基于单片机模拟路灯控制系统.doc

基于51单片机的模拟路灯控制系统1. 系统设计1.1 设计要求一、任务（来自原题）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。图1 路灯控制系统示意图图2 路灯布置示意图（单位：cm）二、设计要求+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）性价比高，工作稳定，符合电磁兼容（EMC）方面的要求，无对外干扰或干扰小。 1.2 总体设计方案1.2.1 功能分解及设计思路 本模拟路灯控制系统的设计方案要实现的 主要功能主要分解为以下五个方面：一是时钟功能及定时开关灯。二是根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。三是根据交通情况自动调节亮灯状态：当 汽车靠近路灯时，路灯能自动点亮；当汽车远离时，路灯自动熄灭。四声光报警功能，当路灯出现故障时而不 亮时，控制器发出信号，并显示有故障路灯的地址编号。五是根据绿色节能照明要求，采用恒流源 驱动LED路灯发亮且能调光，路灯驱动电源输出功率能在20%100%范围内设定并调节，调节误差2%。以上功能的实现，都是以单片机为核心， 在单片机系统实现的输入输出和显示功能的基础上，由单片机的内置逻辑和运算功能，加上一定的外围电路得以实现。针对以上的五个功能，采用模块 化的设计思想，以下分别叙述之。1.2.2 方案论证与比较 1.2.2.1 时钟功能及定时开关机。方案一：采用专用时钟芯片。 现在流行的串行时钟电路 很多，如DS1302、 DS1307、PCF8485等。其优势是可以单独使用，直接连接到单片机外围，有自己独立的时钟晶振，精度较高。单片机通过串行接口 读取和写入当前的时钟值，时钟芯片的运行受单片机死机的影响少。其缺点一是消耗了单片机IO口资源。二是在编程时需要增加读写串行口的内容，消耗了单片机的运行时间。三是增加了成本。增加了时钟芯片及其外围电路的开支。DS1302的典型应用电路如图3 所示： 图3 DS1302的典型应用电路方案二：采用单片机内置时钟振荡电路及定时器构建时间平台。本方案直接利用单片机的内置定时器，通过定时器的中断和简 单运算实现时钟功能。例如： ST C单片机，在4M时钟时，单个指令的运行时间是1微秒，设置定时器1每125个指令周期产生一个中断，即125微秒，8个中断后，时间平台是1毫秒 ，设置以下时间计数变量分别为：uchar To1mS = 0x00; /当该变量增加到某个数值时,表示经过了1毫秒uchar T o2mS = 0x00; /当该变量增加到某个数值时,表示经过了2毫秒uchar Is 2mS = 0; /到达2毫秒时刻uchar To 20mS = 0x00; /当该变量增加到某个数值时,表示经过了20毫秒uchar Is20mS = 0; /到达20毫秒时刻uchar To 1S = 0x00; /当该变量增加到某个数值时,表示经过了1秒uchar Is1 S = 0; /到达1秒时刻在秒时间 平台，用ToMIN变量，计数60秒后进入分钟平台，计数60分钟后，进入小时平台。方案二没有增加外置电路，充分利用了单片机的定时器功能，实施简洁方便，主要的缺点是当控制系统断电或死机以后，需要人工重新定时。本系统的 时钟功能实现采用方案二。1.2.2.2 根据环 境明暗变化，自动开灯和关灯功能。方案一：采用比较器的解决方案。光敏电阻与 固定电阻串联，加一级电压跟随器后输入比较器，与比较器负输入端的电压值进行比较，得到一个高电平或低电平输出，进入单片机的IO口。 优点 是电路比较直观，操作比较方便，可直接通过电位器调节路灯的开启亮度。对维护人员的要求不高。缺点 是不方便进行数码控制。方案二：采用AD变换。光敏 电阻与固定电阻串联，由单片机内置的AD变换接口读入当前的电压值，然后根据读取的电压值判断当前的环境亮度。路灯的开启电平由内部的变量控 制。方案二的优点在于可以方便以实现对路灯开启电平的数码控制和远程控制。本系统 采用方案二。1.2.2.3 根据交通情况自动调节亮灯状态。当汽车 靠近路灯时，路灯能自动点亮；当汽车远离时，路灯自动熄灭。方案一 ：采用工业级的光电传感器。这种光电传感器普遍运用于电梯、生产线等工业场所。优点是使用方便，型号很多，输出量是开关量，不需调理电路。缺 点是价格较贵。方案二：采用廉价的红外对射传感器。红外对 射的特点是传输距离较远，能量集中。当没有物体遮挡时，红外光直射到红外探头上，红外接收管连续输出低电平到单片机，当有物体经过时，红外光 被遮住，此时红外探头输出高电平到单片机。由于红外光的发射有一定的偏角，本设计利用了黑色套管遮挡红外发射灯头，以减少红外光的散失。 本 系统采用方案二。1.2.2.4 故障报警功能采 用光敏电阻检测路灯的亮度，同时排除环境光的干扰。利 用单片机的AD口，读入光敏电阻上检测到的路灯亮度值。1.2.2.5 恒流源驱动LED及20到100范围内可调亮度。