模拟路灯控制

湖北经济学院信息工程学院

电子系统综合设计报告

课题名称：模拟路灯控制系统 任课教师：王金庭 学生班级：电子Q1341 学生姓名：黄适 学 号：13160072 同组学生：宋小兵 学生院系：信息工程学院

2016年4月

目 录

摘要

1. 系统设计......................................................................................................................................

1.1设计要求 .............................................................................................................................. 1.2总体设计方案 ......................................................................................................................

1.2.1功能分解及设计思路 .............................................. 1.2.2方案论证与比较 ..................................................

2. 单元电路设计 .............................................................................................................................

2.1单片机最小系统 ........................................................ 2.2路灯电路 .............................................................. 2.3 亮度检测电路 .......................................................... 2.4交通状况检测电路 ...................................................... 2.4.1红外发送接受模块ST188的原理与应用............................................................. 2.4.2交通状况检测电路.................................................................................................

2.5路灯检测及报警电路 .......................................................................................................... 2.5.1路灯检测电路.......................................................................................................... 2.5.2报警电路.................................................................................................................. 3. 软件设计......................................................................................................................................

3.1 系统主流程图 ................................................................................................................... 3.2 系统子流程图 ...................................................................................................................

3.2.1 手动开关灯流程图 ................................................ 3.2.2定时开关灯电路流程图 ............................................ 3.2.3根据环境明暗开关灯流程图 ........................................ 3.2.4根据交通状况开关灯流程图 ........................................ 3.2.5路灯检测流程图 ......................................................................................................

4. 系统测试 .....................................................................................................................................

4.1按键操作说明 ...................................................................................................................... 4.2手动开关灯功能测试 .......................................................................................................... 4.3定时开关灯功能测试 ..........................................................................................................

4.4 根据环境明暗开关灯功能测试 ......................................................................................... 4.5根据交通状况开关灯功能测试 .......................................................................................... 4.6路灯检测功能测试 .............................................................................................................. 5. 总结............................................................................................................................................. 附录 .................................................................................................................................................... 附录 1 程序代码

摘要

（300字左右）

关键字：单片机，路灯控制，支路控制器

该模拟路灯控制系统是基于单片机控制的系统，包括支路控制器以及单元控制器。具有对路灯的手动开关控制、定时控制、根据环境明暗、交通状况控制以及路灯故障检测功能。

该系统以AT89S51单片机作为主控制器，利用4*4矩阵键盘按键实现路灯亮灭手动控制。利用时钟芯片DS1302实现时钟功能，能通过矩阵键盘分别设定单个路灯以及两个路灯的开灯关灯时间。可以根据环境的明暗状况控制路灯的亮灭。也可以根据实时的交通状况控制路灯的亮灭。当路灯出现故障时，可以发出声光报警信号，并指示故障路灯的地址编号。

系统可以在LCD1602对上述的功能实现相应的显示，操作界面友好。

该系统采用模块化设计的方法，先在protuse上搭建仿真电路，再进行软件的设计，实现相应功能之后，再进行硬件电路的设计。软硬件均采用模块化设计，降低了调试以及维护的难易程度。

经测试，系统性能良好，操作稳定，符合设计要求，是一个完善的电子系统。

模拟路灯控制系统

1.系统设计 1.1设计任务与要求

1.1.1任务

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。

LED灯1输入、显示装置LED灯2单元控制器1单元控制器2支路控制器 图

1 路灯控制系统示意图

LED灯240定位点404020MLED灯1S’4040ACBS 图

2 路灯布置示意图（单位：cm）

1.1.2要求

（1）支路控制器有手动开关灯的功能，能控制整条支路或单独路灯灯1和灯2的开灯和关灯。

（2）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。

（3）支路控制器应能根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。

（4）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。

（5）支路控制器能分别独立控制每只路灯的开灯和关灯时间。

（6）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。

1.1.3说明

（1）光源采用1 W的LED灯，LED的类型不作限定。 （2）系统中不得采用接触式传感器。

1.1.4基本要求

（3）需测定可移动物体M上定位点与过“亮灯状态变换点”（S、B、S’等点）垂线间的距离，要求该距离≤2cm。

1.2总体设计方案

根据设计的基本要求，系统实现的主要功能有：能通过按键进行手动的开灯和关灯；能实时显示时间并按设定开灯、关灯时间；根据环境明暗变化，能自动开灯和关灯；根据交通情况自动调节灯亮状态。能分别独立控制每只路灯的开关时间；能检测故障，检测到故障会进行声光报警，并显示出故障路灯的地址编码。系统设计包含以下几个基本模块：控制模块、信息显示模块、键盘模块、路灯模块、位置探测模块、光亮度检测模块。总的系统框图如图3 所示。

