路灯监控系统的设计与实现.doc

本科毕业设计（2014届）题 目城市路灯监控系统的设计与实现学 院电子信息学院专 业电子信息工程班 级10041813学 号10041321学生姓名XX XX指导教师XX完成日期2014年6月诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文城市路灯监控系统的设计与实现均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日杭州电子科技大学本科毕业论文摘 要随着社会经济的不断发展，城市路灯，作为城市建设的标志性之一，其改革创新层出不穷。大众所追求的不仅仅是单一的照亮环境，赶走黑暗这一基本目标，在提倡绿色消耗，低碳消耗的当今社会，如何保证在满足路灯使命的前提下尽量减低功耗又是每一个路灯设计者不可回避的问题。本文主要介绍模拟城市路灯监控系统的各部分工作原理，包括硬件部分以及软件部分，讲述各部分主控芯片及外围器件的工作过程及原理，讲述系统最终的调试与实现。以光敏电阻、光电开光联合组成传感器感应部分，以89C52单片机作为控制部分，大功率LED灯作为路灯，SN3350作为LED灯的驱动装置，1602液晶显示屏作为显示装置。传感器控制路灯的开启与关闭；对路灯事先进行编号，系统能及时将损坏路灯的信息反馈到控制器，并显示；本模拟设计有暗到亮共5个等级可调，调控原理采用PWM调节LED的驱动器SN3350。系统经过最终调试，基本达到了预期要求，实现了自动传感感应、亮度5级可调、故障自动报警检测等目标。关键词：路灯监控；光电传感；功率调节；故障检测；LED驱动AbstractWith the continuous deVelopment of social economy,urban street lamp, as one of the iconic city construction, reforms and innoVates all the time.Peoples pursuit is not just that the lamp can light up the enVironment and get rid of the dark.In todays society,green consumption and low carbon consumption are adVocated and how to make sure to reduce consumption as far as possible on the premise of street lamps mission is an unaVoidable problem for eVery street lamp designer.This paper mainly introduces the working principle of each part,including the hardware part and software part,illustrates the working process and principle ofthe main chip andperipheral deVice,illustrates the final assembly and implementation of the system.Two kinds of sensors, photosensitiVe resistance and photoelectric medallion as the induction part, 89 c52 MCU as the control part,high power LED lights as the street lamp,SN3350 as the LED driVe deVice,1602 LCD screen as the display deVice.Street lamps are numbered in adVance.In order to maintenance timely,when one street lamp damaged, the monitoring system can feedback to the controller timely and the lamp number is displayed on the LCD screen.Whenthe street lamps work normally,we can ADJust the brightness of the lampaccording to the actual need.From dark to light ,this simulation design has a total of 5 ADJustable leVel .The method is using PWM to