基于单片机技术的多功能路灯自动控制系统的设计论文本科论文.docx
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基于单片机技术的多功能路灯自动控制系统的设计论文本科论文
学号：
常州大学
毕业设计（论文）
（2012届）
题目基于单片机技术的多功能路灯自动控制系统的设计
学生
学院专业班级
校内指导教师专业技术职务
校外指导老师专业技术职务
二○一二年六月
基于单片机技术的多功能路灯自动控制系统的设计
摘 要：
随着我国经济的快速发展，电力消费也随之快速增长。
如何节能降耗己成为近年来研究的热点。
本课题就是针对我国在城市照明上所存在的巨大的能源消耗而提出的。
本系统利用红外传感器模块、声控模块、光控模块和时钟控制模块，并结合深圳宏晶科技公司的STC89C52RC单片机芯片制作的单片机最小系统实现了多功能路灯控制的功能。
系统设计包括硬件和软件，其中硬件设计采用以STC89C52RC单片机为主CPU构建的单片机最小系统，通过红外控制模块，光控制模块，时钟控制模块和声音控制模块，将采集到的数据送给STC89C52RC单片机芯片进行处理；软件设计是在Keil平台上，以C51为开发语言，开发的一款路灯控制系统。
系统分为四个功能模块：
声控功能，光控功能，时钟控制功能和红外控制功能，通过检测STC89C52RC单片机与模块之间连接引脚的信号实时的控制路灯的开关，以及其它的操作（如时间设定、LCD显示等）。
本系统实现了自动控制路灯的功能，节约了人力和能源消耗，从而实现了良好的社会效益。
关键词：
STC89C52RC单片机，DS1302时钟芯片，光敏控制，红外控制，声音控制
Thedesignofautomaticcontrolsystemofmulti-functionalstreetlightsbasedonmicrocontrollertechnology
Abstract:
WithChina'srapideconomicdevelopment,electricityconsumptionalongwithrapidgrowth.Howtosaveenergyhasbecomeahotresearchinrecentyears.ThistopicisforChina'surbanlightingontheenormousenergyconsumption.Thesystemusesinfraredsensormodule,voicemodule,thelightcontrolmoduleandtheclockcontrolmodule,andcombinesthesmallestsingle-chipsystemproducedbySTC89C52RCmicrocontrolleroftheShenzhenmacrocrystaltechnologycompanytoachievethecontrolfunctionsofthemulti-functionalstreetlights.Systemdesignincludeshardwareandsoftware,includinghardwaredesignusesSTC89C52RCmicrocontrollerasthemainCPUtobuildthesmallestsingle-chipsystem,viainfraredcontrolmodule,thelightcontrolmodule,theclockcontrolmoduleandthevoicecontrolmodule,givingthecollecteddatatoSTC89C52RCmicrocontrollertodealwith.SoftwaredesignisintheplatformofKeil,theC51forthedevelopmentoflanguage,thedevelopmentofastreetlightcontrolsystem.Thesystemisdividedintofourfunctionalmodules:
voicefeatures,lightcontrolfunction,clockcontrolfunctionandinfraredcontrolfunctions,itreal-timecontrolsofthelightsoff,andotheroperations（suchastimesettings,LCDdisplay,etc.）bydetectingtheconnectingpinsignalbetweenSTC89C52RCmicrocontrollerandmodule.Thesystemachievestheautomaticcontrolofstreetlampfunction,savesmanpowerandenergyconsumption,thustoachieveagoodsocial.
