毕业设计（论文）-单片机太阳能热水器自控.doc

编号 淮安信息淮安信息职业职业技技术术学院学院 毕毕业业论论文文 题 目太阳能热水器自控 学生姓名 学 号 系 部电子工程学院 专 业电子信息工程技术 班 级 指导教师 顾问教师 二一一年十月 摘 要 i 摘摘 要要 随着城市化、现代化的推进，路灯得到大面积的普及，同时也耗费了大量 的能源，为了节约能源，需要对路灯的工作加以管理，路灯管理系统应需而生。 本文介绍了模拟路灯管理系统的设计与实现过程。本系统由支路控制器和单元 控制器组成，一条街道的路灯由一个支路控制器和多个单元控制器构成rs-485 网络控制，每个单元控制器安装在路灯杆内部，支路控制器安装在街道管理处 的路灯柜里。模拟路灯管理系统具有三种工作模式：定时开关灯模式，环境光 线感应自动开关灯模式，环境光线配合移动物体感应自动开关灯模式，可以由 路灯管理员根据具体情况决定路灯的工作模式，当路灯出现故障时，支路控制 器会发出声光报警信号，同时可以在支路控制器的显示屏查询出故障灯的地址 编号。 支路控制器和单元控制器都采用mcs-51单片机为控制电路，支路控制器具 有时间日历电路、显示屏电路、按键电路、通信电路、故障报警电路、电源电 路，单元控制器具有移动物体检测电路、环境光线检测电、通信电路、路灯驱 动电路、路灯故障检测电路，选用光电开关检测物体的移动，选用光敏电阻检 测环境光线的亮暗，采用专用的时间日历芯片pcf8583来完成定时开关灯功能， 采用普通的三极管恒流源电路为白光led供电，通过调节pwm的占空比来控制 路灯的亮暗程度，系统硬件电路简单，具有模块化的优点，并且功能强，成本 低，容易推广。 关键词关键词：单片机 rs-485 路灯管理系统 目 录 ii 目目 录录 摘摘 要要i 第第 1 章章 绪绪 论论.1 第第 2 章章 太阳能热水器结构图太阳能热水器结构图.6 第第 3 章章 太阳能热水器的工作原理太阳能热水器的工作原理.12 第第 4 章章 太阳能热水器控制系统原理太阳能热水器控制系统原理.21 第第 5 章章 控制器应有的控制器应有的 5 大功能大功能.29 第六章第六章 总结与展望总结与展望.34 6.1 总 结 .34 6.2 展望.34 致致 谢谢.35 参考文献参考文献.36 附录附录 1 支路控制器原理图支路控制器原理图.37 附录附录 2 单元控制器原理图单元控制器原理图.38 附录附录 3 系统组装示意图系统组装示意图39 附录附录 4 系统实物图系统实物图40 附录附录 5 支路控制器主程序代码支路控制器主程序代码41 第一章 绪论 1 第第 1 1 章章 绪绪 论论 为了响应国家关于构建和谐社会、节能型社会的号召，推动全社会节约用 电、提高能效、保护环境、促进社会经济可持续发展，全国各级城市的市政管 理部门都在大力推广各种节电方案和节电设备。目前我国的电力供应十分紧张， 缺电现象非常严重，节约资源减少浪费是头等大事。如果在全国各级城市的道 路照明，特别是新建城镇的道路及住宅小区均推广采用高效的路灯节电设备， 将大幅改善城市的照明质量，节约照明用电，实现资源的充分合理使用。 1.1 课题的背景及意义课题的背景及意义 街道照明是一个城市形象的标志，是城市建设中非常重要的公用基础设施， 照明系统的维护管理水平是整个城市形象和经济发展水平的综合体现。城市路 灯照明系统的用电量是不可忽略的部分，在我国每年有大约 12 % 以上电能是消 耗在照明上的，在 21 世纪的今天，节能的重要性越来越被广泛重视。传统的路 灯在控制方面主要采用简单的光控、时控等方式， 这种方式存在着可靠性差， 维护不方便等缺点。某些地区则采用人工巡视方式，但工作量非常大，特别在 节假日及特殊情况需要保证全市亮化率的时候，地区全体工作人员上线巡视都 可能满足不了要求，使得工作局面相当被动。而且人工巡视存在巡视周期，会 出现故障长时间延时的问题。在通信技术高速发展的今天，各种有线、无线网 络技术在各行业得到广泛应用，采用各种通信技术和各种检测技术实现基于道 路路况的自适应照明系统，完美得解决了节能和照明的双重要求，它是智能路 灯控制系统实现的一个发展方向。有鉴于此，我们提出了基于 rs-485 半双工串 口通信网络组建的智能路灯控制系统的方案。此系统旨在实现“在保证为道路 上行人照明的前提下，做到绿色节能”的目标。 1.2 路灯管理系统的需求路灯管理系统的需求 传统路灯采用高压汞灯和高压钠灯，灯泡发光效率低，寿命短，光谱纯度 不高，路灯照明的能源浪费大，完全由人工管理，无法远程操控，检修时必须 现场巡查，人工作业量大，故障维修反应效率低，统计查询功能弱。 通常，晚上 12 点前路上行人较多，要求路灯亮度高，但此时也是用电的高 峰期，电网电压较低，路灯的端电压低，亮度低，不能满足要求；晚上 12 点后， 用电的高峰期过去，电网电压较高，路灯的端电压高，亮度大，能耗较大，但 路上行人较少，反而不需要路灯太亮，这要求路灯的亮度能够自动调节，以节 第一章 绪论 2 省功耗，然而，传统的路灯控制系统只能定时开关灯或者手动开关灯，显然满 足不了这个要求。 传统的路灯控制系统要么采用晚上全亮灯，要么采用午夜后熄灯或熄一半 灯的方案来工作，对于“全夜灯”照明造成的浪费和“半夜全灭或半灭灯”带 来的交通安全问题，需要采用通讯网络技术和智能控制器实现智能管理。 