单片机控制的模拟路灯控制系统设计大学毕设论文.docx
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单片机控制的模拟路灯控制系统设计大学毕设论文
2010年全国大学生电子竞赛
论文设计
题目：
模拟路灯控制系统
学生姓名：
指导教师：
模拟路灯控制系统
摘要：
本系统采用凌阳SPCE061A单片机，构成系统的支路控制器和单元控制器。
自己制作的LED数码管显示模块、键盘输入控制模块、光敏传感器、光电传感器、声光报警模块等作为系统的辅助电路。
分别实现了开关灯时间的显示和控制，不同环境明暗和交通情况下的路灯智能控制，故障报警等题目中的基本要求。
系统的单元控制器利用自制恒流驱动电源，可以使驱动电源输出功率在规定的时间自动减少，完成题目要求的发挥部分。
此外，系统采用双核控制，在若干车辆双向行驶的复杂交通情况下，依然可以实现对路灯的智能控制；自己加工辅助模块，大大提高了系统的性价比，部分模块（如LCD显示模块）的选材还体现了低功耗的新兴理念。
关键词：
路灯控制凌阳SPCE061A恒流驱动电源
Abstract:
ThissystemusesSunplusSPCE061ASCM,constituteasystemoftributariescontrollerandaunitcontroller.Theirledleddisplaymodule,keyboardinputcontrolmodule,photosensitivesensors,acousto-opticphotoelectricsensors,alarmmodule,andsoonasasystemofauxiliarycircuits.Switchlampsrespectivelyimplementationtimeisdisplayedandcontrol,differentenvironmentsanddarksandtrafficsituationsStreetlightalarmingintelligentcontrol,andsothebasicrequirementsinthetopic.
Systemunitcontrollerself-madeconstant-currentdrivepower,canmakedrivingpoweroutputpowerwithintheprescribedtimeautomatically,completetherequirementsoftheplayapartofthetopic.Additionally,thesystemwithdual-corecontrol,incertainvehiclestwo-waycarriagewayofcomplextrafficsituations,stillcanimplementsmartcontrolonthestreet;itsownprocessingsubsidiarymodules,greatlyimprovedprice,somemodules（suchasLCDdisplaymodules）selectionalsoembodiestheemergingconceptoflowpowerconsumption.
Keywords:
StreetlightcontrolSunplusSPCE061Aconstantcurrentdrivingpower
1方案比较与论证
1.1最小系统开发板比较论证：
方案一：
采用MCS-51系列单片机。
传统的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。
方案二：
采用SPCE061A单片机作为控制模块。
SPCE061A具有丰富的资源：
RAM，ROM空间大、指令周期短、低功耗、低电压、体积小，易扩展，可编程音频处理，易于编写和调试，且独具语音播报功能等优点。
这些特点极大地提高了开发效率。
综上分析，选择方案二。
1.2显示模块比较论证：
