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智能路灯控制系统的设计本科毕业论文
本科毕业论文（设计）
智能路灯控制系统的设计
院系机械与船舶海洋工程学院
专业自动化
学生班级2015级1班
姓名
学号
指导教师单位钦州学院机械与船舶海洋工程学院
指导教师姓名李四
指导教师职称副教授
2019年2月
智能路灯控制系统的设计
摘要
在二十一世纪随着现代社会经济的高速发展，各类居民用电和公共用电量都急剧增加。
传统的路灯采用人工开关或者定时开关，这不仅耗费了大量的人力、电力资源，并且用电的不合理使得资源的大量浪费[1-2]。
现在的社会是一个飞速发展的社会，是一个以节能减排为目标的科技时代，因而传统的路灯已经不在可以满足现代化城市的需求；为此我们设计了智能路灯控制系统。
该系统具有成本低廉的优点，并且其工作相当稳定，安装和维护都相对简单。
[3]
该智能路灯的控制系统设计，使用以STC89C52RC为核心控制的单片机，通过语音播报和LCD1602显示来实现人机交互，使用光敏电阻控制灯的状态，利用红外传感器检测人体，最后我们不仅设置了操作按键，并且使用蓝牙进行操作，方便管理人员的操作和控制。
该系统的原理是根据光强的变化、时间的设置和人体的感应来实现路灯的亮灭，首先是当光强低到一定程度时，系统通过采样分析，然后点亮所有的路灯。
其次当到达设定时间后，路灯将全部熄灭；第三则是在路灯全部熄灭的时间里，并且光强还是低于设定值；若是有人经过第一个路灯，将会被红外人体检测传感器监测到，此时将依次亮起所有灯光，并且语音模块将会发出语音提示；当人走过最后一个路灯后，同样会被红外检测到，这时路灯将会再亮一段时间，然后全灭。
若是期间又有人经过第一个路灯，那么直到最后一个人通过最后一个路灯，路灯才会过一段时间关闭，否则路灯将会一直常亮。
[4-6]
该系统经过整体框架的搭建和设计，完成了硬件电路和程序的设计和调试工作，最后进行了测试。
经过实际情况的模拟和测试，该系统和预期的功能完全符合，硬件电路的设计和搭建都完好，程序代码经过调试都解决了出错的地方，该系统经过测试，其稳定性强、操作简单、实用价值高和经济效益好等特点。
关键词：
智能路灯；单片机；光敏电阻；蓝牙；LCD1602
Designofintelligentstreetlampcontrolsystem
Automationprofessional2008ZhangSan
InstructorLiSi
Abstract
Withtherapiddevelopmentofmodernsocietyandeconomyinthe21stcentury,theelectricityconsumptionofallkindsofresidentsandthepublichasincreasedsharply.Traditionalstreetlampsusemanualswitchortimingswitch,whichnotonlyconsumesalotofhumanandpowerresources,butalsocausesalargeamountofwasteofresourcesduetotheunreasonableuseofelectricity[1-2].Nowthesocietyisarapiddevelopmentofthesociety,isagoalofenergyconservationandemissionreductionintheeraofscienceandtechnology,sothetraditionalstreetlightscannolongermeettheneedsofmoderncities;Forthisreason,wedesigntheintelligentstreetlampcontrolsystem.Thesystemhastheadvantageoflowcost,stableoperation,easyinstallationandmaintenance.[3]
Theintelligentstreetlightcontrolsystemdesign,theuseofwithSTC89C52RCascontrolcoreofsinglechipmicrocomputer,throughspeechandLCD1602displaytorealizehuman-machineinteraction,usingphotosensitiveresistancecontrollampstatus,usinginfraredsensorsdetectthehumanbody,intheendwenotonlysetuptheoperationbuttons,andusingBluetooth,convenientmanagementofoperationandcontrol.Theprincipleofthesystemistoturnonandoffthestreetlampaccordingtothechangeoflightintensity,timesettingandhumanbody'sinduction.Firstly,whenthelightintensityislowtoacertaindegree,thesystemwillsampleandanalyzeitandthenturnonallthestreetlamps.Secondly,whenthesettimeisreached,thestreetlightswillallgoout.Thethirdisthatthelightintensityisstilllowerthanthesetvalueinthetimewhenallthestreetlampsareextinguished.Ifsomeonepassesthefirststreetlight,itwillbedetectedbytheinfraredhumandetectionsensor.Atthistime,alllightswillbeoninturn,andthevoicemodulewillsendoutavoiceprompt.Whenpeoplewalkpastthelaststreetlight,itwillalsobedetectedbyinfrared.Atthistime,thestreetlightwillbeonforaperiodoftime,andthenallout.Ifsomeonepassesthefirststreetlightduringtheperiod,thestreetlightwillnotbeturnedoffuntilthelastpersonpassesthelaststreetlight.Otherwise,thestreetlightwillalwaysbeon.[4-6]
Thesystemthroughtheoverallframeworkoftheconstructionanddesign,thecompletionofthehardwarecircuitandprogramdesignanddebugging,andfinallythetest.Aftertheactualsituationofthesimulationandtesting,thesystemandtheexpectedfunctionfullyinlinewiththehardwarecircuitdesignandconstructionareintact,theprogramcodeafterdebugginghavesolvedtheerror,thesystemhasbeentested,itsstrongstability,simpleoperation,highpracticalvalueandgoodeconomicbenefitsandothercharacteristics.
