光源照度控制系统.doc

控制科学与工程综合技术实验

项目设计说明书

项 目： 光源照度控制系统
姓 名： 张伟刚
学 号： 0908110678

西安理工大学信息与控制工程系

2010年 8月 18 日

目 录

1概述 2
2总体设计 2
2.1系统功能 2
2.2系统构成 2
2.3元器件选型及分析 3
2.3.1 STC12C5A16S2单片机简介 3
2.3.2照度检测（3DU5C） 3
2.3.3可控光源 3
2.3.4人机界面（VC++6.0） 4
2.4系统核心处理策略 4
2.4.1光照强度的测量与控制 4
2.4.2可控光源 4
2.4.3控制算法 4
3、详细设计 4
3.1硬件设计 4
3.1.1功能划分 5
3.1.2照度检测模块 5
3.1.3可控光源模块 6
3.2软件设计 7
3.2.1主程序流程 7
3.2.2 PID控制算法 8
3.2.3上位机通讯 9
4、测试与调试 10
4.1测试 10
4.2调试 11
5、结论与展望 13

1概述
本实验是光源照度控制系统，是利用照度传感器检测环境亮度的变化，采用相应的控制算法，来调节可控光源的亮度，以确保控制对象表面照度恒定。

2总体设计
2.1系统功能
利用光敏三极管检测光源照度的强弱，传感器将检测数据传送给控制核心——单片机，根据处理结果去控制光源的亮度，使光源照度保持到设定的范围，确保表面照度恒定。如下图所示，为光源照度控制系统原理框图：

单片机
照度检测模块
驱动
上位机通讯
LED光源

图1光源照度控制系统原理框图
2.2系统构成
该系统主要由四部分组成：传感器检测部分、控制部分、LED光源部分及上位机通讯部分。
2.3元器件选型及分析
●单片机(STC12C5A16S2)
●照度检测(光敏三极管3DU5C)
●可控光源(普通白光LED 3.5V/1W)
23.1 STC12C5A16S2单片机简介
本设计采用STC12C5A16S2型号单片机，指令代码完全兼容传统的8051型单片机，内部集成专用的复位电路和看门狗电路，保证系统的正常运行。相对高速的数据处理能力完全可以胜任对输入信号的处理，并执行相应的程序，通用的36/40个I/O端口，连接电源、电机、光敏三极管等外围设备。2个16位定时器/计数器，与传统的8051单片机相同，另外2路PCA模块可再实现2个定时器/计数器，可完成对外部信号的计数和定时功能。8路10位精度的ADC，转换速度可达25万次/s。2路PWM用来调制不同的脉冲。7路外部中断I/O口。
2.3.2照度检测（3DU5C）
光照强度(照度) 是物体被照明的程度，也即物体表面所得到的光通量与被照面积之比，单位是Ix(l勒克斯是l流明的光通量均匀照射在l平方米面积上所产生的照度), 夏季在阳光直接照射下，光照强度可达6万～10万lx，没有太阳的室外0.1万～1万lx，夏天明朗的室内100～5501x，夜间满月下为0.21x。
本实验的可控照度范围为0~1万lx。
用光敏三极管作照度检测：光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。因此，也可实现光强度的转化。
2.3.3可控光源
本实验要实现多个LED组光源的亮度控制，才能较明显地观察到可控光源的效果。采用三极管控制（9013）作为LED的驱动，成本低，控制方便。
2.3.4人机界面（VC++6.0）
基于VC6.0的人机交互界面，通过串口通讯，可以照度值的设定和实时照度值的显示。

2.4系统核心处理策略
2.4.1光照强度的测量与控制
通过照度传感器对表面照度进行检测，采用单片机内部AD口进行采样。当表面照度小于照度设定值时，控制光源亮度增大；当表面照度大于照度设定值时，控制光源亮度减小。
2.4.2可控光源
用PWM控制LED光源，本实验的实现步骤是先实现单个LED的亮度控制，再通过三极管实现多个LED的亮度控制，以达到实验要求的照度可调。
2.4.3控制算法
本系统采用基本的PID算法实现控制。PID控制算法结构简单，易于理解和掌握，对大多数被控对象有较好的控制效果，需要被控对象精确的数学模型。

3、详细设计
3.1硬件设计
本设计是基于STC12C5A16S2单片机的最小系统板设计的，以下只列出其余的电路设计。
3.1.1功能划分
如下图所示为系统硬件框图：

STC单片机
电源
照度检测
可控光源
串口通信
人机界面

图2光源照度控制系统硬件框图
3.1.2照度检测模块
采用光敏三极管检测光照强度，使用单片机的P1.0AD口实现AD转换，将模拟量转换为数字量。具体应用电路如下：

图3光源照度检测电路图
3.1.3可控光源模块
单片机输出两路PWM，利用三极管（9013）的开关特性，实现LED亮度控制。具体应用电路如下：

图4可控光源电路图
3.2软件设计
3.2.1主程序流程
如下图所示，是主程序的软件流程图：
Y
N
初始化串口中断

开始

初始化AD

初始化PWM

初始化PID

Y
N
串口发送？
发送照度值

串口接收？
接收设定值

PID控制

获取照度值

设置PWM输出

图5主程序流程图
3.2.2 PID控制算法
PID控制算法结构简单，易于理解和掌握，对大多数被控对象有较好的控制效果，需要被控对象精确的数学模型。PID控制算法是最佳的控制调节，它是由P调节的比例增益和抑制超调量的D调节,以及消除稳定偏差的I调节来决定的调节。
基本的PID控制算法有增量式与位置式。本系统采用增量式PID控制算法。
PID的微分方程：输入为误差信号e(t)，输出为控制量u(t)，如下式所示：
（1）
其中：u(t)：控制量
e(t)：误差信号
K：比例系数

