模擬路燈控制系統(tǒng)

1、模擬路燈控制系統(tǒng)李乃曦,曹緒華,孫德芬山東凱文科技職業(yè)學(xué)院信息學(xué)院(2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽(高職高專組全國二等獎(jiǎng)6.2.1 題目要求任務(wù):設(shè)計(jì)并制作一套模擬路燈控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6.2.1所示,路燈布置如圖6.2.2所示。 圖6.2.1 路燈控制系統(tǒng)示意圖 圖6.2.2 路燈布置示意圖(單位:cm1.基本要求(1支路控制器有時(shí)鐘功能,能設(shè)定、顯示開關(guān)燈時(shí)間,并控制整條支路按時(shí)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(dòng)開燈和關(guān)燈。(3支路控制器應(yīng)能根據(jù)交通情況自動(dòng)調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài):當(dāng)可移動(dòng)物體M(在物體前端標(biāo)出定位點(diǎn),由定位點(diǎn)確定物體位置由左至右到達(dá)S點(diǎn)時(shí)(見圖2,燈1亮

2、;當(dāng)物體M到達(dá)B點(diǎn)時(shí),燈1滅,燈2亮;若物體M由右至左移動(dòng)時(shí),則亮燈次序與上相反。(4支路控制器能分別獨(dú)立控制每只路燈的開燈和關(guān)燈時(shí)間。(5當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)(燈不亮,支路控制器應(yīng)發(fā)出聲光報(bào)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(dòng)電源。(2單元控制器具有調(diào)光功能,路燈驅(qū)動(dòng)電源輸出功率能在規(guī)定時(shí)間按設(shè)定要求自動(dòng)減小,該功率應(yīng)能在20%100%范圍內(nèi)設(shè)定并調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)誤差2%。(3其它(性價(jià)比等。說明:(1光源采用1 W的LED燈,LED的類型不作限定。(2自制的LED驅(qū)動(dòng)電源不得使用產(chǎn)品模塊。(3自制的LED驅(qū)動(dòng)電源輸出端需留有電流、電壓測量點(diǎn)。(4系統(tǒng)

3、中不得采用接觸式傳感器。(5基本要求(3需測定可移動(dòng)物體M上定位點(diǎn)與過“亮燈狀態(tài)變換點(diǎn)”(S、B、S等點(diǎn)垂線間的距離,要求該距離2cm。6.2.2 設(shè)計(jì)報(bào)告摘要該系統(tǒng)由主控模塊、光控模塊、傳感器模塊、故障檢測模塊及LED恒流源驅(qū)動(dòng)模塊組成。其中主控模塊包括支路控制器和兩個(gè)led單元的控制器,由一片STC12系列單片機(jī)為核心器件構(gòu)成,恒流源以SN3350為核心芯片,輔以其它必要的外圍電路和軟件構(gòu)成了一個(gè)完整的模擬路燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)能根據(jù)環(huán)境明暗變化自動(dòng)開燈和關(guān)燈;能根據(jù)交通狀況自動(dòng)調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài);具有時(shí)鐘功能,能設(shè)定、顯示開/關(guān)燈時(shí)間,并能控制整條支路或每只路燈按時(shí)開燈和關(guān)燈;當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)可發(fā)

4、出聲光報(bào)警,并顯示故障燈的編號;具有調(diào)光功能,能在規(guī)定時(shí)間按設(shè)定要求自動(dòng)調(diào)節(jié)led驅(qū)動(dòng)電源功率,調(diào)節(jié)與設(shè)定范圍為20%100%,調(diào)節(jié)誤差2%。系統(tǒng)使用節(jié)能環(huán)保的LED燈光源,采用科學(xué)有效的監(jiān)控手段進(jìn)行亮度控制、時(shí)間控制、交通狀況監(jiān)測、故障自動(dòng)報(bào)警等,可節(jié)省人力和電力資源,降低系統(tǒng)運(yùn)行成本,性價(jià)比高。關(guān)鍵詞:路燈控制;LED;恒流源;光電開關(guān)1.系統(tǒng)方案選擇與論證根據(jù)題目要求,系統(tǒng)可由主控器、傳感器、恒流源、時(shí)鐘、顯示、鍵盤輸入、故障檢測報(bào)警和環(huán)境亮度檢測等模塊構(gòu)成,其總體結(jié)構(gòu)如圖6.2.3所示。主要模塊的具體方案選擇論證如下:主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主LED 主主主主主主主主主

