模拟路灯控制系统设计报告

第一篇：模拟路灯控制系统设计报告

基于51单片机电子设计报告 模拟路灯控制系统

院 系：

电子通信工程

团 组：

姓 名：

指导老师：

目录

一、设计任务求„„„„„„„„„„„ 3

二、系统方案论证与选择„„„„„„„ 5

三、系统硬件的设计„„„„„„„„„ 8

四、系统软件的设计„„„„„„„„„10

五、参考文献„„„„„„„„„„„„12

六、结论„„„„„„„„„„„„„„13

附录„„„„„„„„„„„„„„„14

附录 1 程序代码„„„„„„„„„„„„14 附录 2 硬件原理图„„„„„„„„„„„20 附录 3 PCB图（部分）„„„„„„„„„„23

一、设计任务求

1）、任务

设计并制作一套模拟路灯控制系统。控制系统结构如图1所示，路灯布置如图2所示。

LED灯1输入、显示装置LED灯2单元控制器1单元控制器2支路控制器

图1 路灯控制系统示意图

LED灯240定位点404020MLED灯1S’4040ACBS

图2 路灯布置示意图（单位：cm）

2、要求

1．基本要求

（1）支路控制器有时钟功能，能设定、显示开关灯时间，并控制整条支路按时开灯和关灯。

（2）支路控制器应能根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。

3（3）支路控制器应能根据交通情况自动调节亮灯状态：当可移动物体M（在物体前端标出定位点，由定位点确定物体位置）由左至右到达S点时（见图2），灯1亮；当物体M到达B点时，灯1灭，灯2亮；若物体M由右至左移动时，则亮灯次序与上相反。

（4）支路控制器能分别独立控制每只路灯的开灯和关灯时间。（5）当路灯出现故障时（灯不亮），支路控制器应发出声光报警信号，并显示有故障路灯的地址编号。2．发挥部分

（1）自制单元控制器中的LED灯恒流驱动电源。

（2）单元控制器具有调光功能，路灯驱动电源输出功率能在规定时间按设定要求自动减小，该功率应能在20%～100%范围内设定并调节，调节误差≤2%。（3）其它（性价比等）。

3、说明

1．光源采用1 W的LED灯，LED的类型不作限定。2．自制的LED驱动电源不得使用产品模块。

3．自制的LED驱动电源输出端需留有电流、电压测量点。4．系统中不得采用接触式传感器。

5．基本要求（3）需测定可移动物体M上定位点与过“亮灯状态变换点”（S、B、S’等点）垂线间的距离，要求该距离≤2cm。

二、系统方案论证与选择

根据题目要求，系统主要应包含电源模块、主控模块、实时时钟DS1302模块、1602显示模块、按键123模块、路灯LED 灯1和2模块、环境明暗变化检测光敏模块0、交通路况检测光敏模块1和

2、路灯故障检测激光位置检测传感器及光敏模块1和

2、出现故障蜂鸣器报警等组成，如图2 所示。

图2 1.系统控制模块方案的选择

方案一：采用SPCE061A 单片机进行控制。虽然SPCE061A 凌阳单片机具有强大功能的16 位微控制器，I/O 口资源丰富，存储空间大，能配合LCD液晶显示的字模数据存储。但是，它不是最常用的单片机，从而加大了使用和功能实现的难度，成本也较高。

方案二：采用STC89C52 单片机进行控制。该单片机具有IAP 功能，支持在线下载，内部集成了EEPROM，STC89C52 是我们比较熟悉的一种常用单片机，指令系统和AT89C51 兼容，价格便宜，容易购买。鉴于以上优劣分析，本设计采用方案二。2.时钟模块方案的选择

方案一：采用软件设计时钟，程序复杂，精度低，调试困难，占资源多，断电后时钟也停止运行。

方案二：采用时钟芯片DS1302，电路简单，时钟精度高，只要将时钟数据读取送显示即可，占资源少，具有后备电源接口，主电源断电后时钟依然在低功耗状态下运行。鉴于以上分析，本设计采用方案二 3.显示模块方案的选择

方案一：采用数码管显示。由于本系统需要显示的数据比较多，采用LED 数码管需要用动态扫描，占用资源比较多，闪烁感强。方案二：采用1602LCD 液晶显示，显示内容丰富，画面稳定不闪烁，抗干扰能力强，且功耗很低，符合环保节能要求。

鉴于以上分析，本设计采用方案二。4.按键模块方案的选择

方案一：采用矩阵键盘，程序复杂，电路复杂，调试困难，占资源多。方案二：采用独立按键，电路简单，编程方便，占资源少；且独立按键能够满足本系统设计要求。鉴于以上分析，本设计采用方案二。5.判物模块方案的选择 方案一：采用红外对射的方式红外对射又叫“光束遮断式感应器”当光线被遮断时通过电路发出警报。红外线是一种不可见光，为非触性传感器，红外检测的优点是便宜，易制，安全，安装方便，隐蔽性好，缺点是精度低，距离近，方向性差，是工业中比较常用的一种判物传感器。

