应用电子毕业设计（论文）-光控路灯自动控制器.doc

青岛职业技术学院青岛职业技术学院 毕毕 业业 论论 文文 题目题目 光控路灯自动控制器光控路灯自动控制器 电信电信 学院学院 应用电子技术应用电子技术 专业专业 班班 20102010 年年 1010 月月 1818 日日 2 摘要摘要 随 着我国经济发展迅猛 国民对电能的使用日益提高 与此而来 的就是电能的浪费 目前国内路灯照明光源一般采用高压钠灯 高压 汞灯和金属卤化物灯 常出现开灯早 关灯晚 或者开灯晚 关灯早 的现象 不仅造成巨大的电能浪费 影响人们日常生活 还会损害城 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 总之 伴着城市规模的不断扩大 现有的路灯管理的方式方法已 远远不能满足城市路灯发展与管理的需要 必须依靠现代化的高科技 管理手段 光控路灯开关的发明与使用就显得十分重要 本文基于光 敏电阻的基本原理 设计了一个基于光控开关的路灯自动控制系统 实现路灯的智能控制 该系统主要由内光电转换级 运放滞后比较级 驱动级等组成 通过对光控电路的设计 仿真 为最终的实际应用提 供参考依据 并分析了研究过程中出现的问题 逐步找出光控开关的 最佳设计方法 关键词 光控路灯开关 光敏电阻 光电转换 驱动电路 3 目录目录 摘要 2 目录 4 绪论 5 第一章 模拟路灯控制方案 6 1 1 任务 7 1 2 要求 8 1 2 1 基本要求 8 1 2 2 发挥部分 9 1 3 说明 9 第二章 硬件设计方案 10 2 1 主控芯片 10 2 2 单片机的电源设计 11 2 3 显示器及接口设计 11 2 4 键盘接口设计 12 2 5 时钟系统设计 13 2 5 1 引脚功能及结构 13 2 5 2 DS1302 的控制字节 14 2 5 3 数据输入输出 I O 14 2 5 4 DS1302 的寄存器 15 4 2 6 光控系统的设计 15 2 7 红外检测模块 16 2 8 恒流源系统设计 17 2 9 路灯通讯系统设计 18 2 9 1 RS485 应用技术问题 18 2 9 2 硬件电路的设计 19 2 9 3 从设备地址配置电路设计 19 2 9 4 总线驱动器芯片SN75176 20 2 9 5 485 总线输出电路部分的设计 20 2 9 6 隔离光耦电路 21 2 9 7 RS 485 方式构成的多机通信原理 21 2 9 8 通信规则 22 2 9 9 软件的编程 24 第三章 软件设计流程图 26 结论 35 致谢 37 5 绪论绪论 随着中国城市和经济的迅速发展 城市照明交通安全和灯饰美化工程也越 来越受到普遍关注 同时为了符合节约型 可持续性发展社会的标准 产生了 对路灯 灯饰工程监管改革的需求 路灯是城市照明工程的主要组成部分 在 夜晚 路灯的照明起到非常重要的作用 目前一般的传统路灯一般采用 钠灯 水银灯 金卤灯等灯具 这类灯具有发光效率高 光色好 安装简 便等优点被广泛应用 但也存在功率因子低 对电量要求严格 耗电量大等缺 点 我国大部分城市街道都采用 全夜灯 的方式进行照明 这些街道 在夜晚人流量和车流量都比较小 即使没有人或车经过 这些路灯也是长 期点亮的 这时电能就被白白浪费掉了 很多路段真正有效的照明时间只占到 整个照明时间的20 30 因此有些地方采用 半夜灯 前半夜全亮后 半夜全灭的方式 此方法虽然节约了用电量 却带来许多社会治安和交通安全 问题 传统路灯的照明和管理存在浪费大 路灯使用寿命短 远程操控 巡查无 法监控 人工作业量大 故障维修反应效率低 统计查询功能弱等现象 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 可以采用通讯网络技术和智能控制管理 LED 照明 作为 一种较新的技术 广泛用于各种照明中 它具有效率高 使用寿命长等优点 一个LED 路灯 如果要达到和普通的高压钠灯和高压 水银灯那样的亮度 大约需要消耗的40W 以上功耗 只有传统路灯的 25 40 