路燈的方案報(bào)告范文
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1. 方案比較與論證
1.1基本系統(tǒng)方案
根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可以劃分為支路控制部分和單元控制部分。其中支路控制部分包括：檢測(cè)光源自動(dòng)調(diào)節(jié)、變換點(diǎn)判斷模塊、故障報(bào)警顯示、時(shí)鐘顯示。單元控制部分包括：路燈狀態(tài)模型和單元控制器模塊。共個(gè)六個(gè)基本模塊，模塊框圖如圖1.1.1所示。為實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別作了幾種不同的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了論證。
1.2各模塊方案選擇和論證
1.2.1控制支路模塊
根據(jù)題目要求，控制支路主要用于各個(gè)模塊的信號(hào)接收和辨認(rèn)處理、控制路燈的開(kāi)關(guān)、故障聲光報(bào)警以及顯示地址等。對(duì)于控制支路的選擇有以下兩種方案。
方案一：采用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)列陣）作為系統(tǒng)的控制支路核心。FPGA可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用EDA軟件仿真，調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。FPGA采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。由模塊輸出的信號(hào)并行輸入FPGA，F(xiàn)PGA通過(guò)程序設(shè)計(jì)控制路燈狀態(tài)，但由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求不高，F(xiàn)PGA的高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線(xiàn)復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。
方案二：采用宏晶科技公司(STC)的STC89C52RC作為系統(tǒng)控制器的方案。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。基于以上分析擬定方案二，模擬路燈單片機(jī)控制的方框圖如圖1.1.1所示。在本設(shè)計(jì)中，我們采用了單片機(jī)分別對(duì)7個(gè)單元模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，提高了系統(tǒng)的工作效率，同時(shí)CPU分階段地對(duì)路燈狀態(tài)控制，減少了外圍設(shè)備。由STC89C52RC控制路燈的自動(dòng)開(kāi)關(guān)、檢測(cè)光源明暗和路況檢測(cè)模塊等功能，同時(shí)監(jiān)測(cè)路燈的故障，實(shí)現(xiàn)故障聲光報(bào)警并顯示等功能。 1.2.2檢測(cè)光源模塊
檢測(cè)光源模塊是用來(lái)判斷光線(xiàn)明暗變化。為了確保路燈在工作過(guò)程中光線(xiàn)明暗變化，自動(dòng)開(kāi)燈和關(guān)燈，系統(tǒng)需要利用感光元件來(lái)檢測(cè)出光線(xiàn)明暗，充分節(jié)能。對(duì)于感光元件的選擇有以下幾種方案。
方案一：采用線(xiàn)性光敏傳感器。其對(duì)光線(xiàn)的強(qiáng)弱呈線(xiàn)性變化、靈敏度高、高可靠性、高穩(wěn)定性，其價(jià)格相對(duì)較貴。
方案二：采用光敏電阻。靈敏度較低，價(jià)格低。在本設(shè)計(jì)中，選用方案二，通過(guò)相應(yīng)電路設(shè)計(jì)計(jì)算，能夠完成環(huán)境明暗變化判斷要求。
1.2.3變換點(diǎn)判斷模塊
方案一：利用光電傳感器，路邊裝上光電傳感器，有物體經(jīng)過(guò)時(shí)，光線(xiàn)反
射接收，此方案普通傳感器感應(yīng)距離有限。若采用工業(yè)光電傳感器，成本又太高。
方案二：利用紅外線(xiàn)對(duì)射管，在邊裝上紅外線(xiàn)傳感器，有物體從中間經(jīng)過(guò)時(shí)，就有信號(hào)產(chǎn)生，見(jiàn)圖1.1.2所示。其感應(yīng)強(qiáng)度高、信號(hào)強(qiáng)，感應(yīng)范圍大，容易處理，成本低。
1.2.4故障報(bào)警顯示模塊
故障報(bào)警顯示模塊實(shí)現(xiàn)路燈的故障檢測(cè)，路燈工作中有故障可以馬上解決。當(dāng)某燈有故障時(shí)，蜂鳴器鳴響，發(fā)光二極管閃爍，信號(hào)輸入單片機(jī)處理并顯示出故障地址。
