基于单片机的LED路灯控制系统Word文件下载.docx

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采用对射式收发一体光电传感器检测物体的运动，使用灵敏光电传感器更有效地实现在物体运动过程中路灯的自动控制，达到节能的要求。

当路灯电路出现故障时，单片机采集路灯电路采样点的电压后处理采集到的数据，实现自动报警功能。

该系统基于可靠的硬件设计和稳定的软件算法实现题目基本要求。

关键词ATMEGA16L功耗节能光电传感器

外文摘要

Title：

BasedonSCMLEDstreetlampcontrolsystem

Abstract

ThissystemtoAVRlowpowerconsumptionATMEGA16Lasthecorecomponentmicrocontrollerseriesbranchcontrolsystem,usingspecialclockchipachievepreciseclockfunction,setanddisplayopentoturnoffthelightsoftime.Thecontrolsystemcanautomaticallyshadeaccordingtotheenvironmentchanges,turnslightsonandtomeetenergyrequirements.ATMEGA16Lisinahighperformance,lowpowerconsumption8-bitAVRmicroprocessorinlowpowerconsumption,madethesystemundertheconditionofstablejob.SystemUSESlineissimple,smallvolumeofspecialDS1302work,DS1302clockchipwhenlowpowerconsumption,maintaindataandclock1mWinformationwhenpowerislessthan.UseDS1302notonlymakethepowerconsumptionofthecircuitisreduced,andsaveIOmouthresources.UsinglowpowerconsumptioncharactertypeLCDasdisplaydevice,showingmoreintuitive.

Usephotoconductiveresistancetotestenvironmentchanges,lightindifferentlightintensityphotoconductiveresistanceunderobviouschangesinelectricalresistancewillhappen,microcontrollerinternalADacquisitionresistancechangesquantityachievedtestingpurpose.DuiShetypetransceiverintegratedbyphotoelectricsensordetectionthemovementofobjects,photoelectricsensorusingsensitivemoreeffectivelyintheprocessinmotionofautomaticcontrol,achievestreetenergyrequirements.Whenstreetcircuitmalfunction,SCMacquisitionstreetcircuitsamplepointvoltagepost-processingthedatacollected,therealizationofautomaticalarmfunction.Thissystembasedonreliablehardwaredesignandstablesoftwarealgorithmtopicbasicrequirements.