通常要求路灯管理系统具有三种工作模式：定时开关路灯模式，环境光线 控制开关灯，移动物体控制开关灯。可以由路灯管理员根据具体情况决定路灯 的工作模式，或者设置各工作模式的切换顺序，并且能够查询或显示当前的工 作模式，路灯管理员还可以对某路路灯功率作调整或由系统自动调节，当路灯 出现故障时，系统还会发出声光报警信号，同时在显示屏上显示出故障灯的地 址编号以方便更换维护。路灯管理系统能够节约能源，符合国际国内形势，有 着广阔的应用前景。 1.3 路灯控制系统的发展现状路灯控制系统的发展现状 现有路灯控制方案有：电容补偿式节能路灯、调压式节能路灯、电子镇流 器节能路灯、交直两用风光互补节能路灯、太阳能路灯、定时开关路灯、手动 开关路灯以及基于通信网络的智能控制系统等，下面分别介绍。 （1）电容补偿节能路灯 功率因数低，一般为 0.16 左右，在照明系统中大量使用时增加电网的无功 负担；体积大、重量沉、自身耗电量大，一般损耗将达到灯额定功率的 20 %左 右； 功率稳定性差，输入电压的变化对灯的输出功率影响很大。 （2）调压式节能路灯 早期的调压方式有可控硅调压和自耦变压器调压。但是，采用可控硅调压 将导致波形畸变，给电网带来很大的污染。 （3）电子镇流器节能路灯 目前，电子镇流器的技术瓶颈主要是工作可靠性，即使用寿命问题。高压 钠灯电子镇流器在使用过程中容易出现故障，主要表现为功率开关管损坏、驱 动集成电路损坏、高压触发电路失效、镇流器整体温升较高。这些问题是影响 电子镇流器可靠性的比较突出的问题是亟待解决的课题。 （4）风光互补路灯和单太阳能路灯 风光互补路灯的风车和太阳能电池板会被风吹落到公路上伤及车辆和行人， 需要；风光互补路灯和单太阳能路灯受天气变化影响很大，亮灯时间不能保证； 目前，风光互补路灯和单太阳能路灯造价依然很高，容易被人破坏，管理维护 费用也大。 （5）基于无线网络的路灯管理系统 第一章 绪论 3 基于 gsm、gprs、zigbee 无线网络的路灯管理系统具有施工方便的优点， 并且利用了现有的网络基础实施，管理方便，便于查询和存储数据，管理效率 高，国外已有使用，但是该方案技术难度大，且成本也比较高，是未来的发展 方向。 1.4 大功率白光大功率白光 led 路灯的介绍路灯的介绍 发光二极管（light emitting diode，简写为 led）是基于半导体 pn 结形成 的用微弱的电能就能发光的高效固态光源，在一定的正向偏置电压和注入电流 激励下，注入 p 区的空穴和注入 n 区的电子在扩散至有源区后经辐射复合而发 出光子，将电能直接转化为光能。大功率白光 led 灯如图 1-1 所示，通常由 gan 基功率型蓝光 led 与黄色荧光粉合成的高效白光二极管，与常规高压钠灯 不同的是，大功率白光 led 路灯的光源采用低压直流供电，电路安全，发光效 率高，亮度大，光纯度较高，完全可以取代汞灯、钠灯，满足路灯照明的需要。 图 1-1 2w 的白光 led 灯 大功率白光 led 的特点： （1）led 路灯本身具有光的指向性，没有光的漫射，保证光效； （2）led 路灯有独特的二次光学设计，将 led 路灯的光照射到所需照明 的区域，即路面，进一步提高了光照效率，达到节能目的； （3）led 的光源效率目前已达 100 lm/w，而且还有很大的发展空间，理 论值能达到 250 lm/w。而高压钠灯的发光效率是随功率增加才有所增加，因此， 总体光效 led 路灯比高压钠灯强； （4）led 路灯的光显色性比高压钠灯高，高压钠灯显色指数只有 23 左右， 而 led 路灯显色指数可达到 75 以上，从视觉心理角度考虑，达到同等亮度， led 路灯的光照度平均可以比高压钠灯降低 20%以上(参照英国道路照明标准)； 第一章 绪论 4 而且，在中间视觉水平下，人眼在高色温环境里比低色温环境更容易辨别事物， 避免了某些危险状态的发生； （5）led 路灯的光衰小，一年的光衰不到 3%，使用 10 年仍达到道路使用 照度要求，因此，led 路灯在使用功率的设计上可以比高压钠灯低； （6）led 路灯可以自动调光，能实现在满足不同时段照明要求，最大可能 的降低功率，节省电能； （7）led 是低压直流器件，驱动单颗 led 的电压为安全电压，所以它是 一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。直流的特点使 led 特别适合与太阳能、风电进行结合； （8）每个单元 led 晶粒只有很小体积，所以可以制备成各种形状的器件， 并且适合于易变、易震的环境； （9）寿命长，理论寿命能使用 5 万小时以上； （10）led 可以进行频繁的开关而不用担心其损坏； （11）安装简便，直接将 led 路灯灯头安装于灯杆替换原有的钠灯灯头； （12）散热控制出色，能将 led 结点温度降到 70c 以下，随着技术的发 展，结点温度还在进一步下降，结点温度越低，理论上 led 芯片寿命就越长； （13）质量可靠，电路电源全部采用高质量元器件，每颗 led 都有单独过 流保护及串并联保护，就算一颗损坏，也不会导致其他 led 芯片失效； （14）led 光源不含有害金属汞，不像高压钠灯或金属卤化物灯在报废时 对环境造成危害。 