基于51单片机的智能路灯的设计.pdf
《基于51单片机的智能路灯的设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于51单片机的智能路灯的设计.pdf（32页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
新宇电子工作室摘要在现代社会的发展，几乎每天我们会使用到路灯，虽然不像家用电器一样频繁的接触，可是路灯的发展却与我们息息相关。
目前市场上的路灯大多使用的发光体为荧光管或LED，灯光亮度不能随环境变化而自动调节，不够智能。
随着电子科学技术的快速发展，电子科学技术为设计出智能路灯提供了可能。
因此，本文设计和实现了基于51单片机的智能路灯系统，该系统由51单片机作为主控芯片、光强度传感器、PWM波光调节部分以及液晶显示等硬件设备构成，利用光强度传感器捕获周围的光亮，根据环境的变化，进而控制路灯的亮灭和强度。
本文提出的智能路灯系统具有低功耗，高稳定性等优点。
与传统的路灯相比，它的功能更加强大，使用也更加方便。
不仅提升了现在路灯的品质，也更好地满足了人们日常生活的需求。
关键词：
关键词：
单片机；光控模块；PWM波新宇电子工作室ABSTRACTInthedevelopmentofmodernsociety,almosteverydaywewillusethestreetlights,althoughwedonotuseitasfrequentlyashouseholdappliances,butthedevelopmentofstreetlampiscloselyrelatedtous.Atpresent,theluminousbodyinsidethestreetlampiscomposedoffluorescenttubeorLEDonthemarket.Brightnessadjustmentoftheordinarylampisinconvenientandunintelligentanditdoesnotchangewiththeenvironment.Withtherapiddevelopmentofelectronicscienceandtechnology,thereisagreatpossibilitytodesignasmartstreetlamp.Therefore,thispaperdesignsandimplementsanintelligentsystemforstreetlampbasedon51microcomputer.Thesystemconsistsofcontrolchipof51singlechipmicrocomputer,lightintensitysensor,infraredsensor,PWMwaveadjustmentandliquidcrystaldisplay（LCD）.Usinglightintensitysensorcaptureslightaround,accordingtochangesintheenvironment,whichinturncontroltheintensityandblinkinglights.Finally,experimentalresultshowstheproposedintelligentsystemforstreetlampislowerpowerconsumptionandhighstability.Comparedwiththetraditionalstreetlamp,theproposedsystemismorepowerfulandmoreconvenient.Notonlydoesitimprovethequalityofthestreetlamp,butalsoitmeetspeoplesneedfordailylife.Keywords:
Singlechipmicrocomputer;Opticalmodule;PWMwave新宇电子工作室目目录录第一章第一章绪论绪论.51.1课题研究背景与研究意义.51.2课题的研究内容和研究目标.6第二章第二章系统方案及原理系统方案及原理.72.1系统设计思路.72.2微控制器的选择与论证.82.3显示模块的选择与论证.9第三章第三章硬件设计硬件设计.103.1控制模块.103.1.1微控制器的发展.103.1.2微控制器模块.113.1.351单片机.123.1.451单片机外部电路.153.2显示电路.173.3光强度检测电路.193.4.1BH1750简介.193.4.2BH1750的通讯步奏.193.4.3BH1750与单片机的连接.203.4PWM波调光电路.213.6.1概述.213.6.2PWM波调光电路.22第四章第四章软件设计软件设计.224.1软件开发环境的介绍.224.2程序的流程图.234.3IIC时序控制.24新宇电子工作室第五章第五章调试与检测调试与检测.265.1整机调试.265.2调试结论.27第六章第六章总结总结.27参考文献参考文献.29致谢致谢.30附录附录.31新宇电子工作室第一章第一章绪论绪论智能家居、智能汽车、智能机器人，智能控制的设备已经无处不在。
蒸汽机的发明带来是工业革命。
电子技术的发展带来的是信息革命。
电子科学技术应用于社会生产以及社会生活的方方面面已经是时代的主流和趋势，衡量一个国家的综合国力和发展潜力，电子技术的有效转化率很重要。
好的技术应用到实际生活才是王道。
电子科学是基础学科，是工业生产和现代化建设的基础。
从电子科学的水平就可以反应一个国家的现代化发展水平。
随着中国现代化进程的不断推进，在工业、农业等方面都对电子科学提出了更高的要求，电子科学与人民的生活密不可分，间接的促进了电子科学的发展1。
21世纪信息化和智能电子越来越普遍，人民的生活产生了显著地变化，越来越多的电子2,3智能化设备正慢慢地进入到普通百姓的家庭，从方方面面改变着人民的生活，更加方便、智能的电子设备正不断提升人民对电子设备的认知。
人们对生活的需求也越来越高，智能控制的各个领域这一新兴的概念正在悄悄的走进我们的日常生活。
1.1课题研究背景与研究意义课题研究背景与研究意义从远古时代开始，人们就开始追求光明，最早的时候，当钻木取火还没有出现的时候，人类可以利用萤火虫作为照明的工具。
大约4000年前，人类第一次使用火作为照明的工具，可以说是这是照明史上的一次重大改革。
自此之后，人类开始广泛采用火作为照明工具，慢慢的出现了各种灯具，中国最早的灯具出现于战国时期，那时候青铜器的发展迅速，各种形状的灯具也被极具智慧的祖先发明出来并广泛使用。
人类在追求光明的路上从未停步，当中国的第一盏路灯出现在上海的街头时，那种神圣感在每个人的心中扩散开来，尽管那时候还没有采用电技术。
随着工业的发展，当第一盏电灯在上海亮起，我们的自豪与欢欣在心底无法表述。
到了近现代，电灯已经成为我们每天都要使用的日常必须品。
同样的，路灯的发展也异常迅速，传统的路灯光源采用白炽灯或者高压钠灯，但随着人们对路灯要求的不断提高，对绿色环保的追求，传统的路灯设计也存在人工控制或定时控制的缺陷。
这些年以来，随着LED的发展，在路灯的发展领域渐渐的也占据了一席之地，和传统的路灯光源相比，LED路灯更为环保、低功耗，在使用寿新宇电子工作室命上也具有很大的优势。
另一方面，人工控制路灯的开关或者定时的进行控制路灯开关，无疑限制了路灯的发展，技术发展到今天，设计并实现一款可以根据当前光强的情况而自动开关或调节亮度的路灯已经有所需求。
智能化控制是在互联网高速发展的大背景下提出来的，把一些电子设备或公共设备和互联网结合起来，彻底改变了这些设备的局限性。
现在许多知名公司都把智能控制方面作为以后发展的主要方向。
现在许多智能控制系统早已被大家普遍使用，例如：
照明系统、安防系统、智能家居控制系统等。
