单片机的模拟路灯控制系统设计方案

1、【Word版本下载可任意编辑】 单片机的模拟路灯控制系统设计方案 0 引言 本文采用高效节能环保的LED 灯作为光源，利用传感器模块、光控路灯模块、恒流源模块来实现，根据环境、交通等因素，单片机采集光敏电阻或光电开关的信号控制路灯的亮灭，实现了光电和时间控制； 同时具有交通情况检测、故障自动检测与报警等功能，实现了路灯的智能化控制，节省了电力能源和人力资源。 1 系统设计要求方案 1.1 系统设计要求。 设计并制作一套模拟路灯控制系统，路灯布置如图1 所示。要求实现模拟路灯控制系统的时钟功能，设定显示开关灯时间，并能控制支路按时开灯和关灯；根据环境明暗的变化自动控制开灯和关灯； 根据交通情况自

2、动调节亮灯状态； 独立控制每只路灯的开灯和关灯时间； 当路灯出现故障时，支路控制器发出滴答的报警信号，并显示有故障灯的编号。交通情况采用红外收发传感器方式实现自动调节功能。单元控制器具有调光功能，路灯驱动电源输出功率能在规定时间按设定要求自动减小，该功率应能在20% 100% 范围内设定并调节，调节误差2%. 图1 路灯布置示意图 1.2 系统设计方案 系统采用C8051F020 单片机作为系统的控制器，利用有线传输方式实现对LED1 和LED2 的控制，控制方式如图2 所示。C8051F020 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，内部自带ADC、DAC.而本系统需要采集环境明暗的变化，自动

3、控制LED 亮度，这需要将模拟电压转换为数字量处理，将数字量转换为模拟量控制。整个系统完全自给自足，使用外围器件少，系统成本低，系统调试简单方便。 图2 C8051F020 控制方式构造。 2 系统硬件设计 2.1 系统总体框图及控制电路的设计 红外线路灯控制系统硬件构造如图3 所示。控制系统主要由主控单片机、显示接口、红外遥控、传感器、恒流驱动等功能模块组成。C8051F020 单片机接收红外线遥控信号，设定其开关灯的时间，启动模拟控制系统，并将环境明暗信号采集输入单片机开展模数转换，控制LED 灯的开关状态。单片机实时检测LED 灯的工作状态，当出现故障时，单片机控制声光电路报警并控制液晶

4、显示器显示其故障点编号。在规定的时间内输出模拟电压控制LED 灯的亮度。根据红外接收信号检测交通情况，并能根据不同的交通情况对LED 灯作出相应智能控制。C8051F020 单片机系统及接口电路见图4. 图3 红外线路灯控制系统硬件构造。 图4 C8051F020 单片机系统及接口电路原理图。 2.2 LED 恒流驱动电源设计 由于OP07 具有非常低的输入失调电压（ 为25 V） ,所以OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施； OP07 同时具有输入偏置电流低（ 2 nA） 和开环增益高（ 300 V/mV） 的特点。OP07 集成运放6 脚的输出电压经电阻R30 反应至反相输入端，构

5、成同相比例电路。功率三极管Q6的基极与运放相连，用来增加驱动电流。当OP07 的同相端输入电压恒定时，由于负反应的存在，保证了OP07 输出电压恒定，从而使流经LED 负载的电流为恒定电流。LED 恒流驱动电源电路原理图如图5 所示。 图5 LED 恒流驱动电源电路原理图。 根据图5 可知： 由上式可以看出输出电流的值仅与输入端控制电压有关，两者成正比关系，电路中R25 = R26,R39 = R30,通过选择适当的电阻值可以改变比例因子。在改变电流源比例因子的同时，也要注意改变补偿电容C29的电容值。 2.3 位置检测电路 采用红外收发传感器，一个发射管发射红外线和一个接收头接收红外线信号。

6、图6 为红外收发传感器判断交通情况原理框图及红外接收发射电路。红外发射管和接收管对射式安装，当有障碍物到达红外发射管和接收管中间时，会产生不同的高低电平，单片机采集此信号，控制灯的开关状态。红外发射管和接收管采用屏蔽的方式来消除外界的干扰。 图6 红外收发传感器判断交通情况原理框图及红外接收发射电路。 2.4 环境明暗变化检测与故障检测电路 采用光敏电阻实现对其明暗的变化，产生不同的电压，经单片机内部模数转换处理，根据检测的信号开展相应的处理，实现因环境变化而改变LED 灯的开关状态。其原理图如图7 所示。 图7 环境明暗变化检测与故障检测电路。 3 系统软件设计 系统的软件采用C 语言编程，

7、软件开发采用新华龙Silicon Laboratories IDE 软件平台开展调试。为了编写和调试的方便，节省资源，程序使用模块化设计，根据各功能要求分别设计程序，大大简化了程序的设计和调试工作，节省设计周期。 3.1 系统主程序 主程序开始工作在一个等待设定状态，当有键按下时系统根据按键模式工作。本系统采用红外遥控控制，利用定时器中断来实现对其解码。程序根据设定的模式工作，当遇到特殊情况会自动控制路灯的开关状态。主程序流程图如图8 所示。 图8 主程序流程图。 3.2 功率调节子程序 功率调节子程序流程图如图9 所示。程序首先通过PID 算法比较判断检测值的大小是否到20%,如果不够，时钟

8、信号加1,同时修改PWM 控制电压输出。 若时钟信号不加1,就要考虑是否需要手动调节功率。 图9 功率调节子程序流程图。 4 系统测试 4.1 开关控制功能测量 （ 1） 交通情况自动调节测试。 交通情况自动调节测试如下表1 所示。测试结果说明能自动调节LED 灯1 及LED 灯2 的开关，且可移动物体M 上定位点与过亮灯状态变换点（ S、B、S 等点） 垂线间的距离2 cm. 表1 交通情况自动调节测试。 （ 2） 开关灯定时测试。 设定LED 灯1 及LED 灯2 同时开（ 17: 00） ,LED灯1 及LED 灯2 同时关（ 17: 10） ; 设定LED 灯1 及LED 灯2 分别在

9、不同时间开关（ LED 灯1 于18: 00 开，LED 灯2 于18: 10 开； LED 灯1 于9: 00 关，LED 灯2于9: 10 关） .开关灯定时测试如下表2 所示。 表2 开关灯定时测试 上表可见系统存在误差，误差产生是由于电路本身时钟有误差，还有人为的读数误差。 （ 3） 环境明暗变化自动开关灯测试。 明暗变化自动开关灯测试，测试结果说明： 当环境变暗时，自动开启灯，当环境变亮时，自动关灯。 4.2 恒流源输出功率测试 表3 是在恒流源带LED 负载，调节控制电压时的实测电流值。 表3 LED 灯恒流驱动电路测试数据 从测试结果可以看出，电流源的恒流精度到达了98.7%,输出功率精度变化小于2%,基本技术指标到达设计要求。 5 结论 通过综合测试，本模拟路灯控制系统实现了自主设定显