基于单片机的模拟路灯控制电路.docx
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基于单片机的模拟路灯控制电路
基于单片机的模拟路灯控制电路
设计任务与要求
设计并制作一套模拟路灯控制系统。
控制系统结构如图1所示,路灯布置如图2所示。
二、要求
1.基本要求
(1)支路控制器有时钟功能,能设定、显示开关灯时间,并控制整条支路按时开灯和关灯。
(2)支路控制器应能根据环境明暗变化,自动开灯和关灯。
(3)支路控制器应能根据交通情况自动调节亮灯状态:
当可移动物体M(在物体前端标出定位点,由定位点确定物体位置)由左至右到达S点时(见图2),灯1亮;当物体M到达B点时,灯1灭,灯2亮;若物体M由右至左移动时,则亮灯次序与上相反。
(4)支路控制器能分别独立控制每只路灯的开灯和关灯时间。
(5)当路灯出现故障时(灯不亮),支路控制器应发出声光报警信号,并显示有故障路灯的地址编号。
2.发挥部分
(1)自制单元控制器中的LED灯恒流驱动电源。
(2)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%。
(3)其它(性价比等)。
三、说明
1.光源采用1W的LED灯,LED的类型不作限定。
2.自制的LED驱动电源不得使用产品模块。
3.自制的LED驱动电源输出端需留有电流、电压测量点。
4.系统中不得采用接触式传感器。
5.基本要求(3)需测定可移动物体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,要求该距离≤2cm。
根据题目要求,本控制系统电路由MCU为主控芯片,辅以测量光和红外的传感元件,可根据环境明暗变化,自动开灯和关灯,支路控制器能根据交通情况自动调节亮灯状态,独立控制每只路灯的开灯和关灯时间。
当路灯出现故障时(灯不亮),支路控制器发出声光报警信号,并显示有故障路灯的地址编号。
送入单片机进行数据处理,控制LED的明暗,并在在液晶屏上显示,此电路还具有许多扩展功能。
前言
伴随着科学技术的发展,人类社会的进步,越来越多的电子产品不断涌现,并且电子产品也不断向体积小,功能大,效率高,能耗低的方向发展,我们的设计作品充分体现了这些特点。
设计中我们运用了STC12C5A60S2单片机,因为它内置AD转化,并且能够输出PWM信号,使外部电路简单;运用DS1302时钟芯片保证了时间的实时显示,还运用NE555构成的多谐振荡器与红外发射二极管构成红外发射电路;显示电路我们采用1602液晶显示屏,是我们的设计更加人性化。
并且在我们设计制作中充分考虑了环保的问题,我们运用的辅助器件基本都是剩下的废料。
一总体方案设计
图1系统框图
本方案具有两路信号输入检测与显示、报警等功能,此外通过主控单元电路的扩展,可添加多种附加功能。
二方案论证与设计
根据系统框图,对单元电路控制进行设计,下面是我们对各部分单元电路的论证与设计
2.1主控电路的选择与论证
2.1.1采用89C51系列的单片机作为CPU
89C51单片机是8位单片机,4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个数据指针,两个16位定时/计数器,一个5向量中断结构,一个全双工串口通信口,片内振荡器及时钟电路。
其指令是采用的被称为“CISC”的复杂指令集,工具有111条指令,与其他高位单片机相比而言,指令周期较长,运算速度太慢,而且由于其内部总线是8位的,其内部功能模块也基本上都是8位的;89C51单片机本身的电源电压是5伏,89C51有两种低功耗方式:
待机方式和掉电方式。
2.2.2采用LPC2138单片机作为CPU
该芯片其本身自带A/D转换功能,带大容量的32KRAM和512KFLASH,内部资源丰富且系统稳定,芯片价格昂贵。
2.2.3采用STC12C5A60S2单片机作为CPU
该芯片位增强型8051内核,除具有51系列单片机的性能外,还具有以下以下功能:
1、高速:
