基于FREESCALEJL3芯片的模拟路灯控制系统报告.docx

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基于FREESCALEJL3芯片的模拟路灯控制系统报告

基于FREESCALEJL3芯片的模拟路灯控制系统

摘要：

本文介绍了一个模拟路灯控制系统的解决方案。

本方案以FREESCALE公司的MCU芯片MC68HC908JL3为核心，加以简单的外围电路，实现了2009年全国大学生电子设计竞赛试题所要求的所有技术内容。

JL3单片机在工业上的应用比较广泛，其可靠性、抗干扰能力和温度稳定性都比较强，性价比高。

这是一个低成本的路灯控制解决方案，除了选用廉价的单片机芯片，还采用了廉价得微型激光发射器与光敏电阻组合的方式代替昂贵的工业控制光电传感器，大大降低了系统成本。

整个系统的电路简单，结构紧凑。

经过检测，该系统能长时间稳定工作，满足设计指标要求。

关键词：

模拟控制、LED照明、单片机

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

1.系统设计

1.1设计要求

一、任务（来自原题）

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1路灯控制系统示意图

图2路灯布置示意图（单位：

cm）

二、设计要求

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）性价比高，工作稳定，符合电磁兼容（EMC）方面的要求，无对外干扰或干扰小。

1.2总体设计方案

1.2.1功能分解及设计思路

本模拟路灯控制系统的设计方案要实现的主要功能主要分解为以下五个方面：

一是时钟功能及定时开关灯。

二是根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。

三是根据交通情况自动调节亮灯状态：

当汽车靠近路灯时，路灯能自动点亮；当汽车远离时，路灯自动熄灭。

四声光报警功能，当路灯出现故障时而不亮时，控制器发出信号，并显示有故障路灯的地址编号。

五是根据绿色节能照明要求，采用恒流源驱动LED路灯发亮且能调光，路灯驱动电源输出功率能在20%～100%范围内设定并调节，调节误差≤2%。

以上功能的实现，都是以单片机为核心，在单片机系统实现的输入输出和显示功能的基础上，由单片机的内置逻辑和运算功能，加上一定的外围电路得以实现。

征对以上的五个功能，基于模块化的设计思想，以下分别叙述之。

1.2.2方案论证与比较

1.2.2.1时钟功能及定时开关机。

方案一：

采用专用时钟芯片。

现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、DS1307、PCF8485等。

其优势是可以单独使用，直接连接单片机外围，有自己独立的时钟晶振，精度较高。

单片机通过串行接口读取和写入当前的时钟值，时钟芯片的运行受单片机死机的影响少。

其缺点一是消耗了单片机IO口资源。

二是在编程时需要增加读写串行口的内容，消耗了单片机的运行时间。

三是增加了成本。

增加了时钟芯片及其外围电路的开支。

DS1302的典型应用电路如图3所示：

图3DS1302的典型应用电路

方案二：

采用单片机内置时钟振荡电路及定时器构建时间平台。

本方案直接利用单片机的内置定时器，通过定时器的中断和简单运算实现时钟功能。

例如：

JL3单片机，在4M时钟时，单个指令的运行时间是1微秒，设置定时器1每125个指令周期产生一个中断，即125微秒，8个中断后，时间平台是1毫秒，设置以下时间计数变量分别为：

