I题黎立模拟路灯控制系统.docx
《I题黎立模拟路灯控制系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《I题黎立模拟路灯控制系统.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
I题黎立模拟路灯控制系统
模拟路灯控制系统设计
摘要：
本系统采用集散式控制模式，支路控制器和单元控制器均含有处理器。
以STC89C52单片机作为系统支路控制器，ATmega8作为单元控制器，对信息进行采集和处理，支路控制器和单元控制器采用相关通讯协议进行通讯，实现对模拟路灯控制功能。
该系统采用直流供电，由单片机控制模块、声光报警模块、环境监测模块、485通信模块、实时时钟模块、红外模块、显示模块、恒流驱动电源模块等组成，具有远程独立整体控制开灯关灯、定时开关灯、环境检测智能调节开关灯、功率可调等功能，具有精度高、抗干扰能力强等特点。
关键词：
集散式控制STC89C52ATmega8485通信功率可调
Abstract:
Thissystemusesdistributedcontrolmode,slipcontrollerandthecellcontrollercontainprocessors.ToSTC89C52slipasasystemcontroller,microcontroller,ATmega8asacellcontroller,forinformationcollectionandprocessing,slipcontrollerandthecellcontrollerusingtherelevantcommunicationprotocol,toachieveasimulatedstreetlampcontrolfunctions.ThesystemusesDCpowerfromtheMCUcontrolmodule,soundandlightalarmmodules,environmentalmonitoringmodule,communicationmodule485,real-timeclockmodule,IRmodule,displaymodule,constantcurrentdrivepowermodules,hasalong-rangeindependencetheoverallcontrollightsturnonthelights,timerswitchlight,environmentaldetectionofintelligentregulatorswitchlights,poweradjustablefeatures,therearehighprecision,stronganti-interferenceabilityandsoon.
Keywords:
STC89C52ATmega8485BusPowerAdjustable
1方案设计与论证
根据题目要求：
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。
图1-1路灯控制系统示意图
针对系统要求，系统总体方案，可以采用以下几种方案来进行设计：
方案一：
采用集中控制方式，单元控制器，无处理器，只有支路控制器有处理器，所有数据采集，处理控制都由支路控制器处理器来执行，单元控制器只是一些基本检测控制电路。
方案二：
采用集散式控制模式，支路控制器和单元控制器均含有处理器，均能对信息进行采集和处理，支路控制器和单元控制器采用相关通讯协议进行通讯。
方案一，系统结构简单，成本低，但便于系统扩展，不具有实用性。
方案二，系统较方案一复杂，系统通过总线可以很方便扩展单元控制器，具有较高实用性和灵活性。
结合平时训练中联系，和设计系统实用性角度，我们采用方案二。
1.1LED恒流驱动电源方案
方案一：
利用集成稳压器MC7805改变自身压差来维持通过负载电流不变。
虽然此方案电流能达到，但大工作电流7805发热严重，需要加足够散热器。
此方案温漂大，负载不能过重，作高精度恒流源不适用。
方案二：
采用集成运放构成线性恒流源。
可两个运放构成比较放大环节，复合管构成调整环节。
但此做法电路复杂，运放运行维持及饱和状态难于把握。
方案三：
采用AMC7135恒流芯片，产生350mA恒定电流输出推动1W高功率LED，通过场效应管导通和截止来控制恒流源电路导通和断开，当给栅极高电平时，场效应管导通,恒流源导通，LED灯亮，否则就灭，从而实现了对LED灯亮灭状态控制。
无须任何外接组件,并具有输出短路/开路保护与内建过热保护装置。
此方案简单，精度高，稳定且易于实现，故采用此方案。
1.2车辆检测方案
方案一：
每个LED灯上放置超声波模组，在物体M通过S，B，S’时，系统探测到，把信息传递给支路控制器。
考虑到此方案性价比太小，舍弃。
方案二：
采用调制模式。
使用普通红外发射接收装置，在S，B，S’三个位置放置红外发射和接收装置，当物体经过这些点时，把信息传递给支路控制器。
此方案测试距离理想，性价比高，故选择此方案。
1.3数据通信方案
方案一：
CAN总线。
CAN总线数据通信具有突出可靠性、实时性和灵活性。
CAN总线是多主，任一节点均可任意往总线上发送数据，协议由硬件保证。
CAN总线数据帧为8个字节短帧，传输大批量数据不方便，CAN总线硬件成本高。
方案二：
无线通信。
利用电磁波信号可以在自由空间中传播特性进行信息交换通信。
实验室缺少实现条件。
方案三：
RS485总线。
485总线是主从式，通讯距离远，可达1200米以上，可靠性高。
485数据帧及通信协议自定，较灵活，主要在于软件设计；对于此系统传输线仅使用双绞线，方便又是差分传输，有极强抗共模干扰能力，总线收发器灵敏度很高，且性价比高，支持到多个节点，可达到几百个，易于系统扩展，可以控制更多路灯。