control LED driVe SN3350.After commissioning, the system reached the anticipated goal eVentually and achieVed the goal of automatic induction，5 leVel ADJustable brightness and automatic alarm detection.Key words: Street lamp monitoring；Photoelectric sensor；Power regulation；Detect fault；The LED driVer目 录1 引言11.1 城市路灯监控系统的国内外发展及现状11.2 本课题的主要研究内容11.3 本课题的研究目的与意义22 路灯监控系统的整体设计42.1 路灯监控系统的设计流程42.2 路灯监控系统的目标任务53 系统硬件电路设计63.1 单片机最小系统设计63.2 传感器电路设计73.3 功率调节电路设计83.4 故障检测电路设计93.4.1 故障信号采集93.4.2 故障信号处理103.5 LED驱动电路设计113.6 显示电路设计134 系统软件设计154.1 系统软件总体流程154.2 基于PWM的调光程序设计164.3 基于外部中断的检测程序设计184.4 液晶显示程序设计195 系统硬件的制作与组装215.1 系统PCB设计215.2 系统PCB制作225.3 系统焊接与组装236 系统调试246.1 传感器部分调试246.2 LED亮度等级调节246.3 模拟路灯故障的调试257 结论27致谢28参考文献29附录30附录一：系统原理图（全）30附录二：控制板PCB图30附录三：驱动板PCB图311 引言1.1 城市路灯监控系统的国内外发展及现状城市路灯照明系统，作为城市公共设施，其建设与发展程度对人民生活质量和道路交通安全起着举足轻重的作用，随着科学技术的不断进步和智能化、网络化水平的不断提高，城市路灯照明系统也得到了前所未有的改善。从新中国建设至今，电能的普及给国家社会，企业个人的发展带来了前所未有的机遇，提供了有力的动力支撑。于此同时，在全民积极投身共产主义建设的步伐节奏下，公共设施的建造与改善成为了新时期的重头戏。而城市路灯，作为城市的夜明珠，其建设步伐对整个城市的影响起着至关重要的作用。经济的发展，生活水平的提高使市民不仅仅满足于路灯能驱赶黑暗，照亮夜间这一基本的使命，更希望路灯能给人们带来视觉上的享受，心理上的满足。谈到路灯建设，我们不可回避的想到能源的问题，特别是进入21世纪以来，环境的破坏，资源的匮乏使新时期的人们更加意识的了生存环境带来的紧迫感。鉴于此，我们更希望在满足人们基本需要的前提下尽可能的降低能源的损耗。在路灯系统的建设初期，主要依靠人工来实现对路灯的控制，包括路灯的开启与关闭，路灯的巡检等。这就带来的一些列的问题，人力资源的浪费，路灯开启关闭时间的准确性问题，损坏路灯的及时检修问题等都是一些列的考验。后来随着控制技术和传感技术的不断进步与发展，光电转换的传感器运用到了路灯控制系统，解决了人工开启关闭路灯的繁琐步骤，但是损坏路灯的及时检测仍然是摆在面前的一大问题。再后来，智能化与自动化水平进一步提高，无线技术得到了空前的发展并逐渐运用在了路灯控制系统上。我国目前最新研究的路灯综合监控系统包括监控中心服务器、多个节点控制器、集中控制器和高效智能高压钠灯；本实用新型结构设计巧妙，能通过无线网络来远程化实时对城市路灯进行综合监控，工作人员无需到现场便可得知路灯工作情况，为管理提供方便，提高路灯日常管理的工作效率，有效地降低城市建设与维护成本，提高城市公共设施质量。另外，通过控制中心能够对路灯的电流电压等各种参数进行即时管理，保证电力终端电能质量，提高节能减排效率，采用无线监控技术及高效节能技术，大幅度地降低城市公共事业维护开支。经过检验检测表明，可在改造前能耗基准之上实现节能40-65的目标。1.2 本课题的主要研究内容本次课题设计主要是以单片机作为控制中心加以必备的检测、驱动电路来模拟路灯的监控系统，考虑到具体的实际设计情况，本课题将主要对以下内容进行试验设计研究：科技的不断进步创新使得新兴LED灯不但具有亮度高，寿命长的优势，更具有效率高，节能好的亮点。本设计正是以此为契机，结合传感技术、控制技术、检测技术等，设计模拟城市路灯监控系统。控制核心采用了我们熟悉的89C52单片机，传感部分是由光敏电阻和光电开关联合组成，另外，本系统还设计具有LED驱动、PWM自动调光、故障自动检测报警等装置。最终通过系统的组装调试，基本实现了城市路灯监控系统的模拟，实现了路灯的智能化控制。该系统设计由单片机控制、传感器感应、恒流源输出、检测控制显示和路灯亮度调节等5大模块构成。其中，控制器选用l片89C52单片机担任中心控制器，其外围电路比较简单，作为我们熟知的单片机，它可靠性能高，抵抗外界干扰的能力比较强，并且价格相对比较便宜，长期工作能耗低，非常适用于本系统的控制。