路灯控制电路

2009年全国大学生电子制作大赛

设

计

报

告

参赛学校

参赛人员

参赛工位号

摘要

根据题目要求，本控制系统电路由MCU为主控芯片，辅以测量光和红外的传感元件，可根据环境明暗变化，自动开灯和关灯，支路控制器能根据交通情况自动调节亮灯状态，独立控制每只路灯的开灯和关灯时间。当路灯出现故障时（灯不亮），支路控制器发出声光报警信号，并显示有故障路灯的地址编号。送入单片机进行数据处理，控制LED的明暗，并在在液晶屏上显示，此电路还具有许多扩展功能。

目 录

摘要................................................................................................................................................... 1

前言................................................................................................................................................... 4

一 总体方案设计 ............................................................................................................................. 4

二 方案论证与设计 ......................................................................................................................... 5

2.1 主控电路的选择与论证 .................................................................................................... 5

2.1.1采用89C51系列的单片机作为CPU..................................................................... 5

2.2.2 采用LPC2138单片机作为CPU ......................................................................... 5

2.2.3 采用STC12C5A60S2单片机作为CPU ............................................................. 5

2.3 显示设备的选择与论证 .................................................................................................. 6

2.3.1 使用数码管显示 ............................................................................................... 6

2.3.2 使用液晶显示 ................................................................................................... 6

2.4 单元控制器模块选型 .................................................................................................... 7

2.4.1 热释电型红外传感器（如：RE03B） ............................................................... 7

2.4.2 感应线圈 ............................................................................................................... 7

2.4.3 红外对管 ........................................................................................................... 7

2.5 恒流源模块选型 .............................................................................................................. 8

2.5.1 采用LC降压的方式 ............................................................................................ 8

2.5.2 通过如HV9910开关电源芯片设计 ................................................................... 8

2.5.3 LM358驱动LED ................................................................................................. 8

2.6 时钟芯片的选型 .............................................................................................................. 9

2.6.1 DS1302 .................................................................................................................. 9

2.6.2 DS12887 ................................................................................................................ 9

三 硬件电路设计 ......................................................................................................................... 10

3.1 单片机模块单元电路的设计 ........................................................................................ 10

3.2 实时时钟控制电路的设计 ............................................................................................ 10

3.3 串口通信电路的设计 .................................................................................................... 11

3.4 光敏总控制电路 ............................................................................................................ 12

3.5 声光报警电路的设计 .................................................................................................... 13

3.6 红外发射电路设计 ........................................................................................................ 14

3.7 红外接收电路 ................................................................................................................ 15

3.8 恒流源电路 .................................................................................................................... 16

3.9 电源电路 ........................................................................................................................ 16

3.10 整机电路图 .................................................................................................................. 17

四 硬件调试与仿真 ....................................................................................................................... 18

4.1恒流源模块调试与仿真 ................................................................................................... 18

4.2 发射电路的测试 ............................................................................................................ 18

五 软件流程设计 ......................................................................................................................... 19

5.1 液晶显示页面 ................................................................................................................ 19

5.2 PWM调节 ..................................................................................................................... 20

5.3 比较定时程序 ................................................................................................................ 20

5.4 根据环境明暗变化，自动开关灯 ................................................................................ 21

5.5 根据交通情况自动调节 ................................................................................................ 22

六 测试检测 ................................................................................................................................. 22

6.1测量仪器 ........................................................................................................................... 22

6.2 基本功能 ........................................................................................................................ 22

6.3 发挥功能 ........................................................................................................................ 23

6.4 其他发挥部分 ................................................................................................................ 23

七 总结 ......................................................................................................................................... 24

附录一：操作说明 ................................................................................................................. 25

附录二：装配图 ..................................................................................................................... 27

附录三元器件清单 ................................................................................................................. 28

前言

伴随着科学技术的发展，人类社会的进步，越来越多的电子产品不断涌现，并且电子产品也不断向体积小，功能大，效率高，能耗低的方向发展，我们的设计作品充分体现了这些特点。设计中我们运用了STC12C5A60S2单片机，因为它内置AD转化，并且能够输出PWM信号，使外部电路简单；运用DS1302时钟芯片保证了时间的实时显示，还运用NE555构成的多谐振荡器与红外发射二极管构成红外发射电路；显示电路我们采用1602液晶显示屏，是我们的设计更加人性化。并且在我们设计制作中充分考虑了环保的问题，我们运用的辅助器件基本都是剩下的废料。

