模拟路灯控制系统报告.doc

基于FREESCALE JL3芯片的模拟路灯控制系统摘要：本文介绍了一个模拟路灯控制系统的解决方案。本方案以FREESCALE公司的MCU芯片MC68HC908JL3为核心，加以简单的外围电路，实现了2009年全国大学生电子设计竞赛试题所要求的所有技术内容。JL3单片机在工业上的应用比较广泛，其可靠性、抗干扰能力和温度稳定性都比较强，性价比高。这是一个低成本的路灯控制解决方案，除了选用廉价的单片机芯片，还采用了廉价得微型激光发射器与光敏电阻组合的方式代替昂贵的工业控制光电传感器，大大降低了系统成本。整个系统的电路简单，结构紧凑。经过检测，该系统能长时间稳定工作，满足设计指标要求。关键词：模拟控制、LED照明、单片机目 录基于FREESCALE JL3芯片的模拟路灯控制系统11. 系统设计31.1 设计要求31.2 总体设计方案41.2.1 功能分解及设计思路41.2.2 方案论证与比较41.2.3 系统各模块的最终方案71.3 系统功能说明书（用户使用说明书）71.3.1 路灯的工作模式71.3.2 按键操作说明82. 单元电路设计92.1 每部分模块的电路设计92.1.1 电源供电电路92.1.2 单片机最小系统92.1.3 输入与输出92.1.4 电流源驱动及电流检测102.1.5 光电检测电路113. 软件设计123.1 -子程序123.2 -系统主程序流程图133.2.1 系统流程图133.2.2定时器溢出中断处理函数流程图143.2.3按键扫描流程图154. 系统测试164.1 测试仪器164.2 指标测试164.2.1各部分测试的指标164.2.2 系统实现的功能165. 结论19附录21附录 1 程序代码21附录 2 硬件原理图63附录 3 PCB图（部分）651. 系统设计1.1 设计要求一、任务（来自原题）设计并制作一套模拟路灯控制系统。控制系统结构如图1所示，路灯布置如图2所示。图1 路灯控制系统示意图图2 路灯布置示意图（单位：cm）二、设计要求1基本要求（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。（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。2发挥部分（1）自制单元控制器中的LED灯恒流驱动电源。（2）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%。（3）性价比高，工作稳定，符合电磁兼容（EMC）方面的要求，无对外干扰或干扰小。1.2 总体设计方案1.2.1 功能分解及设计思路本模拟路灯控制系统的设计方案要实现的主要功能主要分解为以下五个方面：一是时钟功能及定时开关灯。二是根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。三是根据交通情况自动调节亮灯状态：当汽车靠近路灯时，路灯能自动点亮；当汽车远离时，路灯自动熄灭。四声光报警功能，当路灯出现故障时而不亮时，控制器发出信号，并显示有故障路灯的地址编号。五是根据绿色节能照明要求，采用恒流源驱动LED路灯发亮且能调光，路灯驱动电源输出功率能在20%100%范围内设定并调节，调节误差2%。以上功能的实现，都是以单片机为核心，在单片机系统实现的输入输出和显示功能的基础上，由单片机的内置逻辑和运算功能，加上一定的外围电路得以实现。征对以上的五个功能，基于模块化的设计思想，以下分别叙述之。1.2.2 方案论证与比较1.2.2.1 时钟功能及定时开关机。方案一：采用专用时钟芯片。 现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、 DS1307、PCF8485等。其优势是可以单独使用，直接连接单片机外围，有自己独立的时钟晶振，精度较高。单片机通过串行接口读取和写入当前的时钟值，时钟芯片的运行受单片机死机的影响少。其缺点一是消耗了单片机IO口资源。二是在编程时需要增加读写串行口的内容，消耗了单片机的运行时间。三是增加了成本。增加了时钟芯片及其外围电路的开支。DS1302的典型应用电路如图3所示：图3 DS1302的典型应用电路方案二：采用单片机内置时钟振荡电路及定时器构建时间平台。本方案直接利用单片机的内置定时器，通过定时器的中断和简单运算实现时钟功能。例如： JL3单片机，在4M时钟时，单个指令的运行时间是1微秒，设置定时器1每125个指令周期产生一个中断，即125微秒，8个中断后，时间平台是1毫秒，设置以下时间计数变量分别为：uchar To1mS = 0x00; /当该变量增加到某个数值时,表示经过了1毫秒uchar To2mS = 0x00; /当该变量增加到某个数值时,表示经过了2毫秒uchar Is2mS = 0; /到达2毫秒时刻uchar To20mS = 0x00; /当该变量增加到某个数值时,表示经过了20毫秒uchar Is20mS = 0; /到达20毫秒时刻uchar To1S = 0x00; /当该变量增加到某个数值时,表示经过了1秒uchar Is1S = 0; /到达1秒时刻在秒时间平台，用ToMIN变量，计数60秒后进入分钟平台，计数60分钟后，进入小时平台。