1、單片機廠區路燈控制模擬系統的設計 基于P89V51RD2單片機廠區路燈控制模擬系統的設計摘要：本系統采用P89V51RD2單片機作為系統控制中心，包含支路控制器和單元控制器兩部分。采用無線通信方式完成控制指令和數據的傳遞，使用DS1302時鐘芯片和1602LCD液晶模塊完成系統時鐘和路燈開關燈時間顯示功能，將實時時間與設定時間進行比較完成路燈的自動開關功能；通過超聲波傳感器實時測量物體距離，實現路燈的定點和非定點亮滅；采用光敏電阻加后級調理電路的方式，使路燈能夠根據環境明暗變化自動開關；路燈由兩級運放電路構成恒流電源驅動，電路簡單可靠，其輸出功率由單片機輸出PWM信號無級調節實現充分節能；采用

2、電壓比較電路判斷路燈故障，通過語音提示模塊完成系統故障報警和提示，充分體現設計的靈活性和人性化。關鍵字：單片機 支路控制器 單元控制器 PWM 人性化1、引言: 由于單片機具有顯著的優點，它已成為科技領域的有力工具，人類生活的得力助手。它的應用遍及各個領域。單片機在智能儀表中的應用；單片機在機電一體化中的應用；單片機在實時控制中的應用；單片機在分布式多機系統中的應用；單片機在人類生活中的應用都已經是單片機發揮重要作用的領域。單片機已成為計算機發展和應用的一個重要方面。另一方面，單片機應用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統的控制系統設計思想和設計方法。從前必須由模擬電路或數字電路實現的大部分

3、功能，現在已能用單片機通過軟件方法來實現了。這種軟件代替硬件的控制技術也稱為微控制技術，是傳統控制技術的一次革命。目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發展趨勢將是進一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內裝化等幾個方面發展在單片機家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司將其MCS 51系列中的80C51內核使用權以專利互換或出售形式轉讓給全世界許多著名IC制造廠商，如Philips、 NEC、Atmel、AMD、華邦等，這些公司都在保持與80C51單片機兼容的基礎上改善了80C51的許多特性。這樣，80C51就變成有眾多制造廠商支持的、發展出上百品

4、種的大家族，現統稱為80C51系列。80C51單片機已成為單片機發展的主流。專家認為，雖然世界上的MCU品種繁多，功能各異，開發裝置也互不兼容，但是客觀發展表明，80C51可能最終形成事實上的標準MCU芯片。然而現實中，在許多大型企業和工廠中，貨車夜間運行照明往往采用夜間一直點亮的方式，這樣在消耗大量能源的同時也減少了照明器具的使用時間，為此設計一種能夠間斷性工作的路燈自動控制系統以配合廠區道路夜間車輛的照明工作，達到最大限度節約能源的作用，顯得尤為重要。再加上目前嵌入式系統已經滲透到我們生活中的每個角落，工業、服務業、消費電子所以本設計順應全社會提倡的節能大方向以及嵌入式系統的發展趨勢，將利

5、用單片機作為控制器來改善廠區的路燈控制系統，已達到系統節能人性化的目的。2、方案論證與比較根據題目的要求，需要設計單元控制器系統和支路控制器系統兩部分。其中支路控制器可劃分為MCU模塊、信號檢測模塊（位置和亮度）、遠程通信模塊、聲光報警模塊和時鐘顯示模塊五個部分。單元控制器分為MCU模塊、遠程通信模塊、恒流驅動電源模塊、顯示模塊和故障檢測模塊五個部分。其中亮度檢測模塊和恒流源模塊，題目中雖未要求，但為了讓系統充分節能，要求燈不僅能開關，還能根據周圍光的強度自動調節燈亮度。系統基本結構示意如下圖：圖1 廠區道路路燈控制模擬系統示意圖下面針對各部分的不同設計方案進行分析比較，確定各個部分的合適設計

6、方案。2.1、MCU模塊方案一：采用ATMEL公司的51系列單片機AT89C51ATMEL公司的51系列單片機AT89C51,該單片機只具有基本的51系列單片機內核，要完成題目要求需要構建較為復雜的外圍電路，其硬件資源無法滿足要求。方案二：采用Microchip公司PIC單片機PIC16F877A是一款基于EPROM的8位高性能微控制器。與其它價格相當的微控制器相比，它在執行速度和代碼壓縮方面都有很大的改進，但該芯片采用精簡系統，需要采用其特定指令，且性價比不夠高。方案三：采用飛利浦公司的51系列單片機P89V51RD2飛利浦公司的51系列單片機P89V51RD2，該單片機具有ISP（在系統編

