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1、模拟路灯控制系统设计报告 摘要 本系统由支路控制器、单元控制器、显示模块、电源模块四大主要局部构成。支路控制器由 SCT89C52 单片机作为核心器件，辅以光敏电阻检测环境的变化，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控制；单元控制器以 STC89C52 作为控制核心，实现与支路控制器的通信，控制单元路灯的自动开关灯，控制恒流源输出功率的大小，辅以自制恒流源提供 LED 路灯电源；显示模块以 LCD12864 为核心器件，实现各路灯开关灯时间、路灯状态等信息的显示。整个系统功能齐全，精度高，稳定性好，各项指标均满足设计要求，人机
2、界面良好。关键字：单片机、LCD12864、光敏电阻、光电传感器、恒流源 目录 一、方案论证与选择-3 二、理论分析与计算-4 三、系统电路设计与实现-4 四、软件设计-6 五、测试与分析-7 六、创新点-8 七、总结-8 八、参考资料-8 九、附件-8 1、附件一系统电路原理图-8 2、附件二系统元器件清单-11 一、方案论证与选择 1、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，驱动能力强，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，软件编程简洁灵活、自由度大，用软件编程实现各种逻
3、辑控制功能，低功耗、价格低、稳定可靠、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，如果选择 AVR 单片机那么造成单片机的资源浪费，选择 STC89C52 单片机那么表达出系统的高性价比。我们选择方案二。2、单片机之间通信选择方案 方案一：选择 RS-485 总线。RS-485 采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰能力。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恢复。其用于多点互连时非常方便，能省掉许多信号线。方案二：采用单片机之间直接通信。其通信方式简单，易于编程，减少了系统的外围电路
4、，节约本钱，方便硬件电路设计。基于以上分析，因本设计是模拟路灯控制系统，在能满足题目要求指标时，应该尽量节约本钱。因此我们选择方案二，以表达大赛的性价比要求。3、显示器件选择方案 方案一：选择 LED。采用 LED 的时占用单片机接口太多，显示信息量太少，需要循环显示，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，灵活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，提供良好的人机界面，方便使用者操作本系统，我们选择方案二。4、物体检测方案 方案一：采用超声波测距。模块利用超声波的测距原理可以判断
5、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，调试复杂，而且对超声波功率设定也没有一定标准。CPU 需要处理大量数据，速率低。方案二：采用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，测量距离能满足要求。基于以上分析，如果选择方案一会加大硬件设计难度，而且超声波的范围很广，难于实现物体标志位与测量点的垂直距离2CM 的要求。但选择方案二那么可以很容易克制超声波带来的困难，方便实现题目要求。因此我们选择方案二 5、恒流源的选择方案 方案一：采用开关恒流源。其具有高可靠、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
6、器件很难买得到。方案二：采用通用的 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，短路保护功能。用其设计恒流源简单稳定，能满足系统设计要求。基于以上分析，在满足系统的设计要求下我们选择方案二。6、路灯故障方案 在方案设计中我们采用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，再判断光敏检测电路输出是否正常。正常那么认为路灯无故障，不正常那么认为路灯有故障。二、理论分析与计算 1、恒流源的参数选择 根据题目要求，我们自制恒流源。其电路参数设置根据公式输出恒电流 Iout=VrefR1 说明：本电路的电阻采用 PWM
7、方式，通过控制三极管的通断，实现电流的控制，实现等效电阻 R1 的作用。2、恒流源的输出功率控制 根据题目要求，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%范围内设定并调节，调节误差2%。为保证到达指标要求，在恒流源电路设计时，我们采用 PWM 控制 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 输出端口一直为低电平，通过增加或减少 PWM 的值控制其输出功率的大小。3、交通状况的检测与路灯的控制 根据题目要求，支路控制器应能根据交通情况自动调节亮灯状态。为实现此指标，我们在题目设置的 S、B、S处放置光电传
8、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控制器的单片机，以实现相应的路灯的开或关的控制。而且光电传感器指向性很好，很容易实现物体 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2cm 指标要求。三、系统电路设计与实现 1、系统设计原理框图 系统设计原理框图 2、电源电路设计 本系统除光电传感器需要+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，给光电传感器提供所需的工作电压，另一路送 LM7805 稳压为+5V 给其他芯片提高所需的工作电压。3、路灯自动开关电路设计 本电路
9、设计如图 2，其以 LM339 为核心元件，用光敏电阻测量环境的变化，用电位器调节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。4、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，能及时给时钟芯片供电，防止了时钟芯片因系统掉电后不能正常工作的情况。其电功率调节 主 单片 从 单片 从单片路灯物体检测 环境检测 路灯路灯开关 显示模块 声光报警 功率调节 路灯路灯电源 串口总线 路图如下列图 3.5、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 37
