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1、模拟路灯控制系统设计摘要：本系统采用集散式控制模式，支路控制器和单元控制器均含有处理器。以STC89C52单片机作为系统的支路控制器， ATmega8作为单元控制器，对信息进行采集和处理，支路控制器和单元控制器采用相关通讯协议进行通讯，实现对模拟路灯的控制功能。该系统采用直流供电，由单片机控制模块、声光报警模块、环境监测模块、485通信模块、实时时钟模块、红外模块、显示模块、恒流驱动电源模块等组成，具有远程独立整体控制开灯关灯、定时开关灯、环境检测智能调节开关灯、功率可调等功能，具有精度高、抗干扰能力强等特点。关键词：集散式控制 STC89C52 ATmega8 485通信 功率可调Abstr
2、act: This system uses distributed control mode, slip controller and the cell controller contain processors. To STC89C52 slip as a system controller, microcontroller, ATmega8 as a cell controller, for information collection and processing, slip controller and the cell controller using the relevant co
3、mmunication protocol, to achieve a simulated street lamp control functions. The system uses DC power from the MCU control module, sound and light alarm modules, environmental monitoring module, communication module 485, real-time clock module, IR module, display module, constant current drive power
4、modules, has a long-range independence the overall control lights turn on the lights, timer switch light, environmental detection of intelligent regulator switch lights, power adjustable features, there are high precision, strong anti-interference ability and so on. Keywords: STC89C52 ATmega8 485 Bu
5、s Power Adjustable1 方案设计与论证根据题目要求：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 路灯控制系统示意图针对系统要求，系统的总体方案，可以采用以下几种方案来进行设计：方案一：采用集中控制方式，单元控制器，无处理器，只有支路控制器有处理器，所有的数据采集，处理控制都由支路控制器的处理器来执行，单元控制器只是一些基本的检测控制电路。方案二：采用集散式控制模式，支路控制器和单元控制器均含有处理器，均能对信息进行采集和处理，支路控制器和单元控制器采用相关通讯协议进行通讯。方案一，系统结构简单，成本低，但便于系统的扩展，不具有实用性。方案二，系统较方案
6、一复杂，系统通过总线可以很方便的扩展单元控制器，具有较高的实用性和灵活性。结合平时训练中的联系，和设计的系统的实用性角度，我们采用方案二。1.1 LED恒流驱动电源方案方案一： 利用集成稳压器MC7805改变自身压差来维持通过负载的电流不变。虽然此方案电流能达到，但大的工作电流7805发热严重，需要加足够散热器。此方案温漂大，负载不能过重，作高精度的恒流源不适用。方案二：采用集成运放构成的线性恒流源。可两个运放构成比较放大环节，复合管构成调整环节。但此做法电路复杂，运放运行维持及饱和状态难于把握。方案三： 采用AMC7135恒流芯片，产生350mA恒定电流输出推动1W的高功率LED，通过场效应
7、管的导通和截止来控制恒流源电路的导通和断开，当给栅极高电平时，场效应管导通,恒流源导通，LED灯亮，否则就灭，从而实现了对LED灯亮灭状态的控制。无须任何外接组件,并具有输出短路/开路保护与内建过热保护装置。此方案简单，精度高，稳定且易于实现，故采用此方案。1.2 车辆检测方案方案一：每个LED灯上放置超声波模组，在物体M通过S，B，S时，系统探测到，把信息传递给支路控制器。考虑到此方案性价比太小，舍弃。方案二：采用调制模式。使用普通的红外发射接收装置，在S，B，S三个位置放置红外发射和接收装置，当物体经过这些点时，把信息传递给支路控制器。此方案测试距离理想，性价比高，故选择此方案。1.3 数
8、据通信方案方案一：CAN总线。CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN总线是多主的，任一节点均可任意往总线上发送数据，协议由硬件保证。CAN总线数据帧为8个字节的短帧，传输大批量数据不方便，CAN总线硬件成本高。方案二：无线通信。利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换通信。实验室缺少实现的条件。方案三：RS485总线。485总线是主从式的，通讯距离远，可达1200米以上，可靠性高。485的数据帧及通信协议自定，较灵活，主要在于软件设计；对于此系统传输线仅使用双绞线，方便又是差分传输，有极强的抗共模干扰的能力，总线收发器灵敏度很高，且性价比高，支持到多个节点，可
