模拟路灯控制系统设计报告

模拟路灯限制系统设计报告摘要本系统由支路限制器、单元限制器、显示模块、电源模块四大主要部分构成。支路限制器由SCT89C52单片机作为核心器件，辅以光敏电阻检测环境的改变，通过光电传感器检测道路交通状况，在路灯LED外壳内加装光敏电阻以检测路灯是否故障等，实现对系统整体功能限制；单元限制器以STC89C52作为限制核心，实现和支路限制器的通信，限制单元路灯的自动开关灯，限制恒流源输出功率的大小，辅以自制恒流源供应LED路灯电源；显示模块以LCD12864为核心器件，实现各路灯关键字：单片机、LCD12864、光敏电阻、光电传感器、恒流源书目一、方案论证和选择-------------------------------------------------------------------------3二、理论分析和计算-------------------------------------------------------------------------4三、系统电路设计和实现-------------------------------------------------------------------4四、软件设计----------------------------------------------------------------------------------6五、测试和分析-------------------------------------------------------------------------------7六、创新点-------------------------------------------------------------------------------------8七、总结-----------------------------------------------------------------------------------------8八、参考资料-----------------------------------------------------------------------------------8九、附件-----------------------------------------------------------------------------------------81、附件一系统电路原理图----------------------------------------------------------82、附件二系统元器件清单----------------------------------------------------------11方案论证和选择单片机的选择方案一：选择AVR单片机。其是ATMEL公司研制开发的一种新型单片机，运行速度快，内部资源丰富，驱动实力强，具备多种独立的时钟分频器。方案二：选择STC89C52单片机。其算术功能强，软件编程简洁敏捷、自由度大，用软件编程实现各种逻辑限制功能，低功耗、价格低、稳定牢靠、应用广泛、通用性强，在系统/在应用可编程(ISP，IAP)，不占用户资源。基于以上分析，在本系统设计中，假如选择AVR单片机则造成单片机的资源奢侈，选择STC89C52单片机则体现出系统的高性价比。我们选择方案二。单片机之间通信选择方案方案一：选择RS-485总线。RS-485采纳平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰实力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到复原。其用于多点互连时特别便利，能省掉很多信号线。方案二：采纳单片机之间干脆通信。其通信方式简洁，易于编程，削减了系统的外围电路，节约成本，便利硬件电路设计。