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1、辽宁工程技术大学毕业设计（论文）0 前言近年来，随着我国经济改革的深入发展和信息化时代的深入，各级政府对城市整体形象工程建设也备受重视,他们通过各种方式来开展城市建设。城市亮化随之被政府所重视，既而大量的资金投入进行建设和改造中去，使得我们的城市夜晚变得灯火辉煌，绚丽多彩，但同时，诸多问题也随之而来：能耗的逐年攀升，产生的某些问题亦逐渐显露出来，如城市路灯的维护量增大，带来人员不足的问题，使得路灯故障时不能得到及时的修复以致造成人民生活的不便；维护费用也随之增加，社会成本过高，电费支出过多，财政承担相对困难，给政府带来了相对大的压力；光污染现象严重这些问题的产生无疑给当地的路灯管理部门的各方面
2、工作带来很大的压力，因此他们迫切的想解决此问题，故针对这种情况我们设计并制作了这一节能智能型的模拟路灯控制系统，其主要价值在于能更好的节能与监测，在很多方面给人们带来了方便，给维护人员降低了难度，也给政府减轻了压力，希望此系统能在现实中发挥其潜在的价值。1 模拟路灯控制系统简介1.1 系统设计要求及步骤设计并制作一套模拟路灯控制系统。控制系统结构如图1.1所示：图1.1 模拟路灯控制系统Fig. 1.1 simulation street lamp control system路灯布置如图1.2所示：图1.2 路灯布置示意图（单位：cm）Fig. 1.2 schematic diagram o
3、f street layout ( unit: cm )1.1.1 设计要求（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。（6）支路控
4、制器应能根据自然光自动调节亮灯状态。（7）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。1.1.2 设计步骤1）总体方案的选择、分析、论证，并画出系统的结构框图；2）硬件电路设计并进行硬件焊接；3）软件编程；4）进行调试；5）逐步修改，将所需的功能完全实现。1.2 系统方案选择与论证1.2.1 控制器模块根据题目要求，控制器模块主要用于对模拟路灯、时钟模块、人机交互模块的控制以及对AD转换、红外检测模块、自然光及故障检测模块的传感信号的接收和处理。对于控制器的选择有以下两种方案。方案一：采用FPGA(现场可编程门阵列)作为系统的控制器，由于FPGA将所有的器件集成在
5、一块芯片上，所以外围电路较少，控制板的体积小，稳定性高，扩展性能好；而且FPGA采用并行的输入/输出方式，系统控制速度快，再加上FPGA有方便的开发环境和丰富的开发工具等资源可利用，易于调试；但是FPGA成本偏高，算术运算能力不强，而且由于本次设计对输出控制的速度要求不高，所以FPGA高速控制的优势得不到充分体现。方案二：采用通用型STC89C52单片机作为系统的支路控制器，采用具有AD转换和PWM输出功能的新型单片机STC12C2052AD作为单元控制器。由于单片机的算术运算功能强，软件编程灵活，可用软件较简单的实现各种算法和逻辑控制，并且由于其成本低、体积小和功耗低等优点，使其在各个领域应
6、用广泛，因此非常适合利用单片机作为控制器。基于以上分析，选择方案二，采用STC89C52和STC12C2052AD单片机作为控制器。1.2.3 显示模块方案一：采用数码管显示。数码管具有低功耗、耐老化和精度比较高等优点，但数码管与单片机连接时，需要外接锁存器进行数据锁存，使用三极管进行驱动等，电路连接相对比较复杂。此外，数码管只能显示少数的几个字符，显示内容较少，基本上无法显示汉子。方案二：采用LCD进行显示。液晶显示屏（LCD）具有低功耗、无辐射危险、平面直角显示以及影像稳定等，可视面积大，画面效果好，分辨率高、抗干扰能力强、显示内容多等特点。并且，液晶显示器与单片机可直接相连，电路设计及连
7、接简单。基于以上分析，采用方案二，选择液晶12864进行显示。1.2.4 时钟模块方案一：采用专用时钟芯片。现在流行的时钟芯片电路很多，如DS1302、DS12C887等。其优势是可以单独使用，直接连接单片机外围，有自己独立的时钟晶振，精度较高。当单片机读写时钟值时，死机或断电对其影响较小。方案二：采用单片机内置时钟振荡及定时器构件时钟平台。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。不过其没有外置电路，充分利用了单片机的定时器功能，实施简洁方便，主要缺点是死机或断电后，需要人工重新设定。 综上所诉，采用方案一，本次设计选用DS12C887时钟芯片。1.2.5 车
8、辆检测模块方案一：采用超声波传感器，超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。但其精度底，成本高，方案二：采用光电开关，其便宜，易制，精确，通常精度都是1度以内，坚实、轻巧，受温度影响较小。经过试验，它能够满足条件要求，能达到精确测定物体位置。综上所诉，采用方案二，选择红外对管用于车辆检测。1.2.6 自然光检测模块方案一：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
