基于單片機模擬路燈控制系統(tǒng)方案

1、 . . . 基于51單片機的模擬路燈控制系統(tǒng)1. 系統(tǒng)設(shè)計1.1 設(shè)計要求一、任務(wù)（來自原題）設(shè)計并制作一套模擬路燈控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，路燈布置如圖2所示。圖1 路燈控制系統(tǒng)示意圖圖2 路燈布置示意圖（單位：cm）二、設(shè)計要求+1基本要求（1）支路控制器有時鐘功能，能設(shè)定、顯示開關(guān)燈時間，并控制整條支路按時開燈和關(guān)燈。（2）支路控制器應(yīng)能根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動開燈和關(guān)燈。（3）支路控制器應(yīng)能根據(jù)交通情況自動調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)：當(dāng)可移動物體M（在物體前端標出定位點，由定位點確定物體位置）由左至右到達S點時（見圖2），燈1亮；當(dāng)物體M到達B點時，燈1滅，燈2亮；若物體M由右至左移動時，則

2、亮燈次序與上相反。（4）支路控制器能分別獨立控制每只路燈的開燈和關(guān)燈時間。（5）當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時（燈不亮），支路控制器應(yīng)發(fā)出聲光報警信號，并顯示有故障路燈的地址編號。2發(fā)揮部分（1）自制單元控制器中的LED燈恒流驅(qū)動電源。（2）單元控制器具有調(diào)光功能，路燈驅(qū)動電源輸出功率能在規(guī)定時間按設(shè)定要求自動減小，該功率應(yīng)能在20%100%圍設(shè)定并調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)誤差2%。（3）性價比高，工作穩(wěn)定，符合電磁兼容（EMC）方面的要求，無對外干擾或干擾小。1.2 總體設(shè)計方案1.2.1 功能分解與設(shè)計思路本模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計方案要實現(xiàn)的主要功能主要分解為以下五個方面：一是時鐘功能與定時開關(guān)燈。二是根據(jù)環(huán)境明暗變

3、化，自動開燈和關(guān)燈。三是根據(jù)交通情況自動調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)：當(dāng)汽車靠近路燈時，路燈能自動點亮；當(dāng)汽車遠離時，路燈自動熄滅。四聲光報警功能，當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時而不亮?xí)r，控制器發(fā)出信號，并顯示有故障路燈的地址編號。五是根據(jù)綠色節(jié)能照明要求，采用恒流源驅(qū)動LED路燈發(fā)亮且能調(diào)光，路燈驅(qū)動電源輸出功率能在20%100%圍設(shè)定并調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)誤差2%。以上功能的實現(xiàn)，都是以單片機為核心，在單片機系統(tǒng)實現(xiàn)的輸入輸出和顯示功能的基礎(chǔ)上，由單片機的置邏輯和運算功能，加上一定的外圍電路得以實現(xiàn)。針對以上的五個功能，采用模塊化的設(shè)計思想，以下分別敘述之。1.2.2 方案論證與比較1.2.2.1 時鐘功能與定時開關(guān)機。方案一：

4、采用專用時鐘芯片?，F(xiàn)在流行的串行時鐘電路很多，如DS1302、 DS1307、PCF8485等。其優(yōu)勢是可以單獨使用，直接連接到單片機外圍，有自己獨立的時鐘晶振，精度較高。單片機通過串行接口讀取和寫入當(dāng)前的時鐘值，時鐘芯片的運行受單片機死機的影響少。其缺點一是消耗了單片機IO口資源。二是在編程時需要增加讀寫串行口的容，消耗了單片機的運行時間。三是增加了成本。增加了時鐘芯片與其外圍電路的開支。DS1302的典型應(yīng)用電路如圖3所示：圖3 DS1302的典型應(yīng)用電路方案二：采用單片機置時鐘振蕩電路與定時器構(gòu)建時間平臺。本方案直接利用單片機的置定時器，通過定時器的中斷和簡單運算實現(xiàn)時鐘功能。例如： S

5、TC單片機，在4M時鐘時，單個指令的運行時間是1微秒，設(shè)置定時器1每125個指令周期產(chǎn)生一個中斷，即125微秒，8個中斷后，時間平臺是1毫秒，設(shè)置以下時間計數(shù)變量分別為：uchar To1mS = 0x00; /當(dāng)該變量增加到某個數(shù)值時,表示經(jīng)過了1毫秒uchar To2mS = 0x00; /當(dāng)該變量增加到某個數(shù)值時,表示經(jīng)過了2毫秒uchar Is2mS = 0; /到達2毫秒時刻uchar To20mS = 0x00; /當(dāng)該變量增加到某個數(shù)值時,表示經(jīng)過了20毫秒uchar Is20mS = 0; /到達20毫秒時刻uchar To1S = 0x00; /當(dāng)該變量增加到某個數(shù)值時,表示