方案二没有增加外置电路，充分利用了单片机的定时器功能，实施简洁方便，主要的缺点是当控制系统断电或死机以后，需要人工重新定时。本系统的时钟功能实现采用方案二。1.2.2.2 根据环境明暗变化，自动开灯和关灯功能。方案一：采用比较器的解决方案。光敏电阻与固定电阻串联，加一级电压跟随器后输入比较器，与比较器负输入端的电压值进行比较，得到一个高电平或低电平输出，进入单片机的IO口。优点是电路比较直观，操作比较方便，可直接通过电位器调节路灯的开启亮度。对维护人员的要求不高。缺点是不方便进行数码控制。方案二：采用AD变换。光敏电阻与固定电阻串联，由单片机内置的AD变换接口读入当前的电压值，然后根据读取的电压值判断当前的环境亮度。路灯的开启电平由内部的变量控制。方案二的优点在于可以方便以实现对路灯开启电平的数码控制和远程控制。本系统采用方案二。1.2.2.3 是三是根据交通情况自动调节亮灯状态。当汽车靠近路灯时，路灯能自动点亮；当汽车远离时，路灯自动熄灭。方案一：采用工业级的光电传感器。这种光电传感器普遍运用于电梯、生产线等工业场所。优点是使用方便，型号很多，输出量是开关量，不需调理电路。缺点是价格较贵。方案二：采用微型激光发射器与光敏电阻组合形成发射接收对。激光的特点是传输距离远，能量集中。当没有物体遮挡时，激光直射到光敏电阻上，光敏电阻的阻值较小，当有物体经过时，激光被遮住，此时光敏电阻的阻值较大。由于光敏电阻对环境光同样敏感，本设计运用了较长黑色套管遮挡环境光线。只有激光才能直射到光敏电阻的表面。本系统采用方案二。1.2.2.4 声光报警功能采用光敏电阻检测路灯的亮度，同时排除环境光的干扰。利用单片机的AD口，读入光敏电阻上检测到的路灯亮度值。1.2.2.5 恒流源驱动LED及20到100范围内可调亮度。方案一：采用恒流源驱动芯片，目前市场上成品的恒流源驱动芯片比较多，一般采用使用取样电阻调节输出电流的方式。这些芯片使用方便，性能较好，但价格较贵。方案二：采用PWM方式驱动功率三极管输出驱动电流，用电流取样电阻串入LED供电回路，用AD口读取当前的电流值，实现闭环控制。方案二利用了单片机的AD变换资源，同时采用PWM方式，可以使LED工作在断断续续的状态，可以延长LED的使用寿命。本系统采用方案二。1.2.3 系统各模块的最终方案 1.3 系统功能说明书（用户使用说明书）1.3.1 路灯的工作模式本模拟路灯控制系统具备5种工作模式，分别是自动群控模式、自动分控模式、根据照度自动控制模式、根据交通情况自动控制模式、手动控制模式，下面对每种工作模式简单介绍如下：（1） 自动群控模式在该模式下，支路控制器根据设定好的定时信息，自动地同时打开或者关闭两盏路灯。系统启动后默认进入该模式。（2） 自动分控模式在该模式下，支路控制器根据设定好的定时信息，分别控制两盏路灯的开关，例如，当系统的时间和路灯1开灯的时间相等时，开启路灯1；当系统的时间和路灯2关灯的时间相等时开启路灯2。（3） 根据照度自动控制模式在该模式下，当环境照度低于一定的值时开启两盏路灯，当环境照度高于一定的值时关闭两盏路灯。（4） 根据交通情况自动控制模式在该模式下，当可移动物体M由左到右到达S点时（见图），灯1亮；当物体M到达B点时，灯1灭，灯2亮；若物体M由右到左移动时，则亮灯的次序与上相反。（5） 手动控制模式在手动模式时，两盏路灯只能由支路控制器用增加和减少键手动的调整亮度，路灯的亮度可以在0100自由的上下调整，步进为10。（1）（4）等四种工作模式是互斥的，即在某一时刻只能具有其中的一种功能，不过各种模式可以手动的切换，手动调整路灯亮度的功能在这四种模式中都是有效的。另外，路灯的，系统还具备故障检测1.3.2 按键操作说明n 支路控制器具备6个按键，分别为时间调整键、模式选择键、亮度调整键、增加键、减少键、确认键。n 时间调整键：按时间调整键时，可以循环地选择系统时间、路灯1和2共同的开关灯时间、路灯1的开关灯时间和路灯2的开关灯时间。n 模式选择键：按模式选择键可以进行系统工作模式的切换，顺序为自动群控模式自动分控模式根据照度自动控制模式根据交通情况自动控制模式手动控制模式。n 亮度调整键：按亮度调整键可以循环选择路灯1和2的亮度，选择以后再按亮度调整键，就可以分别调整两盏路灯的亮度。n 增加、减少键：按这两个键可以对时间或者亮度进行增减，长按时时间或者亮度可以连续变换。l 确认键：确认键只在时间调整时有效，分别确认小时、分钟、秒的输入。2. 单元电路设计2.1 每部分模块的电路设计2.1.1 电源供电电路采用变压器与三端稳压器相结合2.1.2 单片机最小系统其核心芯片是MC68HC908JL3。2.1.3 输入与输出键盘：采用AD变换输入口为键盘输入口，节省了IO口资源。LCD与LED显示：2.1.4 电流源驱动及电流检测2.1.5 光电检测电路3. 软件设计软件采用C语言编写，可移植性和可读性强。软件编写体现了模块化的任务驱动方式。代码尽量符合变量定义规范。