Keywords:
Intelligentstreetlamp，MCU，Photosensitiveresistance，Bluetooth，LCD1602
1绪论
1.1研究背景与研究意义
路灯是我们21世纪不可或缺的公共资源，不仅作为行人照明所用，同时也可以为车辆提供照明服务，正是路灯的出现让我们的夜晚生活有了光明，路灯的出现可以为我们的出行提供极大的便利。
但是目前的路灯大多是人为的控制，或者是通过光强感知控制路灯的亮灭，这会大大浪费电力、人力资源。
现在的21世纪是科技社会，节能减排是现代科技的号角[7]，而早期建设的路灯早已不能满足节能减排的需求，所以研究和设计了该智能路灯系统；该系统不仅能合理运行电力资源，还方便安装调试。
智能路灯可以运用在城市人行道路、车辆通行道路和各种小区学校等[8]。
1.1.1发展过程
光作为我们生产生活的基础需求，而我们人类获取光已经经历了很漫长的时光，从远古时期的砖木取火到古代的蜡烛、油灯，最后到现代的白炽灯、节能灯、LED灯，光的种类和需求都在飞速的发展。
以下是路灯的主要控制方法：
1）将所有灯并联在一起，然后通过一个开关或者几个开关控制灯的亮灭，这是目前广泛使用的控制方法。
2）在公共区域中通过声光控开关和人体红外感应开关等代替传统的机械开关，实现自动控制的目的；这种控制方式大多用在楼道、停车场等地方。
3）采用集中控制的方式进行控制，例如路灯配电和隧道灯光，学校的宿舍电力控制和家庭用电等等都是采用的集中控制。
4）目前在政策的扶持和市场的广阔的调节下，智能路灯已经快速发展起来，而未来的方向基本都是采用物联网技术，将所有控制都使用客户端或者网络控制和监控。
1.2研究现状
由于政策大力扶持和科技的飞速发展，再加上市场的广阔，目前智能路灯控制技术主要是两个方面，其中一个是时控或者光控技术，另一个则是采用独立控制技术；就目前而言，人工干预控制还是处于主导地位。
[9]
1）人工控制：
当需要打开或关闭路灯时，这时就需要人工打开或者关闭开关。
虽然人工控制具有很强的应变能力，但是会大大增加了人力资源的浪费，并且操作时安全性能相对较低。
2）时控和光控控制：
时控的原理是通过时间控制，终端可以获取到时间，当到达设定时间后，会执行相应的开关动作。
而光控则是通过感知光照度，当光强低于一定程度都将会开启路灯，而光强超过设定值时则关闭。
该控制系统的优点：
无需人工干预、工作量低、安装简单方便和成本较低。
因此我们采用了时控和光控的形式设计了该智能路灯，这不仅增加了应变能力而且适应环境的变化[10-11]。
3）DDS独立控制技术：
DDS独立控制技术是将子控制器和收发模块安装到每一个路灯上，然后通过无线传输或者有线传输的形式和控制系统连接在一起；路灯上的控制器可以接收控制主机发送的信息和命令，而路灯上的控制器也可以将自身的状态上传到控制主机上。
DDS控制具有高自由度、高应变能力的特点，只需修改控制主机的程序就可以实现多种工作模式，并且可以通过终端查看每一个路灯的状态。
但是该控制系统造价昂贵，并且施工难度较大，维修和维护困难。
[12]
1.3主要研究内容
该智能路灯的工作原理主要是通过时控和光控两种形式进行交叉控制，该系统设置了开灯和关灯时间，另一方面又采用光强控制路灯的亮灭。
当到达开灯时间后，如果还未天黑，那么路灯依旧处于关闭状态，光强控制的优先级高于时间控制。
时控关闭时间一般设置在凌晨，当到达所设定的关闭时间，路灯将会全部关闭，并开启夜间节能模式。