方案一：
采用SPLC501液晶显示模块。
内建128*64点阵，有丰富的文字和图形显示功能，轻薄便携，视觉舒适，但液晶显示不够鲜明，欠稳定，寿命短。
方案二：
采用LED数码管显示。
LED数码管具有颜色鲜艳，亮度高、功耗低、可视角度大和刷新速率快等优点；并且通过查阅相关资料得知，LCD与LED的功耗比大约为10:
1，相比较而言，LED功耗更低。
鉴于本系统只显示有限的数字和符号，选择方案二。
1.3键盘输入控制模块比较论证：
方案一：
采用触摸屏液晶显示按键输入控制。
采用触摸屏液晶，精度可调，美观大方，时尚前卫。
但同时价格昂贵，易损坏，维护量工作大。
方案二：
采用自制的4*4矩阵式键盘输入控制，4*4矩阵式键盘充分利用单片机的I/O端口，节省硬件的同时，扩增了按键数。
同时，自己制作的矩阵式键盘，方便耐用，原理简单，检修容易。
基于减少开支和方便控制的考虑，选择方案二。
1.4环境明暗-路灯控制模块比较论证：
方案一：
在电子城购买光敏传感器。
采购光敏传感器，使用方便，节省时间。
但市面上的传感器质量参差不齐，质量好的传感器又价格高昂，价格低的传感器测量准确度又没有保证。
方案二：
采用自己制作的光敏传感器。
该传感器以光敏电阻为主要元件，利用其在环境明暗不同情况下的分压不同，给单片机以不同反馈，实现开关灯控制，本方案对路灯实时控制，控制灵活，体现人性化设计。
综上分析，我们选用方案二。
1.5交通情况-路灯控制模块比较论证：
方案一：
采用碰撞开关。
碰撞开关结构简单，但是移动物体必须碰到碰撞开关才能工作。
有一定破坏性。
方案二：
采用超声波测距模组。
超声波测距模组通过超声波的渡越时间法，通过不断发射超声波，不断感知超声波，可以比较准确的感知移动物体的位置，实现车来灯亮，车走灯灭。
但超声波测距模组价格不菲，用于本系统有些大材小用。
方案三：
采用自己制作的光电传感器。
自己制作的光电传感器采用一体化结构，对经过的物体感知灵敏，高低电平变化明显，体积小，结构紧凑，安装方便。
为减少开支提高性价比，选择方案三。
1.6声光报警模块比较论证：
方案一：
选择专门的语音存储芯片1420，通过单片机控制放音。
放音时间只有20秒，只能进行简单的放音，不能满足报警的要求。
方案二：
凌阳SPCE061A本身自带DAC语音播放功能，具有大量语音处理函数库供用户调用，功能过于强大，自带大部分语音处理函数库大部分都被浪费，报警的方式过于单一，不够灵活。
方案三：
自己焊接外围声光报警模块，自己焊接报警模组，声光报警方式灵活，且仅利用单片机的一个或两个端口，就可实现报警动作。
综上分析，我们选择方案三。
1.7恒流源模块比较论证：
方案一：
购买现成的恒流源，电流稳定；但价格昂贵。
方案二：
用LM2575ADJ制作可调恒流源。
直流电压输入，经LM2575ADJ和LM393构成反馈回路，输出恒定电流，通过对回路中的可调电阻调节输出电流的大小。
方案理论上可行，但实际试验测试，输出线性度不够高，在5V电压下工作性能不够稳定。
方案三：
用LM358制作PWM恒流驱动。
方案将两片LM358和单片机构成有机整体，利用凌阳开发板的PWM输出，并且利用开发板自带的AD采集对外部电压采集，自动建立电压与输出电流的关系，从而精确调节电流输出。
方案电路连接简单，控制灵活，合理充分地利用了开发板资源。
鉴于以上分析，我们选择方案三。
系统需要的各个模块，我们尽量选用自己制作，而避免购买市场现成的模组。
一方面我们更熟悉各模块原理，另一方面，自己制作的模块可以更好为系统服务。
经过仔细的方案论证和分析，我们确定的最终方案如下：
支路控制及单元控制器：
SPCE061A单片机
显示模块：
自制LED数码管显示
键盘输入控制模块：
自制4*4矩阵式键盘
环境明暗路灯控制模块：
自制光敏传感器
交通情况路灯控制模块：
自制光电传感器
驱动电源模块：
自制恒流驱动电源
声光报警模块：
自制声光报警模块
2理论分析与设计
2.1系统整体设计：
系统结构框图如图1所示。
