单片机控制的模拟路灯控制系统设计.doc

2010年全国大学生电子竞赛
论文设计

题 目： 模拟路灯控制系统
学生姓名：
指导教师：

模拟路灯控制系统

摘要：本系统采用凌阳SPCE061A单片机，构成系统的支路控制器和单元控制器。自己制作的LED数码管显示模块、键盘输入控制模块、光敏传感器、光电传感器、声光报警模块等作为系统的辅助电路。分别实现了开关灯时间的显示和控制，不同环境明暗和交通情况下的路灯智能控制，故障报警等题目中的基本要求。
系统的单元控制器利用自制恒流驱动电源，可以使驱动电源输出功率在规定的时间自动减少，完成题目要求的发挥部分。此外，系统采用双核控制，在若干车辆双向行驶的复杂交通情况下，依然可以实现对路灯的智能控制；自己加工辅助模块，大大提高了系统的性价比，部分模块（如LCD显示模块）的选材还体现了低功耗的新兴理念。
关键词：路灯控制 凌阳SPCE061A 恒流驱动电源

Abstract: This system uses Sunplus SPCE061A SCM, constitute a system of tributaries controller and a unit controller.Their led led display module, keyboard input control module, photosensitive sensors, acousto-optic photoelectric sensors, alarm module, and so on as a system of auxiliary circuits.Switch lamps respectively implementation time is displayed and control, different environments and darks and traffic situations Streetlight alarming intelligent control, and so the basic requirements in the topic.
System unit controller self-made constant-current drive power, can make driving power output power within the prescribed time automatically, complete the requirements of the play a part of the topic.Additionally, the system with dual-core control, in certain vehicles two-way carriageway of complex traffic situations, still can implement smart control on the street; its own processing subsidiary modules, greatly improved price, some modules (such as LCD display modules) selection also embodies the emerging concept of low power consumption.
Keywords: Street light control Sunplus SPCE061A constant current driving power

1 方案比较与论证
1.1 最小系统开发板比较论证：
方案一：采用MCS-51系列单片机。传统的51 单片机具有价格低廉,使用简单等特点，但其运算速度低，功能单一，RAM、ROM空间小。
方案二：采用SPCE061A单片机作为控制模块。 SPCE061A具有丰富的资源：RAM，ROM空间大、指令周期短、低功耗、低电压、体积小，易扩展，可编程音频处理，易于编写和调试，且独具语音播报功能等优点。这些特点极大地提高了开发效率。
综上分析，选择方案二。
1.2 显示模块比较论证：
方案一：采用SPLC501液晶显示模块。内建128*64点阵，有丰富的文字和图形显示功能，轻薄便携，视觉舒适，但液晶显示不够鲜明，欠稳定，寿命短。
方案二：采用LED数码管显示。LED数码管具有颜色鲜艳，亮度高、功耗低、可视角度大和刷新速率快等优点；并且通过查阅相关资料得知，LCD与LED的功耗比大约为10:1，相比较而言，LED功耗更低。
鉴于本系统只显示有限的数字和符号，选择方案二。
1.3 键盘输入控制模块比较论证：
方案一：采用触摸屏液晶显示按键输入控制。采用触摸屏液晶，精度可调，美观大方，时尚前卫。但同时价格昂贵，易损坏，维护量工作大。
方案二：采用自制的4*4矩阵式键盘输入控制，4*4矩阵式键盘充分利用单片机的I/O端口，节省硬件的同时，扩增了按键数。同时，自己制作的矩阵式键盘，方便耐用，原理简单，检修容易。
基于减少开支和方便控制的考虑，选择方案二。
1.4 环境明暗-路灯控制模块比较论证：
方案一：在电子城购买光敏传感器。采购光敏传感器，使用方便，节省时间。但市面上的传感器质量参差不齐，质量好的传感器又价格高昂，价格低的传感器测量准确度又没有保证。
方案二：采用自己制作的光敏传感器。该传感器以光敏电阻为主要元件，利用其在环境明暗不同情况下的分压不同，给单片机以不同反馈，实现开关灯控制，本方案对路灯实时控制，控制灵活，体现人性化设计。
综上分析，我们选用方案二。
1.5 交通情况-路灯控制模块比较论证：
方案一：采用碰撞开关。碰撞开关结构简单，但是移动物体必须碰到碰撞开关才能工作。有一定破坏性。
方案二：采用超声波测距模组。超声波测距模组通过超声波的渡越时间法，通过不断发射超声波，不断感知超声波，可以比较准确的感知移动物体的位置，实现车来灯亮，车走灯灭。但超声波测距模组价格不菲，用于本系统有些大材小用。
方案三：采用自己制作的光电传感器。自己制作的光电传感器采用一体化结构，对经过的物体感知灵敏，高低电平变化明显，体积小，结构紧凑，安装方便。
为减少开支提高性价比，选择方案三。
1.6 声光报警模块比较论证：
方案一：选择专门的语音存储芯片1420，通过单片机控制放音。放音时间只有20秒，只能进行简单的放音，不能满足报警的要求。
方案二：凌阳SPCE061A本身自带DAC语音播放功能，具有大量语音处理函数库供用户调用，功能过于强大，自带大部分语音处理函数库大部分都被浪费，报警的方式过于单一，不够灵活。
方案三：自己焊接外围声光报警模块，自己焊接报警模组，声光报警方式灵活，且仅利用单片机的一个或两个端口，就可实现报警动作。
综上分析，我们选择方案三。
1.7 恒流源模块比较论证：
方案一：购买现成的恒流源，电流稳定；但价格昂贵。
方案二：用LM2575ADJ制作可调恒流源。直流电压输入，经LM2575ADJ和LM393构成反馈回路，输出恒定电流，通过对回路中的可调电阻调节输出电流的大小。方案理论上可行，但实际试验测试，输出线性度不够高，在5V电压下工作性能不够稳定。
方案三：用LM358制作PWM恒流驱动。方案将两片LM358和单片机构成有机整体，利用凌阳开发板的PWM输出，并且利用开发板自带的AD采集对外部电压采集，自动建立电压与输出电流的关系，从而精确调节电流输出。方案电路连接简单，控制灵活，合理充分地利用了开发板资源。
鉴于以上分析，我们选择方案三。

