模拟路灯控制系统的设计.doc

摘 要随着科技发展和人民生活水平的提高，大家对公路的重视度越来越高。每年发生的交通事故都很多，所以减少交通事故发生是我们现在重点讨论的问题。在公路上路灯起了照明作用，大大减少了因为视野视线问题发生的问题，可是一些很少车辆经过的路段就会浪费了一些资源，所以模拟路灯控制系统就是为了研究节能与安全的话题，它既可以在无车辆经过时节省资源，另一方面又可以在来车辆时候提供照明作用。是一个非常实用的课题。本文首先介绍了一种新型的控制系统，基于ZigBee技术的路灯智能控制系统，分析了它的技术特点及其应用，并分析了本设计设计的ZigBee技术路灯控制系统可以实现的功能。其次根据设计要求，先画出了设计系统的总体框图，它的总体框图包括：PC监控系统、网路协调器、ZigBee终端节点、微波检测电路、光强检测电路、路灯直接控制电路。其次根据总体框图分别设计了各个部分的硬件。然后对设计的系统进行了软件部分的设计，设计的程序包括：系统流程图路灯检测流程图、模拟路灯控制系统液晶显示程序、实时监测流程图、人工控制模式、时钟电路流程图、按键流程图、按键扫描流程图。 最后根据设计的系统，运用PROTUES软件对系统进行了仿真调试，仿真的结果显示系统的设计满足设计要求。 关键词：Zigbee技术；LED路灯；设计 ABSTRACT With the development of science and technology and the improvement of peoples living standard, people pay more and more attention to the road. There are a lot of traffic accidents every year, so it is our focus to reduce the traffic accident. In highway road lamp lighting, greatly reducing the problem because of the horizon line of sight problem, but some very few vehicles through the road will waste resources, so the simulation street lamp control system is in order to study energy saving and safety topics, it can in the vehicle after the season, resources, on the other hand can provide lighting effect in the vehicle when. Is a very practical subject. This paper introduces the application of a simulated street lamp control system, using the technology of the single chip microcomputer, which is used to realize the intelligent control of the analog street lamp. The control system has set the timing function of street lamp, also can be independently controlled street lamp turn-on and turn off; can also have a dimming function, on the road of light adjusted can also be in accordance with the requirements as set out in the street driving power output in the range of 20% - 100% adjusting. During the day mode, but also according to changes in the environment of light and shade to control the opening and closing of street lights, in the case of the night mode, according to the traffic road conditions automatically switch lights. When the lamp fails, it can detect and alarm by sound and light system. The scheme takes the chip ATS8952 as the core, and the peripheral