模擬路燈控制系統(tǒng)2組LED

1、 2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽設(shè)計報告模擬路燈控制系統(tǒng)（I題）【高職高專組】參賽學(xué)校：湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 參賽隊員：李亞飛 段敏 成瓊2009年9月目 錄 摘要11 方案設(shè)計與比較11.1 LED恒流源設(shè)計方案11.2 移動物體通過檢測方案11.3 整體方案12 理論分析與計算22.1 功率數(shù)據(jù)采集原理分析22.2 功率調(diào)節(jié)原理分析22.3 調(diào)節(jié)誤差分析23 電路設(shè)計23.1 系統(tǒng)框圖23.2 顯示器模塊電路33.3 光傳感器模塊33.4 時鐘電路43.5 紅外對管檢測電路43.6 聲光報警電路43.7 A/D電路43.8 D/A轉(zhuǎn)換電路53.9 串口電路54 程序設(shè)計54.1 物體通過

2、檢測實現(xiàn)54.2 功率調(diào)節(jié)的實現(xiàn)54.3 程序流程圖65 系統(tǒng)測試75.1 測試儀器75.2 測試方案75.3 測試結(jié)果75.4 結(jié)果分析76 總結(jié)8參考文獻8附件1：支路控制器系統(tǒng)電路圖9附件2：單元控制器系統(tǒng)電路圖10附件3：恒流源電路圖11附件4：主要PCB圖12附件5：主要元器件清單14附件6：部分程序清單15模擬路燈控制系統(tǒng)摘要：本系統(tǒng)采用3片Atmel公司的AT89S51單片機作為系統(tǒng)的控制器件，其中支路控制器為主控制器，兩個單元控制器作為從控制器。支路控制器接顯示器和鍵盤組成人機界面，可通過外部時鐘模塊進行開關(guān)燈定時控制，可通過光敏傳感器和電壓比較器檢測環(huán)境明暗程度，可通過7對紅

3、外對管檢測交通情況，從而控制LED的亮滅。在單元控制器中，采用OP07集成運放接大功率場效應(yīng)管設(shè)計了LED壓控恒流源，可由單片機通過D/A方便地控制恒流源的輸出電流和功率，并由A/D芯片將功率數(shù)據(jù)反饋到單片機，形成閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。支路控制器與單元控制器之間采用485工業(yè)串口進行通信，推廣到實際應(yīng)用中。關(guān)鍵詞：路燈89S51單片機恒流源 1 方案設(shè)計與比較1.1 LED恒流源設(shè)計方案方案一：分立元件設(shè)計法。LED恒流源可以采用三極管、穩(wěn)壓管加電阻等分立元件進行設(shè)計，具有電路簡單、成本低等優(yōu)點，但是性能較差，單片機不好控制。方案二：專用芯片設(shè)計法。市面上有不少專用LED恒流源的驅(qū)動芯片，如美國安

4、森美公司的CAT4201以及UCT4611，SN3350等。采用專用芯片電路簡單可靠、性能好，通過PWM可控制輸出電流大小，但是功率數(shù)據(jù)不易采集。方案三：運放設(shè)計法。采用OP07集成運放接大功率場效應(yīng)管等元器件組成壓控恒流源，這種方案具有電路簡單可靠、性能好、單片機容易控制、功率數(shù)據(jù)易于采集等優(yōu)點，故采用此種方案。1.2 移動物體通過檢測方案方案一：超聲波檢測法。利用超聲波發(fā)射接收的時間差不同，可用來檢測是否有物體通過。該方法簡單有效，但由于聲波的發(fā)散特性，精度達不到題目要求。方案二：反射式紅外傳感器檢測法。利用紅外線發(fā)射接收的時間差不同，也可來檢測是否有物體通過。該方法同樣簡單有效，而且精度

5、較高，但是檢測距離過短，只有10幾cm，而且價格很高。方案三：紅外對管檢測法。采用位于同一直線上面對面放置的一個紅外發(fā)射管和一個紅外接收管（即紅外對管），可以用來檢測是否有物體通過其間。只需通過檢測流過紅外接收管的電流大小，可以方便地掌握物體通過情況。該方法簡單易行，檢測距離遠、精度高，成本低，故本系統(tǒng)采用該方案。1.3 整體方案方案一：單MCU控制法。單從題目功能的實現(xiàn)，采用單MCU方案是可行的。支路控制器采用單MCU設(shè)計，所有外部接口（包括鍵盤、顯示器、時鐘模塊、光電傳感器、紅外對管、AD、DA等）都掛在這個MCU上。兩個單元控制器不帶MCU，只設(shè)計恒流源。兩個恒流源的控制及功率數(shù)據(jù)采集由