方案二：快超声波测距的优点是比较耐脏污，即使传感器上有尘土，只要没有堵死就可以测量，可以在较差的环境中使用，所以倒车雷达多半使用超声波，缺点是精度较低，检测物体位置需要设定阈值，测得数据不稳定，且成本较高。

方案三：激光传感器为非触性传感器，激光检测物体有没有通过某一位置时非常精确而且稳定，硬件电路简单方便，成本低廉适于本方案设计。

鉴于上面分析，本设计采用方案三。6.测光及故障检测模块方案的选择

系统采用廉价的光敏电阻模块可以检测周围环境的亮度和光强，灵敏度可调（图中蓝色数字电位器调节），数字开关量输出（0和1），设有固定螺栓孔，方便安装，作为测光及故障检测的传感器，效果很好。

三、系统硬件的设计

1.按键及显示模块

采用3 个独立按键和1 块1602 夜晶显示器，其中1个按键用于复位，1 个按键用于模式切换及确认，1 个按键用于设置调整开关灯时间，显示器用于显示年月日周几及系统实时时间、开关灯时间、路灯故障信息等。2.硬件设施搭建

LED灯240定位点404020MLED灯1S’4040ACBS

根据上图用泡沫板模拟道路、用led灯模拟路灯并且两路等间距为80cm、在灯杆顶部led灯旁安装光敏传感器模块——用以探测led灯的亮暗情况从而得知路况、定点S、B、S~等三处且在这三处路的正对两边安装激光收发器——用以探测有没有车辆通过、在定点S向A的反方向安装一个光敏传感器模块——用以检测周围环境的明暗变化。3.最小系统版设计

如下电路图所示，根据一下电路图设计出最小系统版及相关扩展电路。

四、系统软件的设计

软件设计的框图如下图所示：系统初始化后进入液晶LCD1602正常显示实时时间及年月日星期几、按按键0复位、按按键1进入相关设置。流程图如下所示

11

五、参考文献

[1] 康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）.高等教育出版社，2005年.[2] 阎 石.数字电子技术基础（第五版）.高等教育出版社，2005年.[3] 刘爱华 满宝元.传感器原理与应用技术.人民邮电出版社，2011年.[4] 马 彪.单片机应用技术.同济大学出版社，2010年.[5] 郭天祥.51单片机C语言教程.北京: 电子工业出版社，2012年.[6] 刘建清.轻松玩转51单片机C语言.北京航空航天大学出版社，2011年.[7] 彭 伟.单片机C语言程序设计实例100例.北京: 电子工业出版社，2011年.六、结论

此方案的系统设计符合2009年全国大学生电子设计竞赛试题（I题）的要求，是一个低成本，高可靠性的解雇方案，经过功率扩大、电网通讯等方面的改良，可以用于实际路灯控制。附录„„„„„„„„„„„„„„„

附录 1 程序代码

*----------------名称：LCD1602.h 论坛：www.feisuxs(unsigned char com);void LCD_Write_Data(unsigned char Data);void LCD_Clear(void);void LCD_Write_String(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char *s);void LCD_Write_Char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char Data);void LCD_Init(void);#endif

*----------------名称：DS1302.h 论坛：www.doflye.net 编写： 日期：2012.8 修改：

内容：

-----------------*/ #ifndef __DS1302_H__ #define __DS1302_H__

#include #include

sbit SCK=P1^4;

sbit SDA=P1^5;

sbit RST=P1^6;//复位脚

#define RST_CLR RST=0//电平置低 #define RST_SET RST=1//电平置高

//双向数据

#define IO_CLR SDA=0//电平置低 #define IO_SET SDA=1//电平置高 #define IO_R SDA //电平读取

//时钟信号

#define SCK_CLR SCK=0//时钟信号 #define SCK_SET SCK=1//电平置高

#define ds1302_sec_add 0x80 #define ds1302_min_add

0x82 //秒数据地址

//分数据地址 #define ds1302_hr_add

0x84 //时数据地址 #define ds1302_date_add

0x86

//日数据地址

#define ds1302_month_add 0x88 //月数据地址 #define ds1302_day_add

0x8a //星期数据地址 #define ds1302_year_add

0x8c

//年数据地址

#define ds1302_control_add 0x8e //控制数据地址 #define ds1302_charger_add

0x90

#define ds1302_clkburst_add 0xbe

extern unsigned char time_buf1[8];//空年月日时分秒周 extern unsigned char time_buf[8];//空年月日时分秒周 /*-----------------

向DS1302写入一字节数据-----------------*/ void Ds1302_Write_Byte(unsigned char addr, unsigned char d);/*-----------------