采用光敏电阻，光电开关联合作为传感器感应模块的重要传感元件。在每个路灯位置处分别放置光敏电阻和光电开关装置，事先可以设定传感亮度的感应程度（也就是外界环境黑暗到如何程度才会使路灯开启），当外界环境有亮转暗，且有物体经过这些点时，光电开关发射的光被物体遮挡，其输出引脚发生电平转换，经传感处理电路处理分析后，送到单片机，单片机会对这两组信号进行联合分析判断，进而控制路灯开启或关闭。LED的驱动电路主要应用了目前市场上比较流行的主控芯片SN3350，它外围设计电路比较简单，具有恒流的特性，效率高，驱动能力强，能较好的满足本系统设计要求。恒流源芯片SN3350的3引脚为PWM输入端，这是设计好本系统的一个利用关键点，我们可以通过单片机输出不同占空比的PWM波，从而控制SN3350的输出电流，进而控制路灯的输出功率。当物体离开路灯，根据具体环境情况可以设置路灯持续点亮的时间，如果这一阶段没有物体再次经过，路灯最终将熄灭，达到节能的目的。 自动检测故障报警装置可用于及时发现出现问题的路灯，并在液晶屏上显示出路灯的编号，以便于工作人员及时整改维修。1.3 本课题的研究目的与意义路灯监控系统长久以来得到了许多研发设计者的不断改良，现阶段日趋成熟。本次课题的研究主要是考虑到LED灯作为新型节能灯具，有望在路灯系统中得以广泛普及。鉴于此，设计以SN3350作为LED灯驱动芯片，以89C52单片机作为控制中心来模拟一组路灯系统的工作状况，使得路灯在兼顾智能化的同时更加兼顾节能化。虽然相对于现在普及的高压钠灯等路灯来说，LED灯还具有许多不足，但随着LED研发的不断进展与创新，其在路灯领域的应用将得到大的发展。目前，新型LED灯具高效节能、环保、长寿命、安全、不伤眼、应用灵活、无蚊虫烦恼、开光自如、电压波动影响小、没有电磁干扰等诸多优势，因此，研究以此为背景的路灯监控系统是一个非常有意义的课题。2 路灯监控系统的整体设计本文主要介绍模拟路灯监控系统的系统组成以及各部分工作原理，系统以89C52单片机为控制中心，以光敏电阻和光电开关为传感感应器件，配以低功耗高亮度LED灯珠以及输出可控PWM恒流源的SN3350组成。传感信号信号的采集处理以及故障信号的采集处理主要运用了电压比较器，例如LM339在本系统中有所运用。为了使读者更清晰的了解整个系统的工作情况，现将系统的整体设计流程以及最终实现的任务目标做进一步详细的描述。2.1 路灯监控系统的设计流程在整个系统的设计过程中，为了有更明确的设计思路与目标，首先要有一张大概完整的流程设计图，如图2-1所示；然后根据流程图的流向分步骤进行整合设计。考虑到实际路灯的工作情况以及最终要完成的设计目标，现将各部分工作原理进行简单描述，以此建立一个完整的系统概念。具体各部分的工作情况将在文章第3部分做最详细的描述。图2-1 系统整体框图光敏电阻和光电开关联合组成整个系统的传感器感应部分。当外界环境变暗，光敏电阻光电转换，阻值变大，经信号处理电路采集处理后传送到单片机。光电开关目的在于采集通过路灯的物体这一信号，当有物体经过路灯时，光电开关打开，经信号处理电路传送到单片机。到外界环境黑暗达到一定程度时，单片机接收到开启路灯的信息，如果与此同时物体经过路灯，路灯将被控制点亮。具体外界环境达到如何黑暗程度才能点亮路灯，这一信息可以通过传感部分进行调节。正如前面所讲，本设计想在长时间没有物体经过路灯时使部分路灯熄灭以达到节能的目的，这一目标的实现也在传感部分实现，且这一具体的时间也可以根据具体情况进行调节。恒流源输出部分采用SN3350作为主控芯片，本芯片有一大亮点就是可以通过输入不同占空比的PWM波来调节其输出电流。鉴于此，通过单片机设定输出不同占空比的PWM波即可以方便的控制路灯的亮度，进而根据具体情况实现路灯功率的调节。亮度调节部分采用外部中断，通过+、-两个按键对LED路灯进行照明亮度的调节，设有由暗到亮5个亮度等级可调。故障检测是在路灯正常照明状况下突然出现某一LED路灯损坏时，经故障信号处理电路采集这一信号并进行简单处理后送到单片机，使单片机及时输出路灯损坏的编号。本设计模拟三组路灯工作照明，每组路灯有三盏LED灯组成。查阅资料可知，高功率LED灯在损坏时内部处于短路状态，为此，实验时在LED灯旁加三组按键模拟路灯损坏短路。LCD液晶显示用于显示损坏路灯的编码，以便及时对路灯进行维修，在路灯正常工作状态下用于显示此时路灯的亮度等级。2.2 路灯监控系统的目标任务对于一个正常工作的路灯系统来讲，首先必须保证的是在有感应信号时及时点亮路灯，如果这一基本任务完成不了，后面的设计将无任何意义。然后才能考虑路灯功率的调节，损坏路灯的自动检测，这使得路灯监控系统更加智能化和实用化。