光源照度控制系统

1、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:090811067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32.3 元器件选型及分析32.3.1 stc12c5al 6s2 单片机简介 32.3.2 照度检测（3du5c ） 32.3.3 可控光源42.3.4 人机界面（vc+6.0） 42.4 系统核心处理策略42.4.1 光照强度的测量与控制42.4.2 可控光源42.4.3 控制算法43、详细设计53.1 硬件设计53.1.1 功能划分53.1.2 照度检测模块 53.1.3 可控光源模块

2、63.2 软件设计73.2.1 主程序流程73.2.2 pid控制算法83.2.3 上位机通讯94、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一一单片机，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

3、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led 3.5v/1w）2.3.1 stc12c5al 6s2 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

4、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 （1勒克斯是1流明的光通量均匀照射在1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01万1 万lx，夏天明朗的室内1005501x，夜间满月下为0.21x。本实验的可控照度范围为01万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

5、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.

6、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:可控光源stc单片甲n通信照度检测人机界面图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

7、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：313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321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322 pid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。p

8、id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：tde(t)u二 ke(t) 1/t oe(t)dt td u。( 1)dt其中：u(t)：控制量e(t)：误差信号k :比例系数t :积分时间常数td：微分时间常数u。: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)(e-e)u。t tduf ki勺-aa) uoti j=e 丁壬#/4壬口才/q、但+的嘉# pin 抗生il管注9，nkt tduiz7-54 we-e je r ($-2$7t t为了编程实现增量式pid控制算法，将上式转化为：(4)也 5 =dei +die4+d

9、2e_2其中：叼“行)2tddi=k （1 亍）d2 二 7增量式pid算法流程如下:图6pid算法流程图323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：无 scout est光源照度控制系统com1,波特率为9600,无校验位,】位停止位实时照度值照度设定值话输入设定值确ia设定|操作框打开串口 | 关闭串口.退出程序图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o.luf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

10、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：vcc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所示拴 scokht est光源照度控制系统coih,被特率为60 无校验位门位停止位550确认设定5、结论与展望操作框上叮土口 i 关闭串口i濡空仅匚ffl向图10单片机与上位机的实时通讯4qc设定照度值 为 1000设定照度宜 为900设定照度值 为600 默认设定值为512设定照度值为550100设定照度值为200设定照度值为350图11不同设定照度值下的照度曲线图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