声光报警键盘LCD显示MCU时钟模块LED驱动交通检测亮度检测路灯检测LED灯

图３

系统框图

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为： (1)手动控制开关灯； (2)时钟功能及定时开关灯；

(3)根据环境明暗变化，自动开灯和关灯；

(4)根据交通情况自动调节亮灯状态：当汽车靠近路灯时，路灯自动点亮；当汽车远离时，路灯自动熄灭；

(5)鼓掌报警功能，当路灯出现故障时，系统报警，并显示有故障路灯的地址编号。

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。针对以上的功能，基于模块化的设计思想，以下分别叙述设计思路及方法。 1.2.2 方案论证与比较 1.2.2.1控制器

方案一：选用数字电路控制，但整个电子系统制作复杂。

方案二：采用FPGA/CPLD作为控制器，FPGA可以实现复杂的逻辑功能、规模大、密度高。可以采用EDA软件进行仿真、调试，易于进行功能扩展。本系统要求的数据处理速度不高，FPGA的高速处理优势得不到体现，而且使用成本较高。

方案三：采用系列51单片机作为控制器，51系统单片机是一种最常用的单片机，其最大的特点是系统结构合理、技术成熟、成本低、容易学习，方便用软件编程实现各种算法与逻辑控制，广泛应用于各种控制领域。单片机系统实现的主要功能有，完成数字及控制信号的输入、数据及工作状态的显示以及路灯电路的的驱动与控制。 本系统采用方案三。

1.2.2.2时钟功能及定时开关灯。

方案一：采用专用的时钟芯片DS1302，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。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。

方案二：采用单片机内置时钟振荡电路及定时器实现相关功能。不用外置电路，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。 本系统选择方案一。

1.2.2.3根据环境明暗变化，自动开灯和关灯功能。

方案一：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。此系统并不用根据环境明暗变化来控制路灯的亮度。故不选此方案。

方案二：光敏电阻与固定电阻串联，将固定电阻两端的电压输入比较器的负输入端，与比较器正输入端的电压值进行比较，得到一个高电平或低电平输出，然后通过反向器，接入单片机的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。 本系统选用方案二。

1.2.2.4根据交通情况自动调节亮灯状态。

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。价格低廉。 本系统选用方案二。 1.2.2.5故障报警功能

方案一：声音报警。通过单片机IO口控制蜂鸣器发声实现报警。 方案二：声光报警。在方案一的基础上通过单片机产生方波，控制一个灯的闪烁实现光报警。较方案一报警效果更突出。 本系统选用方案二。

2. 单元电路设计

2.1单片机最小系统

根据设计要求，控制系统要通过良好的人机交换界面完成系统的所有控 制功能。微控制器选用89S51（52）单片机，键盘选用4*4键盘，显示器选用16*2的液晶显示器LCD1602。单片机小系统PROTEUS中的仿真原理图如下：

2.2路灯电路

51单片机I/O口为集电极上拉输出方式，高电平输出电流等于上拉电阻的电流，这个电流比较小，低电平输出是内部晶体管吸收的电流，最大可以达到10mA，但是整个端口的总电流不能超过24mA。 所以，51单片机I/O口用来驱动普通小功率的没有问题。因本系统中采用的是1W的LED灯，1W的LED灯需要200mA的电流才能工作，故不能用直接用I/O口来驱动它工作。本方案采用大功率的MOS驱动1WLED灯工作。具体电路图6，其工作原理为，N沟道增强型场效应管Q1和Q2分别接P0^0和P0^1口，当P0^0和P0^1输出高电平时，场效应用Q1和Q2导通，LED灯D1和D2开灯，反之，LED灯D1和D2关灯。

2.3 亮度检测电路

光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小，所以可用光敏电阻检测环境的明暗，从而实现根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。所设计的环境明暗检测电路如下图所示,电路中电位器RV1对电源分压后给电压比较器同相端提供一个基准电压。电压比较器反相端的电压由光敏电阻决定，当光照强度增大时，光敏电阻

