模拟路灯控制系统设计报告.docx

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模拟路灯控制系统设计报告

模拟路灯控制系统设计报告

摘要

本系统由支路控制器、单元控制器、显示模块、电源模块四大主要部分构成。

支路控制器由SCT89C52单片机作为核心器件，辅以光敏电阻检测环境的变化，通过光电传感器检测道路交通状况，在路灯LED外壳内加装光敏电阻以检测路灯是否故障等，实现对系统整体功能控制；单元控制器以STC89C52作为控制核心，实现与支路控制器的通信，控制单元路灯的自动开关灯，控制恒流源输出功率的大小，辅以自制恒流源提供LED路灯电源；显示模块以LCD12864为核心器件，实现各路灯开关灯时间、路灯状态等信息的显示。

整个系统功能齐全，精度高，稳定性好，各项指标均满足设计要求，人机界面良好。

关键字：

单片机、LCD12864、光敏电阻、光电传感器、恒流源

目录

一、方案论证与选择-------------------------------------------------------------------------3

二、理论分析与计算-------------------------------------------------------------------------4

三、系统电路设计与实现-------------------------------------------------------------------4

四、软件设计----------------------------------------------------------------------------------6

五、测试与分析-------------------------------------------------------------------------------7

六、创新点-------------------------------------------------------------------------------------8

七、总结-----------------------------------------------------------------------------------------8

八、参考资料-----------------------------------------------------------------------------------8

九、附件-----------------------------------------------------------------------------------------8

1、附件一系统电路原理图----------------------------------------------------------8

2、附件二系统元器件清单----------------------------------------------------------11

一、方案论证与选择

1、单片机的选择

方案一：

选择AVR单片机。

其是ATMEL公司研制开发的一种新型单片机，运行速度快，内部资源丰富，驱动能力强，具备多种独立的时钟分频器。

方案二：

选择STC89C52单片机。

其算术功能强，软件编程简洁灵活、自由度大，用软件编程实现各种逻辑控制功能，低功耗、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强，在系统/在应用可编程（ISP，IAP），不占用户资源。

