智能路灯控制系统.docx
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智能路灯控制系统
智
能
路
灯
控
制
系
统
设
计
论
文
漯河职业技术学院
王南南
2011-6-19
智能路灯控制系统
漯河职业技术学院尚朋涛董晓广王南南
摘要
随着科学技术的高速发展，自动化、智能化已经深入人们的工作、学习以及生活。
给人们带来了很多方便，使人们可以不花费体力去做一些必要的事情。
但是在追求方便、自动化、智能化的同时，还应考虑节能问题。
本设计本着着简单、通用、智能、节能的原则，采用功能模块匹配互连的思想。
系统自动测光，通过STC90C516单片机分析控制，自动调节路灯的亮度。
在测量范围内，任何时间光线强度的变换，路灯亮度都会做相应的调整，即亮度无档位调整。
光线强度与路灯的亮度成正弦函数关系。
这是本设计的特色。
根据设计功能的需要，系统主分为4大模块：
电源模块、测光模块、控制模块、执行模块。
期中，测量模块主要采用光敏电阻测光，控制模块采用单片机软件程序设计，执行模块采用发光电阻。
4个模块匹配互连实现智能控制路灯亮度的功能。
1.方案设计与论证
1.1方案设计：
按设计要求，系统需要根据光线的改变来改变路灯的亮度。
通过对题目要求的理解，本队讨论出以下三种可实施性方案：
1.1.1方案一：
测光模块采用以光敏电阻为主要元器件的光敏模块，控制模块采用FPGA芯片烧入软件程序来实现，执行模块采用发光电阻模块。
该方案控制模块的设计比较灵活，可以用程序输入和原理图输入两种方法，但是FPGA芯片内部不含振荡电路，需要设计外部振荡电路，而且FPGA单片价格比较昂贵，设计简单系统较浪费。
1.1.2方案二：
测光模块采用以光敏电阻为主要元器件的光敏模块，控制模块采用STC90C516单片机芯片烧入软件程序来实现，执行模块采用发光电阻模块。
该方案控制模块采用STC90C516单片机来控制。
STC90C516单片机芯片内部含有振荡电路，不需要设计外部振荡电路。
而且STC90C516价格相对比较便宜，易于购买，适合设计简单的小型电路。
但是STC90C516功能单一，另外51单片机需要仿真器来实现软硬件调试，较为烦琐。
1.1.3方案三：
测光模块采用以光敏电阻为主要元器件的光敏模块，控制模块不采用芯片，用驱动放大电路直接放大测光模块的电信号，将放大后的电信号送入LED模块改变路灯的亮度。
该方案设计比较简单，三个模拟电路模块匹配互连，不使用任何数字芯片，设计成本较低。
但是该方案不能是使路灯完全熄灭和达到最高亮度，即全灭和全亮，而且该该方案系统抗干扰能力较弱，路灯亮度不稳定。
1.2方案论证：
方案一中由于FPGA芯片不含内部振荡电路，所以在设计硬件电路的时候要设计外围振荡电路，较方案二、三复杂一点，而且FPGA芯片比较昂贵。
但是在设计控制电路的时候比较灵活。
方案二采用含内部振荡电路的STC90C516单片机做控制模块的主要芯片，硬件电路设计简单，而且STC90C516单片机价格较便宜，易于购买。
方案三没有专门的控制模块，电路设计比较简单，但是它不能使路灯全灭和全亮，即不能够发挥路灯的最大性能，还会减短路灯的使用寿命，而且抗干扰能力较弱，路灯亮度不稳定。
1.3方案选定：
智能化产品必须要求抗干扰能力强、稳定性好，而且本着简单、通用、智能、节能的原则，我们采用方案二进行设计。
2.硬件电路设计
2.1测光模块电路设计：
测光模块主要采用NE555时基电路芯片，电位器（光敏电阻仿真替代元件）。
系统运行，控制模块周期性的访问测光模块，向测光模块发送低电平，低电平通过R4进入Q3，是Q3导通，NE555的GND端变为低电平，NE555开始工作。
理想状态下，自然光线保持不变，即光敏电阻RV1阻值不变，C2的冲放电速度不变。
C2冲放电一次为一个频率，C2充放电速度不变，从而NE555通过3脚向控制模块发送频率固定不变的矩形波。
如果自然光线改变，即光敏电阻RV1的阻值改变，C2的充放电速度改变，NE555通过3脚向控制模块发送频率相应改变过的矩形波。
2.2控制模块电路设计：
STC90C516单片机最小系统。
12MHz晶振与C3、C4协同单片机内部振荡电路共同为单片机提供12MHz的时钟振荡频率。
STC90C51单片机9脚通过R3接地，使控STC90C51单片机开机自动复位。
2.3执行模块电路设计：
执行模块采用LED发光二极管，LED发光二极管的阳极共同接高电平。
