基于单片机的模拟路灯控制电路

基于单片机的模拟路灯控制电路设计任务与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所示，路灯布置如图2所示。二、要求1．根本要求〔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；假设物体M由右至左移动时，那么亮灯次序与上相反。〔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．发挥局部〔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〕其它〔性价比等〕。三、说明1．光源采用1W的LED灯，LED的类型不作限定。2．自制的LED驱动电源不得使用产品模块。3．自制的LED驱动电源输出端需留有电流、电压测量点。4．系统中不得采用接触式传感器。5．根本要求〔3〕需测定可移动物体M上定位点与过“亮灯状态变换点〞〔S、B、S’等点〕垂线间的距离，要求该距离≤2cm。根据题目要求，本控制系统电路由MCU为主控芯片，辅以测量光和红外的传感元件，可根据环境明暗变化，自动开灯和关灯，支路控制器能根据交通情况自动调节亮灯状态，独立控制每只路灯的开灯和关灯时间。当路灯出现故障时〔灯不亮〕，支路控制器发出声光报警信号，并显示有故障路灯的地址编号。送入单片机进行数据处理，控制LED的明暗，并在在液晶屏上显示，此电路还具有许多扩展功能。前言伴随着科学技术的开展，人类社会的进步，越来越多的电子产品不断涌现，并且电子产品也不断向体积小，功能大，效率高，能耗低的方向开展，我们的设计作品充分表达了这些特点。设计中我们运用了STC12C5A60S2单片机，因为它内置AD转化，并且能够输出PWM信号，使外部电路简单；运用DS1302时钟芯片保证了时间的实时显示，还运用NE555构成的多谐振荡器与红外发射二极管构成红外发射电路一总体方案设计串口通信按键信号输入串口通信按键信号输入时钟芯片显示路灯驱动检测LED信号报警STC12C5A图1系统框图本方案具有两路信号输入检测与显示、报警等功能，此外通过主控单元电路的扩展，可添加多种附加功能。二方案论证与设计根据系统框图，对单元电路控制进行设计，下面是我们对各局部单元电路的论证与设计2.1主控电路的选择与论证采用89C51系列的单片机作为CPU89C51单片机是8位单片机，4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量中断结构，一个全双工串口通信口，片内振荡器及时钟电路。其指令是采用的被称为“CISC〞的复杂指令集，工具有111条指令，与其他高位单片机相比而言，指令周期较长，运算速度太慢，而且由于其内部总线是8位的，其内部功能模块也根本上都是8位的；89C51单片机本身的电源电压是5伏，89C51有两种低功耗方式：待机方式和掉电方式。采用LPC2138单片机作为CPU该芯片其本身自带A/D转换功能，带大容量的32KRAM和512KFLASH,内部资源丰富且系统稳定，芯片价格昂贵。采用STC12C5A60S2单片机作为CPU该芯片位增强型8051内核，除具有51系列单片机的性能外，还具有以下以下功能：高速：速度比普通8051快8~12倍；增强掉电检测电路〔P4.6〕，可在掉电时，及时将数据保存进EEPROM，正常工作时无需操作EEPROM；工作频率：0~35MHz，相当于8051:0~420MHz;8通道，10位高速ADC，速度可达25万次/秒，2路PWM还可当2路D/A使用；4个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1，2路PCA实现2个定时器；系统工作稳定，方便高效的开发环境。综合上述，由于STC12C5A60S2众多的优良性质，尤其是内置A/D转化、高速度和多功能复位引脚的特性，这样可以减少扩展，提高性价比。因此，本设计最终才用STC12C2.3显示设备的选择与论证 使用数码管显示可以使用一个3/8译码器作为位选芯片，一个74LS573作为段选芯片，预计要完成各功能电路的显示那么至少需要两个四合一数码管，此方案连线太多，硬件设计不便，并且其功耗大。 