单片机控制的模拟路灯控制系统设计

19-2010年全国大学生电子竞赛论文设计题目：模拟路灯控制系统学生姓名：指导教师：模拟路灯控制系统 摘要：本系统采用凌阳SPCE061A单片机，构成系统的支路控制器和单元控制器。自己制作的LED数码管显示模块、键盘输入控制模块、光敏传感器、光电传感器、声光报警模块等作为系统的辅助电路。分别实现了开关灯时间的显示和控制，不同环境明暗和交通情况下的路灯智能控制，故障报警等题目中的基本要求。系统的单元控制器利用自制恒流驱动电源，可以使驱动电源输出功率在规定的时间自动减少，完成题目要求的发挥部分。此外，系统采用双核控制，在若干车辆双向行驶的复杂交通情况下，依然可以实现对路灯的智能控制；自己加工辅助模块，大大提高了系统的性价比，部分模块（如LCD显示模块）的选材还体现了低功耗的新兴理念。关键词：路灯控制凌阳SPCE061A恒流驱动电源Abstract:ThissystemusesSunplusSPCE061ASCM,constituteasystemoftributariescontrollerandaunitcontroller.Theirledleddisplaymodule,keyboardinputcontrolmodule,photosensitivesensors,acousto-opticphotoelectricsensors,alarmmodule,andsoonasasystemofauxiliarycircuits.Switchlampsrespectivelyimplementationtimeisdisplayedandcontrol,differentenvironmentsanddarksandtrafficsituationsStreetlightalarmingintelligentcontrol,andsothebasicrequirementsinthetopic.Systemunitcontrollerself-madeconstant-currentdrivepower,canmakedrivingpoweroutputpowerwithintheprescribedtimeautomatically,completetherequirementsoftheplayapartofthetopic.Additionally,thesystemwithdual-corecontrol,incertainvehiclestwo-waycarriagewayofcomplextrafficsituations,stillcanimplementsmartcontrolonthestreet;itsownprocessingsubsidiarymodules,greatlyimprovedprice,somemodules(suchasLCDdisplaymodules)selectionalsoembodiestheemergingconceptoflowpowerconsumption.Keywords:Streetlightcontrol SunplusSPCE061A constantcurrentdrivingpower方案比较与论证最小系统开发板比较论证：方案一：采用MCS-51系列单片机。传统的51单片机具有价格低廉,使用简单等特点，但其运算速度低，功能单一，RAM、ROM空间小。方案二：采用SPCE061A单片机作为控制模块。SPCE061A具有丰富的资源：RAM，ROM空间大、指令周期短、低功耗、低电压、体积小，易扩展，可编程音频处理，易于编写和调试，且独具语音播报功能等优点。这些特点极大地提高了开发效率。综上分析，选择方案二。显示模块比较论证：方案一：采用SPLC501液晶显示模块。内建128*64点阵，有丰富的文字和图形显示功能，轻薄便携，视觉舒适，但液晶显示不够鲜明，欠稳定，寿命短。方案二：采用LED数码管显示。LED数码管具有颜色鲜艳，亮度高、功耗低、可视角度大和刷新速率快等优点；并且通过查阅相关资料得知，LCD与LED的功耗比大约为10:1，相比较而言，LED功耗更低。鉴于本系统只显示有限的数字和符号，选择方案二。键盘输入控制模块比较论证：方案一：采用触摸屏液晶显示按键输入控制。采用触摸屏液晶，精度可调，美观大方，时尚前卫。但同时价格昂贵，易损坏，维护量工作大。方案二：采用自制的4*4矩阵式键盘输入控制，4*4矩阵式键盘充分利用单片机的I/O端口，节省硬件的同时，扩增了按键数。同时，自己制作的矩阵式键盘，方便耐用，原理简单，检修容易。基于减少开支和方便控制的考虑，选择方案二。环境明暗-路灯控制模块比较论证：方案一：在电子城购买光敏传感器。采购光敏传感器，使用方便，节省时间。但市面上的传感器质量参差不齐，质量好的传感器又价格高昂，价格低的传感器测量准确度又没有保证。方案二：采用自己制作的光敏传感器。