7、程）和IAP（在應用中編程）功能，通過軟件或ISP選擇支持12時鐘（默認）或6時鐘模式，PCA（可編程計數器陣列），具有PWM和捕獲/比較功能，可編程看門狗定時器，易于兼容。基于上述分析，本設計中采用方案三。2.2、信號檢測模塊信號檢測模塊需要實現對物體位置和環境明暗變化的檢測，下面就兩種信號測量的設計方案進行論證。、物體位置檢測方案一：采用接近開關采用接近開關，當移動物體通過指定位置，接近開關動作，接近開關給CPU一個信號執行相應的程序做出相應反映。但是接近開關用在本系統中有兩個缺點：一、接近開關是接觸式的，使用壽命會受到限制；二、接近開關只能固定在某一點，所以系統做出來比較單一、死板。因此

8、，本方案雖能實現題目要求，但不宜采用。方案二：采用激光測距激光測距傳感器工作原理：激光傳感器工作時，先由激光二極管對準目標發射激光脈沖。經目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內部具有放大功能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號。記錄并處理從光脈沖發出到返回被接收所經歷的時間，即可測定目標距離。采用此方案雖能讓系統比較靈活，但是激光傳感器必須極其精確地測定傳輸時間，因為光速太快，因此本方案不選擇。方案三：采用超聲波測距超聲波傳感器原理：超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻 率高于

9、聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方面以超聲波作為檢測手段。系統采用超聲波實時測量物體距離，實現移動物體的任意位置測量。系統中A、B、C、D、E各點均可任意改變，系統具有很強的靈活性，通過物體的距離變化可實現燈光的線性化調節。基于以上分析，本設計中的物體位置檢測模塊采用方案三。、環境明暗

10、變化檢測方案一：采用光電三極管采用光電三極管加后級調理電路來實現光的明暗變化的檢測，但它只能實現數字量的變化，對光線的漸變反應變化效果不佳，只能實現光的明暗突變。方案二：采用光電傳感模塊光電傳感模塊能夠實現光線明暗變化的檢測，但其成本較高，不宜采用。方案三：采用光敏電阻采用光敏電阻來實現光的明暗變化的檢測，光敏電阻可以隨光線的漸變反應變化，雖然后級調理電路較為復雜但此方案可以實現燈光的線性變化。基于以上分析，本設計中的環境光檢測模塊部分采用方案三。2.3、遠程控制模塊方案一：采用RS232C串行通信RS232C串行通信是最常見的有線通信，其最大傳輸速率為20kbps，線纜最長為15米，但不適宜

11、遠距離信號傳輸。方案二：采用RS485串行通信RS485串行通信也是一種常用的有線通信方式，尤其在工控場合，其最大通信距離可達2.0KM，可以滿足本系統要求，但有線通信方式需要硬件線路連接，一旦路燈位置發生變化，對其更改較為繁瑣。RS485雖能實現系統功能，單不靈活，不宜采用。方案三：采用CAN-bus總線通信CAN-bus是一種多主方式的串行通訊總線，傳輸數據量大，速度快，但成本較高。方案四：采用無線通信無線通信可以接收發射合一，FSK 調制，抗干擾能力強，特別適合工業控制場合，頻率穩定性極好，靈敏度高，低工作電壓，功耗小，超小體積，可直接接CPU，硬件連接簡單，軟件編程非常方便。基于上述分

12、析，本設計中的遠程控制模塊采用方案四。2.4、聲光報警模塊方案一：采用內置信號音的警燈采用內置信號音的警燈作為報警裝置，但警燈的體積較大，功耗較大。一個小小的路燈故障沒有必要如此。方案二：采用普通的發光二極管和和揚聲器采用普通的發光二極管和揚聲器，利用簡單的電路進行工作，該方法簡單容易。 方案三：采用普通的發光二極管和語音播放模塊，報警聲音可自行錄制，實現人聲播報報警，使設計更充滿人性化。通過以上分析和對比，本設計選用方案三。2.5、顯示時鐘模塊方案一：采用數碼管顯示，單片機內部計算時間數碼管顯示時間，雖然直觀，但功耗較大，占用較多的系統資源。單片機內部計算時間，運算程序運算量大，時間精確度不

13、高。方案二：采用液晶顯示，單片機內部計算時間液晶顯示具有微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的特點，但單片機內部計算時間，運算程序運算量大，時間精確度不高，占用系統資源較多。方案三：采用液晶顯示，專門的時鐘芯片液晶具有微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的特點，其顯示時間，可以直觀的顯示年月日和星期等時間信息，且占用系統資源較少。 DS1302是專門的時鐘芯片，該芯片具有萬年歷功能，時間精確，低功耗等特點，該方案簡潔方便，容易實現。基于上述分析，本設計中采用方案三。 2.6、恒流驅動電源模塊方案一：采用市售的LED驅動恒流源該方案簡單，實際使用中能實現LED的恒流源驅動，但不能實現功率可調