1.5 本课题主要研究内容本课题主要研究内容 经过方案论证，本课题提出的路灯管理系统由支路控制器和单元控制器组 成，一条街道的路灯由一个支路控制器和多个单元控制器构成 rs-485 网络控制， 每个单元控制器安装在路灯的灯杆内部，支路控制器安装在街道管理处的路灯 柜里。路灯管理系统具有三种工作模式：定时开关灯模式，环境光线感应自动 开关灯模式，环境光线配合移动物体感应自动开关灯模式，可以由路灯管理员 根据具体情况决定路灯的工作模式，当路灯出现故障时，支路控制器会发出声 光报警信号，同时可以在支路控制器的显示屏查询出故障灯的地址编号。 支路控制器负责调度整个网络中各路灯单元的工作模式和工作参数的设置 及故障报警，它采用 atmel 公司的 8 位单片机 at89c55wd 作为为控制电路， 具有时间日历电路、显示屏电路、按键电路、通信电路、故障报警电路、电源 电路，支路控制器通过人机交互界面对各单元控制器进行工作模式设置、定时 开关灯设置、系统时钟时间修改、灯光亮度设置、以及故障观察等相应的设置； 并实时的检测支路控制单元故障信息和支路控制单元的数量；并在液晶显示界 第一章 绪论 5 面上显示出来；支路控制器还具有声光故障报警功能、当支路控制器接收到支 路控制单元的故障报警信息后，会出现声光报警；而且维修人员还可以通过人 机交换界面观察支路控制单元的地址，以便提高维修效率。 单元控制器只控制和自己连接的那一盏路灯的工作，它采用 atmel 公司的 8 位单片机 at89c52 作为处理器，主要由处理器模块、光线检测模块、道路上 物体检测模块、故障检测模块、灯光调节驱动模块组成，单元控制器利用光学 传感器检测环境光线强度和周围环境并转换为数字信号供处理器使用，经过处 理器的运算处理，产生相应的 pwm 波通过 i/o 接口来控制开关路灯以及灯光亮 度的调节。 第二章 路灯控制系统的设计方案 6 第第 2 2 章章 路灯控制系统的设计方案路灯控制系统的设计方案 真实的路灯控制系统需要考虑的问题很多，为了验证方案的可行性，先实 现一个缩微的模拟路灯控制系统，该系统具备真实路灯管理系统的所有功能， 只是路灯采用 1w 的小功率白光 led 代替大功率灯，路灯的数目只有 4 盏，灯 之间的距离也大大缩短，但路灯控制的技术和方案与真实的系统是一致的。 2.1 设计任务设计任务 设计并制作一套模拟路灯控制系统。控制系统结构如图 2-1 所示，路灯布置 如图 2-2 所示。 图 2-1 路灯控制系统示意图 led灯1 led灯2 40 20 40 s a b c s 40 40 40 m 定位点 图 2-2 路灯布置示意图（单位：cm） 2.2 设计要求设计要求 （1）支路控制器有时钟功能，能设定、显示开关灯时间，并控制整条支路 按时开灯和关灯。 （2）支路控制器应能根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。 输入、显示 装置 支路控制器 单元控制器1单元控制器2 led灯1led灯2 第二章 路灯控制系统的设计方案 7 （3）支路控制器应能根据交通情况自动调节亮灯状态：当可移动物体 m（在 物体前端标出定位点，由定位点确定物体位置）由左至右到达 s 点时（见图 2） ， 灯 1 亮；当物体 m 到达 b 点时，灯 1 灭，灯 2 亮；若物体 m 由右至左移动时， 则亮灯次序与上相反。 （4）支路控制器能分别独立控制每只路灯的开灯和关灯时间。 （5）当路灯出现故障时（灯不亮） ，支路控制器应发出声光报警信号，并显 示有故障路灯的地址编号。 （6）自制单元控制器中的 led 灯恒流驱动电源。 （7）单元控制器具有调光功能，路灯驱动电源输出功率能在规定时间按设定 要求自动减小，该功率应能在 20%100%范围内设定并调节，调节误差2%。 （8）其它（性价比等） 。 2.3 路灯控制系统方案的选择路灯控制系统方案的选择 如前所述，经过查询资料，发现目前的国内外路灯控制系统都是基于各种 有线和无线网络的嵌入式应用。基于 gsm、gprs 无线网络的路灯管理系统具 有施工方便的优点，并且利用了现有的网络基础实施，管理方便，便于查询和 存储数据，管理效率高，但是这些方案技术难度大，且成本也比较高；基于 zigbee 无线网络的路灯管理系统同样具有施工方便和管理效率高的优点，但是 它需要单独的 zigbee 网络，成本更高，同时技术难度也很大；采用工业以太网、 lonworks、can 总线等有线网络的路灯管理系统和无线网络比，施工布线复杂， 后期的维护成本高，虽然具有管理效率高的优点，但成本和技术难度太高，更 不实用。 经过考虑，决定采用最常用的也是最廉价的 rs-485 有线网络构建模拟路灯 管理系统。本系统由一个支路控制器和四个单元控制器组成。支路控制器和单 元控制器都采用 msc-51 单片机为主控制器，它们通过 rs-485 网络通信。 2.3.12.3.1 支路控制器的组成与功能支路控制器的组成与功能 （1）组成：控制器电路、时间日历电路、显示屏电路、按键电路、rs-485 通信电路、故障报警电路、电源电路等部分组成。 