基于以上分析，在本系统设计中，如果选择AVR单片机则造成单片机的资源浪费，选择STC89C52单片机则体现出系统的高性价比。

我们选择方案二。

2、单片机之间通信选择方案

方案一：

选择RS-485总线。

RS-485采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰能力。

加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。

其用于多点互连时非常方便，能省掉许多信号线。

方案二：

采用单片机之间直接通信。

其通信方式简单，易于编程，减少了系统的外围电路，节约成本，方便硬件电路设计。

基于以上分析，因本设计是模拟路灯控制系统，在能满足题目要求指标时，应该尽量节约成本。

因此我们选择方案二，以体现大赛的性价比要求。

3、显示器件选择方案

方案一：

选择LED。

采用LED的时占用单片机接口太多，显示信息量太少，需要循环显示，且占用太多程序资源。

方案二：

选择LCD12864。

功耗低且字型美观、显示信息量大，灵活多变地显示多种信息资源。

能够显示中文，对于一般的人群而言，人机交互界面友好。

基于以上分析，为了节约单片机资源，提供良好的人机界面，方便使用者操作本系统，我们选择方案二。

4、物体检测方案

方案一：

采用超声波测距。

模块利用超声波的测距原理可以判断道路中有没有物体通过，此方案不存在光线干扰问题，但是涉及大量的模拟电路，调试复杂，而且对超声波功率设定也没有一定标准。

CPU需要处理大量数据，速率低。

方案二：

采用市场上光电感器模块。

该传感器具有体积小，灵敏度高，线性度好，性能稳定等特点，测量距离能满足要求。

基于以上分析，如果选择方案一会加大硬件设计难度，而且超声波的范围很广，难于实现物体标志位与测量点的垂直距离≦2CM的要求。

但选择方案二则可以很容易克服超声波带来的困难，方便实现题目要求。

因此我们选择方案二

5、恒流源的选择方案

方案一：

采用开关恒流源。

其具有高可靠、低耗、低噪声、抗干扰等特点，但其技术在国内还不够成熟，而且构成其的核心元器件很难买得到。

方案二：

采用通用的LM317自制恒流源。

LM317内阻小，噪音极低，输出纹波小且芯片具有过热，过流，短路保护功能。

用其设计恒流源简单稳定，能满足系统设计要求。

基于以上分析，在满足系统的设计要求下我们选择方案二。

6、路灯故障方案

在方案设计中我们采用光敏电阻检测路灯是否正常工作，其原理在LED路灯处加装光敏电阻，开灯延时一段时间，再判断光敏检测电路输出是否正常。

正常则认为路灯无故障，不正常则认为路灯有故障。

二、理论分析与计算

1、恒流源的参数选择

根据题目要求，我们自制恒流源。

其电路参数设置根据公式输出恒电流

Iout=（Vref÷R1）+Iadj=1.25V÷R1

说明：

本电路的电阻采用PWM方式，通过控制三极管的通断，实现电流的控制，实现等效电阻R1的作用。

2、恒流源的输出功率控制

根据题目要求，恒流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%。

为保证达到指标要求，在恒流源电路设计时，我们采用PWM控制PNP三极管的通断来实现此指标。

我们设恒流源输出功率为100%时的PWM值为0，即PWM输出端口一直为低电平，通过增加或减少PWM的值控制其输出功率的大小。

3、交通状况的检测与路灯的控制

根据题目要求，支路控制器应能根据交通情况自动调节亮灯状态。

为实现此指标，我们在题目设置的S、B、S’处放置光电传感器，当物体依次通过S、B、S’处时，分别产生一个信号送给支路控制器的单片机，以实现相应的路灯的开或关的控制。

而且光电传感器指向性很好，很容易实现物体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≤2cm指标要求。

三、系统电路设计与实现

1、系统设计原理框图

系统设计原理框图

2、电源电路设计

本系统除光电传感器需要+12V电压外，其他芯片的工作电压都是+5V。

系统用220V市电经变压器降压整流为±6V后，一路送LM7812稳压为+12V，给光电传感器提供所需的工作电压，另一路送LM7805稳压为+5V给其他芯片提高所需的工作电压。

3、路灯自动开关电路设计

本电路设计如图2，其以LM339为核心元件，用光敏电阻测量环境的变化，用电位器调节电路对光照量的敏感度，当光照量到达设定值时，LM339产生一个信号告知单片机即可以开或关灯了。

4、时钟电路设计

本系统设计是以8563时钟芯片为核心，辅以电池，在系统电路掉电后，能及时给时钟芯片供电，避免了时钟芯片因系统掉电后不能正常工作的情况。

其电路图如下图3.

5、恒流源电路设计

LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路，其输出电压范围是 1.2V 至 37V，负载电流最大为 1.5A，内阻小，噪音极低，输出纹波小（输出端仅用100uf），且芯片具有过热，过流，短路保护功能。

本电路用其与PNP三极管组成一个简单的稳定的恒流源，通过PWM来调节三极管的通断实现其输出功率的变化。

最终电路如图4。

6、显示与声光报警的实现

根据题目要求需要对开关灯时间和故障灯的地址显示，并能发出声光报警信号。

在本系统设计中分显示和声光报警两部分，其中显示部分采用LCD12864作显示屏，采用并行口的方式驱动液晶。

在声光报警部分用蜂鸣器做声音发生器，LED灯产生光，用PNP三极管做其开关，其最终电路如下图5。

图.2图.3

图.4图.5

四、软件设计

1、主机与从机的程序流程图

主机与从机的程序流程图

2、单片机之间通信设计

本系统的三个单片机之间的通信，我们考虑到通信距离以及开发成本灯问题，采用三单片机直接通信。

我们给三个单片机进行编号，主机的设定编号为0，从机1的编号为1，从机2的编号为2，但主机向从机发送数据的格式与从机向主机发送数据的格式并不一样，具体如下：

主机发送到从机的通信格式：

从机路灯信号为这样，送一个‘y’表示打开从机路灯，送一个‘n’则关闭从机路灯。

如，需要打开从机1的路灯，则应该以这样形式发送出去：

‘1’，‘y’。

从机发送到主机的通信格式：

从机返回故障信号为这样，‘y’表示从机有故障，‘n’表示从机无故障。

如，需要返回从机1的路灯故障信号，则以这种格式返回：

‘0’，‘1’，‘y’.