在夜晚路灯关闭期间，如果有行人通过，人体红外感应传感器将会触发，这时将会有语音提醒，然后路灯将会依次亮起；当人走完这一段路后，又可被人体红外检测到，路灯在持续一段时间的点亮后，然后将全部熄灭。
当有多人通过时，系统会对通过的人数进行计数，只有当全部的人都通过后，才能熄灭全部路灯。
当天亮以后，随着光强的增强，路灯将会全部熄灭，此时有人通过也不会在点亮路灯和语音提醒。
路灯的开关时间可以通过自己设定，为此使用了LCD1602显示屏和4个轻触按键进行时间的显示和时间的设定；也可以通过按键进行时间、开关灯时间和语音提醒的音量大小设置。
根据该系统的实际工作状态，将会研究和探索智能路灯的硬件电路设计和软件方面的控制算法，最后实现该系统的智能化，不仅满足实际的需求，更减少生产成本和安装调试的复杂程度。
以下几个方面将是后续设计的难点：
1）智能路灯的原理分析及应用
2）设计整体框架
3）选择合适器件和设计硬件电路
4）软件的设计调试
5）系统的整体调试及实验
2总体设计
2.1系统方案设计
对于整个系统，我们使用一个控制主机作为总控，系统使用了10个LED灯模拟实际的路灯，然后将会使用两个人体红外检测传感器，语音模块作为语音提醒功能，蓝牙模块使用了HC-05模块与手机进行无线信息交互，而光强的采集则是使用光敏电阻和ADC模块，最后使用LCD1602和轻触按键作为人机交互。
本系统所采取的总体设计如图2-1所示。
手机客户端可以连接该系统的蓝牙，然后可以通过手机客户端控制每一个LED灯的亮灭；光强采集和人体红外检测将信息传至单片机进行信息处理；单片机和语音模块可以进行双向信息交互，但是在该系统中只用到了串口发送端口；最后就是按键信息被单片机获取后，会执行相应的操作，例如修改时间。
图2-1智能路灯控制系统总体设计
2.2模块方案设计
2.2.1单片机的选择
方案一：
51系列单片机
51单片机作为入门级单片机，其操作和硬件电路都相当简单，同时内部寄存器也相对较少，因此程序的编写最为简洁；其二，51单片机使用的是5V电压，这使得电路相当稳定，干扰较少；另一方面，51单片机的单价相比与其他单片机，价格是相当实惠。
STC89C52单片机作为51系列单片机中的佼佼者，其使用的是MCS-51内核，该芯片是8位的CPU，使用了可编程的Flash；不仅内部做了很多改进，而且具备优秀的性能，因而这款单片机具备其余51单片机所不具备的性能，就目前而言，STC89C52单片机还是大多数人的首选。
[13-15]
由于我们的设计不是很复杂，也不需要过多的引脚；综合以上各优点，该系统将会采用上述的STC89C52单片机作为主控。
方案二：
MSP430系列单片机
MSP430系列单片机是16位中最为常用的芯片，该系列的单片机最大的特点就是拥有超低功耗，并且其内部也有很多丰富的外设资源，例如高速12位ADC模块、实时时钟和硬件I2C/UART/SPI等等[16]。
MSP430单片机作为16位的单片机，其功能更加强大和完整，功耗也较低。
但是由于该智能路灯控制系统的结构功能不是特别复杂，并且不需要那么多的外设资源；而且该系列的单片机成本远远高于51单片机，因此该系列单片机完全不适合此系统的应用。
方案三：
STM32系列单片机
STM32系列单片机是以ARM为内核的32位单片机，在单片机方面，该系列的单片机处于高端类单片机，价格也是相当昂贵的，但其功能相当强大，更拥有丰富的系列以适用在各个领域。
STM32单片机内部资源都是远超51单片机和MSP430系列的单片机，并且其内部寄存器也是非常多的，因此对其编程都是相对较为复杂。
对于该系统的设计而言，该系列的单片机完全不适用，这不仅会增加了开发周期，并且硬件的成本也会增加很多，还浪费了大量单片机内部资源。