：积分时间常数
：微分时间常数
：控制量的基准（误差e=0时的控制量）
如下是增量式数字PID（当采样周期足够小时）：
（2）
（3）
由式（2）和式（3）得增量式PID控制算法，如下：

为了编程实现增量式PID控制算法，将上式转化为：
（4）
其中：

增量式PID算法流程如下：
N
Y
Y
N
偏差=设定照度-实时照度
控制增量
为下一时间做准备
ei-1=ei，ei-2=ei-1
返回控制增量
PID开始

>255?
控制量置最大=255

<0?
控制量置最小=0

图6 PID算法流程图
3.2.3上位机通讯
基于VC6.0的人机交互界面，通过串口通讯，可以显示设定照度值、实时照度检测值。人机交互界面如下：

图7人机交互界面

4、测试与调试
4.1测试
问题1：光敏传感器的检测电压值不稳定
解决方法：将原设计电路中的0.1uF的滤波电容改为10uF的滤波电容，该问题得到了解决。
问题2：一路PWM输出驱动三个LED或者更多的LED灯时，由于电路的分流不均匀，导致三个LED灯的亮度不相同，如图8所示：

图8一路PWM驱动三个LED灯
解决方法：一路PWM只驱动两个LED，使用两路PWM，则共可驱动四个LED灯。
4.2调试
如下是系统实物图：

图9系统实物图
程序运行后，单片机每隔200ms将采集到的照度值发送给上位机显示，如下图10所示，通过上位机对照度值进行设定，能够达到即时准确地控制，如下图11所示。

图10单片机与上位机的实时通讯

图11不同设定照度值下的照度曲线图
5、结论与展望
本系统能够较好地实现照度值的实时控制，使照度值保持在设定值的范围内，基本完成了本系统的控制要求。
光源照度控制系统是一个比较实用的方案，并且具有很强的推广意义。虽然本系统实现了一些基本要求但是离实际应该还有一定相当大的距离。进一步的工作有：
（1）检测环节：空间较大时，用一个传感器检测照度值误差会较大。可采用多个传感器检测照度值，然后求其均值。
（2）可控光源部分：本系统只采用了4个直流LED做光源，为增强照度值，可采用MAX16800或LM3407等驱动芯片，驱动更多的LED灯，以满足实际的照度需要。针对目前常用的白炽灯或节能灯，控制交流电源实现表面照度的实时控制，具有更大的实际应用价值和市场潜力。其中专业理论知识内容包括：保安理论知识、消防业务知识、职业道德、法律常识、保安礼仪、救护知识。作技能训练内容包括：岗位操作指引、勤务技能、消防技能、军事技能。
二．培训的及要求培训目的
安全生产目标责任书
为了进一步落实安全生产责任制，做到“责、权、利”相结合，根据我公司2015年度安全生产目标的内容，现与财务部签订如下安全生产目标：
一、目标值：
1、全年人身死亡事故为零，重伤事故为零，轻伤人数为零。
2、现金安全保管，不发生盗窃事故。
3、每月足额提取安全生产费用，保障安全生产投入资金的到位。
4、安全培训合格率为100%。
二、本单位安全工作上必须做到以下内容：
1、对本单位的安全生产负直接领导责任，必须模范遵守公司的各项安全管理制度，不发布与公司安全管理制度相抵触的指令，严格履行本人的安全职责，确保安全责任制在本单位全面落实，并全力支持安全工作。
2、保证公司各项安全管理制度和管理办法在本单位内全面实施，并自觉接受公司安全部门的监督和管理。
3、在确保安全的前提下组织生产，始终把安全工作放在首位，当“安全与交货期、质量”发生矛盾时，坚持安全第一的原则。
4、参加生产碰头会时，首先汇报本单位的安全生产情况和安全问题落实情况；在安排本单位生产任务时，必须安排安全工作内容，并写入记录。
5、在公司及政府的安全检查中杜绝各类违章现象。
6、组织本部门积极参加安全检查，做到有检查、有整改，记录全。
7、以身作则，不违章指挥、不违章操作。对发现的各类违章现象负有查禁的责任，同时要予以查处。
8、虚心接受员工提出的问题，杜绝不接受或盲目指挥；
9、发生事故，应立即报告主管领导，按照“四不放过”的原则召开事故分析会，提出整改措施和对责任者的处理意见，并填写事故登记表，严禁隐瞒不报或降低对责任者的处罚标准。
10、必须按规定对单位员工进行培训和新员工上岗教育；
11、严格执行公司安全生产十六项禁令，保证本单位所有人员不违章作业。
三、 安全奖惩：
1、对于全年实现安全目标的按照公司生产现场管理规定和工作说明书进行考核奖励；对于未实现安全目标的按照公司规定进行处罚。
2、每月接受主管领导指派人员对安全生产责任状的落

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