为了使本模拟路灯控制系统更好应对更复杂的情况（譬如：
当多辆汽车穿梭于我们的公路上，并且双向行驶等复杂情况），我们使用了两片SPCE061A单片机分别作为系统的支路控制器和单元控制器。
图1系统结构框图
2.2单元硬件设计：
2.2.1键盘输入控制电路设计
对于键盘输入设计，我们采用矩阵式，这样对于同样的端口，矩阵键盘多了一倍的按键，易于通过多余的按键实现扩展功能的实现。
值得一提的是，我们拆卸废旧电脑键盘的按键，自己组装成4*4符合题目要求的矩阵键盘，不但变废为宝，而且节省了开支，提高了系统的性价比。
根据设计需求，我们设计的矩阵键盘原理图如图2所示，矩阵键盘功能图如图3所示。
图2键盘原理图
图3键盘功能图
A:
设定路灯②的关灯时间
B:
设定路灯②的开灯时间
C：
设定路灯①的关灯时间
D：
设定路灯①的开灯时间
E:
确定
F:
开始调节时间
G：
分钟加1
H：
小时加1
2.2.2数码管显示电路设计
根据题目要求，本系统能够显示开关灯时间，我们自制的数码管显示电路可以同时显示开关灯时间，同时显示路灯此时此刻的状态。
主要原理图如图4所示，
图4数码管显示原理图
2.2.3光敏传感器电路设计
自制光敏传感器原理图如图5所示，LDR是暗阻≥47K的光敏电阻，VCC接3.3V或5V。
当有光照时，LDR光阻近似为零，Signal输出为低电平。
而当无光时，Signal＝VCC*（LDR/（LDR+（R1//R2）））.由于LDR和R1//R1近似相等，Signal也约等于VCC/2。
若VCC/2不能给单片机以高电平，则可通过调节R2改小R1//R2的阻值，提高Signal的电压值。
图5光敏传感器原理图
2.2.4光电传感器电路设计
图6光电传感器原理图
图7光电传感器的位置
自制光电传感器如图6所示，光电开关导通后，Signal输出电平近似为零，LED不亮，此时对应公路上有车辆经过；若光电开关没有导通，Signal输出电平为高电平，LED点亮，此时对应公路没有车辆经过。
系统中的光电传感器安装位置如图7所示，安装点距“亮灯状态变换点”垂线间的距离≤1cm.
2.2.5声光报警电路设计
自制声光报警电路原理图如图8所示，声光报警电路由择价格便宜、驱动电压较小的红色发二极管和普通蜂鸣器构成。
经测试得知，LED1的正常工作电压约为2V，额定电流约为50mA，则串联电阻阻值R＝（U-2）/（50/1000）＝60Ω。
图8发光报警装置
2.2.6恒流驱动电源电路设计
图10稳压部分
图11恒流源部分
恒流源主要由稳压部分和恒流源部分组成，稳压部分主要由三端稳压器件LM317T及整流滤波部分组成，为恒流源及系统其它模块提供稳定电压。
恒流源部分为负载LED提供恒定电流的同时，整体作为反馈回路，为单片机提供电压采集端口，构建“电压-电流-PWM”关系式，使负载始终渡过恒定的电流。
当要求输出功率按规定时间按要求减小时，只要关闭AD采集，直接结合定时器调整PWM，调整恒定电流，达到功率调整的要求。
2.3系统软件设计：
2.3.1主程序设计分析
本路灯控制系统本着以节约成本为主，支路控制器采用一块SPCE061A板控制，单元控制器采用每两个路灯共用一块SPCE061A板，两块CPCE061A板之间通过串行通讯进行数据传输。
由此程序分为两大部分：
支路控制器程序和单元控制器程序。
支路控制器程序总流程图：
图12支路控制器程序总流程图
单元控制器程序总流程图：
图13单元控制器程序总流程图
2.3.2中断程序设计分析
中断程序主要采用的中断6服务程序和中断4服务程序。
中断6服务程序主要提供键盘扫描服务，中断4中断服务程序则主要提供数码管使能及定时变量的累加。
具体程序流程如图14，图15所示。
图14中断6服务程序
图16中断4服务程序
3测试数据与分析
3.1系统测试：
3.1.1基本要求测试：
✓测试对象：
光敏传感器。
✓测试方法：
将连入系统的光敏传感器分别置于傍晚、深夜、清晨三种不同光强度的环境下，观察路灯开启与关闭情况。
✓测试数据：
详见表1
表1
9月3日傍晚
9月4日深夜