2.2.2光强采集模块的选择
方案一：
光敏电阻
光敏电阻作为电阻中的一个特殊种类，其原理是由于光电效应使得内部产生了可移动的载流子这些载流子又在外部电路的作用下发生定向移动；这就使得光敏电阻阻值减小。
但是还有另一类是随着光强的增加，阻值是增加的，不同的种类拥有不同的应用环境。
[17]
对于该路灯系统，我们将采用光敏电阻来采集光强变化；首先我们仅仅只是需要一个光照度的大致阈值，不需要太精确的光强大小，对于该系统而言这是没有必要的。
其次采用光敏电阻采样光强，其硬件电路只需一个电阻、一个光敏电阻和一个ADC采样芯片，这会大大减小错误的出现，并且减小设计难度，但依然会取得同样的效果。
最后，如果使用光敏电阻作为采集模块，其硬件成本也会大大降低。
方案二：
光强传感器
光强传感器作为众多传感器中的一员，可以将光强精确采集并转换为数字量，单片机可以通过I2C或者其他通信协议进行通信交互。
由于单片机获取到的是数字量，不再采集和转换模拟量，这大大减少了硬件电路的搭建，仅仅只需要关注通信即可。
但是由于该传感器价格昂贵；并且通信协议复杂，这会增加程序代码的复杂程度；而且对于该智能路灯系统，不需要如此精确的光强数据。
综上可知，光强传感器对于该系统的设计是不适用的，因此最终采用了光敏电阻作为采集光强的核心。
2.2.3显示屏的选择
方案一：
LCD1602液晶显示屏
LCD1602作为入门级的字符液晶显示器，主控芯片一般采用的是HD44780芯片。
通常LCD1602是16引脚，但是一些厂家生产的却有14个引脚，相比于16引脚只是少了背光电源的VCC和GND两个引脚。
LCD1602液晶屏能够显示所有常用的字符，并且可以使用绘制功能自定义符号；该液晶屏可以显示32个8X8字符，并且LCD1602仅仅可以显示两行字符。
针对该系统而言，仅仅需要显示年月日、时分秒、语音音量和开关灯时间，虽然显示的内容很多，但是可以将所有的信息分类，然后采用分页的形式进行显示。
例如，首页的第一行显示年月日和周，而第二行则显示时分秒，而第二页则是语音音量的设置页面，第三页为开灯时间设置，第四页为关灯时间设置；这样就不需要过大的显示屏就可以显示足够多的信息。
考虑到成本和程序的编写问题，最终采用的是LCD1602显示屏作为该系统的显示模块，相比于其他显示屏，LCD1602价格低廉，并且程序编写相对简单。
其次，该显示屏足够显示所有的所需信息。
最后，LCD1602显示屏显示内容和页面，我们仅仅需要几个按键就可以实现，这也大大减小了程序的复杂性。
方案二：
LCD12864液晶显示屏
LCD12864液晶显示屏作为LCD1602液晶显示屏的升级版本，其拥有着更为丰富的功能和更大的显示区域；LCD12864内部设置有中文库，这就使得LCD12864能够轻松显示中文汉字，并且能够完全兼容LCD1602的所有字符。
虽然LCD12864有着更优良的性能，但是其价格过于昂贵。
另一方面，该系统的人机交互完全可以使用英文进行显示，对于LCD12864的中文显示就没有必要。
因此，该系统的不会选择其作为显示屏。
3硬件电路
3.1单片机模块设计
STC89C52RC单片机具有4组I/O口，一共32个I/O引脚，其引脚数量完全满足所需的I/O数量；该单片机还内置了看门狗定时器模块，可以有效的防止程序跑飞，并且可以将看门狗模块作为定时器使用。
该单片机内部拥有3个16位的定时器/计数器模块，相比于其他51单片机，该单片机多出了一个定时器/计数器模块。
片内的大容量RAM和EEPROM为我们的程序提供了大量的存储空间。
