高速路灯服务系统[终稿]

高速路灯服务系统[终稿] 动心智慧高速路灯服务系统 摘要 本系统以STC单片机系列STC89C52单片机为核心组成支路控制系统。单片机与单片机之间进行的是无线通信。本服务系统采用光敏传感器检测光线强弱并根据光线强弱调节灯亮度，当光线充足时自动关灯;采用超声波测距模块实现测速功能，根据车的速度选择点亮路灯的盏数，没车经过时可自动关灯;有车出现故障停在路边时会始终点亮附近三盏灯且灯的颜色调为红色以警示后面的车辆;车出现故障时有人需要帮助可以按下求助按钮，求助信息就可以发送到管理中心。如果车出现故障而长时间没有人按求助按钮，则系统可自动发送求助信息，管理中心就会报警并显示求助的地点;采用HD74LS20P实现路灯系统自动报修功能。 关键词,STC89C52、节能、超声波测速、光敏传感器 目 录 0 引言.......................................................................................... 3 1 设计任务.................................................................................. 3 1.1 任务 ................................................................................ 3 1.2 要求................................................................................ 4 2 论证与比较...................................................................... 4 2.1 测速方案比较与选择.................................................... 4 2.2 通信方案比较与选择.................................................... 5 2.3 路灯控制方式比较与选择............................................ 5 3 总体设计方案......................................................................... 6 3.1 亮度调节系统设计........................................................ 6 3.2 路灯控制系统设计........................................................ 7 3.3 管理中心系统设计........................................................ 7 3.4 单元模块设计................................................................ 8 3.41 电源模块............................................................... 8 3.42 无线模块............................................................... 9 3.43 测速模块............................................................... 9 3.44 光敏模块............................................................. 10 3.45 自动报修模块..................................................... 11 3.46 报警系统............................................................. 11 3.5 软件设计...................................................................... 12 4 总结........................................................................................ 13 5 参考文献............................................................................... 13 附录:........................................................................................ 13 附1:元器件清单.............................................................. 14 附2:程序清单.................................................................. 14 0 引言 高速公路绝大部分情况下没有路灯，绝大多数高速路段都是通过设在道路两旁的荧光反光板，通过车辆大灯照射后发光来标识道路走向的。设路灯的分为几种情况:环城高速公路、机场高速公路、部分特殊景观区高速公路等。高速公路上不设路灯原意是为了节能，却给司机带来了诸多不便。当车辆在高速公路上突然出现故障无法行驶时，高速公路旁没有路灯，给车主带来不便，同时也易造成车祸事故。