3.1 -子程序本系统包含以下子程序/键盘处理-void KeyboardScan(void);/键盘扫描函数void KeyboardOperate(uchar KeyNum);/按键处理函数/定时器处理-void InitTimer(void);/定时器参数设定及启动/路灯控制-void BrightnessSet(uchar LightNum, uchar Brightness);/亮度调整/AD采样-void ADExchange(uchar Num);/AD采样/* 亮度调整函数 */void BrightnessSet(uchar LightNum, uchar Brightness)；/* 溢出中断处理程序 */ void interrupt 6 TimerInterrupt(void);3.2 -系统主程序流程图3.2.1 系统流程图3.2.2定时器溢出中断处理函数流程图3.2.3按键扫描流程图4. 系统测试4.1 测试仪器流明计数字示波器功率计万用表直流电源等4.2 指标测试4.2.1 各部分测试的指标功率测试设置功率/W路灯两端电压/V路灯电流/A实际功率/W误差/%0.25.580.0360.2010.40.35.710.0530.3030.90.45.810.0680.3951.20.55.910.0840.4960.70.66.020.1010.6081.30.76.060.1150.6970.40.86.090.1320.8040.50.96.120.1470.9000.016.170.1631.0060.6功能测试序号指标（目标值）实测值1故障指示（编号）LCD上显示正确2过中点后前灯亮后灯灭，试验成功率（100）1003自动开关灯功能，试验成功率1004实时误差，采用时间加速方法（误差小于5MIN）误差1MIN5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%。电流从0mA至850mAm变化平缓稳定4.2.2 系统实现的功能1基本要求序号功能是否实现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。是2支路控制器应能根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。是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。是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。是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。是2发挥部分序号功能是否实现1自制单元控制器中的LED灯恒流驱动电源是2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%。是3特色功能序号功能是否实现1自制微型激光发射与光敏电阻组合替代工业光电传感器是2利用单片机的AD变换功能，实现用一个IO口读多个按键是3使用单片机内部的定时器代替时钟芯片，实现时钟功能和定时开关机功能是4使用LCD显示屏与LED相结合，显示信息丰富，操作方便是5采用PWM与电流取样方式，实现闭环的恒流源控制是5. 结论本方案的系统设计符合2009年全国大学生电子设计竞赛试题（I题）的要求，经过功率扩大、电网通讯等方面的改良，可以用于实际路灯控制，是一个低成本，高可靠性的解雇方案。参考文献1 阎石. 数字电子技术基础（第四版）. 北京: 高等教育出版社，1997年.2 郑学坚，周斌. 微型计算机原理及应用(第三版). 北京: 清华大学出版社，2000年.附录附录 1 程序代码/* 程序主要功能:模拟路灯控制系统 * 完成时间:2009.09.05 * 作者: */*头文件包含*/#include PubDef.h#include /包含头文件#include /包含寄存器定义的头文件#include LCD.h/*蜂鸣器的管理变量*/uchar BuzzerTime = 0; /蜂鸣器响的时间,单位:20毫秒/*键盘的管理变量*/uchar KeyTrueTimes = 0; /消抖过程中按键为真的次数uchar KeyBuffer = 0; /临时键值uchar KeyEffect = 0; /有效键值uchar ToScanKey = 0; /按键扫描标志/*AD采样的管理变量*/uchar ADChannel4 = 0x01, 0x00, 0x02, 0x08 ;/AD通道值uchar ADValue4 = 0 ; /AD采样值uchar ADTurn = 0; /AD采样的次序/*路灯的管理变量*/uchar WorkMode = 4; /路灯工作模式: /0:支路控制器使两盏路灯同步定时开关灯 /1:支路控制器使两盏路灯独立定时开关灯 /2:支路控制器根据光照情况使路灯自动开关灯 /3:支路控制器根据交通情况使路灯自动开关灯 /4:支路控制器只能手动控制路灯uchar ControlNum = 0; /支路控制器与灯号选择uchar Brightness = 0; /路灯的亮度uchar Brightness1 = 0; /路灯1的亮度uchar Brightness2 = 0; /路灯2的亮度const