基于以上分析，因本设计是模拟路灯限制系统，在能满意题目要求指标时，应当尽量节约成本。因此我们选择方案二，以体现大赛的性价比要求。显示器件选择方案方案一：选择LED。采纳LED的时占用单片机接口太多，显示信息量太少，须要循环显示，且占用太多程序资源。方案二：选择LCD12864。功耗低且字型美观、显示信息量大，敏捷多变地显示多种信息资源。能够显示中文，对于一般的人群而言，人机交互界面友好。基于以上分析，为了节约单片机资源，供应良好的人机界面，便利运用者操作本系统，我们选择方案二。物体检测方案方案一：采纳超声波测距。模块利用超声波的测距原理可以推断道路中有没有物体通过，此方案不存在光线干扰问题，但是涉及大量的模拟电路，调试困难，而且对超声波功率设定也没有肯定标准。CPU须要处理大量数据，速率低。方案二：采纳市场上光电感器模块。该传感器具有体积小，灵敏度高，线性度好，性能稳定等特点，测量距离能满意要求。基于以上分析，假如选择方案一会加大硬件设计难度，而且超声波的范围很广，难于实现物体标记位和测量点的垂直距离≦2CM的要求。但选择方案二则可以很简洁克服超声波带来的困难，便利实现题目要求。因此我们选择方案二恒流源的选择方案方案一：采纳开关恒流源。其具有高牢靠、低耗、低噪声、抗干扰等特点，但其技术在国内还不够成熟，而且构成其的核心元器件很难买得到。方案二：采纳通用的LM317自制恒流源。LM317内阻小，噪音极低，输出纹波小且芯片具有过热，过流，短路爱护功能。用其设计恒流源简洁稳定，能满意系统设计要求。基于以上分析，在满意系统的设计要求下我们选择方案二。路灯故障方案在方案设计中我们采纳光敏电阻检测路灯是否正常工作，其原理在LED路灯处加装光敏电阻，开灯延时一段时间，再推断光敏检测电路输出是否正常。正常则认为路灯无故障，不正常则认为路灯有故障。理论分析和计算恒流源的参数选择依据题目要求，我们自制恒流源。其电路参数设置依据公式输出恒电流Iout=（Vref÷R1）+Iadj=1.25V÷R1 说明：本电路的电阻采纳PWM方式，通过限制三极管的通断，实现电流的限制，实现等效电阻R1的作用。恒流源的输出功率限制依据题目要求，恒流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%范围内设定并调整，调整误差≤2%。为保证达到指标要求，在恒流源电路设计时，我们采纳PWM限制PNP三极管的通断来实现此指标。我们设恒流源输出功率为100%时的PWM值为0，即PWM输出端口始终为低电平，通过增加或削减PWM的值限制其输出功率的大小。交通状况的检测和路灯的限制依据题目要求，支路限制器应能依据交通状况自动调整亮灯状态。为实现此指标，我们在题目设置的S、B、S’处放置光电传感器，当物体依次通过S、B、S’处时，分别产生一个信号送给支路限制器的单片机，以实现相应的路灯的开或关的限制。而且光电传感器指向性很好，很简洁实现物体M上定位点和过“亮灯状态变换点”（S、B、S’等点）垂线间的距离≤2cm系统电路设计和实现系统设计原理框图功率调整功率调整源主单片机从单片机从单片机路灯故障检测物体检测环境检测路灯开关限制路灯开关显示模块声光报警功率调整路灯故障检测路灯开关限制电源串口总线系统设计原理框图电源电路设计本系统除光电传感器须要+12V电压外，其他芯片的工作电压都是+5V。系统用220V市电经变压器降压整流为±6V后，一路送LM7812稳压为+12V，给光电传感器供应所需的工作电压，另一路送LM7805稳压为+5V给其他芯片提高所需的工作电压。 路灯自动开关电路设计本电路设计如图2，其以LM339为核心元件，用光敏电阻测量环境的改变，用电位器调整电路对光照量的敏感度，当光照量到达设定值时，LM339产生一个信号告知单片机即可以开或关灯了。时钟电路设计本系统设计是以8563时钟芯片为核心，辅以电池，在系统电路掉电后，能刚好给时钟芯片供电，避开了时钟芯片因系统掉电后不能正常工作的状况。其电路图如下图3.恒流源电路设计LM317