智能路灯就是其中的一个典型代表。
随着改革开放和社会主义现代化建设的发展，我国的经济高速发展，人们的生活发生了天翻覆地的变化。
人们对生活的质量提出了更高的要求，绿色、节能、智能逐渐成为社会的主旋律。
在更注重节能减排，绿色生活的今天，智能路灯越来越受到人们的欢迎，既能保证正常的照明，又能充分的做到节能和智能，深受人们的喜爱。
路灯的智能化已经是大势所趋，智能路灯具在未来的几年将会成为公共照明市场的主题。
1.2课题的研究内容和研究目标课题的研究内容和研究目标本课题的研究内容是采用51单片机4为控制核心的智能路灯系统，通过光强度感应模块来采集和感应外界光信号的强度，通过IIC通信协议与单片机进行数据通信，51单片机系统控制将光强度的数值实时显示在液晶屏上，然后通过PWM波调光模块根据环境的亮度来调节路灯的亮度。
系统总体框架图如图1-1所示：
图1-1系统的总体结构框图具体的章节和各章的内容安排如下：
第一章：
介绍路灯的发展历史与现状，确定本设计的主要研究方向，从宏观新宇电子工作室上展示路灯设计的方向。
第二章：
提出本设计主体硬件和软件的方案，分别对所用器件和模块进行方案的对比和选择。
第三章：
介绍各个硬件模块的特点和性能，说明各模块之前具体的电路连接，进一步阐述各个部分的原理。
第四章：
主要软件设计的主要开发平台，讲解整个系统工作的流程和步骤。
第五章：
主要针对电子设计的开发与制作工程中需要注意的工艺问题，而且进一步讲解各个硬件和软件部分的调试过程和步骤。
第六章：
总结本论文和设计实现的科研成果，并提出一些不足的地方，对未来得改进工作提出一些建议。
第二章第二章系统方案及原理系统方案及原理2.1系统设计思路系统设计思路本设计从路灯发展的实际情况出发，在研究和学习路灯和智能控制的相关知识，利用我们所学的知识，主要针对电子电气、测控、自动化等相关专业的学生，在实验室教学的情况下，与理论相结合，动手设计一款可以根据当前光强的情况而自动开关或调节亮度的路灯，所以最好能够结合相关专业在大学里接受的相关知识，能够较大程度的把学生所学的知识都可以用到设计中来。
由此，设计应包含不止是硬件电路，模拟电路等相关知识，还应包含各种软件的使用、程序的编写以及调试。
当然，在这个智能路灯系统完成后，我们可以进行产品化的定制，更好地为人民服务。
在后续的功能拓展，能够方便在原有的基础上进行功能的强化和增加。
在现实生活中，大部分路灯都是手动控制或定时控制，而且均采用日光灯或者白炽灯泡为光源，通过220V交流电源进行供电。
但是，这种传统的路灯存在了一些弊端。
传统的白炽灯使用较早。
虽然依然是应用最广泛的灯具之一。
但是随着节能减排的生活理念的提出，以及人们对灯具使用更高要求的提出。
白炽灯很多不可避免的缺点也是越来越显示出来。
本身的损耗较大，效率很低。
发热量很大，自身的寿命不能满足日常的使用。
本身白炽灯的色域相对比较小。
不一定新宇电子工作室能产生用户需要的特定的颜色色域。
所以很多情况下，白炽灯只在简单的场合使用。
不能很好的胜任特殊场合。
而且白炽灯抗电路干扰的能力很小。
当遇到电网电流或者电压波动的时候，总是会出现白炽灯烧坏的情况。
而手动开关或定时开关的形式，对于光线较强的时候，不需要高亮度或者根本不需要开灯的时候，对于街灯的使用是一种资源的浪费；反之，当光线较弱或者基本没有光线的时候，其亮度不会自动增强，达到我们的使用需求。
所以，针对以上几点不足，本设计决定使用创新的方法进行对上述弊端的克服，第一本设计采用LED等作为街灯光源，LED灯的效很高，发热量只有一般白炽灯的十分之一，也就意味着可以把大部分的能量转换成光能。
而且白炽灯根据制作工艺的不同，或者材料的细微差别。
能发出很多特殊的光线颜色。
LED灯的体积也是比较小的。
很好的适应各个地方得应用。
重要的是，LED光线强度可调，所以我们可以在系统中增加光强度感应模块和PWM波光调节模块，来达到对不同环境下的对光强的不同调节。
