果如表6.2.3所示。表6.2.3 支路開/關(guān)燈時間控制功能測試結(jié)果序號設(shè)定的開/關(guān)燈時間顯示的開/關(guān)燈設(shè)定時間LED1實際開/關(guān)燈時間LED2實際開/關(guān)燈時間是否符合設(shè)計要求120:00/20:0520:00/20:0520:00/20:0520:00/20:05是220:10/20:1220:10/20:1220:10/20:1220:10/20:12是320:22/20:2520:22/20:2520:22/20:2520:22/20:25是420:33/2

16、0:3820:33/20:3820:33/20:3820:33/20:38是520:40/20:4220:40/20:4220:40/20:4220:40/20:42是(2) 交通情況檢測與路燈控制功能測試 表6.2.4為測試結(jié)果。表6.2.4 交通情況檢測與路燈控制功能測試結(jié)果M運(yùn)動方向燈號位置點(diǎn)SBSM從左向右運(yùn)動Led1100Led2010M從右向左運(yùn)動Led1010Led2001其中，“1”表示燈亮，“0”表示燈滅。(3) 環(huán)境亮度檢測與路燈控制 表6.2.5為環(huán)境亮度檢測與控制的測試結(jié)果。表6.2.5 環(huán)境亮度檢測與路燈控制測試結(jié)果燈號白天黑夜Led101Led201其中，“1”表示

17、燈亮，“0”表示燈滅。 (4) 故障檢測與報警功能測試 故障檢測與報警的測試結(jié)果見表6.2.6.表6.2.6 故障檢測與報警功能測試結(jié)果Led1Led2報警燈Led3故障燈位置顯示壞好亮10好壞亮01壞壞亮11好好無反應(yīng)00其中，【Led1，Led2】為一數(shù)組，有故障顯示為“1”，無故障顯示為“0”。(5) 路燈獨(dú)立開/關(guān)時間控制功能測試測試結(jié)果見表6.2.7.表6.2.7 路燈獨(dú)立開/關(guān)時間控制功能測試結(jié)果序號led1開/關(guān)燈設(shè)定時間Led2開/關(guān)燈設(shè)定時間LED1實際開/關(guān)燈時間LED2實際開/關(guān)燈時間是否符合設(shè)計要求121:00/21:0521:10/21:1121:00/21:0521

18、:10/21:11是221:13/21:1521:15/21:1821:13/21:1521:15/21:18是321:22/21:2521:26/21:2821:22/21:2521:26/21:28是421:33/21:3821:40/21:4221:33/21:3821:40/21:42是521:45/21:4621:48/21:4921:45/21:4621:48/21:49是3) 發(fā)揮部分測試發(fā)揮部分測試主要是對恒流源輸出功率控制及l(fā)ed調(diào)光功能的測試。測試中從100%到20%按10%的步進(jìn)值遞減分級調(diào)節(jié)PWM的占空比，觀察led燈亮度的變化，測量恒流源輸出電流和led燈的端電壓，計

19、算出輸出功率和調(diào)節(jié)誤差。具體測試結(jié)果見表6.2.8。表6.2.8 恒流源輸出功率控制及調(diào)光功能測試結(jié)果占空比（PWM）輸出電流（mA）輸出電壓（V）輸出功率（W）調(diào)節(jié)誤差（%）Led亮度100%332.43.331.1070逐漸變暗90%297.13.320.9860.9780%264.73.310.8761.0670%232.33.290.7641.3660%201.33.270.6580.8950%167.43.250.5441.7040%135.23.230.4371.3730%102.33.20.3271.4220%69.33.160.2191.08可見，恒流源功率能在20%100%范圍內(nèi)設(shè)定并調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)誤差1.70%，滿足題目要求。4）測試小結(jié)經(jīng)測試，系統(tǒng)實現(xiàn)了基本要求和發(fā)揮部分的全部功能，性能指標(biāo)也符合題目要求。具體完成情況如表6.2.9所示。表 題目要求與完成情況基本要求發(fā)揮部分要求實際完成情況設(shè)定、顯示路燈開/關(guān)時間，并控制整條支路按時開燈和關(guān)燈完成，用LCD進(jìn)行顯示根據(jù)環(huán)境亮度自動控制路燈的開/關(guān)完成，且靈敏度高根據(jù)交通情況自動控制路燈的開/關(guān)完成路燈發(fā)生故障時報警，并顯示故障燈地址編碼完成，用LCD進(jìn)行顯示獨(dú)立設(shè)定并控制單個路燈的開/關(guān)時間完成自制恒流源完成，額定輸出