该传感器以光敏电阻为主要元件，利用其在环境明暗不同情况下的分压不同，给单片机以不同反馈，实现开关灯控制，本方案对路灯实时控制，控制灵活，体现人性化设计。综上分析，我们选用方案二。交通情况-路灯控制模块比较论证：方案一：采用碰撞开关。碰撞开关结构简单，但是移动物体必须碰到碰撞开关才能工作。有一定破坏性。方案二：采用超声波测距模组。超声波测距模组通过超声波的渡越时间法，通过不断发射超声波，不断感知超声波，可以比较准确的感知移动物体的位置，实现车来灯亮，车走灯灭。但超声波测距模组价格不菲，用于本系统有些大材小用。方案三：采用自己制作的光电传感器。自己制作的光电传感器采用一体化结构，对经过的物体感知灵敏，高低电平变化明显，体积小，结构紧凑，安装方便。为减少开支提高性价比，选择方案三。声光报警模块比较论证：方案一：选择专门的语音存储芯片1420，通过单片机控制放音。放音时间只有20秒，只能进行简单的放音，不能满足报警的要求。方案二：凌阳SPCE061A本身自带DAC语音播放功能，具有大量语音处理函数库供用户调用，功能过于强大，自带大部分语音处理函数库大部分都被浪费，报警的方式过于单一，不够灵活。方案三：自己焊接外围声光报警模块，自己焊接报警模组，声光报警方式灵活，且仅利用单片机的一个或两个端口，就可实现报警动作。综上分析，我们选择方案三。恒流源模块比较论证：方案一：购买现成的恒流源，电流稳定；但价格昂贵。方案二：用LM2575ADJ制作可调恒流源。直流电压输入，经LM2575ADJ和LM393构成反馈回路，输出恒定电流，通过对回路中的可调电阻调节输出电流的大小。方案理论上可行，但实际试验测试，输出线性度不够高，在5V电压下工作性能不够稳定。方案三：用LM358制作PWM恒流驱动。方案将两片LM358和单片机构成有机整体，利用凌阳开发板的PWM输出，并且利用开发板自带的AD采集对外部电压采集，自动建立电压与输出电流的关系，从而精确调节电流输出。方案电路连接简单，控制灵活，合理充分地利用了开发板资源。鉴于以上分析，我们选择方案三。系统需要的各个模块，我们尽量选用自己制作，而避免购买市场现成的模组。一方面我们更熟悉各模块原理，另一方面，自己制作的模块可以更好为系统服务。经过仔细的方案论证和分析，我们确定的最终方案如下：支路控制及单元控制器：SPCE061A单片机显示模块：自制LED数码管显示键盘输入控制模块：自制4*4矩阵式键盘环境明暗路灯控制模块：自制光敏传感器交通情况路灯控制模块：自制光电传感器驱动电源模块：自制恒流驱动电源声光报警模块：自制声光报警模块理论分析与设计系统整体设计：系统结构框图如图1所示。为了使本模拟路灯控制系统更好应对更复杂的情况（譬如：当多辆汽车穿梭于我们的公路上，并且双向行驶等复杂情况），我们使用了两片SPCE061A单片机分别作为系统的支路控制器和单元控制器。图1系统结构框图单元硬件设计：键盘输入控制电路设计对于键盘输入设计，我们采用矩阵式，这样对于同样的端口，矩阵键盘多了一倍的按键，易于通过多余的按键实现扩展功能的实现。值得一提的是，我们拆卸废旧电脑键盘的按键，自己组装成4*4符合题目要求的矩阵键盘，不但变废为宝，而且节省了开支，提高了系统的性价比。根据设计需求，我们设计的矩阵键盘原理图如图2所示，矩阵键盘功能图如图3所示。图2键盘原理图图3键盘功能图A:设定路灯②的关灯时间B:设定路灯②的开灯时间C：设定路灯①的关灯时间D：设定路灯①的开灯时间E:确定F:开始调节时间G：分钟加1H：小时加1数码管显示电路设计根据题目要求，本系统能够显示开关灯时间，我们自制的数码管显示电路可以同时显示开关灯时间，同时显示路灯此时此刻的状态。主要原理图如图4所示，图4数码管显示原理图光敏传感器电路设计自制光敏传感器原理图如图5所示，LDR是暗阻≥47K的光敏电阻，VCC接3.3V或5V。当有光照时，LDR光阻近似为零，Signal输出为低电平。而当无光时，Signal＝VCC*(LDR/(LDR+(R1//R2))).由于LDR和R1//R1近似相等，Signal也约等于VCC/2。若VCC/2不能给单片机以高电平，则可通过调节R2改小R1//R2的阻值，提高Signal的电压值。图5光敏传感器原理图光电传感器电路设计图6光电传感器原理图图7光电传感器的位置自制光电传感器如图6所示，光电开关导通后，Signal输出电平近似为零，LED不亮，此时对应公路上有车辆经过；若光电开关没有导通，Signal输出电平为高电平，LED点亮，此时对应公路没有车辆经过。系统中的光电传感器安装位置如图7所示，安装点距“亮灯状态变换点”垂线间的距离≤1cm.声光报警电路设计自制声光报警电路原理图如图8所示，声光报警电路由择价格便宜、驱动电压较小的红色发二极管和普通蜂鸣器构成。经测试得知，LED1的正常工作电压约为2V，额定电流约为50mA，则串联电阻阻值R＝（U-2）/（50/1000）＝60Ω。图8发光报警装置恒流驱动电源电路设计图10稳压部分图11恒流源部分恒流源主要由稳压部分和恒流源部分组成，稳压部分主要由三端稳压器件LM317T及整流滤波部分组成，为恒流源及系统其它模块提供稳定电压。