单片机厂区路灯控制模拟系统的设计 基于P89V51RD2单片机厂区路灯控制模拟系统的设计摘要：本系统采用P89V51RD2单片机作为系统控制中心，包含支路控制器和单元控制器两部分。采用无线通信方式完成控制指令和数据的传递，使用DS1302时钟芯片和1602LCD液晶模块完成系统时钟和路灯开关灯时间显示功能，将实时时间与设定时间进行比较完成路灯的自动开关功能；通过超声波传感器实时测量物体距离，实现路灯的定点和非定点亮灭；采用光敏电阻加后级调理电路的方式，使路灯能够根据环境明暗变化自动开关；路灯由两级运放电路构成恒流电源驱动，电路简单可靠，其输出功率由单片机输出PWM信号无级调节实现充分节能；采用电压比较电路判断路灯故障，通过语音提示模块完成系统故障报警和提示，充分体现设计的灵活性和人性化。关键字：单片机 支路控制器 单元控制器 PWM 人性化1、引言: 由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域。单片机在智能仪表中的应用；单片机在机电一体化中的应用；单片机在实时控制中的应用；单片机在分布式多机系统中的应用；单片机在人类生活中的应用都已经是单片机发挥重要作用的领域。单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS 51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、 NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。80C51单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。然而现实中，在许多大型企业和工厂中，货车夜间运行照明往往采用夜间一直点亮的方式，这样在消耗大量能源的同时也减少了照明器具的使用时间，为此设计一种能够间断性工作的路灯自动控制系统以配合厂区道路夜间车辆的照明工作，达到最大限度节约能源的作用，显得尤为重要。再加上目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落，工业、服务业、消费电子所以本设计顺应全社会提倡的节能大方向以及嵌入式系统的发展趋势，将利用单片机作为控制器来改善厂区的路灯控制系统，已达到系统节能人性化的目的。2、方案论证与比较根据题目的要求，需要设计单元控制器系统和支路控制器系统两部分。其中支路控制器可划分为MCU模块、信号检测模块（位置和亮度）、远程通信模块、声光报警模块和时钟显示模块五个部分。单元控制器分为MCU模块、远程通信模块、恒流驱动电源模块、显示模块和故障检测模块五个部分。其中亮度检测模块和恒流源模块，题目中虽未要求，但为了让系统充分节能，要求灯不仅能开关，还能根据周围光的强度自动调节灯亮度。系统基本结构示意如下图：图1 厂区道路路灯控制模拟系统示意图下面针对各部分的不同设计方案进行分析比较，确定各个部分的合适设计方案。2.1、MCU模块方案一：采用ATMEL公司的51系列单片机AT89C51ATMEL公司的51系列单片机AT89C51,该单片机只具有基本的51系列单片机内核，要完成题目要求需要构建较为复杂的外围电路，其硬件资源无法满足要求。方案二：采用Microchip公司PIC单片机PIC16F877A是一款基于EPROM的8位高性能微控制器。与其它价格相当的微控制器相比，它在执行速度和代码压缩方面都有很大的改进，但该芯片采用精简系统，需要采用其特定指令，且性价比不够高。方案三：采用飞利浦公司的51系列单片机P89V51RD2飞利浦公司的51系列单片机P89V51RD2，该单片机具有ISP（在系统编程）和IAP（在应用中编程）功能，通过软件或ISP选择支持12时钟（默认）或6时钟模式，PCA（可编程计数器阵列），具有PWM和捕获/比较功能，可编程看门狗定时器，易于兼容。基于上述分析，本设计中采用方案三。2.2、信号检测模块信号检测模块需要实现对物体位置和环境明暗变化的检测，下面就两种信号测量的设计方案进行论证。2.2.1、物体位置检测方案一：采用接近开关采用接近开关，当移动物体通过指定位置，接近开关动作，接近开关给CPU一个信号执行相应的程序做出相应反映。但是接近开关用在本系统中有两个缺点：一、接近开关是接触式的，使用寿命会受到限制；二、接近开关只能固定在某一点，所以系统做出来比较单一、死板。因此，本方案虽能实现题目要求，但不宜采用。方案二：采用激光测距激光测距传感器工作原理：激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。采用此方案虽能让系统比较灵活，但是激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快，因此本方案不选择。方案三：采用超声波测距超声波传感器原理：超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频 率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段。系统采用超声波实时测量物体距离，实现移动物体的任意位置测量。