而且部分高速公路路况较差，夜间高速公路没有路灯照明已经越来越影响到高速公路的交通安全。在没有灯光照明的情况下，司机很难看到路面的颠簸不平，在夜间照明条件较差的情况下长时间驾车很容易感觉到疲劳，从而导致司机一不小心就撞上了高速公路两侧的护栏、铁丝网，致使高速公路两侧受到破坏。没有路灯也造成事故报警定位难， 在高速公路上，路况较为单一，再加上没有路灯杆作为参照，司机在报警时往往很难准确说出自己所在位置，给交警出警造成一定难度。 为了节能，也为了方便司机，我们设计了这样一个高速公路路灯服务系统，路灯采用的是LED灯，节能环保。这个服务系统既能解决高速公路没有路灯造成的问题，也不改变节能的初衷，并且能降低高速公路上的夜间车祸事故发生率。 1 设计任务 1.1 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1-1所示，路灯布置如图1-2所示。 单元控制器2单元控制器3单元控制器4单元控制器5单元控制器6单元控制器1 输出、显示装置 图1-1 LED灯2 50LED灯1 定位点 S’50 50 C50 20B50 AMS 图1-2 1.2 要求 (1) 本系统可以根据光线的强弱调节灯的亮度，光线充足时自动关灯。 (2) 它可以根据车的速度选择点亮灯的盏数，没有车驶过时自动关灯。 (3) 当有车出现故障停在路边，它就会始终点亮附近三盏灯，并将灯的颜色调节为红色，以警示后面的车辆。 (4) 出现故障的车需要帮助可以按下求助按钮，求助信息就可以发送到管理中心。如果出现故障而长时间没有人按求助按钮(车主出现意外等情况)，则系统可自动发送求助信息到管理中心并显示其地址。 (5)该系统具有自动报修功能。 (6) 如果管理中心接收不到某个路灯的数据，系统会该无线通信模块故障。 (7) 当光线充足时测速模块处于关闭状态。 2 方案论证与比较 2.1 测速方案比较与选择 超声波测速方案:采用超声波测距模块来间接测量车行驶的速度。当车经过时，路灯上的超声波测距模块便测出车到其路灯的距离S1，过了1秒再次测量车到路灯的距离S2，两次距离均输入到单片机，经单片机处理算出车的平均速度:V=S2,S1。由于距离差的时间很短，所以其平均速度默认为车的速度。单片机处理好后将其车速发送给其他单片机，各个单片机根据车速确定是否点亮灯。 光电传感测速方案:就是在两个路灯上各安置一个光电传感器，在车经过第一个路灯时，光不能通过，此时计时一次;当车经过第二个路灯时，光电传感器再次计时。根据两次计时差及固定的路灯间距可以算出车速，从而根据车速改变路灯的亮灭情况。 光电传感器输出信号不稳定易造成检测物体误动作，且可能会出现检测到物体后没有输出的情况，光照强度过大时不能正常运行，受环境干扰大(如粉尘会挡住传感器探头表面等)，且易受电气干扰。而超声波测距模块对雨、雾、雪的穿透力强，衰减小，可以在雨雪雾等恶劣天气下工作，也不受光照强度影响，耐脏污，即使上面有尘土，只要没有堵死就可以测量，可以在较差的环境中使用。抗干扰性能好，成本低，原理简单且制作方便。检测的结果误差很小，所测得的数据准确真实，不会出现检测后没有输出的情况。因此我们选择超声波测速方案。 2.2 通信方案比较与选择 方案一:采用I ?C总线通信方式。I ?C总线由串行数据线SDA和串行时钟线SCL构成，可发送和接收数据。组成系统结构简单，芯片管脚数量少，无需片选信号。总线长度为7.6m，传送速度可达400kbps。 方案二:nRF24L01通信方式。nRF24L01是一款新型单片射频收发器件。工作在2.4~2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9mA，接收模式时为12.3mA。掉电模式和待机模式下电流消耗更低。nRF24L01在接收模式下可以接收6路不同通道的数据，每一个数据通道使用不同的地址，但是共用相同的频道。在确认收到数据后记录地址并以此地址为目标地址发送应答信号。 方案三:Zig Bee是一种新兴的无线网络技术，是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术。主要用于近距离无线连接。 最终方案选择:有线通信搭线不方便，且受环境因素限制大，在一些偏僻地区通信受阻，而采用无线通信，不仅能解决偏远山区铺设电线难度大的问题，还能节省大量资金。因此我们选择用无线通信。 Zig Bee开发和使用成本都过高，花费巨大，数据率低，单跳传输距离近。nRF24L01模块性价比高，低能消耗。空中传输时间很短，极大的降低了无线传输中的碰撞现象。综合各种因素，我们选择采用方案二。 2.3 路灯控制方式比较与选择 方案1:管理中心设置好开关灯的时间，白天路灯自动熄灭，夜晚路灯自动亮。达到节约用电的目的。 方案2:通过光敏电阻感光，根据光线强弱自动调节灯的亮灭情况，并自动调节灯的亮度。 设置好时间段开关灯，虽然方便且节约电能，但灵活性差，每天天气都不一样(例如阴雨天气等)，这样设置死板还不易于车辆行驶。采用光敏电阻，根据光线强弱自动调节灯亮灭及其亮度，较为灵活方便。且不受外界环境影响。因此我们选择方案2。 3 总体设计方案 本系统以STC89C52单片机为控制核心，整个系统的框图如图3-1所示: LCD显示模块 光敏传感器 自动报修超声波测 速模块STC89C52 单元 路灯 控制报警系统模块 图3-1 系统框图 3.1 亮度调节系统设计 亮度调节系统 3.2 路灯控制系统设计 路灯控制系统 3.3 管理中心系统设计 管理中心系统 3.4 单元模块设计 3.41 电源模块 为了能够实现稳压电源中的输出电压调整管得到过热保护，而且又能满足稳压电源功能的就是集成稳压器自身。因此总电源模块我们选择采用三只7805并联的扩流方案，其输出电流可达4.5A，是单只7805时的3倍。其扩流倍数与并联数为简单的代数关系。 