模拟路灯控制系统实验指导

模拟路灯控制系统实验指导

一、任务和要求

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。

图1 路灯控制系统示意图

图2 路灯布置示意图（单位：cm）

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。

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。

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。

二、系统的总体方案

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。

图３

１、控制模块

控制器采用５１系列单片机，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。

２、显示模块

显示模块用来实现交互菜单、提示信息、时间、系统工作状态等信息的显示。显示器件可选用字符型液晶器LCD 1602，LCD1602显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。该显示器能基本满足本系统显示的需要。

３、键盘模块

根据系统的设计要求，键盘要能输入0-9共10数码、确认、退出等信号，所以用4*4矩阵键盘。

４、路灯模块

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。

５、位置探测模块

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的内部结构图如图4，K端接510Ω电阻，E端接20K电阻，A和C端接+5V的电压。

图4 ST188内部结构图

６、光亮度检测模块。

光敏电阻随着光线变强电阻值会变小，光线变弱阻值会变大。根据光敏电阻

的工作特性，按照路灯实际工作情况，可以设定一个阈值亮度，当环境亮度低于这个亮度时，使电压比较器输出高电平，单片机采集到高电平后开灯，反之，单片机采集到的低电平后关灯。

三、系统设计

根据系统的设计要求，系统由手动开关灯、定时开关灯、根据环境明亮开关灯、根据交通情况开关灯和路灯检测等模块组成。下面分别介绍各个模块的硬件和软件的设计。

（一）手动开关灯模块

实验目的：

１、掌握单片机小系统的的设计

２、掌握路灯硬件电路的设计

３、掌握手动开关灯模块软件的设计

软硬件设计：

1、单片机小系统的设计

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5如下：

2、路灯电路设计

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。

图6

在面包板上安装如上图电路并测试。

3、单片机程序设计

1）单片机端口和电路的连接

P00—D1灯，P01—D2灯

P30-P33接键盘行扫描线，P34-P37接键盘列扫描线

P00-P07接LCD1602的D0-D7

P25接LCD1602的RW, P26接LCD1602的RS, P27接LCD1602的EN,

2)提供的C程序头文件和文档

①LCD1602PDF文档，介绍LCD1602的原理与应用。

②头文件LCD1602.h