模拟路灯控制系统.docx
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模拟路灯控制系统
模拟路灯控制系统
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摘要
本系统采用MSP430单片机作为模拟路灯控制系统的核心。
由红外光电传感器电路、光敏反馈电路、LED恒流源控制电路、键盘输入电路、LED灯及LCD状态指示电路构成。
时钟系统由单片机构成，采用光敏电阻感应外部环境亮暗的变化以及检测LED灯的状态，利用反射式光电传感器检测路上信息，由运算放大器构成恒流源作为LED灯的供电系统，利用PWM调节LED的发光功率。
可靠的硬件设计和优化的软件算法，以及4*4键盘与LCD显示屏使得路灯控制系统的操作简单、直观；系统对故障报警功能进行了具体的细化，令本设计更加人性化。
关键词：
MSP430单片机，LCD显示屏，恒流源
Abstract
Basedon16-bitsMCUSPCE061Aasthecontrolcenterofsimulativestreetlampsystem,whichconsistsofaninfraredphototubecircuit,aphotosensitivefeedbackcircuit,akeyboardinputcircuit,aLEDandLCDcircuitfordisplayingstate.TheclocksystemismadeupofMCU,withthephotoresistancetodetectthelight'schangeofoutsideandLEDlight'sstateandthereflectedphotoetubetodetecttheinformationoftheroadway.AstotheLEDcircuit,LM393iselectedasthecenterofConstantCurrentSourcesystemandPWMtoadjustthepowerofLED.Withcrediblehardwaredesignandoptimizedsoftwarearithmetic,keyboardandLCDscreenmakethestreetlampcontrolsystemsimpleandintelligible.Besides,itsfailurealarm,makingthesystemtoperformbetter.
Keywords:
MCUMSP430,LCDScreen,ConstantCurrentSource
一、方案的选择与论证
1．主控MCU选择
方案一：
采用传统的8位89C51单片机作为模拟路灯控制系统的核心。
51单片机具有价格低廉,使用简单等特点，但其运算速度低，功能单一，RAM、ROM空间小。
内置接口功能较少，需要扩展较多的外围模块，较为不易。
方案二:
采用16位单片机MSP430作为模拟路灯控制系统的核心。
MSP430具有许多优点：
有多种省电模式，功耗特别省，在液晶显示时也能达到0.8uA的低电源消耗；片内资源丰富,有ADC,PWM,若干TIME,串行口，WATCHDOG,比较器,模拟信号；6微秒的快速启动时间可以延长待机时间并使启动更加迅速，降低了电池的功耗MSP430产品系列可以提供多种存储器选择；ESD保护，抗干扰力特强；1.8V-3.6V低电压供电。
由此看来，430单片机比89C51更具有优越性。
基于上述分析，我们选择方案二。
2.反馈控制电路的选择
根据要求需要设计感受外界光照强度的反馈电路和路灯故障反馈电路，感受外界光照强度一般采用光敏电阻或光敏二极管，其原理基本相同。
（1）感受外界光照强度的反馈电路方案：
方案一：
采用光敏二极管感受外届光照变化，无光照时,有很小的饱和反向漏电流，二极管截止；光照时反向电流增大，形成光电流。
方案二：
采用光敏电阻对光源的感应改变自身电阻，由电压比较器提取之间电压，考虑到电阻变化的灵敏度，采用两个光敏电阻串联的方式，通过改变与光敏电阻串联的电位器的值可以调节光敏电阻的感光范围。
（2）路灯故障反馈电路方案：
方案一：
路灯故障反馈可以采用电流反馈，即在LED灯的支路串联一个小电阻，由于流过支路的电流比较大，支路LED灯的亮灭引起电阻两端的电压差较大，再转换成对应的电流值。
通过AD转换相应的数字电流值，增加了硬件与软件设计的负担，若电路发生故障，不能完全保证对路灯的监控。
方案二：
直接把上面提到的光敏电阻放在对应的LED旁边，利用LED发出的光作为光源，根据光敏器件的反馈量来判断LED是否出现故障，外界的环境可能会对光敏器件造成影响，出现误报，而且不能判断电路的故障原因。
方案三：
将LED灯两端的电压进行取样，对LED灯在正常工作、断路、短路时的电压进行区间划分，然后输入两路比较器，比较器的输出接两路声光报警系统，可以对电路的故障进行初步的直观区分。
考虑第三种方案工作稳定且方便直观，可以有效的对系统工作情况进行监控。
综合考虑以上方案电压比较的方法。
3.恒流源电路方案选择
方案一、由晶体管构成镜像恒流源。
该电路的缺点在于电流的测量精度受到两个晶体管的匹配程度影响,其中涉及比较复杂的工艺参数。
而题目要求输出功率调节误差不高于2%，该电路的电流调节精度达不到。
方案二、由运算放大器构成恒流源电路。
运算放大器构成的横流电路摆脱了晶体管恒流电路受限于工艺参数的特点。
但是只由运放构成的恒流电路，输出电流只能达到几十毫安，远远不能满足设计要求的1W的LED灯,因此必须加上扩流电路。
方案三、由运算放大器加上三极管构成横流电路。
采用运算放大器加上三极管构成恒流电路，既能利用运算放大器准确的特性，输出又能达到要求。
采用高精度运算放大器LM393，更能增加其准确的性能；采用三极管9014进行扩流，具有很大的扩流能力，两者结合，可以实现比较精确的横流电路。