使用RCO引腳控制輸出聲光報(bào)警信號(hào)。LS1是蜂鳴器、D1是發(fā)光管、Q1是PNP的三極管、U5是電壓比較器。當(dāng)2腳輸出低電平時(shí)，7腳輸出低電平，Q1導(dǎo)通，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào);當(dāng)2輸出高電平時(shí)，U5輸出高電平，但是比較器輸出高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)能力不夠(需要接上拉電阻R4 )，Q1截止，不發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。
1.2.5顯示模塊
在路燈工作過(guò)程中，系統(tǒng)需要對(duì)開(kāi)關(guān)燈的時(shí)間和故障地址作必要的顯示。我們考慮有以下兩種顯示方案。
方案一：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有：低能耗、低損耗、低壓、壽命長(zhǎng)、耐老化、防曬、防潮、防火、防高（低）溫，對(duì)外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)，同時(shí)其精度比較高，稱(chēng)量快，精確可靠，操作簡(jiǎn)單。數(shù)碼管是采用BCD編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。
方案二：使用液晶顯示屏開(kāi)顯示關(guān)燈的時(shí)間和故障地址。液晶顯示屏（LCD）具有輕薄短小、低耗電量、無(wú)輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢(shì)可視面積大，畫(huà)面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
根據(jù)以上的敘述，考慮到路燈較多時(shí)起地址編號(hào)較大，故采用方案二的液晶顯示。
1.2.6路燈狀態(tài)模型
本題要求在路燈工作時(shí)物體M到S點(diǎn)時(shí)燈1點(diǎn)亮，M到B點(diǎn)時(shí)燈1滅，燈2亮,見(jiàn)圖1.1.4。本設(shè)計(jì)采用木板做模擬路面，塑料水管做燈桿。
1.2.7單元電路控制器
本題要求中，自制恒流源驅(qū)動(dòng)，20%～100%范圍內(nèi)設(shè)定并調(diào)節(jié)。方案如下： 方案一：程控恒流源電路是由單片機(jī)片內(nèi)定時(shí)器輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)控制,并用該電壓控制恒流源產(chǎn)生可控電流.通過(guò)單片機(jī)的鍵盤(pán)接口對(duì)輸出電流進(jìn)行設(shè)定,實(shí)現(xiàn)輸出電流的連續(xù)調(diào)節(jié)及電流的動(dòng)態(tài)測(cè)量.普通單片機(jī)控制困難、外圍電路復(fù)雜、成本高。
方案二：利用兩個(gè)三極管相對(duì)穩(wěn)定的be電壓作為基準(zhǔn)，電流數(shù)值為：I = Vbe/R，電流的數(shù)值可以自由控制。為了能夠精確輸出電流，通常使用一個(gè)運(yùn)放作為反饋電流計(jì)算公式為：I = Vin/R。Vin的數(shù)值可由單片機(jī)DA自由控制，沒(méi)有使用特殊的元件，有利于降低產(chǎn)品的成本。
1.3 系統(tǒng)各模塊的最終方案
經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下： 1、支路控制部分的單元電路設(shè)計(jì) （1） 檢測(cè)光源：采用光敏電阻 （2） 變換點(diǎn)判斷模塊：采用紅外線(xiàn)對(duì)射傳感器 （3） 顯示模塊：采用液晶顯示 2、單元控制部分的單元電路設(shè)計(jì)
（1）控制電路設(shè)計(jì)：采用STC89C52RC單片機(jī)控制 （2）路燈狀態(tài)模型：自己用木板塑料管做模型 （3）A/D轉(zhuǎn)換模塊：采用DAC0832芯片
（3）單元電路控制器：采用三極管取樣可調(diào)節(jié)恒流源
2. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)硬件的基本組成部分
本題是一個(gè)自動(dòng)控制、情景模擬、電源制作為一體的綜合設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)中運(yùn)用了檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和電子技術(shù)。系統(tǒng)可分為傳感器檢測(cè)部分和自動(dòng)控制部分。
傳感器檢測(cè)部分：系統(tǒng)利用光敏電阻和紅外對(duì)射傳感器將檢測(cè)到的一系列的外部信息轉(zhuǎn)化為可被控制器件辨認(rèn)的電信號(hào)。
