2834.电子竞赛模拟路灯控制系统.doc

模拟路灯控制系统本文源码索取，请联系qq：68661508摘要：本系统用凌阳SPCE061A单片机作为核心控制器，是一种实用的路灯控制系统。系统主要由61单片机，显示模块，键盘模块，语音模块，传感器模块，恒流源模块，稳压源模块等组成。该系统可以设定每只路灯的开关灯时间，还可以通过传感器来识别外部环境的明暗变化和有无物体通过，来自动控制路灯的开关，并且路灯的亮度可以通过自制可调恒流源按需要进行自动调节；同时系统还能检测路灯是否发生故障，若发生故障则及时报警并显示故障路灯的地址编号。本系统采用自制稳压源；仅一片处理器就实现了支路控制器和单元控制器的功能，提高了性价比；当有物体同时双向经过时，支路控制器可以控制路灯合理的亮灭，节约了电能。关键词：SPCE061A单片机；LED数字显示；4*4键盘；恒流源；光电传感器Abstract：This system which is a practical Streetlight control system, uses Sunplus SPCE061A MCU as core controller. Its mainly composed of 61 MCU display module, keyboard, voice module, sensor module, constant current source module, stable voltage source module, etc. The system can be set switch lamp time, and also identify the external environment there is no shading and through by sensors, object to automatically control Streetlight switches, and the brightness of a street lamp can be passed to the excitement of self-made adjustable as necessary to auto-tuning; at the same system is still able to detect whether a street lamp, if it fails then the fault of alarm and displayed in a timely fashion street address number. This system adopts manmade voltage, only one processor can achieve branch controller and unit controller, improving the function of price, When objects and two-way after, branch controller can control the bright lights, reasonable save electricity.Keywords： SPCE061A-chip; led digital display;4 * 4 keyboard;led lamps; photoelectric sensors; communications一、方案设计与论证1.1 控制器模块方案一： 采用89C51单片机作为微处理器。该单片机的应用比较广泛，软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制；但是此系列单片机编程复杂，字长有限，处理速度较慢，资源不够丰富，需要扩展较多的外围电路。方案二：采用CPLD作为主控制微处理器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、I/O资源丰富且数据处理速度很高，适合作大规模的控制系统，但CPLD的成本较高。方案三： 采用SPCE061A单片机作为主控制微处理器。SPCE061A单片机具有体积小，集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、中断处理能力强等特点，而且SPCE061A单片机内嵌32K闪存FLASH，处理速度高，配有很多语音播报函数，实现语音播报极为方便，这大大加快了系统的开发与调试。方案比较及选择: SPCE061A本身的内部结构决定了其内在特性比89C51的特性更加优越，并且本系统也不需要复杂的逻辑功能和很高的数据处理速度，故排除方案一、方案二，采用SPCE061单片机作为主控制微处理器。1.2 显示模块方案一：采用LCD液晶显示模块，可以显示数字，中文字符，图片，显示内容丰富生动。