综合这些，本次模拟路灯监控系统需要实现的目标任务可概括为以下几点：（1）在天色变暗且有物体通过时，路灯自动开启且延续5秒高亮，直到再次物体通过，系统重新执行此过程，否则路灯熄灭；（2）路灯持续点亮的时间可调，驱动LED灯点亮的环境黑暗程度可调；（3）系统可以自动检测损坏的LED路灯，并且按照之前路灯编号即刻显示在LCD液晶屏上；（4）系统在正常工作状态下显示路灯的亮度等级，以便观察调节；（5）可以根据具体环境要求通过按键调节LED灯珠的最大功率，实现亮度有暗到亮5级可调；（6）LED灯采用高亮节能的照明灯，整个系统采用5V、9V两路供电。通过上面的介绍，可以对整个系统的框图及工作过程有了大体上的了解，对最终实现的目标任务也有了明确的认识，接下来就要对整个系统的各个部分进行详细的讲述，这一部分是电路设计的核心所在，也是接下来系统制作与组装的原理支持。对下一部分的讲述，将从硬件和软件两部分分别展开叙述。3 系统硬件电路设计本设计模拟城市路灯监控系统，虽然是在相对稳定的环境下进行一系列路灯状况的模拟试验，但实际应用操作中必须要考虑到路灯这一角色的特点。路灯必须长期处于外界环境的时刻变化之中，经受诸多的环境改变的考验，诸如温度，湿度，电压波动等。这就要求路灯设计者必须考虑到建立起良好的路灯监控系统的硬件支持。本设计模拟路灯监控系统，为叙述条理便捷，将分模块进行讲述。根据实际设计电路，将该路灯监控系统分为传感器部分、功率调节部分、输出显示部分、控制部分、故障检测部分和驱动部分六大部分，下面将分别对每一部分电路原理及所用核心器件进行讲述。3.1 单片机最小系统设计本设计的控制部分采用89C52单片机，它是整个系统条例有序工作的核心所在，所有的外围设施都是在其周围所搭建。在本设计中，单片机不仅要对处理后传感器信号进行进一步分析处理，外部功率的调节，故障信号的处理，LCD液晶的显示，PWM波的生成都需要单片机有条不紊的工作。因此，控制部分的电路必须稳定可靠。89C52单片机是我们非常熟悉的且应用非常广泛的一种单片机，是一种高性能、低功耗的CMOS 8位微控制器，具有8K的可编程Flash存储器。89C52单片机最小系统如图3-6所示。一个简单的单片机最小系统需要由供电电源、振荡电路和复位电路所组成，供电电源采用5V直流电源供电，本设计中应用了典型的7805芯片产生5V电压，这一部分电路相对比较简单且不属于本设计必须内容，所以在此不在详细叙述。振荡电路是在在单片机的内部有一个高增益反向放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成一个稳定的自激振荡器。电路中的电容一般取30PF左右，在本系统中使用的12MHz。系统的复位电路设计为简单的上电自动复位形式，在刚给单片机上电后，由于电容两端电压不能跳变，单片机复位端为高电平，之后电容开始通过10K电阻充电，复位端逐渐变为低电平。图3-1 89C52单片机最小系统3.2 传感器电路设计正如前面所讲，本系统采用光敏电阻和光电开关两种传感器联合组成电路的传感部分。光敏电阻负责采集外界环境的亮度变化，本系统采用的光敏电阻为国产5506型号，其亮电阻为2-5K欧姆，暗电阻0.2M欧姆左右，可以在-3070摄氏度外界环境下工作。实验过程中将其与100K滑动变阻器串联成分压电路。其工作原理如图3-1所示。电路中，LM339作为电压比较器，它的输出端是集电极开路，发射极直接接地的，因此在其输出端接上10K电阻上拉到5V电源以保证其正常工作，其供电电压为5V，负输入端输入两个电阻的分压电压值：5V（160/207）=3.86V；正输入端为光敏电阻和滑动变阻器的分压电压值，当外界环境变暗，光敏电阻阻值变大，其分压增加，当光敏电阻分压超过3.86V时，电压比较器输出电压由接近0V转变为近似5V；对后续电路来讲，即由低电平变为高电平，此即完成了光敏电阻的传感转换，调节滑动变阻器的阻值，可以轻松的改变此转换电路对外界环境亮暗感应的灵敏度。图3-2光敏电阻传感原理图光电开关采用漫反射PNP常闭型光电开关E3F-DS30C2，其工作温度为-3065摄氏度，系统设计时为其5V供电，当有物体经过其时，观点开关导通，输出5V电压，平时没有物体经过时，处于常闭状态，输出0V。光电开关作为传感部分的原理如图3-2所示。为了使得后续电路得到稳定的高低电平的变化信号，光电转换部分同样运用了电压比较器。LM339负输入端输入10K固定电阻和10K滑动变阻器的串联分压，分压值0到2.5V可调。同向输入端为光电转换的信号输入端，在此输入端之前加入了RC放电延时电路，其作用是为了在物体经过光电开关后能使路灯持续点亮一段时间，时间常数为rc=11秒，二极管D1起着单向导电的作用，防止放电电流回流到光电开关内。当RC放电电路的电压高于负输入端的电压时，电压比较器即输出高电平，平时处于低电平状态。调节滑动变阻器，即调节负输入端比较电压，既可以方便的改变持续点亮路灯的时间。图3-3 光电开关传感原理图3.3 功率调节电路设计本设计LED灯亮度有暗到亮共5级可调，调节部分采用“+、-”两个按键分别作为调亮和调暗按钮，控制方式采用外部中断。