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1安庆师范学院电子设计《无线路灯控制系统》作品设计说明书学院：安庆师范学院组员姓名：梁伟任坤郭帅汪昌伍指导教师：杨伟张兰芳老师设计时间:2013年3月10日物理与电气工程学院2摘要本设计实现了对路灯的无线控制。由3个独立模块组成，分别为主控制模块和2个路灯模块。主控模块以单片机（STC89C52RC）为控制器，采用nRF24L01构成无线通信收发模块，以1602液晶显示屏显示，可实现路灯无线控制、故障检测报警、光线检测、人体红外检测。路灯模块采用无线通信收发模块以及路灯驱动电路组成。设计采用每个路灯既作为信号接收端又是信号中转端的控制策略。具有无线控制，环保节能，智能控制，故障检测的特点。关键词：STC89C52RC无线控制环保节能智能控制3目录引言………………………………………………………………………………5第一章系统设计的目标和任务…………………………………………………61.1系统设计的基本要求……………………………………………………61.2系统设计的思路…………………………………………………………61.3方案论证…………………………………………………………………6第二章系统设置与总体流程…………………………………………………7第三章模块概述及功能简介……………………………………………………73.1nRF24L01概述………………………………………………………………73.11简介…………………………………………………………………73.12性能参数……………………………………………………………73.13原理图………………………………………………………………83.2人体红外感应模块……………………………………………………………93.21功能特点电气参数…………………………………………………93.22功能特点……………………………………………………………93.23原理图…………………………………………………………………103.3光敏传感器…………………………………………………………………113.31模块描述………………………………………………………………113.32模块原理图……………………………………………………………113.41602液晶显示……………………………………………………………123.41简介………………………………………………………………123.42原理图……………………………………………………………123.5声光报警模块………………………………………………………………133.6故障检测电路………………………………………………………………13第四章模块电路设计…………………………………………………………14第五章软件设计……………………………………….……………………165.1系统软件介绍…………………………………………………………165.2控制策略……………………………………………………17第六章设计总结………………………………………………………………176.1测试仪器…………………………………………………………………176.2测试方法………………………………………………………………1746.3测试过程………………………………………………………………176.4测试情况………………………………………………………………17第七章设计总结………………………………………………………………18参考文献……………………………………………………………………………195引言在我国，大部分城市特别是中小城市的路灯系统自动化管理水平还不是很高，特别是当季节、气候天气变化时不能及时改变开关状态，不能对路灯充分利用，从而给市民带来了一定的困扰。当有些路灯坏掉时也不容易及时发现，人工查询劳动强度也大。由于城市区域及道路的拓展，路灯的数量也急剧增长，对于路灯现代化管理的要求也日益迫切，以往的全自动控制系统易出现故障，维修时又影响路灯的管理和控制，影响市民正常生活。路灯的智能化管理和无线通信技术的结合是当前路灯控制系统和节能环保的必然趋势。6第一章系统设计的目标和任务1.1系统设计的基本要求本次设计的主要内容是设计一种基于单片机无线路灯控制系统的硬件电路，主要利用单片机对路灯采集的模拟数据的处理及存储。设计的基本要求：（1）远距离无线控制。（2）路灯自动故障检测。（3）光线加入时，路灯自动点亮；午夜之后，有人经过时。路灯点亮。1.2系统设计的思路该系统分为监测部分与终端接收部分。图1系统组成监测部分：光敏传感器、人体红外传感器、比较电路。对环境的检测。终端接收部分：1602液晶显示屏、蜂鸣器。1.3方案论证方案一：采用TX-2B，RX-2B五通道通信收发芯片。利用芯片的五个通道来编码。采用两种不同频率的信号可以实现控制2的8次方即256个路灯，通过住控制台来控制从机的情况，同时判断从从机接受来的信号做出相应的处理。方案二：完全采用分离元件来实现，通过分离元件完成自身单片机所需要的定时以及信号的发送和接受。方案三：采用NRF24L01芯片与单片机连接,由自身的接受和发射硬件来传递和接受其他模块的信号。nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过7程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA。由于方案一中的接受和发送芯片的有效距离只有几米，达不到实际要求；方案二中分立元件之间相互影响，产生的信号不稳定；方案三中的nRF24.L01传输信号的距离远而且信号稳定，并且使用方便，因此选择方案三。