5、主主主主主主主主主主主主主主主主主主圖6.2.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)1 控制器方案的選擇與論證方案一:采用單片機(jī)89C51作為控制核心。89C51單片機(jī)價(jià)格低廉,使用簡單,但其運(yùn)算速度較低,功能較為單一。用一個(gè)89C51單片機(jī)需輔以必要的外圍AD 芯片來實(shí)現(xiàn)單元控制和支路控制的功能,這就增加了硬件電路的復(fù)雜程度,且編程較復(fù)雜。方案二:采用FPGA 作為系統(tǒng)的控制器。FPGA 可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能,規(guī)模大,密度高。但本設(shè)計(jì)對數(shù)據(jù)處理速度要求不高,FPGA 的高速處理優(yōu)勢得不到體現(xiàn),并且因其價(jià)格較高會(huì)使系統(tǒng)成本增加。方案三:采用一片單片機(jī)STC12C5410AD 作為中心控制器。該芯片內(nèi)置AD 和

6、DA 功能,減少了外圍電路的復(fù)雜度,且具有高速、高可靠性、低功耗、超強(qiáng)抗干擾、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。綜上比較,本系統(tǒng)采用方案三做為兩個(gè)控制器的核心器件。2 光控模塊方案選擇與論證方案一:采用光電開關(guān)。在S ,B ,S三個(gè)位置分別放置光電開關(guān)裝置,當(dāng)物體經(jīng)過這些點(diǎn)時(shí),光電開關(guān)發(fā)射的光被物體遮擋,則接收端因無法接收該光而使其一引腳輸出電平發(fā)生變化,單片機(jī)處理該信號繼而控制路燈的開/關(guān)。光電開關(guān)具有長壽命、高可靠性、靈敏度高等特點(diǎn),且價(jià)格較低。方案二:采用紅外發(fā)射裝置。使用電路原理與方案一類似,但其精度低,靈敏度較弱,方向性差,性價(jià)比低。方案三:選用干簧管。該裝置是一種磁敏的特殊“開關(guān)”。它通常由兩個(gè)或三個(gè)

7、既導(dǎo)磁又導(dǎo)電的材料做成的簧片觸點(diǎn),當(dāng)永久磁鐵靠近干簧管時(shí),簧片的接點(diǎn)就會(huì)感應(yīng)出極性相反的磁極。由于磁極極性相反而相互吸引,“開關(guān)”閉合,當(dāng)磁力減小到一定值時(shí),“開關(guān)”斷開。但其磁力的大小與磁鐵有關(guān),靈敏度較差。綜上比較,本系統(tǒng)采用方案一作為傳感器模塊的主要元件。3 恒流源方案的選擇與論證方案一:采用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)。用集成運(yùn)放和電感組成簡單的電壓限制電路,根據(jù)所需電流調(diào)節(jié)可調(diào)電阻來獲得所需的電流。用此方法得到的輸出電流穩(wěn)定度較低,且硬件電路調(diào)試復(fù)雜。方案二:采用LED 驅(qū)動(dòng)電源芯片SN3350。其具有輸出350mA 恒流的特性,穩(wěn)定度高,且具有過壓保護(hù)、過溫保護(hù)、體積小、外圍電路簡單等特點(diǎn),可較好

8、的滿足本系統(tǒng)的要求。方案三:采用恒壓源串聯(lián)電阻。將恒壓源串聯(lián)可變電阻,通過調(diào)節(jié)可變電阻,輸出電流也可恒定在某一值。但是該方案外接電阻的阻值調(diào)節(jié)不靈敏,難以滿足設(shè)計(jì)的精度要求。綜上比較,本系統(tǒng)采用方案二制作恒流源。4 顯示方案選擇與論證方案一:采用LED數(shù)碼管。通過單片機(jī)引腳控制,由數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示設(shè)定的時(shí)間和開關(guān)燈時(shí)間,因題目要求顯示數(shù)據(jù)多,所需數(shù)碼管的數(shù)量和單片機(jī)的控制接口較多,從而導(dǎo)致單片機(jī)I/O接口緊張,性價(jià)比較低。方案二:采用16×32點(diǎn)陣塊顯示。能夠滿足題目要求,但同樣需要占用單片機(jī)較多的I /O接口,且軟件復(fù)雜,調(diào)試?yán)щy。方案三:采用1602LCD液晶顯示。該模塊占用單片機(jī)