随着技术的发展 LED 已经开始逐渐取代白炽灯 智能控制型路灯是运用先进的通讯手段 计算机网络技术 自动控制技术 新型传感技术与自动检测技术等构成的监控系统 快速准确地对道路照明 城 市灯饰工程 广场照明 桥梁和隧道照明等系统进行智能监控 实现对远程路 灯和 电源 实施遥控 遥测 遥 监 遥视 遥 信等功能 便于了解路灯运行 状况以及它的维修和保养 能提高路灯运行质量和效率 为能源节约和创造节 约型社会打下基础 路灯智能控制系统一般由控制中心主站 各点测控分站 通讯系统三大部 分组成 主站主要负责管理 控制整个系统的运行 其兼容性和容量大小可灵 活配置 通讯一般采用有线或 无线与的方式 目前技术有利用单片机 实现路灯控制器的TCP IP 协议 实现自己数据的高速传输和实时控制 等 技术 无线技术有GSM 短信息网 CDPD 公共无线数据网 或而各分站点 通过安装单片机或新技术装备 如 LONWORKS 技术 构成其 控制器 从而达到与主站通讯 接受命令 执行开关 控制电压 控制时间 反馈数 据信息等功能 6 第一章 模拟路灯控制方案 本设计 采用智能控制系统的路灯开关 亮度调节 时间控制等方式都能实 现远程遥控 达到时控模式 光控模式 旁路模式的目的 设置 开关灯 时间表 可实现路灯全夜灯和半夜灯自动定时控制 管理人员可针对具体的情 况对某一个或多个终端随时进行开关控制 分组 分区 全部 开关等方 式 还可根据日光 的变化进行的 光控 通过 主 站控制器 采样个 时段 日照强度 通过 RS 485 通信的方式控制从 站 实现路灯的光照强度的改变 达到 光控 的目的 这样不仅节约电能 而且也保护了路灯 延长了它们的使 用寿命 还可根据分站控制器 的 传感器 感应公路上行车和行人 将这些信 息反馈给 主 站控制中心 由主 站智能控制器决定是否打开灯 以及打开灯 的数量和光照强度 控制系统框图如图1 所示 图 1 路灯控制框图 路灯智能控制系统由控制中心主站 各点测控分站 通讯系统三大部分组 成 LED 路灯控制系统以AT89S52 单片机 为控制核心 通过单片机实 现对路灯定时开关 亮度调节 时间显示及通信 的控制 时钟 系统由 时钟芯片DS1302 实现 时钟功能 即使在工业现场等极端恶 劣工作环境中 仍保证时间误差2 0V 之前 RST 必须保持低电平 只有在SCLK 为低电平时 才能将RST 置为高电平 I O 为串行数据输入输出端 双向 后面有详 细说明 SCLK 为时钟输入端 下图为DS1302 的引脚功能图 DS1302 原理 图 2 5 2 DS1302 的控制字节 DS1302 的控制字如图1 所示 控制字节的最高有效位 位 7 必 须是逻辑1 如果它为0 则不能把数据写入DS1302 中 位6 如果为 0 则表示存取日历时钟数据 为1 表示存取RAM 数据 位 5 至位 1 指 示操作单元的地址 最低有效位 位 0 如为 0 表示要进行写操作 为1 表 示进行读操作 控制字节总是从最低位开始输出 15 2 5 3 数据输入输出 I O 在控制指令字输入后的下一个SCLK 时钟的上升沿时 数据被写 入 DS1302 数据输入从低位即位0 开始 同样 在紧跟8 位的控制指 令字后的下一个SCLK 脉冲的下降沿读出DS1302 的数据 读出数据时从 低位 0 位到高位7 2 5 4 DS1302 的寄存器 DS1302 有 12 个寄存器 其中有7 个寄存器与日历 时钟相关 存放的 数据位为BCD 码形式 其日历 时间寄存器及其控制字见表2 此外 DS1302 还有年份寄存器 控制寄存器 充电寄存器 时钟突发寄 存器及与RAM 相关的寄存器等 时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄 存器外的所有寄存器内容 DS1302 与 RAM 相关的寄存器分为两类 一 类是单个RAM 单元 共31 个 每个单元组态为一个8 位的字节 其命 令控制字为C0H FDH 其中奇数为读操作 偶数为写操作 另一类为突发 方式下的RAM 寄存器 