KeywordsATMEGA16Lpowerenergy-savingPhotoelectricsenso

目次

1、引言………………………………………………………………………………………1

2、设计任务…………………………………………………………………………………3

2.1任务……………………………………………………………………………………3

2.2要求……………………………………………………………………………………4

3、方案论证与比较…………………………………………………………………………4

4、总体设计方案……………………………………………………………………………5

4.1支路控制系统设计……………………………………………………………………6

（1）时钟模块………………………………………………………………………………7

（2）信号采集模块的设计…………………………………………………………………8

（3）显示、按键模块………………………………………………………………………8

（4）路灯控制模块…………………………………………………………………………9

（5）声光报警模块…………………………………………………………………………9

（6）电源模块………………………………………………………………………………9

（7）恒流源模块…………………………………………………………………………10

4.2软件设计………………………………………………………………………………16

5、结果分析………………………………………………………………………………17

6、结论……………………………………………………………………………………18

7、致谢……………………………………………………………………………………19

8、参考文献………………………………………………………………………………20

附录A系统原理图………………………………………………………………………21

附录B程序清单……………………………………………………………………………22

1引言

道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的LED路灯逐渐走入人们的视野。

目前，LED照明技术日趋成熟，大功率LED光功效已经达到80lm/W，其优点是省电环保、安全、长寿命和高显色指数。

作为一种全新的照明技术，LED路灯使城市路灯照明节能改造成为可能。

在全球节能环保的绿色大潮下，用LED路灯替代传统路灯自然成为人们关注的焦点。

从我国道路照明灯具的使用情况来看，最常见的路灯照明光源为高压放电（HID）型式，如高压钠灯、金卤灯以及低压钠灯和高压汞灯等。

其缺点是：

1、传统路灯的光源中含有重金属物质，污染环境，而且光源为球形发光，光发散不易控，光线易溢出指定照射区域，所以形成光污染；

2、传统路灯光源的能耗是LED的5-10倍，在我们国家照明用电约占总电量的12%。

如果按保守估计，2010年我国总发电量将达到30000亿度，照明用电约3600亿度，其中将近70％的用于道路照明。

如能节约一半的道路照明用电将近1300亿度，相当于三峡电站的年发电量的1.5倍。

3、在显色性方面：

传统路灯较差，显色指数只能达到20～40左右；

4、在均匀度方面：

传统路灯均匀度低，垂直照度虽可达道路照明标准，但边缘照度远远低于垂直照度，均匀度差，不能达到道路照明标准；

5、传统路灯只能达到“亮”的层次，谈不上照明“质”的层次。

传统路灯光的方向不可控，在路面形成圆形光斑，产生局部阴影，照明效果不佳，对行人和车辆驾驶人员在视觉方面造成影响，容易产生交通事故。

随高亮度白光发光二极管（LED）的技术不断进步，大功率的LED照明技术日趋成熟，目前已经商业化的大功率白光LED光源，每灯可达到80到120流明的光度输出，效率大约在80lm/W，并预估在2009年整体性能将可以提升一倍，到达每灯管200流明，发光效率则可望达到160lm/W。

另外LED光源具有器件性能稳定、高效、节能、长寿命、显色指数较好等优点。

此外，在节能环保的巨大压力下，国外政府采取相关政策鼓励和推广LED照明产品应用。

2005年12月日本出台改善与提高能源使用的促进税法，明确规定企业或机构使用LED照明取代白炽灯照明，可获得投资额130％超额折旧，或者是投资额7%的税率减免；

欧盟2006年7月开始实施RoHs法案，限制含汞的荧光灯管的使用；

美国加州立法者提议到2012年实行白炽灯禁止令；

2007年2月澳大利亚政府宣布将逐步淘汰白炽灯；

我国台湾2012年限制白炽灯的使用；

国家发改委、财政部、科技部等部门正在努力推动LED产品取代传统的白炽灯和高压钠灯等传统光源，并确立了到2015年实现节能260亿元人民币的目标。

在技术和政策的推动了LED路灯成为替代传统路灯的首选。

下面我们就LED路灯与传统路灯（高压钠灯）对比在主要性能方面的优点有：

1、环保：

LED是全固体发光体，可以承受高强度机械冲击和震动，不易破碎，废弃物便于回收。

而且LED光源本身不含汞、铅等有害物质，无红外和紫外污染，不会在生产和使用中产生对外界的污染。

使用太阳能电池供电，会更有利于环保。

2、节能：

发光效率高，灯具反射损失低，节省能源70%；

在同样亮度下耗电量仅为普通白炽灯的1/10。

3、寿命长，维护成本低：

LED理论寿命超过10万小时，LED路灯的实际使用寿命在5万小时以上，是高压钠灯15倍以上的寿命，维护费用低。

表1和表2为二者的使用效益比较：

4、显色性佳：

LED路灯的色温可以在4000-7000K之间灵活选择，显色指数最可达80以上，发光颜色更接近于自然光，路面看起来更明亮，感觉更舒适，驾驶人员也感觉更安全。

5、光效利用率高：

LED光源利用率高，约为90%，LED发光角度同灯具的发光角度可保持一致，LED路灯的光可以直接照射到指定区域，光源利用率高。

7、启动时间短：

LED路灯将不存在启动延时问题，可随时接通，随时工作，能够非常方便地实现智能化节能控制。

8、供电系统：

LED路灯用专用驱动模块，不需要大型的变压器，整个驱动器能实现恒流驱动，保证了电压变化时LED路灯亮度不变。

另外，驱动器有许多保护功能，在异常情况下，保障整个电网的可靠性。

同时，作为低压灯具，安全性好也是LED的突出优点。

基于LED在节能、减排、环保等方面的独特优势，半导体照明被誉为人类照明的第三次革命，其应用领域也正在被快速拓展。

至于在LED路灯方面，据业界统计，全球整体路灯市场规模目前约1.6亿盏，其中，我国占1700万盏，预估08年全球LED路灯照明市场规模约91万盏，其中，我国占有超过50%的路灯装置需求，另从产值的角度来看，今年全球LED路灯总产值约10亿美元，中国是目前全球城市化进程最快的国家之一，可以预料在未来的数十年内，全国各地对于大功率、高亮度、节能的LED路灯产品的市场需求是极其庞大的。