对于单片机而言,中断作为最常使用的模块，STC89C52单片机有着四个外部可屏蔽中断，其中两个为I/O引脚中断，两外两个是定时器中断。
51单片机的片内结构图如图3-1所示，其内部使用了数据总线、地址总线和控制总线，而单片机中的CPU就是通过各总线和各外设进行通信连接。
从图3-1可知，单片机的工作还需要时钟电路为单片机提供工作的时钟脉冲。
图3-151单片机内部结构图
STC89C52RC单片机的引脚图如图3-2所示，该单片机采用了双列直插（DIP-40）的封装形式。
图3-2STC89C52RC引脚图
3.1.1最小系统的搭建
一个51单片机系统的正常工作一定离不开最小系统的搭建，51单片机需要添加一些外围的电路构成最小系统后，51单片机才可以正常的工作。
该智能路灯控制系统的最小系统如图3-3所示，该系统的最小系统由晶振电路、复位电路、上拉电阻和单片机构成[18]。
其中上拉电阻使用是因为51单片机内部P0组I/O与其他组I/O内部结构不同，如果P0组I/O需要驱动一些大电流的器件，例如数码管；这时就一定需要将P0组上拉，否则是驱动不了的。
对于该系统而言，P0组I/O是作为LCD1602的数据传送口，仅仅需要很小的电流驱动就可以实现，因此在该系统中可以不使用上拉电阻。
图3-351单片机最小系统
3.1.2复位电路
复位电路的作用是将单片机恢复至一个明确的状态，当产生了复位信号以后，单片机内部会触发不可屏蔽中断中的复位中断，该中断会将单片机恢复至最初的确定状态。
复位电路一般分为两个部分，一个是上电复位，而另外一个则是手动按键复位。
上电复位是指单片机在上电的一瞬间，通过复位电路将会产生一个上电复位信号；该信号是由单片机上的RST引脚传至单片机内部。
上电复位仅仅只需一个电解电容和电阻串联就可以实现，将电解电容的负极和电阻串联在一起，电解电容的正极接VCC，电阻的另一端接GND；电容和电阻之间引出一根线接至单片机的RST引脚，这样上电复位电路就完成了。
上电复位的原理是当电路接通的一瞬间，电容可以看为通路，这时RST引脚将变为VCC，此时将会产生复位信号。
随时时间的推移，当电容充满电以后，电容将被视为短路，此时RST引脚将会被电阻下拉到GND，这时就不会产生复位信号。
[19]
按键复位也是必不可少的一部分，因为当我们电路出现问题后，我们可以使用按键复位；而不需要断电，然后再接通电源产生上电复位。
按键复位电路也很简单，仅仅只需在原来的上电复位电路上加装一个轻触按键即可。
其原理图如图3-4所示，只需将轻触按键和电容并联即可。
其原理是当按下轻触按键时，电解电容还是处于充满电的状态，此时RST引脚还是低电平。
当按下轻触按键后，电解电容将通过按键进行放电，然后电容又将处于充电状态，这时电容是通路；这就将RST引脚上拉到了VCC，这时就会产生复位信号。
而当手松开按键后，电容充满电后，电容又将断路，此时RST引脚又变为GND。
图3-4复位电路
3.1.3时钟电路
时钟电路作为单片机的心脏，为其提供工作的脉搏。
时钟电路的好坏直接决定了单片机能否正常工作，这是由于单片机的所有工作都是在脉冲的作用下工作的，例如第一个脉冲取指令，第二个脉冲计算。
因此时钟电路可谓是重中之重，好的晶振电路会使得单片机系统工作的更稳定。
该系统使用的是11.0592MHz的晶振，其电路如图3-5所示，该时钟晶振电路右两个部分组成，一个是晶振，另一个是电容。
晶振的作用是产生时钟脉
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