从DS1302读出一字节数据-----------------*/ unsigned char Ds1302_Read_Byte(unsigned char addr);/*-----------------

向DS1302写入时钟数据-----------------*/ void Ds1302_Write_Time(void);/*-----------------

从DS1302读出时钟数据-----------------*/ void Ds1302_Read_Time(void);/*-----------------

DS1302初始化-----------------*/ void Ds1302_Init(void);#endif

*----------------名称：DELAY.h 论坛：www.doflye.net 编写： 日期：2012.8 修改：

内容：

-----------------*/ #ifndef __DELAY_H__ #define __DELAY_H__ /*-----------------uS延时函数，含有输入参数 unsigned char t，无返回值

unsigned char 是定义无符号字符变量，其值的范围是

0~255 这里使用晶振12M，精确延时请使用汇编,大致延时

长度如下 T=tx2+5 uS

-----------------*/ void DelayUs2x(unsigned char t);/*-----------------mS延时函数，含有输入参数 unsigned char t，无返回值

unsigned char 是定义无符号字符变量，其值的范围是

0~255 这里使用晶振12M，精确延时请使用汇编-----------------*/ void DelayMs(unsigned char t);#endif 附录 2 硬件原理图 如下图所示

附录 3 PCB图（部分）如下图所示

第二篇：路灯照明 节电控制系统设计

带远程监控的路灯照明 节电控制系统设计 0 引言

照明是城市基础设施的组成部分，在城市的交通安全、社会治安、人民生活和市容风貌中居于举足轻重的地位，并发挥着不可替代的作用，也标志着城市实力和成熟的程度。现有的城市路灯70％以上使用的都是高压钠灯，其设计寿命为24 000小时(5年)。但是，由于电压波动大，许多地区的波动甚至超过额定电压的15％，特别是在后半夜，由于电负荷减少，使得电网电压有时接近245 V，高电压不但浪费了电能，还缩短了灯泡的使用寿命，事实上，现在城市路灯的实际使用寿命平均不到一年。

目前，在供电电源端节能的方式主要有两种，一是采用半夜灯，二是采用调压方式。并夜灯是通过在下半夜关掉一部分照明灯的方法来达到节能，它具有简单易行的特点，缺点是道路照明不均匀，且无法解决下半夜电压高而影响光源寿命的问题，也不适用于商场、学校这些室内场所。而通过降低供电电压的方法不但可以节能，还可延长光源的寿命，是一种较好的节能方式。

为此本文提供了一种基于C8051F310单片机的节电控制系统的设计方案，该系统能针对电网电压偏高和波动现象，并根据用户现场的实际需求，实时在线调控输出最佳照明工作电压，以将其稳定在允许的范围内，从而提高电力质量，节约照明用电，延长灯泡的使用寿命，十分适用于路灯、学校、商场等室内和室外的照明节电控制。基本设计思路

本文所设计的路灯控制器采用自耦变压器形式调整负载路灯的电压，自耦变压器的一、二次侧线圈不仅有磁的联系，还有电的联系，所以，在输出电压调节范围不大时，它的容量比较小，所以消耗的材料小，造价低，效率高，其最大的优点是克服了可控硅斩波型产品产生谐波的缺陷，实现了电压的正弦波输出，其结构和功能都很简单，可靠性也比较高。

图1所示是一个路灯照明节电系统的基本框图。该路灯节电控制器要实现的基本设计思路是通过闭合在自耦变压器二次边不同变比的四个触点开关，使路灯两端电压在电网电压变化时(主要是夜间电网电压偏高时)能够自动稳定在一预设值。

荧光灯是一种利用汞放电产生紫外辐射来激发荧光粉层而发光的低气压放电灯，是目前工厂、大厦、商场、机关、学校和家庭照明的一种主要电光源。表1给出了荧光灯的照度、寿命与电压的关系(令额定电压下的寿命为1)。

由表1可知，若电网电压为额定电压220 V，采用90％额定电压供电时，灯具寿命可延长一倍，照度衰减7％。从人体视觉学可知，人的眼睛对光强度变化的感觉是按对数关系计算的，照度衰减7％，人的视觉能够感觉到光线变暗1．6％，此时节约电能19％，可以达到最佳能效比。如电网电压超过220 V，则节能率一般在20％以上。所以，90％额定电压为室内照明供电最优运行与节能电压。1．1 触点开关设置方案

由以上分析可知，90％的额定电压为路灯或室内照明最优运行与节能电压，即200伏。我国电网电压标准为220 V(-15％~+10％)，即电网电压的波动范围为187～242 V。假设电网电压在以上电压范围内波动，并设自耦变压器各路开关变比分别为a0、a1、a2、a3，那么，可以取电网波动的四个电压点来计算设定自耦变压器的变比，以使电网电压在这四个点的时候，变压器输出均为200V，这四个点为200V，210V，220V，230V。