但需要设定的参数比较多，如显示位置，模式等，程序编写起来不方便，显示不明显，价格高。方案二：采用LED数码管显示模块，其能耗低、对外界环境要求低，控制简单，调试方便，且显示占用很少的I/O口。缺点是只能显示一些简单的ASCII码字符。 方案比较及选择: LED显示器与LCD显示器相比，LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。LED与LCD的功耗比大约为1:10，鉴于本系统只需用显示简单的数字、字母，我们选用方案二LED七段数码管。1.3语音模块方案一：采用IDS1420可分段放音模块和语音放大电路。IDS1420语音芯片可通过单片机进行放音的控制，且音质较好，但外围需要接语音放大电路，增加了成本。 方案二：采用凌阳SPCE061A单片机自带的语音模块，在SPCE061A集成开发环境中，配有很多语音播报函数，编写程序控制语音播报极为方便，同时SPCE061A本身集成了语音放大电路，音质上也能满足要求。方案比较及选择: 鉴于简便及成本两方面考虑，SPCE061A语音模块更具有优势，因此我们选择了方案二。 1.4 传感器模块1.4.1检测物体传感器方案一：采用超声波传感器，超声波传感器工作不稳定，受环境影响较大，地面对超声波的反射会影响对障碍物的判断，而且电路复杂，成本高。方案二：采用光电传感器，光电传感器对检测物体的限制少，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测，而且响应时间短、对环境要求不高、价格低廉。方案比较及选择：由于光电传感器在外界环境要求和成本方面比超声波传感器更优越，所以我们选择方案二。1.4.2检测环境明暗传感器采用自制的光敏传感器，其主要元器件是光敏电阻，利用光敏电阻能够将光信号转换成电压信号反馈给主控制器的原理，从而实现根据环境明暗的变化对路灯进行控制，并且光敏电阻感光非常灵敏，检测准确，使用方便，成本比较低。1.5恒流源模块方案一、美信(Maxim)推出可调恒流源MAX16803，可提供高达350mA的电流来驱动一列或多列高亮度LED(HB LED)。6.5V至40V宽输入电压范围可有效避免甩负载和冷启动等大瞬态的危害。但是，价格很高，用在路灯上有点浪费。方案二、采用自制的恒流源，电流范围为0200mA,可以利用单片机输出PWM来调节电流大小，从而实现路灯亮度调节。基本能满足题目要求。方案比较及选择：由于由于自制的恒流源成本方面比MAX16803更经济适用，所以我们选择方案二二、电路设计1、 整体设计路灯点亮电路 SPCE061A单片机电源及复位模块4*4键盘语音播报LED显示模块光电传感器 图1 系统框图本系统可以通过键盘对系统时钟进行调整，设置路灯亮灭的起始和终止时间，并与系统时钟进行比较，当达到设定时刻控制路灯做出相应的变化（亮或灭）。两个路灯可以分别设定，也可以定时。同时利用传感器判断外部环境亮暗变化和是否有物体通过信息传给单片机，并让单片机控制路灯的开关，及检测路灯是否有故障，当有故障产生及时报警。2、 光敏电阻模块电路设计本电路利用光敏电阻感光而改变阻值的特性，用来判断路灯的亮灭。电路中的普通电阻和可调电阻并联，作为可调分压电阻来分压，光敏电阻两端的电压能输出高低电平给单片机。自制光敏传感器原理图如图2所示，R1是暗阻47K的光敏电阻，VCC接3.3V或5V。当有光照时，当有光照时，R1光阻近似为零，Signal输出为低电平。而当无光时，SignalVCC*(R1/(R1+(R2/R3).由于R1和R2/R3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R3改小R2/R3的阻值，提高Signal的电压值。 图2 光敏电阻模块3、 键盘电路设计该键盘是自制4*4矩阵键盘，主控制器可以对键盘的行列不断扫描，通过高低电平的变化来判断按键的坐标位置，即通过8位编码来确定按键位置和键值。其原理图如图3所示：S2S6S10S5S1S3S7S4S8S9S11S12S13S14S15S16L1L2L3C1L4C2C4C3 图3 4*4键盘原理图4、 声光报警模块语音播放过程为：先进行数据提取，语音数据解压缩队列解压缩数据并送入输出队列，在定时中断的控制下进行数模转换，模拟信号经滤波、放大，通过外接蜂鸣器输出。电路原理图如图4所示： 图4 语音模块电路图5、 稳压源电路设计 此电路用电桥整流和4700uF的电容滤波，再由LM317构成的简单线路，形成可调节线性稳压集成电路，输出电压可调范围为1.2V - 37V。LM317的过流和短路采用的是限流保护方式，使线路稳定安全。因为LM317最高输入电压为直流40V，交流电源输入电压：40V × 0.707=28.28V。考虑到220V电源允许±10的变动，电压可能会升高，变压器输出为28.28V× 0.83=23.472V。