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1、控制科学与工程综合技术实验项目设计说明书项 目： 光源照度控制系统姓 名： 张伟刚学 号： 0908110678西安理工大学信息与控制工程系2010年 8月 18 日目 录1概述22总体设计22.1系统功能22.2系统构成22.3元器件选型及分析32.3.1 STC12C5A16S2单片机简介32.3.2照度检测（3DU5C）32.3.3可控光源32.3.4人机界面（VC+6.0）42.4系统核心处理策略42.4.1光照强度的测量与控制42.4.2可控光源42.4.3控制算法43、详细设计43.1硬件设计43.1.1功能划分53.1.2照度检测模块53.1.3可控光源模块63.2软件设计73.
2、2.1主程序流程73.2.2 PID控制算法83.2.3上位机通讯94、测试与调试104.1测试104.2调试115、结论与展望131概述本实验是光源照度控制系统，是利用照度传感器检测环境亮度的变化，采用相应的控制算法，来调节可控光源的亮度，以确保控制对象表面照度恒定。2总体设计2.1系统功能利用光敏三极管检测光源照度的强弱，传感器将检测数据传送给控制核心单片机，根据处理结果去控制光源的亮度，使光源照度保持到设定的范围，确保表面照度恒定。如下图所示，为光源照度控制系统原理框图：单片机照度检测模块驱动上位机通讯LED光源图1光源照度控制系统原理框图2.2系统构成该系统主要由四部分组成：传感器检测
3、部分、控制部分、LED光源部分及上位机通讯部分。2.3元器件选型及分析单片机(STC12C5A16S2)照度检测(光敏三极管3DU5C)可控光源(普通白光LED 3.5V/1W) 2.3.1 STC12C5A16S2单片机简介本设计采用STC12C5A16S2型号单片机，指令代码完全兼容传统的8051型单片机，内部集成专用的复位电路和看门狗电路，保证系统的正常运行。相对高速的数据处理能力完全可以胜任对输入信号的处理，并执行相应的程序，通用的36/40个I/O端口，连接电源、电机、光敏三极管等外围设备。2个16位定时器/计数器，与传统的8051单片机相同，另外2路PCA模块可再实现2个定时器/计
4、数器，可完成对外部信号的计数和定时功能。8路10位精度的ADC，转换速度可达25万次/s。2路PWM用来调制不同的脉冲。7路外部中断I/O口。2.3.2照度检测（3DU5C） 光照强度(照度) 是物体被照明的程度，也即物体表面所得到的光通量与被照面积之比，单位是Ix(l勒克斯是l流明的光通量均匀照射在l平方米面积上所产生的照度), 夏季在阳光直接照射下，光照强度可达6万10万lx，没有太阳的室外0.1万1万lx，夏天明朗的室内1005501x，夜间满月下为0.21x。 本实验的可控照度范围为01万lx。 用光敏三极管作照度检测：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
5、只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。因此，也可实现光强度的转化。2.3.3可控光源 本实验要实现多个LED组光源的亮度控制，才能较明显地观察到可控光源的效果。采用三极管控制（9013）作为LED的驱动，成本低，控制方便。2.3.4人机界面（VC+6.0）基于VC6.0的人机交互界面，通过串口通讯，可以照度值的设定和实时照度值的显示。2.4系统核心处理策略2.4.1光照强度的测量与控制通过照度传感器对表面照度进行检测，采用单片机内部AD口进行采样。当表面照度小于照度设定值时，控制光源亮度增大；当表面照度大于照度设定值时，控制光源亮度减小。2.4.2可控光源 用PWM控制LED光源，本