6、支路控制器中的MCU通過雙通道的A/D、D/A來完成。這種方案單元控制器電路相當(dāng)簡單，支路控制器電路較為復(fù)雜，MCU工作負荷大，I/O資源緊張。整體方案成本較低，易于實現(xiàn)，但不符合實際情況，不滿足題意。方案二：主從機協(xié)同控制法。支路控制器、單元控制器各采用1片MCU進行控制，支路控制器的主MCU與單元控制器的從MCU之間采用串口通信進行數(shù)據(jù)交換。支路控制器只用于人機界面、開關(guān)燈時間設(shè)定、自動亮度識別、道路通過檢測及故障報警等，而各個LED恒流源及其控制、數(shù)據(jù)采集電路均集成到單元控制器電路中，并由其內(nèi)部的從MCU通過串口接收主MCU的指令進行控制。此方案各MCU分工合理，協(xié)同工作，負荷不高，電路

7、、程序都較簡單。同時采用工業(yè)串口，傳輸距離遠，可推廣到實際應(yīng)用中，故本系統(tǒng)采用該方案。2 理論分析與計算2.1 功率數(shù)據(jù)采集原理分析單元控制器采集當(dāng)前LED的輸出功率數(shù)據(jù)分兩步進行：一、采集通過LED的電流值。由于本系統(tǒng)采用壓控恒流源，故通過LED的電流即為通過采樣電阻的電流，因為采樣電阻阻值為1，所以電流等同于采樣電阻上的電壓。又因為前級運放OP07接成電壓跟隨器，該值即為D/A輸出的電壓值，在單元控制器在設(shè)定LED輸出功率時已知。二、采集LED兩端的電壓值。該值由LM358接成減法器直接在LED兩端取得，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送給從機。將這兩個值相乘，即得到當(dāng)前LED的功率值。2.2 功率調(diào)節(jié)原理分

8、析設(shè)定功率時，單元控制器并不能一步到位。必須先通過D/A輸出一個初始的LED電流值，然后通過A/D把LED兩端電壓讀回來，將電流與電壓相乘得到的功率值與需設(shè)定值進行比較，如果小于設(shè)定值，則增加D/A的輸出；如果大于，則減小D/A的輸出。通過這種閉環(huán)系統(tǒng)，使當(dāng)前輸出功率值逐步逼近設(shè)定功率值。2.3 調(diào)節(jié)誤差分析D/A設(shè)定恒流源電流值、A/D采集電壓數(shù)據(jù)都將帶來轉(zhuǎn)換誤差，這是A/D、D/A器件本身硬件帶來的，不可避免。A/D、D/A位數(shù)越高，轉(zhuǎn)化誤差越小，調(diào)節(jié)誤差也越小。本系統(tǒng)采用12位的A/D、D/A器件，轉(zhuǎn)換誤差小于0.1%，而功率誤差由電流轉(zhuǎn)化誤差與電壓轉(zhuǎn)換誤差共同決定，由于他們之間是乘積關(guān)

9、系，因此誤差的數(shù)量級不會上升，總的調(diào)節(jié)誤差小于0.5%，精度完全符合題目要求。3 電路設(shè)計3.1 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖如圖1所示。支路控制器（主機）AT89S51單元控制器（從機1）AT89S51單元控制器（從機2）AT89S51恒流源1顯示器時鐘模塊光傳感器紅外對管檢測模塊按鍵A/DD/A恒流源2A/DD/A串口串口串口LED1LED2聲光報警模塊圖1 系統(tǒng)框圖3.2 顯示器模塊電路該模塊采用2個4位一體共8位共陰數(shù)碼管顯示器連接而成，段碼數(shù)據(jù)線共用，采用138譯碼作為數(shù)碼管位選，用于顯示開關(guān)燈時間、恒流源輸出功率值及百分比、故障LED編號等數(shù)據(jù)。數(shù)碼管顯示具有亮度高、可視距離遠、直觀、功耗低、

