单片机厂区路灯控制模拟系统的设计Word文档格式.docx

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专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。

然而现实中，在许多大型企业和工厂中，货车夜间运行照明往往采用夜间一直点亮的方式，这样在消耗大量能源的同时也减少了照明器具的使用时间，为此设计一种能够间断性工作的路灯自动控制系统以配合厂区道路夜间车辆的照明工作，达到最大限度节约能源的作用，显得尤为重要。

再加上目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落，工业、服务业、消费电子……所以本设计顺应全社会提倡的节能大方向以及嵌入式系统的发展趋势，将利用单片机作为控制器来改善厂区的路灯控制系统，已达到系统节能人性化的目的。

2、方案论证与比较

根据题目的要求，需要设计单元控制器系统和支路控制器系统两部分。

其中支路控制器可划分为MCU模块、信号检测模块（位置和亮度）、远程通信模块、声光报警模块和时钟显示模块五个部分。

单元控制器分为MCU模块、远程通信模块、恒流驱动电源模块、显示模块和故障检测模块五个部分。

其中亮度检测模块和恒流源模块，题目中虽未要求，但为了让系统充分节能，要求灯不仅能开关，还能根据周围光的强度自动调节灯亮度。

系统基本结构示意如下图：

图1厂区道路路灯控制模拟系统示意图

下面针对各部分的不同设计方案进行分析比较，确定各个部分的合适设计方案。

2.1、MCU模块

方案一：

采用ATMEL公司的51系列单片机AT89C51

ATMEL公司的51系列单片机AT89C51,该单片机只具有基本的51系列单片机内核，要完成题目要求需要构建较为复杂的外围电路，其硬件资源无法满足要求。

方案二：

采用Microchip公司PIC单片机

PIC16F877A是一款基于EPROM的8位高性能微控制器。

与其它价格相当的微控制器相比，它在执行速度和代码压缩方面都有很大的改进，但该芯片采用精简系统，需要采用其特定指令，且性价比不够高。

方案三：

采用飞利浦公司的51系列单片机P89V51RD2

飞利浦公司的51系列单片机P89V51RD2，该单片机具有ISP（在系统编程）和IAP（在应用中编程）功能，通过软件或ISP选择支持12时钟（默认）或6时钟模式，PCA（可编程计数器阵列），具有PWM和捕获/比较功能，可编程看门狗定时器，易于兼容。

基于上述分析，本设计中采用方案三。

2.2、信号检测模块

信号检测模块需要实现对物体位置和环境明暗变化的检测，下面就两种信号测量的设计方案进行论证。

2.2.1、物体位置检测

采用接近开关

采用接近开关，当移动物体通过指定位置，接近开关动作，接近开关给CPU一个信号执行相应的程序做出相应反映。

但是接近开关用在本系统中有两个缺点：

一、接近开关是接触式的，使用寿命会受到限制；

二、接近开关只能固定在某一点，所以系统做出来比较单一、死板。

因此，本方案虽能实现题目要求，但不宜采用。

采用激光测距

激光测距传感器工作原理：

激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。

经目标反射后激光向各方向散射。

部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。

雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。

记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。

采用此方案虽能让系统比较灵活，但是激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快，因此本方案不选择。

采用超声波测距

超声波传感器原理：

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段。

系统采用超声波实时测量物体距离，实现移动物体的任意位置测量。

系统中A、B、C、D、E各点均可任意改变，系统具有很强的灵活性，通过物体的距离变化可实现灯光的线性化调节。

基于以上分析，本设计中的物体位置检测模块采用方案三。

2.2.2、环境明暗变化检测

采用光电三极管

采用光电三极管加后级调理电路来实现光的明暗变化的检测，但它只能实现数字量的变化，对光线的渐变反应变化效果不佳，只能实现光的明暗突变。

采用光电传感模块

光电传感模块能够实现光线明暗变化的检测，但其成本较高，不宜采用。

采用光敏电阻

采用光敏电阻来实现光的明暗变化的检测，光敏电阻可以随光线的渐变反应变化，虽然后级调理电路较为复杂但此方案可以实现灯光的线性变化。

基于以上分析，本设计中的环境光检测模块部分采用方案三。

2.3、远程控制模块

采用RS232C串行通信

RS232C串行通信是最常见的有线通信，其最大传输速率为20kbps，线缆最长为15米，但不适宜远距离信号传输。

采用RS485串行通信

RS485串行通信也是一种常用的有线通信方式，尤其在工控场合，其最大通信距离可达2.0KM，可以满足本系统要求，但有线通信方式需要硬件线路连接，一旦路灯位置发生变化，对其更改较为繁琐。