方案一：采用恒流源驱动芯片，目前市场上成品的恒流源驱动芯片比较多，一般采用使用取样电阻调节输出电流的方式。这些芯片使用方便，性能较好，但 价格较贵。方案 二：采用PWM方式驱动功率三极管输出驱动电流，用电流取样电阻串入LED供电回路，用AD口读取当前的电流值，实现闭环控制。方案二利用了单片机的AD变换资源，同时采用PWM方式，可以使LED工作在断断续续的状态，可以延长LED的使用寿命。本系 统采用方案二。 1.2.3 系统各模块的最终方案 1.3 系统功能说明书（用户使用说明书） 1.3.1 路灯的工作模式本 模拟路灯控制系统具备5种工作模式，分别是自动群控模式、自动分控模式、根据照度自动控制模式、根据交通情况自动控制模式、 手动控制模式，下面对每种工作模式简单介绍如下：（1） 自动群控模式在该 模式下，支路控制器根据设定好的定时信息，自动地同时打开或者关闭两盏路灯。系统启动后默认进入该模式。（2） 自动分控模式在该模式下，支路控制器根据设定好的定时信息，分别控制两盏路灯的开关，例如，当系统的时间和路灯1开灯的时间相等时，开启路灯1； 当系统的时间和路灯2关灯的时间相等时开启路灯2。（3） 根据照度自动控制模式在该模式 下，当环境照度低于一定的值时开启两盏路灯，当环境照度高于一定的值时关闭两盏路灯。（4） 根 据交通情况自动控制模式在该模式 下，当可移动物体M由左到右到达S点时（见图），灯1亮；当物体M到达B点时，灯1灭，灯2亮；若物体M由右到左移动时，则亮灯的次序与上相反。（5） 手 动控制模式在手动模 式时，两盏路灯只能由支路控制器用增加和减少键手动的调整亮度，路灯的亮度可以在0100自由的上下调整，步进为10。（1）（ 4）等四种工作模式是互斥的，即在某一时刻只能具有其中的一种功能，不过各种模式可以手动的切换，手动调整路灯亮度的功能在这 四种模式中都是有效的。另外，该路灯 控制系统还具备故障检测功能，当路灯出现无法正常工作的状况时，该控制系统能够判定是哪一环节出现问题，并将故障通过声音警报及数码管显示告知用户。 1.3.2 按键操作说明n 支路控制器具备5个按键，分别为时间调整键、模式选择键、增加键、减少键、确认键。n 时间调整键：按时间调整键时，可以循环地选择系统时间、路灯1和2共同的开关灯时间、路灯1的开关灯时间和路灯2的开关灯时间。n 模式选择键：按模式选择键可以进行系统工作模式的切换，顺序为自动群控模式自动分控模式根据照度自动控制模式 根据交通情况自动控制模式手动控制模式。nn 增加、减少键：按这两个键可以对时间或者亮度进行增减，长按时时间或者亮度可以连续变换。l 确认键：确认键只在时间调整时有效，分别确认小时、分钟、秒的输入。 2. 单元电路设计2.1 每部分模块的电路设计2.1.1 电源供电电路 采用变压器与三端稳压器相结合2.1.2 单片机最小系统其核心芯片是STC12C5404AD。2.1.3 输入与输出键盘： 采用AD变换输入口为键盘输入口，节省了IO口资源。LED显示： 2.1.4 电流源驱动 3. 软件设计软件采用C语言编写，可移植性和可读性强。 软件编写体现了模块化的任务驱动方式。代码尽 量符合变量定义规范。 3.1 -子程序本系统包含以下子程序 /键盘处理-void KeyboardScan(void); /键盘扫描函数void KeyboardOperate(uch ar KeyNum);/按键处理函数 / /定时器处理-void InitTimer(void);/定时器参数设定及启动 / /路灯控制-V 特调oid BrightnessSet(uchar LightNum, uchar Brightness);/亮度调整 /AD采样-void ADExchange(uchar Num);/AD采样/* 亮度调整函数 */void BrightnessSet(uchar LightNum, uchar Brightness)；额头纹/* * 溢出中断处理程序 */ void interrupt 6 TimerInterrupt(void);儿也让他3.2 -系统主程序流程图3.2.1 系统流程图3.2.2定时器溢出中断处理函数流程图3.2.3按键扫描流程图4. 系统测试4.1 测试仪器流明计而同样问题数字示波器功率计万用表直流电源等4.2 指标测试4.2.1 各部分测试的指标功率测试设置功率/W路灯两端电压/V路灯电流/A实际功率/W误差/%0.25.580.0360.2010.40.3 如上图是人体5.710.0530.3030.90.45.810.0680.3951.20.55.910.0840.4960.70.66.020.1010.6081.30.76.060.1150.6970.40.86.090.1320.8040.50.96.120.1470.9000.016.170.1631.0060.6功能测试序号指标（目标值）实测值1故障指示（编号）LCD上显示正确2过中点后前灯亮后灯灭，试验成功率（100）1003自动开关灯功能，试验成功率1004实时误差，采用时间加速方法（误差小于5MIN）误差1MIN5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%。