系统需要的各个模块，我们尽量选用自己制作，而避免购买市场现成的模组。一方面我们更熟悉各模块原理，另一方面，自己制作的模块可以更好为系统服务。经过仔细的方案论证和分析，我们确定的最终方案如下：
支路控制及单元控制器：SPCE061A单片机
显示模块：自制LED数码管显示
键盘输入控制模块：自制4*4矩阵式键盘
环境明暗路灯控制模块：自制光敏传感器
交通情况路灯控制模块：自制光电传感器
驱动电源模块：自制恒流驱动电源
声光报警模块：自制声光报警模块
2 理论分析与设计
2.1 系统整体设计：
系统结构框图如图1所示。为了使本模拟路灯控制系统更好应对更复杂的情况（譬如：当多辆汽车穿梭于我们的公路上，并且双向行驶等复杂情况），我们使用了两片SPCE061A单片机分别作为系统的支路控制器和单元控制器。

图1 系统结构框图
2.2 单元硬件设计：
2.2.1 键盘输入控制电路设计
对于键盘输入设计，我们采用矩阵式，这样对于同样的端口，矩阵键盘多了一倍的按键，易于通过多余的按键实现扩展功能的实现。值得一提的是，我们拆卸废旧电脑键盘的按键，自己组装成4*4符合题目要求的矩阵键盘，不但变废为宝，而且节省了开支，提高了系统的性价比。根据设计需求，我们设计的矩阵键盘原理图如图2所示，矩阵键盘功能图如图3所示。

图2 键盘原理图

图3 键盘功能图
A: 设定路灯②的关灯时间
B: 设定路灯②的开灯时间
C：设定路灯①的关灯时间
D：设定路灯①的开灯时间
E: 确定
F: 开始调节时间
G：分钟加1
H：小时加1
2.2.2 数码管显示电路设计
根据题目要求，本系统能够显示开关灯时间，我们自制的数码管显示电路可以同时显示开关灯时间，同时显示路灯此时此刻的状态。主要原理图如图4所示，

图4 数码管显示原理图
2.2.3 光敏传感器电路设计
自制光敏传感器原理图如图5所示，LDR是暗阻≥47K的光敏电阻，VCC接3.3V或5V。当有光照时，LDR光阻近似为零，Signal输出为低电平。而当无光时，Signal＝VCC*(LDR/(LDR+(R1//R2))).由于LDR和R1//R1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R2改小R1//R2的阻值，提高Signal的电压值。

图5 光敏传感器原理图
2.2.4 光电传感器电路设计

图6 光电传感器原理图

图7 光电传感器的位置
自制光电传感器如图6所示，光电开关导通后，Signal输出电平近似为零，LED不亮，此时对应公路上有车辆经过；若光电开关没有导通，Signal输出电平为高电平，LED点亮，此时对应公路没有车辆经过。
系统中的光电传感器安装位置如图7所示，安装点距“亮灯状态变换点” 垂线间的距离≤1cm.
2.2.5 声光报警电路设计
自制声光报警电路原理图如图8所示，声光报警电路由择价格便宜、驱动电压较小的红色发二极管和普通蜂鸣器构成。经测试得知，LED1的正常工作电压约为2V，额定电流约为50mA，则串联电阻阻值R＝（U-2）/（50/1000）＝60Ω。