设旁路变比为1，即当电网电压为200 V时，其变比a0=1，则其他各路开关的变比为：a1=0．95，a2=0．90，a3=0．87。以这四个点为中心，我们可以把电压波动的范围分成4个段，如图2所示。设电网电压为X，输出电压为Y，变比为ax。

由图2可知，其输出电压值的精度至少可达到94．3％。

现以冬季为例需要为道路照明的时间为17：00至次日6：00。根据电压观测的结果，电网电压通常应稳定在220 V左右，但在半夜0：00至次日6：00，由于电网负荷小，电网电压会逐渐攀升至230 V。据此可以计算出节电率。其电压调整前的耗电量： 由图2可知，其输出电压值的精度至少可达到94．3％。

通过计算可知，其节电率可达21％。1．2 电压控制方案

设输入电压为X，输出电压为Y；t时刻的电网输入电压为X(t)，触点开关跳变值为P，那么，可以先通过下式判断输入电压X处于上升阶段还是下降阶段：

若某路在t时刻的输入电压大于(t-1)时刻的输入电压，则输入电压处于上升阶段。设定电压跳变值为P，即电压上升到P+2时。触点开关跳变。反之，若某路t时刻的输入电压小于(t-1)时刻的输入电压，则输入电压处于下降阶段，若设定电压跳变值为P，即电压下降到(P-2)时，触点开关跳变。其中，可以设定4 V的回差，以使电压在上升和下降两个阶段有两个不同的阈值。设置该回差是为了保证触点开关在输入电压波动频繁时不会随之出现频繁跳变。1．3 采样方案

针对该系统的电网电压幅值变化不是很快的特点，该路灯控制器的采样速度和采样精度的要求都不需要很高。而微控制器C8051F310自带的10位AD转换器本身的精度就能满足系统要求。信号经过AD转换之后，再由微处理器计算相应电压的有效值，并进一步进行判断即可。该设计结构简单、成本低，且足够满足采样速度和采样精度的要求。

A/D转换器的转换精度，是由其参考电压和输出字段长度共同决定的。所谓转换精度是指一个A/D转换器可以对最小电压变化的监测能力。实际上，转换精度就是A／D转换器的最小步进电压，只需将MD转换器的参考电压与该转换器转换值的数量相除，就可以得到该电压值。

由于C8051F330采用3．3 V作为基准电压，故其转换精度为3．3／1024，即3．22 mV，完全可以满足本系统的精度要求。1．4 远程通讯控制方案

远程通信是指多台路灯控制器与PC机之间的通信，便于用户对分布在各处的路灯控制器的状态进行监控，本系统通过C8051F310自带的UART口和PC机的串口进行通信，以将检测到的各种状态信息传给上位机(如电网的电压，A、B、C各相的电流，以及路灯控制器所处的各个状态等等)，而用户则可根据上位机的软件来选择要监控的路灯控制器，然后根据其状态来发出各种控制命令，如旁路或者选择节能所处的档位。

鉴于采用的是一台PC机对多台路灯控制器的方式，故可采用侦听方式来规定其通信协议，即给每一台控制器分配一个通信地址。通信开始之前，主机先发送通信地址，每一台控制器都接收这个地址，然后与自身的地址相比较，地址匹配的路灯控制器开始与主机通信，其它的保持侦听状态。这样，用户就可方便地对任何一台控制器进行监控。

综合考虑总线的传输距离和抗干扰能力等因素，本设计在控制板上采用RS-485接口，并采用差分方式传输信号，故其抗共模干扰的能力很强。硬件设计

本节电控制系统的硬件部分主要包括微处理机、电压检测电路、电流检测电路、触点开关驱动电路、时钟及通讯接口电路等。当电网电压经整流滤波电路被采集到微控制器后，微控制器将通过自带的AD转换电路进行AD转换，然后通过运算来确定此时需闭合的变压器副边开关位置，同时发出命令使相应继电器驱动与其对应的触点开关闭合，从而实现其基本功能。KEY电路包含外部的一些手动逻辑控制。图3所示是本系统的硬件电路框图。

2．1 电压检测电路

本系统中的电压检测电路框图如图4所示。该电路中包括有各种信号调理电路。其电网电压经220 V／7．5 V变压器之后，再通过运放组成的比例放大器调整其幅值，然后通过全波整流电路将其变成直流，再经过RC滤波电路之后进入微控制器进行AD采样。

电流检测电路的结构与电压检测电路基本相同，只不过电流是通过电流互感器之后，再转换成电压信号，其信号调理过程基本一致。2．2 触点开关驱动电路

图5所示是触点开关驱动电路的示意图。在图5中，微控制器的输出可通过驱动电路接到三极管，以控制其通和断，并由此来控制继电器线圈的通和断，再通过继电器控制自耦变压器触点开关的通和断。

