【正文】 考慮系統(tǒng)設(shè)計的可行性，最后確定設(shè)計總體方案。 設(shè)計體會 從開始設(shè)計模擬路燈控制系統(tǒng)的時候，從網(wǎng)上搜集了很多資料，比如LCD160DS130ST17光敏電阻、LM324電壓比較器等器件的工作原理，通過學(xué)習(xí)以上的內(nèi)容，根據(jù)器件的原理，用C語言把上述器件的軟件設(shè)計出來，最后完成了課程要求的任務(wù)。按S4鍵第一次能選擇實時時間顯示，按S4鍵第二次能選擇環(huán)境模式，按S4鍵第三次能選擇交通顯示，按S4鍵第四次能選擇設(shè)定時間顯示，當(dāng)按下S5按鍵時，可以進(jìn)入相應(yīng)的模式，系統(tǒng)能根據(jù)周圍環(huán)境明暗自動點亮和熄滅路燈，當(dāng)路燈出現(xiàn)故障，路燈熄滅，能發(fā)出聲光報警，能根據(jù)交通環(huán)境自動點亮和熄滅路燈，能設(shè)定路燈點亮和熄滅的時間，能獨立控制兩個路燈的點亮和熄滅時間。按下S10奇數(shù)次路燈的狀態(tài)如圖49所示，按下S10偶數(shù)數(shù)次路燈的狀態(tài)如圖50所示，按下S11奇數(shù)次路燈的狀態(tài)如圖51所示，按下S11偶數(shù)數(shù)次路燈的狀態(tài)如圖52所示。LED1時間設(shè)定如圖44所示，LED2時間設(shè)定如圖45所示，02時02分路燈的狀態(tài)如圖46所示，02時03分路燈的狀態(tài)如圖47所示，02時04分路燈的狀態(tài)如圖48所示。圖37 光敏電阻沒有光照時的電路狀態(tài)與路燈狀態(tài)圖38 聲光報警電路的狀態(tài)圖39 LCD1602顯示報警的狀態(tài) 交通環(huán)境仿真結(jié)果 當(dāng)有物體經(jīng)過ST178（開關(guān)閉合），對應(yīng)的路燈會點亮，下面演示從左至右，Traffic模式顯示如圖40所示，到達(dá)S點的路燈狀態(tài)如圖41所示，到達(dá)B點的路燈狀態(tài)如圖42所示，到達(dá)S’點的路燈狀態(tài)如圖43所示。當(dāng)光敏電阻LDR3檢測到天黑時，路燈就會點亮，LCD0602會顯示“LED1 OK”“ LED2 OK”，“Environment”模式顯示如圖33所示，光敏電阻電路圖如圖34所示，路燈顯示情況如圖35所示，路燈正常LCD的顯示如圖36所示?！癛ealtime”模式顯示如圖31所示，實時時間顯示如圖32所示。圖29 進(jìn)入系統(tǒng)提示 選擇菜單顯示結(jié)果正常進(jìn)入系統(tǒng)后，液晶會顯示“Select Menu”仿真的結(jié)果如圖30所示。 系統(tǒng)運行結(jié)果 進(jìn)入系統(tǒng)提示在Proteus中點擊開始運行，系統(tǒng)首先會在LCD1602上顯示進(jìn)入系統(tǒng)的提示“Entering System Please Waiting”。LED2的設(shè)置操作相同,在菜單選擇中，按下S10，S11可以分別亮滅LED1，LED2。 圖27 交通檢測模塊程序設(shè)計流程圖 圖28 聲光報警模塊程序設(shè)計的流程圖 5 系統(tǒng)調(diào)試運行及結(jié)果分析 系統(tǒng)使用說明文章設(shè)計的模擬路燈控制系統(tǒng)是通過Proteus仿真得到的結(jié)果，首先把各個硬件模塊按照設(shè)計的思路連接在一起，組成一個完整的系統(tǒng)，通過Proteus仿真軟件把在Keil uVision4中編譯好的程序下載到設(shè)計的系統(tǒng)中。驅(qū)動蜂鳴器響，使LED燈亮。交通檢測模塊程序設(shè)計流程圖如圖27所示。環(huán)境檢測模塊程序設(shè)計的流程圖如圖26所示。時間設(shè)定程序模塊設(shè)計的流程圖下如圖25所示圖25 時間設(shè)定程序模塊設(shè)計的流程圖 環(huán)境檢測模塊程序設(shè)計模擬路燈控制系統(tǒng)要求根據(jù)環(huán)境明暗自動亮滅路燈，所以要設(shè)計相應(yīng)的程序。