一 总体方案设计

图1 系统框图

本方案具有两路信号输入检测与显示、报警等功能，此外通过主控单元电路的扩展，可添加多种附加功能。

二 方案论证与设计

根据系统框图，对单元电路控制进行设计，下面是我们对各部分单元电路的论证与设计

2.1 主控电路的选择与论证

2.1.1采用89C51系列的单片机作为CPU

89C51单片机是8位单片机，4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量中断结构，一个全双工串口通信口，片内振荡器及时钟电路。其指令是采用的被称为“CISC”的复杂指令集，工具有111条指令，与其他高位单片机相比而言，指令周期较长，运算速度太慢，而且由于其内部总线是8位的，其内部功能模块也基本上都是8位的；89C51单片机本身的电源电压是5伏，89C51有两种低功耗方式：待机方式和掉电方式。

2.2.2 采用LPC2138单片机作为CPU

该芯片其本身自带A/D转换功能，带大容量的32KRAM和512KFLASH ,内部资源丰富且系统稳定，芯片价格昂贵。

2.2.3 采用STC12C5A60S2单片机作为CPU

该芯片位增强型8051内核，除具有51系列单片机的性能外，还具有

以下以下功能：

1、 高速：速度比普通8051快8~12倍；

2、 增强掉电检测电路（P4.6），可在掉电时，及时将数据保存进EEPROM，正常工作时无需操作EEPROM；

3、 工作频率：0~35MHz，相当于8051:0~420MHz;

4、 8通道，10位高速ADC，速度可达25万次/秒，2路PWM还可当2路D/A使用；

5、 4个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1，2路PCA实现2个定时器；

6、 系统工作稳定，方便高效的开发环境。

综合上述，由于STC12C5A60S2众多的优良性质，尤其是内置A/D转化、高速度和多功能复位引脚的特性，这样可以减少扩展，提高性价比。因此，本设计最终才用STC12C5A60S2单片机作为主控CPU。

2.3 显示设备的选择与论证

2.3.1 使用数码管显示

可以使用一个3/8译码器作为位选芯片，一个74LS573作为段选芯片，预计要完成各功能电路的显示则至少需要两个四合一数码管，此方案连线太多，硬件设计不便，并且其功耗大。

2.3.2 使用液晶显示

液晶显示驱动简单，耗电量小，无辐射危险，平面直角显示以及影响稳定不闪烁灯优势，显示直观、抗干扰能力强等诸多优点，两方案比较，选择该方案。

2.4 单元控制器模块选型

2.4.1 热释电型红外传感器

热释电型红外光敏元器件的特点是：灵敏度较低、响应速度较慢、响应的红外线波长较长，价格便宜。为了提高灵敏度，通常都加上一个菲涅尔透镜，其原理是移动物体或人发射的红外线进入透镜，产生一个交替的“盲区”和“高灵敏区”，这样就会产生一系列的光脉冲进入传感器，从而产生电流变化，送给控制系统。目前一般配上透镜可检测10m左右。但考虑到实际路灯之间的距离，因此没有选择此方案。

2.4.2 感应线圈

感应线圈的原理是：根据金属物体通过磁场，使线圈电感量发生变化，同时状态信号传输给检测器，由其进行采集放大，送给单片机。特点是：灵敏度高，响应速度快，在恶劣天气条件下仍具备有出色的性能。但由于电路复杂，因此没有选用此方案。

2.4.3 红外对管

红外对管包括红外发射管和红外接收管。发射管就是能够发射出红外线的二极管，接收电路的红外接收管是一种光敏二极管，使用时要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作而获得高的灵敏度。红外接收二极管一般有圆形和方形两种。由于红外发光二极管的发射功率较小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。然而现在不论是业余制作或正式的产品，大都采用成品的一体化接收头。红外线一体化接收头是集红外接收、放大、滤波和比较器输出等的模块，性能稳定、可靠。所以，有了一体化接收头，人们不再制作接收放大电路，这样红外接收电路不仅简单而且可靠性大大提高，所以我们也采用了一体化接收头。原理是无移动物体通过时，红外接收管接受红外线呈高电平，当有移动物体通过时，遮