2．3 通信接口电路

本节电器和PC机的通信采取串口通信，使用的是微控制器的UART口，其中RX0为微控制器接收信号，Txo为微控制器发送信号。UART口通过专用的RS485芯片将信号发送到总线或从总线上接收信号。其电路图如图6所示。

图中的光耦起到了隔离作用，用于防止微控制器被其它信号干扰，防雷一般采用的是瞬态二极管。软件设计

图7所示是本系统的软件结构流程图。当系统开机之后，微控制器首先初始化，然后启动内部定时器进行电流和电压采样。如果电流过流，控制器将使整个系统旁路，以免烧毁元器件，之后，微控制器再对采集到的电网电压进行分析，以判断自耦变压器应该处在什么档位。并结合PC机传给控制器的命令来综合分析应该采取的动作。

第三篇：路灯设计报告（本站推荐）

xxxx镇十六户村路灯改造工程 设计报告 各位领导、专家：

xxxx镇十六户村现状路灯多为节能灯，安装于十几年以前，多数路灯破损残缺，有大多数已经不能正常工作，给村民夜间出行带来了很大的不便，存在一定的社会安全隐患，经与十六户村领导协商后确定对整个村庄一江两岸和东西三横的村道路路灯进行改造设计。

一、工程概况：

1.工程名称：xxxx镇十六户村路灯改造工程 2.工程地点:余姚市xxxx镇十六户村 3.设计单位：余姚市yyyy建筑设计有限公司

二、工程内容：

1.本工程为余姚市xxxx镇十六户村路灯改造工程,主要包括两纵三横主要村干道，即跃进江东西两侧道路、十六户村中心路、四塘江路、五塘江路，两纵三横路灯改造范围总长约10500米，两纵三横现状已有水泥立杆上更换的路灯灯头安装高度9米，间距约为30～50米，光源采用60W LED灯,共计171套。在跃进江北段西侧道路现状没有电力线架空杆的新装高

杆路灯，距约为35米，光源采用60W LED灯,共计63套。在跃进江西侧村安置小区南面路段650米范围内，在靠江一侧加装高杆路灯，距约为45米,共计17套，总计新装高杆路灯80套。

三、工程设计思想：

1.本工程为十六户村路灯改造工程，因工程属农村村道、现场限制条件较多、工程预算有限等原因，无法完全达到城市支路的道路照明标准，仅作参考。

2.在本工程余姚市xxxx镇十六户村路灯改造工程用电，根据总图分布情况及周边现状已有电力公共用电变压器分布情况，经与业主协商后确定，考虑到现状所有路灯电源线全部刚更换不久,本次路灯改造的原则为基本全部保留利用现状已有路灯电源供电系统。对现状已有路灯电源供电系统，由施工方会同业主检测其可靠性若检测其可靠性达不到使用要求则，更换新的电源线，长度按实计.新加装路灯采用埋地电缆就近接入现状已有路灯供电线路内。

3.在路灯安装时注意避开现状已有管线，若遇安装有困难时，则路灯位置、现有水泥杆上路灯安装高度可以在适当的范围内作调整，若实在无法避开时，请及时与设计人员、业主联系，共同协商解决。

第四篇：路灯控制器设计报告

路灯控制器的设计

一.设计任务和要求

设计要求：

1、自制电路供电的稳压电源；

2、LED采用恒流供电。

3、该控制器具有环境亮度检测和控制功能，当处于暗（亮）环境下能够自动开（关）灯，为了演示方便，在现场演示时，当调光台灯（模拟自然光）较暗（较亮）时相当于暗环境（亮环境），此时另一个白光LED（模拟路灯）将被点亮（熄灭），以此实现光控功能。

二.方案说明

安装在公共场所或道路两旁的路灯，通常是随环境的亮和暗而自动的关断和开启或者自身亮度，同时可以对消耗的电功率进行测量。实验时用1W白光LED（3.3V@300mA）代替路灯，用调光台灯替代环境光线变化。

三.原理电路设计

1.单元电路设计.本光控路灯包括

(1)光敏采样部分,当光敏三极管处于不同光照强度下,它的阻值变化很大.将光敏三极管串联一个适当的电阻,接入电路中,输出量作为开关值.无光照强度或光照强度很小时,采样值接近VCC.当光照强度增加到一定程度时,采样值为一个较小值,并且随着光照继续增强,采样值也随着减小.(2)电位器调节电压部分.当光照达到一定强度时,通过调节电位器改变它的电压,使之与光敏采样部分的采样值相等即可.(3)集成运放器部分.需要用到集成运放器的开环性能和闭环性能.当集成运放处于开环状态时.它是一个电压比较器,对同相输入端和反相输入端的电压进行比较.若同相输入端的电压高于反相输入端的电压,则输出高电平;若同相输入端的电压低于反相输入端的电压,则输出零(单电源)或低电平(双电源).(4)三极管放大部分.使用三极管对集成运放器的微弱输出电流进行放大,从而使led灯能正常发光.2.元件选择