同时，增加了液晶显示屏可以显示当前环境的光照强度。
2.2微控制器的选择与论证微控制器的选择与论证方案一：
C51单片机作为常用的微控制器，其具有众所周知的优点，首先其制作的成本低；其次，出现较早，具有着久远的历史，因此，大量有价值的资料可供我们参考，而且资料查找的途径也非常多。
C51单片机从出现以来，始终受到市场的喜爱和关注，后来由此衍生很多系列产品，从而可以从侧面看出51单片机具有很高的性价比。
但是该单片机亦有一些不足，构造比较陈旧过时，配置不够高端。
另外，通常使用的51单片机的IO口数量不是很丰富，是不可以应用于大型的项目中。
不能够满足对全系统技术需求的情况限制了该单片机的使用范围。
方案二：
与C51单片机对比，显而易见MSP430单片机具有高性能与低功耗的优点。
首先，十六位的数据处理能力是C51单片机不止两倍的关系，很大程度上提升了单片机的性能，内部哈弗总线构造使代码执行的速度提升到很高的档次。
其次，其增强了单片机内外设置，具有十六个含有中断功能的IO口，自身配置十二位模数转换器，捕捉定时器，UART接口等。
MSP430的功耗很低，在非动态状态时几乎不需消耗能量，本次课题是在节能理念前提下的研究课题，因此对于能量消耗的要求应尽可能的低。
若在本次设计中选MSP430单片机作为微控新宇电子工作室制器，可以满足我们课题的需求。
但是MSP430单片机的价格比C51贵很多，在一些简单的系统中使用，其性价比不高。
如果作为产品批量生产，性价比显然是我们应该进行考量的。
MSP430单片机自身也有很短缺陷，并不能很好的结合其他外设实现更加复杂的功能。
方案三：
STM32微控制器，STM32为控制芯片不仅仅具有高性能，而且低功耗的优点。
首先，三十二位的数据处理能力，数据处理的能力更加强大，内部采用。
其次，其增强了单片机内外设置，具有十六个含有中断功能的IO口，自身配置COTEX-M3处理器，这款芯片的内核是ARM的低端产品，相比一般的单片机，他的工作性能是一个质的飞跃。
高位多通道位模数转换器，捕捉定时器，UART接口、IIC通信接口、USB通信接口等。
强大的处理能力和运算速度，丰富的外设，为以后的功能的扩展提供了很好的平台。
和MSP430一样，虽然STM32的功能更为强大，但是在价格方面也相对较高，如果生产一些简单的控制系统，其性价比反而不高。
本设计使用单片机只是作为一个简单的控制中心，不需要太多的接口，对于运算速度的要求也没有很高，在考虑成本以及功能的实现方面，本设计采用方案一就可以实现系统的设计功能。
2.3显示模块的选择与论证显示模块的选择与论证方案一：
选择移位寄存器，数据通过非并行方式录入，在时钟端脉冲在上升时录入数据。
虽然该种显示方法的软件部分设计比较简单，需要内存很少，但是硬件部分需要大量的焊接，焊接容易出现漏焊和虚焊等问题，并且外观不漂亮，所以该种选择不适合我们课题研究的要求。
方案二：
采用自带字库的LCD12864液晶屏。
这款液晶显示屏经常被使用，不仅可以显示汉字和ASCII码，还可以描点画线。
LCD12864应用于许多领域，因为其可以达到比较理想的效果，但是由于监测节点很多，该液晶显示屏只有有限的显示行数，不能满足显示信息较多的情况。
另外，考虑到此液晶显示屏价格比较高，体积亦较大，综合本课题的设计要求，此液晶显示屏并不适用于本设计。
方案三：
选择LCD1602器件，作为液晶的一种，它与方案二中选择的器件非常相似，但是与方案二中的器件相比，LD1602显示数据的能力弱一点，仅能显示2行16列的数据。
然而该液晶显示屏的引脚较简单，共计16个引脚。
由于该新宇电子工作室器件是数字元件，几乎不会出现干扰的现象，仅需与单片机连接，通过IO口掌控它，能够节约软件中断资源。
另外，该器件还有对比度调节的功能，使用者能够按照自己的喜爱与环境自由的调节对比度。