10、使用方便、性價比高等特點。電路如圖2所示。圖2 數(shù)碼管顯示電路3.3 光傳感器模塊采用光敏電阻作為敏感元件，當(dāng)環(huán)境亮度較高時，光敏電阻R1阻值很小，P17為低電平；當(dāng)環(huán)境亮度較低時，光敏電阻R1阻值很大，P17為高電平。電路如圖3所示。 圖3 光傳感器電路 圖4 DS1302時鐘電路3.4 時鐘電路時鐘模塊用于給MCU提供精確時間數(shù)據(jù)，從而使支路控制器能夠準(zhǔn)確控制LED的開關(guān)燈時間。該模塊采用具有SPI接口的DS1302來進行設(shè)計，只占用MCU 3個I/O，該模塊電路如圖4所示。3.5 紅外對管檢測電路系統(tǒng)采用555接成施密特觸發(fā)器來對紅外接收管的陽極電壓進行監(jiān)控，當(dāng)無物體通過對管其間時，紅外

11、管接收管D2導(dǎo)通，D2陽極電壓為低，CH1輸出高電平；當(dāng)有物體通過其間時，紅外管D2截止，D2陽極電壓為高，CH1輸出低電平。電路如圖5所示。 圖5 紅外對管檢測電路 圖6聲光報警電路3.6 聲光報警電路采用一個普通發(fā)光二極管加一個蜂鳴器實現(xiàn)，當(dāng)LED出現(xiàn)故障時的聲光報警提示功能。如圖6所示為聲光報警電路。3.7 A/D電路該模塊采用美國國家半導(dǎo)體公司8位并行ADC ADC0809實現(xiàn)，用于采集LED上電壓值到從機。其電路如圖7所示： 圖7 A/D轉(zhuǎn)換電路 圖8 D/A轉(zhuǎn)換電路3.8 D/A轉(zhuǎn)換電路該模塊采用Linear公司12位串行DAC LTC2622實現(xiàn)，用于設(shè)定恒流源的輸出電流及功率。

12、電路如圖8所示。3.9 串口電路本系統(tǒng)采用工業(yè)串口485進行主機與從機間的通信，其接口電路如圖9所示。圖9 串口接口電路4 程序設(shè)計4.1 物體通過檢測實現(xiàn)物體通過的檢測是通過道路兩邊垂直道路方向擺放的7對紅外對管實現(xiàn)的。S、S兩點分別放置兩對管，B點位置擺放3對管。這樣，通過不同管子檢測物體的時間先后關(guān)系，可以方便地判斷出物體的移動位置和移動方向。即不論物體是前進還是后退，管子都可以檢測出來。紅外對管檢測精度很高，識別誤差小于2cm。4.2 功率調(diào)節(jié)的實現(xiàn)當(dāng)調(diào)節(jié)功率時，單元控制器并不能一步到位，立即使當(dāng)前功率值等于設(shè)定功率值。必須先通過D/A輸出一個初始的LED電流值，然后通過A/D把LED

13、兩端電壓讀回來，將電流與電壓相乘得到的功率值與需設(shè)定值進行比較，如果小于設(shè)定值，則增加D/A的輸出；如果大于，則減小D/A的輸出。通過這種閉環(huán)系統(tǒng)，使當(dāng)前輸出功率值逐步逼近設(shè)定功率值。4.3 程序流程圖主機的主程序流程圖、從機主程序流程圖、從機中斷服務(wù)程序流程圖分別如圖10、11、12所示。圖10 主機主程序流程圖圖11 從機主程序流程圖 圖12 從機中斷服務(wù)程序流程圖5 系統(tǒng)測試5.1 測試儀器DS-1雙通道直流穩(wěn)壓源、C31-A型高精度指針式毫安表、 C31-V型高精度指針式電壓表5.2 測試方案功能逐項測試法：根據(jù)題目要求，依次逐項測試系統(tǒng)功能。數(shù)據(jù)實測計算法：使用精密毫伏表、電壓表，實

14、時測試通過LED的電流及其兩端的電壓，再計算出LED的輸出功率，并將其與控制器設(shè)定的功率值進行比較，以計算出調(diào)節(jié)誤差。5.3 測試結(jié)果1）功能完成情況 經(jīng)測試，系統(tǒng)可完成題目的基本及發(fā)揮部分全部功能。2）指標(biāo)完成情況本題的指標(biāo)主要是恒流源輸出功率的調(diào)節(jié)誤差。經(jīng)測試，測試數(shù)據(jù)及計算結(jié)果如表1所示：表1 恒流源的功率數(shù)據(jù)及調(diào)節(jié)誤差表設(shè)定功率百分比儀器測量電流值（mA）儀器測量電壓值（V）實際功率計算值(W)調(diào)節(jié)誤差20%65.822.820.18501.50%48%156.232.980.46561.44%80%248.443.160.78511.49%100%306.023.210.98231.