DS1302時鐘程序設(shè)計的流程圖如圖24所示。 圖23 液晶顯示程序流程圖 DS1302時鐘模塊程序設(shè)計模擬路燈控制系統(tǒng)要求顯示實時時間，采用DS1302來對時間計時，現(xiàn)在介紹DS1302的程序編寫思路。接著清屏，清除屏上的內(nèi)容，寫入顯示字符的地址命令，寫入顯示的數(shù)據(jù)，最后在顯示器上顯示數(shù)據(jù)。圖21 鍵盤掃描程序流程圖圖22 系統(tǒng)監(jiān)控程序流程圖 液晶顯示模塊程序設(shè)計系統(tǒng)需要顯示實時時間和報警信息，系統(tǒng)用LCD1602液晶顯示器顯示，LCD1602可以分為并行數(shù)據(jù)傳輸和串行數(shù)據(jù)傳輸顯示，系統(tǒng)采用的是并行接口傳輸數(shù)據(jù)。 獨立鍵盤模塊程序設(shè)計模擬路燈控制系統(tǒng)采用獨立式鍵盤，采用查詢法進(jìn)行按鍵掃描。 系統(tǒng)監(jiān)控模塊程序設(shè)計模擬路燈控制系統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)控程序又叫主函數(shù)程序，在主程序中，需要對LCD1602初始化，DS1302初始化，然后顯示提示字符，接下來進(jìn)入死循環(huán)，在循環(huán)體內(nèi)，等待按鍵掃描，當(dāng)按下某個功能鍵，就會去執(zhí)行相應(yīng)的功能鍵子程序。 系統(tǒng)軟件的程序設(shè)計模擬路燈控制系統(tǒng)的程序設(shè)計是分模塊設(shè)計的，根據(jù)設(shè)計的電路圖，設(shè)計相應(yīng)的程序模塊，在調(diào)試程序的時候，能容易的查找到對應(yīng)的程序，對程序修改。路燈電路如圖20所示。聲光報警電路如圖19所示。電路中的三極管相當(dāng)一個開關(guān)，當(dāng)P07為高電平時，三極管為截止?fàn)顟B(tài)，LS1為低電平，蜂鳴器不響，當(dāng)P07為低電平時，三極管為導(dǎo)通狀態(tài)，LS1為高電平，蜂鳴器響，發(fā)光二極管LED4的原理與蜂鳴器相同。圖18 故障檢測檢測電路 聲光報警電路當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時，路燈正常情況應(yīng)該為亮燈狀態(tài)，卻變成熄滅狀態(tài)，此時應(yīng)該發(fā)出聲光報警。故障檢測電路的原理與環(huán)境明暗檢測電路一致，路燈正常情況的狀態(tài)是點亮的，出現(xiàn)異常就會發(fā)出通知單片機，發(fā)出報警信號。環(huán)境明暗檢測電路如圖17所示。當(dāng)有光照強度時，光敏電阻的阻值為5M，沒有光照時，電阻約為50K，反相端的電壓為4V。交通環(huán)境檢測電路如圖16所示 環(huán)境明暗檢測電路模擬路燈控制系統(tǒng)要求能過根據(jù)環(huán)境的明暗情況自動亮滅路燈，所以要設(shè)計檢測環(huán)境明暗的電路。圖15 DS1302時鐘電路 交通環(huán)境檢測電路模擬路燈控制系統(tǒng)需要根據(jù)交通環(huán)境自動的亮滅路燈，所以設(shè)計相應(yīng)的電路。文章設(shè)計的DS1302時鐘電路，需要DS1302芯片在其X，芯片的I/，在接上電源，單片機正確對DS1302的時序描述，就能讀取DS1302的實時時間。液晶電路如圖15所示。圖14 獨立式鍵盤電路 LCD1602液晶顯示電路模擬路燈控制系統(tǒng)需要顯示實時時間和故障編號，就需要顯示電路。在通過10ms時間的消抖，按鍵還沒有松開，就認(rèn)為那個按鍵確實被按下，然后根據(jù)按下鍵的功能做出相應(yīng)的執(zhí)行動作。獨立鍵盤是模擬路燈控制系統(tǒng)的輸入設(shè)備，能對系統(tǒng)的功能進(jìn)行操作和設(shè)置，總共需要8個獨立式鍵盤完成所有的操作。下載電路如圖13所示。