uint BrightnessTbl111 = /亮度表 /0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0,114,160,202,239,278,321,360,397,436,477;const uint BrightnessTbl211 = /亮度表 /0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0,124,173,221,275,323,371,426,479,485,490;uchar OnHour1 = 18; /路灯1定时开小时数,上电后默认为18点uchar OnMinute1 = 1; /路灯1定时开分钟数,上电后默认为0分uchar OnSecond1 = 0; /路灯1定时开秒数,上电后默认为0秒uchar OffHour1 = 18; /路灯1定时关小时数,上电后默认为23点uchar OffMinute1 = 1; /路灯1定时关分钟数,上电后默认为0分uchar OffSecond1 = 30; /路灯1定时关秒数,上电后默认为0秒uchar OnHour2 = 18; /路灯2定时开小时数,上电后默认为18点uchar OnMinute2 = 2; /路灯2定时开分钟数,上电后默认为0分uchar OnSecond2 = 0; /路灯2定时开秒数,上电后默认为0秒uchar OffHour2 = 18; /路灯1定时关小时数,上电后默认为23点uchar OffMinute2 = 2; /路灯1定时关分钟数,上电后默认为0分uchar OffSecond2 = 30; /路灯1定时关秒数,上电后默认为0秒uchar OnHour = 18; /路灯1,2定时开小时数,上电后默认为18点uchar OnMinute = 0; /路灯1,2定时开分钟数,上电后默认为0分uchar OnSecond = 0; /路灯1,2定时开秒数,上电后默认为0秒uchar OffHour = 18; /路灯1,2定时关小时数,上电后默认为23点uchar OffMinute = 0; /路灯1,2定时关分钟数,上电后默认为0分uchar OffSecond = 30; /路灯1,2定时关秒数,上电后默认为0秒uchar TempHour = 18; /路灯定时的小时数缓存变量uchar TempMinute = 0; /路灯定时的分钟数缓存变量uchar TempSecond = 0; /路灯定时的秒数缓存变量uchar MainStage = 0; /操作的主阶段: /1:调整时间信息 /2:调整工作模式 /3:调整亮度uchar SubStage = 0; /操作的子阶段uchar LightTrouble1 = 0; /路灯1故障uchar LightTrouble2 = 0; /路灯2故障uchar TroubleTimes1 = 0; /路灯1异常次数uchar TroubleTimes2 = 0; /路灯2异常次数uchar ToScanLight = 0; /路灯扫描标志/*传感器管理变量*/uchar GM_ScanTimes = 0; /光敏传感器生效次数uchar ToScanGM = 0; /光敏扫描标志uchar Direction = 0; /物体运动的方向,1:左到右,2:右到左uchar ToScanJG = 0; /激光扫描标志uchar JG1_ScanTimes = 0; /激光传感器1生效次数uchar JG1_Cut = 0; /激光传感器1被阻断uchar JG2_ScanTimes = 0; /激光传感器2生效次数uchar JG2_Cut = 0; /激光传感器2被阻断uchar JG12_TimeGap = 0; /激光传感器1和2生效之间的最大时间间隔uchar JG12_DeadTime = 0; /激光传感器1和2失效的持续时间,单位:秒uchar JG3_ScanTimes = 0; /激光传感器3生效次数uchar JG3_Cut = 0; /激光传感器3被阻断uchar JG4_ScanTimes = 0; /激光传感器4生效次数uchar JG4_Cut = 0; /激光传感器4被阻断uchar JG34_TimeGap = 0; /激光传感器3和4生效之间的最大时间间隔uchar JG34_DeadTime = 0; /激光传感器1和2失效的持续时间,单位:秒uchar JG5_ScanTimes = 0; /激光传感器5生效次数uchar JG5_Cut = 0; /激光传感器5被阻断uchar JG6_ScanTimes = 0; /激光传感器6生效次数uchar JG6_Cut = 0; /激光传感器6被阻断uchar JG56_TimeGap = 0; /激光传感器5和6生效之间的最大时间间隔uchar JG56_DeadTime = 0; /激光传感器1和2失效的持续时间,单位:秒/*定义时间平台变量*/uchar To1mS = 0x00; /当该变量增加到某个数值时,表示经过了1毫秒uchar To2mS = 