自動(dòng)控制部分：系統(tǒng)中控制器件根據(jù)由傳感器變換輸出的電信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，控制路燈狀態(tài)、液晶顯示、蜂鳴器以及發(fā)光二極管，完成了路燈情景模擬，充分節(jié)能。控制部分包括三個(gè)主要單元電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制電路、單元控制電路、液晶顯示電路。
2.2 主要單元電路的設(shè)計(jì)
2.2.1傳感器檢測(cè)部分的單元電路設(shè)計(jì)
（1）檢測(cè)光源電路的設(shè)計(jì)
題目要求路燈能根據(jù)光線(xiàn)度制動(dòng)開(kāi)關(guān)，必須要對(duì)光線(xiàn)度采集處理，控制器才
對(duì)路燈實(shí)施開(kāi)關(guān)。光線(xiàn)度采集電路圖2.2.1，RG為光敏電阻，比較器取樣輸入單片機(jī)。
圖2.2.1光線(xiàn)度采集電路
（2）紅外線(xiàn)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)
在物體到燈的照明范圍，此路燈亮燈。為了檢測(cè)物體并確定物體到燈的距離，路燈與路燈之間安裝上紅外線(xiàn)對(duì)射傳感器，如圖2.2.2所示，該傳感器發(fā)射管不斷發(fā)出紅外線(xiàn)，沒(méi)有物體時(shí)。接收管能接到紅外線(xiàn)，有物體穿過(guò)時(shí)，接收管接收不到信號(hào)，單片機(jī)處理，燈亮。
（3）液晶顯示路的設(shè)計(jì)
在本系統(tǒng)中采用液晶1602用來(lái)顯示時(shí)間、故障地址等信息。
圖2.2.2 紅外線(xiàn)檢測(cè)電路
圖2.2.3顯示電路
圖2.2.3中采用液晶顯示，由于STC89C52RC單片機(jī)每個(gè)I/O口的上拉電流只有1～2 mA，但在灌電流驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下能達(dá)到20mA左右，因而P0口要全接上拉電阻，上拉電阻一般取1K。
（4）傳感器采樣比較器電路設(shè)計(jì)
由于傳感器感知電壓變化小，通過(guò)比較器可應(yīng)得到穩(wěn)定的較大電壓。
基準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)R3和R19作用在運(yùn)放LM311的反相端，輸入信號(hào)輸入正向端,R3和R19經(jīng)驗(yàn)取值。LM311是單片集成專(zhuān)用電壓比較器 2.2.2 自動(dòng)控制部分的單元電路設(shè)計(jì) （1） 控制支路電路的設(shè)計(jì)
單片機(jī)接收從傳感器檢測(cè)電路輸入的信號(hào)，并將輸入的信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算，以控制電流或控制電壓的形式輸出給被控制的單元電路，完成各項(xiàng)任務(wù)要求。
單片機(jī)STC89C52RC外接顯示電路，檢測(cè)光源測(cè)量電路、紅外線(xiàn)檢測(cè)電路、單元電路控制器和聲光報(bào)警電路，其中測(cè)量電路和單元電路控制器是信號(hào)輸入，顯示電路和聲光報(bào)警電路是輸出。為了方便單片機(jī)引腳的使用，我們將單片機(jī)的所有引腳用接口引出。具體電路可看附錄電路圖所示。
通過(guò)對(duì)光源檢測(cè)、物體檢測(cè)產(chǎn)生的傳感信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，單片機(jī)STC89C52RC完成對(duì)控制路燈功能。 （2） 單元電路控制器
單元電路控制器采用獨(dú)創(chuàng)恒流源驅(qū)動(dòng)如圖2.2.5所示，用兩只同型三極管，利用三極管相對(duì)穩(wěn)定的be電壓作為基準(zhǔn)，
電流數(shù)值為： I = Vbe/R1。使用一個(gè)運(yùn)放作為反饋。 電流計(jì)算公式為： I = Vin/R13
這個(gè)電路可以認(rèn)為是我們所獨(dú)創(chuàng)的恒流源，除了足夠的精度和可調(diào)性之外，使用的元件也都是很普遍的，易于搭建和調(diào)試。只不過(guò)其中的Vin還需要用戶(hù)額外提供。電路的三極管Q2對(duì)進(jìn)行取樣,RV2電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，優(yōu)點(diǎn)在于可以滿(mǎn)足不同的恒流要求，不足在于取樣不在主回路當(dāng)主回路負(fù)載變化時(shí)，取樣有一定誤差，為了解決溫度對(duì)負(fù)載的影響，我們給電路加上Q3三極管或者熱敏電阻，對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。
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