此方式下可一次性读写所有的RAM 的 31 个字 节 命令控制字为FEH 写 FFH 读 2 6 光控系统的设计 光控系统由光敏电阻比较器LM93 组成 光敏电阻器 photovaristor 又叫 光感 电阻 是利用半导体 的 光电效应 制成的一种 电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器 入射光强 电阻减小 入射光弱 电 阻增大 LM393 为双电压比较器 LM393 系列由两个偏移电压指标低达 2 0 的独立精密电压比较器构成 该产品采用单电源操作设计 且适用电压 范围广 该产品也可采用分离式电源 低电耗不受电源电压值影响 本品还有 一个特点是 即使是在单电源操作时 其输入共模电压范围也包括接地 LM393 系列可直接与 TTL 及 CMOS 逻辑电路接口 无论时正电源还是 负电源操作 当低电耗比标准比较器的优势明显时 LM393 系列便与 16 MOS 逻辑电路直接接口 各引脚功能 8 脚电源 4 脚电源 1 脚比较器 A 输出 2 脚比较器 A 反相输入 3 脚比较器 A 同向输入 5 脚比较器 B 同向输入 6 脚比较器 B 反相输入 7 脚比较器B 输出 LM393 引脚功能图 光敏电阻器一般用于光的测量 光的控制和光电转换 将光的变化转换为 电的变化 光敏电阻经比较器与用户设置的参数作比较 作出相应的动作 返回到主站控制系统中 再由主控制器进行运算 处理 从而实现智能光控 其工作原理 光照下降时由于光明电阻阻值上升 比较器反向输入端电压升高 到设定的值时LM393 的输出由高电平转变为低电平 光控系统原理图 2 7 红外检测模块 判断交通状况的传感器使用TCRT5000 光电传感器TCRT5000 传 17 感器的工作原理与一般的红外传感器一样 一传一感 TCRT5000 具有一 个红外发射管和一个红外接收管 当发射管的红外信号经反射被接收管接收 后 接收管的电阻会发生变化 在电路上一般以电压的变化形式体现出来 而 经过 LM393 电路整形后得到处理后的输出结果 调节 电阻 R3 可以改变 传感系统的灵敏度 硬件参考原理图如下图 红外检测模块原理图 红外开关与LED 灯的真值表 2 8 恒流源系统设计 用 LM2576 组成恒流源驱动LED LM2576 系列稳压器是单片集成电路 提供作为降压开关稳压器应有的所有功能 可以通过优良的线荷调节与负载调 节 驱动3A 的负载 LM2576 系列器件具有多种固定的电压输出 3 3V 5V 12V 15V 和一个可调节输出版 LM2576 系列器件使用简单 只需极少的外部元件 且包含内置频率补偿 和一个固定频率的晶振 LM2576 系列器件可作为流行三端线性稳压器的高 18 效替代方案 大大减少了散热片的体积 在大多数情况下 甚至不需要散热 适用于LM2576 器件的一系列标准电感 可从多个不同的制造商处获得 这 种特性大大简化了开关式电源的设计 LM2576 系列器件的其他特性还包括 在指定的输入电压和输出负载范围 内 可保证 4 的输出电压容差 以及 10 的晶振频率容差 LM2576 还集成了外部关断模式 待机电流仅为50 A 典型 LM2576 的输 出开关不仅包括逐周期电流限制 还在故障发生时 采用热关断为器件提供充 分的保护 LM2576 特性 1 3 3V 5V 12V 15V 以及可调节输出版 2 可调节版输出电压范围 1 23V 37V 4 最大线荷调节与负载调 节 3 保证 3A 输出电流 4 宽输入电压范围 40V 5 仅需 4 个外部元件 6 52 kHz 固定频率的内部晶振 7 TTL 关断功能 低功耗待机模式 8 高效率 9 利用现成的标准电感 10 热关断和限流保护 11 P 增强型产品检验 2 9 路灯通讯系统设计 本设计 采用该总线标准进行数据传输 利用单片机本身所提供的简单 串行接 口 加上总线驱动器SN75176 组合成RS 485 通讯网络 实现路灯的 智能自动控制 RS 485 半双工异步通讯总线是一种被广泛使用的数据通讯总 