其中，可供选择的控制器有 mcs-51 单片机、pic 单片机、avr 单片机、 sun plus 单片机、msp430 单片机、winbond 单片机、amd 单片机、arm cortex-m3 单片机、arm7 单片机、fpga、plc 等，经过课题组的分析和讨论， 决定采用最常用的 atmel 公司的 8 位单片机 at89c55wd 作为为控制电路，这 是最经典的电路，并且学校实验室有现成的开发工具和环境，有大量的教科书 和开发实例可供参考，容易成功，成本低廉。 （2）功能:：支路控制器负责调度整个网络中各路灯单元的工作模式和工作 参数的设置及故障报警，支路控制器负责单元控制器入网的检测、系统各单元 第二章 路灯控制系统的设计方案 8 工作模式的切换，决定系统是否需要工作。支路控制器通过人机交互界面对各 单元控制器进行工作模式设置、定时开关灯设置、系统时钟时间修改、灯光亮 度设置、以及故障观察等相应的设置；并实时的检测支路控制单元故障信息和 支路控制单元的数量；并在液晶显示界面上显示出来；支路控制器还具有声光 故障报警功能、当支路控制器接收到支路控制单元的故障报警信息后，会出现 声光报警；而且维修人员还可以通过人机交换界面观察支路控制单元的地址， 以便提高维修效率。 2.3.22.3.2 单元控制器的组成与功能单元控制器的组成与功能 （1）组成：控制器电路、1w 白光 led 灯驱动电路、rs-485 通信电路、移 动物体感应电路、环境光线检测电路、路灯亮度调节电路和故障检测报警电路。 其中，可供选择的控制器有 mcs-51 单片机、pic 单片机、avr 单片机、 sun plus 单片机、msp430 单片机、winbond 单片机、amd 单片机、arm cortex-m3 单片机、arm7 单片机、fpga、plc 等，经过课题组的分析和讨论， 决定采用最常用的 atmel 公司的 8 位单片机 at89c52 作为为控制电路，这是最 经典的电路，并且学校实验室有现成的开发工具和环境，有大量的教科书和开 发实例可供参考，容易成功，成本低廉。 （2）功能：单元控制器只控制和自己连接的那一盏路灯，在没有物体在电 路可以检测的范围内移动时，单元电路是不工作的。在物体在有效范围内移动 时，单元电路执行单片机的相应的指令进行工作。同时，环境检测电路会检测 环境的光线亮度，可以对路灯的亮度进行适当的调节。当路灯有损坏时，报警 电路会发出报警信号，同时显示屏会显示灯的相对的代码。利用光学传感器检 测环境光线强度和周围环境并转换为数字信号供处理器使用，经过处理器的运 算处理，产生相应的 pwm 波通过 i/o 接口来实现开关路灯以及灯光亮度的调节。 2.3.32.3.3 通信方案的分析与选择通信方案的分析与选择 （1）直接利用单片机 uart 的多机通信方案 uart 是单片机上附带的一种通用异步串行通信总线。该总线支持双向传 输，可以实现全双工通信。在嵌入式应用中，uart 通常用来与 pc 机进行通信。 增强型的 uart 还具有多机通信的能力，适用于网络应用的开发。 通信时，uart 首先将接收到的并行数据转换成串行数据来传输。消息帧 从一个低位起始位开始，后面是 7 个或 8 个数据位，一个可用的奇偶位和一个 或几个高位停止位。接收器发现开始位时它就知道数据准备发送，并尝试与发 第二章 路灯控制系统的设计方案 9 送器时钟频率同步。如果选择了奇偶，uart 就在数据位后面加上奇偶位。奇 偶位可用来帮助错误校验。在接收过程中，uart 从消息帧中去掉起始位和结 束位，对进来的字节进行奇偶校验，并将数据字节从串行转换成并行。uart 也产生额外的信号来指示发送和接收的状态。例如，如果产生一个奇偶错误， uart 就置位奇偶标志。 单片机的 uart 数据线上传输的是共地的 ttl 电平信号，当线路较长时， 容易产生误码，抗干扰能力差，于是通信距离受到限制，实际测试发现两机通 信时，有效通信距离可达 1.5 米，当三机以上通信时，通信距离急剧缩短，只有 几十厘米，失去了实用意义，因此，该方案被否决。 （2）利用 rs-485 通信技术 rs-485 网络是工业上常用的低成本的有线通信解决方案，它采用平衡发送 和差分接收方式来实现通信，在发送端 txd 将串行口的 ttl 电平信号转换成差 分信号 a、b 两路输出，经传输后在接收端 rxd 将差分信号还原成 ttl 电平信 号。两条传输线通常使用双绞线，又是差分传输，因此有极强的抗共模干扰的 能力，接收灵敏度也相当高，同时，最大传输速率和最大传输距离也大大提高。 如果以 10mbps 速率传输数据时传输距离可达 12m，而用 100kbps 时传输距离可 达 1.2km。如果降低波特率，传输距离还可进一步提高。另外 rs-485 实现了多 点互连，最多可达 128 台驱动器和 128 台接收器，非常便于多器件的连接。不 仅可以实现半双工通信，而且可以实现全双工通信。 相对于其它的通信技术，rs-485 拥有很多的优势： （1）rs-485 的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（26）v 表示； 逻辑“0”以两线间的电压差为-（26）v 表示。接口信号电平比 rs-232-c 降 低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与 ttl 电平兼容，可方便与 ttl 电路连接。 （2）rs-485 的数据最高传输速率为 10mbps。 （3）rs-485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增 强，即抗噪声干扰性好。 （4）rs-485 接口的最大传输距离标准值为 4000 英尺，实际上可达 3000 米。 （5）rs-232-c 接口在总线上只允许连接 1 个收发器，即单站能力。而 rs- 485 接口在总线上是允许连接多达 128 个收发器。即具有多站能力，这样用户 可以利用单一的 rs-485 接口方便地建立起设备网络。 因 rs-485 接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述 优点，使其成为首选的串行接口。因为 rs-485 接口组成的半双工网络，一般只 需二根连线，所以 rs-485 接口均采用屏蔽双绞线传输。rs-485 接口连接器采用 db-9 的 9 芯插头座，与智能终端 rs-485 接口采用 db-9（孔） 。 第二章 路灯控制系统的设计方案 10 2.4 模拟路灯控制系统的结构模拟路灯控制系统的结构 模拟路灯控制系统由支路控制器和单元控制器组成。它们都以 atmel 公司 的 51 系列单片机为处理器，既方便了硬件电路的设计，也方便开发程序，支路 控制器通过基于 rs-485 的串口通信系统实现对各路灯的定时开关、灯光亮度调 节、时间显示、光线检测、故障检测、从机数目查询、各单元控制器的工作状 态显示等，其整体设计结构如下图所示。 rs-485 网络 支路控制器 单元控制器 1 路灯 1 单元控制器 2 路灯 2 单元控制器 3 路灯 3 单元控制器 4 路灯 4 图 2-3 模拟智能路灯控制系统的结构 2.5 模拟路灯控制系统的工作原理模拟路灯控制系统的工作原理 本系统在开机时，支路控制器会查询本系统单元控制器的容量，并通过显 示界面实时的显示出来；本系统也实时接受各单元控制器发来的故障信号，如 果接受到故障信号，主机的报警电路就开始报警，对应的故障观察界面也实时 的显示出故障信息，以便相关人员检修。 本系统具有多种工作模式，用户可以根据实际需要调整各单元控制器的工 作模式，可供选择的工作模式有：光敏检测模式、定时检测模式、光电检测模 式、节能模式。 开机后默认工作在节能模式，当定时开路灯时间到了后，支路控制器会通 过网络向所有的单元控制器发出开灯指令，各单元控制器接收到开灯指令后， 会根据光线检测模块反馈回来的信息，判断光线是否较弱，如果光线较弱，则 执行开灯指令，否则不予开灯。当单元控制器接受到支路控制器的关灯指令后， 执行关灯动作，同时单元控制器进入光电检测模式，当光电开关检测到有物体 经过时，该物体前后两个路灯同时发光。 当通过支路控制器将各单元控制器设置为光敏检测模式，则各单元控制器 会根据光线检测模块反馈回来的信息，判断光线是否较弱，如果光线较弱，则 执行开灯指令，否则不予开灯。 第二章 路灯控制系统的设计方案 11 当单元控制器工作在定时检测模式，当支路控制器检测到定时开灯时，支 路控制器会向所有的单元控制器发出开灯指令，当单元控制器接收到支路控制 器发出的开灯指令后，执行开灯，关灯指令亦然。 当单元控制器工作在光电检测模式，当光电开关检测到有物体经过时，该 物体前后两个路灯同时发光；用户可以根据环境的变化，将灯光调整到合适亮 度，以便达到节能效果，调节灯光亮度时，用户要通过按键进入灯光亮度调节 界面，对所有的单元控制器进行灯光调节，调节完毕后，单元控制器会记忆本 次灯光亮度等级。 第三章 主控制器的设计 12 第第 3 3 章章 支路控制器的设计与实现支路控制器的设计与实现 3.1 支路控制器硬件的设计支路控制器硬件的设计 如图 3-1 所示，支路控制器主要由处理器模块、人机交互界面（液晶屏和按 键） ，时钟日历模块、故障报警模块（蜂鸣器和指示灯） 、通信模块等组成。支 路控制器通过人机交互界面对单元控制器进行工作模式设置、定时开关灯设置、 系统时钟时间修改、灯光亮度设置、以及故障观察等相应的操作。支路控制器 实时的检测单元控制器故障信息和单元控制器的数量并在液晶显示屏上显示出 来。支路控制器还具有声光故障报警功能、当支路控制器接收到单元控制器的 故障报警信息后，会发出声光报警，路灯维修人员可以通过支路控制器的人机 交互界面观察故障单元控制器的地址，以便快速定位。 处理器 at89c55wd 时钟日历 pcf8583 rs-485 接口 蜂鸣器、 指示灯 按键 液晶屏 图 3-1 支路控制器的结构 3.1.13.1.1 人机交互界面电路人机交互界面电路 支路控制器具有人机交互界面，用来实现系统各功能的调整。单片机应用 系统的人机交互界面是应用系统与人之间的信息传递渠道。包括人对应系统的 状态干预与数据输入以及应用系统向人报告运行状态与运行结果。本系统采用 液晶显示屏和 4 个按键的独立键盘操作，键值分别对应了系统的各个状态和对 系统的设定和操作，具有很好的直观可视性，提高了系统的可操作性，设计键 盘时，主要考虑的是支路控制器信息处理量比较大，为了使支路控制器的处理 速度更快，我们选择了外部中断法按键扫描的结构。基于此设计思路，我选择 了一个 74ls 系列的四输入与门芯片来产生一个下降沿作为外部中断的触发源， 为了保证产生有效的下降沿，在每个按键的 i/o 口线加一个上拉电阻，保证没有 按下按键时，对应与门的输入端为高电平，有键按下时，产生下降沿。