14、的要求。方案二：采用三端可調直流穩壓集成芯片該方案通過調節滑動變阻器的阻值改變其輸出電壓來實現負載的恒流特性，但不能自動控制恒流驅動電源的輸出功率。方案三：采用自制LED驅動恒流源利用運算放大器組成電壓跟隨器、電流負反饋電路，結合單片機組合成恒流驅動電源，采用PWM信號直接控制恒流源的輸出功率，實現輸出功率的無級調節，該方案簡潔方便，容易實現。基于上述分析，本設計中采用方案三。2.7、故障檢測模塊方案一：光敏電阻加后級調理電路檢測光照光敏電阻加后級調理電路檢測LED燈的光照，電路簡單，但容易受到環境光的影響。方案二：電流檢測加后級調理電路通過電流互感器加后級調理電路檢測LED是否有電流通過，但

15、該方案不宜實現。方案三：電壓檢測該方案通過將LED的工作電流轉換為參考電壓，與基準電壓進行比較來判斷LED燈是否故障，具有簡潔方便，容易實現的特點。基于上述分析，本設計中采用方案三。3、系統總體結構與分析綜合以上分析及選用方案，確定本設計的總體結構框圖如圖2所示。圖2 系統總體結構圖4、方案的具體實現下面將設計中幾個關鍵環節的實現加以介紹：4.1、MCU模塊P89V51用于系統控制器，其主要特性如下： 80C51 核心處理單元； 5V 的工作電壓，操作頻率為040MHz； 16/32/64kB 的片內Flash 程序存儲器，具有ISP（在系統編程）和IAP（在應用中編程）功能； 通過軟件或 I

16、SP 選擇支持12 時鐘（默認）或6 時鐘模式； SPI（串行外圍接口）和增強型UART； PCA（可編程計數器陣列），具有PWM 和捕獲/比較功能； 4 個8 位I/O 口，含有3 個高電流P1 口（每個I/O 口的電流為16mA）； 3 個16 位定時器/計數器； 可編程看門狗定時器（WDT）； 8 個中斷源，4 個中斷優先級； 2 個DPTR 寄存器； 低 EMI 方式（ALE 禁能）； 兼容 TTL 和CMOS 邏輯電平； 掉電檢測； 低功耗模式 掉電模式，外部中斷喚醒； 空閑模式；單片機最小系統原理圖如圖3所示。包括了晶振、復位電路和電源電路圖3 單片機最小系統電路圖4.2、信號檢測

17、模塊、 超聲波測距單元電路設計本電路是基于超聲波發射原理，在1秒內發出數個超聲波，然后接收它的回波，由于聲波在空氣中的傳送速度較慢，利用發、收過程中產生的時間差，就可以計算出前方物體離電路的實際距離。本模塊可以實現0.1m到30m范圍內精度為1cm的精確距離檢測。根據題目要求，需要測試A、C和E三點的距離，因此在程序中加入了三段距離的檢測功能，這樣，在物體離電路的距離達到某數值時，電路會輸出控制信號提供給支路控制器。該單元電路共有三組六個輸出端子，每一組有2個狀態相反的輸出，每組輸出可驅動200mA，電路內部已接有續流二極管，可直接推動繼電器。超聲波控制信號電路如圖4所示。圖4超聲波控制信號輸

18、出電路圖由于超聲波測距模塊的輸出電平信號與單片機的輸入信號之間不匹配，所以采用光電隔離電路來實現信號的變換，電路如圖5所示。圖5 光電隔離電路圖環境光檢測電路設計環境光檢測電路圖如圖6所示。 圖6環境光檢測電路圖隨著光線的增強，光敏阻值越來越小，從而抬升A點的電壓，該電壓經過運算放大器進行放大，經過比較器與基準電壓比較后輸出，再通過穩壓管鉗位輸出高低電平信號。4.3、遠程通信模塊遠程通信模塊要實現支路控制器和單元控制器之間的通信：支路控制器向單元控制器發送開關燈的信號；單元控制器向支路控制器發送路燈故障信號及故障地址編號的報警信號，通信采用自定義通信協議，協議中添加了首尾碼和數據校驗部分，確保

