模拟路灯控制系统论文

模拟路灯控制系统模拟路灯控制系统 摘摘 要要 系统采用 STC125612AD 单片机为控制核心 通过内置的 PWM 产生 LED 路灯的调光 控制信号 以 CE9910 芯片为核心构成恒流源电路 以 PCF8563 时钟芯片产生高精度的 时间信息 通过光敏电阻检测电路检测环境光线的变化 在路面两侧分别安装红外发 射管和红外接收头 检测过往物体 并自动控制路灯的亮灭 利用语音录放芯片实现 故障的语音播报 AbstractAbstract System selects STC125612AD as controller dimming LED lamp control signal is produced by internal PWM of MCU and the constant current source circuit uses CE9910 as its core System uses PCF8563 clock chip produces high precision time information Through the photosensitive resistance detection circuit detects ambient light changes IR LED and IR receiver are installed on both sides of the road to test the past objects and uses voice record playback chip to broadcast the voice of fault 一 方案比较与论证一 方案比较与论证 1 1 单片机的选择与论证 单片机的选择与论证 方案一 使用 AT89S51 单片机 采用传统的 AT89S51 作为控制核心 AT89S51 单片机具有价格低廉使用简单等特点 但其运算速度较低 功能比较单一 方案二 使用 STC12C5612 单片机 采用 STC12C5612AD 单片机 该单片机具有超强的抗静电 抗宽电压电源抖动 抗 温度影响能力 超低功耗 宽电压 高速度 速度比普通 8051 快 8 12 倍 内置 PWM 功能 可以直接对 LED 灯亮度进行控制 由于需要产生 PWM 信号 需要较强的抗干扰能力 故采用方案二 2 2 时钟功能实现与论证 时钟功能实现与论证 方案一 选用单片机内部定时器 采用单片机内部定时产生时间 需占用较多的单片机资源 且时间不精确 在掉 电时数据会丢失 方案二 选用 PCF8563 时钟芯片 采用 PCF8563 时钟芯片产生时间 可以产生精确的时间 通过给时钟芯片加备用 电池 具有掉电保护功能 为了使实际的作品能够更贴近实际产品的应用 采用方案二 3 3 LEDLED 灯恒流驱动电源的设计与论证灯恒流驱动电源的设计与论证 方案一 采用 LM317 恒流源电路 以 LM317 为核心 构成输出电流可调的恒流源电路 该方案元件较为常见 而且价 格便宜 但是在实际应用中由于三端集成稳压电路功耗较大 需安装足够大的散热片 进行散热 且稳压性能随温度变化大 损耗大 且不易进行 PWM 调节 方案二 采用 CE9910 恒流源电路 采用 CE9910 芯片为核心 构成输出电流可调的恒流源电路 效率高达 90 能体 现节能的理念 斜坡补偿电流模式 PWM 同步降压型转换器可实现输出可调电流 价格 也比较便宜 在损耗节能上 CE9910 比 CW7805 要优越的多 而且 CE9910 可以用 PWM 实现输出电 流可调 所以采用方案二 4 4 物体经过检测方案的设计与论证 物体经过检测方案的设计与论证 方案一 采用霍尔传感器 在路面上安装霍尔传感器 当有金属物体通过的时候它可以检测到磁场的变化从 而检测到物体 再把信号传送给单片机 由单片机发出指令去控制灯的开关 方案二 采用红外发射接收电路 在公路的两边 正对的安装红外发射与接收 TL0038 红外接收头 的传感器 当 有物体通过的时候发射光会被物体所遮挡 此时接收端没有接收到信号 再把当前状 