显然，LCD1602的使用还要有一定的软件编程的能力，它与LED数码管不同，不会轻易地完成显示功能。
综合本课题的设计要求，一个集成度较高，界面友好，性能好、价格低的智能街灯控制系统，该款液晶显示屏是最好的选择。
综上所述，选择方案三。
第三章第三章硬件设计硬件设计3.1控制模块控制模块3.1.1微控制器的发展微控制器的发展微控制器，顾名思义单片计算机，就是集成在一个很小的芯片片的计算机。
计算机大家应该都不会陌生，计算机的普及率逐年的升高，现在的生活工作基本已经离不开这个机器了。
正常的一台计算机的组成可能有主机、显示器、键盘、鼠标、音响等，专业一点说，除了主机，其他的可以称为外设。
就是外接的设备，没有这些设备主机一样可以工作，只不过我们并不知道他是否在工作，没有这些外设，我们也不能跟他进行人机交互。
但是主机里面的东西，非专业人员可能就不是很感兴趣了。
这部分才是计算机的核心。
一台主机主要由CPU、内存条、硬盘、显卡、声卡等。
显卡和声卡其实也是可以归为外设。
最核心的部分应该就是CPU、内存、硬盘了。
单片机的机构其实跟计算机是很相似的，虽然只有那么一小片，俗话说，麻雀虽小，五脏俱全。
单片机虽然体积不大，差不多只有一个橡皮的大小，但是却很有内涵，他的里面有CPU、内存、硬盘。
这么说可能不是很精确。
但是实际的功能完全可以理解成这个样子的。
微控制器怎么工作，单片机的工作不像基本的数字电路那样，接上电源就可以直接工作了。
单片机跟计算机一样，除了结构的一样之外，工作的机制也是一样的。
他需要软件，需要程序才可以。
我打开电脑如果没有装软件的电脑，可能用处很小，如果一个电脑都没有装系统，那么基本可以说是，无法使用的，所以硬件电路只是系统的载体，真真在里面运行的，是程序本身。
单片机的最大的特新宇电子工作室点就是单片机是智能的硬件设备。
他的智能性也可以反映出需要程序的写入，这样，单片机才能遵循人为的意图工作。
他虽然没有自己的思维，但是却有着人类的思维在里面。
不同的单片机代码格式不同，识别的语言不同。
大都兼容C语言的。
C语言是高级语言，并不是机器语言，单片机也是不能识别的，所以必须要有一个专门的软件来实现高级语言到机器语言的转变过程。
这个过程就是编译，这个过程的实现实在编译软件里面实现的。
所以单片机的工作离不开上位机软件。
有了电路，有了程序。
单片机才可以正常的工作。
微控制器的具体工作方式，一个单片机是不可以完成复杂的工作的，就跟只有一台主机一样，也不可以日常使用。
单片机的工作也需要外接各种设备。
常见的外接设备有显示、输入、按键、驱动、声音等，LED灯是最简单的显示设备，只不过显示的信息量很少，只能显示一位二进制信息，例如LED灯亮表示1，灭表示0。
但是如果用多个LED等共同组成一个阵列，那就可以显示很多信息了，就如本设计的内容，是使用LED来显示一个汉字的。
复杂一点的显示外设还有液晶显示器，手机的屏幕、电脑的屏幕，计算器的屏幕都是这样的设备。
输入的设备大都是按键，这个是最常用的人机交互的设备了，键盘也是一种按键输入的设备，只是按键多了也是可以组成阵列的。
结合液晶显示、按键输入、单片机，就可以实现一个基本的计算器了。
虽然简单了点，但是这个就是单片机最基本的应用了。
当然单片机的应用远远不止这些。
加上其他的传感器，就可以实现更复杂的系统。
例如加上温度传感器，单片机就可以作为一个温度检测系统来工作，再加上加热装置，就可以作为一个温度控制系统来使用了。
由此可见单片机的应用具有很强的灵活性和高效性。
并且日后的升级改装也是相当的简单。
3.1.2微控制器模块微控制器模块美国Intel公司在1971年和1972年这两年内分别正式推出了的4位单片机4004、雏型8位单片机8008，其中在1976年推出的MCS-48单片机是佼佼者，在短短十几年间，经历了好几次更新换代以后，发展速度之快速，应用范围之广阔令人叹为观止。