速度比普通8051快8~12倍;
2、增强掉电检测电路(P4.6),可在掉电时,及时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需操作EEPROM;
3、工作频率:
0~35MHz,相当于8051:
0~420MHz;
4、8通道,10位高速ADC,速度可达25万次/秒,2路PWM还可当2路D/A使用;
5、4个16位定时器,兼容普通8051的定时器T0/T1,2路PCA实现2个定时器;
6、系统工作稳定,方便高效的开发环境。
综合上述,由于STC12C5A60S2众多的优良性质,尤其是内置A/D转化、高速度和多功能复位引脚的特性,这样可以减少扩展,提高性价比。
因此,本设计最终才用STC12C5A60S2单片机作为主控CPU。
2.3显示设备的选择与论证
2.3.1使用数码管显示
可以使用一个3/8译码器作为位选芯片,一个74LS573作为段选芯片,预计要完成各功能电路的显示则至少需要两个四合一数码管,此方案连线太多,硬件设计不便,并且其功耗大。
2.3.2使用液晶显示
液晶显示驱动简单,耗电量小,无辐射危险,平面直角显示以及影响稳定不闪烁灯优势,显示直观、抗干扰能力强等诸多优点,两方案比较,选择该方案。
2.4单元控制器模块选型
2.4.1热释电型红外传感器
热释电型红外光敏元器件的特点是:
灵敏度较低、响应速度较慢、响应的红外线波长较长,价格便宜。
为了提高灵敏度,通常都加上一个菲涅尔透镜,其原理是移动物体或人发射的红外线进入透镜,产生一个交替的“盲区”和“高灵敏区”,这样就会产生一系列的光脉冲进入传感器,从而产生电流变化,送给控制系统。
目前一般配上透镜可检测10m左右。
但考虑到实际路灯之间的距离,因此没有选择此方案。
2.4.2感应线圈
感应线圈的原理是:
根据金属物体通过磁场,使线圈电感量发生变化,同时状态信号传输给检测器,由其进行采集放大,送给单片机。
特点是:
灵敏度高,响应速度快,在恶劣天气条件下仍具备有出色的性能。
但由于电路复杂,因此没有选用此方案。
2.4.3红外对管
红外对管包括红外发射管和红外接收管。
发射管就是能够发射出红外线的二极管,接收电路的红外接收管是一种光敏二极管,使用时要给红外接收二极管加反向偏压,它才能正常工作而获得高的灵敏度。
红外接收二极管一般有圆形和方形两种。
由于红外发光二极管的发射功率较小,红外接收二极管收到的信号较弱,所以接收端就要增加高增益放大电路。
然而现在不论是业余制作或正式的产品,大都采用成品的一体化接收头。
红外线一体化接收头是集红外接收、放大、滤波和比较器输出等的模块,性能稳定、可靠。
所以,有了一体化接收头,人们不再制作接收放大电路,这样红外接收电路不仅简单而且可靠性大大提高,所以我们也采用了一体化接收头。
原理是无移动物体通过时,红外接收管接受红外线呈高电平,当有移动物体通过时,遮挡了红外线使接收管电压变化,产生一个脉冲,送给单片机控制开关灯。
综合考虑,我们选择了红外对管。
2.5恒流源模块选型
2.5.1采用LC降压的方式
优点:
价格低。
缺点:
效率极低,给1W的LED供电,需要消耗4-6W的电力。
功率因数极低,差不多0.2左右。
严重缩短LED的寿命。
对电网的污染很大。
串联多颗时会有闪烁。
2.5.2通过如HV9910开关电源芯片设计
优点:
普通常用
缺点:
效率低:
在60%左右,体积大,批量生产时LED的亮度一致性差,无法批量化,干扰大,电网污染大,串联LED灯,常会有闪烁,可以通过接红、白等颜色的灯观看到,模块中使用电解电容,电解电容的寿命大概是5000小时,而LED是100000小时,这样的模块很容易一年就会损坏。
2.5.3LM358驱动LED
优点:
输出恒定电流:
350mA+/-5%(1WLED)。
功率因数0.625-0.75。
效率高达到93%(10W)。
反馈电路更好的稳定电流。
模块温升低。
缺点:
需要双电源供电,电压范围较窄。
2.6时钟芯片的选型
2.6.1DS1302