图8发光报警装置
2.2.6 恒流驱动电源电路设计

图10 稳压部分

图11 恒流源部分
恒流源主要由稳压部分和恒流源部分组成，稳压部分主要由三端稳压器件LM317T及整流滤波部分组成，为恒流源及系统其它模块提供稳定电压。恒流源部分为负载LED提供恒定电流的同时，整体作为反馈回路，为单片机提供电压采集端口，构建“电压-电流-PWM”关系式，使负载始终渡过恒定的电流。当要求输出功率按规定时间按要求减小时，只要关闭AD采集，直接结合定时器调整PWM，调整恒定电流，达到功率调整的要求。
2.3 系统软件设计：
2.3.1 主程序设计分析
本路灯控制系统本着以节约成本为主，支路控制器采用一块SPCE061A板控制，单元控制器采用每两个路灯共用一块SPCE061A板，两块CPCE061A板之间通过串行通讯进行数据传输。由此程序分为两大部分：支路控制器程序和单元控制器程序。
支路控制器程序总流程图：

图12 支路控制器程序总流程图
单元控制器程序总流程图：

图13单元控制器程序总流程图
2.3.2 中断程序设计分析
中断程序主要采用的中断6服务程序和中断4服务程序。中断6服务程序主要提供键盘扫描服务，中断4中断服务程序则主要提供数码管使能及定时变量的累加。具体程序流程如图14，图15所示。

图14 中断6服务程序

图16 中断4服务程序

3 测试数据与分析
3.1 系统测试：
3.1.1 基本要求测试：
ü 测试对象：光敏传感器。
ü 测试方法：将连入系统的光敏传感器分别置于傍晚、深夜、清晨三种不同光强度的环境下，观察路灯开启与关闭情况。
ü 测试数据：详见表1
表1

9月3日傍晚
9月4日深夜
9月4日清晨
天气
多云
多云转晴
晴
时段
18：30
19：00
19：30
21：00
0：00
2：00
5：00
5:30
6:00
路灯状况
灭
亮
亮
亮
亮
亮
亮
灭
灭
ü 测试对象：光电传感器。
ü 测试方法：在自制仿真地形上，架设好调好的光电传感器，使自制的车辆M往返于公路的指定路线上，观察并记录路灯开启与关闭状况。
ü 测试数据：设M上定位点与“亮灯状态变换点”垂线间距离为d。LED1灯编号Ⅰ，LED2灯编号Ⅱ。测试数据详见表2。
表2
位置
S前
S-B
B-S’
S’后
路灯状态
Ⅰ灭 Ⅱ灭
Ⅰ亮 Ⅱ灭
Ⅰ灭 Ⅱ亮
Ⅰ灭 Ⅱ灭
距离d
1.5cm
2.0cm
1.5cm
2.0cm
ü 测试对象：声光报警模块
ü 测试方法：在路灯正常照明的情况下，故意使连接路灯的线路断路，观察有没有声光报警信号发出并显示有故障路灯的地址编号。
ü 测试数据：在不同的路灯发生断路故障时，系统都能及时发出声光报警，并准确显示故障路灯编号。
3.1.2 发挥部分测试：
ü 测试对象：恒流驱动电源电流输出
ü 测试方法：用万用表测量不同负载下的电流输出。
ü 测试数据：详见表3
表3
负载数
1个LED
2个LED
3个LED
电流值
0.17A
0.16A
0.16A
ü 测试对象：恒流源输出功率在规定时间内按要求自动调整。
ü 测试方法：设定完毕后，每隔一段时间对恒流留出的电压和电流端口进行测量，计算输出功率。
ü 测试数据：详见表4
表4
9月5日
14：00
15：00
16：00
U/V
3.700
3.503
3.347
I/A
0.148
0.150
0.152
P/W
0.518
0.525
0.507844
误差
1.30%
0.0813%
0.135%