液晶模 块我们主要考虑液晶显示是否带中文字库，以及液晶的处理速度，液晶的工作 环境温度区间，硬件结构设计简单性，易于操作等方面。综合这几个方面的考 第三章 主控制器的设计 13 虑，我们选择了南京傲雪液晶公司生产的自带字库的 12864 点阵图形式液晶 显示屏，该液晶屏满足我们的要求，经过多次测试，液晶的性能十分稳定。 如图 3-2 所示，s2、s3、s4、s5 四个按键分别连接四输入与门芯片 74ls21 的 1、2、3、4 脚，并和单片机的 p27 、p26、p25、 p24 口线连接， 74ls21 的 6 脚连接单片机的 p33 口线（外部中断，下降沿触发） ，液晶屏和单 片机采用串行接法，液晶屏的 8 个数据引脚连接单片机的 p1 端口，液晶屏的 rs 引脚（数据/命令选择端） 、液晶屏的 rw 引脚(读写控制信号)、液晶屏的 en 引脚(使能控制端)分别接单片机的 p02、p01 和 p00 口线。 图 3-2 人机交互界面电路 工作原理介绍：当没有按键按下时候，四个按键在上拉电阻的作用下，使 74ls21 四输入与门芯片的输入脚全为高电平，则 6 号脚也为高电平，当某一个 按键按下时候，则此与门芯片的的四输入脚中有一个为为低电平，则 6 号脚由 高变低，产生一个下降沿，系统响应按键外部中断请求， ，开始检测目标按键进 行相应的处理，并在液晶上显示相应的操作提示，以方便用户操作。 3.1.23.1.2 时钟电路时钟电路 为了实现定时开关灯的功能，支路控制器必须具有时钟功能，为定时开关 路灯提供标准参考时间。这可以采用单片机内部的定时计数器来用软件实现， 也可以采用外接现成的时钟电路，选择时，我们主要考虑硬件结构简单，节约 单片机的 i/o 接口，软件结构简单，时间精确等，综合这几个方面我们选择了 philips 公司生产的 cmos 型实时时钟集成电路 pcf8583，它通过 i2c 总线方式 接口，可与各种单片机连接，具有日历时钟、计时、可编程定时中断功能，并 提供 256 字节低功耗静态 ram。由于 i2c 总线是具备总线仲裁和高低速设备同 第三章 主控制器的设计 14 步等功能的高性能多主机总线，只占用单片机的两根 i/o 口线，且不需要浪费单 片机内部的定时计数器，且器件价格比较便宜，走时精确，故我们选择了该电 路。 电路组成如图 3-3 所示，pcf8583 芯片 i2c 总线的 sda(数据线)、scl（时 钟线）和单片机的 p03 口线和 p04 口线相连。32.768 khz 的石英晶体必须接 到 pcf8583 芯片的 osci 和 0sc0 之间，微调电容在 osci 和电源之间，用于对 振荡器频率进行微调。单片机和 pcf8583 通过 sda 和 scl 两根线进行通信的。 图 3-3 时钟模块电路 3.1.33.1.3 故障报警电路故障报警电路 故障报警模块实现自动、有效的提醒路灯管理员，如何在报警后消除报警 现象、如何把支路控制单元的故障信息反馈给路灯管理员、管理员在液晶上看 到故障信息后，如何清除故障标志等方面是我们设计路灯故障报警模块主要考 虑问题，综合以上方面的考虑，我们利用三极管的饱和截止特性，设计了声光 报警电路，并在液晶显示界面下显示出现故障的单元控制器编号，以方便维修。 如图 3-4 所示，故障报警模块由蜂鸣器、三极管 s9013、红色发光二极管及 相应的限流电阻组成，通过单片机来控制三极管的导通或截止来实现故障报警 功能。报警时，发光二极管点亮，蜂鸣器报警，此时可以通过按键进入故障观 察界面，观察出现故障的路灯信息，当观察者进入故障观察界面时，三极管截 止，报警停止，当退出故障界面时，系统会自动清除本次故障报警的相应的信 息。 第三章 主控制器的设计 15 图 3-4 故障报警模块电路 3.1.43.1.4 通信电路通信电路 支路控制器的 rs-485 通信接口电路用来实现系统对各路灯的定时开关、灯 光亮度调节、故障检测、从机数目查询等，该部分电路支路控制器和单元控制 器各有一个，接法也相同，具体如图 3-5 所示，主要由 maxim 公司生产的 rs- 485 专用芯片 max485 构成，它采用平衡发送和差分接收方式来实现通信，在 支路控制器侧，将单片机的送出的 txd 信号的的 ttl 电平转换成差分信号 a、b 两路输出送给单元控制器，单元控制器侧的 max485 再将差分信号 a、b 转换成单片机可以接受的 ttl 电平的 rxd，这样的方式实现一次单向的通信， 反过来，单元控制器向支路控制器发数据也是同样的过程，双方只能半双工通 信。 图 3-5 rs-485 通信接口电路 3.1.53.1.5 电源电源 在模拟路灯控制系统中，外界的电源通过支路控制器上的接插口向整个系 统所有的电路供电，其中，支路控制器需要+5v、180ma 的电源供电，每个单 元控制器需要+5v、30ma 的电源供电，每个路灯需要+5v、300ma 的电源供电， 每个光电检测电路需要+12v、10ma 的电源供电，系统有一个支路控制器，4 个 第三章 主控制器的设计 16 单元控制器和路灯，共需要+5v、1500ma 的电源一个，+12v、60ma 的电源一 个，这可以通过三端稳压器实现，如图 3-6 所示。 