9月4日清晨
天气
多云
多云转晴
晴
时段
18：
30
19：
00
19：
30
21：
00
0：
00
2：
00
5：
00
5:
30
6:
00
路灯状况
灭
亮
亮
亮
亮
亮
亮
灭
灭
✓测试对象：
光电传感器。
✓测试方法：
在自制仿真地形上，架设好调好的光电传感器，使自制的车辆M往返于公路的指定路线上，观察并记录路灯开启与关闭状况。
✓测试数据：
设M上定位点与“亮灯状态变换点”垂线间距离为d。
LED1灯编号Ⅰ，LED2灯编号Ⅱ。
测试数据详见表2。
表2
位置
S前
S-B
B-S’
S’后
路灯状态
Ⅰ灭Ⅱ灭
Ⅰ亮Ⅱ灭
Ⅰ灭Ⅱ亮
Ⅰ灭Ⅱ灭
距离d
1.5cm
2.0cm
1.5cm
2.0cm
✓测试对象：
声光报警模块
✓测试方法：
在路灯正常照明的情况下，故意使连接路灯的线路断路，观察有没有声光报警信号发出并显示有故障路灯的地址编号。
✓测试数据：
在不同的路灯发生断路故障时，系统都能及时发出声光报警，并准确显示故障路灯编号。
3.1.2发挥部分测试：
✓测试对象：
恒流驱动电源电流输出
✓测试方法：
用万用表测量不同负载下的电流输出。
✓测试数据：
详见表3
表3
负载数
1个LED
2个LED
3个LED
电流值
0.17A
0.16A
0.16A
✓测试对象：
恒流源输出功率在规定时间内按要求自动调整。
✓测试方法：
设定完毕后，每隔一段时间对恒流留出的电压和电流端口进行测量，计算输出功率。
✓测试数据：
详见表4
表4
9月5日
14：
00
15：
00
16：
00
U/V
3.700
3.503
3.347
I/A
0.148
0.150
0.152
P/W
0.518
0.525
0.507844
误差
1.30%
0.0813%
0.135%
✓测后讨论：
自己制作的各个模块基本都能能较为准确的达到预期目标，虽然自制模块做工不及市场买卖的模块那样细腻，虽然自制模块外形不及市场买卖的模块那样精致。
但自己制作的模块却能像市场买卖的模块那样不逊色的完成使命，而且为本系统节省了一笔较大开支，性价比得到明显提升。
3.2结果分析：
经测试，本系统能够实现：
a）支路控制器能够设定、显示开关灯时间，并控制整条支路按时开灯和关灯。
b）支路控制器可以根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。
c）支路控制器可以根据交通情况自动调节亮灯状态。
d）支路控制器能够分别独立控制每只路灯的开灯和关灯时间。
e）当路灯出现故障时（灯不亮），支路控制器可以发出声光报警信号，并显示有故障路灯的地址编号。
f）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。
本系统能够完成题目要求的基本要求和发挥部分。
在赛前调试过程中，系统性能较为稳定。
4总结
经过四天三夜的不懈努力，我们圆满完成了任务。
通过不断的硬件试验和程序调试，模拟路灯系统总算可以较好的完成题目的要求，无论在环境明暗感知，还是交通情况判断，路灯智能效果都很明显。
而且我们也本着人性化的考虑，实现了多车双向的路灯控制；本着建设性节约型社会的思路，几乎所有模块都是自己焊接制作，大大提高系统的性价比。
但好的结果总是经历不平凡的坎坷，我们曾不断试验光敏传感器的分压电阻，直到取值合适，输出单片机明显区分的高低电平；程序调试上也曾一度僵持仅仅是调试两单片机串行通信程序，程序员反复调IO口，不停对程序改写，最终才实现另人满意的串行控制。
如此这些努力和尝试，激发我们团结协作精神，培养我们解决问题的创新意识。
5参考文献
◆康华光电子技术基础[数字部分]高等教育出版社
◆康华光电子技术基础[模拟部分]高等教育出版社
◆刘洪涛电子制作实用教程电子科技大学出版社
◆张延伟ProtelDXP电子电路设计技法范例清华大学出版社
◆谭浩强C语言程序设计清华大学出版社
◆凌阳大学计划论坛
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