态信号传给单片机 由单片机发出指令去控制灯的开关 霍尔传感器由于受物体性质材料的限制 会影响灵敏度 所以采用方案二 二 系统硬件设计与实现二 系统硬件设计与实现 1 系统总体设计 STC12C5612 单片机 时钟模块 声光报警 光敏采样电路 TL0038红外接收 电流采样电路 键盘输入 ST7920液晶显 示模块 从STC12C5612 单片机 ISD4002语音录 放模块 PWM输出 调 光控制 红外发射电路 图 1 系统总体组成框图 系统总体组成框图如图 1 所示 本系统包括键盘输入电路 PCF8563 实时时钟电路 光敏电阻采样电路 红外发射电路 红外接收电路 电流采样电路 ST7920 液晶显示 电路 PWM 调光电路 声光报警电路 从单片机驱动语音录放电路等组成 系统以 STC12C5612 单片机作为主控芯片 完成所有电路模块的检测和驱动功能 2 2 红外发射电路的设计与计算 红外发射电路的设计与计算 系统要求对移动物体进行检测 设计中采用了对红外发射和接收方案进行检测 将红外发射信号的频率调制到 38KHZ 上 这样才能与一体化红外接收头的频率相匹配 38KHZ 的信号可以通过单片机直接产生也可以通过外围电路产生 在设计中为了降低对 单片机资源的占用 采用由与非门电路构成的 RC 振荡电路产生振荡信号 振荡频率计 算如下 CR f 2 2 2 1 6 3 2 1012 10382 2 1 2 2 1 f CR 选择电阻 R2为 1K 则电容 C 为 12nF 红外发射电路如图 2 所示 2 3 1 U2A CD4011 5 6 4 U2B CD4011 8 9 10 U2C CD4011 R2 1K R1 100KC1 12nF R3 10K R4 10K Q1 9013 Q2 9013 R5 68 R6 68 D1 LED2 D2 LED2 VCC VCC 信信信信 图 2 红外发射电路 3 3 恒流源及采样放大电路的设计与计算 恒流源及采样放大电路的设计与计算 L1 2 2uH D1 LED CIN 10uF RS VCC VIN CE GND FB SW PW M 信信信信 VOUT R7 1K 8 1 4 3 2 1 U3A LM358 R8 51K R10 51K R9 1KVCC 信信信信 U3 CE9910 图 3 恒流源及采样放大电路 系统采用CE9910作为恒流源电路的主芯片 CE9910是一种采用1 5MHz 恒定频率 斜坡补偿电流模式PWM 同步降压型转换器 可实现可调输出电流 内部同步开关提高 了效率 并免除了增设一个外部肖特基二极管的需要 CE9910可使用单节锂离子电池 供电 向负载提供达1A的驱动能力 LED电流可以通过一个外部电流感应电阻来设置 100mV低反馈电压减少了功率损耗 更好地提高了效率 恒流源及采样放大电路如图3 所示 系统设计的LED灯的额定电流为350mA 则采样电路RS的大小为 3 0 350 100 mA mV I U R S S S 为了方便故障的经检测 将反馈电阻上的电压通过运放进行放大 LM358 构成的 同相比例运放电路的电压放大倍数为 51 1 51 K K AU 经放大后的电压达到单片机的高电平要求 正常工作时 运放输出为高电平 当 LED 等出现故障损坏时 由于反馈电压为 0V 运放输出的电压为低电平 4 4 ST7920ST7920 液晶显示接口电路液晶显示接口电路 5 SID 6 SCLK P2 5 P2 4 VCC 1 GND 2 VCC 3 VO 15 PSB STC12C5612 单片机 ST7920 液晶模块 图 4 单片机与液晶模块的接口图 系统采用 ST7920 的 128 64 液晶显示模块作为显示器件 该模块内置了汉字字库 并由串行和并行两种接口方式 由模块的 PSB 引脚控制 当 PSB 接地时为串行 接电 源时为并行 在本系统设计中采用了串行的接口方式 所以将 PSB 口接地 单片机与 ST7920 液晶模块的接口图如图 4 所示 5 5 ISD4002ISD4002 语音报警语音报警 在系统设计中除了采用声光报警之外 