使用液晶显示液晶显示驱动简单，耗电量小，无辐射危险，平面直角显示以及影响稳定不闪烁灯优势，显示直观、抗干扰能力强等诸多优点，两方案比拟，选择该方案。2.4单元控制器模块选型热释电型红外传感器热释电型红外光敏元器件的特点是：灵敏度较低、响应速度较慢、响应的红外线波长较长，价格廉价。为了提高灵敏度，通常都加上一个菲涅尔透镜，其原理是移动物体或人发射的红外线进入透镜，产生一个交替的“盲区〞和“高灵敏区〞，这样就会产生一系列的光脉冲进入传感器，从而产生电流变化，送给控制系统。目前一般配上透镜可检测10m左右。但考虑到实际路灯之间的距离，因此没有选择此方案。感应线圈 感应线圈的原理是：根据金属物体通过磁场，使线圈电感量发生变化，同时状态信号传输给检测器，由其进行采集放大，送给单片机。特点是：灵敏度高，响应速度快，在恶劣天气条件下仍具备有出色的性能。但由于电路复杂，因此没有选用此方案。2.4.3 红外对管红外对管包括红外发射管和红外接收管。发射管就是能够发射出红外线的二极管，接收电路的红外接收管是一种光敏二极管，使用时要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作而获得高的灵敏度。红外接收二极管一般有圆形和方形两种。由于红外发光二极管的发射功率较小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。然而现在不管是业余制作或正式的产品，大都采用成品的一体化接收头。红外线一体化接收头是集红外接收、放大、滤波和比拟器输出等的模块，性能稳定、可靠。所以，有了一体化接收头，人们不再制作接收放大电路，这样红外接收电路不仅简单而且可靠性大大提高，所以我们也采用了一体化接收头。原理是无移动物体通过时，红外接收管接受红外线呈高电平，当有移动物体通过时，遮挡了红外线使接收管电压变化，产生一个脉冲，送给单片机控制开关灯。综合考虑，我们选择了红外对管。2.5恒流源模块选型采用LC降压的方式优点：价格低。缺点：效率极低，给1W的LED供电，需要消耗4-6W的电力。功率因数极低，差不多0.2左右。严重缩短LED的寿命。对电网的污染很大。串联多颗时会有闪烁。通过如HV9910开关电源芯片设计优点：普通常用缺点：效率低：在60%左右，体积大，批量生产时LED的亮度一致性差，无法批量化，干扰大，电网污染大，串联LED灯，常会有闪烁，可以通过接红、白等颜色的灯观看到，模块中使用电解电容，电解电容的寿命大概是5000小时，而LED是100000小时，这样的模块很容易一年就会损坏。LM358驱动LED优点：输出恒定电流：350mA+/-5%(1WLED)。功率因数。效率高到达93%(10W)。反应电路更好的稳定电流。模块温升低。缺点：需要双电源供电，电压范围较窄。2.6时钟芯片的选型DS1302采用DS1302实时时钟/日历芯片，最大总行速度400bit/s,每次读写数据后，其内嵌的字地址存放器会自动产生增量的地址存放器、分频器、可编程时钟输出、定时器、400HZ的I2总线接口，DS1302与单片机之间简单的采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线，简单方便。DS12887使用DS12887时钟芯片，它具有微功耗、外围电路简单、精度高、工作稳定可靠等优点，但是其占用的I/O多，且体积大。综合考虑，我们选择了方案一。三硬件电路设计3.1单片机模块单元电路的设计单片机单元模块电路单片机单元模块电路采用上电复位电路，上电复位就是接通电源后，单片机自动实现复位操作。上电复位电路由C13、S3、R24构成，上电瞬间9脚获得高电平，随着电容C13的充电，9脚的高电平逐渐下降。9脚的高电平只要能保持猪狗的时间〔2个机器周期〕，单片机就能进行复位操作。Y1、C1、和C18构成内部时钟振荡电路，C1和C18的作用主要是稳定频率和快速起振容值为5~30Pf,典型值为30pF。为方便与计算机通信晶振的频率选用11.0592MHz。3.2实时时钟控制电路的设计实时时钟电路实时时钟采用DS1302，它是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。本电路由Y2构成起震。3V的纽扣电池构成掉电保护电路，1302的CLK，I/O，RST口分别接单片机的IO口，从而控制1302的时钟显示。