9、I/O口較少,且可通過程序?qū)崿F(xiàn)級聯(lián)菜單功能,較好的滿足題目要求。綜上比較,本系統(tǒng)顯示模塊采用方案三。5 路燈亮度調(diào)節(jié)方案的選擇與論證方案一:直接通過對電壓的調(diào)節(jié)來改變亮度的大小。電路簡單且易實(shí)現(xiàn),但容易產(chǎn)生過壓或欠壓現(xiàn)象,從而對電路造成不利影響,且不能滿足題目發(fā)揮部分的要求。方案二:由單片機(jī)生成PWM。恒流源芯片SN3350的3#腳可接PWM信號,通過調(diào)節(jié)PWM 的占空比,就可調(diào)節(jié)恒流源輸出電流的大小,從而控制輸出功率的大小。因此,只要用單片機(jī)調(diào)節(jié)PWM信號的占空比,即可在0-100%范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)恒流源的輸出功率,滿足題目發(fā)揮部分的要求。方案三:使用555定時(shí)器設(shè)計(jì)輸出多諧振蕩器,調(diào)節(jié)占空比的

10、大小來形成PWM信號,從而調(diào)節(jié)路燈的亮暗。但是這種方案的占空比是由變阻器調(diào)節(jié),精度低,調(diào)節(jié)難,無法滿足題目要求。綜上所述,本系統(tǒng)采用方案二實(shí)現(xiàn)路燈亮度的無級調(diào)節(jié)。2.系統(tǒng)硬件的理論分析與設(shè)計(jì)1環(huán)境亮度檢測模塊本設(shè)計(jì)采用光敏電阻來實(shí)現(xiàn)通過檢測外界環(huán)境的明暗程度、控制LED燈自動(dòng)打開或關(guān)閉的要求,具體電路如圖6.2.4所示。 圖6.2.4 環(huán)境亮度檢測電路當(dāng)環(huán)境光線較強(qiáng)時(shí),光敏電阻Rgm呈低阻狀態(tài),5V電壓經(jīng)光敏電阻Rgm和R6分壓后在R6上的電壓高,單片機(jī)P1_0口檢測到該電壓信號后,控制P1_1給三極管Q1基極施加高電平,使Q1導(dǎo)通,繼電器線圈通電,吸合開關(guān)K1,led燈D6所在支路形成通路,

11、燈點(diǎn)亮;環(huán)境光線暗時(shí),光敏電阻呈高阻狀態(tài),電阻R6上的電壓較低,P1_1輸出低電平,三極管Q1截止,led燈關(guān)斷,從而實(shí)現(xiàn)了路燈隨環(huán)境明暗程度自動(dòng)開燈或關(guān)燈的功能。2故障檢測報(bào)警模塊故障檢測與報(bào)警模塊與圖6.2.4右半部分相似。當(dāng)led燈亮?xí)r,其所在支路導(dǎo)通,電阻R4上的電壓約為0.35×5=1.75(V;如果led燈出現(xiàn)故障,則該支路處于開路狀態(tài),電阻R4上的電壓為0,單片機(jī)通過P1.3口檢測到該信號后,進(jìn)而同環(huán)境亮度檢測控制原理一樣,控制報(bào)警支路中的三極管導(dǎo)通,點(diǎn)亮發(fā)光二極管,驅(qū)動(dòng)蜂鳴器,發(fā)出報(bào)警信號。3恒流源模塊本系統(tǒng)恒流源電路以LED驅(qū)動(dòng)芯片SN3350為核心,輔以簡單的外圍

12、電路,實(shí)現(xiàn)了輸出電流恒流的功能。其輸入電壓為640V,輸出電流最大可達(dá)700mA,滿足額定功率為1W 的led驅(qū)動(dòng)要求。圖6.2.5為恒流源電路原理圖。 圖6.2.5 恒流源電路由SN3350芯片的資料可知,其輸出電流與電流檢測電阻R1有關(guān)。通常情況下R1取特定值(R10.13,SN3350相應(yīng)的額定輸出電流如表6.2.1所示。 根據(jù)題目要求,該系統(tǒng)選擇特性阻值為0.3。由芯片的特性曲線知,當(dāng)外圍電路中電阻R1取0.3,電感L1取47 時(shí),輸出效率較高,表現(xiàn)出良好的節(jié)能優(yōu)點(diǎn),故該系統(tǒng)選擇此值。通過實(shí)驗(yàn),當(dāng)輸入端加入8.3V直流電壓時(shí),其輸出電流恒定為350mA。該電路的輸入端增加了四個(gè)穩(wěn)壓管,

