最新光源照度控制系统.doc

1、最新光源照度控制系统项目设计说明书项目：光源照度控制系统姓名：张伟刚学号：08西安理工大学信息与控制工程系2010年8月18日目 录1概述22总体设计22.1系统功能22.2系统构成22.3元器件选型及分析32.3.1 STC12C5A16S2 单片机简介33342.4系统核心处理策略44443、详细设计43.1硬件设计45563.2软件设计773.2.2 PID控制算法894、测试与调试104.1测试104.2调试115、结论与展望131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

2、统功能利用光敬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一单片机，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圉，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：单片机（STC12C5A16S2）照度检测（光敬三极管3DU5C）可控光源（普通白光LED 3.5V/1W）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、光敬三极管等外圉设备

3、。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。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1X（1勒克斯是I流明的光通量均匀照射在I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 IX,没有太阳的室外0.1万1万IX,夏天明朗的室内1005501X,夜间 满月下为0.21Xo本实验的可控照度范围为01万IXo用光敏三极管作照度检

4、测：光敬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。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。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系统核心处理策略通过照度传感器对表面照度进行检测，釆用单片机内部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。用PWM控制LED光源，本实验的实现步骤是先实现

5、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。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。如下图所示为系统硬件框图：3-2软件设计如下图所示，是主程序的软件流程图:开始图5主程序流程图血PID州 初始化AD 易于理解和掌握，对大多数被控对象有较好的控制 效果，需舉被控对如精顽数学模型。PID控制算法是最佳的控制调节，它是山 P调节的L初始化PW

6、M 调量的D调节,以及消除稳定偏差的I调节来决定的调节。基本初始化PID 量式与位置式。本系统采用增量式PID控制算法。PID的微分方弟殳输入为误差信号e(t)，输出为控制量U，如下式所示:获取照度值集于互联网，如有不妥请联系删除.串口发送?发送照度值叩)=Ke(t) + 1/7； + -警1 + 如(1)其中:u(t)：控制量e(t)：误差信号K：比例系数7：积分时间常数Td：微分时间常数0:控制量的基准(误差e=0时的控制量)如下是增星式数字PID (当采样周期足够小时)：ltt = Kq + + V-( 一d-i)】+ 如(2)ui- = Kj + 吕士勺 + *(ei- ei-i)】+

7、 ()(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：耳=4尼+尼_+2弘2英中：d = K(l + * + )增量式PID算法流程如下:4、测试与调试4.1测试问题I：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0.1 UF的滤波电容改为IO11F的滤波电容，该问题 得到了解决。问题2： 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

8、系统实物图：图9系统实物图程序运行后，单片机每隔200ms将釆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圉 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。可釆用多 个传感器检测照度值，然后求其均值。（2）可控光源部分