ü 测后讨论：自己制作的各个模块基本都能能较为准确的达到预期目标，虽然自制模块做工不及市场买卖的模块那样细腻，虽然自制模块外形不及市场买卖的模块那样精致。但自己制作的模块却能像市场买卖的模块那样不逊色的完成使命，而且为本系统节省了一笔较大开支，性价比得到明显提升。
3.2 结果分析：
经测试，本系统能够实现：
a) 支路控制器能够设定、显示开关灯时间，并控制整条支路按时开灯和关灯。
b) 支路控制器可以根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。
c) 支路控制器可以根据交通情况自动调节亮灯状态。
d) 支路控制器能够分别独立控制每只路灯的开灯和关灯时间。
e) 当路灯出现故障时（灯不亮），支路控制器可以发出声光报警信号，并显示有故障路灯的地址编号。
f) 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。
本系统能够完成题目要求的基本要求和发挥部分。在赛前调试过程中，系统性能较为稳定。
4 总结
经过四天三夜的不懈努力，我们圆满完成了任务。通过不断的硬件试验和程序调试，模拟路灯系统总算可以较好的完成题目的要求，无论在环境明暗感知，还是交通情况判断，路灯智能效果都很明显。而且我们也本着人性化的考虑，实现了多车双向的路灯控制；本着建设性节约型社会的思路，几乎所有模块都是自己焊接制作，大大提高系统的性价比。
但好的结果总是经历不平凡的坎坷，我们曾不断试验光敏传感器的分压电阻，直到取值合适，输出单片机明显区分的高低电平；程序调试上也曾一度僵持仅仅是调试两单片机串行通信程序，程序员反复调IO口，不停对程序改写，最终才实现另人满意的串行控制。如此这些努力和尝试，激发我们团结协作精神，培养我们解决问题的创新意识。
5 参考文献
u 康华光 电子技术基础[数字部分] 高等教育出版社
u 康华光 电子技术基础[模拟部分] 高等教育出版社
u 刘洪涛 电子制作实用教程 电子科技大学出版社
u 张延伟 Protel DXP电子电路设计技法范例 清华大学出版社
u 谭浩强 C语言程序设计 清华大学出版社
凌阳大学计划论坛目 录
第一章 项目总论 - 1 -
§1.1项目简介 - 1 -
§1.2可行性研究的范围 - 2 -
§1.3编制依据 - 2 -
第二章 项目建设背景及必要性 - 3 -
§2.1橡胶密封件项目提出的背景 - 3 -
§2.2国家产业政策 - 6 -
§2.3项目建设的必要性 - 8 -
第三章 项目优势 - 11 -
§3.1市场优势 - 11 -
§3.2技术优势 - 16 -
§3.3组织优势 - 17 -
§3.4政策优势:关中—天水经济区发展规划 - 17 -
§3.5区域投资环境优势 - 17 -
第四章 产品介绍与技术介绍 - 20 -
§4.1橡胶密封件产品介绍 - 20 -
§4.2 产品标准 - 21 -
§4.3 产品特征及材质 - 21 -
§4.4产品方案 - 26 -
§4.5产品技术来源 - 27 -
第五章 项目产品发展预测 - 28 -
§5.1产品行业关联环境分析 - 28 -
§5.2行业竞争格局与竞争行为 - 33 -
§5.3竞争力要素分析 - 39 -
§5.4项目发展预测 - 41 -
§5.5竞争结构分析及预测 - 43 -
第六章 项目产品规划 - 47 -
§6.1项目产品产能规划方案 - 47 -
§6.2产品工艺规划方案 - 47 -
§6.3项目产品营销规划方案 - 51 -
第七章 项目建设规划 - 58 -
§7.1项目建设总规 - 58 -
§7.2项目项目建设环境保护方案 - 61 -
§7.3项目建设节能方案 - 65 -
§7.4项目建设消防方案 - 66 -
§7.5项目建设生产劳动安全方案 - 69 -
第八章 项目组织实施情况 - 73 -
§8.1项目组织 - 73 -
§8.2项目劳动定员和人员培训 - 74 -
§8.3项目管理与实施进度安排 - 77 -
§8.4工程招标 - 80 -
第九章 项目财务评价分析 - 82 -
§9.1项目总投资及资金筹措 - 82 -
§9.2项目财务评价依据及相关说明 - 83 -
§9.3 项目总成本费用估算 - 84 -
§9.4 销售收入、销售税金及附加和增值税估算 - 84 -
§9.5 利润分配估算 - 85 -
§9.6 借款偿还计划 - 85 -
§9.7现金流估算 - 85 -
§9.8不确定性分析 - 86 -
§9.9风险分析 - 88 -
第十章 项目经济、社会效益评价 - 90 -
§10.1经济效益评价 - 90 -
§10.2社会效益评价 - 90 -
第十一章 可行性研究结论与建议 - 91 -
§11.1研究结论 - 91 -
§11.2建议 - 91 -

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