9、达到几百个，易于系统扩展，可以控制更多的路灯。由于此方案较熟悉，且操作简便容易实现，故采用此方案。1.4 故障检测方案方案一：电流取样法。根据电流取样电阻上的取样电流，判断灯的状况。如果出现接触不良与断路（保险烧坏为短路状况），则检测不到电流。由单元控制器将信息反馈给支路控制器，产生声光报警并且显示故障路灯信息。方案二：在路灯上安装光敏传感器，检测把信息传给控制器判断灯是否亮。由单元控制器将信息反馈给支路控制器，产生声光报警并且显示故障路灯信息。综上，可以初步确定系统的支路控制器和单元控制器的功能和模块，支路控制器和单元控制器的框图1-2和1-3。- 3 - 图1-2 支路控制器框图 图1-3
10、 单元控制器框图2 理论分析与设计2.1 红外车辆检测电路设计在S、B、S处安装红外对管，当有车辆通过时，红外接收管不能接收到红外发射管的红外线，此时红外接收管两端的电压会发生变化。经比较输出，送入单片机外部中断管脚。利用单片机感知是否有测量通过。另外考虑到环境光线和人体红外线对红外对管的影响，防止出现误动作，采用以下两种措施提高抗干扰能力：一、是给红外发射管加一个固定频率的信号， 区别干扰红外线。二、是使用不透光的材料将红外接收管包住，只留下一个较小的接收面，可以提高系统的可靠性。2.2功率步进计算亮度控制采用PWM调制技术，根据P=U*I,测试发现，LED灯电流和电压成线性关系，故功率与电
11、流平方成正比：P=f(I*I),功率调整，利用PWM电流的变化对功率进行调整。在单片机程序中将功率满量程分为100等分，故功率理论上最大误差是1%。满足题目的功率误差不大于2%。另外还可以对满量程进行更细分，则功率调节精度更高。3 电路图和设计文件3.1各模块电路图LED驱动恒流源以恒流源芯片AMC7135作为主芯片，利用场效应管控制AMC7135的电流。为LED灯提供所需的功率。具体电路如图3-1所示。图3-1 LED恒流驱动电源模块红外车辆检测电路原理已经在前面做了详细的叙述，电路如图3-2所示：图3-2 红外车辆检测电路3.2主从通信协议的实现正常情况分支控制器可以自己决定发起命令，单元
12、电路只能回复响应，但是遇到灯损坏的特殊情况时，允许周期性（以较低的频度发出）发出报警信息直到得到分支控制器响应。发送要避开当前正在接受的数据周期。理论上存在单元电路和分支电路同时发的冲突，实际几率很低，即便是出现数据冲突，数据校验位也可以弥补。程序流程图如图4-1。 图4-1 程序流程图4 测试数据与分析4.1 测试仪器TDS1002型60MHZ 10GS/s双通道数字存储示波器、高精度数字BRT500台式万用表、DS-1（DH1718D-2）双通道直流稳压源、卷尺。4.2 测试方案（1）测试定时控制开灯关灯：系统设定为人工控制模式，设定开灯和关灯时间，并在液晶上显示，分别记录开灯和关灯时实时
13、时钟的时间，做对比。（2）测试支路控制器受环境明暗变化调节灯状态：系统设定为智能模式，环境光明亮的环境下设定初始状态为灯灭，然后用黑色罩子盖住光敏传感器，观察两灯变化的状态；去掉盖在光敏传感器黑色罩子观察两灯变化的状态。（3）测试支路控制器根据交通情况自动调节亮灯状态：系统设定为智能模式，1）物体M移动路线S-A-B-C-S，分别记录物体到S、B、S点时的灯1和灯2的状态。2）物体M移动路线S-C-B-A-S，分别记录物体到S、B、S点时的灯1和灯2的状态。（4）测试支路控制器能独立控制每只路灯开灯和关灯时间：系统设定为人工控制模式，设定灯1（灯2）开灯和关灯时间，并在液晶上显示，记录亮灯前后
14、状态和灯1（灯2）开灯和关灯时实时时钟的时间。（5）故障测试：设定初始状态为灯亮，1）去掉图1-1中电流测试的连接棒（作为断路状态），观察记录声光报警信息。2）短接图1-1中两电压测试点，观察记录声光报警信息。（此操作尽管有保险管作为保护，但仍可能由于电流过大损坏AMC7135芯片，甚至损坏整个系统，所以不做测试。）（6）调光功能测试：分别设定不同的功率值，测定电压和电流数据并记录，计算出功率。4.3 测试结果系统设计完成后进行了详细的测试，针对赛题各项要求，从定性到定量对各项指标完成测试，各项指标均达到或超过赛题要求，详细测试结果见附件附表。4.4 结果分析系统采用不同的模式测试指标均达到题
15、目的基本和发挥部分要求，各项指标测量效果明显，精度高，整体性都达到题目发挥部分要求。5 总结本系统采用集散式控制模式。以STC89C52单片机作为系统的支路控制器， ATmega8作为单元控制器，对信息进行采集和处理，支路控制器和单元控制器采用相关通讯协议进行通讯，实现对模拟路灯的控制功能。具有远程独立整体控制开灯关灯，定时开关灯，环境检测智能调节开关灯，功率可调等功能。有精度高、抗干扰能力强等特点。所有指标均达到或部分超过赛题要求。参考文献1 张迎新等. 单片机基础. 北京航空航天大学出版社,2006.2 孙传友等. 测控电路及装置. 北京航空航天大学出版社,2002.3 黄智伟著.全国大学生电子设计竞赛电路设计.北京航空航天大学出版社,2006.4 黄智伟等.全国大学生电子设计竞赛训练教程. 北京电子工业出版社,2005.附件：各项指标测试表类型序号项目与测试条件测试记录基本要求1设定显示控制开关灯时间人工控制模式：设定开灯时间20：10：00开灯时间20：10：00人工控制模式：设定关灯时间20：11：00关灯时间20：11：002测试支路控制器受环境明暗变化调节灯状态（测试环境光线明亮）智能模式:罩住光敏传感器灯1状态变化灭亮灯2状态变化灭亮智能模式:去掉光敏传感器灯1状态变化亮