circuit is simple, and the whole technical content of the analog street lamp control system is realized. STC microcontroller in recent years more and more widely used, because of its strong anti-interference ability, good stability, cost-effective, and therefore is the first choice for low cost street lamp control solutions. The control system in addition to the use of low-cost chip, but also the use of low-cost infrared sensor, greatly reducing the cost of the system. The circuit of the whole system is simple, the structure is compact, the power source is driven only by the transformer and the three terminal voltage regulator, the addition of a little filter capacitor can achieve a stable power output. After many tests, it is proved that the system can work stably for a long time, and can meet the design requirements completely.Keywords: Simulate controlling; LED lighting; Single-chip microcomputer III目 录1 绪论11.1 课题的背景与意义11.2 国内外的发展现状11.3本文研究主要的内容22 基于ZigBee的路灯控制系统的设计32.1 控制系统的总体框架32.2 ZigBee技术及其应用42.2.1 ZigBee技术概述42.2.2 ZigBee技术的特点42.2.2 ZigBee技术的应用52.3 本设计实现的功能63 ZigBee技术开发的硬件平台73.1无线通信芯片的选择73.2 CC2430芯片介绍73.2.1 I/O端口线引脚功能83.2.2 CC2430芯片电源线引脚功能93.2.3 控制线引脚功能93.3 CC2430芯片典型应用电路103.4 Zigbee天线系统设计103.5 RS232(DB9）MAX232113.5.1 RS232 (DB9)引脚定义113.5.2 MAX232原理113.6 GPRS模块解决方案124 路灯监控系统的硬件设计134.1 终端硬件电路的设计与实现134.2 各个分电路的硬件设计144.2.1 直流稳压电源的供电电路设计144.2.2 光敏检测电路154.2.3微波检测电路154.2.4路灯控制模块16图11 路灯控制驱动电路175 模拟路灯控制系统软件设计185.1 软件的设计思路185.2 系统主程序流程图185.2.1 系统流程图185.2.2模拟路灯检测电路195.2.2 模拟路灯控制系统液晶显示程序205.2.3 实时监测流程图205.2.4人工控制模式215.2.5 时钟电路流程图225.2.6 按键流程图225.2.7 按键扫描流程图235.2.8 故障报警程序246 基于PROTEUS对设计系统仿真256.1 仿真软件PROREUS的介绍256.2 模拟路灯控制仿真模型的建立256.3 模拟路灯控制不同模式下的仿真266.3.1 定时模式仿真266.3.2 光强控制模式仿真276.3.3 路灯故障检测模式仿真276.5 仿真结果分析28结束语29参考文献30致 谢32附录1 程序代码33附录 2 硬件原理图45附录3 PCB图（部分）461 绪论1.1 课题的背景与意义 在如今社会如此现代的情况下，科技发展更可谓一日千里。而能源问题在当今世界上是一个必须要解决的大问题，在有限的资源下，要考虑到如何节能和寻找其他资源代替显得尤其重要。照明工程迅猛发展，其路灯数量的增大，而且功耗和性能大大提高，因而对路灯定时控制的要求较精确。路灯开关灯控制方法多为“钟控”和“光控”。“钟控”不适应天气突变与季节变化等自然情况从而会出现:开灯早，关灯晚;或者开灯晚，关灯早的现象。前者会造成巨大的电能浪费，后者会损害城市形象、影响社会治安和交通安全，从而影响城市的投资环境。路灯管理的经济效益，一是在半夜控制方面。前半夜街道上车辆，行人较多，需要打开所有路灯。后半夜，车辆和行人减少，若控制只亮一部分灯或适当调低电压降低亮度，节约电费相当可观。