目前路灯应用市场已经启动，随着效率的进一步提高和技术的日趋完善，将有很快的发展，市场前景更为看好。

面对难得的发展机遇和市场需要，LED路灯虽然还存在不足之处，如没有统一的标准等问题，但是由于节能环保的特点LED路灯的发展已经形成一种趋势。

2设计任务

2.1任务

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。

图2-1路灯控制系统示意图

图2-2路灯布置示意图（单位：

cm）

2.2要求

1．基本要求

（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；

若物体M由右至左移动时，则亮灯次序与上相反。

（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．发挥部分

（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）。

3方案论证与比较

方案一：

题目要求设计一个LED路灯控制系统，实现支路控制器对单元控制器的有效控制。

本系统采用ATMEGA16L单片机为主控芯片，采用对射式收发一体的光电传感器采集由于物体运动所产生的信号，再由支路控制器系统对信号进行处理实现对路灯的合理控制，以达到题目要求。

支路控制器的时钟采用精确的时钟芯片并由字符型液晶作为显示，利用按键设定、修改开关灯时间。

系统采用光敏电阻分压的方式感应周围环境明暗的变化，支路控制系统采集分压值经单片机处理后来控制路灯的变化。

当路灯出现故障后路灯电路中采样点的电压值会发生变化，单片机根据变化量进行相应的处理。

基于设计思路在设计过程中选择合适的元器件，使用合适的单元电路模块，更有效的达到设计要求。

方案二：

与方案一不同的是方案二选用AT89S52芯片，采用红外对管对物体的移动进行检测，时钟由单片机定时器实现。

方案比较：

与AT89S52相比，ATMEGA16L在性能上具有明显的优势，若采用红外对管则给元件的安装带来不便，且不易调试；

由单片机定时器实现的时钟不准确，故采用方案一。

4总体设计方案

本系统以ATMEGA16L为控制核心。

整个系统硬件框图如图1所示：

图4-1系统框图

4.1支路控制系统设计

图4-2最小系统

支路控制系统是模拟路灯控制系统的核心，该系统采用ATMEL公司的ATMEGA16L单片机作为主控制芯片来实现对受控对象的控制。

与AT89S52相比，ATMEGA16L是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器，具有速度快、输出电流大、工作电压范围宽、成本低等优点，是一款性价比很高的单片机。

（1）时钟模块

图4-3时钟电路

为实现精确的时钟功能并节省单片机IO口资源，该设计使用专用的接口方式为串行的时钟芯片DS1302，该芯片线路简单、体积小，易于操作，且价格低廉。

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、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。

DS1302内部有一个31×

8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。

DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。

另外该芯片有备份电源引脚，可以在断电后仍能工作，以保证时钟的准确性。

DS1302与单片机之间能简单的采用同步串行方式进行通信，仅需用到三个口线：

（1）RES（复位），

（2）I/O（数据线），（3）SCLK（串行时钟）。

X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。

RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。

RST输入有两种功能：

首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；

其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。

当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。

如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。

上电运行时，在Vcc>

2.0V之前，RST必须保持低电平。

只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。

DS1302存在时钟精度不高，易受环境影响，出现时钟混乱等缺点。

DS1302可以用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。

这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。

传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此，只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；