五、测试与分析

1、恒流源输出功率测试与分析

1）测试工具：

+5V电压源，万用表，秒表，示波器等

2）测试数据

次数

时间

第一次

第二次

第三次

第四次

备注

输出功率

误差

输出功率

误差

输出功率

误差

输出功率

误差

2分钟

48%

2%

49%

1%

49%

1%

49.5%

0.5%

理论输出50%

5分钟

29%

1%

28%

2%

29%

1%

29.5%

0.5%

理论输出30%

1分钟

59%

1%

58%

2%

59%

1%

59.5%

0.5%

理论输出60%

表1

3）分析

由表1的测试数据，可知我们自制的恒流源基本达到发挥部分的题目指标要求，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%.虽然存在调节误差，但是能基本达到题目要求，而且硬件电路的设计简单，节约了成本。

2、交通状况的检测与路灯的控制

1）测试数据

测试

次数

S处情况

B处情况

S’处情况

灯的状态

标志位与S距离

灯的

状态

标志位与B距离

灯的

状态

标志位与S’距离

左到右

第一次

灯1亮

0.4cm

灯1灭灯2亮

0.2cm

灯2灭

0.2cm

左到右

第二次

灯1亮

0.3cm

灯1灭灯2亮

0.2cm

灯2灭

0.2cm

右到左

第一次

灯1灭

0.2cm

灯2灭灯1亮

0.2cm

灯2亮

0.2cm

右到左

第二次

灯1灭

0.2cm

灯2灭灯1亮

0.2cm

灯2亮

0.2cm

表2

2、分析

表2的数据，可知不管物体从左到右或从右到左运动，LED路灯都能实现题目基本要求的第三小点指标要求，而且每次光电传感器检测到物体时，标志位的位置与亮灯状态变换点（S、B、S’）垂线间的垂直距离在0.2cm到0.4cm之间，其值都≦2CM。

为此我们的此部分的功能设计，符合了题目的设计要求。

六、创新点

1、本系统设计中的显示部分，添加了全部路灯正常、故障路灯数量显示。

2、单片机之间采用直接通信方式，从而减少了通信总线接口和单片机外围电路，节约了成本。

3、在发挥部分的输出功率控制中，采用单片机产生PWM脉冲，控制三极管的通断，来实现题目的输出功率要求。

避免了用电位器调节而带来的技术困难。

七、总结

本系统采用典型STC89C52单片机芯片作为系统的CPU，体现了极高的性价比。

通过光敏电阻及时检测环境的变化，从而实现路灯的自动开关等；障碍路灯的检测则采用在LED路灯处加装光敏电阻，当光敏电阻正常工作时检测不到光即认为该处路灯已故障；通过光电传感器检测道路的交通状况，从而实现题目基本要求的第三部分功能。

另外，友好的LCD人机交换界面及功能键盘极大地方便了操作者使用本系统，并且可以跟不同的环境设定路灯的开关灯时间。

本系统的主要特色是单片机之间采用直接，恒流源的输出功率控制采用PWM方式。

通过全面调试，系统各项性能指标都到达了题目要求。

八、参考资料

[1]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计.北京航空航天大学出版社,2007

[2]胡宴如.模拟电子技术.高等教育出版社,2007

[3]杨志忠.数字电子技术基础.高等教育出版社,2006

[4]谢文和.传感技术及其应用.高等教育出版社,2002

[5]祁伟等.单片机C51程序设计教程与实验.北京航空航天大学出版社,2006

九、附件

附件一：

系统电路原理图

图6.电源电路原理图

图7.主单片机电路原理图

图8.从单片机电路原理图

附件二：

元器件清单

元器件清单

1

元器件名称

数量（个）

26

元器件名称

数量（个）

2

STC89C52单片机

1

27

LM7812

1

3

STC89C51单片机

2

28

LM339

3

4

蜂鸣器

1

29

24C01

1

5

变压器

1

30

8563

1

6

整流桥

1

31

晶振11.0592M

3

7

4700uF/50V电容

2

32

6脚开关

1

8

104电容

6

33

LCD12864

1

9

20PF电容

6

34

LCD1602

1

10

220uF电容

6

35

黑色直立接插件

若干

11

10uF电容

3

36

白色2位接插件

若干

12

15pF电容

2

37

白色3位接插件

若干

13

10K电阻

30

38

16脚接插件

若干

14

1K电阻

5

39

40脚IC座

若干

15

4.7K电阻

1

40

8脚IC座

若干

16

10K电位器

4

41

14脚IC座

若干

17

10排阻

3

42

导线

若干

18

470电阻

4

43

电源线

1条

19

光敏电阻

3

44

铜柱

若干

20

4脚按键

16

45

跳线帽

若干

21

发光二极管

4

46

铁丝

2米

22

二极管

4

47

1W发光LED灯

2

23

LM7805

3

48

散热片

6

24

LM317

2

49

10*15印刷电路板

若干

25

光电传感器

3对