路灯夜间可工作于自动检测交通状态而开关灯，降低了路灯疲劳程度，延长路灯使用寿命。二是微机控制系统能够及时检查出故障原因和地点，避免盲目巡视，既减少了夜间出勤人员和车辆，又减少了工作人员的工作量，还可减少工作人员编制，减员增效。针对传统路灯使用缺陷，采用智能控制型路灯的优势如下：（1） 可以节省一些电能和延长电灯寿命。（2） 具有高度的数据化，自动化和智能化。（3） 可以在很短时间内检查出错误并且做出措施减低故障率。（4） 有远程操作和远程监视的功能，可以减少工作人员工作量。1.2 国内外的发展现状 现今全世界各国都号召人民节约能源。口本消耗世界能源的30%，照明占有很大的一块，而美国20%的照明耗能用于商业，约10%用于民用。在口本约25%的照明能源用于商业，约16%用于民用。二者耗能不同，彼此都在相互学习和借鉴。近20年来，照明节能集中在使用紧凑型荧光灯(CFL)和荧光灯采用电子镇流器两个方面，二个国中用新技术替换老产品的过程有点不同:2001年美国销售的镇流器中电子的占53%，而口本只有36%。而二个国家在销售CFL灯占白炽灯的比例中，美国只占3%,口本占了15%。二个国家的国家、省和地方都在立法，鼓励和普及活动这三方面做文章，旨在推动节能产品的广泛使用。二个国家的民众、经济和能源情况均有所区别，所以在节能的措施上也有所差异容，口本的电费在发达国家中最高，。电费的高低是决定能效因素的首要考虑陡所以推行节能研究最容易。 道路照明是公共事业建设的重要组成部分，是城市化发展中的重要基础设施，也是美化城市环境的重要景观，许多城市的道路照明都成为城市夜晚一道靓丽的风景线。但随着建设节约型社会理念的不断深化，我们不得不正视道路照明中所存在的能耗过高、浪费过大等问题。路灯控制市场上基本是采用手动的第一代路灯腔制模式以及采用时控、光控、时光控等第二代路灯控制模式。作为新一代智能咯灯控制系统不仅能够实现路灯智能“体眠”与“唤醒”，并且自动控制开关灯讨间，使“人(车)到灯亮，人(车)走灯灭”，而且显著节省电费支出(节能90% )，延长路灯和设备使用寿命，大大节省维护的人工费和材料费用。对于路灯智能控制节能系的研究国内外都在积极的开展。在国内许多大学、企业的研究机构都在积极进行路灯智能化及节能方面的研究。有采用计算机做主控，单片机做支路控制的智能路灯控制系统，有采用电力线载波技术的，也有采用太阳能照明技术的，还有采用led光源的路灯控制系统。其中聊城大学所做项目智能路灯控制系统就采用的是电力线载波技术。九洲光电科技有限公司采用的就是led光源的路灯控制系统。国外的也有许多如:Philip、西门子特公司开发的路灯控制系统。1.3本文研究主要的内容 本文首先介绍了一种新型的控制系统，基于ZigBee技术的路灯智能控制系统，分析了它的技术特点及其应用，并分析了本设计设计的ZigBee技术路灯控制系统可以实现的功能。其次根据设计要求，先画出了设计系统的总体框图，它的总体框图包括：PC监控系统、网路协调器、ZigBee终端节点、微波检测电路、光强检测电路、路灯直接控制电路。其次根据总体框图分别设计了各个部分的硬件。然后对设计的系统进行了软件部分的设计，设计的程序包括：系统流程图路灯检测流程图、模拟路灯控制系统液晶显示程序、实时监测流程图、人工控制模式、时钟电路流程图、按键流程图、按键扫描流程图。最后根据设计的系统，运用PROTUES软件对系统进行了仿真调试，仿真的结果显示系统的设计满足设计要求。本次设计说明书一共分为了6章，对本次课题进行了描述：第1章 描述了模拟路灯控制系统在国内外发展前景。第2章 描述了基于Zigbee技术的路灯的设计。第3章 描述了Zigbee技术的硬件设计方案。第4章 模拟路灯控制系统的硬件控制部分。第5章 模拟路灯控制系统的软件设计部分。第6章 基于该系统进行的仿真。2 基于ZigBee的路灯控制系统的设计 目前现有的城市路灯控制系统大多采用有线网络布局，不仅施工复杂，灵活性差，而且存在能源浪费的问题。近年来随着ZigBee无线技术的发展和广泛应用，于是提出了将ZigBee技术应用于城市的路灯控制。这种方法不但方便灵活，而且无需考虑布线问题，维护简单.并且通过与各种新型传感器、功率控制器的结合，可以远距离实现路灯智能控制，达到大量节约电力和能源的目的.本文应用ZigBee技术，设计了一种新的路灯无线控制系统。2.1 控制系统的总体框架在分析设计要求，首先确定本次设计的控制系统的总体框架，它主要由部分组成：检测车辆的微波模块、光强检测模块、PC监控系统、ZigBee路由节点、路灯直接控制电路。其中安装在路灯上的现场设备包括ZigBee路由节点、检测车辆的微波模块、光强检测模块、路灯直接控制电路。而系统与PC监控与路灯情况之间的通信也是通过igBee路由节点来进行无线通信的。系统设计的整体框图如图1所示。图1 系统总体框图 微波模块用来检测车辆，由传感器发射微波信号，并根据收到的回波得到多普勒频率信号，该信号经过外围电路处理后输入ZigBee路由节点的微控制器。节点根据自身的车辆检测模块得到的数据和相邻节点发送的无线数据共同进行决策控制，通过一定的算法输出控制信号，该信号经光电隔离器控制继电器，从而控制LED路灯的亮灭。