10、V，负载电流最大为，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，短路保护功能。本电路用其与 PNP 三极管组成一个简单的稳定的恒流源，通过 PWM 来调节三极管的通断实现其输出功率的变化。最终电路如图 4。6、显示与声光报警的实现 根据题目要求需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局部，其中显示局部采用 LCD12864作显示屏，采用并行口的方式驱动液晶。在声光报警局部用蜂鸣器做声音发生器，LED 灯产生光，用 PNP 三极管做其开关，其最终电路如下列图5。图.2 图.3 图.4 图.5 四、软件设计 1、主机与
11、从机的程序流程图 主机开始系统初始化是否有按键按下执行按键子程序YN判断光敏电阻和当前时间，是否开启夜间模式关闭夜间模式N开启夜间模式Y从机是否返回故障信号声光报警Y检测 S、B、S点是否有车经过N发送信号，让从机控制相应的路灯YN从机开始系统初始化是否有按键按下路灯是否存在故障信号N向主机返回故障信号YY修改显示屏及中间变量是否开启自动减暗模式N路灯在设定时间内逐渐降低Y路灯直接自动减少N主机与从机的程序流程图 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本钱灯问题，采用三单片机直接通信。我们给三个单片机进展编号，主机的设定编号为0，从机 1 的编号为1，
12、从机 2 的编号为 2，但主机向从机发送数据的格式与从机向主机发送数据的格式并不一样，具体如下：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表示翻开从机路灯，送一个n那么关闭从机路灯。如，需要翻开从机 1 的路灯，那么应该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，需要返回从机 1 的路灯故障信号，那么以这种格式返回：0，1，y.五、测试与分析 1、恒流源输出功率测试与分析 1)测试工具：+5V 电压源，万用表，秒表，示波器等 2)测试数据 次数 时间 第一次 第二次 第三次 第四次 备注 输出功率 误差 输出
13、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 3)分析 由表 1 的测试数据，可知我们自制的恒流源根本到达发挥局部的题目指标要求，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%范围内设定并调节，调节误差2%.虽然存在调节误差，但是能根本到达题目要求，而且硬件电路的设计简单，节约了本钱。2、交通状况的检测与路灯的控制 1）测试数据 测试 次数 S 处情况
14、B 处情况 S处情况 灯的状态 标志位与S 距离 灯的 状态 标志位与B 距离 灯的 状态 标志位与S距离 左到右 第一次 灯1亮 灯 1 灭灯 2 亮 灯2灭 左到右 第二次 灯1亮 灯 1 灭灯 2 亮 灯2灭 右到左 第一次 灯1灭 灯 2 灭灯 1 亮 灯2亮 右到左 第二次 灯1灭 灯 2 灭灯 1 亮 灯2亮 表 2 2、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 路灯都能实现题目根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，标志位的位置与亮灯状态变换点S、B、S垂线间的垂直距离在到之间，其值都2CM。为此我们的此局部的功能设计，符合了题目的设计
15、要求。六、创新点 1、本系统设计中的显示局部，添加了全部路灯正常、故障路灯数量显示。2、单片机之间采用直接通信方式，从而减少了通信总线接口和单片机外围电路，节约了本钱。3、在发挥局部的输出功率控制中，采用单片机产生 PWM 脉冲，控制三极管的通断，来实现题目的输出功率要求。防止了用电位器调节而带来的技术困难。七、总结 本系统采用典型 STC89C52 单片机芯片作为系统的 CPU，表达了极高的性价比。通过光敏电阻及时检测环境的变化，从而实现路灯的自动开关等；障碍路灯的检测那么采用在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，
16、从而实现题目根本要求的第三局部功能。另外，友好的 LCD 人机交换界面及功能键盘极大地方便了操作者使用本系统，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用直接，恒流源的输出功率控制采用 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。八、参考资料 1 马忠梅.单片机的 C 语言应用程序设计.北京航空航天大学出版社,2007 2 胡宴如.模拟电子技术.高等教育出版社,2007 3 杨志忠.数字电子技术根底.高等教育出版社,2006 4 谢文和.传感技术及其应用.高等教育出版社,2002 5 祁伟等.单片机 C51 程序设计教程与实验.北京航空航天大学出
17、版社,2006 九、附件 附件一：系统电路原理图 图 7.主单片机电路原理图 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 2 STC89C52 单片机 1 27 LM7812 1 3 STC89C51 单片机 2 28 LM339 3 4 蜂鸣器 1 29 24C01 1 5 变压器 1 30 8563 1 6 整流桥 1 31 晶振 3 7 4700uF/50V 电容 2 32 6 脚开关 1 8 104 电容 6 33 LCD12864 1 9 20PF 电容 6 34 LCD1602 1 10 220uF 电容 6 35 黑色直立接插件 假设干 11
18、 10uF 电容 3 36 白色 2 位接插件 假设干 12 15pF 电容 2 37 白色 3 位接插件 假设干 13 10K 电阻 30 38 16 脚接插件 假设干 14 1K 电阻 5 39 40 脚 IC 座 假设干 15 1 40 8 脚 IC 座 假设干 16 10K 电位器 4 41 14 脚 IC 座 假设干 17 10 排阻 3 42 导线 假设干 18 470 电阻 4 43 电源线 1 条 19 光敏电阻 3 44 铜柱 假设干 20 4 脚按键 16 45 跳线帽 假设干 21 发光二极管 4 46 铁丝 2 米 22 二极管 4 47 1W 发光 LED 灯 2 23 LM7805 3 48 散热片 6 24 LM317 2 49 10*15 印刷电路板 假设干 25 光电传感器 3 对