基于單片機(jī)的模擬路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

摘要： 文章設(shè)計(jì)了一種路燈控制系統(tǒng)，它的硬件主要由美國Cygnal 公司的C8051F020 單片機(jī)、12864 液晶顯示器、LED 恒流驅(qū)動電源等組成。C8051F020 單片機(jī)作為模擬路燈控制系統(tǒng)支路控制核心，實(shí)現(xiàn)模擬路燈控制系統(tǒng)的時(shí)鐘功能，設(shè)定顯示開關(guān)燈時(shí)間，并能控制支路按時(shí)開燈和關(guān)燈; 根據(jù)環(huán)境明暗的變化自動控制開燈和關(guān)燈; 根據(jù)交通情況自動調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài); 獨(dú)立控制每只路燈的開燈和關(guān)燈時(shí)間; 當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)，支路控制器發(fā)出滴答的報(bào)警信號，并顯示有故障燈的編號。交通情況采用紅外收發(fā)傳感器方式實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)功能; 該系統(tǒng)具有人機(jī)界面直觀，紅外遙控調(diào)節(jié)方便，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，精度高等特點(diǎn)。

0 引言

本文采用高效節(jié)能環(huán)保的LED 燈作為光源，利用傳感器模塊、光控路燈模塊、恒流源模塊來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)環(huán)境、交通等因素，單片機(jī)采集光敏電阻或光電開關(guān)的信號控制路燈的亮滅，實(shí)現(xiàn)了光電和時(shí)間控制; 同時(shí)具有交通情況檢測、故障自動檢測與報(bào)警等功能，實(shí)現(xiàn)了路燈的智能化控制，節(jié)省了電力能源和人力資源。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

設(shè)計(jì)并制作一套模擬路燈控制系統(tǒng)，路燈布置如圖1 所示。要求實(shí)現(xiàn)模擬路燈控制系統(tǒng)的時(shí)鐘功能，設(shè)定顯示開關(guān)燈時(shí)間，并能控制支路按時(shí)開燈和關(guān)燈;根據(jù)環(huán)境明暗的變化自動控制開燈和關(guān)燈; 根據(jù)交通情況自動調(diào)節(jié)亮燈狀態(tài); 獨(dú)立控制每只路燈的開燈和關(guān)燈時(shí)間; 當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)，支路控制器發(fā)出滴答的報(bào)警信號，并顯示有故障燈的編號。交通情況采用紅外收發(fā)傳感器方式實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)功能。單元控制器具有調(diào)光功能，路燈驅(qū)動電源輸出功率能在規(guī)定時(shí)間按設(shè)定要求自動減小，該功率應(yīng)能在20% ~ 100% 范圍內(nèi)設(shè)定并調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)誤差≤2%.

圖1 路燈布置示意圖

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用C8051F020 單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器，利用有線傳輸方式實(shí)現(xiàn)對LED1 和LED2 的控制，控制方式如圖2 所示。C8051F020 單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，內(nèi)部自帶ADC、DAC.而本系統(tǒng)需要采集環(huán)境明暗的變化，自動控制LED 亮度，這需要將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量處理，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量控制。整個系統(tǒng)完全自給自足，使用外圍器件少，系統(tǒng)成本低，系統(tǒng)調(diào)試簡單方便。

圖2 C8051F020 控制方式結(jié)構(gòu)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框圖及控制電路的設(shè)計(jì)

紅外線路燈控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。控制系統(tǒng)主要由主控單片機(jī)、顯示接口、紅外遙控、傳感器、恒流驅(qū)動等功能模塊組成。C8051F020 單片機(jī)接收紅外線遙控信號，設(shè)定其開關(guān)燈的時(shí)間，啟動模擬控制系統(tǒng)，并將環(huán)境明暗信號采集輸入單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，控制LED 燈的開關(guān)狀態(tài)。單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測LED 燈的工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，單片機(jī)控制聲光電路報(bào)警并控制液晶顯示器顯示其故障點(diǎn)編號。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)輸出模擬電壓控制LED 燈的亮度。根據(jù)紅外接收信號檢測交通情況，并能根據(jù)不同的交通情況對LED 燈作出相應(yīng)智能控制。C8051F020 單片機(jī)最小系統(tǒng)及接口電路見圖4.

圖3 紅外線路燈控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。

圖4 C8051F020 單片機(jī)最小系統(tǒng)及接口電路原理圖。

2.2 LED 恒流驅(qū)動電源設(shè)計(jì)

由于OP07 具有非常低的輸入失調(diào)電壓( 最大為25 μV) ,所以O(shè)P07 在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施; OP07 同時(shí)具有輸入偏置電流低( ± 2 nA) 和開環(huán)增益高( 300 V/mV) 的特點(diǎn)。OP07 集成運(yùn)放6 腳的輸出電壓經(jīng)電阻R30 反饋至反相輸入端，構(gòu)成同相比例電路。功率三極管Q6的基極與運(yùn)放相連，用來增加驅(qū)動電流。當(dāng)OP07 的同相端輸入電壓恒定時(shí)，由于負(fù)反饋的存在，保證了OP07 輸出電壓恒定，從而使流經(jīng)LED 負(fù)載的電流為恒定電流。LED 恒流驅(qū)動電源電路原理圖如圖5 所示。