系统中各分布节点定时地将路灯的工作状态以无线数据包的形式通过2.4GHz天线发射，以多跳接力的方式通过ZigBee网络汇总到中心节点，中心节点将汇总的数据通过RS-232串口传送到上位机。2.2 ZigBee技术及其应用ZigBee是最近提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的。2.2.1 ZigBee技术概述有别于GSM,GPRS等广域无线通信技术和IEEE 802.11a,IEEE 802.11b等无线局域网技术，ZigBee的有效通信距离在几米到几十米之间，属于个人区域网络的范畴。IEEE 802委员会制定了三种无线PAN技术:适合多媒体应用的高速标准IEEE 802.15.3;基于蓝牙技术，适合话音和中等速率数据通信的IEEE 802.15.1;适合无线控制和自动化应用的较低速率的IEEE802.15.4也就ZigBee技术。得益于较低的通信速率以及成熟的无线芯片技术，ZigBee设备的复杂度、功耗和成本等均较低，适于嵌入到各种电子设备中，服务于无线控制和低速率数据了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。其主要特征如表1所示。表1 ZigBee技术的主要特征特性取值数据速率868MHZ:20kbit/s；915MHZ:40kbit/s；2.4GHZ:250kbit/s通信范围10m20m通信延时15ms信道数868/915MHZ:11；2.4GHZ:16频道868/915MHZ和2.4GHZ寻址方式64bitIEEE地址，8bit网路地址信道接入CSMA-CA和时隙化的CSMA-CA温度-40852.2.2 ZigBee技术的特点ZigBee技术在低速率、低功耗领域有着重要的应用，主要有以下的特点：（）低速率：ZigBee技术一直致力于低传输速率的应用，最大的传输速率为250kit/s。（）低功耗：由于ZigBee的传输速率低、数据量小，发射功率仅为1MW，在非工作模式时处于休眠状态，功耗极低。（）低成本：ZigBee协议栈相对于蓝牙、WiFi要简单得多，降低了对通信控制器的要求，并且ZigBee协议是免专利费的因此可以大大地降低成本。ZigBee模块的初始成本在美元左右，估计很快就能降到1-2美元。（）网络容量大：一个ZigBee协调器可容纳65535个设备，一个星型的ZigBee网络最多可以容纳255个从设备和一个主设备，而且组网方式灵活，可以组星型网、树状网及网状网。（）时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。（）可靠：ZigBee的MAC层采用CSMACA算法，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。()安全：ZigBee采用了三级安全模式，提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检验，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。()网络自组织、自愈能力强。ZigBee网络无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定关系，使其加入网络；ZigBee固络增加或者删除一个节点或者节点位置发生变动等，网络都能够自我修复，无需人工干预，保证系统能正常工作。2.2.2 ZigBee技术的应用ZigBee技术应用非常广泛，主要能够应用在以下几个方面：（）工业控制和农业领域随着人们对环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多。ZigBee技术的出现为获取各种数据提供了便利。比如，ZigBee技术可以用来监测海洋、大气和土壤的成分等。ZigBee技术还可以用在危险化学成分的检测、火警的早期检测等。这些应用不需要很高的数据传输速率和采样频率而ZigBee模块是低功耗的，从而大大延长了电池的寿命，减少网络的维护成本。（）医疗护理ZigBee技术在医疗、护理领域也可以大显身手。借助于各种传感器和ZigBee网络，可以准确实时地监测病人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，帮助医生快速地做出反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。（）数字家庭领域ZigBee技术可以应用于家庭的照明、温度控制等。ZigBee模块町以安装在灯泡、遥控器、玩具、门禁系统、空调系统和其它家电产品中。例如在灯泡中装置ZigBee模块，当人们要开灯的时候，就不需要走到墙壁开关处直接通过遥控器便可开灯。（）智能交通领域如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式地装有大量的ZigBee终端设备，你就不用担心迷路。