阻值减小，反相端电压升高，当光照强度达到一定值时，反相端电压大于同相端电压，电压比较器输出低电平，经过反相器U4:A后输出高电平，来实现控制开灯和关灯。（注：在PROTEUS仿真时，如把电压比较器直接连接到单片机，单片机不能区分其电平，在其后增加了一个反相器则可以。）

2.4交通状况检测电路

2.4.1红外发送接受模块ST188的原理与应用。

采用ST188红外对射传感器感测是否有物体通过，当没有物体通过时CE截止，单片机采到的电压值为低电平；当有物体经过时BE导通，电源电压加到E端，单片机采到的电压值为高电平。ST188的内部结构图如下图，K端接510Ω电阻，E端接20K电阻，A和C端接+5V的电压。

ST188内部结构图

2.4.2交通状况检测电路的设计

当有车辆或人经过时，ST188红外对射传感器被挡光，如下图电路按收三级管截止，输出为低电平，反之输出为高电平。电路中R1=510Ω，R2=20KΩ。

在PROTEUS仿真电路中，因没有红外对射传感器，可以用如下电路模拟红外对射传感器的功能。

2.5 路灯检测及报警电路 2.5.1路灯检测电路的设计

当路灯未出现故障时jc1,jc2为高电平，路灯出现故障时jc1,jc2为低电平

2.5.2报警电路

报警电路如下图所示，当BUZ＝0时，电路不报警，当BUZ有脉冲信号时，蜂鸣器就会发出间断的声音，LED就会闪烁。

3. 软件设计

3.1 系统主流程图

3.2 系统子流程图 3.2.1手动开关灯流程图 3.2.2定时开关灯电路流程图 3.2.3根据环境明暗开关灯流程图 3.2.4根据交通状况开关灯流程图

3.2.5路灯检测流程图

4. 系统测试

4.1按键操作说明

按键1进入手动开关灯功能；按键2进入定时开关灯功能；按键3进入根据交通状况开关灯功能；按键4进入根据环境明暗开关灯功能；按键5进入路灯检测功能；按键*对应输入时的回撤功能；按键D对应输入时的确认功能。

4.2手动开关灯功能测试

手动开关灯要实现能控制整条支路或单独路灯灯1和灯2的开灯和关灯的功能。按下按键1进入手动开关灯功能，按下按键1两灯同时熄灭，按下按键2灯1状态反转，灯2状态不变，按下按键3灯2状态反转，灯1状态不变，按下按键4两灯同时亮。测试成功。

4.3定时开关灯功能测试

定时开关灯要实现有时钟功能，能设定、显示开关灯时间，并控制整条支路按时开灯和关灯的功能。按下按键2进入定时开关灯功能，此时液晶显示实时的时间，按下按键1，可以开始设定时间，设定完之后，液晶能显示设定的时间。按下按键2可以选择对一个灯开或者两个灯一起开关灯时间的设定。按下按键1，开始设定灯1的开关灯时间，按下按键2，开始设定灯2的开关灯时间，按下按键3，开始设定两灯的开关灯时间。设定好时间后，路灯按照设定的时间开关灯。测试成功。

4.4根据环境明暗开关灯功能测试

该功能要实现能根据环境明暗变化，自动开灯和关灯的功能。按下按键3进入根据环境开关灯，调节光照强度，当光照强度低于一定值的时候，路灯亮起。光照强度高于该定值是，路灯不亮。测试成功。

4.5根据交通状况开关灯功能测试

该功能要实现能根据交通情况自动调节亮灯状态的功能。按下按键2时进入根据交通状况开关灯，利用开关1、2、3模拟该功能，开关1按下相当于车到S点，灯1亮，开关2按下相当于车到B点，灯1灭灯2亮，开关3按下相当于车到S’点，灯2灭。当车反方向行驶，亮灯顺序相反。测试成功。

4.6路灯检测功能测试

路灯检测功能要实现当路灯出现故障时（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。按下按键4进入路灯检测功能，此时若有路灯出现故障，液晶上显示相应路灯出现故障，同时报警电路报警。测试成功。

5. 总结

电子线路综合设计是一门

参考文献

[1] 余孟尝. 数字电子技术基础（第四版）. 北京: 高等教育出版社，2008年 附录

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gxr5.html