鉴于上面分析，本设计采用方案三。
4.物体经过检测方案的设计与论证
方案一、采用霍尔传感器。
在路面上安装霍尔传感器，当有金属物体通过的时候它可以检测到磁场的变化从而检测到物体，再把信号送给单片机，由单片机发出指令去控制灯的开关。
方案二、采用红外发射接收电路。
在公路的两边，正对的安装红外发射与接收（ST188红外对管）的传感器，当有物体通过的时候发射光会被物体所遮挡，此时接收端没有接收到信号，输出低电平，再把当前电平信号传给单片机，由单片机发出指令去控制灯的开关。
由于霍尔传感器的灵敏度容易受物体性质材料的影响，所以采用方案二。
5.键盘显示模块的选择：
方案一：
采用点阵式液晶显示器（LCD）显示。
LCD功能强大，可显示各种字体的数字、汉字、图像，还可以自定义显示内容，显示灵活生动，同时配有4*4键盘更便于工作人员操作。
方案二：
采用LED数码管显示。
使用4个四联装的数码管动态显示，只能显示非常有限的符号和数字，显示单一，更多的时候还需要给别人解释数码管上面显示的内容，失去了数码管显示的意义，更增加了工作人员工作的负担,并且实现LED的显示控制软件较为麻烦且耗电较大。
分析以上两种方案的优缺点，方案一更方便实用。
二、硬件电路设计
1.系统的具体设计与实现
系统总框图如下：
图1模拟路灯控制系统框图
2.电源模块
1、LED是现在非常流行的一项照明技术。
本题要求采用功率为1W的LED来模拟路灯对道路进行照明。
涉及到用电就要考虑到电源，由于LED本身不是线性变化的，且趋向于低压。
所以一般在使用时通常要求有降压电路、稳压电路、恒流电路；在此设计中选择了恒流源供电。
一般大功率LED的正向电压为3.0~3.6V，典型值为3.3V，而我们通常使用的是3V、5V、9V、12V、15V等，这就要求我们在使用前先进行降压处理。
综合以上考虑，采用三极管与稳压电路一起构成恒流源电路。
具体电路参数如电路图所示：
图2恒流源电路
根据LED参数要求，两端电压
，电流
。
由电路可确定两个二极管之间电压为
，
，则
恒流的输入级要求恒压，所以根据要求采用MC34063构成降压稳压电路。
稳压输出为
。
U为MC34063内部比较器的基准电压。
限流电阻
起到过流保护作用，
为负载电流，则
。
3.检测电路
三、软件设计与算法分析
本系统要完成设定、显示开关灯时间，并控制整条支路按时开灯和关灯等设计。
且对软件的实时控制提出了较高的要求。
对此我们在模块化设计基础上，采用C语言与汇编语言混合编程。
整个软件系统简洁明了，具有良好的扩展性。
通过对单片机的编程，利用传感器的输入模块返回信息控制外部电路的正常工作，用软件完成对路灯的控制，以及路灯故障的检测，以保证路灯的正常工作。
本控制系统软件设计采用分任务模块式，总体软件流程图如下：
图3软件程序流程图
四、测试数据与分析
1.光电管检测到物体与光电管垂直照射面的距离测量。
为了测定可移动物体M上定位点与过“亮灯状态变换点”垂直线间的距离，我们在光电管前面画一条与光电管照射前方一致的一条明显的直线，拿物体先慢慢从左向右移动，再从右向左移动，移动到光电管附近，当光电管反应时就在物体前做标记，测量两标记之间的距离。
测得实验误差参数如下：
次数
光电管1（cm）
光电管2（cm）
光电管3（cm）
1
0.80
0.60
0.40
2
0.60
0.50
0.80
2.通过软件设置PWM占空比，同时测量电流和电压。
百分比
电压（V）
电流（A）
功率（W）
百分比
电压（V）
电流（A）
功率（W）
100%
3.51
0.288
1.01088
80%
3.19
0.224
0.71456
99%
3.50
0.289
1.01150
75%
3.10
0.210
0.65100
98%
3.48
0.287
0.99876
70%
2.91
0.133
0.38703
97%
3.50
0.288
1.00800
65%
2.82
0.122
0.34404
96%
3.44
0.270
0.92880
60%
2.73
0.113
0.30849
95%
3.43
0.271
0.92953
55%
2.63
0.104
0.27352
94%
3.41
0.267
0.91047
50%
2.52
0.092
0.23184
93%
3.40
0.260
0.88400
40%
2.32
0.072
0.16704
92%
3.38
0.259
0.87542
30%
2.10
0.053
0.11130
91%
3.37
0.257
0.86609
20%
1.86
0.034
0.06324
90%
3.36
0.254
0.85344
10%
1.58
0.017
0.02686
85%
3.28
0.236
0.77408
0%
0.00
0.000
0.00000
由测试表格可以看出，输出功率大致呈线性变化。
五、总结
本设计以16位单片机MSP430系统为核心部件，以LM393和三极管共同构成的恒流源电路，采用光电检测技术，通过软件分时复用控制算法对系统进行优化，分模块实现赛题要求。
在系统设计过程中，充分利用430单片机的强大功能，力求以方便灵活的软件编程简化复杂难调的硬件电路，满足系统设计要求。
坚持“人性化”理念，在具体设计中，使用键盘输入、LCD显示形成较为友好的人机交互界面；LED报警指示等特色功能，整机操作简单，使用方便，并很好的完成竞赛的全部要求。
本设计主要特色：
优化的软件算法，智能化的自动控制，使用PWM脉宽调制LED的功率；
传感器检测系统，采用光敏电阻与红外光电传感器；
声光告警指示电路，对故障原因进行细化分析；
较为精确的恒流控制电路，实现LED的恒流控制。
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