13、使輸入電壓更加穩(wěn)定,繼而輸出電流驅(qū)動(dòng)1W的LED。由此可見,該方法的電路所需器件少,設(shè)計(jì)簡單,性價(jià)比高,且該芯片內(nèi)有過流保護(hù),當(dāng)異常情況發(fā)生電流過大時(shí),可保護(hù)LED。題目發(fā)揮部分要求,驅(qū)動(dòng)電源輸出功率能在規(guī)定時(shí)間按設(shè)定要求自動(dòng)減小,該功率應(yīng)能在20%100%范圍內(nèi)設(shè)定并調(diào)節(jié)。為此,將SN3350芯片的3#腳ADJ外接PWM信號,通過調(diào)節(jié)PWM的占空比,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電源輸出功率的無級調(diào)節(jié)。3下載模塊下載模塊用于單片機(jī)程序下載,它由MAX232和外圍電路組成,具體電路如圖6.2.6所示。 圖6.2.6 下載模塊其它電路模塊見附圖6.2.1-6.2.63.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序流程圖如圖6.2.7所示。

14、圖6.2.7 程序流程圖程序流程為:選擇路燈的控制方式以后等待外界信號的檢測輸入。判斷接收為自由控制燈信號,環(huán)境監(jiān)測信號,交通信號,單片機(jī)處理相應(yīng)信號,然后控制開關(guān)路燈,并計(jì)時(shí)路燈開關(guān)時(shí)間,用LCD顯示。若正常情況下路燈不亮,則控制器檢測到該信號并用報(bào)警燈提示和LCD顯示故障燈的地址。此外,路燈的每部分電源由自制恒流源提供,且其輸出功率可通過控制SN3350的引腳三進(jìn)行調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)路燈的亮度可控。4.系統(tǒng)測試與結(jié)果分析1測試儀器測試使用的儀器設(shè)備如表6.2.2所示。表6.2.2 測試使用儀器與設(shè)備 2基本要求測試(1支路開/關(guān)燈時(shí)間控制功能檢測測試結(jié)果如表6.2.3所示。表6.2.3 支路開

15、/關(guān)燈時(shí)間控制功能測試結(jié)果 (2 交通情況檢測與路燈控制功能測試表6.2.4為測試結(jié)果。 其中,“1”表示燈亮,“0”表示燈滅。(3 環(huán)境亮度檢測與路燈控制表6.2.5為環(huán)境亮度檢測與控制的測試結(jié)果。 其中,“1”表示燈亮,“0”表示燈滅。(4 故障檢測與報(bào)警功能測試故障檢測與報(bào)警的測試結(jié)果見表6.2.6.表6.2.6 故障檢測與報(bào)警功能測試結(jié)果 其中,【Led1,Led2】為一數(shù)組,有故障顯示為“1”,無故障顯示為“0”。(5 路燈獨(dú)立開/關(guān)時(shí)間控制功能測試測試結(jié)果見表6.2.7. 3 發(fā)揮部分測試發(fā)揮部分測試主要是對恒流源輸出功率控制及l(fā)ed調(diào)光功能的測試。測試中從100%到20%按10%

16、的步進(jìn)值遞減分級調(diào)節(jié)PWM的占空比,觀察led燈亮度的變化,測量恒流源輸出電流和led燈的端電壓,計(jì)算出輸出功率和調(diào)節(jié)誤差。具體測試結(jié)果見表6.2.8。表6.2.8 恒流源輸出功率控制及調(diào)光功能測試結(jié)果 可見,恒流源功率能在20%100%范圍內(nèi)設(shè)定并調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)誤差1.70%,滿足題目要求。4測試小結(jié)經(jīng)測試,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基本要求和發(fā)揮部分的全部功能,性能指標(biāo)也符合題目要求。具體完成情況如表6.2.9所示。表6.2.9 題目要求與完成情況 5.結(jié)論該系統(tǒng)主要由單片機(jī)、鍵盤、LCD顯示、光電檢測、恒流源、時(shí)鐘、led檢測與故障報(bào)警等模塊組成,能根據(jù)環(huán)境明暗程度、交通情況、設(shè)定時(shí)間來控制路燈得亮、滅,還