6、經(jīng)過了1秒uchar Is1S = 0; /到達1秒時刻在秒時間平臺，用ToMIN變量，計數(shù)60秒后進入分鐘平臺，計數(shù)60分鐘后，進入小時平臺。方案二沒有增加外置電路，充分利用了單片機的定時器功能，實施簡潔方便，主要的缺點是當(dāng)控制系統(tǒng)斷電或死機以后，需要人工重新定時。本系統(tǒng)的時鐘功能實現(xiàn)采用方案二。1.2.2.2 根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動開燈和關(guān)燈功能。方案一：采用比較器的解決方案。光敏電阻與固定電阻串聯(lián)，加一級電壓跟隨器后輸入比較器，與比較器負輸入端的電壓值進行比較，得到一個高電平或低電平輸出，進入單片機的IO口。優(yōu)點是電路比較直觀，操作比較方便，可直接通過電位器調(diào)節(jié)路燈的開啟亮度。對維護人員

7、的要求不高。缺點是不方便進行數(shù)碼控制。方案二：采用AD變換。光敏電阻與固定電阻串聯(lián)，由單片機置的AD變換接口讀入當(dāng)前的電壓值，然后根據(jù)讀取的電壓值判斷當(dāng)前的環(huán)境亮度。路燈的開啟電平由部的變量控制。方案二的優(yōu)點在于可以方便以實現(xiàn)對路燈開啟電平的數(shù)碼控制和遠程控制。本系統(tǒng)采用方案二。1.2.2.3 根據(jù)交通情況自動調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)。當(dāng)汽車靠近路燈時，路燈能自動點亮；當(dāng)汽車遠離時，路燈自動熄滅。方案一：采用工業(yè)級的光電傳感器。這種光電傳感器普遍運用于電梯、生產(chǎn)線等工業(yè)場所。優(yōu)點是使用方便，型號很多，輸出量是開關(guān)量，不需調(diào)理電路。缺點是價格較貴。方案二：采用廉價的紅外對射傳感器。紅外對射的特點是傳輸距離較

8、遠，能量集中。當(dāng)沒有物體遮擋時，紅外光直射到紅外探頭上，紅外接收管連續(xù)輸出低電平到單片機，當(dāng)有物體經(jīng)過時，紅外光被遮住，此時紅外探頭輸出高電平到單片機。由于紅外光的發(fā)射有一定的偏角，本設(shè)計利用了黑色套管遮擋紅外發(fā)射燈頭，以減少紅外光的散失。本系統(tǒng)采用方案二。1.2.2.4 故障報警功能采用光敏電阻檢測路燈的亮度，同時排除環(huán)境光的干擾。利用單片機的AD口，讀入光敏電阻上檢測到的路燈亮度值。1.2.2.5 恒流源驅(qū)動LED與20到100圍可調(diào)亮度。方案一：采用恒流源驅(qū)動芯片，目前市場上成品的恒流源驅(qū)動芯片比較多，一般采用使用取樣電阻調(diào)節(jié)輸出電流的方式。這些芯片使用方便，性能較好，但價格較貴。方案二

9、：采用PWM方式驅(qū)動功率三極管輸出驅(qū)動電流，用電流取樣電阻串入LED供電回路，用AD口讀取當(dāng)前的電流值，實現(xiàn)閉環(huán)控制。方案二利用了單片機的AD變換資源，同時采用PWM方式，可以使LED工作在斷斷續(xù)續(xù)的狀態(tài)，可以延長LED的使用壽命。本系統(tǒng)采用方案二。1.2.3 系統(tǒng)各模塊的最終方案1.3 系統(tǒng)功能說明書（用戶使用說明書）1.3.1 路燈的工作模式本模擬路燈控制系統(tǒng)具備5種工作模式，分別是自動群控模式、自動分控模式、根據(jù)照度自動控制模式、根據(jù)交通情況自動控制模式、手動控制模式，下面對每種工作模式簡單介紹如下：（1） 自動群控模式在該模式下，支路控制器根據(jù)設(shè)定好的定時信息，自動地同時打開或者關(guān)閉兩

10、盞路燈。系統(tǒng)啟動后默認進入該模式。（2） 自動分控模式在該模式下，支路控制器根據(jù)設(shè)定好的定時信息，分別控制兩盞路燈的開關(guān)，例如，當(dāng)系統(tǒng)的時間和路燈1開燈的時間相等時，開啟路燈1；當(dāng)系統(tǒng)的時間和路燈2關(guān)燈的時間相等時開啟路燈2。（3） 根據(jù)照度自動控制模式在該模式下，當(dāng)環(huán)境照度低于一定的值時開啟兩盞路燈，當(dāng)環(huán)境照度高于一定的值時關(guān)閉兩盞路燈。（4） 根據(jù)交通情況自動控制模式在該模式下，當(dāng)可移動物體M由左到右到達S點時（見圖××），燈1亮；當(dāng)物體M到達B點時，燈1滅，燈2亮；若物體M由右到左移動時，則亮燈的次序與上相反。（5） 手動控制模式在手動模式時，兩盞路燈只能由支路控制器