19、通信安全可靠。遠程通信模塊采用PTR2000無線收發模塊實現雙機無線通信。此模塊具有超小型、超低功耗、高速、接收發射合一的突出特點。其特性如下： 接收發射合一； 工作頻率為國際通用的數傳頻段433MHz； FSK 調制，抗干擾能力強，特別適合工業控制場合； 采用DDS+PLL頻率合成技術，頻率穩定性極好； 靈敏度高，達到-105dBm； 最大發射功率+10dBm； 低工作電壓（2.7V），功耗小，待機狀態僅為8uA.； 具有兩個頻道，特別滿足需要多信道工作的特殊場合； 工作速率最高可達20Kbit/s（也可在較低速率下工作如9600bps）； 超小體積約40mmx27mmx5mm； 可直接接C

20、PU串口使用如8031，也可以接計算機RS232 接口，軟件編程非常方便； 由于采用了低發射功率、高接收靈敏度的設計，使用無需申請許可證； 標準DIP引腳間距，更適合嵌入式設備。其各個管腳功能定義如下：Pin1: VCC, 正電源，接2.75.25VPin2: CS, 頻道選擇，CS=0 選擇工作頻道1 即433.92MHz, CS=1 選擇工作頻道2 即434.33MHzPin3: DO, 數據輸出Pin4: DI, 數據輸入Pin5: GND 電源地Pin6: PWR, 節能控制， PWR=1 正常工作狀態， PWR=0 待機微功耗狀態Pin7: TXEN, 發射接收控制，TXEN=1 時

21、模塊為發射狀態，TXEN=0 時模塊為接收狀態由于采用無線通信，收發不能同步，因此利用軟件編寫一個簡單的通信協議：信號發送時，在有效數據前加兩個字節的標志位，在接收一方的軟件中，檢測到該標志位后開始正式接收數據，接收到尾碼后進行數據校驗，檢驗通過則本次數據有效。無線通信模塊與單片機接口如圖7所示。圖7 無線通信模塊與單片機接口圖4.4、聲光報警模塊在聲光報警模塊中我們采用了普通的發光二極管和語音播放模塊，可以實現人聲播報報警。單元控制器通過檢測路燈電流，從而判斷路燈故障，若有路燈故障則單元控制器發送信號給支路控制器，由支路控制器通過單片機的P1.5P1.7引腳控制驅動發光二極管實現發光提示并發

22、出相應的人聲播報：如1號路燈損壞則有“路燈故障”語音播報的同時指示燈點亮，顯示模塊顯示當前故障地址編號。語音模塊接口電路如圖8所示，光報警電路如圖9所示。圖8 語音模塊接口電路圖圖9 光報警電路圖4.5、顯示時鐘模塊時鐘模塊中我們采用了DS1302芯片，實時鐘模塊電路功耗低并能對年、月、日、周、日、時、分、秒進行計時，它的突出特點是采用串口數據通信，占用系統資源較少。時鐘模塊電路圖如圖10所示。、圖10 時鐘模塊電路圖液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的諸多優點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統中得到越來越廣泛的應用。 這里使用的字符型液晶模塊是一種用5x7點陣圖形來顯

23、示字符的液晶顯示器，根據顯示的容量可以分為1行16個字、2行16個字、2行20個字等等，本設計采用常用的2行16個字的1602液晶模塊。 1602液晶顯示模塊與單片機連接如圖11所示。圖11 液晶顯示模塊連接電路圖4.6、恒流驅動電源模塊恒流驅動電源模塊原理圖如圖12所示：圖12 恒流驅動電源電路圖工作原理：恒流源電路采用兩級運放，第一級運放組成一個電壓跟隨器，提高整個電源的輸入阻抗，C1、C2組成型濾波，驅除干擾信號。第二級電路組成電流負反饋。第一級運放的輸出電壓：UO1=UP1.3第二級運放引入電流負反饋，所以同相端和反相端輸入電流為0，因此同相端U+由R3、R4兩個電阻對UO1分壓得到：U+=UO1U2同相端電壓U+等于反相端電壓U-，因此Uo= U-= U+= UO1= UP1.3R5的電流I5=，由于U2反相端輸入電流為0，所以TIP122發射極電流 Ie= I5，又由于IcIe，所以恒流源電路的輸出電流為：I=Ic Ie = UP1.3由此可見，電源的輸出電流與UP1.3成正比，當UP1.3保持恒定時，即可保證該電源的輸出電流是恒定的。同時，UP1.3可以通過單片機的PWM輸出進行調節，從而實現輸出電流的可控。P89V51RD2的PWM模式原理如圖13圖13 PWM模式由于所有模塊共用僅有的PCA 定時器，所有它們的輸出頻率相同。各個模塊