文章設(shè)計的下載電路是ISP下載電路，單片機的P15引腳(MOSI),P16引腳(MISO),P17引腳(SCK),RST引腳與ISP下載線插座相連，再接上電源。圖12 復(fù)位電路 （5）下載電路部分：設(shè)計好系統(tǒng)電路后，需要在編程軟件中編寫好各個模塊的程序，然后經(jīng)過編譯、鏈接產(chǎn)生可執(zhí)行文件，然后在將可執(zhí)行文件燒錄到單片機中。當(dāng)系統(tǒng)上電時，電容處于充電狀態(tài)，電壓幾乎為0V，那么RST引腳為+5V，為高電平，系統(tǒng)就會復(fù)位，當(dāng)電容充滿電后，RST就會為低電平，系統(tǒng)停止復(fù)位。當(dāng)人為按下按鈕時，則200歐姆的電阻與1000歐姆電阻分壓，高電平接入到單片機的RST引腳[19]。C51單片機的復(fù)位電平為高電平，按鍵復(fù)位需要手動在復(fù)位輸入端RST上輸入高電平。一個良好的復(fù)位電路可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，單片機上電后就會自動復(fù)位，復(fù)位系統(tǒng)的設(shè)置和初始化所有參數(shù)[18]。晶振電路如圖11所示。通常單片機系統(tǒng)共用同一個晶振，可以保證單片機系統(tǒng)各個模塊同步。電源電路如圖10所示。首先，通過電源變壓器（12V輸出 20w ）將交流電壓220V降壓成12V左右交流電壓，然后通過整流橋（2W10 2A/1000V）整流變成波動的直流電壓，因為波動的直流電流還存在很大的文波，所以需要用濾波電路除去它，文章使用電容濾波（）消除波動的直流成分，可以得到比較平整的直流電壓，但是平整的直流電壓還會隨著電網(wǎng)電壓的波動、負(fù)載和溫度的變化而波動[16]。(1) AT89S52控制芯片電路部分：AT89S52控制芯片電路如圖9所示。單獨一個單片機芯片是不能完成控制任務(wù)的，需要電源電路給芯片供電，除此之外，還需要晶振電路給單片機提供時鐘源，單片機才能工作，當(dāng)單片機芯片死機的時候，需要復(fù)位電路復(fù)位單片機。LM324的實物圖如圖7所示，LM324的電路圖形符號如圖8所示。LM324的工作電壓為3V到32伏，靜態(tài)電流為普通運放的靜態(tài)電流的20%[14]。ST178的實物圖如圖6所示。它的特點有三個，采用靈敏度高的光電晶體管和發(fā)射功率高的紅外光電二極管組成，檢測距離為410mm ，采用非接觸檢測方式[13]。光敏電阻的實物圖如圖5所示。光敏電阻與200K歐姆電阻串聯(lián)分壓接入LM324，當(dāng)光線變?nèi)鯐r，光敏電阻變小，使得LM324的輸出為低電平，單片機可以讀取低電平，執(zhí)行相應(yīng)的操作，整個原理就是光敏電阻將光信號轉(zhuǎn)化成了電信號，從而得到環(huán)境的變化情況。所以文章采用GL3547光敏電阻檢測環(huán)境明暗情況。 LCD1602實物圖如圖4所示。 第15腳：背光源正極。 第6腳：E端是使能端，當(dāng)E為下降沿的時，LCD才能讀取單片機發(fā)送過來 的數(shù)據(jù)和命令。 第4腳：RS是功能選擇口，被置高電平，代表傳輸數(shù)據(jù)，被置低電平，傳 輸控制命令字。 第2腳：VDD接5V電源正級。 LCD1602基本技術(shù)參數(shù)為： 顯示容量:2行，每行16個字符 芯片正常工作電壓:～ 工作電流:2毫安 液晶顯示最佳時工作電壓:5伏特 LCD1602液晶顯示屏各個引腳解釋如表1所示:表1 LCD1602液晶顯示屏各個引腳解釋編號符號引腳解釋編號符號引腳解釋1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極 下面介紹各個引腳的功能。1602代表16X2,也就是可以顯示32個字符，每行顯示16個字符，總共兩行[11]。 圖4 DS1302的引腳功能圖 LCD1602液晶顯示屏LCD1602液晶顯示屏具有良好的顯示字符功能，所以文章選用它來作為顯示時間、提示等信息，相比數(shù)碼管顯示器，它更容易控制，更加穩(wěn)定。