线 它具有通讯距离远 通讯速率高 成本低等优点 RS 485 串行总 线接口标准以差分平衡方式传输信号 具有很强的抗共模干扰的能力 允许一 对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备 加上收发器具有很高的灵敏度 能检测抵达200mv 的电压 因此传输信号可在千米之外得到恢复 2 9 1 RS485 应用技术问题 在应用系统中 RS 485 半双工异步通信总线是被各个研发机构广泛使用 的数据通信总线 它往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元之间 由于实际 19 应用系统中 往往分散控制单元数量较多 分布较远 现场存在各种干扰 所 以通信的可靠性不高 再加上软硬件设计的不完善 使得实际工程应用中如何 保障 RS 485 总线的通信的可靠性成为各研发机构的一块心病 在使用RS 485 总线时 如果简单地按常规方式设计电路 在实际工程中可能有以下两个 问题出现 一是通信数据收发的可靠性问题 二是在多机通信方式下 一个节 点的故障 如死机 往往会使得整个系统的通信框架崩溃 而且给故障的排 查带来困难 针对上述问题 我们对485 总线的软硬件采取了具体的改进 措施 2 9 2 硬件电路的设计 AT89S52 单片机自带的异步通信口 外接75176 芯片转换成485 总 线 其中为了实现总线与单片机系统的隔离 在MCU 的异步通信口与 75176 之间采用光耦隔离 光耦器件需要 12V 其他芯片均用 5V 供电 系统简图如图1 所示 充分考虑现场的复杂环境 图 1 RS 485 系统示意图 2 9 3 从设备地址配置电路设计 对于监控网络 从设备的硬件设计必须考虑到能够配置自己的地址 最终 地址的配置方法采用开关组加上拉电阻排与微处理器端口连接来实现 设备地 址通过手工拨动开关设定 由系统的初始化程序通过读取I O 端口得到 20 2 9 4 总线驱动器芯片SN75176 常用的RS 485 总线驱动芯片有 SN75174 SN75175 SN75176 SN75176 芯片有一个发送器和一个接收器 非常适合作为RS 485 总线驱动芯片 SN75176 及其逻辑如图1 所示 图 1 SN75176 芯片及其逻辑关系 2 9 5 485 总线输出电路部分的设计 输出电路的设计要充分考虑到线路上的各种干扰及线路特性阻抗的匹配 由于工程环境比较复杂 现场常有各种形式的干扰源 所以485 总线的 传输端一定要加有保护措施 在电路设计中采用稳压管D1 D2 组成的 吸收回路 也可以选用能够抗浪涌的TVS 瞬态杂波抑制器件 考虑到线路的特殊情况 如某一台分机的485 芯片被击穿短路 为 防止总线中其它分机的通信受到影响 在75176 的 485 信号输出端串联 了两个20 的电阻R10 R11 这样本机的硬件故障就不会使整个总线的通 信受到影响 在应用系统工程的现场施工中 由于通信载体是双绞线 它的特性阻抗为 120 左右 所以线路设计时 在RS 485 网络传输线的始端和末端各应接 1 只 120 的匹配电阻 如图2 中 R8 吸收总线上的反射信号 保证正 常传输信号干净 无毛刺 匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当 当总线上没有信号传输时 总线处于悬浮状态 容易受干扰信号的影响 由于 RS 485 芯片的特性 接收器的检测灵敏度为 200mV 即差分输 入端 VA VB 200mV 输出逻辑1 VA VB 200mV 输出逻 辑 0 而 A B 端电位差的绝对值小于200mV 时 输出为不确定 如果 在总线上所有发送器被禁止时 接收器输出逻辑0 这会误认为通信帧的 起始引起工作不正常 解决这个问题的办法是人为地使A 端电位高于 B 两端电位 这样RXD 的电平在485 总线不发送期间 总线悬浮时 呈现 唯一的高电平 MCU 就不会被误中断而收到乱字符 将总线上差分信号 的正端A 和 5 电源间接一个10K 