其原理图如图5所示: 图5 稳压源电路图6、恒流源电路设计 图6 恒流源电路图如图六所示，为可调恒流源电路。此线路通过单片机输出PWM波，经三极管、运算放大器、场效应管将电流控制在恒定的状态，并且通过单片机采集电压信号，可实现自动调节恒流源的功率。接了三级管后充电常数应该是（10K+100K）*0.68U），放电常数是（100K*0.68）。三、软件设计流程图判断当前要执行的动作打开路灯关闭路灯语音报警结 束检测传感器的输出信号显示当前时间输入要定时的路灯编号路灯定时设定当前模式扫描键盘初始化键盘数码管开 始I/O口定义及初始化3.1主流程图 模式1 模式2 模式3 动作1 动作2 动作33.2键盘扫描流程图开始是否有键按下分别按行扫描扫描键码是否为0？比较两次键值是否相同？扫描计数器加1返回置键抬起标志计数器加1 N Y Y N Y N3.3传感器处理流程图返回灯1是否亮?语音播报熄灭灯1 点亮灯2灯2是否亮？开始此时哪个路灯已亮？判断哪个传感器为高电平关闭所有灯EN灯环境是否暗？熄灭灯2 点亮灯1返回灯1是否亮?语音播报熄灭灯1 点亮灯2灯2是否亮？开始此时哪个路灯已亮？判断哪个传感器为高电平关闭所有灯EN灯环境是否暗？熄灭灯2 点亮灯1 亮 暗 1号 3号 2号 灯2 灯1 Y Y Y N N四、测试方法与测试结果4.1测试仪器米尺、秒表、数字电压表等。4.2测试方法及结果4.2.1定时功能测试 1、测试方法先调整快系统时钟，然后设定对灯（LED1、LED2）开关的时刻，可以同时设定，也可单独设定。2、测试结果 见表1、表2 表1 按下表对两灯开灯时间定时 时刻实验次数开始时刻终止时刻 第1次 08：00 18：00 第2次 18：00 05：00 第3次 23：00 02：00 表2 测试结果 实验次数灯的编号第1次 第2次第3次LED1理论值 亮 亮 亮 LED1实际值 亮 亮 亮 LED1理论值 亮 亮 亮LED2实际值 亮 亮 亮3、结果分析 从上面两组数据可以看出，控制系统能够实现按照预设时间实现开关灯的功能。4.2.2光电传感器功能测试1、测试方法：先按题目要求中路灯布置示意图，设定路灯位置，当小车走过S、B、S点观察两路灯的亮灭，并用米尺记录小车的标定点距各点的距离为多少时灯亮或者是灭。实验结果见表3。 定点 灯编号S处(标定点与S的距离反应)SBB处(标定点与S的距离反应)BCS处(标定点与S的距离反应)LED1理论值0(CM)亮0(CM)灭无(CM）LED2理论值无灭0(CM)亮0(CM)LED1实际值0.5（CM）亮0.8(CM)灭无(CM)LED2实际值无灭0.8(CM)亮0.6(CM)LED1实际值0(CM)亮1(CM)灭无(CM)LED2实际值无灭1(CM)亮0.5(CM)表3 监测功能测试数据4.2.3设定功率的检测1、测量方法先通过键盘设定要输出的功率，然后用数字万用表检测路灯的电压和电流计算出功率与设定的功率值对比。2、实验数据：见表4表4 功率监测 测量值测量 次数电压值(V)电流值(mA)设定功率(W)实际功率(W)误差第一次10100110%第二次9.879910.991%第三次9.969810.982%第四次10.0910211.022%3、 实验结果分析：从上面的数据可以看出，控制系统已经实现了对恒流源的输出功率的控制。五、总结经过四天的艰苦奋战，在指导老师的辛苦指导下，本着提高作品性价比和节能的原则，不但完成基本要求，而且也基本完成发挥部分，达到了预期目标。本系统以凌阳SPCE061A单片机为核心部件，利用软件编程和键盘实现控制，实现对路灯的自动控制。基本部分：控制路灯不仅可以通过支路控制器设定灯的开关时间，还可以通过光敏电阻判断环境亮暗来决定路灯的开关，此外还能检测路灯是否正常工作，若有故障能及时报警。通过光电开关来判断是否有物体经过来控制路灯的亮灭，并在LED显示屏上实时显示信息，而且具有对显示的信息有调整的功能。发挥部分：自制可调恒流源，实现了在规定时间内通过自动调节恒流源输出功率对路灯亮度的调整，并能按设定要求自动减小，保证功率能在20%100%范围调节，误差不大于2%。虽然该比赛的过程是艰苦的，但通过这次比赛，我们在硬件设计、软件编程方面得到了极大的提高。同时小组的三个成员团结一心，并合理分工，大大提高了工作效率，体现良好的团队合作精神。增强了自己动手能力的同时还加深了对理论知识的理解，拓展了知识面。六、参考文献1薛均义等.凌阳16位单片机原理及应用M.北京：北京航空航天大学 出版社2张友汉.电子线路设计应用手册M.福州：福建科学技术出版社，20003罗亚非.凌阳16位单片机应用基础.北京：北京航空航天大学出版社，20034王济号.模拟电子技术基础.济南：山东科学技术出版社，20025唐清善等.Protel Dxp入门与精通实用教程.中国水利水电出版社，20046林捷等.模拟电路与数字电路.人民邮电出版社，20077田良.综合电子设计与实践.南京：东南大学出版社，2002