由于此方案较熟悉，且操作简便容易实现，故采用此方案。
1.4故障检测方案
方案一：
电流取样法。
根据电流取样电阻上取样电流，判断灯状况。
如果出现接触不良与断路（保险烧坏为短路状况），则检测不到电流。
由单元控制器将信息反馈给支路控制器，产生声光报警并且显示故障路灯信息。
方案二：
在路灯上安装光敏传感器，检测把信息传给控制器判断灯是否亮。
由单元控制器将信息反馈给支路控制器，产生声光报警并且显示故障路灯信息。
综上，可以初步确定系统支路控制器和单元控制器功能和模块，支路控制器和单元控制器框图1-2和1-3。
图1-2支路控制器框图图1-3单元控制器框图
2理论分析与设计
2.1红外车辆检测电路设计
在S、B、S’处安装红外对管，当有车辆通过时，红外接收管不能接收到红外发射管红外线，此时红外接收管两端电压会发生变化。
经比较输出，送入单片机外部中断管脚。
利用单片机感知是否有测量通过。
另外考虑到环境光线和人体红外线对红外对管影响，防止出现误动作，采用以下两种措施提高抗干扰能力：
一、是给红外发射管加一个固定频率信号，区别干扰红外线。
二、是使用不透光材料将红外接收管包住，只留下一个较小接收面，可以提高系统可靠性。
2.2功率步进计算
亮度控制采用PWM调制技术，根据P=U*I,测试发现，LED灯电流和电压成线性关系，故功率与电流平方成正比：
P=f（I*I）,功率调整，利用PWM电流变化对功率进行调整。
在单片机程序中将功率满量程分为100等分，故功率理论上最大误差是1%。
满足题目功率误差不大于2%。
另外还可以对满量程进行更细分，则功率调节精度更高。
3电路图和设计文件
3.1各模块电路图
LED驱动恒流源以恒流源芯片AMC7135作为主芯片，利用场效应管控制AMC7135电流。
为LED灯提供所需功率。
具体电路如图3-1所示。
图3-1LED恒流驱动电源模块
红外车辆检测电路原理已经在前面做了详细叙述，电路如图3-2所示：
图3-2红外车辆检测电路
3.2主从通信协议实现
正常情况分支控制器可以自己决定发起命令，单元电路只能回复响应，但是遇到灯损坏特殊情况时，允许周期性（以较低频度发出）发出报警信息直到得到分支控制器响应。
发送要避开当前正在接受数据周期。
理论上存在单元电路和分支电路同时发冲突，实际几率很低，即便是出现数据冲突，数据校验位也可以弥补。
程序流程图如图4-1。
图4-1程序流程图
4测试数据与分析
4.1测试仪器
TDS1002型60MHZ10GS/s双通道数字存储示波器、高精度数字BRT500台式万用表、DS-1（DH1718D-2）双通道直流稳压源、卷尺。
4.2测试方案
（1）测试定时控制开灯关灯：
系统设定为人工控制模式，设定开灯和关灯时间，并在液晶上显示，分别记录开灯和关灯时实时时钟时间，做对比。
（2）测试支路控制器受环境明暗变化调节灯状态：
系统设定为智能模式，环境光明亮环境下设定初始状态为灯灭，然后用黑色罩子盖住光敏传感器，观察两灯变化状态；去掉盖在光敏传感器黑色罩子观察两灯变化状态。
（3）测试支路控制器根据交通情况自动调节亮灯状态：
系统设定为智能模式，1）物体M移动路线S-A-B-C-S’，分别记录物体到S、B、S’点时灯1和灯2状态。
2）物体M移动路线S’-C-B-A-S，分别记录物体到S、B、S’点时灯1和灯2状态。
（4）测试支路控制器能独立控制每只路灯开灯和关灯时间：
系统设定为人工控制模式，设定灯1（灯2）开灯和关灯时间，并在液晶上显示，记录亮灯前后状态和灯1（灯2）开灯和关灯时实时时钟时间。
（5）故障测试：
设定初始状态为灯亮，1）去掉图1-1中电流测试连接棒（作为断路状态），观察记录声光报警信息。
2）短接图1-1中两电压测试点，观察记录声光报警信息。
（此操作尽管有保险管作为保护，但仍可能由于电流过大损坏AMC7135芯片，甚至损坏整个系统，所以不做测试。
）
（6）调光功能测试：
分别设定不同功率值，测定电压和电流数据并记录，计算出功率。
4.3测试结果
系统设计完成后进行了详细测试，针对赛题各项要求，从定性到定量对各项指标完成测试，各项指标均达到或超过赛题要求，详细测试结果见附件附表。
4.4结果分析
系统采用不同模式测试指标均达到题目基本和发挥部分要求，各项指标测量效果明显，精度高，整体性都达到题目发挥部分要求。
5总结
本系统采用集散式控制模式。
以STC89C52单片机作为系统支路控制器，ATmega8作为单元控制器，对信息进行采集和处理，支路控制器和单元控制器采用相关通讯协议进行通讯，实现对模拟路灯控制功能。
具有远程独立整体控制开灯关灯，定时开关灯，环境检测智能调节开关灯，功率可调等功能。
有精度高、抗干扰能力强等特点。
所有指标均达到或部分超过赛题要求。
参考文献
[1]张迎新等.单片机基础.北京航空航天大学出版社,2006.
[2]孙传友等.测控电路及装置.北京航空航天大学出版社,2002.
[3]黄智伟著.全国大学生电子设计竞赛电路设计.北京航空航天大学出版社,2006.
[4]黄智伟等.全国大学生电子设计竞赛训练教程.北京电子工业出版社,2005.
附件：
各项指标测试表
类型
序号
项目与测试条件
测试记录
基本要求
1
设定显示控制开关灯时间
人工控制模式：
设定开灯时间20：
10：
00
开灯时间
20：
10：
00
人工控制模式：
设定关灯时间20：
11：
00
关灯时间
20：
11：
00
2
测试支路控制器受环境明暗变化调节灯状态（测试环境光线明亮）
智能模式:
罩住光敏传感器
灯1状态变化
灭—亮
灯2状态变化
灭—亮
智能模式:
去掉光敏传感器
灯1状态变化
亮—灭
灯2状态变化
亮—灭
3
测试支路控制器根据交通情况自动调节亮灯状态（已检测）
智能模式：
物体M移动路线S-A-B-C-S’
灯1状态
灯2状态
S
亮
灭
B
灭
亮
升级会员 