基於freescale jl3晶元的模擬路燈控制系統
摘要：本文介紹了乙個模擬路燈控制系統的解決方案。本方案以freescale公司的mcu晶元mc68hc908jl3為核心，加以簡單的外圍電路，實現了2023年全國大學生電子設計競賽試題所要求的所有技術內容。
jl3微控制器在工業上的應用比較廣泛，其可靠性、抗干擾能力和溫度穩定性都比較強，價效比高。這是乙個低成本的路燈控制解決方案，除了選用廉價的微控制器晶元，還採用了廉價得微型雷射發射器與光敏電阻組合的方式代替昂貴的工業控制光電感測器，大大降低了系統成本。整個系統的電路簡單，結構緊湊。
經過檢測，該系統能長時間穩定工作，滿足設計指標要求。
關鍵詞：模擬控制、led照明、微控制器
一、任務（來自原題）
設計並製作一套模擬路燈控制系統。控制系統結構如圖1所示，路燈布置如圖2所示。
圖1 路燈控制系統示意圖
圖2 路燈布置示意圖（單位：cm）
二、設計要求
1．基本要求
（1）支路控制器有時鐘功能，能設定、顯示開關燈時間，並控制整條支路按時開燈和關燈。
（2）支路控制器應能根據環境明暗變化，自動開燈和關燈。
（3）支路控制器應能根據交通情況自動調節亮燈狀態：當可移動物體m（在物體前端標出定位點，由定位點確定物體位置）由左至右到達s點時（見圖2），燈1亮；當物體m到達b點時，燈1滅，燈2亮；若物體m由右至左移動時，則亮燈次序與上相反。
（4）支路控制器能分別獨立控制每只路燈的開燈和關燈時間。
（5）當路燈出現故障時（燈不亮），支路控制器應發出聲光報警訊號，並顯示有故障路燈的位址編號。
2．發揮部分
（1）自製單元控制器中的led燈恆流驅動電源。
（2）單元控制器具有調光功能，路燈驅動電源輸出功率能在規定時間按設定要求自動減小，該功率應能在20%～100%範圍內設定並調節，調節誤差≤2%。
（3）價效比高，工作穩定，符合電磁相容（emc）方面的要求，無對外干擾或干擾小。
本模擬路燈控制系統的設計方案要實現的主要功能主要分解為以下五個方面：
一是時鐘功能及定時開關燈。
二是根據環境明暗變化，自動開燈和關燈。
三是根據交通情況自動調節亮燈狀態：當汽車靠近路燈時，路燈能自動點亮；當汽車遠離時，路燈自動熄滅。
四聲光報警功能，當路燈出現故障時而不亮時，控制器發出訊號，並顯示有故障路燈的位址編號。
五是根據綠色節能照明要求，採用恆流源驅動led路燈發亮且能調光，路燈驅動電源輸出功率能在20%～100%範圍內設定並調節，調節誤差≤2%。
以上功能的實現，都是以微控制器為核心，在微控制器系統實現的輸入輸出和顯示功能的基礎上，由微控制器的內建邏輯和運算功能，加上一定的外圍電路得以實現。徵對以上的五個功能，基於模組化的設計思想，以下分別敘述之。
1.2.2.1 時鐘功能及定時開關機。
方案一：採用專用時鐘晶元。
現在流行的序列時鐘電路很多，如ds1302、 ds1307、pcf8485等。其優勢是可以單獨使用，直接連線微控制器外圍，有自己獨立的時鐘晶振，精度較高。微控制器通過序列介面讀取和寫入當前的時鐘值，時鐘晶元的執行受微控制器宕機的影響少。
其缺點一是消耗了微控制器io口資源。二是在程式設計時需要增加讀寫序列口的內容，消耗了微控制器的執行時間。三是增加了成本。
增加了時鐘晶元及其外圍電路的開支。
ds1302的典型應用電路如圖3所示：
圖3 ds1302的典型應用電路
方案二：採用微控制器內建時鐘振盪電路及定時器構建時間平台。
本方案直接利用微控制器的內建定時器，通過定時器的中斷和簡單運算實現時鐘功能。
例如： jl3微控制器，在4m時鐘時，單個指令的執行時間是1微秒，設定定時器1每125個指令週期產生乙個中斷，即125微秒，8個中斷後，時間平台是1毫秒，設定以下時間計數變數分別為：
uchar to1ms = 0x00當該變數增加到某個數值時,表示經過了1毫秒
uchar to2ms = 0x00當該變數增加到某個數值時,表示經過了2毫秒
uchar is2ms = 0到達2毫秒時刻
uchar to20ms = 0x00當該變數增加到某個數值時,表示經過了20毫秒
uchar is20ms = 0到達20毫秒時刻
uchar to1s = 0x00當該變數增加到某個數值時,表示經過了1秒