控制模块向Q1基极发送高低电平，Q1端高低电平转换的频率越高，Q1导通的频率就越高，LED发光二极管就越亮，频率越低，Q1导通的频率就越低，LED发光二极管就越暗。
当频率高到一定程度时，LED发光二极管全亮，当频率低到一定程度时，LED发光二极管全灭，这个频率由控制模块软件程序决定。
2.4整机电路设计：
系统运行，控制模块通过STC90C516的p3.2脚向测光模块发送低电平访问测光模块，低电平经过R4偏置使Q3导通，NE555开始工作。
NE555通过3脚发送矩形波给控制模块，矩形波通过控制模块STC90C516的P1.0脚进入STC90C516。
STC90C516根据软件程序分析矩形波频率，再将相应的矩形波通过P0.0传送给执行模块中Q1的基极，使Q1按相应的频率导通、截止。
2.5软件程序设计：
本程序主要完成以下几项功能：
①读是否有光线信号②计算脉冲个数③分析脉冲个数④执行相应输出。
2.6软件程序设计流程图：
3.测试方法与测试结果
3.1测试仪器：
数字存储示波器（UT2062CE）数字万用表
3.2测试方法：
①系统运行，让LED灯达到全灭状态，用万用表测量光敏电阻的阻值，通告观察示波器的波形，计算NE555输出的矩形波频率；
②系统运行，让LED灯达到全亮状态，用万用表测量光敏电阻的阻值；通告观察示波器的波形，计算NE555输出的矩形波频率；
③将测光模块置于三种不同强度但稳定的光线环境中，分别用万用表测量光敏电阻的阻值，通过观察示波器的波形，计算NE555输出的矩形波频率；
3.3测试结果：
表1LED固定灯状态下阻值与频率确定
LED状态
阻值（Ω）
频率（Hz）
全灭
200
30M
全亮
150K
7K
表2不同光线下阻值与频率测试
光线强度
阻值（Ω）
频率（MHz）
弱
130K
6K
正常
9K
750K
强
150
33M
4.讨论
进过对测试数据分析，以及对实物演示的观察，设计完成的实物完全符合设计题目的要求，能够自动测光，自动无档位调节LED等的亮度。
本设计在硬件电路设计比较为简单，由于此设计未使用专门的A\D转换芯片，所以通过软件编程实现PWM信号输出。
渐变效果明显，可以达到与A\D转换输出相同的效果。
在测试阶段，由于系统运行中无法直接测量光敏电阻的阻值，所以需要在系统运行中先从示波器获得频率，然后终止系统，在与获得频率相同的状态下测量光敏电阻的阻值。
这样一来，测量数据会有一定的误差，根据系统的特色分析，由于系统是无档位调节，所以测量数据的误差不影响系统的使用。
【附录】
5.1LED全亮状态下NE555输出波形
5.2LED全灭状态下NE555输出波形
5.3测光模块实物图片
5.4源程序代码
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
ucharnum,flag,flag1;
uintcount;
sbitled=P0^0;
sbitled1=P1^0;
voidled0（ucharnum,uintcount）
{
led=0;
while（num--）;
led=1;
while（count--）;
}
voidint0（）
{
IT0=1;
EX0=1;
EA=1;
}
voidtime（）
{
TMOD=0X02;
TH0=0;
TL0=0;
ET0=1;
}
main（）
{
time（）;
int0（）;
PT0=1;
PX0=0;
led1=0;
while
（1）
{
if（flag）
{
flag=0;
if（count<3）
{
count=0;
led=0;
}
elseif（（count>3）&&（count<10））
{
led0（count/1,count-count/1）;
count=0;
}
}
if（flag1）
{
flag1=0;
led=1;
while（count--）;
count=0;
}
}
}
voidinit（）interrupt0
{
TR0=1;
count++;
if（count>1100）
{
flag=0;
flag1=1;
}
}
voidtime0（）interrupt1
{
num++;
if（num==4）
{num=0;
flag=1;//1ms标志位
}
}
【参考文献】
1.张伟林王翠兰《数字电子技术》人民邮电出版社，2009
2.戴仙金《51单片机及C语言程序开发实例》清华大学出版社2007
3.张志良《单片机原理与控制技术》第二版机械工业出版社2005
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