电流从0mA至850mAm变化平缓稳定4.2.2 系统实现的功能1基本要求序号功能是否实现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。是2支路控制器应能根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。是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。是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。是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。是2发挥部分序号功能是否实现1自制单元控制器中的LED灯恒流驱动电源是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%。是3特色功能序号功能是否实现1自制微型红外光发射与光敏电阻组合替代工业光电传感器是2利用单片机的AD变换功能，实现用一个IO口读多个按键是3使用单片机内部的定时器代替时钟芯片，实现时钟功能和定时开关机功能是4采用PWM与电流取样方式，实现闭环的恒流源控制是5. 结论本方案的系统设计符合本次试题的要求，经过功率扩大、电网通讯等方面的改良，可以用于实际路灯控制，是一个低成本，高可靠性的合理方案。附录附录 1 程序代码附录 2 硬件原理图附录 3 PCB图（部分）而同样外 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者（本人签名）： 年 月 日学位论文出版授权书本人及导师完全同意中国博士学位论文全文数据库出版章程、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程(以下简称“章程”)，愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊（光盘版）电子杂志社”在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库中全文发表和以电子、网络形式公开出版，并同意编入CNKI中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益。论文密级：公开保密（_年_月至_年_月）(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)作者签名：_ 导师签名：_年_月_日 _年_月_日独 创 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 二一年九月二十日毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）作者签名: 二一年九月二十日致 谢时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。最后，我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日目 录第一章 总论1第一节 项目背景1第二节 项目概况2第二章 项目建设必要性5第三章 市场分析与建设规模7第一节 汽车市场需求分析7第二节 市场预测12第三节 项目产品市场分析13第四节 建设规模16第四章 场址选择17第一节 场址所在位置现状17第二节场址建设条件17第五章 技术方案、设备方案、工程方案22第一节 技术方案22第二节 设备方案28第三节 工程方案33第六章 原材料、燃料供应38第七章 总图布置与公用辅助工程39第一节 总图布置39第二节 公用辅助工程43第八章 环境影响评价52第一节 环境保护设计依据52第二节 项目建设和生产对环境的影响52第三节 环境保护措施54第四节 环境影响评价56第九章 劳动安全卫生与消防57第一节 劳动安全卫生57第二节 消防64第十章 节能与节能措施67第一节 项目概况67第二节 项目综合能耗69第三节 节约及合理利用能源的主要措施71第十一章 项目实施进度与人力资源配置76第一节 建设工期76第一节 项目实施进度76第二节 生产组织与人员培训79第十二章 投资估算与资金筹措82第一节 建设投资估算82第二节 总投资估算86第三节 资金筹措86第十四章 财务效益分析88第一节 财务评价基础数据与参数选取88第二节 销售收入及销售税金估算89第三节 成本费用估算89第四节 财务评价91第五节 不确定性分析93第十三章 风险分析95第十四章 结论与建议97第一节 研究结论97第二节 建议974