光源照度控制系统.docx

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光源照度控制系统

控制科学与工程综合技术实验

项目设计说明书

项目：

光源照度控制系统

姓名：

张伟刚

学号：

0908110678

西安理工大学信息与控制工程系

2010年8月18日

1概述2

2总体设计2

2.1系统功能2

2.2系统构成2

2.3元器件选型及分析3

2.3.1STC12C5A16S2单片机简介3

2.3.2照度检测（3DU5C）3

2.3.3可控光源3

2.3.4人机界面（VC++6.0）4

2.4系统核心处理策略4

2.4.1光照强度的测量与控制4

2.4.2可控光源4

2.4.3控制算法4

3、详细设计4

3.1硬件设计4

3.1.1功能划分5

3.1.2照度检测模块5

3.1.3可控光源模块6

3.2软件设计7

3.2.1主程序流程7

3.2.2PID控制算法8

3.2.3上位机通讯9

4、测试与调试10

4.1测试10

4.2调试11

5、结论与展望13

1概述

本实验是光源照度控制系统，是利用照度传感器检测环境亮度的变化，采用相应的控制算法，来调节可控光源的亮度，以确保控制对象表面照度恒定。

2总体设计

2.1系统功能

利用光敏三极管检测光源照度的强弱，传感器将检测数据传送给控制核心——单片机，根据处理结果去控制光源的亮度，使光源照度保持到设定的范围，确保表面照度恒定。

如下图所示，为光源照度控制系统原理框图：

图1光源照度控制系统原理框图

2.2系统构成

该系统主要由四部分组成：

传感器检测部分、控制部分、LED光源部分及上位机通讯部分。

2.3元器件选型及分析

●单片机（STC12C5A16S2）

●照度检测（光敏三极管3DU5C）

●可控光源（普通白光LED3.5V/1W）

2.3.1STC12C5A16S2单片机简介

本设计采用STC12C5A16S2型号单片机，指令代码完全兼容传统的8051型单片机，内部集成专用的复位电路和看门狗电路，保证系统的正常运行。

相对高速的数据处理能力完全可以胜任对输入信号的处理，并执行相应的程序，通用的36/40个I/O端口，连接电源、电机、光敏三极管等外围设备。

2个16位定时器/计数器，与传统的8051单片机相同，另外2路PCA模块可再实现2个定时器/计数器，可完成对外部信号的计数和定时功能。

8路10位精度的ADC，转换速度可达25万次/s。

2路PWM用来调制不同的脉冲。

7路外部中断I/O口。

2.3.2照度检测（3DU5C）

光照强度（照度）是物体被照明的程度，也即物体表面所得到的光通量与被照面积之比，单位是Ix（l勒克斯是l流明的光通量均匀照射在l平方米面积上所产生的照度）,夏季在阳光直接照射下，光照强度可达6万～10万lx，没有太阳的室外0.1万～1万lx，夏天明朗的室内100～5501x，夜间满月下为0.21x。

本实验的可控照度范围为0~1万lx。

用光敏三极管作照度检测：

光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。

因此，也可实现光强度的转化。

2.3.3可控光源

本实验要实现多个LED组光源的亮度控制，才能较明显地观察到可控光源的效果。

采用三极管控制（9013）作为LED的驱动，成本低，控制方便。

2.3.4人机界面（VC++6.0）

基于VC6.0的人机交互界面，通过串口通讯，可以照度值的设定和实时照度值的显示。

2.4系统核心处理策略

2.4.1光照强度的测量与控制

通过照度传感器对表面照度进行检测，采用单片机内部AD口进行采样。

当表面照度小于照度设定值时，控制光源亮度增大；当表面照度大于照度设定值时，控制光源亮度减小。

2.4.2可控光源

用PWM控制LED光源，本实验的实现步骤是先实现单个LED的亮度控制，再通过三极管实现多个LED的亮度控制，以达到实验要求的照度可调。

2.4.3控制算法

本系统采用基本的PID算法实现控制。

PID控制算法结构简单，易于理解和掌握，对大多数被控对象有较好的控制效果，需要被控对象精确的数学模型。

3、详细设计

3.1硬件设计

本设计是基于STC12C5A16S2单片机的最小系统板设计的，以下只列出其余的电路设计。

3.1.1功能划分

如下图所示为系统硬件框图：

图2光源照度控制系统硬件框图

3.1.2照度检测模块

采用光敏三极管检测光照强度，使用单片机的P1.0AD口实现AD转换，将模拟量转换为数字量。

具体应用电路如下：

图3光源照度检测电路图

3.1.3可控光源模块

单片机输出两路PWM，利用三极管（9013）的开关特性，实现LED亮度控制。

具体应用电路如下：

图4可控光源电路图

3.2软件设计

3.2.1主程序流程

如下图所示，是主程序的软件流程图：

图5主程序流程图

3.2.2PID控制算法

PID控制算法结构简单，易于理解和掌握，对大多数被控对象有较好的控制效果，需要被控对象精确的数学模型。

PID控制算法是最佳的控制调节，它是由P调节的比例增益和抑制超调量的D调节,以及消除稳定偏差的I调节来决定的调节。

基本的PID控制算法有增量式与位置式。

本系统采用增量式PID控制算法。

PID的微分方程：

输入为误差信号e（t），输出为控制量u（t），如下式所示：

（1）

其中：

u（t）：

控制量

e（t）：

误差信号

K：

比例系数

：

积分时间常数

：

微分时间常数

：

控制量的基准（误差e=0时的控制量）

如下是增量式数字PID（当采样周期足够小时）：

（2）

（3）

由式

（2）和式（3）得增量式PID控制算法，如下：

为了编程实现增量式PID控制算法，将上式转化为：

（4）

其中：

增量式PID算法流程如下：

图6PID算法流程图

3.2.3上位机通讯

基于VC6.0的人机交互界面，通过串口通讯，可以显示设定照度值、实时照度检测值。

人机交互界面如下：

图7人机交互界面

4、测试与调试

4.1测试

问题1：

光敏传感器的检测电压值不稳定

解决方法：

将原设计电路中的0.1uF的滤波电容改为10uF的滤波电容，该问题得到了解决。

问题2：

一路PWM输出驱动三个LED或者更多的LED灯时，由于电路的分流不均匀，导致三个LED灯的亮度不相同，如图8所示：

图8一路PWM驱动三个LED灯

解决方法：

一路PWM只驱动两个LED，使用两路PWM，则共可驱动四个LED灯。

4.2调试

如下是系统实物图：

图9系统实物图

程序运行后，单片机每隔200ms将采集到的照度值发送给上位机显示，如下图10所示，通过上位机对照度值进行设定，能够达到即时准确地控制，如下图11所示。

图10单片机与上位机的实时通讯

图11不同设定照度值下的照度曲线图

5、结论与展望

本系统能够较好地实现照度值的实时控制，使照度值保持在设定值的范围内，基本完成了本系统的控制要求。

光源照度控制系统是一个比较实用的方案，并且具有很强的推广意义。

虽然本系统实现了一些基本要求，但是离实际应该还有一定相当大的距离。

进一步的工作有：

（1）检测环节：

空间较大时，用一个传感器检测照度值误差会较大。

可采用多个传感器检测照度值，然后求其均值。

（2）可控光源部分：

本系统只采用了4个直流LED做光源，为增强照度值，可采用MAX16800或LM3407等驱动芯片，驱动更多的LED灯，以满足实际的照度需要。

针对目前常用的白炽灯或节能灯，控制交流电源实现表面照度的实时控制，具有更大的实际应用价值和市场潜力。