uchar is1s = 0到達1秒時刻
在秒時間平台，用tomin變數，計數60秒後進入分鐘平台，計數60分鐘後，進入小時平台。
方案二沒有增加外接電路，充分利用了微控制器的定時器功能，實施簡潔方便，主要的缺點是當控制系統斷電或宕機以後，需要人工重新定時。
本系統的時鐘功能實現採用方案二。
1.2.2.2 根據環境明暗變化，自動開燈和關燈功能。
方案一：採用比較器的解決方案。
光敏電阻與固定電阻串聯，加一級電壓跟隨器後輸入比較器，與比較器負輸入端的電壓值進行比較，得到乙個高電平或低電平輸出，進入微控制器的io口。
優點是電路比較直觀，操作比較方便，可直接通過電位器調節路燈的開啟亮度。對維護人員的要求不高。
缺點是不方便進行數碼控制。
方案二：採用ad變換。
光敏電阻與固定電阻串聯，由微控制器內建的ad變換介面讀入當前的電壓值，然後根據讀取的電壓值判斷當前的環境亮度。路燈的開啟電平由內部的變數控制。方案二的優點在於可以方便以實現對路燈開啟電平的數碼控制和遠端控制。
本系統採用方案二。
1.2.2.3 是三是根據交通情況自動調節亮燈狀態。
當汽車靠近路燈時，路燈能自動點亮；當汽車遠離時，路燈自動熄滅。
方案一：採用工業級的光電感測器。這種光電感測器普遍運用於電梯、生產線等工業場所。優點是使用方便，型號很多，輸出量是開關量，不需調理電路。缺點是**較貴。
方案二：採用微型雷射發射器與光敏電阻組合形成發射接收對。
雷射的特點是傳輸距離遠，能量集中。當沒有物體遮擋時，雷射直射到光敏電阻上，光敏電阻的阻值較小，當有物體經過時，雷射被遮住，此時光敏電阻的阻值較大。由於光敏電阻對環境光同樣敏感，本設計運用了較長黑色套管遮擋環境光線。
只有雷射才能直射到光敏電阻的表面。
本系統採用方案二。
1.2.2.4 聲光報警功能
採用光敏電阻檢測路燈的亮度，同時排除環境光的干擾。
利用微控制器的ad口，讀入光敏電阻上檢測到的路燈亮度值。
1.2.2.5 恆流源驅動led及20％到100％範圍內可調亮度。
方案一：採用恆流源驅動晶元，目前市場上成品的恆流源驅動晶元比較多，一般採用使用取樣電阻調節輸出電流的方式。這些晶元使用方便，效能較好，但**較貴。
方案二：採用pwm方式驅動功率三極體輸出驅動電流，用電流取樣電阻串入led供電迴路，用ad口讀取當前的電流值，實現閉環控制。方案二利用了微控制器的ad變換資源，同時採用pwm方式，可以使led工作在斷斷續續的狀態，可以延長led的使用壽命。
本系統採用方案二。
本模擬路燈控制系統具備5種工作模式，分別是自動群控模式、自動分控模式、根據照度自動控制模式、根據交通情況自動控制模式、手動控制模式，下面對每種工作模式簡單介紹如下：
（1） 自動群控模式
在該模式下，支路控制器根據設定好的定時資訊，自動地同時開啟或者關閉兩盞路燈。系統啟動後預設進入該模式。
（2） 自動分控模式
在該模式下，支路控制器根據設定好的定時資訊，分別控制兩盞路燈的開關，例如，當系統的時間和路燈1開燈的時間相等時，開啟路燈1；當系統的時間和路燈2關燈的時間相等時開啟路燈2。
（3） 根據照度自動控制模式
在該模式下，當環境照度低於一定的值時開啟兩盞路燈，當環境照度高於一定的值時關閉兩盞路燈。
（4） 根據交通情況自動控制模式
在該模式下，當可移動物體m由左到右到達s點時（見圖××），燈1亮；當物體m到達b點時，燈1滅，燈2亮；若物體m由右到左移動時，則亮燈的次序與上相反。
（5） 手動控制模式
在手動模式時，兩盞路燈只能由支路控制器用增加和減少鍵手動的調整亮度，路燈的亮度可以在0％～100％自由的上下調整，步進為10％。
（1）～（4）等四種工作模式是互斥的，即在某一時刻只能具有其中的一種功能，不過各種模式可以手動的切換，手動調整路燈亮度的功能在這四種模式中都是有效的。
另外，路燈的，系統還具備故障檢測
支路控制器具備6個按鍵，分別為時間調整鍵、模式選擇鍵、亮度調整鍵、增加鍵、減少鍵、確認鍵。
時間調整鍵：按時間調整鍵時，可以迴圈地選擇系統時間、路燈1和2共同的開關燈時間、路燈1的開關燈時間和路燈2的開關燈時間。
路燈控制系統方案
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