圖5 LED 恒流驅(qū)動電源電路原理圖。

根據(jù)圖5 可知：

由上式可以看出輸出電流的值僅與輸入端控制電壓有關(guān)，兩者成正比關(guān)系，電路中R25 = R26,R39 = R30,通過選擇適當(dāng)?shù)碾娮柚悼梢愿淖儽壤蜃印Ｔ诟淖冸娏髟幢壤蜃拥耐瑫r(shí)，也要注意改變補(bǔ)償電容C29的電容值。

2.3 位置檢測電路

采用紅外收發(fā)傳感器，一個發(fā)射管發(fā)射紅外線和一個接收頭接收紅外線信號。圖6 為紅外收發(fā)傳感器判斷交通情況原理框圖及紅外接收發(fā)射電路。紅外發(fā)射管和接收管對射式安裝，當(dāng)有障礙物到達(dá)紅外發(fā)射管和接收管中間時(shí)，會產(chǎn)生不同的高低電平，單片機(jī)采集此信號，控制燈的開關(guān)狀態(tài)。紅外發(fā)射管和接收管采用屏蔽的方式來消除外界的干擾。

圖6 紅外收發(fā)傳感器判斷交通情況原理框圖及紅外接收發(fā)射電路。

2.4 環(huán)境明暗變化檢測與故障檢測電路

采用光敏電阻實(shí)現(xiàn)對其明暗的變化，產(chǎn)生不同的電壓，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，根據(jù)檢測的信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)因環(huán)境變化而改變LED 燈的開關(guān)狀態(tài)。其原理圖如圖7 所示。

圖7 環(huán)境明暗變化檢測與故障檢測電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件采用C 語言編程，軟件開發(fā)采用新華龍Silicon Laboratories IDE 軟件平臺進(jìn)行調(diào)試。為了編寫和調(diào)試的方便，節(jié)省資源，程序使用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)各功能要求分別設(shè)計(jì)程序，大大簡化了程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作，節(jié)省設(shè)計(jì)周期。

3.1 系統(tǒng)主程序

主程序開始工作在一個等待設(shè)定狀態(tài)，當(dāng)有鍵按下時(shí)系統(tǒng)根據(jù)按鍵模式工作。本系統(tǒng)采用紅外遙控控制，利用定時(shí)器中斷來實(shí)現(xiàn)對其解碼。程序根據(jù)設(shè)定的模式工作，當(dāng)遇到特殊情況會自動控制路燈的開關(guān)狀態(tài)。主程序流程圖如圖8 所示。

圖8 主程序流程圖。

3.2 功率調(diào)節(jié)子程序

功率調(diào)節(jié)子程序流程圖如圖9 所示。程序首先通過PID 算法比較判斷檢測值的大小是否到20%,如果不夠，時(shí)鐘信號加1,同時(shí)修改PWM 控制電壓輸出。

若時(shí)鐘信號不加1,就要考慮是否需要手動調(diào)節(jié)功率。

圖9 功率調(diào)節(jié)子程序流程圖。

4 系統(tǒng)測試

4.1 開關(guān)控制功能測量

( 1) 交通情況自動調(diào)節(jié)測試。

交通情況自動調(diào)節(jié)測試如表1 所示。測試結(jié)果表明能自動調(diào)節(jié)LED 燈1 及LED 燈2 的開關(guān)，且可移動物體M 上定位點(diǎn)與過"亮燈狀態(tài)變換點(diǎn)"( S、B、S' 等點(diǎn)) 垂線間的距離≤2 cm.

表1 交通情況自動調(diào)節(jié)測試。

( 2) 開關(guān)燈定時(shí)測試。

設(shè)定LED 燈1 及LED 燈2 同時(shí)開( 17: 00) ,LED燈1 及LED 燈2 同時(shí)關(guān)( 17: 10) ; 設(shè)定LED 燈1 及LED 燈2 分別在不同時(shí)間開關(guān)( LED 燈1 于18: 00 開，LED 燈2 于18: 10 開; LED 燈1 于9: 00 關(guān)，LED 燈2于9: 10 關(guān)) .開關(guān)燈定時(shí)測試如表2 所示。

表2 開關(guān)燈定時(shí)測試

上表可見系統(tǒng)存在誤差，誤差產(chǎn)生是由于電路本身時(shí)鐘有誤差，還有人為的讀數(shù)誤差。

( 3) 環(huán)境明暗變化自動開關(guān)燈測試。

明暗變化自動開關(guān)燈測試，測試結(jié)果表明： 當(dāng)環(huán)境變暗時(shí)，自動開啟燈，當(dāng)環(huán)境變亮?xí)r，自動關(guān)燈。

4.2 恒流源輸出功率測試

表3 是在恒流源帶LED 負(fù)載，調(diào)節(jié)控制電壓時(shí)的實(shí)測電流值。

表3 LED 燈恒流驅(qū)動電路測試數(shù)據(jù)

從測試結(jié)果可以看出，電流源的恒流精度達(dá)到了98.7%,輸出功率精度變化小于2%,基本技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

通過綜合測試，本模擬路燈控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自主設(shè)定顯示開關(guān)燈時(shí)間，控制整條支路按時(shí)開燈和關(guān)燈，并根據(jù)環(huán)境明暗的變化及交通情況自動控制調(diào)節(jié)燈的亮度和開關(guān); 當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)，支路控制器發(fā)出滴答的報(bào)警信號，并顯示有故障燈的編號。整個系統(tǒng)完全自給自足，使用外圍器件少，軟件編程方便靈活，系統(tǒng)調(diào)試簡單方便，系統(tǒng)成本低，性價(jià)比高，具有較高的現(xiàn)實(shí)意義。