综观单片机近三十年的发展过程，单片机正以多功能、多选择、速度高、功耗低为目标迅猛发展，同时在扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容方向也会做出很大的提高。
当下生活中，移动通讯、多媒体网络等高新技术离我们越来越新宇电子工作室近，32位单片机的应用也随之得到了极大的发展。
据不完全数据统计，一个成年人一天会接触351个单片机，包括在智能仪表、计算机网络和通信系统、家用电器、工业化领域、汽车领域以及医疗科技等等。
但在发展的同时，单片机也面临着很多挑战，人们在对单片机功能方面需求越来越高的同时，也更希望它在微型化，安全性能这两个方面有着更好的提升，以此来更加完善我们的生活生产。
下面为几种单片机系列的图片样式，作为参考：
图3-1STC89C52图3-2MSP430F149图3-3STM32F103C8T63.1.351单片机单片机在此次选用单片机的过程中，首先从现实价格考虑，51单片机价格最为低廉，而且符合设计实际需求。
其次现有的51单片机是拥有八位核式处理器（MSC-51内核），和MSP430单片机和STM32相比，虽然其功能上不算强大，外部引脚也没有那么丰富，可是对于本系统来说，在实现功能方面和性价比方面，显然是最合适的。
51单片机作为较为简单的一款控制芯片，其处理速度比较快，在51单片机发展的过程中，其控制方面的功能慢慢的凸显出来。
该单片机具有4K字节的存储空间，当设计系统时，电源稳定性不作太高要求时，对产品控制功能也不太多时，该单片机可以稳定工作在+5V状态下，而且工作速度较高。
相比与八九十年代，该单片机做了很大的升级，在该单片机的内部，拥有大量的可用调用的资源与外设。
升级后的51单片机数据存储容量扩大，可以擦写近千次，使其使用寿命增长，而且制造工艺采用更加先进的技术，同时最重要的是，该单片机兼容MCS-51指令集，正因为兼容此指令集，所以我们完全可以迅速地调用其他人的程序，这极大的提高和改善的我们的开发速度和开发环境。
在该单片机内部中，共计拥有4个并行口，从P0-P3，可以连接很多外设，实现很多强大的功能。
新宇电子工作室51单片机拥有2个定时器，这两个定时器都支持编程操作，所有的定时器最高支持16位，同时拥有5个中断源，方便中断管理，在编写程序的时候可以使单片机运行在并行模式，我们可以很方便的调用。
在本设计系统中，处理器的部分可以方便的接收中断的所有请求。
同时对于定时器及计数器，同样可以产生内部中断，为后续开发提供了可能。
该单片机工作在12M晶振频率上，通过外界晶振可以改变单片机工作的时钟设置。
在本设计中，单片机采用双列直插式的单片机，即DIP-2，便于手工焊接在面包板上。
P40和P20引脚分别是电源正和电源地。
晶振连接在P19和P18引脚上，为了使晶振起振，需要同时连接两个小电容接地。
当程序收到外界电磁干扰时，会出现程序跑飞现象，出现这种现象的时候可以通过硬件复位将单片机进行初始化，复位脚为P9，在本设计中，通过按键操作，便可以将单片机复位，将程序从Flash中重新加载，系统初始化。
51单片机的引脚图如下所示：
图3-551单片机引脚图在该单片机中，拥有诸多控制功能的引脚，可以在多机相连的时候发挥其作用。
P30脚为ALE,功能为地址锁存。
当系统处于工作状态时，该引脚产生脉冲信号。
对于扩展外部存储功能时，该引脚可以进行锁存低8Bit地址信号。
该引脚输出电平的频率便会发生变化，振荡频率缩减为原来的1/6。
P29脚为PSEN，同样工作在扩展状态，当我们需要扩展外部程序存储器时，可以使用该引脚进行选通，这时，该引脚产生负脉冲。
该引脚需要接到外部存储新宇电子工作室器的输出使能端。
P31引脚为EA/Vpp，作用是可以选择存储器的位置。
当端口拉高时，访问内部存储器。
如果计数值超过最大值，系统便会自动运载外部存储器中的代码程序。
当端口拉低时，单片机便只能对外部存储进行访问。
其他端口便是最常使用的通用输入输出口，一般用于外部功能
升级会员 