安装在汽车单的器件将告诉你，你当前所处的位置。全球定位系统（GPS）也能提供类似服务，但是这种新的分布式系统能向你提供更精确、更具体的信息。2.3 本设计实现的功能根据设计要求，本系统设计控制系统可以实现以下几个功能：（1） 检测车辆电路中设计了车辆检测模块，在光强较弱时，当检测到或行人经过路灯覆盖区域时，路灯会自动打开。而没有测到有人或行人经过时，路灯不亮，达到了节能的目的。（2） 光强检测为了节约电能，在本次设计中，设计了光强检测功能，只有当光强下降到一定程度时，路灯才会被点亮。（3） 无线通信在设计了运用了ZigBee技术，实现了无线通信技术，PC 端可以根据路灯发出的无线信号来判断路灯的运行情况，这为后续的路灯的维修提供了极大的方便。同时也解决了传统模式下有线连接路灯的弊端。具有极好的研究意义。3 ZigBee技术开发的硬件平台3.1无线通信芯片的选择通过对Zigbee技术的了解我们得知，选择一款支持Zigbee通信协议的芯片是硬件电路设计中的重点。选择和比较不同芯片的优缺点以便能够设计出低成本、低功耗并且可以根据实际需求进行适当升级的电路。本文重点研究无线通信的组网，在目前使用的诸多无线芯片中，片上系统因为低功耗、低成本和多功能成为本设计的首选。随着Zigbee技术的发展，无线单片机模块也在不断发展，功能更加丰富，种类也不断增加，各大公司纷纷开发相应的无线单片机模块。目前，支持Zigbee通信协议的芯片有很多，其中在市场上获得良好效果的主要有以下几种： （1）Freescale系列。Freescale公司推出的MC13191芯片，应用成本相对低廉，其支持的通信协议为IEEE802.15.4，该公司向开发设计人员提供MAC软件，设计人员通过该软件即可组建相对简单的星形网络。Freescale的后续产品在功能上不断加强，设计人员可根据实际需要选择不同的开发平台。 （2）Ember的EM250和EM260均支持Zigbee通信协议，也可根据实际需求组建星形网、树状网以及网状网。除此之外，该系列芯片还有丰富的配套设施，保证整个系统的可靠性和稳定性。 （3）Atmel的AT86RF230射频芯片 该芯片的工作频率为2.4GHz且支持Zigbee协议栈，因其将射频收发器各模块都集成在一个芯片上，故拥有较高的稳定度、灵敏度和传输功率，可以有效减少网络中节点数量，降低成本。 （4）TI公司的CC2430 CC2430是首款真正意义上的片上系统，它完美结合Zigbee协议栈，是一款可以满足Zigbee低成本低功耗要求的解决方案。CC2430内部集成了一个增强型8051控制器和RF射频收发器，三种不同大小的Flash内存（分别是32/64/128kb），8kb的RAM,以及ADC、DMA、看门狗定时器等,因其优异的性能广泛应用于各种传感器网络。 通过对目前几种主流无线通信芯片的比较分析，CC2430因其低功耗、低成本、低复杂度和网络容量大等优点成为本方案的首选硬件平台。3.2 CC2430芯片介绍 CC2430是TI（德州仪器）公司收购CHIPCON后推出的首款真正意义上的片上系统。该芯片可以满足工作在2.4GHz的Zigbee通信协议，除了集成一个2.4GHz的RF射频收发器，还包括一个增强型8051单片机。 CC2430使用0.18mCMOS制造工艺，工作时电流损耗只有27mA，在接收模式下，电流损耗低于27mA，在发射模式下，电流损耗则低于25mA。 CC2430芯片有一些主要特点与性能如下所示：（1） 功耗低、性能高的增强型8051微控制器。（2） 基于2.4GHz符合IEEE802.15.4协议的RF射频收发器。（3） 较强的抗干扰性能和优良的接收灵敏度。（4） 芯片在休眠模式时仅有0.9A的电流损耗，使用外部中断或者RTC唤醒 系统。在待机时，电流损耗更低于0.6uA，使用外部中断唤醒系统。（5） 硬件支持CSMA/CA功能。（6） 输入电压范围较宽（2.0-3.6V）。（7） 支持数字化的RSSI/LOI和DMA功能。（8） 能够监测电池和感测温度功能。（9） 芯片集成了14位的ADC数模转换模块。（10）集成有AES安全协处理器。（11）带有2个可支持多组协议的USART。（12）带有4个定时器：1个符合IEEE802.15.4标准的MAC计时器；1个常规 的16位计时器以及2个8位计时器。（13）提供21个I/O口，其中有两个I/O口具有20mA的驱动能力，其他接口 有4mA的驱动能力。（14）具有灵活和功能全面的开发工具。 CC2430 芯片采用7 mm7mm QLP封装，共有48个引脚。全部引脚可分为I/O 端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。3.2.1 I/O端口线引脚功能CC2430一共有21个可编程的I/O口，其中P0、P1端口是8 位的，P2 端口只有5 个引脚。通过软件配置相关特殊功能寄存器，可使引脚作为通用输入输出引脚、片内外设使用引脚或外部中断使用引脚11。