模拟路灯控制系统Word文档下载推荐.docx
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具有时钟功能，能设定、显示开/关灯时间，并能控制整条支路或每只路灯按时开灯和关灯；
当路灯出现故障时可发出声光报警，并显示故障灯的编号；
具有调光功能，能在规定时间按设定要求自动调节led驱动电源功率，调节与设定范围为20%～100%，调节误差≤2%。
系统使用节能环保的LED灯光源，采用科学有效的监控手段进行亮度控制、时间控制、交通状况监测、故障自动报警等，可节省人力和电力资源，降低系统运行成本，性价比高。
关键词：
路灯控制；
LED；
恒流源；
光电开关
1．系统方案选择与论证
根据题目要求，系统可由主控器、传感器、恒流源、时钟、显示、键盘输入、故障检测报警和环境亮度检测等模块构成，其总体结构如图6.2.3所示。
主要模块的具体方案选择论证如下：
图6.2.3系统总体结构
1）控制器方案的选择与论证
方案一：
采用单片机89C51作为控制核心。
89C51单片机价格低廉，使用简单，但其运算速度较低，功能较为单一。
用一个89C51单片机需辅以必要的外围AD芯片来实现单元控制和支路控制的功能，这就增加了硬件电路的复杂程度，且编程较复杂。
方案二：
采用FPGA作为系统的控制器。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高。
但本设计对数据处理速度要求不高，FPGA的高速处理优势得不到体现，并且因其价格较高会使系统成本增加。
方案三：
采用一片单片机STC12C5410AD作为中心控制器。
该芯片内置AD和DA功能，减少了外围电路的复杂度，且具有高速、高可靠性、低功耗、超强抗干扰、价格低等优点。
综上比较，本系统采用方案三做为两个控制器的核心器件。
2）光控模块方案选择与论证
采用光电开关。
在S，B，S’三个位置分别放置光电开关装置，当物体经过这些点时，光电开关发射的光被物体遮挡，则接收端因无法接收该光而使其一引脚输出电平发生变化，单片机处理该信号继而控制路灯的开/关。
光电开关具有长寿命、高可靠性、灵敏度高等特点，且价格较低。
采用红外发射装置。
使用电路原理与方案一类似，但其精度低，灵敏度较弱，方向性差，性价比低。
选用干簧管。
该装置是一种磁敏的特殊“开关”。
它通常由两个或三个既导磁又导电的材料做成的簧片触点，当永久磁铁靠近干簧管时，簧片的接点就会感应出极性相反的磁极。
由于磁极极性相反而相互吸引，“开关”闭合，当磁力减小到一定值时，“开关”断开。
但其磁力的大小与磁铁有关，灵敏度较差。
综上比较，本系统采用方案一作为传感器模块的主要元件。
3）恒流源方案的选择与论证
采用集成运放设计。
用集成运放和电感组成简单的电压限制电路，根据所需电流调节可调电阻来获得所需的电流。
用此方法得到的输出电流稳定度较低，且硬件电路调试复杂。
采用LED驱动电源芯片SN3350。
其具有输出350mA恒流的特性，稳定度高，且具有过压保护、过温保护、体积小、外围电路简单等特点，可较好的满足本系统的要求。
采用恒压源串联电阻。
将恒压源串联可变电阻，通过调节可变电阻，输出电流也可恒定在某一值。
但是该方案外接电阻的阻值调节不灵敏，难以满足设计的精度要求。
综上比较，本系统采用方案二制作恒流源。
4）显示方案选择与论证
采用LED数码管。
通过单片机引脚控制，由数码管动态显示设定的时间和开关灯时间，因题目要求显示数据多，所需数码管的数量和单片机的控制接口较多，从而导致单片机I/O接口紧张，性价比较低。
采用16×
32点阵块显示。
能够满足题目要求，但同样需要占用单片机较多的I/O接口，且软件复杂，调试困难。
采用1602LCD液晶显示。
该模块占用单片机I/O口较少，且可通过程序实现级联菜单功能，较好的满足题目要求。
综上比较，本系统显示模块采用方案三。
5）路灯亮度调节方案的选择与论证
直接通过对电压的调节来改变亮度的大小。
电路简单且易实现，但容易产生过压或欠压现象，从而对电路造成不利影响，且不能满足题目发挥部分的要求。
由单片机生成PWM。
恒流源芯片SN3350的3#脚可接PWM信号，通过调节PWM的占空比，就可调节恒流源输出电流的大小，从而控制输出功率的大小。
因此，只要用单片机调节PWM信号的占空比，即可在0－100％范围内的调节恒流源的输出功率，满足题目发挥部分的要求。
使用555定时器设计输出多谐振荡器，调节占空比的大小来形成PWM信号，从而调节路灯的亮暗。
但是这种方案的占空比是由变阻器调节，精度低，调节难，无法满足题目要求。
综上所述，本系统采用方案二实现路灯亮度的无级调节。
2．系统硬件的理论分析与设计