挡了红外线使接收管电压变化，产生一个脉冲，送给单片机控制开关灯。

综合考虑，我们选择了红外对管。

2.5 恒流源模块选型

2.5.1 采用LC降压的方式

优点：价格低。

缺点：效率极低，给1W的LED供电，需要消耗4-6W的电力。 功率因数极低，差不多0.2左右。

严重缩短LED的寿命。

对电网的污染很大。

串联多颗时会有闪烁。

2.5.2 通过如HV9910开关电源芯片设计

优点：普通常用

缺点：效率低： 在60%左右，体积大，批量生产时LED的亮度一致性差，无法批量化，干扰大，电网污染大，串联LED灯，常会有闪烁，可以通过接红、白等颜色的灯观看到，模块中使用电解电容，电解电容的寿命大概是5000小时，而LED是100000小时，这样的模块很容易一年就会损坏。

2.5.3 LM358驱动LED

优点：

输出恒定电流：350mA +/- 5%(1W LED)。

功率因数0.625-0.75。

效率高达到93%(10W)。

反馈电路更好的稳定电流。

模块温升低。

缺点：需要双电源供电，电压范围较窄。

2.6 时钟芯片的选型

2.6.1 DS1302

采用DS1302实时时钟/日历芯片，最大总行速度400bit/s,每次读写数据后，其内嵌的字地址寄存器会自动产生增量的地址寄存器、分频器、可编程时钟输出、定时器、400HZ的I2总线接口，DS1302与单片机之间简单的采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线，简单方便。

2.6.2 DS12887

使用DS12887时钟芯片，它具有微功耗、外围电路简单、精度高、工作稳定可靠等优点，但是其占用的I/O多，且体积大。综合考虑，我们选择了方案一。

三 硬件电路设计

3.2 实时时钟控制电路的设计 3.1 单片机模块单元电路的设计

率和快速起振容值为5~30Pf,典型值为30pF。 参赛代码：143201 单片机单元模块电路 平只要能保持猪狗的时间（2个机器周期），单片机就能进行复位操作。 片机自动实现复位操作。上电复位电路由C13、S3、R24构成，上电瞬间9脚获得高电平，随着电容C13的充电，9脚的高电平逐渐下降。9脚的高电为方便与计算机通信晶振的频率选用11.0592MHz。 单片机单元模块电路采用上电复位电路，上电复位就是接通电源后，单Y1、C1、和C18构成内部时钟振荡电路，C1和C18的作用主要是稳定频

实时时钟电路

实时时钟采用DS1302 ，它是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。本电路由Y2构成起震。3V的纽扣电池构成掉电保护电路，1302的CLK，I/O，RST口分别接单片机的IO口，从而控制1302的时钟显示。

DS1302的2脚和3 脚外接32.768KHz的晶振，7脚为串行时钟接口，与单片机的15脚相连，6脚为数据输入/输出端，以便于总线控制，与单片机的17脚连接，5脚复位引脚，与单片机P3.6相连，当时钟达到设定值时，自动复位。

3.3 串口通信电路的设计

串口电路

串口下载电路采用MAX232电平转换芯片，于采用此电路方便电路的调试，减少单片机的损坏，并且应用串口通信还可以实现与计算机通信，供计算机时时接收和发送数据，为人们的使用提供了极大的方便。

MAX232芯片外接4个0.1uF的去耦电容，一减小噪声对它的影响。当跳冒接上后本串口即可下载程序。MAX232的电路连接如图所示。

3.4 光敏总控制电路

光敏总控电路 电源控制电路

光敏总控电路和电源控制电路联合控制整个电路的灯亮灭。光敏总控电路由光敏电阻，三极管S9013组成，三极管的集电极与单片机的14脚相连。通过检测光敏总控的输出电压，通过单片机给电源控制电路输入一个开关信号，控制继电器的通与断，进而控制整个电路的工作情况。

工作原理：白天，由于光照强，光敏电阻RS1的阻值变小，导致两端电压减小，进而影响三级管b、e两端的电压，使其处于反偏状态，无电压输出，通过单片机给电源控制电路一个低电平，继电器断开，整个路灯控制电路断开，路灯灭；夜晚，与白天情况相反。