由于所采用的52单片机只有两个外部中断，而接下来所要讲述的故障检测部分也需要运用外部中断，考虑到中断源有限，本设计采用了硬件申请软件查询的方式来扩展了部分中断源。功率调节电路如图3-3所示。74LS21为两路四输入与门，功率调节部分由于只需要两路输入，因此A3、A4悬空状态，A1、A2分别连接功率调节按键，当“up”或“down”按键被按下时，A1或A2被拉低，与门输出由高电平转变为低电平，这一电平转换信号接到单片机的外部中断0接口P3.2，产生外部中断，同时，由于“up”按键接到P1.3，“down”按键接到P1.4，这样再由中断服务程序内查询是调亮还是调暗。本设计采用四输入与门而没有采用二输入与门是考虑到接下来的故障检测部分仍然需要此四输入与门芯片。图3-4 功率调节原理图3.4 故障检测电路设计故障检测部分是本设计的一个重点环节，也是一个难点环节，因为这一部分需要考虑的问题特别繁多。首先要想路灯高效高质工作，就必须保证路灯在损坏状况下及时进行自动报警以便维修，而现阶段很多路灯系统并没有做到如此。唯有及时准确的反馈回故障信息才可能使得路灯系统更加完美。而另一方面，路灯检测困难重重，因为我们事先不能确定到底是什么原因使得一盏路灯不正常工作了。可能是灯泡损坏，可能是线路损坏，可能是电源问题，可能是驱动控制部分问题，而对不同问题的检测往往要采用不同的形式。如果对于每一种形式都要设定一定的检测电路来监控路灯的工作状态，其成本损耗和正常的功率消耗又不得不是一个必须要考虑的问题。在本故障检测部分，将分为故障信号采集和故障信号处理两方面进行说明。3.4.1 故障信号采集本设计模拟以LED灯作为路灯的监控系统，所以不可能将整个系统长期置身于外界环境中观察其工作状态，另一方面，相对于持续工作的LED灯，线路、电源或系统的损坏几率要低得多，在查阅一定资料分析后发现，高功率LED灯在持续工作时是有烧坏的可能的，而且其损坏后内部处于短路状态。这也是我们平时很容易见到的现象，例如串联在一起的LED灯有几盏损坏，而其他仍然明亮，这是损坏的灯内部短路了，而并非断路，否则所有的灯将都会熄灭。综合上面的分析，本设计模拟3组路灯，且每组路灯有3盏LED灯组成，模拟电路图如图3-7所示。路灯损坏假设是损坏概率比较大的LED灯出故障，为了检测故障时可否及时将损坏路灯的编码反馈到显示屏，实验时在每组路灯的一盏LED灯旁并联了一个开关按键用以模拟路灯损坏，内部短路。图3-7 模拟三组路灯工作图LED驱动电路恒流输出点亮三组LED路灯，恒流输出部分将在驱动部分进行说明，电路图中三组两个20K电阻串联用于采集正常工作时每组LED灯到地的电压值，这一电压值非常有意义，它是能否准确断定有没有LED灯损坏的重要参数。输出的三个电压值通过端口ABC送到后续检测信号处理电路。驱动电路采用9V电压供电，通过实验发现，每组LED路灯正常工作时，其到地的电压为8V左右，而当有一盏LED灯短路损坏后，这一电压降降到6V左右，而其他正常工作的路灯电压仍为8V左右，这个电压变动即为采集到的故障信号。由于是两个20K电阻串联分压，所以一旦有一盏灯出现故障，输出采集信号电压将有4V变为3V左右。接下来的任务就是对每一组灯的故障信号进行处理，然后根据路灯编号将信息输出到显示屏。3.4.2 故障信号处理如何将采集到的信号变动准确无误的进行处理并传送到控制器是故障信号处理部分的所要说明的重点内容。正如前面所叙述，当有一盏LED灯出现故障时，采集电压值将有4V变到3V左右，对于这个电压变动，想要以准确的数字信号的形式传送到后续单片机进行处理，电路设计时继续采用了前面所用的电压比较器，只是负输入端的比较电压设置在这两个电压值之间。对于如何准确辨析出具体是哪一盏路灯出现故障，设计时仍然采用了硬件申请中断软件查询的方式。具体电路原理图如图3-8所示。在本设计电路中，电压比较器仍然选用LM339，正如前面所述，LM339输出为集电极开路，发射极接地，所以仍然需要在其输出端分别接10K电阻上拉到5V电源，三个比较器的负输入端口接有分压电阻分压值，其电压值为5V（47/67）=3.5V。这样，在系统正常工作时，由于A、B、C电压都为4V左右，所以三个比较器的输出都为高电平，当有某盏LED灯损坏，例如A，其电压降为3V左右，则电压比较器发生电平转换，变为低电平。后续电路74LS21为四输入与门，B2、B3、B4分别接到电压比较器的输出端口，B1通过按键RE连接到地。按键RE的作用是模拟人机信息交换，即在发现路灯损坏并进行维修过后，给系统一条维修完毕的信号，使警告信息及显示屏清楚，恢复正常工作。图3-8 故障信号处理电路经过与门后，只要有LED灯损坏，Bout端口将由高电平跳为低电平，这一电平转换对后续单片机来讲即产生了中断信号申请，单片机相应中断进入中断服务程序，在中断服务程序内将发出故障警告信号并查询具体是哪一盏路灯出现故障，及时在LCD液晶显示。同样的道理，按键RE也是通过中断在中断服务程序内撤销警告，使系统恢复正常工作。3.5 LED驱动电路设计LED驱动部分主要运用了驱动芯片SN3350。