系统中A、B、C、D、E各点均可任意改变，系统具有很强的灵活性，通过物体的距离变化可实现灯光的线性化调节。基于以上分析，本设计中的物体位置检测模块采用方案三。2.2.2、环境明暗变化检测方案一：采用光电三极管采用光电三极管加后级调理电路来实现光的明暗变化的检测，但它只能实现数字量的变化，对光线的渐变反应变化效果不佳，只能实现光的明暗突变。方案二：采用光电传感模块光电传感模块能够实现光线明暗变化的检测，但其成本较高，不宜采用。方案三：采用光敏电阻采用光敏电阻来实现光的明暗变化的检测，光敏电阻可以随光线的渐变反应变化，虽然后级调理电路较为复杂但此方案可以实现灯光的线性变化。基于以上分析，本设计中的环境光检测模块部分采用方案三。2.3、远程控制模块方案一：采用RS232C串行通信RS232C串行通信是最常见的有线通信，其最大传输速率为20kbps，线缆最长为15米，但不适宜远距离信号传输。方案二：采用RS485串行通信RS485串行通信也是一种常用的有线通信方式，尤其在工控场合，其最大通信距离可达2.0KM，可以满足本系统要求，但有线通信方式需要硬件线路连接，一旦路灯位置发生变化，对其更改较为繁琐。RS485虽能实现系统功能，单不灵活，不宜采用。方案三：采用CAN-bus总线通信CAN-bus是一种多主方式的串行通讯总线，传输数据量大，速度快，但成本较高。方案四：采用无线通信无线通信可以接收发射合一，FSK 调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合，频率稳定性极好，灵敏度高，低工作电压，功耗小，超小体积，可直接接CPU，硬件连接简单，软件编程非常方便。基于上述分析，本设计中的远程控制模块采用方案四。2.4、声光报警模块方案一：采用内置信号音的警灯采用内置信号音的警灯作为报警装置，但警灯的体积较大，功耗较大。一个小小的路灯故障没有必要如此。方案二：采用普通的发光二极管和和扬声器采用普通的发光二极管和扬声器，利用简单的电路进行工作，该方法简单容易。 方案三：采用普通的发光二极管和语音播放模块，报警声音可自行录制，实现人声播报报警，使设计更充满人性化。通过以上分析和对比，本设计选用方案三。2.5、显示时钟模块方案一：采用数码管显示，单片机内部计算时间数码管显示时间，虽然直观，但功耗较大，占用较多的系统资源。单片机内部计算时间，运算程序运算量大，时间精确度不高。方案二：采用液晶显示，单片机内部计算时间液晶显示具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的特点，但单片机内部计算时间，运算程序运算量大，时间精确度不高，占用系统资源较多。方案三：采用液晶显示，专门的时钟芯片液晶具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的特点，其显示时间，可以直观的显示年月日和星期等时间信息，且占用系统资源较少。 DS1302是专门的时钟芯片，该芯片具有万年历功能，时间精确，低功耗等特点，该方案简洁方便，容易实现。基于上述分析，本设计中采用方案三。 2.6、恒流驱动电源模块方案一：采用市售的LED驱动恒流源该方案简单，实际使用中能实现LED的恒流源驱动，但不能实现功率可调的要求。方案二：采用三端可调直流稳压集成芯片该方案通过调节滑动变阻器的阻值改变其输出电压来实现负载的恒流特性，但不能自动控制恒流驱动电源的输出功率。方案三：采用自制LED驱动恒流源利用运算放大器组成电压跟随器、电流负反馈电路，结合单片机组合成恒流驱动电源，采用PWM信号直接控制恒流源的输出功率，实现输出功率的无级调节，该方案简洁方便，容易实现。基于上述分析，本设计中采用方案三。2.7、故障检测模块方案一：光敏电阻加后级调理电路检测光照光敏电阻加后级调理电路检测LED灯的光照，电路简单，但容易受到环境光的影响。方案二：电流检测加后级调理电路通过电流互感器加后级调理电路检测LED是否有电流通过，但该方案不宜实现。方案三：电压检测该方案通过将LED的工作电流转换为参考电压，与基准电压进行比较来判断LED灯是否故障，具有简洁方便，容易实现的特点。基于上述分析，本设计中采用方案三。3、系统总体结构与分析综合以上分析及选用方案，确定本设计的总体结构框图如图2所示。图2 系统总体结构图4、方案的具体实现下面将设计中几个关键环节的实现加以介绍：4.1、MCU模块P89V51用于系统控制器，其主要特性如下： 80C51 核心处理单元； 5V 的工作电压，操作频率为040MHz； 16/32/64kB 的片内Flash 程序存储器，具有ISP（在系统编程）和IAP（在应用中编程）功能； 通过软件或 ISP 选择支持12 时钟（默认）或6 时钟模式； SPI（串行外围接口）和增强型UART； PCA（可编程计数器阵列），具有PWM 和捕获/比较功能； 4 个8 位I/O 口，含有3 个高电流P1 口（每个I/O 口的电流为16mA）； 3 个16 位定时器/计数器； 可编程看门狗定时器（WDT）； 8 个中断源，4 个中断优先级； 2 个DPTR 寄存器； 低 EMI 方式（ALE 禁能）； 兼容 TTL 和C