在數(shù)據(jù)傳送過程中，一旦RST突變?yōu)榈碗娖?，整個數(shù)據(jù)傳送將被停止，除此之外，當(dāng)且僅當(dāng)SCLK是低電平的時候，RST才能變成高電平，I/O引腳為傳送數(shù)據(jù)口，雙向傳輸數(shù)據(jù)(雙向)，SCLK引腳作為芯片的同步時鐘輸入口，通過這個引腳，DS1302能與其他芯片進(jìn)行同步通信，只有當(dāng)SCLK是上升沿的時候，I/O口才能接受的到外部傳送過來的數(shù)據(jù)[10]。1腳和2腳是時鐘源接口，在內(nèi)部電路作用下進(jìn)行32768分頻，可以產(chǎn)出精確的1秒時基。DS1302內(nèi)部有31字節(jié)數(shù)據(jù)寄存器，可以臨時存放接收的數(shù)據(jù)。圖3 AT89S52芯片的管腳分布圖 DS1302芯片由于Ds1302具有高性能、低功耗、穩(wěn)定的實時時間計時能力等特點，所以文章選用DS1302產(chǎn)生系統(tǒng)所需的實時時鐘。另外，AT89S52兼容匯編和C語言編程，C語言程序具有高度移植性，使得開發(fā)工作更簡便。AT89S52是一款高度集成、低功耗、控制能力非常強的8位控制芯片，是由Atmel公司生產(chǎn)，使用可編程的Flash存儲器，容量高達(dá)8KB,擁有256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器，與80C51單片機完全兼容。 圖1 基于FPGA芯片設(shè)計的系統(tǒng)框圖圖2 基于單片機設(shè)計的系統(tǒng)框圖 根據(jù)上述兩個方案的介紹，各有優(yōu)點，但是考慮到設(shè)計系統(tǒng)的成本和適用性，單片機有著天然的優(yōu)勢，單片機價格便宜，功耗低，易于控制，可靠性高，開發(fā)更加容易，而FPGA價格昂貴，不適合模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計，所以選用方案二。所以硬件電路設(shè)計包括AT89S52主控芯片、電源電路、晶振電路、復(fù)位電路、下載電路、獨立按鍵電路、路燈電路、顯示電路、時鐘電路、交通監(jiān)測電路、明暗環(huán)境監(jiān)測電路、聲光報警電路、故障監(jiān)測電路等。 方案二：單片機技術(shù)使用的范圍非常廣，已經(jīng)應(yīng)用與很多領(lǐng)域，單片機最突出的特點就是控制能力非常強悍，芯片響應(yīng)速度快，同時也是高度集成的一種芯片，集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器、串口、定時器、中斷、看門狗等外設(shè)，使得設(shè)計系統(tǒng)很方便，能達(dá)到很好的效果?；贔PGA的模擬路燈控制系統(tǒng)需要設(shè)計一些外圍的電路，其中包括環(huán)境檢測電路、故障檢測電路、交通檢測電路、聲光報警電路、按鍵電路、顯示電路和路燈電路等。 設(shè)計方案 設(shè)計模擬路燈控制系統(tǒng)有很多種方法，可以用高度集成的FPGA控制芯片來設(shè)計，也可以采用單片機技術(shù)實現(xiàn)模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計，兩者都有各自的優(yōu)勢和特點，首先來介紹基于FPGA控制芯片設(shè)計的系統(tǒng)方案。硬件系統(tǒng)包括主控模塊電路、電源電路、晶振電路、復(fù)位電路、下載電路、獨立按鍵電路、路燈電路、液晶顯示電路、DS1302時鐘電路、交通監(jiān)測電路、明暗環(huán)境監(jiān)測電路、聲光報警電路、故障監(jiān)測電路等；軟件系統(tǒng)是針對設(shè)計的各個模塊編寫相應(yīng)的模塊程序。在Proteus中仿真，當(dāng)所有的功能都能實現(xiàn)時，然后就可以設(shè)計硬件原理圖，可以根據(jù)硬件原理圖做出實物，再通過反復(fù)的調(diào)試