(1).光敏器件选择

光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。光敏三极管又称光电三极管，它是一种光电转换器件，其基本原理是光照到P-N结上时，吸收光能并转变为电能。当光敏三极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。

本次设计选择的是3DU33型号光敏三极管.在1000lx，V=10v条件下，电流典型值为10 mA.故可推测在1000lx,V=5A条件下，电路大约为5mA。且在有光条件下，电流最小值为2 mA.电路图如下

(2)电位器选择

本次设计电位器选择通用型3296系列103A电位器，阻值为10k.图如下

（3）集成运算放大器选择。本次选择LM358运算放大器。

LM358里面包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用 电路如下

（4）三极管选择。

本次选用S8050 NPN型三极管。三极管8050是非常常见的NPN型晶体三极管，在各种放大电路中经常看到它，应用范围很广，主要用于功率放大、开关。参数： 耗散功率0.625W（贴片：0.3W）

集电极电流0.5A 集电极--基极电压40V 集电极--发射极击穿电压25V 集电极-发射极饱和电压 0.6V 特征频率fT 最小150MHZ 典型值产家的目录没给出 引脚排列为EBC或ECB 838电子

按三极管后缀号分为 B C D档 贴片为 L H档

放大倍数B85-160 C120-200 D160-300 L100-200 H200-350

3.整体电路

实验原理

光敏采样值输出到前1/2 LM358同相输入端，电位器调节部分电压输出到前1/2 LM358反相输入端。当同相输入端电压值高于反相输入端电压值时，U1A输出高电平，反之输出零。U1B是引入负反馈闭环的运算放大器，可以由理想集成运算放大器虚短，虚端方法来分析电路。当U1A输出为零时，反相输入端电平也为零，U1B输出为0，led灯灭。当U1A输出高电平时，由虚短可判断反相输入端电压也为等值高电平。三极管工作在放大区，放大电流，led灯亮。

四.性能测试与分析

理论数据分析：在有一定光照条件下，光敏三极管的电流为2-5 mA.经计算考量，选取与光敏三极管串联的电阻为800欧。为使调节范围足够大，满足设计要求，选取R3=R6=1k,电位器R4=10k.在同相输入端大于反相输入端的电压值时，集成运算放大器最大输出几mA的电流，理论流过led灯最大电流为300mA。在光照足够强时，同相输入端电压值小于反相输入端，电压比较器输出零，此时三极管be间电压小于开启电压，三极管处于截止状态，流过led灯的电流为零。

仿真数据：无光照条件下，U1A同相输入端输入值即光敏部分采样值为4.993V，反相输入端电压值为2.363V，U1A输出4.023V，输出电流几乎为零。三极管基极电流为0.036A，流过led灯的电流值为0.400A（protues仿真没有S8050三极管和光敏三极管，故分别用TIP41和光敏电阻代替，与理论数据分析有差距）实测数据: 无光时,U1A同相输入端电压为4.91V,反相输入端电压为3.74V,U1A输出端电压为4.01V,电流几乎为零.此时测得led灯两端电压约为3.20V.逐渐增大光照强度,发现某一时刻led灯开始明显变暗,并且随着光强缓慢增加,led灯继续变暗,直至只有微弱灯光.此时测得led灯两端电压为2.43V.整个过程中,U1A同相输入端电压始终小于反相输入端电压值,U1A输出电压为零.U2A同相及反相输入端电压都为零,输出端有0.64V电压.误差分析: 处于临界光照时,运算放大器同相及反相输入端电压差值很小,容易波动.运算放大器均是采用直接耦合的方式，直接耦合式放大电路的各级的Q点是相互影响的，由于各级的放大作用，第一级的微弱变化，会使输出级产生很大的变化。当输入短路时（由于一些原因使输入级的Q点发生微弱变化 象：温度），输出将随时间缓慢变化，这样就形成了零点漂移。产生零漂的原因是：晶体三极管的参数受温度的影响。解决零漂最有效的措施是：采用差动电路

六.实验心得

本次课程实验设计是我们三人组齐心协力,默契的团队配合.从初期方案的确定,到实验室共同焊板子,还有后来共同解决遇到的电路问题,每个人都很积极地去解决困难.通过此次设计，能够一步了解了光敏三极管的原理和特性，把我们所学到的知识应用到了实践，结合模拟电路和数字电路知识，经一步巩固和掌握前面所学的知识，收获很大。

七.参考文献

[1] 华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006：74-116.[2] 谢自美 电子线路设计[M];华中科技大学出版社;[3] 百度文库,道客巴巴资料以及电子爱好者论坛等

