【導(dǎo)讀】穩(wěn)壓控制、軟起動功能、自動起停、智能調(diào)光控制于—體的路燈控制裝置。的占空比，從而達(dá)到改變LED路燈亮度的效果，以實現(xiàn)路燈的自適應(yīng)功能。本文對自適應(yīng)LED路燈控制系統(tǒng)的研制進(jìn)行了深入分析和研究。用了時間控制，環(huán)境參數(shù)控制以及手動控制相結(jié)合的控制策略。單片機(jī)無PWM輸出功能，所以采用定時器配合軟件的方法共同實現(xiàn)。文的研究，設(shè)計完成了具有實用性的自適應(yīng)LED路燈控制器。

　　

【正文】 展，采用微處理器設(shè)計的軟起動控制器也大量出現(xiàn)。路燈控制器方案的選擇，主要是對 PLC 方案和微處理器方案進(jìn)行選擇。 方 案 — :采用上位、下位機(jī) (PCPLC)的控制系統(tǒng)。 方案二 :選用 TI 公司 DSP 控制器或者使用 ARM 嵌入式系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)。 方案三 :微控制器選用 ATMEL 公司的 AT80C51 單片機(jī)的控制系統(tǒng)。 PLC 抗干擾性能好，可靠性高 (平均無故障時間 35 萬小時 )，編程簡單，通用性強(qiáng)，適用于需要大量開關(guān)控制的場合。但如果使用 PLC 進(jìn)行復(fù)雜程序編寫，其程序的編寫難度、可讀性和可維護(hù)性都不盡人意，并且 PLC 在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)運(yùn)算方面存在不少困難。同時 PLC 價格高昂，對于低端產(chǎn)品降低成本造成了較大困難。 采用 DSP 控制器或者 ARM 嵌入式系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的最大優(yōu)勢是功能強(qiáng)大，能耗小，響應(yīng)時間快，但外接硬件電路較多，體積將會增加，在系統(tǒng)安裝上有些不便，相比之下成本要有所增加，其價格是單片機(jī)的五倍?？紤]到如果要使用大規(guī)模的在路燈上使用，成本會迅速增加。 AT80C51 是 4K 字節(jié)的掩膜 ROM 高性能微處理器，其外圍接口電路簡單，具有很高的性價比，成本低因而是 — 種功能強(qiáng)大的微控制器，它對很多嵌入式控制應(yīng)用提供了 — 個高度靈活有效的解決方案 [14]。 綜合以上比較，方案 — 和方案二在數(shù)據(jù)實時控制和大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理方面有很大的優(yōu)勢，但是設(shè)計復(fù)雜，成本 比較高等缺點(diǎn)。但是方案三設(shè)計簡單，體積很小，在成本節(jié)約方面有很大的優(yōu)勢。所以，本論文選擇的是方案三作為本系統(tǒng)的研究設(shè)計方案。 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件主要是由聲音傳感器、光敏傳感器、運(yùn)算放大器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)等組成 [15]。 光信號通過光電傳感器，轉(zhuǎn)變成電信號，電信號經(jīng)過放大后，送給開頭電路，作為路燈的的開關(guān)。聲音信號通過聲音傳感器變成電壓信號，電壓信號再經(jīng)過放大器送給 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器， A/D 轉(zhuǎn)換器就可以把前面送來的電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率脈沖信號，根據(jù)聲音大小的不同，就可以得到不同的頻率脈沖數(shù)據(jù)，從而也就可以判 別聲音的大小。將轉(zhuǎn)變成頻率信號的聲音數(shù)據(jù)送到單片機(jī)，單片機(jī)通過 — 系列的計算，就可以得到控制信號，然后將數(shù)據(jù)輸出到 LED 顯示以及送到 LED 路燈，即被控對象。其系統(tǒng)硬件電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖 32 所示： xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 聲 音 傳 感 器 信 號 放 大 器 A / D 轉(zhuǎn) 換光 電 傳 感 信 號 放 大 器L E D 數(shù) 碼 顯示 單 元單 片 機(jī)控 制 對 象路 燈聲 音 信 號光 照 信 號恒 流 驅(qū) 動 /電 源 圖 32 系統(tǒng)硬件原理框圖 自適應(yīng)控制系統(tǒng)硬件主要由聲學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、信號放大器、微處理器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等組成。硬件系統(tǒng)的工作原理為 :光信號通過光電傳感器轉(zhuǎn)變成模擬信號，經(jīng)放大器放大后輸入至 A/D 轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉。聲音信號通過聲音傳感器轉(zhuǎn)變成電信號，通過實時處理聲、光信息，動態(tài)調(diào)節(jié)燈光強(qiáng)弱度 ，實現(xiàn)節(jié)能控制。