恒流源部分为负载LED提供恒定电流的同时，整体作为反馈回路，为单片机提供电压采集端口，构建“电压-电流-PWM”关系式，使负载始终渡过恒定的电流。当要求输出功率按规定时间按要求减小时，只要关闭AD采集，直接结合定时器调整PWM，调整恒定电流，达到功率调整的要求。系统软件设计：主程序设计分析本路灯控制系统本着以节约成本为主，支路控制器采用一块SPCE061A板控制，单元控制器采用每两个路灯共用一块SPCE061A板，两块CPCE061A板之间通过串行通讯进行数据传输。由此程序分为两大部分：支路控制器程序和单元控制器程序。支路控制器程序总流程图：图12支路控制器程序总流程图单元控制器程序总流程图：图13单元控制器程序总流程图中断程序设计分析中断程序主要采用的中断6服务程序和中断4服务程序。中断6服务程序主要提供键盘扫描服务，中断4中断服务程序则主要提供数码管使能及定时变量的累加。具体程序流程如图14，图15所示。图14中断6服务程序图16中断4服务程序测试数据与分析系统测试：基本要求测试：测试对象：光敏传感器。测试方法：将连入系统的光敏传感器分别置于傍晚、深夜、清晨三种不同光强度的环境下，观察路灯开启与关闭情况。测试数据：详见表1表19月3日傍晚9月4日深夜9月4日清晨天气多云多云转晴晴时段18：3019：0019：3021：000：002：005：005:306:00路灯状况灭亮亮亮亮亮亮灭灭测试对象：光电传感器。测试方法：在自制仿真地形上，架设好调好的光电传感器，使自制的车辆M往返于公路的指定路线上，观察并记录路灯开启与关闭状况。测试数据：设M上定位点与“亮灯状态变换点”垂线间距离为d。LED1灯编号Ⅰ，LED2灯编号Ⅱ。测试数据详见表2。表2位置S前S-BB-S’S’后路灯状态Ⅰ灭Ⅱ灭Ⅰ亮Ⅱ灭Ⅰ灭Ⅱ亮Ⅰ灭Ⅱ灭距离d1.5cm2.0cm1.5cm2.0cm测试对象：声光报警模块测试方法：在路灯正常照明的情况下，故意使连接路灯的线路断路，观察有没有声光报警信号发出并显示有故障路灯的地址编号。测试数据：在不同的路灯发生断路故障时，系统都能及时发出声光报警，并准确显示故障路灯编号。发挥部分测试：测试对象：恒流驱动电源电流输出测试方法：用万用表测量不同负载下的电流输出。测试数据：详见表3表3负载数1个LED2个LED3个LED电流值0.17A0.16A0.16A测试对象：恒流源输出功率在规定时间内按要求自动调整。测试方法：设定完毕后，每隔一段时间对恒流留出的电压和电流端口进行测量，计算输出功率。测试数据：详见表4表49月5日14：0015：0016：00U/V3.7003.5033.347I/A0.1480.1500.152P/W0.5180.5250.507844误差1.30%0.0813%0.135%测后讨论：自己制作的各个模块基本都能能较为准确的达到预期目标，虽然自制模块做工不及市场买卖的模块那样细腻，虽然自制模块外形不及市场买卖的模块那样精致。但自己制作的模块却能像市场买卖的模块那样不逊色的完成使命，而且为本系统节省了一笔较大开支，性价比得到明显提升。结果分析：经测试，本系统能够实现：支路控制器能够设定、显示开关灯时间，并控制整条支路按时开灯和关灯。支路控制器可以根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。支路控制器可以根据交通情况自动调节亮灯状态。支路控制器能够分别独立控制每只路灯的开灯和关灯时间。当路灯出现故障时（灯不亮），支路控制器可以发出声光报警信号，并显示有故障路灯的地址编号。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。本系统能够完成题目要求的基本要求和发挥部分。在赛前调试过程中，系统性能较为稳定。总结经过四天三夜的不懈努力，我们圆满完成了任务。通过不断的硬件试验和程序调试，模拟路灯系统总算可以较好的完成题目的要求，无论在环境明暗感知，还是交通情况判断，路灯智能效果都很明显。而且我们也本着人性化的考虑，实现了多车双向的路灯控制；本着建设性节约型社会的思路，几乎所有模块都是自己焊接制作，大大提高系统的性价比。但好的结果总是经历不平凡的坎坷，我们曾不断试验光敏传感器的分压电阻，直到取值合适，输出单片机明显区分的高低电平；程序调试上也曾一度僵持仅仅是调试两单片机串行通信程序，程序员反复调IO口，不停对程序改写，最终才实现另人满意的串行控制。如此这些努力和尝试，激发我们团结协作精神，培养我们解决问题的创新意识。参考文献康华光电子技术基础[数字部分]高等教育出版社康华光电子技术基础[模拟部分]高等教育出版社刘洪涛电子制作实用教程电子科技大学出版社张延伟ProtelDXP电子电路设计技法范例清华大学出版社谭浩强C语言程序设计清华大学出版社凌阳大学计划论坛基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计基于单片机的氨分解率检测系统