DS1302的2脚和3脚外接32.768KHz的晶振，7脚为串行时钟接口，与单片机的15脚相连，6脚为数据输入/输出端，以便于总线控制，与单片机的17脚连接，5脚复位引脚，与单片机P3.6相连，当时钟到达设定值时，自动复位。3.3串口通信电路的设计串口电路串口下载电路采用MAX232电平转换芯片，于采用此电路方便电路的调试，减少单片机的损坏，并且应用串口通信还可以实现与计算机通信，供计算机时时接收和发送数据，为人们的使用提供了极大的方便。MAX232芯片外接4个0.1uF的去耦电容，一减小噪声对它的影响。当跳冒接上后本串口即可下载程序。MAX232的电路连接如下图。3.4光敏总控制电路光敏总控电路电源控制电路光敏总控电路和电源控制电路联合控制整个电路的灯亮灭。光敏总控电路由光敏电阻，三极管S9013组成，三极管的集电极与单片机的14脚相连。通过检测光敏总控的输出电压，通过单片机给电源控制电路输入一个开关信号，控制继电器的通与断，进而控制整个电路的工作情况。工作原理：白天，由于光照强，光敏电阻RS1的阻值变小，导致两端电压减小，进而影响三级管b、e两端的电压，使其处于反偏状态，无电压输出，通过单片机给电源控制电路一个低电平，继电器断开，整个路灯控制电路断开，路灯灭；夜晚，与白天情况相反。3.5声光报警电路的设计声光报警电路电磁式蜂鸣器分为两类，一类是有源蜂鸣器，内部含有音频振荡电路，直接接上额定电压就可以连续发声;二是无源蜂鸣器，工作时需要接入音频方波，改变方波频率可以得到不同的音调的声音。工作原理：本电路中采用有源蜂鸣器，由PNP三极管8550构成驱动电路，其基极与单片机的25脚相连，R15为LED的限流电阻。当检测到路灯电路有问题时，单片机的25脚输出低电平，三极管导通，LED亮，蜂鸣器响。3.6红外发射电路设计红外发射电路555定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。只要外部配接少数几个阻容元件便可以组成单稳态触发器、无稳态振荡器、多谐振荡器等电路，本设计采用555组成的无稳态振荡器。工作原理：接通电源vcc后，vcc经电阻R1和R2对电容C充放电，其电压uc由0按指数规律上升。当uc≥2/3vcc时，555定时内部电压比拟器C1和C2的输出分别为uc1=0，uc2=1，根本RS触发器被置0，Q=0，Qˉ=1.输出u0跃到低电平U0L。与此同时，放电管V导通，电容C经电阻R2和放电管V放电，电路进入暂稳态。随着电容C的放电，uc随之下降。当、Uc随之下降到Uc≤1/3Vcc时，那么555定时器内部电压比拟器C1和C2的输出为Uc1=1；Uc2=0，根本RS触发器被置1，Q=1，Qˉ=0，输出U0由低电平Uol跃到高电平Uoh。同时，因Qˉ=0，放电管V截止，电源Vcc又经电阻R1和R2对电容C充电。电路又返回到前一个暂缓态。因此，电容C上的电压Uc将在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电，从而使电路产生了震荡，输出矩形脉冲。其振荡频率即周期计算如下

周期T=0.69(R1+2R2)C1

R1，R2代入10K，C1代入0.1uf

频率f=1/0.69(10K+2×10K)×0.1uf=483HZ占空比q=(R1+R2)/(R1+2R2)=2/3.其他两个发射电路分析与此电路一样。3.7红外接收电路红外接收电路该电路有红外接收管和5k的可调电阻组成，可调电阻主要用于调节S端的电位。工作原理：当光线变暗，红外放射电路有信号发出时，红外接收管接收到其发出的信号，红外接收二级管的阻值有500千欧以上减小到几十千欧，电路导通S端的电压从可调电阻两端取出，为高电平，送到单片机的23脚，路灯灭；但是红外接收管未接受到信号时，红外二极管的阻值无穷大，S端为低电平，送到单片机的23脚后，单片机同时发出信号控制路灯时期变亮。其他红外接收电路的分析与此分析一样。3.8恒流源电路恒流源电路图工作原理：此单元电路的输入信号有两路，一路是定时时间的输入，另一路是PWM信号的输入，当定时时间未到继电器处于断开，LED处于熄灭状态；当时间灯开时间，Q7输入高电平，继电器线圈得电，开关吸和，此时如果，PWM为高电平，电流经LED灯、R26，R32到地；如果PWM为低电平，电流经LED灯、L1、Q9到地，通过采样电路取样、经滤波电容C18滤波后，去出采样信号，并把采样信号送入单片机，起到LED灯的恒流。