v in 1 gnd 2 v ou t 3 u 878 05 1 2 j9 c 3 0.1u c 8 0.1u c 4 47 0u c 7 10 0u +5v 图 3-6 稳压电路 3.1.63.1.6 pcbpcb 设计与实现设计与实现 支路控制器的 pcb 设计在 protel99se 开发环境下开展，由于是一个系统， 因此 pcb 设计需要考虑支路控制器的安装位置，受模拟路灯控制系统模型的限 制，决定将支路控制器固定在模型的左端，如图 3-7 所示。由于系统中电源线， 信号线较多，必须合理安排接插件的位置，使得整体走线有规律，不容易接错 线，这些在 pcb 布局中作了足够的考虑。 支路 控制器 电源线、数据线 单元控 制器 1 光电 检测 路灯坏灯检测 天黑检测反光板 单元控 制器 2 光电 检测 坏灯检测 天黑检测 单元控 制器 3 光电 检测 坏灯检测 天黑检测 单元控 制器 4 光电 检测 坏灯检测 天黑检测 光电 检测 路 灯 杆 底座 图 3-7 支路控制器的安装位置 由于采用线路板雕刻机加工 pcb，加工精度有限，布线完成后还需要对布 线进行手工调整，主要是加粗的所有的导线，加大所有焊盘的内外径比。如图 3-8 所示。然后使用线路板雕刻机加工并组装，装好的实物如图 3-9 所示。 第三章 主控制器的设计 17 图 3-8 支路控制器的 pcb 图 3-9 组装好的支路控制器实物 3.2 支路控制器的软件设计支路控制器的软件设计 如图 3-10 所示，支路控制器的软件部分包括 7 个模块：i2c 驱动模块 iic.c、时钟驱动程序模块 pcf8583.c、按键检测模块 key.c、液晶显示模块 lcm.c、故障报警模块 alarm.c、串口通信模块 scom.c、主程序模块 main.c，其中，时钟驱动程序模块调用 i2c 驱动模块实现时间数据的读取，主 程序模块调用其余的 5 个模块中的有关函数实现支路控制器的各个功能。以下 第三章 主控制器的设计 18 对支路控制器在正常工作模式、支路控制器的按键结构以及支路控制器和单元 控制器的的通信情况进行介绍。 main.c lcm.ckey.cpcf8583.calarm.cscom.c iic.c 图 3-10 支路控制器的软件组成 支路控制器分为监控模式和菜单模式两种工作状态，一上电开机时，默认 工作在监控模式，当需要设置系统的工作参数、修改系统的时间、查询故障路 灯的地址时，用户通过“设置”按钮进入菜单模式，通过“左移” “右移”按钮 选择各子菜单实现修改，完成后通过“退出”按钮一层层返回上级菜单，直到 返回监控工作模式。 否 是 初始化 获取当前时间 显示待机画面 工作模式？ 光敏模式 定时模式光电模式组合模式 查询单元控制器 有故障？ 报警 图 3-11 支路控制器监控模式流程 3.2.13.2.1 监控模式监控模式 支路控制器工作流程如图 3-11 所示，开机后首先执行系统初始化程序，然 后获得当前时间并显示待机画面，接着依次查询各单元控制器的存在与否，并 记录找到的单元控制器的地址和数目，进入监控模式，此时，系统默认工作在 组合节能模式，就是在满足定时开灯的时间（晚上 6 点）前提下，满足天黑的 条件时，支路控制器发出命令使所有的单元控制器点亮路灯，当客流高峰期过 后（晚上 10 点之后） ，虽然依然满足定时开灯和天黑的条件，但只有检测到移 动物体时，移动物体前方的路灯才会逐次点亮，而移动物体经过的路灯一次熄 灭。监控工作模式下，支路控制器随时接受单元控制器发来的故障报告，一旦 第三章 主控制器的设计 19 发现有故障，立即启动报警电路动作。监控模式下也接受用户的按键设置操作， 调整整个系统的工作模式和参数。 3.3.23.3.2 菜单结构菜单结构 用户想要调整系统参数时需要利用支路控制器的人机交互界面实现，人机 交互界面就是支路控制器的交互式菜单系统，其层次结构如图 3-12 所示，一共 有 3 层菜单，在监控模式下第一次按下“设置”键进入第一层菜单，共有 4 个 子菜单，分别供用户选择时间设置、定时开关灯时间设置、灯光亮度设置、系 统模式的设置，一级子菜单之间通过“左移” “右移”来选择，每个一级子菜单 通过再次按下“设置”键进入第二级子菜单，在灯光亮度设置一级子菜单里又 有 3 个二级子菜单，他们是灯光亮度调节、独立开关路灯、路灯故障查看，具 体内容则必须经过“左移” “右移”按键来选择，再进入第三级子菜单后，才能 修改某个路灯的亮度或者开关控制。 图 3-12 支路控制器的菜单层次结构 3.3.33.3.3 查询单元控制器的方法查询单元控制器的方法 支路控制器查询单元控制器的流程如图 3-13 所示，查询 4 个单元控制器的 过程是一样的，挨个挨个进行，对于每个单元控制器连着查询 3 遍，如果 3 次 都收不到应答，则认为该单元控制器和支路控制器不能通信，会记录下来并作 报警。查询过程用到了单片机的串口中断技术，其中串口接收中断服务程序中 接收单元控制器的应答或者故障信息，不影响支路控制器的监控程序的正常运 行。 