I/O口关键特性如下： （1）可设置为通用I/O 口，也可设置为片内外设使用的I/O口。 （2）输入口的状态可以设置成上拉、下拉或者三态。 （3）所有I/O引脚都能够响应外部中断，中断用来将芯片从睡眠状态唤醒。 （4） 16 脚（P1_2P1_7）：对外设提供4mA的驱动能力。 （5）8，9 脚（P1_0，P1_1）：具有20mA的驱动能力。 （6）1118脚（P0_0 P0_7）：对外设提供4mA的驱动能力。 （7）43，44，45，46，48 脚（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：对外设提供 4mA驱动能力。3.2.2 CC2430芯片电源线引脚功能表1 CC2430芯片电源线引脚功能引脚功能7脚（DVDD）为I/O提供2.03.6V工作电压20脚（AVDD_SOC）为模拟电路模块提供2.03.6V的直流电压23脚（AVDD_RREG）为模拟电路模块提供2.03.6V的直流电压24脚（RREG_OUT）为25,2731,3540引脚端口提供1.8V的稳定电压25脚（AVDD_IF1）为模拟电路提供1.8V的直流电压，包括模拟测试模块、接收滤波器以及VGA的第一部分电压 27脚（AVDD_CHP）为充电泵和环形滤波器提供1.8V直流电压28脚（VCO_GUAND）VCO屏蔽电路的报警连接端口29脚（AVDD_VCO）为PLL环滤波器和VCO和提供1.8V电压30脚（AVDD_PRE）为预定标器、Div-2和LO缓冲器提供1.8V的电压31脚（AVDD_RF1）为LNA、前置偏置电路和PA提供1.8V的电压 33脚（TXRX_SWITCH）为PA提供调整电压35脚（AVDD_SW）为LNS/PA交换电路提供1.8V电压36脚（AVDD_RF2）为接受和发射混频器提供1.8V电压37脚（AVDD_IF2）为低通滤波器和VGA的最后部分电路提供1.8V电压38脚（AVDD_ADC）为ADC和DAC的模拟电路部分提供1.8V电压39脚（DVDD_ADC）为ADC的数字电路部分提供1.8V电压 40脚（AVDD_DGUARD）为隔离数字噪声电路连接电压41脚（AVDD_DREG）向电压调节器提供2.03.6V电压 42脚（DCOUUPL）提供1.8V的去耦电压，此电压不为外电路所使用 47脚（DVDD）为I/O端口提供2.03.6V的电压3.2.3 控制线引脚功能表2 控制线引脚功能引脚功能10脚（RESET_N）复位引脚，低电平有效19脚（XOSC_Q2）32MHZ的晶振引脚221脚（XOSC_Q1）32MHZ的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚22脚（RBIAS1）为参考电流提供精确的偏置电阻26脚（RBIAS2）提供精确电阻，43k，1%32脚（RF_P）在RX期间向LNA输入正向射频信号；在TX期间接收来自PA的输入正向射频信号34脚（RF_N）在RX期间向LNA输入负向射频信号；在TX期间接收来自PA的输负向射频信号43脚（P2_4/XOSC_Q2）32.768kHZ XOSC的2.3端口44脚（P2_4/XOSC_Q1）32.768kHZ XOSC的2.4端口3.3 CC2430芯片典型应用电路CC2430芯片的应用电路，如图1.1所示，图中数字I/O、ADC接口未连接，解耦电容未画出。为了增加天线的性能，电路使用了一个非平衡天线连接非平衡变压器的方式。电路中的非平衡变压器由电感L341、L321、L331和电容C341以及一个PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻(50)的要求。内部T/R交换电路完成PA和LNA之间的交换。R221和R261做为偏置电阻，电阻R221主要为32 MHz的晶振提供一个合适的工作电流。用1个32 MHz 的石英谐振器（XTAL1）和2个电容（C191和C211）构成一个32 MHz 的晶振电路。用1个32.768 kHz 的石英谐振器（XTAL2）和2个电容（C441 和C431）构成一个32.768 kHz的晶振电路。电压调节器向所有要求1.8V电压的引脚和内部电源供电，C241和C421电容用来电源滤波,以提高芯片工作的稳定性。图2 典型应用电路3.4 Zigbee天线系统设计基于Zigbee网络的路灯监控系统工作频率在2.4GHz，本系统的通信方式是利用天线辐射进行无线信息传输。天线的设计是整个通信系统的关键，决定了系统的通信距离和质量，需要根据实际情况来设计天线以达到应用标准。设计Zigbee系统天线时，需根据实际需求采用不同的设计方案，设计前应根据本系统工作在2.4GHz频段来确定天线参数，如增益、阻抗、辐射方向等。本系统天线参数如下所示。（1）工作中心频率为2.45GHz，工作频率范围为2.405GHz-2.480GHz。（2）输入阻抗Z天线采用的阻抗匹配为50欧（3）天线的辐射方向。因协调器需要和多个节点进行通信，所以天线 设计为全向型辐射。