基于单片机模拟路灯控制系统

基于51单片机的模拟路灯控制系统

1. 系统设计

1.1 设计要求

一、任务（来自原题）

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。

图1 路灯控制系统示意图

图2 路灯布置示意图（单位：cm）

二、设计要求+

1．基本要求

（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。

2．发挥部分

（1）自制单元控制器中的LED灯恒流驱动电源。

（2）单元控制器具有调光功能，路灯驱动电源输出功率能在规定时间按设定要求自动减小，该功率应能在20%～100%范围内设定并调节，调节误差≤2%。

（3）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。

1.2 总体设计方案

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主要分解为以下五个方面：

一是时钟功能及定时开关灯。

二是根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。

三是根据交通情况自动调节亮灯状态：当汽车靠近路灯时，路灯能自动点亮；当汽车远离时，路灯自动熄灭。

四声光报警功能，当路灯出现故障时而不亮时，控制器发出信号，并显示有故障路灯的地址编号。

五是根据绿色节能照明要求，采用恒流源驱动LED路灯发亮且能调光，路灯驱动电源输出功率能在20%～100%范围内设定并调节，调节误差≤2%。

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。针对以上的五个功能，采用模块化的设计思想，以下分别叙述之。

1.2.2 方案论证与比较

1.2.2.1 时钟功能及定时开关机。

方案一：采用专用时钟芯片。

现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、DS1307、PCF8485等。其优势是可以单独使用，直接连接到单片机外围，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。其缺点一是消耗了单片机IO口资源。二是在编程时需要增加读写串行口的内容，消耗了单片机的运行时间。三是增加了成本。增加了时钟芯片及其外围电路的开支。

DS1302的典型应用电路如图3所示：

图3 DS1302的典型应用电路

方案二：采用单片机内置时钟振荡电路及定时器构建时间平台。

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。

例如：

STC单片机，在4M时钟时，单个指令的运行时间是1微秒，设置定时器1每125个指令周期产生一个中断，即125微秒，8个中断后，时间平台是1毫秒，设置以下时间计数变量分别为：

uchar To1mS = 0x00; //当该变量增加到某个数值时,表示经过了1毫秒

uchar To2mS = 0x00; //当该变量增加到某个数值时,表示经过了2毫秒

uchar Is2mS = 0; //到达2毫秒时刻

uchar To20mS = 0x00; //当该变量增加到某个数值时,表示经过了20毫秒

uchar Is20mS = 0; //到达20毫秒时刻

uchar To1S = 0x00; //当该变量增加到某个数值时,表示经过了1秒

uchar Is1S = 0; //到达1秒时刻

在秒时间平台，用ToMIN变量，计数60秒后进入分钟平台，计数60分钟后，进入小时平台。

方案二没有增加外置电路，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。

本系统的时钟功能实现采用方案二。

1.2.2.2 根据环境明暗变化，自动开灯和关灯功能。

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变换。

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。方案二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。

本系统采用方案二。

1.2.2.3 根据交通情况自动调节亮灯状态。

当汽车靠近路灯时，路灯能自动点亮；当汽车远离时，路灯自动熄灭。

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：采用廉价的红外对射传感器。

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。由于红外光的发射有一定的偏角，本设计利用了黑色套管遮挡红外发射灯头，以减少红外光的散失。

本系统采用方案二。

1.2.2.4 故障报警功能

采用光敏电阻检测路灯的亮度，同时排除环境光的干扰。