15、77%5.4 結(jié)果分析通過測試、計算和分析，系統(tǒng)完成題目的基本及發(fā)揮部分全部功能，并在設(shè)定調(diào)節(jié)LED輸出功率的指標(biāo)上達到題目發(fā)揮部分要求，整體性能達到題目發(fā)揮部分要求。6 總結(jié)本系統(tǒng)采用3片Atmel公司的AT89S51單片機作為系統(tǒng)的控制器件，其中支路控制器為主控制器，兩個單元控制器作為從控制器。支路控制器接顯示器和鍵盤組成人機界面，可通過外部時鐘模塊進行開關(guān)燈定時控制，可通過光敏傳感器和電壓比較器檢測環(huán)境明暗程度，可通過7對紅外對管檢測交通情況，控制LED的亮滅。在單元控制器中，采用OP07集成運放接大功率場效應(yīng)管設(shè)計了LED壓控恒流源，可由單片機通過D/A方便地控制恒流源的輸出電流和功率

16、，并由A/D芯片將功率數(shù)據(jù)反饋到單片機，形成閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。支路控制器與單元控制器之間采用485工業(yè)串口進行通信，可推廣到實際應(yīng)用中。所有功能和指標(biāo)均達到或部分超過題目要求。參考文獻1 宋文緒，楊帆. 自動檢測技術(shù). 北京：高等教育出版社,2008.2 高吉祥.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽培訓(xùn)系列教程. 北京：電子工業(yè)出版社,2007.3 周堅. 單片機C語言輕松入門. 北京：北京航空航天出版社,2006.4 孫傳友等. 測控電路及裝置. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2002.5 李朝青著. 單片機原理及接口技術(shù). 北京航空航天大學(xué)出版社,2005.附件1：支路控制器系統(tǒng)電路圖附件2：單元控制器

17、系統(tǒng)電路圖附件3：恒流源電路圖 附件4：主要PCB圖1）恒流源與數(shù)碼管顯示PCB圖2）主控電路3）從機電路附件5：主要元器件清單序號元器件名稱型號、規(guī)格數(shù)量1單片機AT89S5132路燈LED1W23ADCADC08024DACLTC262225數(shù)碼管SM410361K2674LS13817LM35828OP-0719晶振11.0592M310按鍵411大功率電阻1歐5W212繼電器213場效應(yīng)管IRFZ44N214三端穩(wěn)壓器7809215各類電阻若干16各類電容若干附件6：部分程序清單（1）從機部分程序#include <reg51.h>#include <intrins.

18、h>#include <math.h>typedef unsigned char UINT8;typedef unsigned int UINT16;#define ADDR 0x02UINT8 Buf2;UINT16 ADCDat2,kcw;UINT8 Vol;float Temp;bit RecFlag,clok;sbit ST=P27;sbit OE=P26;sbit EOC=P25;sbit IN7=P23;sbit DA_CS=P22;sbit DA_SCK=P20;sbit DA_SDI=P21;sbit LED=P16;sbit REDE=P32;void Sy

19、stem(void)SCON=0xf0;TMOD=0x21;TH1=0xFD;TL1=0xFD;TH0=0xdc;TL0=0x32;TR0=1;ET0=1;TR1=1;EA=1;ES=1;void SendChar(UINT8 c)REDE=1;TI=0;TB8=0;SBUF=c;while(TI=0);TI=0;REDE=0;void Receiv(void) interrupt 4static UINT8 num=0;UINT8 c;if(RI=0)return;RI=0;c=SBUF;if(RB8=1)if(c=ADDR)SM2=0;else SM2=1;num=0;Bufnum=SBU

20、F;num+;if(num=2)RecFlag=1;num=0; void Write_LTC2622(UINT8 Data)UINT8 i,Temp;DA_CS=1;DA_SCK=0;DA_SDI=1;_nop_();_nop_();DA_CS=0;Temp=0x21;for(i=0;i<8;i+)if(Temp&0x80)=0x80)DA_SDI=1;else DA_SDI=0;DA_SCK=1;_nop_();DA_SCK=0;_nop_();Temp<<=1;Data<<=4;for(i=0;i<16;i+)if(Data&0x800