1）环境亮度检测模块
本设计采用光敏电阻来实现通过检测外界环境的明暗程度、控制LED灯自动打开或关闭的要求，具体电路如图6.2.4所示。
图6.2.4环境亮度检测电路
当环境光线较强时，光敏电阻Rgm呈低阻状态，5V电压经光敏电阻Rgm和R6分压后在R6上的电压高，单片机P1_0口检测到该电压信号后，控制P1_1给三极管Q1基极施加高电平，使Q1导通，继电器线圈通电，吸合开关K1，led灯D6所在支路形成通路，灯点亮；
环境光线暗时，光敏电阻呈高阻状态，电阻R6上的电压较低，P1_1输出低电平，三极管Q1截止，led灯关断，从而实现了路灯随环境明暗程度自动开灯或关灯的功能。
2）故障检测报警模块
故障检测与报警模块与图6.2.4右半部分相似。
当led灯亮时，其所在支路导通，电阻R4上的电压约为0.35×
5=1.75（V）；
如果led灯出现故障，则该支路处于开路状态，电阻R4上的电压为0，单片机通过P1.3口检测到该信号后，进而同环境亮度检测控制原理一样，控制报警支路中的三极管导通，点亮发光二极管，驱动蜂鸣器，发出报警信号。
3）恒流源模块
本系统恒流源电路以LED驱动芯片SN3350为核心，辅以简单的外围电路，实现了输出电流恒流的功能。
其输入电压为6~40V，输出电流最大可达700mA，满足额定功率为1W的led驱动要求。
图6.2.5为恒流源电路原理图。
图6.2.5恒流源电路
由SN3350芯片的资料可知，其输出电流与电流检测电阻R1有关。
通常情况下R1取特定值（R1≥0.13Ω），SN3350相应的额定输出电流如表6.2.1所示。
表6.2.1SN3350输出电流特性
R1（Ω）
额定输出电流（mA）
0.13
769
0.15
667
0.27
370
0.3
333
根据题目要求，该系统选择特性阻值为0.3Ω。
由芯片的特性曲线知，当外围电路中电阻R1取0.3Ω，电感L1取47时，输出效率较高，表现出良好的节能优点，故该系统选择此值。
通过实验，当输入端加入8.3V直流电压时，其输出电流恒定为350mA。
该电路的输入端增加了四个稳压管，使输入电压更加稳定，继而输出电流驱动1W的LED。
由此可见，该方法的电路所需器件少，设计简单，性价比高，且该芯片内有过流保护，当异常情况发生电流过大时，可保护LED。
题目发挥部分要求，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。
为此，将SN3350芯片的3#脚ADJ外接PWM信号，通过调节PWM的占空比，进而实现驱动电源输出功率的无级调节。
3）下载模块
下载模块用于单片机程序下载，它由MAX232和外围电路组成,具体电路如图6.2.6所示。
图6.2.6下载模块
其它电路模块见附图6.2.1-6.2.6
3．系统软件设计
程序流程图如图6.2.7所示。
图6.2.7程序流程图
程序流程为：
选择路灯的控制方式以后等待外界信号的检测输入。
判断接收为自由控制灯信号，环境监测信号，交通信号，单片机处理相应信号，然后控制开关路灯，并计时路灯开关时间，用LCD显示。
若正常情况下路灯不亮，则控制器检测到该信号并用报警灯提示和LCD显示故障灯的地址。
此外，路灯的每部分电源由自制恒流源提供，且其输出功率可通过控制SN3350的引脚三进行调节，从而实现路灯的亮度可控。
4．系统测试与结果分析
1）测试仪器
测试使用的仪器设备如表6.2.2所示。
表6.2.2测试使用仪器与设备
序号
仪器名称
型号、规格
数量
1
直流稳压电源
CA17303D
2
数字示波器
54622D
3
数字万用表
MASTECH
4
模拟示波器
MOS-620B
5
多功能计数器
NFC-1000C-1
6
函数信号发生器/计数器
SP1643B
2）基本要求测试
（1）支路开/关灯时间控制功能检测
测试结果如表6.2.3所示。
表6.2.3支路开/关灯时间控制功能测试结果
设定的开/关灯时间
显示的开/关灯设定时间
LED1实际开/关灯时间
LED2实际开/关灯时间
是否符合设计要求
20:
00/20:
05
是
10/20:
12
22/20:
25
33/20:
38
40/20:
42
（2）交通情况检测与路灯控制功能测试
表6.2.4为测试结果。
表6.2.4交通情况检测与路灯控制功能测试结果
M运动方向
灯号
位置点
S
B
S’
M从左向右运动
Led1
Led2
M从右向左运动
其中，“1”表示灯亮，“0”表示灯灭。
（3）环境亮度检测与路灯控制
表6.2.5为环境亮度检测与控制的测试结果。
表6.2.5环境亮度检测与路灯控制测试结果
白天
黑夜
（4）故障检测与报警功能测试
故障检测与报警的测试结果见表6.2.6.