現(xiàn)場控制設(shè)備功能的實現(xiàn)是軟硬件的結(jié)合。為了實現(xiàn)上述功能，照明區(qū)域控制器在硬件上應(yīng)該具備以下電路模塊，主要包括聲光信號采集模塊、微處理器及其外圍電路、人機(jī)交互接口等。 聲光信號采集 聲音信號采集 本系統(tǒng)選用傳聲器作為路面聲音信號的采集裝置。傳聲器 (microphone)俗稱話筒，是將聲源通過空氣振動產(chǎn)生的聲波轉(zhuǎn)換成電信號的換能設(shè)備，是一種重要的電聲器件。傳聲器作為音頻系統(tǒng)的第一環(huán)節(jié)，應(yīng)具備結(jié)構(gòu)堅固、性能穩(wěn)定的品質(zhì)。 這里選用的傳聲器為駐極體傳聲器為聲音信號的采集裝置。 聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵 元件 是駐極體 的 振動膜。它是一片極薄的塑料膜片，在其中一面蒸發(fā)上一層純金薄膜。然后再經(jīng)過高壓電場駐極后，兩面分別駐有異性電荷。膜片的蒸金面向外，與金屬外殼相連通。膜片的另一面與金屬極板之間用薄的絕緣襯圈隔離開。這樣，蒸金膜與金屬極板之間就形成一個電容。 駐極體傳聲器 BM 接收到聲波信號時，傳聲器內(nèi)的電容膜片就會隨聲波而振動，膜片兩端的靜電場也隨著變動，這就把聲音轉(zhuǎn)換成了電信號。 圖 34 為由駐 極體 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 構(gòu)成的聲音傳感器。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS iz eBD a t e : 26 J u n 20 0 9 S h e e t of F il e : E : \工程文件 \ P r ot e l 9 9 S E \ M y D e si gn 1 .d d b D r a w n B y:U 13T L P 52 1R 35R 40+ 24 VV C CD0I N 1BMRR RV C Cou t 圖 34 聲音傳感器器 光照信號采集 光照信號采集其實就是利用了一個光電式傳感器。所謂光電式傳感器是能將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種器件，簡稱光電器件。它的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，而光電效應(yīng)是指物體內(nèi)部的導(dǎo)電電子因吸收輻射而發(fā)生運(yùn)動狀態(tài)的改變，從而導(dǎo)致電學(xué)特性改變的現(xiàn)象。它在現(xiàn)代測量與控制系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛。 光電傳感器一般由光源、光電轉(zhuǎn)換電路和光電元件 3 部分組成。其基本原理是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS iz eBD a t e : 26 J u n 20 0 9 S h e e t of F il e : E : \工程文件 \ P r ot e l 9 9 S E \ M y D e si gn 1 .d d b D r a w n B y:RRG N DV ou t+ 5V 圖 35 光敏 傳感器 如圖 35 為光敏傳感器，主要是用于光信號轉(zhuǎn)換電信號再送入單片機(jī)處理 ,由一個光敏二極管、一個 NPN 三極管和兩個電阻構(gòu)成。其工作過程為：有光照 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 在光敏二極管上時，光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，電信號再?jīng)三極管放大后，輸出到 A/D 轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再輸入 80C51 單片機(jī)，由 80C51 輸出控制信號決定 LED 路燈是否開啟。 控制器的設(shè)計以及基本外圍電路 自適應(yīng)路燈控制器采用單片機(jī)為核心控制器件，以單片機(jī)為控制核心，結(jié)合外圍電路設(shè)計實現(xiàn)形成完整的控制系統(tǒng)。 單片機(jī)控制器的設(shè)計 80C51 單片機(jī)最 小系統(tǒng)由單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路極其基本外圍電路等組成， 80C51 的最小系統(tǒng)電路設(shè)計如下圖 36 所示： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS iz eBD a t e : 25 J u n 20 0 9 S h e e t of F il e : E : \工程文件 \ P r ot e l 9 9 S E \ M y D e s i gn 1 .d d b D r a w n B y:E A / V PX1X2R E S E TRDWRI N T 0I N T 1T0T1P 10P 11P 12P 13P 14P 15P 16P 17P 00P 01P 02P 03P 04P 05P 06P 07P 20P 21P 22P 23P 24P 25P 26P 27P S E NA L E / PT X DR X DU180 C 5 1C1C2C3R2R112 M H ZV C CG N D+ 5VG N D 圖 36 80C51 單片機(jī)最小系統(tǒng) 80C51 的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時鐘方式；二是外部時鐘方式。