第三章 主控制器的设计 20 图 3-13 支路控制器查询单元控制器 3.3.43.3.4 广播通信广播通信 对于定时开关灯、系统的工作模式切换等需要所有的单元控制器参与的动作， 如果还是由支路控制器逐个单元控制器的发送命令的话，会很耗费时间，效率 低下，不及时，采用广播通信可以很好的解决这个问题，具体过程如图 3-14 所 示，其中需要在程序中编制通信协议，规定广播命令及应答信号的格式。 图 3-14 支路控制器和单元控制器的广播通信 第四章 支路控制单元的设计 21 第第 4 4 章章 单元控制器的设计与实现单元控制器的设计与实现 4.1 单元控制器的硬件设计单元控制器的硬件设计 如图 4-1 所示，单元控制器采用 atmel 公司的 8 位单片机 at89c52 作为处 理器，单元控制器主要由处理器模块、光线检测模块、道路上移动物体检测模 块、路灯故障检测模块、灯光调节驱动模块组成，单元控制器将传感器检测到 的环境光线强度和移动物体的方向，经过当前设置的工作模式的控制，产生相 应的 pwm 信号通过 i/o 接口来实现开关路灯以及灯光亮度的调节。 处理器 at89c52 环境光 线检测 rs-485 接口 路灯故 障检测 右侧光 电开关 左侧光 电开关 路灯 驱动 图 4-1 单元控制器的结构 4.1.14.1.1 环境光线检测电路环境光线检测电路 环境光线检测电路用来为单元控制器提供白天和黑夜的指示信号，这是一 个二进制的开关量，不需要太精确。此部分电路采用高性价比的光敏电阻作为 光学传感器件，其亮阻为 5k 左右，暗阻值 100k 左右。将它与一个 100k 的 电位器相连，将光信号转换为电信号的高低电平，供单片机处理，电路简单， 成本低。 图 4-2 光敏检测电路 第四章 支路控制单元的设计 22 4.1.24.1.2 故障检测电路故障检测电路 故障检测电路的设计思路是这样的，路灯应该发光却不发光时，认为路灯 有故障，因此可以在路灯的下方附近安装一个光敏电阻，此光敏电阻在晚上天 黑的时候只接受本路灯发出的光照呈现亮阻，如果路灯坏了不发光，则光敏电 阻呈现暗阻，从而判断出了路灯的损坏情况，该电路原理和上述光敏检测电路 结构一样，不再重述。 4.1.34.1.3 移动物体检测电路移动物体检测电路 有一种路灯节电方案，它根据路上的人流量来开启和关闭路灯，当检测到 有人走来时，人前方的路灯随着人的向前移动逐次点亮，同时人后方的路灯逐 次熄灭，由于减少了路灯的亮灯时间，达到省电的目的。这需要单元控制器具 备检测是否有物体经过的功能，移动物体检测电路就是解决这个问题的。我们 在相邻两个单元控制器中间放置反射式光电开关，当有物体经过时，光电开关 发出的红外线有一部分被反射回来并被接收，光电开关输出高电平，而没有物 体经过时，光电开关发出的红外线没有被反射回来，光电开关输出低电平，每 个单元控制器可以接受位于它前方和后方两个光电开关的信号，借以判断行人 的运动方向和开关灯，如果单元控制器检测到前方有物体经过，而当前路灯是 灭着的，就打开路灯，反之，如果单元控制器检测到后方的光电开关处有物体 经过，当前路灯是开着的，就灭灯。光电开关和单元控制器的具体布局如图 3-7 所示。 图 4-3 光电检测电路 第四章 支路控制单元的设计 23 移动物体检测电路如图 4-3 所示，由于光电开关（j11/j14）需要 12v 的电 压供电，输出也是 12v 的大电平，需要经过分压电阻后送给单元控制器。当有 物体进入光电开光的有效检测距离时，光电开关输出高电平，并通过分压电路 处理并把判断信息送给单片机处理，反之，送给单片机低电平。 4.1.44.1.4 白光白光 ledled 驱动电路驱动电路 模拟路灯控制系统采用 2w 的白光 led 作为路灯，经测试，该灯泡最大功 率工作时需要流过约 350ma 的电流，当流过的电流不同时，亮度也跟着改变， 只有恒流驱动时，灯光亮度才不会闪烁，达到照明的要求。因此，路灯的正常 发光需要一个恒流驱动电路，考虑到路灯亮度的调节范围，对应要求路灯的恒 流源电流也可以在 20%-100%范围内变化，并可以可靠的工作。 最常用的路灯驱动方案有基于运放和大功率三极管或场效应管构成的恒流 源、利用稳压源和大功率三极管构成的恒流源、采用专用的大功率白光 led 驱 动集成电路。由于本系统采用的 led 功率不算太大，因此，一个常用的 lm7805 三端稳压器和 s8050 三极管就可以驱动，并且电路简单、成本低廉，因 而被采用。 具体电路如图 4-4 所示，利用 mcs-51 单片机定时中断的方式产生 pwm 脉 冲对一只 npn 型的 8050 三极管通断控制，当 pwm 的频率超过 50hz 时，人眼 觉察不到灯的闪烁，并且利用 pwm 的脉宽变化实现了路灯的亮度调节，此电路 可达到对 pwm 脉冲宽度步进 1%进行控制，实现了对路灯亮度的 20%100%可 调的目的。实验证明，该方案可以稳定工作。 图 4-4 led 驱动电路 第四章 支路控制单元的设计 24 4.1.5pcb4.1.5pcb 设计与实现设计与实现 单元控制器的 pcb 设计和支路控制器的 pcb 设计流程一样，注意事项也是 一样的，因此不再细述，设计好的 pcb 如图 4-5 所示，组装好的实物如图 4-6 所示。 图 4-5 单元控制器的 pcb 图 图 4-6 组装好的单元控制器实物 第四章 支路控制单元的设计 25 4.2 单元控制器的软件设计单元控制器的软件设计 4.2.14.2.1 单元控制器的任务单元控制器