9、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转换。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。该方案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。综上所述，本系统采用方案二，用光敏电阻和AD检测方式读取自然光亮度。1.2.7 故障检测模块方案一：采用灯上串联电阻测其分压量，分析是否断路，此方法电路连接简单，但是经分析此法仍有不妥之处，如果将电阻串联进去，不但会影响发光二极管的电压，电流也会受影响而使光源无法达到预定的功率，所以
10、不予考虑使用此方案。方案二：采用光敏电阻，将其置于灯光可照到处，当发出令灯亮而其没有检测到光亮时即为等出现故障，综上所述，采用方案二。1.2.8 电源模块方案一：采用普通电池做电源，输出的直流电后经多个稳压器得到理想的不同伏值的直流电压。采用该方法做电源，输出电流能力大、移动方便。缺点是直流电流放电受自身影响大，放电时间受限不便长时间工作，而且价格较贵，不符合本次设计的特征要求。方案二：采用三端稳压集成电路。变压器降压后经过桥式整流、滤波，再经过三端稳压器得到直流电源。这一电路实现简单、灵活，而且可长时间工作，符合本次设计要求。基于以上分析，采用方案二，选择集成稳压电源输出直流电。1.3 系统
11、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3种工作模式，分别是定时开关灯模式、根据自然光亮度自动控制模式、根据交通情况自动控制模式，下面对每种工作模式简单介绍如下：（1）定时开关灯模式在该模式下，支路控制器根据设定好的起止定时信息，自动地打开或关闭两盏路灯。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关灯的时间相等时关闭路灯2。系统启动后默认进入该模式。（2）根据自然光亮度自动控制模式在该模式下，当环境亮度低于一定的值时开启两盏路灯，当环境亮度高于一定的值时关闭两盏路灯。（3）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
12、左到右到达S点时（见图2.1），灯1亮；当物体M到达B点时，灯1灭，灯2亮；当物体经过B点到达S点时，灯2灭。若物体M由右到左移动，则亮灯的次序与上相反。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 按键操作说明支路控制器具备6个按键，分别为上移键、下移键、时间增加键、时间减少键、模式选择键、确认键。（1）上移键、下移键：按这两个键可以进行路灯选择、模式选择等； （2）时间增加键、时间减少键：按这两个键可以对时间数值进行增减，长按时可以连续变换；（3）模式选择键：按模式选择键可
13、以进入模式切换页面；（4）确认键：确认键用于时间的输入与模式的选择。2 模拟路灯控制系统硬件设计2.1 硬件设计简介本系统所要完成的工作是：支路控制器选择多种节能模式；单元控制器采用PWM方式驱动LED模拟路灯；模拟路灯根据过往车辆智能亮灭；模拟路灯根据外界光强线性调节；对故障的路灯能够检测并进行声光报警；整个过程由三端稳压集成电路供电。本设计的主要设计目标：1） 多种节能模式选择：定时开关灯模式、根据自然光亮度自动控制模式、根据交通情况自动控制模式；2） 模拟路灯驱动方式：PWM驱动； 3） 故障检测：识别故障点并在支路控制端进行声光报警；系统组成原理框图如图2.1所示。整个系统工作过程如下
14、：首先，给系统上电，控制模式默认进入定时开关灯模式，液晶显示系统时间和两组设定时间，此时设定时间均默认为0点0分，可通过移位键和增减键进行设置，例如，设定灯1的亮灯起止时间，当系统时间与起始设定时间相等时，支路控制器向单元控制器发送灯1亮的信号，单元控制器接收到该信号后，调节PWM的占空比为100%，此时，灯1会全亮，当系统时间与终止设定时间相等时，单元控制器同样接受到一个灭灯信号，调节PWM的占空比为0%，灯1灭。灯2同理。操作员同时可以将控制模式切换为根据自然光亮度自动控制模式，此时支路控制器会发送当切换该模式的信号，单元控制器接收该信号后开启AD转换，实时接收光敏电阻在外界的采样值，将采
15、样到的电阻值与系统默认的梯度值作比较，根据比较结果改变PWM的占空比输出，宏观表现为路灯随着外界自然光光强的变化而变化，而梯度值划分的越细，路灯亮灭变化的越平滑。操作员也可以将控制模式切换为根据交通情况自动控制模式，此时支路控制器会发送当切换该模式的信号，单元控制器接收该信号后，通过引脚接收红外对管的数字量信号，根据该信号控制两个路灯的亮灭，例如，当可移动物体M由左到右到达S点时（见图2-1），灯1亮；当物体M到达B点时，灯1灭，灯2亮；当物体经过B点到达S点时，灯2灭。若物体M由右到左移动，则亮灯的次序与上相反。在任意的控制模式下，单元控制器都在实时监测路灯的运行情况，如果其中一路灯发生故障，即表现为该段断路，单元控制器会向支路控制器发送故障信号，支路控制器会根据信号在液晶上进行显示哪一路路灯故障，并进行声光报警。整个系统由自制三端稳压电源提供电能。图2.1系统组成原理图Fig.2.1 System composition principle diagram系统在设计思想上摒弃了以往的一体化结构设计方法，采用了模块化结构，最终用户通过与控制器进行人机对话，完成所有的操作。信号传输的物理通道是控制器的输入引脚接口与从设的输出端。所有的计算、处理、判断均在控制器内进行，从设是控制器的一个外部设