第五篇：交通灯控制系统设计

交通灯控制系统设计

摘要：本系统由单片机系统、键盘、LED 显示、交通灯演示系统组成。系统包括人行道、左 转、右转、以及基本的交通灯的功能。系统除基本交通灯功能外，还具有倒计时、时间设置、紧急情况处理、分时段调整信号灯的点亮时间以及根据具体情况手动控制等功能。关键词：AT89S51，交通规则

一、方案比较、设计与论证 电源提供方案

为使模块稳定工作，须有可靠电源。我们考虑了两种电源方案

方案一：采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用； 缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。

方案二：采用单片机控制模块提供电源。改方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺 点是输出功率不高。

综上所述，我们选择第二种方案。显示界面方案

该系统要求完成倒计时、状态灯等功能。基于上述原因，我们考虑了三种方案：

方案一：完全采用数码管显示。这种方案只显示有限的符号和数码字苻，无法胜任题目 要求。

方案二：完全采用点阵式LED 显示。这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作；但 功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等。

方案三：采用数码管与点阵LED 相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出，又要求 有状态灯输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用数码管与LED灯分别显示时间与提示信 息。这种方案既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度。

权衡利弊，第三种方案可互补一二方案的优缺，我们决定采用方案三以实现系统的显示 功能。输入方案：

题目要求系统能手动设灯亮时间、紧急情况处理，我们讨论了两种方案： 方案一：采用8155扩展I/O 口及键盘，显示等。该方案的优点是：

使用灵活可编程，并且有RAM,及计数器。若用该方案，可提供较多I/O 口,但操作起来稍显 复杂。

方案二： 直接在IO口线上接上按键开关。因为设计时精简和优化了电路，所以剩余的 口资源还比较多，我们使用四个按键，分别是K1、K2、K3、K4。

由于该系统对于交通灯及数码管的控制，只用单片机本身的I/O 口就可实现，且本身的 计数器及RAM已经够用，故选择方案二。

二、理论分析与计算

1．交通灯显示时序的理论分析与计算

对于一个交通路口来说，能在最短的时间内达到最大的车流量，就算是达到了最佳的性 能，我们称在单位时间内多能达到的最大车流为车流量，用公式：车流量= 车流 / 时间 来 表示。先设定一些标号如图2－1 所示。

说明：此图为直方图，上边为北路口灯，右边为东路口灯，下边为南路口灯，左边为西 路口灯。

图2－2 所示为一种红绿灯规则的状态图，分别设定为S1、S2、S3、S4，交通灯以这四 的状态为一个周期，循环执行（见图2－3）。

请注意图2－1b和图2－1d，它们在一个时间段中四个方向都可以通车，这种状态能在 一定的时间内达到较大的车流量，效率特别高。

依据上述的车辆行驶的状态图，可以列出各个路口灯的逻辑表，由于相向的灯的状态图 是一样的，所以只需写出相邻路口的灯的逻辑表；根据图2－3 可以看出，相邻路口的灯它 们的状态在相位上相差180°。因此最终只需写出一组S1、S2、S3、S4的逻辑状态表。

表中的“×”代表是红灯亮（也代表逻辑上的0），“√”是代表绿灯亮（也代表逻辑上 的1），依上表，就可以向相应的端口送逻辑值。2．交通灯显示时间的理论分析与计算

东西和南北方向的放行时间的长短是依据路口的各个方向平时的车流量来设定，并且 S1、S2、S3、S4各个状态保持的时间之有严格的对应关系，其公式如下所示。T-S1+T-S2=T-S3 T-S2=T-S4 T-S1=T-S3 我们可以依据上述的标准来改变车辆的放行时间。按照一般的规则，一个十字路口可分

三、电路图及设计文件

1．灯控制电路设计

由于32个LED 来实现红绿灯状态，若直接接在单片机的口线，路口倒计时的显示就不 能实现，所以本次设计中采用一种新型的电路如图3－1 所示。图3－1 LED灯控制电路

图中74LS04的作用是倒相和驱动，它输出的电流大约48mA，实际测试发现足以满足要 求，而且发光管也能达到足够的亮度。

观察图可以看出：两组发光管（一组红、一组绿）由于反相器的作用，其逻辑状态恰恰 相反。

图中和电阻串联的二极管的作用是为了分压，防止因上下两组发光管分压不同导致逻辑 的错误。

共四组和上述相同的电路分别代表东西南北四个方向的红绿灯，使用两片74LS04 作为 驱动。

2．倒计时显示电路设计

前面已经分析过相向的灯的状态和倒计时都是相同的，所以为了节省，采用两组四个数码管 作为倒计时的显示；同时为了节省口资源，采用串口显示的方式驱动数码管。见图3－2 所 示。