的电阻 正端 A 和负端B 间接一个 21 10K 的电阻 负端 B 和地间接一个10K 的电阻 形成一个电阻网络 当总 线上没有信号传输时 正端A 的电平大约为3 2V 负端B 的电平大约 为 1 6V 即使有干扰信号 却很难产生串行通信的起始信号0 从而增 加了总线抗干扰的能力 2 9 6 隔离光耦电路 在某些工业控制领域 由于现场情况复杂 各结点之间存在很高的共模电 压 虽然RS 485 接口采用的是差分输出方式 具有一定的抗共模干扰能力 但当共模电压超过RS 485 接收器的极限接受电压 即大于 12V 或小于 7V 时 接收器就再也无法正常工作了 严重时回烧毁芯片和仪器设备 解决 的办法是通过DC DC 将系统电源和RS 485 收发器的电源隔离 通过光耦 合器将信号隔离 彻底消除共模电压的影响 在应用系统中 由于要对现场情况进行实时监控及响应 通信数据的波特 率往往做得较高 通常都在4800 波特以上 限制通信波特率提高的 瓶颈 并不是现场的导线 现场施工一般使用5 类非屏蔽的双绞线 而是在与单片机系统进行信号隔离的光耦电路上 此处采用 TIL117 电路设计中可以考虑采用高速光耦 如6N137 6N136 等芯片 也可以优化普通光耦电路参数的设计 使之能工作在最佳状态 例如 电阻 R2 R3 如果选取得较大 将会使光耦的发光管由截止进入饱和变得较慢 如 果选取得过小 退出饱和也会很慢 所以这两只电阻的数值要精心选取 不同 型号的光耦及驱动电路使得这两个电阻的数值略有差异 这一点在电路设计中 要特别慎重 不能随意 通常可以由实验来定 2 9 7 RS 485 方式构成的多机通信原理 在由单片机构成的多机串行通信系统中 一般采用主从式结构 从机不主 动发送命令或数据 一切都由主机控制 并且在一个多机通信系统中 只有一 台单机作为主机 各台从机之间不能相互通讯 即使有信息交换也必须通过主 机转发 采用RS 485 构成的多机通讯原理框图 如图2 所示 图 2 采用 RS 485 构成的多机通讯原理框图 22 2 9 8 通信规则 由于 RS 485 通讯是一种半双工通讯 发送和接收共用同一物理信道 在 任意时刻只允许一台单机处于发送状态 因此要求应答的单机必须在侦听到总 线上呼叫信号已经发送完毕 并且没有其它单机发出应答信号的情况下 才能 应答 半双工通讯对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求 如果在时序 上配合不好 就会发生总线冲突 使整个系统的通讯瘫痪 无法正常工作 要 做到总线上的设备在时序上的严格配合 必须要遵从以下几项原则 1 复位时 主从机都应该处于接收状态 SN75176 芯片的发送和接收功能转换是由芯片的 RE DE 端控制 的 RE 1 DE 1 时 SN75176 发送状态 RE 0 DE 0 时 SN75176 处于接收状态 一般使用单片机的一根口线连接RE DE 端 在上电 复位时 由于硬件电路稳定需要一定的时间 并且单片机各端口复位后处于高 电平状态 这样就会使总线上各个分机处于发送状态 加上上电时各电路的不 稳定 可能向总线发送信息 因此 如果用一根口线作发送和接收控制信号 应该将口线反向后接入SN75176 的控制端 使上电时SN75176 处于接 收状态 另外 在主从机软件上也应附加若干处理措施 如 上电时或正式通讯之 前 对串行口做几次空操作 清除端口的非法数据和命令 2 控制端RE DE 的信号的有效脉宽应该大于发送或接收一帧信号的 宽度 在 RS 232 RS 422 等全双工通讯过程中 发送和接收信号分别在不同的 物理链路上传输 发送端始终为发送端 接收端始终为接收端 不存在发送 接收控制信号切换问题 在RS 485 半双工通讯中 由于SN75176 的发 送和接收都由同一器件完成 并且发送和接收使用同一物理链路 必须对控制 信号进行切换 控制信号何时为高电平 何时为低电平 一般以单片机的 TI RI 信号作参考 发送时 检测TI 是否建立起来 当TI 为高电平后关闭发送功能转为 