RS485虽能实现系统功能，单不灵活，不宜采用。

采用CAN-bus总线通信

CAN-bus是一种多主方式的串行通讯总线，传输数据量大，速度快，但成本较高。

方案四：

采用无线通信

无线通信可以接收发射合一，FSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合，频率稳定性极好，灵敏度高，低工作电压，功耗小，超小体积，可直接接CPU，硬件连接简单，软件编程非常方便。

基于上述分析，本设计中的远程控制模块采用方案四。

2.4、声光报警模块

采用内置信号音的警灯

采用内置信号音的警灯作为报警装置，但警灯的体积较大，功耗较大。

一个小小的路灯故障没有必要如此。

采用普通的发光二极管和和扬声器

采用普通的发光二极管和扬声器，利用简单的电路进行工作，该方法简单容易。

采用普通的发光二极管和语音播放模块，报警声音可自行录制，实现人声播报报警，使设计更充满人性化。

通过以上分析和对比，本设计选用方案三。

2.5、显示时钟模块

采用数码管显示，单片机内部计算时间

数码管显示时间，虽然直观，但功耗较大，占用较多的系统资源。

单片机内部计算时间，运算程序运算量大，时间精确度不高。

采用液晶显示，单片机内部计算时间

液晶显示具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的特点，但单片机内部计算时间，运算程序运算量大，时间精确度不高，占用系统资源较多。

采用液晶显示，专门的时钟芯片

液晶具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的特点，其显示时间，可以直观的显示年月日和星期等时间信息，且占用系统资源较少。

DS1302是专门的时钟芯片，该芯片具有万年历功能，时间精确，低功耗等特点，该方案简洁方便，容易实现。

2.6、恒流驱动电源模块

采用市售的LED驱动恒流源

该方案简单，实际使用中能实现LED的恒流源驱动，但不能实现功率可调的要求。

采用三端可调直流稳压集成芯片

该方案通过调节滑动变阻器的阻值改变其输出电压来实现负载的恒流特性，但不能自动控制恒流驱动电源的输出功率。

采用自制LED驱动恒流源

利用运算放大器组成电压跟随器、电流负反馈电路，结合单片机组合成恒流驱动电源，采用PWM信号直接控制恒流源的输出功率，实现输出功率的无级调节，该方案简洁方便，容易实现。