3.9电源电路电源电路由于市电的品质因数和三端稳压器的输出品质因数不同，如果直接整流滤波后，品质因说降低。但如果市电经过变压后，送入由D19、D20、D21和C28、C29构成的PFC电路再经C23、C20、C27、C24滤波后送达7805和7905三端稳压器，品质因数品质因数提高，到达了省钱节能的最正确效果，这也是次电路的有点所在。3.10整机电路图四硬件调试与仿真4.1恒流源模块调试与仿真此图为恒流源仿真图像，上面为输入信号，下面为采样输出信号。其信号输入为频率为100Hz，占空比为15%，幅值为5V。4.2发射电路的测试该仿真为发射电路振荡频率的测试，其频率为478Hz，周期为2.09ms，假设要改变其频率，只要改变R1、R2和C的值即可。五软件流程设计5.1液晶显示页面开始开始欢送你开机页面主页面时间显示调节第一个灯亮度调节第二个灯亮度调节第一个灯开关时间返回主页面调节第二个灯开关时间 页面是在K1按下的次数变换的，当第一次按下时进入第一个页面设置，以至类推，当按下第五次时返回到主页面显示时间。5.2PWM调节进入调节页面进入调节页面按K2键显示光标按K3键数值加一按K4键数值减一到达20不能再减到达100不能再加PWM是调节灯亮度的信号，当调PWM的占空比时灯就随着变大而变大，PWM信号是由单片机输出。根据题的要求是在20%～100%范围内设定并调节，调节误差≤20%。所以我们在调节时PWM变换在20～100之间变化，当减到20时再减就一直保持在20，当加到100时也不能再加。5.3比拟定时程序flag3=0或flag3=2flag3=0或flag3=2是否到时灯熄灭灯亮灯不亮声光报警 flag3为灯亮变换的标志位，当flag3为0时表示在时间控制状态。当外部环境变化引起等亮时flag3为1，当过一段时间后灯自动熄灭此时flag3为2，如果在这段时间内天变明，灯将熄灭并且flag3为0.在flag3为1时等开关是不受定时时间控制的。只有在flag3为2在这个状态下灯才能根据环境明暗变化，自动开关灯。5.4根据环境明暗变化，自动开关灯检测天黑检测天黑灯亮Flag3=1到达一定时间灯熄灭flag3=2天亮flag3=0灯不亮声光报警5.5根据交通情况自动调节FFlag=2检测到S点有变化LED1亮检测到B点有变化LED1熄灭LED2亮检测到S′有变化LED2熄灭检测到S′有变化LED2亮检测到B点有变化LED2熄灭LED1亮检测到S点有变化LED1熄灭六测试检测6.1测量仪器1.数字万用表；2.示波器；3.频率计6.2根本功能要实现的功能测试结果时钟功能实现了此功能设定、显示开关灯时间实现了此功能控制整条支路按时开关灯实现了此功能根据环境敏感自动开关灯实现了此功能根据交通情况控制灯开关到达要求控制每只路灯开关灯时间到达要求有故障时，声光报警到达要求6.3发挥功能功能测试结果自动LED恒流源驱动实现功率自动减小功率可控到达20%～100%调节误差调节误差≤1%6.4其他发挥局部功能是否实现？描述模拟公路采用废弃的三合板灯罩采用破损的乒乓球模拟电线杆采用闭路线皮电源供电应用PFC提高了品质因数七总结首先，感谢河南省电子设计竞赛组委会给我们这样一次珍贵的锻炼时机，在这次大赛中，我们完成了大赛题目要求的所有内容，同时也启迪了我们的创意意识和团队合作意识，培养了我们的分析问题，解决问题的能力，加深了对所学理论的实际运用。这次比赛我们经过四天三夜的拼搏，受益匪浅，终身难忘。我们不仅完成了一件作品，而去大大提高了我们的创新精神，动手能力，团队协作和竞争意识，这次比赛对我们的毅力和意志力也是一个重要的考验，我们在调试的过程中遇到了不少错误，我们都是很认真细心地检查电路的连线，测量电路的参数，单步运行可能出问题的程序段，直至找到错误的根源。在这次比赛中，我们充分发挥团队合作精神。我们既分工又合作，一个负责软件，一个负责硬件，一个软硬兼施，每人负责完自己的局部，又继续写报告，大大提高了工作效率。当调试过程中出现问题时，又一起讨论商量怎么解决问题。我们在比赛中做到精益求精，在完成根本功能之后，又向发挥局部进发，最后完成所有的根本功能和全部发挥局部。