接收功能 接收时 检测RI 是否建立起来 当RI 为高电平后 接收完毕 又可 以转为发送 在理论上虽然行得通 但在实际联调中却出现传输数据时对时错的现象 根据查证有关资料 并在联调中借助存储示波器反复测试 才发现一个值得注 意的问题 我们可以查看单片机的时序 23 图 3 串行口模式3 时序图 单片机在串行口发送数据时 只要将8 位数据位传送完毕 TI 标志 即建立 但此时应发送的第九位数据位 若发送地址帧时 和停止位尚未 发出 如果在这是关闭发送控制 势必造成发送帧数据不完整 如果单片机多 机通讯采用较高的波特率 几条操作指令的延时就可能超过2 位 或 1 位 数据的发送时间 问题或许不会出现 但是如果采用较低波特率 如 9600 发送一位数据需100 s 左右 单靠几条操作指令的延时远远不够 问 题就明显地暴露出来 接收数据时也同样如此 单片机在接收完8 个 数据位后就建立起RI 信号 但此时还未接收到第九位数据位 若接收地 址帧时 和停止位 所以 接收端必须延时大于2 位数据位的时间 1 位 数据位时间 1 波特率 再作应答 否则会发生总线冲突 3 总线上所连接的各单机的发送控制信号在时序上完全隔开 为了保证发送和接收信号的完整和正确 避免总线上信号的碰撞 对总线 的使用权必须进行分配才能避免竞争 连接到总线上的单机 其发送控制信号 在时间上要完全隔离 总之 发送和接收控制信号应该足够宽 以保证完整地接收一帧数据 任 意两个单机的发送控制信号在时间上完全分开 避免总线争端 2 9 9 软件的编程 485 芯片的软件编程对产品的可靠性也有很大影响 由于485 总线 是异步半双工的通信总线 在某一个时刻 总线只可能呈现一种状态 所以这 种方式一般适用于主机对分机的查询方式通信 总线上必然有一台始终处于主 机地位的设备在巡检其它的分机 所以需要制定一 套合理的通信协议来 协调总线的分时共用 这里采用的是数据包通信方式 通信数据是成帧成包发 送的 每包数据都有引导码 长度码 地址码 命令码 内容 校验码等部分 组成 其中引导码是用于同步每一包数据的引导头 长度码是这一包数据的总 24 长度 命令码是主机对分机 或分机应答主机 的控制命令 地址码是分机的 本机地址号 内容 是这一包数 据里的各种信息 校验码是这一包数据的校验标志 可以采用奇偶校验 和校验等不同的方式 在485 芯片的通信中 尤其要注意对485 控制端 DE 的软件编程 为了可靠的工作 在485 总线状态切换时需要做适当延 时 再进行数据的收发 具体的做法是在数据发送状态下 先将控制端置 1 延时 1ms 左右的时间 再发送有效的数据 一包数据发送结束后再延时 1ms 后 将控制端置 0 这样的处理会使总线在状态切换时 有一个稳定的工 作过程 程序流程框图 参见图4 其中 a 发送流程图 b 接收流程 图 TI 1 T SBUF Yes No Yes No RI 1 T SBUF Yes No Yes No a b 图 4 程序流程图 注 延时T 秒的取值 25 1 传送地址帧时 T 2X 1 波特率 可以选取T 2 5X 1 波特率 2 传送数据帧时 T 1X 1 波特率 可以选取T 1 5X 1 波特率 第三章 软件设计流程图 T0 3 T1 2 3 T1 Mode 1 Mode 3 Mode 4 Mode 2 Switch Mode 26 T0 No Yes T1 Yes No 主机定时中断采集时间并显示 主机定 时中断规定超时时间 27 key 2 key 1 key 4 key 5 key 7 key 6 key 3 Set 1 Set 8 Set 0 Yes YesYes Yes YesYes No Yes set 2 set 3 set 4 1 set 8 PWM set 1 Switch set set 5 1 set 6 2 set 7 2 Yes 主机键盘输入单元程序流程图 28 No No YesYes YesYes NoNo 主机支路时控模式流程图 29 0 No No No Yes Yes Yes 主