图3－2 数码管显示 3 如表2－1 所示。

外圈是北方为前进方向的状态循环，内圈是东方为前进方向的状态循环 图2－3 交通灯的状态循环 S1的状态 A B C D E F G H 逻辑值 × √ × √ × × × × 显示时间 从40 秒开始到0 秒 S2 的状态 A B C D E F G H 逻辑值 √ × √ × × × √ × 显示时间 从30 秒开始到0 秒 S3的状态 A B C D E F G H 逻辑值 × × × × × √ × √ 显示时间 从70秒开始到30 秒 S4的状态 A B C D E F G H 逻辑值 × × √ × √ × √ × 显示时间 从30 秒开始到0 秒

表中的“×”代表是红灯亮（也代表逻辑上的0），“√”是代表绿灯亮（也代表逻辑上 的1），依上表，就可以向相应的端口送逻辑值。

2．交通灯显示时间的理论分析与计算

东西和南北方向的放行时间的长短是依据路口的各个方向平时的车流量来设定，并且 S1、S2、S3、S4各个状态保持的时间之有严格的对应关系，其公式如下所示。T-S1+T-S2=T-S3 T-S2=T-S4 T-S1=T-S3 我们可以依据上述的标准来改变车辆的放行时间。按照一般的规则，一个十字路口可分 S1 S2 S3 S4 S3 S4 S1 S2 开始 2 先设定一些标号如图2－1 所示。图2－1 标号设定

说明：此图为直方图，上边为北路口灯，右边为东路口灯，下边为南路口灯，左边为西 路口灯。

图2－2 所示为一种红绿灯规则的状态图，分别设定为S1、S2、S3、S4，交通灯以这四 的状态为一个周期，循环执行（见图2－3）。图2－1a 车辆行驶状态S1 图2－1b 车辆行驶状态S2 图2－1c 车辆行驶状态S3 图2－1d 车辆行驶状态S4 请注意图2－1b和图2－1d，它们在一个时间段中四个方向都可以通车，这种状态能在 一定的时间内达到较大的车流量，效率特别高。

依据上述的车辆行驶的状态图，可以列出各个路口灯的逻辑表，由于相向的灯的状态图 是一样的，所以只需写出相邻路口的灯的逻辑表；根据图2－3 可以看出，相邻路口的灯它 们的状态在相位上相差180°。因此最终只需写出一组S1、S2、S3、S4的逻辑状态表。1

四、程序设计思路与流程图

1．主程序流程图

主程序中主要是一个死循环，不停的循环四个状态，如图4－1 所示。

图4－1 主程序流程图 图4－2 按键子程序流程图

2．按键子程序流程图

它包含倒计时调整和紧急状态两个状态。

主程序中放了一个按键的判断指令，当有按键按下的时候，程序就自动的跳转到按键子 程序处理。当检测到K2键按下的时候就自动返回到主程序。

当出现紧急的情况的时候，按下K3或者K4 就切换到紧急状态，当紧急事件处理完毕 的时候，按下K2，就可以返回正常状态。

K1按 下 K3按 下 K4按 下

进入时间调整 S3”+” ,S4”－“ 循环执行S1 循环执行S3 返回 开始 程序初始化 启动状态S1 启动状态S2 启动状态S3 启动状态S4 是否时状 态S1？ 是否时状 态S2？ 是否时状 态S3？ 是否时状 态S4？ 按键是否 按下？ 按键处理 返回 4 为主干道和次干道，主干道的放行时间大于次干道的放行时间，我们设定值时也应以此为参 考。

五、测试、数据及结果分析

1．状态灯显示测试

当电路连接完毕后，将写好的测试程序刷写到芯片内，K1 和K2分别给端口送高电平和 低电平，通电即可检测。

2．数码管的测试

将串口的和电路板上的接口连接，将写好的测试程序刷写到芯片内，开电源即可测试。

3．整体电路测试

系统上电，刷写好程序即可开始测试，观测一个周期（共计S1～S4四个状态，默认140 秒）灯的显示状态是否正常，同时观察倒计的计数是否正常。

六、总结

由于使用的是单片机作为核心的控制元件，使得电路的可靠性比较高，功能也比较强大，而且可以随时的更新系统，进行不同状态的组合。

但是在我们设计和调试的过程中，也发现了一些问题，譬如红灯和绿灯的切换还不够迅 速，红绿灯规则不效率还不是很高等等，这需要在实践中进一步完善。

参考文献

[1] 李朝青.单片机原理及接口技术（修订版）.北京：北京航空航天大学出版社，1998 [2] 李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，1992 [3] 何立民.单片机应用技术大全.北京：北京航空航天大学出版社，1994 [4] 张毅刚.单片机原理及接口技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990 [5] 谭浩强.单片机课程设计.北京：清华大学出版社，1989