1、控制科學與工程綜合技術實驗項目設計說明書項 目： 光源照度控制系統姓 名： 張偉剛學 號： 0908110678西安理工大學信息與控制工程系2010年 8月 18 日目 錄1概述 . . 22總體設計 . . 22.1系統功能 . 22.2系統構成 . 22.3元器件選型及分析 . 32.4系統核心處理策略 . 43、詳細設計 . 43.1硬件設計 . 43.2軟件設計 . 74、測試與調試. 104.1測試 . 104.2調試 .115、結論與展望. 131概述本實驗是光源照度控制系統，是利用照度傳感器檢測環境亮度的變化，采用相應的控制算法，來調節可控光源的亮度，以確保控制對象表面照度恒定。

2、2總體設計2.1系統功能利用光敏三極管檢測光源照度的強弱，傳感器將檢測數據傳送給控制核心單片機，根據處理結果去控制光源的亮度，使光源照度保持到設定的范圍，確保表面照度恒定。如下圖所示，為光源照度控制系統原理框圖：圖1光源照度控制系統原理框圖 2.2系統構成該系統主要由四部分組成：傳感器檢測部分、控制部分、LED 光源部分及上位機通訊部分。 2.3元器件選型及分析單片機(STC12C5A16S2照度檢測(光敏三極管3DU5C可控光源(普通白光LED 3.5V/1W本設計采用STC12C5A16S2型號單片機，指令代碼完全兼容傳統的8051型單片機，內部集成專用的復位電路和看門狗電路，保證系統的正

3、常運行。相對高速的數據處理能力完全可以勝任對輸入信號的處理，并執行相應的程序，通用的36/40個I/O端口，連接電源、電機、光敏三極管等外圍設備。2個16位定時器/計數器，與傳統的8051單片機相同，另外2路PCA 模塊可再實現2個定時器/計數器，可完成對外部信號的計數和定時功能。8路10位精度的ADC ，轉換速度可達25萬次/s。2路PWM 用來調制不同的脈沖。7路外部中斷I/O口。光照強度(照度 是物體被照明的程度，也即物體表面所得到的光通量與被照面積之比，單位是Ix(l勒克斯是l 流明的光通量均勻照射在l 平方米面積上所產生的照度, 夏季在陽光直接照射下，光照強度可達6萬10萬lx ，沒

4、有太陽的室外0.1萬1萬lx ，夏天明朗的室內1005501x ，夜間滿月下為0.21x 。本實驗的可控照度范圍為01萬lx 。用光敏三極管作照度檢測：光敏三極管和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時也受光輻射的控制。因此，也可實現光強度的轉化。本實驗要實現多個LED 組光源的亮度控制，才能較明顯地觀察到可控光源的效果。采用三極管控制（9013）作為LED 的驅動，成本低，控制方便。基于VC6.0的人機交互界面，通過串口通訊，可以照度值的設定和實時照度值的顯示。2.4系統核心處理策略通過照度傳感器對表面照度進行檢測，采用單片機內部AD 口進行采樣

5、。當表面照度小于照度設定值時，控制光源亮度增大；當表面照度大于照度設定值時，控制光源亮度減小。用PWM 控制LED 光源，本實驗的實現步驟是先實現單個LED 的亮度控制，再通過三極管實現多個LED 的亮度控制，以達到實驗要求的照度可調。本系統采用基本的PID 算法實現控制。PID 控制算法結構簡單，易于理解和掌握，對大多數被控對象有較好的控制效果，需要被控對象精確的數學模型。3、詳細設計3.1硬件設計本設計是基于STC12C5A16S2單片機的最小系統板設計的，以下只列出其余的電路設計。圖2光源照度控制系統硬件框圖如下圖所示為系統硬件框圖：采用光敏三極管檢測光照強度，使用單片機的P1.0AD

6、口實現AD 轉換，將模擬量轉換為數字量。具體應用電路如下： 5圖3光源照度檢測電路圖單片機輸出兩路PWM ，利用三極管（9013）的開關特性，實現LED 亮度控制。具體應用電路如下： 圖4可控光源電路圖 6如下圖所示，是主程序的軟件流程圖：圖5主程序流程圖 7PID 控制算法結構簡單，易于理解和掌握，對大多數被控對象有較好的控制效果，需要被控對象精確的數學模型。PID 控制算法是最佳的控制調節，它是由P 調節的比例增益和抑制超調量的D 調節, 以及消除穩定偏差的I 調節來決定的調節。基本的PID 控制算法有增量式與位置式。本系統采用增量式PID 控制算法。 PID 的微分方程：輸入為誤差信號e

7、(t，輸出為控制量u(t，如下式所示：u (t =K e (t +1/T i e (t dt +T d0tde (t dt+u 0（1）其中：u(t：控制量e(t：誤差信號 K ：比例系數T i ：積分時間常數T d ：微分時間常數u 0：控制量的基準（誤差e=0時的控制量）如下是增量式數字PID （當采樣周期足夠小時）： u i =K e i +T T iiej =0j+T d T(e i -e i -1+u 0（2）u i -1=K e i -1+T T ii -1j =0e j +T d T(e i -1-e i -2+u 0（3）由式（2）和式（3）得增量式PID 控制算法，如下：u

8、i =u i -u i -1=K e i -e i -1+T T ie i +T d T(e i -2e i -1+e i -2為了編程實現增量式PID 控制算法，將上式轉化為：u i =d 0e i +d 1e i -1+d 2e i -2（4）其中：d 0=K (1+T T i+T d T8d 1=-K (1+d 2=KT d T2T d T增量式PID 算法流程如下：圖6 PID算法流程圖基于VC6.0的人機交互界面，通過串口通訊，可以顯示設定照度值、實時照度檢測值。人機交互界面如下： 9圖 7 人機交互界面 4、測試與調試 、 4.1 測試 問題 1：光敏傳感器的檢測電壓值不穩定 解決

9、方法：將原設計電路中的 0.1uF 的濾波電容改為 10uF 的濾波電容，該問題 得到了解決。 問題 2：一路 PWM 輸出驅動三個 LED 或者更多的 LED 燈時，由于電路的分流 不均勻，導致三個 LED 燈的亮度不相同，如圖 8 所示： 10 圖 8 一路 PWM 驅動三個 LED 燈 解決方法：一路 PWM 只驅動兩個 LED，使用兩路 PWM，則共可驅動四個 LED 燈。 4.2 調試 如下是系統實物圖： 圖 9 系統實物圖 程序運行后，單片機每隔 200ms 將采集到的照度值發送給上位機顯示，如下 11 圖 10 所示，通過上位機對照度值進行設定，能夠達到即時準確地控制，如下圖 11 所示。 圖 10 單片機與上位機的實時通訊 圖 11 不同設定照度值下的照度曲線圖 12 5、結論與展望 、結論與展望 本系統能夠較好地實現照度值的實時控制，使照度值保持在設定值的范圍 內，基本完成了本系統的控制要求。 光源照度控制系統是一個比較實用的方案，并且具有很強的推廣意義。雖然 本系統實現了一些基本要求，但是離實際應該還有一定相當大的距離。進一步的 工作有： （1）檢測環節：空間較大時，用一個傳感器檢測照度值誤差會較大。可采用多 個傳感器檢測照度值，