6、实验的实现步骤是先实现单个LED的亮度控制，再通过三极管实现多个LED的亮度控制，以达到实验要求的照度可调。2.4.3控制算法 本系统采用基本的PID算法实现控制。PID控制算法结构简单，易于理解和掌握，对大多数被控对象有较好的控制效果，需要被控对象精确的数学模型。3、详细设计3.1硬件设计本设计是基于STC12C5A16S2单片机的最小系统板设计的，以下只列出其余的电路设计。3.1.1功能划分如下图所示为系统硬件框图：STC单片机电源照度检测可控光源串口通信人机界面图2光源照度控制系统硬件框图3.1.2照度检测模块采用光敏三极管检测光照强度，使用单片机的P1.0AD口实现AD转换，将模拟量转
7、换为数字量。具体应用电路如下：图3光源照度检测电路图3.1.3可控光源模块单片机输出两路PWM，利用三极管（9013）的开关特性，实现LED亮度控制。具体应用电路如下：图4可控光源电路图3.2软件设计3.2.1主程序流程如下图所示，是主程序的软件流程图：YN初始化串口中断开始初始化AD初始化PWM初始化PIDYN串口发送？发送照度值串口接收？接收设定值PID控制获取照度值设置PWM输出图5主程序流程图3.2.2 PID控制算法PID控制算法结构简单，易于理解和掌握，对大多数被控对象有较好的控制效果，需要被控对象精确的数学模型。PID控制算法是最佳的控制调节，它是由P调节的比例增益和抑制超调量的
8、D调节,以及消除稳定偏差的I调节来决定的调节。基本的PID控制算法有增量式与位置式。本系统采用增量式PID控制算法。PID的微分方程：输入为误差信号e(t)，输出为控制量u(t)，如下式所示： （1）其中：u(t)：控制量e(t)：误差信号K：比例系数：积分时间常数：微分时间常数：控制量的基准（误差e=0时的控制量）如下是增量式数字PID（当采样周期足够小时）： （2） （3）由式（2）和式（3）得增量式PID控制算法，如下：为了编程实现增量式PID控制算法，将上式转化为： （4）其中：增量式PID算法流程如下：NYYN偏差=设定照度-实时照度控制增量为下一时间做准备ei-1=ei，ei-2=
9、ei-1返回控制增量PID开始255?控制量置最大=2550?控制量置最小=0图6 PID算法流程图3.2.3上位机通讯基于VC6.0的人机交互界面，通过串口通讯，可以显示设定照度值、实时照度检测值。人机交互界面如下：图7人机交互界面4、测试与调试4.1测试问题1：光敏传感器的检测电压值不稳定解决方法：将原设计电路中的0.1uF的滤波电容改为10uF的滤波电容，该问题得到了解决。问题2：一路PWM输出驱动三个LED或者更多的LED灯时，由于电路的分流不均匀，导致三个LED灯的亮度不相同，如图8所示：图8一路PWM驱动三个LED灯解决方法：一路PWM只驱动两个LED，使用两路PWM，则共可驱动四
10、个LED灯。4.2调试如下是系统实物图：图9系统实物图程序运行后，单片机每隔200ms将采集到的照度值发送给上位机显示，如下图10所示，通过上位机对照度值进行设定，能够达到即时准确地控制，如下图11所示。图10单片机与上位机的实时通讯图11不同设定照度值下的照度曲线图5、结论与展望本系统能够较好地实现照度值的实时控制，使照度值保持在设定值的范围内，基本完成了本系统的控制要求。光源照度控制系统是一个比较实用的方案，并且具有很强的推广意义。虽然本系统实现了一些基本要求，但是离实际应该还有一定相当大的距离。进一步的工作有：（1）检测环节：空间较大时，用一个传感器检测照度值误差会较大。可采用多个传感器检测照度值，然后求其均值。（2）可控光源部分：本系统只采用了4个直流LED做光源，为增强照度值，可采用MAX16800或LM3407等驱动芯片，驱动更多的LED灯，以满足实际的照度需要。针对目前常用的白炽灯或节能灯，控制交流电源实现表面照度的实时控制，具有更大的实际应用价值和市场潜力。13