2.7、故障检测模块

光敏电阻加后级调理电路检测光照

光敏电阻加后级调理电路检测LED灯的光照，电路简单，但容易受到环境光的影响。

电流检测加后级调理电路

通过电流互感器加后级调理电路检测LED是否有电流通过，但该方案不宜实现。

电压检测

该方案通过将LED的工作电流转换为参考电压，与基准电压进行比较来判断LED灯是否故障，具有简洁方便，容易实现的特点。

3、系统总体结构与分析

综合以上分析及选用方案，确定本设计的总体结构框图如图2所示。

图2系统总体结构图

4、方案的具体实现

下面将设计中几个关键环节的实现加以介绍：

4.1、MCU模块

P89V51用于系统控制器，其主要特性如下：

◆80C51核心处理单元；

◆5V的工作电压，操作频率为0～40MHz；

◆16/32/64kB的片内Flash程序存储器，具有ISP（在系统编程）和IAP（在应用中编程）功能；

◆通过软件或ISP选择支持12时钟（默认）或6时钟模式；

◆SPI（串行外围接口）和增强型UART；

◆PCA（可编程计数器阵列），具有PWM和捕获/比较功能；

◆4个8位I/O口，含有3个高电流P1口（每个I/O口的电流为16mA）；

◆3个16位定时器/计数器；

◆可编程看门狗定时器（WDT）；

◆8个中断源，4个中断优先级；

◆2个DPTR寄存器；

◆低EMI方式（ALE禁能）；

◆兼容TTL和CMOS逻辑电平；

◆掉电检测；

◆低功耗模式

◆掉电模式，外部中断唤醒；

◆空闲模式；

单片机最小系统原理图如图3所示。

包括了晶振、复位电路和电源电路

图3单片机最小系统电路图

4.2、信号检测模块

4.2.1、超声波测距单元电路设计

本电路是基于超声波发射原理，在1秒内发出数个超声波，然后接收它的回波，由于声波在空气中的传送速度较慢，利用发、收过程中产生的时间差，就可以计算出前方物体离电路的实际距离。

本模块可以实现0.1m到30m范围内精度为1cm的精确距离检测。

根据题目要求，需要测试A、C和E三点的距离，因此在程序中加入了三段距离的检测功能，这样，在物体离电路的距离达到某数值时，电路会输出控制信号提供给支路控制器。

该单元电路共有三组六个输出端子，每一组有2个状态相反的输出，每组输出可驱动200mA，电路内部已接有续流二极管，可直接推动继电器。

超声波控制信号电路如图4所示。

图4超声波控制信号输出电路图

由于超声波测距模块的输出电平信号与单片机的输入信号之间不匹配，所以采用光电隔离电路来实现信号的变换，电路如图5所示。

图5光电隔离电路图

4.2.2环境光检测电路设计

环境光检测电路图如图6所示。

图6环境光检测电路图

随着光线的增强，光敏阻值越来越小，从而抬升A点的电压，该电压经过运算放大器进行放大，经过比较器与基准电压比较后输出，再通过稳压管钳位输出高低电平信号。

4.3、远程通信模块

远程通信模块要实现支路控制器和单元控制器之间的通信：

支路控制器向单元控制器发送开关灯的信号；

单元控制器向支路控制器发送路灯故障信号及故障地址编号的报警信号，通信采用自定义通信协议，协议中添加了首尾码和数据校验部分，确保通信安全可靠。

远程通信模块采用PTR2000无线收发模块实现双机无线通信。

此模块具有超小型、超低功耗、高速、接收发射合一的突出特点。

其特性如下：

◆接收发射合一；

◆工作频率为国际通用的数传频段433MHz；

◆FSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；

◆采用DDS+PLL频率合成技术，频率稳定性极好；

◆灵敏度高，达到-105dBm；

◆最大发射功率+10dBm；

◆低工作电压（2.7V），功耗小，待机状态仅为8uA.；

◆具有两个频道，特别满足需要多信道工作的特殊场合；

◆工作速率最高可达20Kbit/s（也可在较低速率下工作如9600bps）；

◆超小体积约40mmx27mmx5mm；

◆可直接接CPU串口使用如8031，也可以接计算机RS232接口，软件编程非常方便；

◆由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证；

◆标准DIP引脚间距，更适合嵌入式设备。

其各个管脚功能定义如下：

Pin1:

VCC,正电源，接2.7～5.25V

Pin2:

CS,频道选择，CS=0选择工作频道1即433.92MHz,CS=1选择工作频道2即434.33MHz

Pin3:

DO,数据输出

Pin4:

DI,数据输入

Pin5:

GND电源地

Pin6:

PWR,节能控制，PWR=1正常工作状态，PWR=0待机微功耗状态

Pin7:

TXEN,发射接收控制，TXEN=1时模块为发射状态，TXEN=0时模块为接收状态

由于采用无线通信，收发不能同步，因此利用软件编写一个简单的通信协议：

信号发送时，在有效数据前加两个字节的标志位，在接收一方的软件中，检测到该标志位后开始正式接收数据，接收到尾码后进行数据校验，检验通过则本次数据有效。

无线通信模块与单片机接口如图7所示。

图7无线通信模块与单片机接口图

4.4、声光报警模块

在声光报警模块中我们采用了普通的发光二极管和语音播放模块，可以实现人声播报报警。

单元控制器通过检测路灯电流，从而判断路灯故障，若有路灯故障则单元控制器发送信号给支路控制器，由支路控制器通过单片机的P1.5~P1.7引脚控制驱动发光二极管实现发光提示并发出相应的人声播报：