3.5 RS232(DB9）MAX232 MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS232串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v直流电源供电。3.5.1 RS232 (DB9)引脚定义1脚（DCD) :载波检测。主要用于检测拨号音，是否处于在线状态，然后告知计算机其当前状态。2脚（RXD）:用于接收外部数据；当使用Modem检测时，RXD指示灯在闪烁，说明RXD引脚正在进行接收。3脚（TXD）:将数据发送给外部设备；当使用Modem检测时，TXD指示灯在闪烁，说明TXD引脚正在发送数据。4脚（DTR）:数据终端就绪；当此引脚处于高电平时，计算机做好准备，Modem可以进行数据传输。5脚（GND）:信号地；此位不做过多解释。6脚（DSR）:数据设备就绪；此引脚处于高电平时，通知计算机Modem可以进行数据传输。7脚（RTS）:请求发送；计算机控制该引脚决定Modem是否可以进行数据传输；否则所有收到的数据都会被放入缓冲区中。8脚（CTS）:清除发送；此脚由Modem控制决定是否将数据送至Modem。 9脚（RI） : Modem通知计算机有通讯请求，是否接听呼叫由计算机决定。3.5.2 MAX232原理MAX232由三个部分组成其内部结构：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。主要产生-12v和+12v两个电源，供RS-232串口电平使用。TTL/CMOS数据从T1IN/T2IN输入转换成RS232数据从T1OUT、T2OUT送至电脑的DB9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道12。第三部分是供电。15脚DNG、16脚VCC（+5v）。3.6 GPRS模块解决方案本设计中协调器通过无线方式与监控中心进行数据传输，可以有效降低通信成本。GPRS（General Packet Radio Service)的全称是通用分组无线业务，是一种新的GSM数据业务，它可以给移动用户提供无线分组数据接入服务。GPRS主要是在移动用户和远端的数据网络之间提供一种连接，从而给移动用户提供高速无线数据传输业务。在业务的承载能力和支持上，GPRS比GSM具有明显的改善，数据传输速率更高。GPRS采用分组交换技术，多个用户共同使用一组信道，但是只有当某用户收发数据时才占用该信道。采用时分复用额方式能够更加有效的利用无线信道，GPRS有着灵活的计费方式，有流量计费方式和包月方式，可以根据实际情况有效降低通信成本。4 路灯监控系统的硬件设计基于Zigbee技术的LED路灯监控系统由路灯节点、路由器和协调器组成。系统通过路由器进行数据转发，将终端和协调器进行无线连接，然后对路灯进行无线控制。图3 路灯监控系统设计框架 系统中有一个网络协调器，起到监控整个网络的作用，有若干个路由器和终端节点。网络协调器负责建立一个网络并且对其进行管理。路由器作为无线控制中继器，起到扩充网络容量和增加网络覆盖范围的作用，同时，路由器也可以作为终端使用，用来控制路灯的开关，而终端节点只用来采集信息并且只能和路由器或者协调器进行通信。在整个系统正常工作时，路由器接收协调器的控制信号，并且转发给下一个节点进而控制路灯工作状态，而终端节点只用来采集路灯状态信息和接收路由器的控制指令并控制路灯的状态。4.1 终端硬件电路的设计与实现在本设计中，单个路灯的监控系统由直流稳压电源模块、LED检测模块以及CC2430组成。系统框图如图所示。图4 单个路灯监控系统设计4.2 各个分电路的硬件设计4.2.1 直流稳压电源的供电电路设计220V交流电经过变压器降压后得到9V交流电，然后经过整流桥全波整流，电容滤波稳压后得到稳定的5V直流电源。本设计采用稳压芯片7805来获得所需直流稳压电源。7805的电压输入范围较宽，输入电压在7V-36V之间都可实现良好的稳压效果。考虑芯片的热效应及稳压的准确性，所以尽量减少输出电压与输入电压的电压差，同时为了保证电源可以提供足够的功率，电压压差至少要大于3V，所以本系统的输入电压定位9V，足以保证电源所能提供的功率，且芯片不会过热。D1是整流桥，选用耐压值AC600V电流为2A的KBP206。C1、C2、C3是用来吸收低频脉动和滤波的电容，可以是电压更为平稳。为使直流电源更加稳定，本电路中使用电容C2吸收其他频率成分的谐波。U1是7805稳压芯片，该芯片稳定性、可靠性较高，且能产生稳定额5V直流电源。C3除了启动吸收谐波的作用外，还可防止出现稳压后的直流电源随后级负载的加重而逐渐降低的情况。除去需给检测电路提供5V直流电源外，Zigbee芯片需要3.3V的直流电压，故需要使用一个三端稳压器把5V电压转换为3.3V直流电源。本设计中中采用AMS1117芯片，输出电压为3.3V，输出电流可高达1A。图 5 +5直流电源产生电路图6 +3直流电源产生电路4.2.2 光敏检测电路目前常用的光敏器件是光敏电阻，利用其光线越强电阻越低，光线越暗电阻越大的特点，可将光信号转换成电信号，再经过电压比较器的方式，可以有效地完成对光线信息的采集。