11、用增加和減少鍵手動的調(diào)整亮度，路燈的亮度可以在0100自由的上下調(diào)整，步進為10。（1）（4）等四種工作模式是互斥的，即在某一時刻只能具有其中的一種功能，不過各種模式可以手動的切換，手動調(diào)整路燈亮度的功能在這四種模式中都是有效的。另外，該路燈控制系統(tǒng)還具備故障檢測功能，當(dāng)路燈出現(xiàn)無常工作的狀況時，該控制系統(tǒng)能夠判定是哪一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，并將故障通過聲音警報與數(shù)碼管顯示告知用戶。1.3.2 按鍵操作說明n 支路控制器具備5個按鍵，分別為時間調(diào)整鍵、模式選擇鍵、增加鍵、減少鍵、確認鍵。n 時間調(diào)整鍵：按時間調(diào)整鍵時，可以循環(huán)地選擇系統(tǒng)時間、路燈1和2共同的開關(guān)燈時間、路燈1的開關(guān)燈時間和路燈2的開關(guān)

12、燈時間。n 模式選擇鍵：按模式選擇鍵可以進行系統(tǒng)工作模式的切換，順序為自動群控模式à自動分控模式à根據(jù)照度自動控制模式à根據(jù)交通情況自動控制模式à手動控制模式。nn 增加、減少鍵：按這兩個鍵可以對時間或者亮度進行增減，長按時時間或者亮度可以連續(xù)變換。l 確認鍵：確認鍵只在時間調(diào)整時有效，分別確認小時、分鐘、秒的輸入。2. 單元電路設(shè)計2.1 每部分模塊的電路設(shè)計2.1.1 電源供電電路采用變壓器與三端穩(wěn)壓器相結(jié)合2.1.2 單片機最小系統(tǒng)其核心芯片是STC12C5404AD。2.1.3 輸入與輸出鍵盤：采用AD變換輸入口為鍵盤輸入口，節(jié)省了IO口資源。L

13、ED顯示：2.1.4 電流源驅(qū)動3. 軟件設(shè)計軟件采用C語言編寫，可移植性和可讀性強。軟件編寫體現(xiàn)了模塊化的任務(wù)驅(qū)動方式。代碼盡量符合變量定義規(guī)。3.1 -子程序本系統(tǒng)包含以下子程序/鍵盤處理-void KeyboardScan(void);/鍵盤掃描函數(shù)void KeyboardOperate(uchar KeyNum);/按鍵處理函數(shù)/定時器處理-void InitTimer(void);/定時器參數(shù)設(shè)定與啟動/路燈控制-void BrightnessSet(uchar LightNum, uchar Brightness);/亮度調(diào)整/AD采樣-void ADExchange(uchar

14、 Num);/AD采樣/* 亮度調(diào)整函數(shù) */void BrightnessSet(uchar LightNum, uchar Brightness)；/* 溢出中斷處理程序 */ void interrupt 6 TimerInterrupt(void);3.2 -系統(tǒng)主程序流程圖3.2.1 系統(tǒng)流程圖3.2.2定時器溢出中斷處理函數(shù)流程圖3.2.3按鍵掃描流程圖4. 系統(tǒng)測試4.1 測試儀器流明計數(shù)字示波器功率計萬用表直流電源等4.2 指標測試4.2.1 各部分測試的指標功率測試設(shè)置功率/W路燈兩端電壓/V路燈電流/A實際功率/W誤差/%0.25.580.0360.2010.40.35.7

15、10.0530.3030.90.45.810.0680.3951.20.55.910.0840.4960.70.66.020.1010.6081.30.76.060.1150.6970.40.86.090.1320.8040.50.96.120.1470.9000.016.170.1631.0060.6功能測試序號指標（目標值）實測值1故障指示（編號）LCD上顯示正確2過中點后前燈亮后燈滅，試驗成功率（100）1003自動開關(guān)燈功能，試驗成功率1004實時誤差，采用時間加速方法（誤差小于5MIN）誤差<1MIN5單元控制器具有調(diào)光功能，路燈驅(qū)動電源輸出功率能在規(guī)定時間按設(shè)定要求自動減小，

16、該功率應(yīng)能在20%100%圍設(shè)定并調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)誤差2%。電流從0mA至850mAm變化平緩穩(wěn)定4.2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能1基本要求序號功能是否實現(xiàn)1支路控制器有時鐘功能，能設(shè)定、顯示開關(guān)燈時間，并控制整條支路按時開燈和關(guān)燈。是2支路控制器應(yīng)能根據(jù)環(huán)境明暗變化，自動開燈和關(guān)燈。是3支路控制器應(yīng)能根據(jù)交通情況自動調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài)：當(dāng)可移動物體M（在物體前端標出定位點，由定位點確定物體位置）由左至右到達S點時（見圖2），燈1亮；當(dāng)物體M到達B點時，燈1滅，燈2亮；若物體M由右至左移動時，則亮燈次序與上相反。是4支路控制器能分別獨立控制每只路燈的開燈和關(guān)燈時間。是5當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時（燈不亮），支路控制器應(yīng)發(fā)出聲光報警信號，并顯示有故障路燈的地址編號。是2發(fā)揮部分序號功能是否實現(xiàn)1自制單元控制器中的LED燈恒流驅(qū)動電源是2單元控制器具有調(diào)光功能，路燈驅(qū)動電源輸出功率能在規(guī)定時間按設(shè)定要求自動減小，該功率應(yīng)能在