GPT-4o给出的设计方案：

一、总体设计

设计一套模拟路灯控制系统，主要包括一个控制器和两个单元采集控制器，控制器统一管理并监控路灯的操作状态，通过单元采集控制器实现路灯的开关和故障检测。

二、简单论证

系统需要实现定时开关、故障检测以及信号采集。定时功能保证路灯按计划开关，光敏传感器提供环境亮度数据，单元采集控制器采集和控制每盏路灯的状态，并将故障和工作状态上报至中央控制器。

三、重要指标的理论分析

1. 定时功能：使用RTC模块实现准确的实时钟功能，控制路灯在指定时间开关。
2. 环境光检测：光敏传感器采集外界光强度数据，帮助实现光控功能。
3. 故障检测：每盏路灯的电流或电压监控，判断是否存在灯泡损坏或电路故障。
4. 控制信号：通过单片机实现对路灯的控制，对采集的信号进行快速处理和反馈。

四、电路原理图设计要点

1. 控制器电路：

   • 包括实时钟模块（RTC），用于时间管理和定时控制。
   • MCU（如STM32），负责整体逻辑控制、数据处理和通信。
   • 接收单元数据，发送控制信息。

2. 采集控制单元电路：

   • 包含光敏电阻（LDR）或光电二极管，用于光强度测量。
   • MOSFET或继电器驱动电路，用于开关路灯。
   • 电流检测电路（如霍尔传感器或分流电阻+运放），用于故障检测。

3. 通信电路：

   • 采用I2C或RS485总线，保证多个单元采集控制器与中央控制器之间的稳定通信。

五、核心器件设计要点

1. STM32 MCU：

   • 支持多种外设接口，快速处理能力，适合实时控制。
   • 内置RTC模块，低功耗。

2. 光敏传感器（LDR/光电二极管）：

   • 高灵敏度，快速响应外界光强度变化。
   • 需进行适当的信号调理（如滤波和放大）。

3. MOSFET：

   • 低导通电阻，大电流处理能力，适合驱动大功率LED。

4. 霍尔电流传感器：

   • 高精度，非接触测量，可实现实时电流监测。

六、MCU重要功能的C代码及介绍

以下是使用STM32进行定时控制、光强检测和故障诊断的C代码示例：

#include "stm32f1xx.h"

#define LIGHT_THRESHOLD 500  // 光强度阈值
#define TIME_ON  1800        // 18:00 开灯时间
#define TIME_OFF 600         // 06:00 关灯时间

RTC_HandleTypeDef hrtc;
ADC_HandleTypeDef hadc1;
TIM_HandleTypeDef htim2;

// 实时钟初始化
void SystemClock_Config(void);
void RTC_Init(void);
void GPIO_Init(void);
void ADC1_Init(void);
void TIM2_Init(void);

// 获取当前时间
RTC_TimeTypeDef Get_Current_Time(void) {
    RTC_TimeTypeDef currentTime;
    HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &currentTime, RTC_FORMAT_BIN);
    return currentTime;
}

// 检查是否在开灯时间范围内
uint8_t Check_Light_Time(RTC_TimeTypeDef currentTime) {
    if ((currentTime.Hours >= TIME_ON / 100) || (currentTime.Hours < TIME_OFF / 100)) {
        return 1;
    }
    return 0;
}

// 光强度检测
uint32_t Get_Light_Intensity(void) {
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);
    return HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
}

// 检测故障
uint8_t Check_Light_Fault(void) {
    // 检测电流是否正常，假设通过ADC检测电流
    uint32_t current = Get_Light_Intensity(); // 电流模拟值
    if (current < 10 || current > 1000) {
        return 1; // 出现故障
    }
    return 0;
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    RTC_Init();
    GPIO_Init();
    ADC1_Init();
    TIM2_Init();

    RTC_TimeTypeDef currentTime;
    while (1) {
        currentTime = Get_Current_Time();
        uint32_t lightIntensity = Get_Light_Intensity();
        
        if (Check_Light_Time(currentTime) && lightIntensity < LIGHT_THRESHOLD) {
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET); // 开灯
        } else {
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET); // 关灯
        }

        if (Check_Light_Fault()) {
            // 处理故障，可能需要上报或报警
        }

        HAL_Delay(1000); // 延时1秒
    }
}

void SystemClock_Config(void) {
    // 配置系统时钟
}

void RTC_Init(void) {
    // 初始化RTC
}

void GPIO_Init(void) {
    // 初始化GPIO
}

void ADC1_Init(void) {
    // 初始化ADC
}

void TIM2_Init(void) {
    // 初始化定时器
}

代码介绍

• SystemClock_Config: 配置系统时钟。
• RTC_Init: 初始化RTC模块，实现定时功能。
• GPIO_Init: 初始化GPIO接口，用于控制路灯的开关。
• ADC1_Init: 初始化ADC，用于光敏传感器信号采集。
• TIM2_Init: 初始化定时器，实现定时任务调度。

本题考察的主要知识点：

1. 控制器设计：

   • 设计包括定时功能的控制器，能够实现定时开关路灯。
   • 控制各采集控制单元并处理采集信号。

2. 单元采集控制器设计：

   • 负责光敏传感器数据的采集，实现光控功能。
   • 管理每个路灯的开关状态，并检测故障。

3. 传感器技术：

   • 使用光敏电阻或光电二极管检测外界光强度。
   • 使用电流传感器（如霍尔传感器）进行路灯工作状态监测。

4. 功率控制与驱动电路：

   • 使用MOSFET或继电器控制路灯的开关。
   • 考虑驱动电路的功率管理和保护机制。

5. 通信技术：

   • 实现多单元与控制器之间的通信，如I2C或RS485总线。
   • 保证通信的稳定与及时性。

6. 软件编程：

   • 使用MCU（如STM32）进行系统控制。
   • 编写C语言代码实现时钟功能、传感器数据采集、信号处理和故障检测。