对报警方式进行了发挥 采用 ISD4002 语 音模块实现语音报警功能 ISD4002 语音录放芯片采用 2 7 3 3V 单电源供电 采用直 接模拟量存贮技术 音质好 信息存放在芯片内部 FLASHRAM 中 抗断电 无需专用语 音开发工具 能随意更改内容和耗电省等优点 录放时间为 2 分钟即 120 秒 通过 SPI 接口形式与微控制器配合使用 实现分段录音和播放功能 三 系统软件设计三 系统软件设计 1 1 系统软件总体设计 系统软件总体设计 在软件设计中 将系统分成五个功能模块 通过按键进行功能的选择和退出 每 个功能都有对应的显示界面 由 ST7920 液晶模块进行显示 系统的主程序流程图如图 5 所示 开机 初始化 显示开机界面 延时3s 显示功能菜单界面 功能选择 进入功能一返回 Y N 进入功能二返回 Y 进入功能三返回 Y 进入功能四返回 Y 进入功能五返回 Y N N N N 图 5 主程序流程图 2 2 多级菜单的多级菜单的设计与实现设计与实现 本系统设计的一大特色就是在于分级菜单界面的设计 每个界面对应一个功能 由 按键可轻易实现设置和切换 每个界面的设计如图 6 所示 灯 1 开灯 灯 1 关灯 灯 2 开灯 灯 2 关灯 功能二界面二 光线状况 灯状况 功能界面三 物体位置 灯 1 状况 灯 2 状况 功能界面四 灯 1 状况 灯 2 状况 功能界面一 当前时间 开灯时间 关灯时间 功能界面五 功率设置 图 6 多级菜单界面图 3 3 PWMPWM 信号占空比的调节信号占空比的调节 STC12C5612 单片机内置 PWM 调制功能 此功能通过比较定时器的低字节和定时标 志寄存器的低字节在模块相应的管脚上输出 PWM 调制信号 当 CL CCAPnL 时 输出值为高 脉宽调制模块使用 PCA 定时器时 CCAPMn 寄存器的 PWMn 和 ECOMn 位必须置位 当 PWMn 1 时 使能 CEXn 脚作用脉宽调节输出 在程序中只需要改变 CCAPnL 的值 就可以实现 PWM 信号占空比的调整 4 4 语音播报故障灯号的软件设计 语音播报故障灯号的软件设计 在系统设计中 由从单片机控制语音录放芯片 ISD4002 实现故障灯号的语音播报 ISD4002 语音录放芯片里预先录制了三段报警信息 分别为 灯一故障 请检修 灯 二故障 请检修 灯一灯二故障 请检修 等 当主单片机检测到灯出现故障时 通过串口向从单片机发送故障灯号 从单片机对接收的数据进行处理 并向 ISD4002 芯片发送播放对应故障语音信息的命令 这样语音录放芯片就可以在灯出现故障时自 动的播放对应的语音报警信息 语音播报模块与单片机的接口图如图 7 所示 从STC12C5612 单片机 ISD4002语音录 放模块 主STC12C5612 单片机 图 7 语音播报模块与单片机接口图 四 数据测试与分析四 数据测试与分析 1 1 物体移动自动调节灯亮状态测试 物体移动自动调节灯亮状态测试 表 1 物体移动与自动调节灯亮灭测试表 向左向左 SBS 向右向右 S BS 定位点与亮灯定位点与亮灯 状态变换点的状态变换点的 距离距离 1mm1mm1mm 定位点与亮定位点与亮 灯状态变换灯状态变换 点的距离点的距离 1mm1mm1mm 灯状态灯状态灯 1 亮 灯 2 灭 灯 1 灭 灯 2 亮 灯 1 灭 灯 2 灭 灯状态灯状态灯 1 灭 灯 2 亮 灯 1 亮 灯 2 灭 灯 1 灭 灯 2 灭 如上表格数据可知误差只有 1mm 超过了题目的精度要求 2 2 设定开关灯时间与实际开关灯时间对比测试 设定开关灯时间与实际开关灯时间对比测试 表 2 设定开关灯时间与实际开关灯时间对比测试表 设定开灯时间 12 10 10 实际开灯时间 12 10 10 设定关灯时间 13 10 10 实际关灯时间 13 10 10 如上表格数据可知误差几乎为零 3 3 设定输出功率与实际输出电流的对比 设定输出功率与实际输出电流的对比 表 3 设定输出功率与实际输出电流的对比表 设定的功率是通过对信号的占空比进行设置的 从表可知占空比的调节与实际输 出电流成正比关