若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且，某些测控系统可能不允许。

但是，如果在系统中采用时钟芯片DS1302，则能很好地解决这个问题。

DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。

（2）信号采集模块的设计

图4-4采样电路

信号采集模块包括物体检测模块和环境明暗检测模块，两者功能如下：

物体检测模块：

该模块需要检测小车的移动，并根据小车的移动进行路灯开关的自动控制。

基于此目的采用探测距离远、灵敏度高的反射式光电传感器进行检测，当传感器检测到小车时，传感器给单片机一个信号，然后单片机对路灯进行合理控制，达到题目要求。

环境明暗检测模块：

该模块需要检测环境光的变化，根据环境光的明暗进行路灯开关的自动控制。

基于此要求采用由光敏电阻组成的分压电路进行检测。

光敏电阻器又称光导管，特性是在特定光的照射下，其阻值迅速减小，可用于检测可见光。

在不同的光强下，光敏电阻的电阻值会发生明显变化，光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；

入射光强，电阻减小，入射光通过检测不同光强下电阻值的变化量来控制路灯的开和关。

（3）显示、按键模块

图4-51602显示及按键电路

通过按键可以调节和设定路灯的开关时间，控制整条支路按时开灯和关灯，并在字符液晶上显示出来。

字符型液晶因具有体积小、功耗低、寿命长、价格低、接口控制方便及显示操作简单等优点而被广泛应用。

我们这里用到的是1602液晶，1602液晶为5V电压驱动，带背光，可显示2行，每行16个字符，不能显示汉字，内置128个字符的ASCII字符集库，只有并口接口，无串口接口。

（4）路灯控制模块

图4-6路灯控制电路

该模块采用节能的1WLED灯，当电路出现故障时，单片机通过内部AD采集电路采样点的电压变化量后对数据进行处理。

（5）声光报警模块

图4-7声光报警电路

当系统出现故障时，蜂鸣器会发出警报声，同时报警指示灯也会点亮。

（6）电源模块

图4-85V稳压电路

电源是系统中最重要的模块之一，输入电源经稳压块后输出稳定的+5V电源，用以驱动整个系统。

（7）恒流源模块

1.原理介绍：

恒流源是输出电流保持不变的电流源，而理想的恒流源为：

a）不因负载（输出电压）变化而改变。

b）不因环境温度变化而改变。

c）内阻为无限大。

c:

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（3-1）

恒流源之电路符号：

\iknow\docshare\data\cur_work\毕业设计\恒流源\恒流源电路工作原理1.files\fa7dc14ee3a05d46e5704f3e55c09db8.jpg

理想的恒流源 

实际的流源

图4-9恒流源

理想的恒流源，其内阻为无限大，使其电流可以全部流出外面。

实际的恒流源皆有内阻R。

2.三极管的恒流特性：

c:

\iknow\docshare\data\cur_work\毕业设计\恒流源\恒流源电路工作原理1.files\8ebd597286dc4de8e4cf579f71534b31.jpg

图4-10三极管恒流特性

从三极管特性曲线可见，工作区内的IC受IB影响，而VCE对IC的影响很微。

因此，只要IB值固定，IC亦都可以固定。

输出电流IO即是流经负载的IC。

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（3-2）

电流镜电路Current 

Mirror：

电流镜是一个输入电流IS与输出电流IO相等的电路：

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图4-11电流镜电路

Q1和Q2的特性相同，即VBE1 

= 

VBE2，β1 

β2。

\iknow\docshare\data\cur_work\毕业设计\恒流源\恒流源电路工作原理1.files\2e174b335121bf3854a8398fe470826d.jpg

（3-3）

三极管之β受温度的影响，但利用电流镜像恒流源，不受β影响，主要依靠外接电阻R经 

Q2去决定输出电流IO（IC2 

IO）。

方案1:

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图4-12恒流源电路

从左边看起:

基极偏压

（3-4）

\iknow\docshare\data\cur_work\毕业设计\恒流源\恒流源电路工作原理1.files\f78e808fe7875e1a8934a33ca4de4538.jpg所以VE=VB 

- 

0.6=1.0V（3-5）

又因为射极电阻是1K,流经射极电阻的电流是

\iknow\docshare\data\cur_work\毕业设计\恒流源\恒流源电路工作原理1.files\978878abdd19faaf414458de0