模拟路灯控制系统论文.doc

模拟路灯控制系统

摘 要

系统采用STC125612AD单片机为控制核心，通过内置的PWM产生LED路灯的调光控制信号，以CE9910芯片为核心构成恒流源电路，以PCF8563时钟芯片产生高精度的时间信息。通过光敏电阻检测电路检测环境光线的变化。在路面两侧分别安装红外发射管和红外接收头，检测过往物体，并自动控制路灯的亮灭，利用语音录放芯片实现故障的语音播报。

Abstract
System selects STC125612AD as controller, dimming LED lamp control signal is produced by internal PWM of MCU, and the constant current source circuit uses CE9910 as its core. System uses PCF8563 clock chip produces high-precision time information. Through the photosensitive resistance detection circuit detects ambient light changes. IR LED and IR receiver are installed on both sides of the road to test the past objects and uses voice record/playback chip to broadcast the voice of fault.

一、方案比较与论证
1、单片机的选择与论证
方案一：使用AT89S51单片机
采用传统的AT89S51作为控制核心。AT89S51单片机具有价格低廉使用简单等特点，但其运算速度较低，功能比较单一。
方案二：使用STC12C5612单片机
采用STC12C5612AD单片机。该单片机具有超强的抗静电，抗宽电压电源抖动，抗温度影响能力。超低功耗，宽电压，高速度，速度比普通8051快8~12倍。内置PWM功能，可以直接对LED灯亮度进行控制。
由于需要产生PWM信号，需要较强的抗干扰能力，故采用方案二。
2、时钟功能实现与论证
方案一：选用单片机内部定时器
采用单片机内部定时产生时间，需占用较多的单片机资源，且时间不精确，在掉电时数据会丢失。
方案二：选用PCF8563时钟芯片
采用PCF8563时钟芯片产生时间，可以产生精确的时间，通过给时钟芯片加备用电池，具有掉电保护功能。
为了使实际的作品能够更贴近实际产品的应用，采用方案二。
3、LED灯恒流驱动电源的设计与论证
方案一：采用LM317恒流源电路
以LM317为核心，构成输出电流可调的恒流源电路,该方案元件较为常见，而且价格便宜。但是在实际应用中由于三端集成稳压电路功耗较大，需安装足够大的散热片进行散热，且稳压性能随温度变化大，损耗大，且不易进行PWM调节。
方案二：采用CE9910恒流源电路
采用CE9910芯片为核心，构成输出电流可调的恒流源电路，效率高达90％，能体现节能的理念。斜坡补偿电流模式PWM同步降压型转换器可实现输出可调电流，价格也比较便宜。
在损耗节能上CE9910比CW7805要优越的多，而且CE9910可以用PWM实现输出电流可调，所以采用方案二。
4、物体经过检测方案的设计与论证
方案一：采用霍尔传感器
在路面上安装霍尔传感器，当有金属物体通过的时候它可以检测到磁场的变化从而检测到物体，再把信号传送给单片机，由单片机发出指令去控制灯的开关。
方案二：采用红外发射接收电路
在公路的两边，正对的安装红外发射与接收（TL0038红外接收头）的传感器，当有物体通过的时候发射光会被物体所遮挡，此时接收端没有接收到信号，再把当前状态信号传给单片机，由单片机发出指令去控制灯的开关。
霍尔传感器由于受物体性质材料的限制，会影响灵敏度。所以采用方案二。
二、系统硬件设计与实现
1、系统总体设计

图1 系统总体组成框图
系统总体组成框图如图1所示，本系统包括键盘输入电路、PCF8563实时时钟电路、光敏电阻采样电路、红外发射电路、红外接收电路、电流采样电路、ST7920液晶显示电路、PWM调光电路、声光报警电路、从单片机驱动语音录放电路等组成，系统以STC12C5612单片机作为主控芯片，完成所有电路模块的检测和驱动功能。
2、红外发射电路的设计与计算
系统要求对移动物体进行检测，设计中采用了对红外发射和接收方案进行检测，将红外发射信号的频率调制到38KHZ上，这样才能与一体化红外接收头的频率相匹配。38KHZ的信号可以通过单片机直接产生也可以通过外围电路产生，在设计中为了降低对单片机资源的占用，采用由与非门电路构成的RC振荡电路产生振荡信号。振荡频率计算如下：
,
选择电阻R2为1KΩ ,则电容C为12nF。红外发射电路如图2所示。

图2 红外发射电路
3、恒流源及采样放大电路的设计与计算

图3 恒流源及采样放大电路
系统采用CE9910作为恒流源电路的主芯片，CE9910是一种采用1.5MHz 恒定频率、斜坡补偿电流模式PWM 同步降压型转换器，可实现可调输出电流。内部同步开关提高了效率，并免除了增设一个外部肖特基二极管的需要。CE9910可使用单节锂离子电池供电，向负载提供达1A的驱动能力。 LED电流可以通过一个外部电流感应电阻来设置。100mV低反馈电压减少了功率损耗， 更好地提高了效率。恒流源及采样放大电路如图3所示。系统设计的LED灯的额定电流为350mA，则采样电路RS的大小为：