21、0)=0x8000)DA_SDI=1;else DA_SDI=0;DA_SCK=1;_nop_();DA_SCK=0;_nop_();Data<<=1;_nop_();_nop_();DA_CS=1;DA_SCK=0;UINT16 Vcontrol(UINT8 v)Temp=1240;Temp=(1/Temp)*4096*v*3;kcw=floor(Temp);return(kcw);void DAC0809(void)UINT8 a;IN7=1;ST=0;OE=0;ST=1;ST=0;while(EOC=0);/查詢轉(zhuǎn)換結(jié)束OE=1;a=P0;OE=0;Temp=256;Temp

22、=(1/Temp)*5*a;/單位vVol=floor(Temp);void main()UINT8 i;System();while(1)if(clok)clok=0;if(Vol>3)SendChar('o');elseSendChar('n');if(RecFlag)switch(Buf1)case 1:LED=0;/亮燈break;case 2:LED=1;break;case 4:Write_LTC2622(Vcontrol(i);i+;break;Buf1=0;void timer0() interrupt 1static UINT8 num;

23、TH0=0xdc;TL0=0x32;num+;if(num=100)num=0;DAC0809();clok=1;（2）主機部分程序#include <reg52.h>typedef unsigned char UINT8;typedef unsigned int UINT16;#define S1 0x38#define S2 0x34#define S3 0x2c#define S4 0x1ccode UINT8 SELECT=7,6,5,4,3,2,1,0;code UINT8 SEGMENT=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0

24、x80,0x90,0xc8/*n*/,0x8e/*F*/,0xff;UINT8 Second=0,Minite=30,Hour=12,slave,SDR,Ap,Bp;UINT8 Bsecond,Bminite,Bhour,SETVALUE,SETADDR,Sphour,Spminite,Sthour,Stminite,Sphour2,Spminite2,Sthour2,Stminite2;sbit clk=P24;sbit io=P25;sbit rst=P26;sbit REDE=P27;sbit ACC0=ACC0;sbit ACC7=ACC7;sbit Speaker=P37;sbit

25、Autochk=P17;bit flag,SETBIT,READBIT,flag1,clock,page,FS=1,FS1,FS2;void main()UINT8 c;System();init1302();Read1302();while(1)led_dsp();if(Autochk=1)if(FS)FS=0;SendChar(1,2);/關(guān)燈SendChar(2,2);/檢測光線FS2=1;elseif(FS2)FS2=0;SendChar(1,1);/熄燈SendChar(2,1);/檢測光線FS=1;if(READBIT=1)READBIT=0;Read1302();/讀1302時間

26、c=Scankey();if(SETBIT)switch(c)case S2:SETADDR+;if(slave=0)SETADDR%=2;if(SETADDR=0)SDR=0x82; /分鐘0x03else if(SETADDR=1)SDR=0x84;/時鐘0x04if(SDR=0x82)SETVALUE=(read1302(SDR)&0x70)>>4)*10+(read1302(SDR)&0x0f);else if(SDR=0x84)SETVALUE=(read1302(SDR)&0x30)>>4)*10+(read1302(SDR)&

27、;0x0f);else if(slave=4)SETADDR%=2;elseSETADDR%=4;if(SETADDR<2)page=1;elsepage=0;if(slave=1)|(slave=2)switch(SETADDR)case 0:SETVALUE=Spminite;case 1:SETVALUE=Sphour;case 2:SETVALUE=Stminite;case 3:SETVALUE=Sthour;else if(slave=3)switch(SETADDR)case 0:SETVALUE=Spminite2;case 1:SETVALUE=Sphour2;case

28、 2:SETVALUE=Stminite2;case 3:SETVALUE=Sthour2;else if(slave=4)if(SETADDR=0)SETVALUE=Ap;else if(SETADDR=1)SETVALUE=Bp;break;case S3:SETVALUE+;switch(SETADDR)case 0:if(slave=3)Spminite2=SETVALUE;/從機2關(guān)機設(shè)置else if(slave=0)Bminite=SETVALUE;SETVALUE%=60;/分鐘設(shè)置else if(slave=4)Ap=SETVALUE;SETVALUE%=100;elseSpminite=SETVALUE;SETVALUE%=60;/主機和從機1關(guān)機設(shè)置break;case 1:if(slave=3)Sphour2=SETVALUE;/ 關(guān)機/else if(slave=0)Bhour=SETVALUE;SETVALUE%=24; /小時設(shè)置else if(slave=4)Bp=SETVALUE;SETVALUE%=100;elseSphour=SETVALUE;SETVALUE%=24;break;case 2:if(slave=3)Stminite2=SETVALUE;/主機和從機1 開機設(shè)置elseStminite=S