在这里首先对这款芯片进行简单的说明。SN3350是一款电感电流连续模式降压型驱动芯片，适用于电源电压高于一颗或一串LED所需电压的应用场合。芯片的输入电压范围为6V至40V，输出电流最高达750mA，输出功率高达30W。SN3350内部集成功率管，采用高位电流检测，可以通过外部电阻设置平均工作电流。输出电流还可以通过在ADJ引脚加控制信号来设置。ADJ引脚可以接受的控制信号有直流电压或者PWM信号。本设计是通过单片机产生不同占空比的PWM信号来调节输出电流。下图3-9为电路设计所运用的SN3350，其封装为SOT23-5，通过表3-2对SN3350各引脚加以说明。图3-9 SOT23-5封装的SN3350表3-2 SN3350引脚描述引脚名称引脚序号描述LX1功率管漏极GND2接地引脚ADJ3多功能开关/亮度控制脚：*引脚悬空工作在普通模式。(普通模式下VADJ=VREF=1.2V，工作电流IOUTnom=0.1/RS)*通过不同占空比的PWM信号来控制输出电流Isense4通过在这个引脚和VIN之间加电阻RS，可以计算普通模式下的平均输出电流IOUTnom=0.1/RSVin5输入电压(6V到40V).须在该引脚就近接一个1F或者更大的X7R电容到地。本设计为SN3350供电电压为9V，其3引脚ADJ接到单片机P1.2端口，通过单片机输出不同占空比的PWM波来控制SN3350的输出电流，进而控制LED灯的输出功率。图3-10 LED驱动电路 LED驱动电路SN3350的连接电路图如图3-10所示。对这个驱动电路，需要以下几点需要说明。首先是0.1u的电容Cb，它接在输入电源与地之间，但这并非仅仅是简单的电源滤波电容，其目的还是为了提高芯片的恒流性能，因为该芯片MOS管的反应速度设置的比较快，因此，该芯片的地线很容易就会出现高频跳动，这个电容可以很好的稳定芯片的地线，它是保证芯片正常稳定工作所必须的。在布线时，该电容两端到芯片的引脚要尽量简短。其次，电流检测电阻Rs的两端到芯片的距离要尽量的短，太长容易耦合太多的噪声而影响电流精度。再次，Ca为PWM信号的滤波小电容，这个电容并不是设计所必需的，要结合具体的应用环境，如果输出的PWM信号端到SN3350的3引脚距离比较长，那么在PWM信号传输过程中，很容易就会耦合进入一些高频噪声，这时通过这个滤波小电容进行滤波，避免使得SN3350误动作，当然，如果距离并不长，信号传输线质量高，这个小电容完全没必要加入，本设计因为要板与板之间通过导线进行连接，因此加入了100pf的Ca。最后，需要说一下电容Cc，它是输出电容，能够抑制输出电流的文波，该电容是不能省略的，因为过大的文波会影响LED灯的寿命，通常设置该电容几微发，本电路该电容4.7uF。本设计采用PWM调光，PWM的信号频率不得小于100Hz，否则我们会察觉到灯光微微抖动的现象，但是频率也不能太高，如果超过1kHz，则调光跳变就会变得不够理想，本设计PWM频率为200Hz，调光渐变较柔和。3.6 显示电路设计监控系统的输出显示以及报警显示部分采用LCD液晶显示器，相对于传统的七段数码管显示，它更加美观方便，显示内容更加多样化。其外观如图3-4所示：图3-5 1602液晶显示器要想成功的通过单片机驱动起LCD1620，首先必须要知道1602各个管脚的功能意义，然后才能根据具体的液晶驱动说明编写驱动程序，表3-1详细说明了各引脚情况。表3-1 1620引脚功能介绍第1脚VSS 电源地第9脚D2双向数据线第2脚VDD +5V电源第10脚D3双向数据线第3脚VEE 液晶显示偏压信号第11脚D4双向数据线第4脚RS 数据/命令选择端第12脚D5双向数据线第5脚R/ W 读/写 选择端第13脚D6双向数据线第6脚E 使能端第14脚D7双向数据线第7脚D0 双向数据线第15脚BLA 背光源正极第8脚D1 双向数据线第16脚BLK 背光源负极1602在与单片机之间的连接也是比较方便的，可以将数据指令端直接与单片机的I/O口连接而无需其他的转换芯片。在引脚3上，我们接一个10K的滑动变阻器到地，它是液晶的对比度调节端，通过这个滑阻，我们可以方便的调节出理想的显示对比度，使其具有最佳啊的显示效果；15引脚是背光源正极，使用时可以直接接到工作电源上，这里接有一个10欧姆的电阻限流一下，目的是使得液晶不要过于明亮，4端口是数据/命令选择端，6端口是使能信号，这两个端口连接到单片机I/O口，通过单片机不同的指令来显示出需要显示的信息。5端口是读写选择端，由于本设计仅仅涉及向1602内写入指令而不从里面读取信息，因此直接将其接地使其一直工作在写选择端。1620与单片机的连接电路如图3-5所示。图3-6 1602液晶的连接电路至此为止，硬件设计的说明基本结束，通过上面的介绍可知还有很大一部分内容需要单片机软件来处理实现，接下来的部分将叙述软件程序的设计。4 系统软件设计通过对硬件部分的介绍可以知道要想使系统稳定高质的工作，软件的控制十分的重要。