第二章、系统设置与总体流程根据要求设计了两种模块功能---主控模块和路灯模块。主控制台主要完成无线收发信息，时间及编号显示功能、声光报警等功能。路灯控制器主要完成故障检测、无线收发信息的功能，模块功能设置见图1。主控制台路灯控制器图2系统总体框图总体流程为：首先主控模块发射相应的控制信息给路灯模块，第一台路灯模块接收信息后，会将信息和自己编号进行比较，控制路灯的亮灭同时把信息发给下一编号的路灯模块。如路灯控制器出现故障，故障信号会反向传递给主控器，并由声光报警器报警。第三章、模块概述及功能简介3.1nRF24L01概述3.11简介nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工单片机无线模块无线发射声光报警显示器单片机无线接收无线发射故障检测路灯控制8作。极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3mA，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。3.12性能参数1、小体积，QFN204x4mm封装2、宽电压工作范围，1.9V~3.6V，输入引脚可承受5V电压输入3、工作温度范围，-40℃～+80℃4、工作频率范围，2.400GHz～2.525GHz5、发射功率可选择为0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm6、数据传输速率支持1Mbps、2Mbps7、低功耗设计，接收时工作电流12.3mA，0dBm功率发射时11.3mA，掉电模式时仅为900nA8、126个通讯通道，6个数据通道，满足多点通讯和调频需要9、增强型“ShockBurst”工作模式，硬件的CRC校验和点对多点的地址控制10、数据包每次可传输1～32Byte的数据11、4线SPI通讯端口，通讯速率最高可达8Mbps，适合与各种MCU连接，编程简单12、可通过软件设置工作频率、通讯地址、传输速率和数据包长度13、MCU可通过IRQ引脚快判断是否完成数据接收和数据发送93.13原理图图3原理图10图4原理图3.2人体红外感应模块3.2.1电气参数表1电气参数表3.2.2功能特点1、全自动感应:人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。112、光敏控制（可选择，出厂时未设）可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。3、温度补偿(可选择，出厂时未设)：在夏天当环境温度升高至30～32℃，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。4、两种触发方式：（可跳线选择）a、不可重复触发方式:即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变成低电平；b、可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点)。5、具有感应封锁时间(默认设置:2.5S封锁时间)：感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。(此时间可设置在零点几秒—几十秒钟)。6、工作电压范围宽：默认工作电压DC4.5V-20V。7、微功耗:静态电流50微安，特别适合干电池供电的自动控制产品。8、输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接。3.23原理图12图5原理图3.3光敏传感器3.31模块描述1、可以检测周围环境的亮度和光强（与光敏电阻比较，方向性比较好，可以感知固定方向的光源）2、灵敏度可调3、工作电压3.3V-5V4、输出形式a模拟量电压输出b数字开关量输出（0和1）5、设有固定螺栓孔，方便安装6、小板PCB尺寸：3cm*1.6cm3.32模块原理图13图6光敏传感模块3.41602液晶显示3.4.1简介1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。3.4.2原理14图71602显示电路3.5声光报警模块声光报警模块由三极管、+5V电压、10K电阻和蜂鸣器组成。当LED灯出现异常时，从机向主机发出报警信号；主机接收到从机的报警信号时，就会驱动报警用的蜂鸣器的LED灯。电路图4如下：15图8声光报警3.6故障检测电路采用电压比较器来判断LED是否发生故障。如图5：图9故障检测16第四章模块电路设计图10整体原理图17图11实物图图12实物图18第五章、软件设计5.1系统软件介绍采用keil软件编程，采用模块化编程方式，子程序主要有收发模块子程序、故障检测子程序、数码管显示子程序等。5.2控制策略由于本设计采用信号传递式的控制策略，所以对所有的路灯模块进行了统一编号，路灯模块接收到控制模块信号时，除了和自己编号进行比较外，还会将信号传递给下一个路灯模块。在故障检测时，路灯模块不会对其他路灯的故障信号进行比较，而是直接向下个路灯进行信号传递，直到最后传递到主控模块。流程图如下：图13主控制台流程图19图14路灯控制系统流程图第六章、测试和测试结果6.1测试仪器万用表、示波器、数码管、LED6.2测试方法首先用万用表检测对电路各节点电流电压测量，然后将主控模块和路灯模块先进行一对一测试，最后进行多模块综合测试。6.3测试过程硬件测试：因总系统有三个独立模块，所以首先主控模块和路灯模块先进行一对一测试。然后特定的距离对二个模块进行整体测试软件测试：将软件写入各个硬件模块，通过主控