這里選用的是內(nèi)部時鐘方式。在 80C51 單片機(jī)內(nèi)部有一震蕩電路，只要在單片機(jī)的 XTAL1 和 XTAL2 引腳外接石英晶體（簡稱晶振）就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。圖 36 中電容器 C C2 的作用是穩(wěn) xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 定頻率和快速起振，電容值為 5～ 30pF，典型值為 30pF。晶振 CYS 的振蕩頻率范圍為 ～ 12MHz，典型值為 12MHz和 6MHz。 當(dāng)在 80C51 的單片機(jī)的 RST 引腳引入高電平并保持兩個機(jī)器周期時，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作（若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)） 。 80C51 的復(fù)位操作有兩種基本形式：一種是上電復(fù)位，另一種是上電與按鍵均有效的復(fù)位。該電路采用的是上電與按鍵均有效的復(fù)位，復(fù)位電路的原理為：上電瞬間 RST 引腳獲得高電平，隨著電容 C3 的充電， RST 引腳的高電平將逐漸下降。 RST 引腳的高電平只要能保持足夠的時間（兩個機(jī)器周期），單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作。該 電路的典型參數(shù)為：晶振為 12MHz 時， C3 為10uF， R1 為 ， R2 為 ； 晶振為 6MHz 時， C3 為 22uF， R1 為1KΩ， R2 為 200Ω。 A/D 轉(zhuǎn)換電路 ADC0809 與單片機(jī) 80C51 的接口電路如圖 37 所示。由于 ADC0809 片內(nèi)無時鐘，故利用 80C51 提供的地址鎖存允許信號 ALE 經(jīng) D 觸發(fā)器二分頻后獲得。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS iz eBD a t e : 25 J u n 20 0 9 S h e e t of F il e : E : \工程文件 \ P r ot e l 9 9 S E \ M y D e s i gn 1 .d d b D r a w n B y:E A / V PX1X2R E S E TRDWRI N T 0I N T 1T0T1P 10P 11P 12P 13P 14P 15P 16P 17P 00P 01P 02P 03P 04P 05P 06P 07P 20P 21P 22P 23P 24P 25P 26P 27P S E NA L E / PT X DR X DU180 C 5 1I N 0m s b2 12 2I N 12 32 4I N 22 52 6I N 32 7l s b2 8I N 4E O CI N 5A D D AI N 6A D D BA D D CI N 7A L Er e f ( )E N A B L ES T A R Tr e f ( + )C L O C KU2A D C 08 09D0 Q0D1 Q1D2 Q2D3 Q3D4 Q4D5 Q5D6 Q6D7 Q7OELEU374 L S 37 3CK QD QAA74 L S 02A74 L S 02WRP 2. 7RDS T A R TA L EOEP 2. 7A L ES T A R TOEAE O CE O C 圖 37 A/D 轉(zhuǎn)換電路 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 ALE 引腳的頻率是單片機(jī)時鐘頻率的 1/6，如果單片機(jī)的時鐘頻率為12MHz，則 ALE 引腳的頻率為 2MHz。再經(jīng)二分頻后為 1MHz， ADC0809 能夠可 靠工作。 由于 ADC0809 具有輸出三態(tài)鎖存器，故其 8 位數(shù)據(jù)數(shù)出線可直接與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線相連。單片機(jī)的低 8 位地址信號在 ALE 作用下鎖存在 74LS373 中。74LS373 輸出的低 3 位信號分別加到 ADC0809 的通道選擇端 A、 B、 C，作為通道編碼。單片機(jī)的 作為片選信號，與 WR 進(jìn)行或非操作得到一個正脈沖加到 ADC0809 的 ALE 和 START 引腳上。由于 ALE 和 START 連接在一起，因此， ADC0809 在鎖存信道地址的同時也啟動轉(zhuǎn)換。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時，用單片機(jī)的讀信號 RD 和 引腳經(jīng)或非門后產(chǎn)生的正脈沖 作為 OE 信號，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。上述操作時， 應(yīng)為低電平。 ADC0809 的 EOC 端經(jīng)反相器連接到單片機(jī)的 （ INT1） 引腳，作為查詢或中斷信號。 ADC0809 所需參考電壓由 REF+和 REF接入， — 般地， REF+接 ADC0809的 5V 電壓端