模拟路灯控制系统的设计.doc

1 模拟路灯控制系统的设计 目 录 摘要摘要 2 关键词关键词 2 ABSTRACT 2 KEY WORDS 2 1 系统设计系统设计 3 1 1 设计要求 3 1 1 1 基本要求 3 1 1 2 发挥部分 3 1 2 总体设计方案 4 1 2 1 功能分解及设计思路 4 1 2 2 方案论证与比较 4 1 2 3 系统各模块的最终方案 6 1 3 系统功能说明书 6 1 3 1 路灯的工作模式 6 1 3 2 按键操作说明 7 2 单元电路设计单元电路设计 7 2 1 电源供电电路 7 2 2 单片机最小系统 8 2 3 输入与输出 8 2 4 电流源驱动 9 3 1 系统主程序流程图 9 3 1 1 系统流程图 9 3 1 2 定时器溢出中断处理函数流程图 10 3 1 3 按键扫描流程图 12 3 2 系统子程序 12 4 系统测试系统测试 13 4 1 测试仪器 13 4 2 指标测试 13 4 2 1 各部分测试的指标 13 4 2 2 系统实现的功能 13 5 结束语结束语 14 参考文献参考文献 15 附录附录 1 程序代码程序代码 16 附录附录 2 硬件原理图硬件原理图 29 附录附录 3 PCB 图 部分 图 部分 30 2 模拟路灯控制系统的设计 摘要 本文介绍了一个模拟路灯控制系统的应用方案 用以实现模拟路灯的智能控制 本方案以 STC12C5410AD 为核心 加以简单的外围电路 实现了模拟路灯控制系统的技术要求 该系统除了 选用廉价的单片机芯片 还采用了廉价的红外对射传感器 大大降低了系统成本 整个系统结构紧 凑 电源驱动仅采用变压器与三端稳压器相结合 附加少许滤波电容便实现了稳定的电源输出 经 过测试 证实该系统能长时间稳定工作 满足设计要求指标 关键词 模拟控制 LED 照明 单片机 1 系统设计 1 1 设计要求 设计并制作一套模拟路灯控制系统 控制系统结构如图 1 1 所示 输入 显示 装置 支路控制器 单元控制器1单元控制器2 LED灯1LED灯2 图 1 1 模拟路灯控制系统 路灯布置如图 1 2 所示 LED灯1 LED灯2 40 20 40 S A B C S 40 40 40 M 定位点 图 1 2 路灯布置示意图 单位 cm 1 1 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 3 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 1 1 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 1 是时钟功能及定时开关灯 2 是根据环境明暗变化 自动开灯和关灯 3 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 4 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 5 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 针对以上 的五个功能 采用模块化的设计思想 以下分别叙述之 1 2 2 方案论证与比较 1 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 直接连接到单片机外围 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 1 3 所示 4 图 1 3 DS1302 的典型应用电路 方案二 采用单片机内置时钟 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 STC 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 0 x00 当该变量增加到某个数值时 表示经过了 1 毫秒 uchar To2mS 0 x00 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 0 x00 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 0 x00 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 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 5 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 3 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 采用廉价的红外对射传感器 红外对射的特点是传输距离较远 能量集中 当没有物体遮挡时 红外光直射到红外 探头上 红外接收管连续输出低电平到单片机 当有物体经过时 红外光被遮住 此 时红外探头输出高电平到单片机 由于红外光的发射有一定的偏角 本设计利用了黑 色套管遮挡红外发射灯头 以减少红外光的散失 本系统采用方案二 4 故障报警功能 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 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 图 1 4 系统各模块的最终方案 1 3 系统功能说明书 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 6 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 0 100 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 该路灯控制系统还具备故障检测功能 当路灯出现无法正常工作的状况时 该 控制系统能够判定是哪一环节出现问题 并将故障通过声音警报及数码管显示告知用 户 1 3 2 按键操作说明 支路控制器具备 5 个按键 分别为时间调整键 模式选择键 增加键 减少键 确认 键 1 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 2 