参考文献胡宴如耿苏燕模拟电子技术高等教育出版社杨志忠卫桦林数字电子技术高等教育出版社胡宴如高频电子线路高等教育出版社李全利单片机原理及应用技术高等教育出版社姜志海单片机的C语言电子工业出版社谭浩强C语言程序设计清华大学出版社附录一：操作说明本模拟路灯控制电路显示界面可以显示如下列图的界面，共有四个控制键，一个键控制哪一屏幕的选择，另一个键控制各个屏幕的需要调整的时间位，另两个一个加一键，一个减一键。按下K1键，页面进去如图1页面，再按K2键光标将在将要修改数据的地方闪烁，按下K3键数据将加一，按下K4键数据将减一。在首次使用时要调节时钟的时间，以后就不用调节，我们采用了时钟芯片，在主芯片断电时时钟芯片有供电电池将保证时钟数据不丧失。第二次按下K1时，页面进入如图2页面，次页面是对LED1的亮度的调节。当按下K2时光标在050下闪烁。按下K3时数据将增加，此时灯也随着变亮，当数据增加到100时灯最亮。再按K3时数据将不会再增加。当按下K4时数据将减一，灯也随着变暗，当减到20时灯最暗。再按K4时数据将不会再减小。，第三次按下K1时是调节LED2的亮度，方法和调LED1灯的方法相同。第四次按下K1键时，页面进入如图3页面，此页面是对LED1灯开关时间的调节。按下K2键光标将在被修改数据之间转换，当按下K3键数据加一，按下K4键时数据减一。第五次按下K1键时是调节LED2的开关灯时间，方法和调节LED1灯的方法相同附录二：装配图附录三元器件清单序号位号封装元件名称数量11DianzizuoBattery12C1RAD-0.3Cap13C2RAD-0.1Cap14C3RAD-0.1Cap15C4RAD-0.1Cap16C5RAD-0.1Cap17C6RAD-0.1Cap18C7RAD-0.1Cap19C8RAD-0.1Cap110C9RAD-0.1Cap111C10RAD-0.1Cap112C11RAD-0.1Cap113C12RAD-0.1Cap114C13CAPR5-4X5CapPol1115C14RAD-0.1Cap116C15RAD-0.1Cap117C16RAD-0.1Cap118C17RAD-0.1Cap119C18RAD-0.1Cap120C19RAD-0.1Cap121C20RAD-0.1Cap122C21CAPPR5-5x5CapPol2123C22RAD-0.1Cap124C23CAPPR5-5x5CapPol2125C24RAD-0.1Cap126C25CAPPR5-5x5CapPol2127C26RAD-0.1Cap128C27CAPPR5-5x5CapPol2129C28RAD-0.1Cap130C29RAD-0.1Cap131D1PIN2PhotoSen132D2PIN2PhotoSen133D3PIN2PhotoSen134D4Diode1N4007135D5Diode1N4007136D6Diode1N4007137D7Diode1N4007138D8pin2LED139D9Diode1N4007140D10pin2LED141D11PIN2PhotoSen142D12PIN2PhotoSen143D13Diode1N4007144D14Diode1N4007145D15Diode1N4007146D16Diode1N4007147D17Diode1N4007148D18Diode1N4007149DS1PIN2LED31位号封装元件名称数量50DS2PIN2LED3151DS3PIN2LED3152F1BaoxiansiFuse1153J1DSUB1.385-2H9DConnector9154K1XiaojidianqiRelay-SPDT155K2XiaojidianqiRelay-SPDT156K3XiaojidianqiRelay-SPDT157L1CAPPR7.5-16x35INDUCTOR158L2CAPPR7.5-16x35INDUCTOR159LED1LED-0LED0160MK1FengmingqiMic1161P1HDR1X16Header16162P2HDR2X2Header2X2163Q1BCY-W3/E42N3904164Q2BCY-W3/E42N3904165Q3BCY-W3/E42N3904166Q4BCY-W3/E42N3904167Q5BCY-W3/E42N3904168Q6BCY-W3/E42N3906169Q7BCY-W3/E42N3904170Q8BCY-W