为了方便故障的经检测，将反馈电阻上的电压通过运放进行放大，LM358构成的同相比例运放电路的电压放大倍数为：

经放大后的电压达到单片机的高电平要求。正常工作时，运放输出为高电平，当LED等出现故障损坏时，由于反馈电压为0V,运放输出的电压为低电平。
4、ST7920液晶显示接口电路

图4 单片机与液晶模块的接口图
系统采用ST7920的128×64液晶显示模块作为显示器件，该模块内置了汉字字库，并由串行和并行两种接口方式，由模块的PSB引脚控制，当PSB接地时为串行，接电源时为并行，在本系统设计中采用了串行的接口方式，所以将PSB口接地。单片机与ST7920液晶模块的接口图如图4所示。
5、ISD4002语音报警
在系统设计中除了采用声光报警之外，对报警方式进行了发挥，采用ISD4002语音模块实现语音报警功能。ISD4002语音录放芯片采用2.7~3.3V单电源供电。采用直接模拟量存贮技术，音质好，信息存放在芯片内部FLASHRAM中，抗断电，无需专用语音开发工具，能随意更改内容和耗电省等优点。录放时间为2分钟即120秒，通过SPI接口形式与微控制器配合使用，实现分段录音和播放功能。
三、系统软件设计
1、系统软件总体设计
在软件设计中，将系统分成五个功能模块，通过按键进行功能的选择和退出，每个功能都有对应的显示界面，由ST7920液晶模块进行显示。系统的主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图
2、多级菜单的设计与实现
本系统设计的一大特色就是在于分级菜单界面的设计，每个界面对应一个功能，由按键可轻易实现设置和切换，每个界面的设计如图6所示。
灯1开灯＿: ＿: ＿
灯1关灯＿: ＿: ＿
灯2开灯＿: ＿: ＿
灯2关灯＿: ＿: ＿

功能二界面二

光线状况：＿＿＿＿
灯状况 ：＿＿＿＿

功能界面三
物体位置：＿＿＿＿
灯1状况：＿＿＿＿
灯2状况：＿＿＿＿

功能界面四

灯1状况＿＿＿＿
灯2状况＿＿＿＿

功能界面一
当前时间＿: ＿: ＿
开灯时间＿: ＿: ＿
关灯时间＿: ＿: ＿
功能界面五

功率设置：＿＿％

图6 多级菜单界面图
3、PWM信号占空比的调节
STC12C5612单片机内置PWM调制功能。此功能通过比较定时器的低字节和定时标志寄存器的低字节在模块相应的管脚上输出PWM调制信号，当CL < CCAPnL 时输出值为低，当CL >= CCAPnL 时，输出值为高。脉宽调制模块使用PCA定时器时，CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn 位必须置位。当PWMn=1时，使能CEXn脚作用脉宽调节输出。在程序中只需要改变CCAPnL的值，就可以实现PWM信号占空比的调整。
4、语音播报故障灯号的软件设计
在系统设计中，由从单片机控制语音录放芯片ISD4002实现故障灯号的语音播报。ISD4002语音录放芯片里预先录制了三段报警信息，分别为“灯一故障，请检修”、“灯二故障，请检修”、“灯一灯二故障，请检修”等。当主单片机检测到灯出现故障时，通过串口向从单片机发送故障灯号，从单片机对接收的数据进行处理，并向ISD4002芯片发送播放对应故障语音信息的命令，这样语音录放芯片就可以在灯出现故障时自动的播放对应的语音报警信息。语音播报模块与单片机的接口图如图7所示。

图7 语音播报模块与单片机接口图
四、数据测试与分析
1、物体移动自动调节灯亮状态测试
表1 物体移动与自动调节灯亮灭测试表
向左
S
B
S`
向右
S`
B
S
定位点与亮灯状态变换点的距离
1mm
1mm
1mm
定位点与亮灯状态变换点的距离
1mm
1mm
1mm
灯状态
灯1亮
灯2灭
灯1灭
灯2亮
灯1灭
灯2灭
灯状态
灯1灭
灯2亮
灯1亮
灯2灭
灯1灭
灯2灭
如上表格数据可知误差只有1mm，超过了题目的精度要求。
2、设定开关灯时间与实际开关灯时间对比测试
表2设定开关灯时间与实际开关灯时间对比测试表
设定开灯时间
12:10:10
实际开灯时间
12:10:10
设定关灯时间
13:10:10
实际关灯时间
13:10:10
如上表格数据可知误差几乎为零。
3、设定输出功率与实际输出电流的对比
表3 设定输出功率与实际输出电流的对比表
设定输出占空比
实际输出电流
20％
66 mA
40％
130 mA
60％
200 mA
80％
260 mA
100％
310 mA

设定的功率是通过对信号的占空比进行设置的，从表可知占空比的调节与实际输出电流成正比关系，并实现电流在20%~100%的调节。
五、结束语
该系统在设计中充分利用STC125612AD单片机资源和特点，如PWM资源和强抗干扰能力等，这些设计使得系统电路简洁紧凑和具有较强的抗干扰能力。采用CE9910芯片为核心构成的输出电流可调的恒流源电路，效率高达90%以上。多级菜单的设计，使得操作非常简洁。系统增加的语音播报故障功能，使得故障提示更具人性化。本系统设计功能完整，性能稳定。