ucharTo1mS=0x00;//当该变量增加到某个数值时,表示经过了1毫秒

ucharTo2mS=0x00;//当该变量增加到某个数值时,表示经过了2毫秒

ucharIs2mS=0;//到达2毫秒时刻

ucharTo20mS=0x00;//当该变量增加到某个数值时,表示经过了20毫秒

ucharIs20mS=0;//到达20毫秒时刻

ucharTo1S=0x00;//当该变量增加到某个数值时,表示经过了1秒

ucharIs1S=0;//到达1秒时刻

在秒时间平台，用ToMIN变量，计数60秒后进入分钟平台，计数60分钟后，进入小时平台。

方案二没有增加外置电路，充分利用了单片机的定时器功能，实施简洁方便，主要的缺点是当控制系统断电或死机以后，需要人工重新定时。

本系统的时钟功能实现采用方案二。

1.2.2.2根据环境明暗变化，自动开灯和关灯功能。

方案一：

采用比较器的解决方案。

光敏电阻与固定电阻串联，加一级电压跟随器后输入比较器，与比较器负输入端的电压值进行比较，得到一个高电平或低电平输出，进入单片机的IO口。

优点是电路比较直观，操作比较方便，可直接通过电位器调节路灯的开启亮度。

对维护人员的要求不高。

缺点是不方便进行数码控制。

方案二：

采用AD变换。

光敏电阻与固定电阻串联，由单片机内置的AD变换接口读入当前的电压值，然后根据读取的电压值判断当前的环境亮度。

路灯的开启电平由内部的变量控制。

方案二的优点在于可以方便以实现对路灯开启电平的数码控制和远程控制。

本系统采用方案二。

1.2.2.3是三是根据交通情况自动调节亮灯状态。

当汽车靠近路灯时，路灯能自动点亮；当汽车远离时，路灯自动熄灭。

方案一：

采用工业级的光电传感器。

这种光电传感器普遍运用于电梯、生产线等工业场所。

优点是使用方便，型号很多，输出量是开关量，不需调理电路。

缺点是价格较贵。

方案二：

采用微型激光发射器与光敏电阻组合形成发射接收对。

激光的特点是传输距离远，能量集中。

当没有物体遮挡时，激光直射到光敏电阻上，光敏电阻的阻值较小，当有物体经过时，激光被遮住，此时光敏电阻的阻值较大。

由于光敏电阻对环境光同样敏感，本设计运用了较长黑色套管遮挡环境光线。

只有激光才能直射到光敏电阻的表面。

本系统采用方案二。

1.2.2.4声光报警功能

采用光敏电阻检测路灯的亮度，同时排除环境光的干扰。

利用单片机的AD口，读入光敏电阻上检测到的路灯亮度值。

1.2.2.5恒流源驱动LED及20％到100％范围内可调亮度。

方案一：

采用恒流源驱动芯片，目前市场上成品的恒流源驱动芯片比较多，一般采用使用取样电阻调节输出电流的方式。

这些芯片使用方便，性能较好，但价格较贵。

方案二：

采用PWM方式驱动功率三极管输出驱动电流，用电流取样电阻串入LED供电回路，用AD口读取当前的电流值，实现闭环控制。

方案二利用了单片机的AD变换资源，同时采用PWM方式，可以使LED工作在断断续续的状态，可以延长LED的使用寿命。

本系统采用方案二。

1.2.3系统各模块的最终方案

1.3系统功能说明书（用户使用说明书）

1.3.1路灯的工作模式

本模拟路灯控制系统具备5种工作模式，分别是自动群控模式、自动分控模式、根据照度自动控制模式、根据交通情况自动控制模式、手动控制模式，下面对每种工作模式简单介绍如下：

（1）自动群控模式

在该模式下，支路控制器根据设定好的定时信息，自动地同时打开或者关闭两盏路灯。

系统启动后默认进入该模式。

（2）自动分控模式

在该模式下，支路控制器根据设定好的定时信息，分别控制两盏路灯的开关，例如，当系统的时间和路灯1开灯的时间相等时，开启路灯1；当系统的时间和路灯2关灯的时间相等时开启路灯2。