程序的编写一方面要求尽可能简洁清晰，另一方面还要保质保证完成其使命任务，配合好硬件工作。对硬件部分的分析可知，程序要完成的任务无外乎三大部分，一是准确输出可控PWM波；二是及时接受外部中断申请，做好中断服务；三是驱动LCD液晶显示屏。4.1 系统软件总体流程根据硬件电路的设计，软件部分首先要对单片机的引脚进行准确的分配，然后本设计用到了定时器0，外部中断0，外部中断1，所以还要对相应的控制寄存器进行准确的配置，这一部分在进入主程序后需要立刻执行完成的。再然后需要对LCD液晶驱动进行初始化，使其等待工作显示，最后入程序死循环内监控路灯状态，驱动路灯控制器.图4-1 系统程序设计总体流程系统流程如上图4-1所示，对于光敏电阻和光电开关这两个信号，单片机始终处于查询状态，一旦两个信号中有一个消失，都不能输出PWM波，路灯将不能被点亮。当这两个信号同时有效的时候，程序继续执行，通过定时器0工作在工作方式2下输出PWM波，且占空比可以通过调节在一定中断数量下高电平所占有的数量来改变，具体调节方式将在下一部分说明。当系统在正常工作的时候如果接收到了外部中断的信息，例如故障信号或功率调节，程序将转向中断服务程序，执行完中断服务程序后再跳回主函数继续执行。这里需要注意一点是由于定时器0的中断优先级要比外部中断1高，而定时器0一直在工作，所以当外部中断1产生时很可能被定时器0打断，考虑到这个原因，我们设置外部中断1的优先级为1，使其不被定时器0打断，保证了在有故障信号产生时能及时进入中断执行中断服务程序。下面将分部分对系统软件设计部分进行详细叙述。4.2 基于PWM的调光程序设计本设计PWM波是通过单片机的定时器0工作在工作方式2下通过中断产生的。在此首先说明一下与单片机定时器相关的信息。89C52单片机内置两个定时器，即定时器0和定时器1。每个定时器又有四种工作方式，每种工作方式都有其各自的工作特点，具体可以通过下表4-1进行了解。表4-1 定时器/计数器工作方式选择表M1 M0工作方式功能说明0 0方式013位计数/定时器0 1方式116位计数/定时器1 0方式28位自动重装初值计数/定时器1 1 方式3T0分成两个独立的8位计数/定时器；T1此方式停止计数TCON寄存器不仅参与中断控制，而且参与定时控制，有关定时的控制位共有4位。TCON控制寄存器各位内容及位地址表示如下表4-2：表4-2 TCON控制寄存器各位内容及位地址位地址8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H位符号TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0其中与系统设计中与定时器0有关的是TR0，当TR0=0时，定时器停止工作；当TR0=1时，开启工作。TMOD寄存器用于设置工作方式，他不可以位寻址，只能用字节来传送指令，字节地址为89H，其各位定义如下表4-3所示：表4-3 TMOD位序及位符号位序D7D6D5D4D3D2D1D0位符号GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0GATE是门控位，当其值为0时且同时使得TR0设置为1，则定时器0启动工作；C/T是计数或定时方式选择位，当其值为0时，选择定时工作方式；M1 M0是工作方式选择位，正如表4-1所示，因为本设计所选用工作方式2，因此M1M0为10。现在详细说一下方式2是如何工作的，它相对于方式0和方式1来说，最大的好处是具有自动重新加载功能。在这种工作方式下，将计数器分成两部分：用TL作计数器，TH作预置计数器。TL计数溢出后，预置计数器TH便以硬件的方法自动给计数器TL加载。系统设计时，C/T=0，作定时器使用，定时时间的计算公式为：定时时间=（256-计数初值）机器周期，本设计使用晶振为12MHz，计数初值选择206，则一次定时时间为50us。这样在中断服务程序内，设置每个PWM波由100次中断组成，其周期则为50us100=5ms，频率为200Hz。在调光等级设置中，就是设计不同等级具有的占空比不同。本设计采用5个调光等级，分别是占空比为5%、20%、40%、70%、99%。为了方便通过按键调节，程序中选用了switch-case语句，下面是部分核心程序代码：Void timer0( ) interrupt 1m+;switch(m) case 5: aa=0;break; case 20: bb=0;break; case 40: cc=0;break; case 70: dd=0;break; case 99: ee=0;break; case 100: aa=1;bb=1;cc=1;dd=1;ee=1;m=0;break; default: break; Void PWMout( )switch(kim)case 1:PWM_out=aa;break;case 2:PWM_out=bb;break;case 3:PWM_out=cc;break;case 4:PWM_out=dd;break;case 5:PWM_out=ee;break;default:break;通过在调光中断程序内给定不同的kim值，既可以实现不同占空比的PWM波的输出，进而实现LED灯功率的调节。