在本设计中，保证系统在光线临界状态时的稳定性，是设计的重难点所在。由于光敏电阻对光线变化较敏感且电阻值变化是连续的，故当光线达到临界点时，输出信号极不稳定，在设计中可采用将运放接成电压比较器的方式，可以实现较为精确的控制。方案一：直接用光敏电阻串联电阻，然后将检测到的电压信号送至CC2430的P1.0口。当光线较强时光敏电阻阻值很小，P1.0口输入高电平；当光线不足时光敏电阻阻值升高，P1.0口输入地电平。但光敏电阻阻值比较敏感，在检测信号的高低电平间进行切换时容易导致误判。方案二：本设计采用方案二，其在方案一的基础上加入电压比较器。如图所示。图7 光敏测量电路当电压比较器的同相端输入电压大于反向端输入电压时，比较器输出高电压，反之则输出低电压。本方案中将触发高点电平的门限电压变为由R2和R3共同控制的任意电平，从而扩大高电平区间，故在本设计中使用本方案。4.2.3微波检测电路运用连续波多普勒雷达进行车辆检测，关键是检测出目标回波信号中的多普勒频率，从而得到目标的运动速度。然后根据相应的控制策略，控制LED路灯的点亮和熄灭。车辆检测雷达由三部分组成:传感器模块、多普勒信号调理电路、决策控制部分，如图3.9所示。图8 微波检测框架系统选用的多普勒微波传感器模块(HB100)是Agilis通信技术公司开发成功的多普勒移动传感模块，内部由GAS FET介质谐振振动器(DRO)微波振荡源(10.525GHz)、功率分配器、发射天线、接收天线、混频器、检波器等电路组成。采用微带平面天线，整体封装尺寸为3745lOmm。微波振荡源产生的X波段(10.525GHz)连续波等幅信号经微带发射天线向空间定向辐射，同时接收天线接收到运动目标反射的回波信号，经低噪声放大器放大再由混频器与本振信号混频，经过中频放大，检波等信号处理，分离出反映目标移动速度的多普勒频率信号送到信号输出端。运算放大器选用高增益、低功耗的独立双运放LM358芯片。它的电源电压范围很宽，既适合于双电源供电(士1.5 V士15V），也适合于单电源(330V）。门限比较器选用高增益宽频带的双比较器LM393芯片，它的供电范围为双电源士1V士18V，单电源为236V。PW供电方式的电路中，两个可调电阻R16和R23用来调节运放的放大倍数和门限电平的值。图9 雷达测量电路4.2.4路灯控制模块 路灯控制模块由光藕隔离单元、继电器单元和受控路灯组成。通过光电藕合器件，将微控制器与外部电路隔离开。CC2430的路灯控制信号CRTL与光隔相连接，光隔的输出口向继电器发送吸合命令，控制路灯的打开和关断。路灯控制单元的结构示意图如图所示。图10 路灯控制框架图11 路灯控制驱动电路5 模拟路灯控制系统软件设计5.1 软件的设计思路本系统软件采用模块化程序设计的方法，主要由主控制程序、开机界面子程序、键盘服务子程序、定时子程序、光控开关灯子程序等部分组成。软件的主要设计思想是：从实际出发根据时间来选择模式,系统有时钟信息，判断白天和黑夜，白天用光控模式，根据外界光线明暗来控制路灯，只有在白天光线很暗时开启路灯。晚上用自动调节模式，能根据交通情况来自动开启路灯（灯始终随着人的移动来方向来开启，经过的地方路灯及时关闭）。分别设定每个灯的开启和关闭时间。时间设定的优先级最高，只要时间在设定范围内，路灯一直亮，范围外按白天光控模式，晚上自动调节模式控制。工作时，可以显示系统时间，每个灯的定时时间，灯的亮灭状态，工作模式，以及是否有故障。若有故障显示出故障灯的地址编号和出现故障的时间，并声光报警。在工作界面按确认键可以进入菜单来设置参数。5.2 系统主程序流程图5.2.1 系统流程图图12 系统程序流程图 这是模拟路灯控制系统的主要程序。首先，要把单片机处于一个初始状态，这样会使光的强度更加准确一些。由于光线的强度可以随时改变的，所以该程序每隔2ms就检测一下当前公路的光线强度，来进行灯的开光。通过按键扫描和按键处理给下一个组成部分。然后到了检测环境的明暗程度，如果该时刻为晚上或者是光线很暗的时刻，达到光检测系统的50%以上就自动开灯。然后就到了路灯故障检测，如果路灯检测出故障就会自动发出报警和显示在LCD的屏幕上，让相关人员进行检修。通过当时的路况等一系列情况的判断，再对这路灯进行开和关的自动调节。最后由于在一般在凌晨时间，就没这么多车通过，所以只有在车通过的时刻开启路灯即可。这就是我根据这个课题设计出来相关的主程序。5.2.2模拟路灯检测电路图13 检测中断流程图 这是模拟路灯控制系统的主要程序。首先，要把单片机处于一个初始状态，这样会使光的强度更加准确一些。由于光线的强度可以随时改变的，所以该程序每隔2ms就检测一下当前公路的光线强度，来进行灯的开光。通过按键扫描和按键处理给下一个组成部分。然后到了检测环境的明暗程度，如果该时刻为晚上或者是光线很暗的时刻，达到光检测系统的50%以上就自动开灯。然后就到了路灯故障检测，如果路灯检测出故障就会自动发出报警和显示在LCD的屏幕上，让相关人员进行检修。通过当时的路况等一系列情况的判断，再