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 3 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 4 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 7 2 单元电路设计 2 1 电源供电电路 图 2 1 该电路采用变压器与三端稳压器相结合 使 220V 电压经变压器变压 降为 12V 过整流桥并利用两个容量较大的电容滤波 从而得到较为稳定的直流电压 通过 7805 型号的三端稳压器稳压之后 输出一个电压为 5V 电流为 750mA 的直流电源 2 2 单片机最小系统 图 2 2 该控制系统的核心芯片采用的是 STC12C5404AD 它的最小系统由 STC 单片机 电 容和晶振组成 上电瞬间 电源经复位电容向单片机发送一个高电平信号 使单片机 复位 同时晶振起振 使单片机工作 晶振的大小可根据实际需要进行选择 常用的 晶振有 4M 6M 11 0592M 12M 24M 等 2 3输入与输出 8 图 2 3 按键输入 按键输出采用 AD 变换 节省了 IO 口资源 通过不同大小的电阻进行分压 按下不 同的按键就会向单片机发送不同的电压值 如 按下 s1 是 0V 按下 s2 电压 2K 2K 10K 5V 0 83V 经过单片机 AD 变换之后 就可以判断是哪个按键按下去 从而执行相应的功能 图 2 4 显示输出 该控制系统采用 LED 数码管显示输出 LED 数码管最突出的特点是使用简单 价格 低廉 在该系统中主要用来显示数字时钟 显示模式设定等 2 4 电流源驱动 图 2 5 9 电流源驱动电路 是为驱动 1W 大功率 LED 灯而设计的 LED 灯属于电流源驱动 根据计算 每个 1W 的 LED 灯至少需要 200mA 的驱动电流才能点亮 而单片机的 IO 输 出电流实际只有 20mA 到 30mA 所以必须经过电流放大才能使其工作 因此在该电路中 采用了一个 9013 对电流进行放大 3 软件设计 3 1 系统主程序流程图 3 1 1 系统流程图 开始 单片机存储器及 变量初始化 显示初始化 对几路模拟信号轮流进行采 样 每2毫秒采样一个信号 按键扫描及处理 检测环境的明暗度并 决定是否自动开关灯 路灯的故障检测 检测交通情况 并根据交通 情况对路灯的开关进行管理 定时管理 图 3 1 系统流程图 3 1 2 定时器溢出中断处理函数流程图 10 开始 1毫秒变量递增 到达1毫秒时刻 清零1毫秒变量 设置激光传感器扫描标志 2毫秒变量递增 到达2毫秒时刻 清零2毫秒变量 设置2毫秒标志 20毫秒变量递增 到达20毫秒时刻 清零20毫秒变量 设置20毫秒标志 1秒变量递增 管理蜂鸣器响的时间 到达1秒时刻 清零1秒变量 设置1秒标志 管理报警灯 如果需要响蜂鸣器 则驱动蜂鸣器 清中断标志 是 是 是 是 否 否 否 否 退出 图 3 2 定时器溢出中断处理函数流程图 11 3 1 3 按键扫描流程图 开始 对按键的扫描线进行AD采样 判断AD值 是否大于245 按键消抖并根据 AD值确定键值 按键处理 退出 否 复位按键扫描 的相关变量 是 图 3 3 按键扫描流程图 3 2 系统子程序 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 延时函数 void delay uint i AD 采样 void InitADC ADC 转换初始化 uchar GetADCResult uchar ch 取 ADC 转换初值 uint get adc uchar ch 对 ADC 取值进行操作 显示函数 void display 蜂鸣器发生函数 void speak 亮度调整函数 void BrightnessSet uchar LightNum uchar Brightness 中断处理程序 void t0 interrupt 1 using 1 void t1 interrupt 3 12 4 系统测试 4 1 测试仪器 数字示波器 该系统采用红外对射传感器 因为它的正常工作需要外加 38KHz 的触发 频率 数字示波器主要用来测量频率 万 用 表 在该系统中用来测量电压 电流 电阻等 4 2 指标测试 4 2 1 各部分测试的指标 表 1 2 功能测试 序 号 指标 目标值 实测值 1 故障指示 编号 LED 上显示正确 2 过中点后前灯亮后灯灭 试验成功率 100 100 3 自动开关灯功能 试验成功率100 4 实时误差 采用时间加速方法 误差小于 5MIN 误差 1MIN 5 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 750mAm 变化平 缓稳定 4 2 2 系统实现的功能 表 2 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 表 2 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 是 13 20 100 范围内设定并调节 调节误差 2 表 2 3 特色功能 序号功能是否实现 1 自制微型红外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 采用 PWM 与电流取样方式 实现闭环的恒流源控制是 5 结束语 该系统调试最终结果 符合本次设计的全部要求 经过功率扩大 电网通讯等方 面的改良 就能用于实际路灯控制 以其超低成本 高可靠性的特点 与其他现有成 品相比 具有一定的竞争优势 该控制系统在调试过程中 遇到过一些与理论相差很大的实际问题 比如红外对 射传感器的对焦问题 因为红外线是不可见光 对焦比较麻烦 但是借用其他辅助工 具就会简单很多 最简便的方法是利用带摄像头的手机来获取红外光 从而能顺利完 成对红外对射传感器的对焦 红外对射的接收部分 因受频率限制 只能接收频率在 38KHz 的红外信号 所以在调试过程中有一定的难度 经方案论证 采用 PWM 脉宽调制 输出 是切实可行的最有效方案 程序书写如下 include sbit pwmout P1 1 定义 PWM 输出端口 void init interrupt 1 中断方式 1 TH0 0 xff TL0 0 xf3 定时器初值 pwmout pwmout 对