4.3 基于外部中断的检测程序设计本设计在功率调节和故障检测部分都应用到了单片机的外部中断，正如前面所叙，该系统总共需要6个外部中断，而89C52总共有3个外部中断源，中断数量不够，因此通过了一个双四输入与门来实现硬件申请中断软件查询的方式。在介绍外部中断的实现之前，先来了解一下该单片机的外部中断。如表4-2，TCON也有中断控制功能，IT0和IT1是外部中断请求信号触发方式控制位，若为0，则信号为电平触发方式，低电平有效；若为1，则为脉冲触发方式，负跳沿有效。本设计都设置为0，也即电平触发方式。具体调光程序流程图如图4-2所示。当功率调节的按键“up”或“down”被按下时，即产生了低电平，产生中断，进入中断处理函数，判断是调高功率还是调低功率，中断执行结束后退出中断。 图4-2 调光程序流程 故障检测及恢复流程图如图4-3所示。这一部分应用了单片机的外部中断1，当任何一组灯出现故障或人机交换复位信息RE按键被按下时，根据硬件电路设计都会产生一个低电平信号触发中断产生，进而进入中断处理子程序。在子程序内，查询具体是哪一组灯出现故障或者是要求显示复位信息。图4-3 检测及恢复流程图因为定时器和外部中断都需要中断控制，它们都需要在中断允许控制寄存器IE的控制下工作，在中断介绍的最后对此寄存器做一下说明。IE的内容及位地表示如下表4-4所示。现就本系统所应用的中断源作简单叙述：EA是中断允许总控制位，清零表示所有的中断请求都被禁止，置一后再看其他中断源的允许与禁止；EX0或EX1清时代表禁止外部中断，置一时代表允许外部中断；ET0清零时代表禁止定时器0中断，ET0置一时表示允许定时器0中断。由于本设计需要使用外部中断0、外部中断1和定时器0，所以本设计在主函数寄存器配置时EA=1;ET0=1;EX0=1;EX1=1;。表4-4 IE的位地址及位符号位地址0AFH0AEH0ADH0ACH0ABH0AAH0A9H0A8H位符号EA-ESET1EX1ET0EX04.4 液晶显示程序设计系统控制器对LCD1602的操控本质上就是对1602控制器的控制，LCD内有多个寄存器，我们主要是通过厂家的液晶说明来操纵它的RS和R/W，也就是4引脚和6引脚，然后配合使能端6进行信息的交换显示，具体选择情况见表5-6。由于本设计只往LCD上写入数据，不从上面读取数据，所以R/W选择端在硬件设计时直接将其接地了。表5-6 TS1620内部寄存器选择表RSR/W寄存器及操作00指令寄存器写入01忙标志和地址计数器读出10数据寄存器写入11数据寄存器读出图4-2 1602读操作时序对1602驱动程序的编写，要在了解指令说明后根据操作时序结合时序参数来进行，由于每个厂家生产的1602液晶显示器不尽相同，其驱动时序参数也不尽相同，所以不可以以一概全，必须结合相应的说明书来进行程序的编写。本实验设计所采用的1602的读操作时序如图4-2所示，为了使得程序的书写和识读方便，结合1602本身的特点，在程序编写时构造了两个子函数，一个是LCD读取指令的函数，一个是读取数据的函数，这样在向LCD1602写入信息时，只需不断的调用这两个函数就好了。两函数如下所示：Void write_com(uchar com) /写指令 LCDrs=0; delay1m(2); P2=com; LCDen=1; delay1m(2); LCDen=0;Void write_data(uchar date) /写数据 LCDrs=1; delay1m(2); P2=date; LCDen=1; delay1m(2); LCDen=0; 5 系统硬件的制作与组装当我们把整个系统的设计原理搞清楚，软件仿真成功后就要考虑系统硬件的制作与组装。根据系统的模块划分，基本上可以将硬件部分分成控制板、驱动板和LED路灯板这三部分来制作。其中控制板上主要包括传感信号处理电路、故障信号处理电路、单片机最小系统、功率调节电路等；驱动板主要是围绕SN3350所组成的驱动电路；LED路灯板主要包括三组LED路灯以及相应的模拟路灯损坏装置。在每块电路板上都有相应的电源接口以及板与板之间的接口，他们通过导线连接。下面将详细介绍具体的制作与组装过程。5.1 系统PCB设计当我们把一个电路的原理图设计完成后，接下来的任务就是对其布局与布线，进行PCB板的设计与制作。在进行布局前，要简单了解一下布局原则，例如1、同属于一个模块的元器件最好相互靠近一些；2、不同的模块应该划分清楚；3、发热量大的元器件应尽量放在电路的边缘，有利于散热。由于控制板的电路相对较为复杂，PCB设计较繁琐。驱动板电路相对简单，元器件少，PCB设计简单，但考虑到驱动板涉及高频和散热等问题，所以注意事项比较多。根据实际电路的原理