如1号路灯损坏则有“路灯故障”语音播报的同时指示灯点亮，显示模块显示当前故障地址编号。

语音模块接口电路如图8所示，光报警电路如图9所示。

图8语音模块接口电路图

图9光报警电路图

4.5、显示时钟模块

时钟模块中我们采用了DS1302芯片，实时钟模块电路功耗低并能对年、月、日、周、日、时、分、秒进行计时，它的突出特点是采用串口数据通信，占用系统资源较少。

时钟模块电路图如图10所示。

、

图10时钟模块电路图

液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。

这里使用的字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等，本设计采用常用的2行16个字的1602液晶模块。

1602液晶显示模块与单片机连接如图11所示。

图11液晶显示模块连接电路图

4.6、恒流驱动电源模块

恒流驱动电源模块原理图如图12所示：

图12恒流驱动电源电路图

工作原理：

恒流源电路采用两级运放，第一级运放组成一个电压跟随器，提高整个电源的输入阻抗，C1、C2组成

型滤波，驱除干扰信号。

第二级电路组成电流负反馈。

第一级运放的输出电压：

UO1=UP1.3

第二级运放引入电流负反馈，所以同相端和反相端输入电流为0，因此同相端U+由R3、R4两个电阻对UO1分压得到：

U+=UO1

U2同相端电压U+等于反相端电压U-，因此

Uo=U-=U+=UO1

=

UP1.3

R5的电流I5=

，由于U2反相端输入电流为0，所以TIP122发射极电流Ie=I5，又由于Ic≈Ie，所以恒流源电路的输出电流为：

I=Ic≈Ie=

=

由此可见，电源的输出电流与UP1.3成正比，当UP1.3保持恒定时，即可保证该电源的输出电流是恒定的。

同时，UP1.3可以通过单片机的PWM输出进行调节，从而实现输出电流的可控。

P89V51RD2的PWM模式原理如图13

图13PWM模式

由于所有模块共用仅有的PCA定时器，所有它们的输出频率相同。

各个模块的输出占空比是独立变化的，与使用的捕获寄存器CCAPnL有关。

当PCACLSFR的值小于CCAPnLSFR时，输出为低，当PCACLSFR的值等于或大于CCAPnL时，输出为高。

当CL的值由FF变为00溢出时，CCAPnH的内容装载到CCAPnL中。

这样就可实现无干扰地更新PWM。

要使能PWM模式，模块CCAPMn寄存器的PWM和ECOM位必须置位。

4.7、路灯故障检测模块

路灯故障一般可以通过检测电流来判断，具体的硬件设计原理图如图14所示。

图14路灯故障检测电路图

该故障报警电路采用电压比较电路给单片机发出报警信号。

当路灯出现故障时，通过灯的电流会极小甚至为零，不足以驱动LED发光，则故障采样点的电压会极小。

故障采样点电压与基准电压进行比较，使LM358输出高低电平。

基准电压由滑动变阻器与R2分12V电压得到，调节滑动变阻器即可改变基准电压。

工作过程：

当路灯正常工作时，故障采样点电压大于基准电压，则LM358输出+12V的正向饱和电压，该电压经限流电阻R3和稳压管到地，使该电路的输出电压为稳压管两端的电压，给单片机送入一高电平。

当灯出现故障，则采样电压低于基准电压，电路输出0，给单片机送入一低电平，从而实现故障报警。

需要说明的是：

此电路是以电流留过R1产生的电压与基准电压比较的，路灯故障与路灯不工作理论上都不会有电流，所以电路难以区分。

经过实际调试只只需在故障采样点与GND间接入一个发光二极管即可区分是故障还是停止工作。

因为电路虽不工作但是有微小的电流，电流经不过运放但流过发光二极管产生0.3左右电压降，这样再与基准电压（小于0.3V）比较就不会误判了。

5、系统硬件电路原理图与软件程序流程图

5.1、系统硬件电路原理图

5.1.1、支路控制器系统电路原理图如图15所示。

图15支路控制器电路原理图

5.1.2、单元控制器系统电路原理图如图16所示。