是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路，其输出电压范围是

1.2V

至

37V，负载电流最大为

1.5A，内阻小，噪音极低，输出纹波小（输出端仅用100uf），且芯片具有过热，过流，短路爱护功能。本电路用其和PNP三极管组成一个简洁的稳定的恒流源，通过PWM来调整三极管的通断实现其输出功率的改变。最终电路如图4。显示和声光报警的实现依据题目要求须要对开关灯时间和故障灯的地址显示，并能发出声光报警信号。在本系统设计中分显示和声光报警两部分，其中显示部分采纳LCD12864作显示屏，采纳并行口的方式驱动液晶。在声光报警部分用蜂鸣器做声音发生器，LED灯产生光，用PNP三极管做其开关，其最终电路如下图5。图.2图.3图.4图.5软件设计1、主机和从机的程序流程图主机和从机的程序流程图2、单片机之间通信设计 本系统的三个单片机之间的通信，我们考虑到通信距离以及开发成本灯问题，采纳三单片机干脆通信。我们给三个单片机进行编号，主机的设定编号为0，从机1的编号为1，从机2的编号为2，但主机向从机发送数据的格式和从机向主机发送数据的格式并不一样，详细如下：主机发送到从机的通信格式： 从机路灯信号为这样，送一个‘y’表示打开从机路灯，送一个‘n’则关闭从机路灯。如，须要打开从机1的路灯，则应当以这样形式发送出去：‘1’，‘y’从机发送到主机的通信格式： 从机返回故障信号为这样，‘y’表示从机有故障，‘n’表示从机无故障。如，须要返回从机1的路灯故障信号，则以这种格式返回：‘0’，‘1’，‘y测试和分析恒流源输出功率测试和分析测试工具：+5V电压源，万用表，秒表，示波器等测试数据次数时间第一次其次次第三次第四次备注输出功率误差输出功率误差输出功率误差输出功率误差2分钟48%2%49%1%49%1%49.5%0.5%理论输出50%5分钟29%1%28%2%29%1%29.5%0.5%理论输出30%1分钟59%1%58%2%59%1%59.5%0.5%理论输出60%表1分析由表1的测试数据，可知我们自制的恒流源基本达到发挥部分的题目指标要求，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%范围内设定并调整，调整误差≤2%.虽然存在调整误差，但是能基本达到题目要求，而且硬件电路的设计简洁，节约了成本。交通状况的检测和路灯的限制测试数据测试次数S处状况B处状况S’处状况灯的状态标记位和S距离灯的状态标记位和B距离灯的状态标记位和S’距离左到右第一次灯1亮0.4cm灯1灭灯2亮0.灯2灭0.2cm左到右其次次灯1亮0.3cm灯1灭灯2亮0.2cm灯2灭0.2cm右到左第一次灯1灭0.2cm灯2灭灯1亮0.2cm灯2亮0.2cm右到左其次次灯1灭0.2cm灯2灭灯1亮0.2cm灯2亮0.2cm表22、分析表2的数据，可知不管物体从左到右或从右到左运动，LED路灯都能实现题目基本要求的第三小点指标要求，而且每次光电传感器检测到物体时，标记位的位置和亮灯状态变换点（S、B、S’）垂线间的垂直距离在0.2cm到0.4cm之间，其值都≦2CM。为此我们的此部分的功能设计，符合了题目的创新点本系统设计中的显示部分，添加了全部路灯正常、故障路灯数量显示。单片机之间采纳干脆通信方式，从而削减了通信总线接口和单片机外围电路，节约了成本。在发挥部分的输出功率限制中，采纳单片机产生PWM脉冲，限制三极管的通断，来实现题目的输出功率要求。避开了用电位器调整而带来的技术困难。总结本系统采纳典型STC89C52单片机芯片作为系统的CPU，体现了极高的性价比。通过光敏电阻刚好检测环境的改变，从而实现路灯的自动开关等；障碍路灯的检测则采纳在LED路灯处加装光敏电阻，当光敏电阻正常工作时检测不到光即认为该处路灯已故障；通过光电传感器检测道路的交通状况，从而实现题目基本要求的第三部分功能。另外，友好的LCD人机交换界面及功能键盘极大地便利了操作者运用本系统，并且可以跟不同的环境设定路灯的开关灯时间。本系统的主要特色是单片机之间采纳干脆，恒流源的输出功率限制采纳PWM方式。通过全面调试，系统各项性能指标都到达了题目要求。参考资料[1]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计.北京航空航天高校出版社,2007[2]胡宴如.模拟电子技术.高等教化出版社,2007[3]杨志忠.数字电子技术基础.高等教化出版社,2006[4]谢文和.传感技术及其应用.高等教化出版社,2002[5]祁伟等.单片机C51程序设计教程和试验.北京航空航天高校出版社,2006附件附件一：系统电路原理图图6.电源电路原理图图7.主单片机电路原理图图8.从单片机电路原理图附件二：元器件清单元器件清单1元器件名称数量（个）26元器件名称数量（个）2STC89C52单片机127LM781213STC89C51单片机228LM33934蜂鸣器12924C0115变压器130856316整流桥131晶振11.0592M374700uF/50V电容2326脚开关18104电容633