总电源模块电路原理图如图3-2所示: 图3-2 总电源模块 电源是系统中最重要的模块之一，我们使用的是LM117稳压模块，输入+5V电源经LM117稳压模块后输出稳定的+3.3V电源，用以驱动nRF24L01工作。 电源模块电路原理如图3-3所示: 图3-3 电源模块 3.42 无线模块 单片机与单片机之间就是通过无线模块进行通信的。nRF24L01无线收发器芯片作为单片机之间的通信渠道。nRF24L01模块如图3-4所示。各个单片机收到信号并将其信号处理后发送到总控制单片机处，总控制单片机处理后发送给相应的单片机，相应单片机发送指令给路灯，使路灯做出相应反应。 图3-4 nRF24L01 3.43 测速模块 US-100超声波测距模块可实现2cm~85cm的非接触测距功能，拥有2.4~5.5V的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，工作稳定可靠。同时具有GPIO、串口等多种通信方式。超声波测距模块US-100如图3-5所示。我们选择使用电平触发模式进行测距。电平触发模式下测出的距离已经经过温度校正，因此无需根据环境变化的温度对超声波声速进行校正，此模式下测出的距离准确率较高，不受环境温度影响。 当有车经过时，US-100便测出车到其路灯的距离S1，过了1秒再次测量车到路灯的距离S2，两次距离均输入到单片机，经单片机计算出车的平均速度V，由于距离差的时间很短，所以其平均速度默认为车的行驶速度。 图3-5 超声波测距模块 3.44 光敏模块 光敏电阻对光线敏感，通过光敏模块的阻值变化使其路灯的亮度发生改变。当外界光线充足时，路灯自行熄灭以节约电资源;当外界亮度稍微有点暗时，路灯自动亮，且亮度为50%;当外界暗得比较模糊时，路灯亮度自动调整成70%;外界完全黑暗时，路灯亮度自动调整为100%。根据光敏模块的变化，路灯可自动调整其亮灭情况，并自动调整其亮度。光敏模块如图3-6所示。 图3-6 光敏模块 3.45 自动报修功能 (1)路灯的电路自动报修功能是通过HD74LS20P与非门芯片实现的。如图3-7所示，将灯引出4根导线连接到HD76LS20P中的一个与非门。二极管全部正常工作时，与非门输出为“0”;当其中一个二极管坏了时，与非门输出变为“1”。其结果输送到STC89C52，单片机通过无线模块将其结果发送给管理中心，管理中心便能知道哪个路灯坏了。同时也将其信息发送给前一个路灯控制系统，让前一个路灯系统点亮红色的灯，警示前方车辆慢行。 图3-7 自动报修 (2)当路灯控制系统出现故障时，管理中心收不到该系统发来的信号也会发出声光报警，提示工作人员哪个地方出现故障。 3.46 报警系统 当检测到有车出现故障停在路边时，单片机输出指令让附近三盏路灯始终点亮，并将灯的颜色调为红色以警示后面的车辆，从而减小事故发生的概率。当车出现故障，车主自己解决不了需要帮助时可以按下路灯上的求助按钮K2，求助信息便自动发送到管理中心，工作人员便根据求助信息提供的地址到达目的地帮车主解决问题。如果车出现故障而长时间没有人按求助按钮K2(车主出现意外等情况)，则系统会自动发送求助信息到管理中心，并显示求助的地点，工作人员便可到该地点查看出什么问题了。工作人员解决问题后按下复位开关K3，管理中心里的求助信息自动解除并显示已解决问题。 3.5 软件设计 (1)系统流程图如下: 开始 初始化 判断环境判断移动判断LED求助按钮 明暗情况 小车行驶灯好坏 及求助情 速度 况 显示并输出相应动作 (2) 中断方面，本程序一共用了2个中断源:定时器1和外部中断0，它们 的优先级分别为:定时器1、外部中断0。 INTO_() interrupt 0 //外部中断0，用做判断回波电平 { outcomeH =TH1; //取出定时器的值 outcomeL =TL1; //取出定时器的值 succeed_flag=1; //至成功测量的标志 EX0=0; //关闭外部中断 } EA=0; Tx=1; delay_20us(); Tx=0; //产生一个20us的脉冲，在Tx引脚 while(Rx==0); //等待Rx回波引脚变高电平 succeed_flag=0; //清测量成功标志 EX0=1; //打开外部中断 TH1=0; //定时器1清零 TL1=0; //定时器1清零 TF1=0; // TR1=1; //启动定时器1 EA=1; while(TH1 < 30);//等待测量的结果，周期65.535毫秒(可用中断实现) TR1=0; //关闭定时器1 EX0=0; //关闭外部中断 4 总结 该系统能完成基本功能，光敏电阻在正常光照情况下电阻值为2K，在强光下电阻值为200欧姆，在黑暗情况下2M。路灯电路正常时采样点电压为3V左右，在开路故障时电压为0V。超声波测速偶尔会出现不稳定的情况。 硬件设计和软件设计是电子设计中不可缺少的内容，为了满足设计的功能和指标的要求，我们必须在开始设计时就考虑到硬件与软件的协调;不然会增加软件实现时困难和复杂程度，有时即使硬件和软件单独能用，却不能使他们组成的系统工作，故在设计的过程中必须考虑软硬件的处理能力以及它们的接口是否兼容，实现软硬件的信号过渡。 5 参考文献 【1】 高吉祥.全国大学生电子设计竞赛系列教程【M】.北京:电子工业出版社.2007 【2】 张志良.模拟电子技术【M】.北京:机械工业出版社.2006 【3】 何小艇.电子系统设计【M】.杭州:浙江大学出版社.2004 【4】 胡斌.元器件及实用电路解说【M】.北京:电子工业出版社.2007 【5】 刁鸣.常用电路模块分析与设计指导【M】.北京:清华大学出版社.2008 【6】 唐竞新.数字电路基础【M】.北京:清华大学出版社.2003 附录: 附1:元器件清单 STC89C52 HD76LS20P US-100 nRF24L01 LCD12864 附2:程序清单