0x00; /当该变量增加到某个数值时,表示经过了2毫秒uchar Is2mS = 0; /到达2毫秒时刻uchar To20mS = 0x00; /当该变量增加到某个数值时,表示经过了20毫秒uchar Is20mS = 0; /到达20毫秒时刻uchar To1S = 0x00; /当该变量增加到某个数值时,表示经过了1秒uchar Is1S = 0; /到达1秒时刻uchar Hour = 17; /系统时间小时数,上电后默认为18点uchar Minute = 59; /系统时间分钟数,上电后默认为0分uchar Second = 0; /系统时间秒数,上电后默认为0秒/*子函数声明*/键盘处理-void KeyboardScan(void);/键盘扫描函数void KeyboardOperate(uchar KeyNum);/按键处理函数/定时器处理-void InitTimer(void);/定时器参数设定及启动/路灯控制-void BrightnessSet(uchar LightNum, uchar Brightness);/亮度调整/AD采样-void ADExchange(uchar Num);/AD采样/* 亮度调整函数 */void BrightnessSet(uchar LightNum, uchar Brightness) if(LightNum = 0) TCH0 = BrightnessTbl1Brightness/10; TSC0 = 0x1A; /* if(Brightness = 0) TSC0 = 0x00; PTD_PTD4 = 0; DDRD_DDRD4 = Output; else if(Brightness = 100) TSC0 = 0x00; PTD_PTD4 = 1; DDRD_DDRD4 = Output; else TCH0 = Brightness * 5; TSC0 = 0x1A; */ else TCH1 = BrightnessTbl2Brightness/10; TSC1 = 0x1A; /* if(Brightness = 0) TSC1 = 0x00; PTD_PTD5 = 0; DDRD_DDRD5 = Output; else if(Brightness = 100) TSC1 = 0x00; PTD_PTD5 = 1; DDRD_DDRD5 = Output; else TCH1 = Brightness * 10; TSC1 = 0x1A; */ /* 键盘扫描函数,每20毫秒扫描1次 */void KeyboardScan(void) uchar KeyValue = 0; if(ADValue2 245)/没有按键 KeyEffect = 255; KeyTrueTimes = 0; else if(ADValue2 30 & ADValue270 & ADValue2110 & ADValue2175 & ADValue2215 & ADValue2240) KeyValue = 5; if(KeyValue != KeyBuffer) KeyTrueTimes = 1; KeyBuffer = KeyValue; else KeyTrueTimes+; if(KeyTrueTimes = 7) KeyTrueTimes = 0; if(KeyBuffer != KeyEffect) KeyEffect = KeyBuffer; KeyboardOperate(KeyEffect); else if(KeyEffect=3 | KeyEffect=4) KeyboardOperate(KeyEffect); /* 按键处理函数 */void KeyboardOperate(uchar KeyNum) BuzzerTime = 10; switch(KeyNum) case 0:/调整时间 if(MainStage != 1) MainStage = 1; SubStage = 0; else ControlNum = (uchar)(ControlNum+1)%7); LcdClear(); /LcdDisplaySingleChar_2(0,0,调); /LcdDisplaySingleChar_2(0,1,整); /* LcdDisplaySingleChar_2(0,0,时); LcdDisplaySingleChar_2(0,1,间); LcdDisplaySingleChar_2(0,2,：); */ LcdDisplaySingleChar_2(0,0,时间：, 6); if(ControlNum = 0) /* LcdDisplaySingleChar_2(0,3,系); LcdDisplaySingleChar_2(0,4,统); */ LcdDisplaySingleChar_2(0,3,系统, 4); TempHour = Hour; TempMinute = Minute; TempSecond = Second; else if(ControlNum = 1) /* LcdDisplaySingleChar_2(0,3,灯); L