3.5 声光报警电路的设计

声光报警电路

电磁式蜂鸣器分为两类，一类是有源蜂鸣器，内部含有音频振荡电路，直接接上额定电压就可以连续发声;二是无源蜂鸣器，工作时需要接入音频方波，改变方波频率可以得到不同的音调的声音。

工作原理：本电路中采用有源蜂鸣器，由PNP三极管8550构成驱动电路，其基极与单片机的25脚相连，R15为LED的限流电阻。当检测到路灯电路有问题时，单片机的25脚输出低电平，三极管导通，LED亮，蜂鸣器响。

3.6 红外发射电路设计

红外发射电路

555定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。只要外部配接少数几个阻容元件便可以组成单稳态触发器、无稳态振荡器、多谐振荡器等电路，本设计采用555组成的无稳态振荡器。

工作原理：接通电源vcc后，vcc经电阻R1和R2对电容C充放电，其电压uc由0按指数规律上升。当uc≥2/3vcc时，555定时内部电压比较器C1和C2的输出分别为uc1=0，uc2=1，基本RS触发器被置0，Q=0，Qˉ=1.输出u0跃到低电平U0L。与此同时，放电管V导通，电容C经电阻R2和放电管V放电，电路进入暂稳态。

随着电容C的放电，uc随之下降。当、Uc随之下降到Uc≤1/3Vcc时，则555定时器内部电压比较器C1和C2的输出为Uc1=1；Uc2=0，基本RS触发器被置1，Q=1，Qˉ=0，输出U0由低电平Uol跃到高电平Uoh。同时，因Qˉ=0，放电管V截止，电源Vcc又经电阻R1和R2对电容C充电。电路又返回到前一个暂缓态。因此，电容C上的电压Uc将在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电，从而使电路产生了震荡，输出矩形脉冲。

其振荡频率即周期计算如下

周期T = 0.69(R1+2 R2 )C1

R1，R2代入10K，C1代入0.1uf

频率f=1 /0.69(10K + 2×10K) ×0.1uf = 483HZ

占空比q=(R1+R2)/(R1+2R2)=2/3.

其他两个发射电路分析与此电路一样。

3.7 红外接收电路

红外接收电路

该电路有红外接收管和5k的可调电阻组成，可调电阻主要用于调节S端的电位。

工作原理：当光线变暗，红外放射电路有信号发出时，红外接收管接收到其发出的信号，红外接收二级管的阻值有500千欧以上减小到几十千欧，电路导通S 端的电压从可调电阻两端取出，为高电平，送到单片机的23脚，路灯灭；但是红外接收管未接受到信号时，红外二极管的阻值无穷大，S 端为低电平，送到单片机的23脚后，单片机同时发出信号控制路灯时期变亮。 其他红外接收电路的分析与此分析一样。

3.8 恒流源电路

恒流源电路图

工作原理：此单元电路的输入信号有两路，一路是定时时间的输入，另一路是PWM信号的输入，

当定时时间未到继电器处于断开，LED处于熄灭状态；

当时间灯开时间，Q7输入高电平，继电器线圈得电，开关吸和，此时如果，PWM 为高电平，电流经LED灯、R26，R32到地；如果PWM为低电平，电流经LED灯、L1、Q9到地，通过采样电路取样、经滤波电容C18滤波后，去出采样信号，并把采样信号送入单片机，起到LED灯的恒流。

3.9 电源电路

路的有点所在。

3.10 整机电路图

电源电路 参赛代码：143201 由于市电的品质因数和三端稳压器的输出品质因数不同，如果直接整流滤波稳压器，品质因数品质因数提高，达到了省钱节能的最佳效果，这也是次电C29构成的PFC电路再经C23、C20、C27、C24滤波后送达7805和7905三端后，品质因说降低。但如果市电经过变压后，送入由D19、D20、D21和C28、