采用DS1302实时时钟/日历芯片,最大总行速度400bit/s,每次读写数据后,其内嵌的字地址寄存器会自动产生增量的地址寄存器、分频器、可编程时钟输出、定时器、400HZ的I2总线接口,DS1302与单片机之间简单的采用同步串行的方式进行通信,仅需用到三个口线,简单方便。
2.6.2DS12887
使用DS12887时钟芯片,它具有微功耗、外围电路简单、精度高、工作稳定可靠等优点,但是其占用的I/O多,且体积大。
综合考虑,我们选择了方案一。
三硬件电路设计
3.1单片机模块单元电路的设计
单片机单元模块电路
单片机单元模块电路采用上电复位电路,上电复位就是接通电源后,单片机自动实现复位操作。
上电复位电路由C13、S3、R24构成,上电瞬间9脚获得高电平,随着电容C13的充电,9脚的高电平逐渐下降。
9脚的高电平只要能保持猪狗的时间(2个机器周期),单片机就能进行复位操作。
Y1、C1、和C18构成内部时钟振荡电路,C1和C18的作用主要是稳定频率和快速起振容值为5~30Pf,典型值为30pF。
为方便与计算机通信晶振的频率选用11.0592MHz。
3.2实时时钟控制电路的设计
实时时钟电路
实时时钟采用DS1302,它是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路,它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,具有闰年补偿功能,工作电压为2.5V~5.5V。
采用三线接口与CPU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
本电路由Y2构成起震。
3V的纽扣电池构成掉电保护电路,1302的CLK,I/O,RST口分别接单片机的IO口,从而控制1302的时钟显示。
DS1302的2脚和3脚外接32.768KHz的晶振,7脚为串行时钟接口,与单片机的15脚相连,6脚为数据输入/输出端,以便于总线控制,与单片机的17脚连接,5脚复位引脚,与单片机P3.6相连,当时钟达到设定值时,自动复位。
3.3串口通信电路的设计
串口电路
串口下载电路采用MAX232电平转换芯片,于采用此电路方便电路的调试,减少单片机的损坏,并且应用串口通信还可以实现与计算机通信,供计算机时时接收和发送数据,为人们的使用提供了极大的方便。
MAX232芯片外接4个0.1uF的去耦电容,一减小噪声对它的影响。
当跳冒接上后本串口即可下载程序。
MAX232的电路连接如图所示。
3.4光敏总控制电路
光敏总控电路电源控制电路
光敏总控电路和电源控制电路联合控制整个电路的灯亮灭。
光敏总控电路由光敏电阻,三极管S9013组成,三极管的集电极与单片机的14脚相连。
通过检测光敏总控的输出电压,通过单片机给电源控制电路输入一个开关信号,控制继电器的通与断,进而控制整个电路的工作情况。
工作原理:
白天,由于光照强,光敏电阻RS1的阻值变小,导致两端电压减小,进而影响三级管b、e两端的电压,使其处于反偏状态,无电压输出,通过单片机给电源控制电路一个低电平,继电器断开,整个路灯控制电路断开,路灯灭;夜晚,与白天情况相反。
3.5声光报警电路的设计
声光报警电路
电磁式蜂鸣器分为两类,一类是有源蜂鸣器,内部含有音频振荡电路,直接接上额定电压就可以连续发声;二是无源蜂鸣器,工作时需要接入音频方波,改变方波频率可以得到不同的音调的声音。
工作原理:
本电路中采用有源蜂鸣器,由PNP三极管8550构成驱动电路,其基极与单片机的25脚相连,R15为LED的限流电阻。
当检测到路灯电路有问题时,单片机的25脚输出低电平,三极管导通,LED亮,蜂鸣器响。
3.6红外发射电路设计
红外发射电路
555定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。
只要外部配接少数几个阻容元
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- 基于 单片机 模拟 路灯 控制电路