（3）根据照度自动控制模式

在该模式下，当环境照度低于一定的值时开启两盏路灯，当环境照度高于一定的值时关闭两盏路灯。

（4）根据交通情况自动控制模式

在该模式下，当可移动物体M由左到右到达S点时（见图××），灯1亮；当物体M到达B点时，灯1灭，灯2亮；若物体M由右到左移动时，则亮灯的次序与上相反。

（5）手动控制模式

在手动模式时，两盏路灯只能由支路控制器用增加和减少键手动的调整亮度，路灯的亮度可以在0％～100％自由的上下调整，步进为10％。

（1）～（4）等四种工作模式是互斥的，即在某一时刻只能具有其中的一种功能，不过各种模式可以手动的切换，手动调整路灯亮度的功能在这四种模式中都是有效的。

另外，路灯的，系统还具备故障检测

1.3.2按键操作说明

⏹支路控制器具备6个按键，分别为时间调整键、模式选择键、亮度调整键、增加键、减少键、确认键。

⏹时间调整键：

按时间调整键时，可以循环地选择系统时间、路灯1和2共同的开关灯时间、路灯1的开关灯时间和路灯2的开关灯时间。

⏹模式选择键：

按模式选择键可以进行系统工作模式的切换，顺序为自动群控模式自动分控模式根据照度自动控制模式根据交通情况自动控制模式手动控制模式。

⏹亮度调整键：

按亮度调整键可以循环选择路灯1和2的亮度，选择以后再按亮度调整键，就可以分别调整两盏路灯的亮度。

⏹增加、减少键：

按这两个键可以对时间或者亮度进行增减，长按时时间或者亮度可以连续变换。

●确认键：

确认键只在时间调整时有效，分别确认小时、分钟、秒的输入。

2.单元电路设计

2.1每部分模块的电路设计

2.1.1电源供电电路

采用变压器与三端稳压器相结合

2.1.2单片机最小系统

其核心芯片是MC68HC908JL3。

2.1.3输入与输出

键盘：

采用AD变换输入口为键盘输入口，节省了IO口资源。

LCD与LED显示：

2.1.4电流源驱动及电流检测

2.1.5光电检测电路

3.软件设计

软件采用C语言编写，可移植性和可读性强。

软件编写体现了模块化的任务驱动方式。

代码尽量符合变量定义规范。

3.1-----子程序

本系统包含以下子程序

//键盘处理------------------------------

voidKeyboardScan（void）;//键盘扫描函数

voidKeyboardOperate（ucharKeyNum）;//按键处理函数

//定时器处理------------------------------

voidInitTimer（void）;//定时器参数设定及启动

//路灯控制------------------------------

voidBrightnessSet（ucharLightNum,ucharBrightness）;//亮度调整

//AD采样------------------------------

voidADExchange（ucharNum）;//AD采样

/**************************************************************

*亮度调整函数*

**************************************************************/

voidBrightnessSet（ucharLightNum,ucharBrightness）；

/**************************************************************

*溢出中断处理程序*

**************************************************************/

voidinterrupt6TimerInterrupt（void）;

3.2----系统主程序流程图

3.2.1系统流程图

3.2.2定时器溢出中断处理函数流程图

3.2.3按键扫描流程图

4.系统测试

4.1测试仪器

流明计

数字示波器

功率计

万用表

直流电源等

4.2指标测试

4.2.1各部分测试的指标

功率测试

设置功率/W

路灯两端电压/V

路灯电流/A

实际功率/W

误差/%

0.2

5.58

0.036

0.201

0.4

0.3

5.71

0.053

0.303

0.9

0.4

5.81

0.068

0.395

1.2

0.5

5.91

0.084

0.496

0.7

0.6

6.02

0.101

0.608

1.3

0.7

6.06

0.115

0.697

0.4

0.8

6.09

0.132

0.804

0.5

0.9

6.12

0.147

0.900

0.0

6.17

0.163

1.006

0.6

功能测试

序号

指标（目标值）

实测值

故障指示（编号）

LCD上显示正确

过中点后前灯亮后灯灭，试验成功率（100％）

100％

自动开关灯功能，试验成功率

100％

实时误差，采用时间加速方法（误差小于5MIN）

误差<1MIN

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%。

电流从0mA至850mAm变化平缓稳定

4.2.2系统实现的功能

1．基本要求

序号

功能

是否实现

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。

是

支路控制器应能根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。

是

支路控制器应能根据交通情况自动调节亮灯状态：

是

支路控制器能分别独立控制每只路灯的开灯和关灯时间。

是

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。

是

2．发挥部分

序号

功能

是否实现

自制单元控制器中的LED灯恒流驱动电源

是

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%。

是

3．特色功能

序号

功能

是否实现

自制微型激光发射与光敏电阻组合替代工业光电传感器

是

利用单片机的AD变换功能，实现用一个IO口读多个按键

是

使用单片机内部的定时器代替时钟芯片，实现时钟功能和定时开关机功能

是

使用LCD显示屏与LED相结合，显示信息丰富，操作方便

是

采用PWM与电流取样方式，实现闭环的恒流源控制

是

5.结论

本方案的系统设计符合2009年全国大学生电子设计竞赛试题（I题）的要求，经过功率扩大、电网通讯等方面的改良，可以用于实际路灯控制，是一个低成本，高可靠性的解雇方案。

参考文献

[1]阎石.数字电子技术基础（第四版）.北京:

高等教育出版社，1997年.

[2]郑学坚，周斌.微型计算机原理及应用（第三版）.北京:

清华大学出版社，2000年.

附录

附录1程序代码

/**************************************************************

*程序主要功能:

模拟路灯控制系统*

*完成时间:

2009.09.05*

*作者:

**************************************************************/

/***************头文件包含***********************************/

#include"PubDef.h"

#include//包含头文件

#include//包含寄存器定义的头文件

#include"LCD.h"

/****************蜂鸣器的管理变量******************************/

ucharBuzzerTime=0;//蜂鸣器响的时间,单位:

20毫秒

/****************键盘的管理变量******************************/

ucharKeyTrueTimes=0;//消抖过程中按键为真的次数

ucharKeyBuffer=0;//临时键值

ucharKeyEffect=0;//有效键值

ucharToScanKey=0;//按键扫描标志

/****************AD采样的管理变量******************************/

ucharADChannel[4]={0x01,0x00,0x02,0x08};//AD通道值

ucharADValue[4]={0};//AD采样值

ucharADTurn=0;//AD采样的次序

/****************路灯的管理变量******************************/

ucharWorkMode=4;//路灯工作模式:

//0:

支路控制器使两盏路灯同步定时开关灯

//1:

支路控制器使两盏路灯独立定时开关灯

//2:

支路控制器根据光照情况使路灯自动开关灯

//3:

支路控制器根据交通情况使路灯自动开关灯

//4:

支路控制器只能手动控制路灯

ucharCon

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