四 硬件调试与仿真

4.1恒流源模块调试与仿真

此图为恒流源仿真图像，上面为输入信号，下面为采样输出信号。其信号输入为频率为100Hz，占空比为15%，幅值为5V。

4.2 发射电路的测试

该仿真为发射电路振荡频率的测试，其频率为478Hz，周期为2.09ms，若要改变其频率，只要改变R1、R2和C的值即可。

五 软件流程设计

5.1 液晶显示页面

页面是在K1按下的次数变换的，当第一次按下时进入第一个页面设置，以至类推，当按下第五次时返回到主页面显示时间。

5.2 PWM调节

PWM是调节灯亮度的信号，当调PWM的占空比时灯就随着变大而变大，PWM

信号是由单片机输出。根据题的要求是在20%～100%范围内设定并调节，调节误差≤20%。所以我们在调节时PWM变换在20～100之间变化，当减到20时再减就一直保持在20，当加到100时也不能再加。5.3 比较定时程序

flag3为灯亮变换的标志位，当flag3为0时表示在时间控制状态。

当外部环境变化引起等亮时flag3为1，当过一段时间后灯自动熄灭此时flag3为2，如果在这段时间内天变明，灯将熄灭并且flag3为0.在flag3为1时等开关是不受定时时间控制的。只有在flag3为2在这个状态下灯才能根据环境明暗变化，自动开关灯。

5.4 根据环境明暗变化，自动开关灯

5.5 根据交通情况自动调节

六 测试检测

6.1测量仪器

1.数字万用表；2.示波器；3.频率计

6.2 基本功能

6.3 发挥功能

6.4 其他发挥部分

七 总结

首先，感谢河南省电子设计竞赛组委会给我们这样一次珍贵的锻炼机会，在这次大赛中，我们完成了大赛题目要求的所有内容，同时也启迪了我们的创意意识和团队合作意识，培养了我们的分析问题，解决问题的能力，加深了对所学理论的实际运用。

这次比赛我们经过四天三夜的拼搏，受益匪浅，终身难忘。我们不仅完成了一件作品，而去大大提高了我们的创新精神，动手能力，团队协作和竞争意识，这次比赛对我们的毅力和意志力也是一个重要的考验，我们在调试的过程中遇到了不少错误，我们都是很认真细心地检查电路的连线，测量电路的参数，单步运行可能出问题的程序段，直至找到错误的根源。

在这次比赛中，我们充分发挥团队合作精神。我们既分工又合作，一个负责软件，一个负责硬件，一个软硬兼施，每人负责完自己的部分，又继续写报告，大大提高了工作效率。当调试过程中出现问题时，又一起讨论商量怎么解决问题。我们在比赛中做到精益求精，在完成基本功能之后，又向发挥部分进发，最后完成所有的基本功能和全部发挥部分。 参考文献 【1】 【2】 【3】 【4】 【5】 【6】

胡宴如 耿苏燕 模拟电子技术 高等教育出版社 杨志忠 卫桦林 数字电子技术 高等教育出版社 胡宴如 高频电子线路 高等教育出版社 李全利 单片机原理及应用技术 高等教育出版社 姜志海 单片机的C语言 电子工业出版社 谭浩强 C语言程序设计 清华大学出版社

附录一：操作说明

本模拟路灯控制电路显示界面可以显示如下图的界面，共有四个控制键，一个键控制哪一屏幕的选择，另一个键控制各个屏幕的需要调整的时间位，另两个一个加一键，一个减一键。

按下K1键，页面进去如图1页面，再按K2键光标将在将要修改数据的地方闪烁，按下K3键数据将加一，按下K4键数据将减一。在首次使用时要调节时钟的时间，以后就不用调节，我们采用了时钟芯片，在主芯片断电时时钟芯片有供电电池将保证时钟数据不丢失。

第二次按下K1时，页面进入如图2页面，次页面是对LED1的亮度的调节。当按下K2时光标在050下闪烁。按下K3时数据将增加，此时灯也随着变亮，当数据增加到100时灯最亮。再按K3时数据将不会再增加。当按下K4时数据将减一，灯也随着变暗，当减到20时灯最暗。再按K4时数据将不会再减小。

，

第三次按下K1时是调节LED2的亮度，方法和调LED1灯的方法相同。 第四次按下K1键时，页面进入如图3页面，此页面是对LED1灯开关时间的调节。按下K2键光标将在被修改数据之间转换，当按下K3键数据加一，按下K4键时数据减一。

第五次按下K1键时是调节LED2的开关灯时间，方法和调节LED1灯的方法相同

附录二：装配图

附录三元器件清单