表6.2.6故障检测与报警功能测试结果
报警灯Led3
故障灯位置显示
坏
好
亮
10
01
11
无反应
00
其中，【Led1，Led2】为一数组，有故障显示为“1”，无故障显示为“0”。
（5）路灯独立开/关时间控制功能测试
测试结果见表6.2.7.
表6.2.7路灯独立开/关时间控制功能测试结果
led1开/关灯设定时间
Led2开/关灯设定时间
21:
00/21:
10/21:
13/21:
15
15/21:
18
22/21:
26/21:
28
33/21:
40/21:
45/21:
46
48/21:
49
3）发挥部分测试
发挥部分测试主要是对恒流源输出功率控制及led调光功能的测试。
测试中从100%到20%按10%的步进值递减分级调节PWM的占空比，观察led灯亮度的变化，测量恒流源输出电流和led灯的端电压，计算出输出功率和调节误差。
具体测试结果见表6.2.8。
表6.2.8恒流源输出功率控制及调光功能测试结果
占空比
（PWM）
输出电流
（mA）
输出电压
（V）
输出功率
（W）
调节误差
（%）
Led
亮度
100%
332.4
3.33
1.107
0
逐
渐
变
暗
90%
297.1
3.32
0.986
0.97
80%
264.7
3.31
0.876
1.06
70%
232.3
3.29
0.764
1.36
60%
201.3
3.27
0.658
0.89
50%
167.4
3.25
0.544
1.70
40%
135.2
3.23
0.437
1.37
30%
102.3
3.2
0.327
1.42
20%
69.3
3.16
0.219
1.08
可见，恒流源功率能在20%～100%范围内设定并调节，调节误差≤1.70%，满足题目要求。
4）测试小结
经测试，系统实现了基本要求和发挥部分的全部功能，性能指标也符合题目要求。
具体完成情况如表6.2.9所示。
表6.2.9题目要求与完成情况
基本要求
发挥部分要求
实际完成情况
设定、显示路灯开/关时间，并控制整条支路按时开灯和关灯
完成，用LCD进行显示
根据环境亮度自动控制路灯的开/关
完成，且灵敏度高
根据交通情况自动控制路灯的开/关
完成
路灯发生故障时报警，并显示故障灯地址编码
独立设定并控制单个路灯的开/关时间
自制恒流源
完成，额定输出电流350mA，满足题目要求
路灯亮度控制，恒流源输出功率在20%~100%间可调，调节误差≤2%
完成，功率调节时灯亮度变化明显，调节误差≤1.70%
性价比
简化电路设计，采用性价比高的元器件，以较低的成本实现了题目设计要求
5．结论
该系统主要由单片机、键盘、LCD显示、光电检测、恒流源、时钟、led检测与故障报警等模块组成，能根据环境明暗程度、交通情况、设定时间来控制路灯得亮、灭，还可对灯亮时间进行实时计时，对路灯进行故障检测，发现故障时能自动报警并显示故障灯的编号。
自制的恒流源符合要求，还实现了功率调节功能，通过调节恒流源的功率自动调节灯泡亮度，满足题目要求，且所用器件少，电路简单，性价比较高。
参考文献
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高等教育出版社，2007．
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人民邮电出版社，2007．
附录电路原理图
系统主控模块、显示模块、系统电源、时钟模块、故障检测与报警模块、键盘输入模块的电路原理图分别将见附图6.2.1、6.2.2、6.2.3、6.2.4、6.2.5和6.2.6。
附图6.2.1主控模块
附图6.2.2显示模块
附图6.2.3系统电源
附图6.2.4时钟模块
附图6.2.5故障检测与报警模块
附图6.2.6系统电源
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