17、可對燈亮?xí)r間進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)時(shí),對路燈進(jìn)行故障檢測,發(fā)現(xiàn)故障時(shí)能自動(dòng)報(bào)警并顯示故障燈的編號。自制的恒流源符合要求,還實(shí)現(xiàn)了功率調(diào)節(jié)功能,通過調(diào)節(jié)恒流源的功率自動(dòng)調(diào)節(jié)燈泡亮度,滿足題目要求,且所用器件少,電路簡單,性價(jià)比較高。參考文獻(xiàn)1 黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽訓(xùn)練教程.北京:電子工業(yè)出版社,2009.2 姜志海.單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社,2005.3 謝自美.電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測試.武漢:華中科技大學(xué)出版社,2000.4 馬忠梅.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì).北京:航空航天工業(yè)出版社,2007.5 胡宴如.模擬電子技術(shù)(第二版,北京:高等教育出版社,2007.6 邱寄帆.數(shù)字電子

18、技術(shù),北京:人民郵電出版社,2007.附錄電路原理圖系統(tǒng)主控模塊、顯示模塊、系統(tǒng)電源、時(shí)鐘模塊、故障檢測與報(bào)警模塊、鍵盤輸入模塊的電路原理圖分別將見附圖6.2.1、6.2.2、6.2.3、6.2.4、6.2.5和6.2.6。 附圖6.2.1 主控模塊 附圖6.2.2顯示模塊GuangD6 GuangD5 GuangD4 Header 4 Power_IN 32.768HZ GuangD3 GuangD2 GuangD1 1302_RST 1302_SCLK Header 2 Power 4 3 2 1 X 2 2 1 G CS_GuangD N TP_LED1 TP_LED0 GuangD6

19、GuangD5 GuangD4 GuangD3 GuangD2 GuangD1 R R R D 4 3 2 5 7 7 G V 6 5 R R R 4 3 2 PowerIn N C DS1302 U G D C G 3 RST 1 1 1 G X X N 0 1 1 1 0 0 SCLK N k 0 0 0 k k N 2 1 D D 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 2 k Header 2 k k D Power_1 0 7 5 3 1 8 9 1 2 3 6 4 2 1 Switch-DPST Power SW 5 4 3 SN74LS244N GuangDian HCC4073

20、BF U4C HCC4073BF V V U4B 2 1 G 2A4 2A3 2A2 2A1 1A4 1A3 1A2 1A1 2OE 1OE C C N I C C D / O 2 1 6 4 1 3 G V N C V 2Y4 2Y3 2Y2 2Y1 1Y4 1Y3 1Y2 1Y1 D C C 6 1 8 V C 1 C 0 6 1302_Data C Header 3 1302_ctr 3 5 7 9 1 1 1 1 2 V 2 4 6 8 0 C 2 1 P P P P P P P P C 3 2 1 0.1uF C 2 2 2 2 2 2 2 2 V 附圖 6.2.4 時(shí)鐘模塊 _ _

21、 _ _ _ _ _ _ 74AC08B U16A 5 C 7 6 5 4 3 2 1 0 附圖 6.2.3 系統(tǒng)電源 C V C C Header 2 DS1302_VCC2 1302_SCLK 1302_RST 1302_Data 附圖 6.2.5 故障檢測與報(bào)警模塊 2 1 1 3 B U LED_ERRO T 2 2 G N D 1 C 0 4 0 u G F N D Led+5 5 Res? R 1 8 0 CS_KeyWR CS_KeyRD Header 2 nor_A Header 8 P 1 2 2 G G N N 8 D D 7 6 5 4 3 2 1 1 1 2 9 8 1

22、 74AC02B U1D 74AC02B U1C G P P P P P P P P N 2 2 2 2 2 2 2 2 D _ _ _ _ _ _ _ _ 3 2 7 6 5 4 3 2 1 0 74AC02B U1A P P P P G 2 2 2 2 N 1 1 Header G 2 Key_INT Key8 Key7 Key6 Key5 _ _ _ _ 3 0 D 3 2 1 0 N G 1 D 1 2 1 N 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 D 1 1 1 7 2 9 5 2 4 1 3 0 SN74HC573N KEY_573 G D D D D D D D D L O 1 G SN74LS126AN KEY_126 N 8