Keywords:
STC89C52RCmicrocontroller；DS1302clockchip；thephotosensitivecontrol；infraredcontrol；soundcontrol
摘要.…………………………………………………………………………………………………………I
目录………………………………………………………………………………………………………..III
1引言
1.1课题概述
1.1.1课题的研究背景
随着我国经济的快速发展，电力消费也随之快速地增长。
特别是在城市市政建设上，传统的路灯控制与维护手段已经远远不能适应城市现代化发展的速度。
城市市政建设日新月异，宽阔的街道，各种各样的路灯给城市带来了光明的同时也增添了城市的夜间魅力。
但是由于道路、路灯众多，传统的人工管理模式已经和快速发展的现代化城市建设不相适应。
如何节能降耗己成为近年来研究的热点课题。
基于单片机的多功能路灯控制系统是针对我国在城市照明上所存在的巨大的能源消耗问题而研究提出的。
1.1.2课题研究的目的及意义
（1）课题研究的目的
①本次课题开发的目标：
利用DS1302时钟芯片，并结合声控模块，光控模块，光敏控制模块以及STC89C52RC单片机最小系统板，实现多功能路灯自动控制系统从而实现了节能降耗的目的。
②基本要求：
系统通过STC89C52RC最小系统板和时钟控制模块，光控模块，光敏控制模块，声控模块对路灯进行控制。
③技术指标：
系统实现的光敏控制有效距离3米以内；光控模块不管是黑天白夜只要可见度不高，系统会自动打开路灯；声控模块只要驻体极话筒能采集到声音信号，路灯都将会被点亮；时钟模块平时可做钟表显示时间，设定开关灯时间后，即可控制路灯的开关。
（2）课题研究的意义
单片机是微型计算机的一个重要分支。
随着计算机技术的发展，单片机被广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
①在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪等）。
②在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
③在家用电器中的应用
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其它音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
④在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
在各种大型电器中的模块化应用
某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。
如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中，就需要复杂的类似于计算机的原理。
在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。
此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途[1-3]。
1.2课题的国内研究现状
近年来，国内外在智能照明系统的研发领域取得了长足进步，照明系统正从结构复杂化、功能简单化向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代智能照明控制系统创造了有利条件。
国内的智能路灯控制系统大都采用这么几种方法：
（1）无线控制器，视频监控设备和中心计算机进行控制；
（2）中央控制器，红外传感器和开关电路；（3）对射式激光传感器系统（激光发射装置和激光接收装置组成）和中央控制器；（4）主控模块和从控模块组成，主控模块由探测器、主控器、ZigBee协调器和路灯开关电路构成，从控模块由与ZigBee协调器模块进行无线通信的ZigBee节点模块和与ZigBee节点模块相接的路灯开关电路构成。
目前，国外对路灯控制系统的研究也有了较大的进展，特别是在将现代互联网技术用于路灯控制方面发展更快，如：
在道路照明系统中大量使用嵌入基于载波芯片的智能控制器，基于LonWorks技术的电子镇流器替代低效的机械镇流器的同时在配电柜中加装智能服务器等。
1.3论文的主要研究内容
本课题的主要研究内容是如何节能。
因此首先要对现代照明系统发展的现状以及城乡街道的需求进行分析，在对分析的结果进一步的进行研究。
在完成所有前期准备的基础上，得出了研制以STC89C52RC单片机为最小系统，采用声、光、时钟和红外控制模式为一体的多功能路灯控制系统。
2总体设计
设计的思想：
系统有四个模块，分别为：
时钟控制模块、声音控制模块、光控制模块、红外控制模块，只要选择其中任一模块都可以控制路灯的开关。
2.1系统功能设计说明
（1）时钟控制模块
时钟控制模块，选择时钟控制模式后，便可设置路灯的开启和关闭时间，通过设置好的开启和关闭时间来控制路灯的开关。
（2）光控制模块
光控模块通过光感器件实时的采集光线强度，并将采集到的模拟量送至ADC0832模数转换芯片，在将转换的数据送至STC89C52RC单片机进行处理，当光强值超出预设值时，路灯处于熄灭状态，反之路灯将一直被点亮。
（3）声音控制模块
声音控制模块通过驻体极话筒实时的采集声音信号，并将采集的信号送给单片机进行处理，当有声音信号时，声音控制模块会输送一个低电平给单片机（同时声音控制模块中的LED灯会点亮），这时路灯会自动开启；反之，当声音信号不强或没有声音信号时，路灯一直处于熄灭状态。
（4）红外控制模块
红外控制模块通过红外探头，实时的探测周围的变化，当有人进入探测范围时，探头输出探测电压，经过放大后使信号的输出电压高于参考电压，并将此电压信号经反相器反向后送至单片机，经单片机处理后，路灯会自动开启，反之路灯将一直处于熄灭状态。
2.2系统硬件总体设计
硬件设计采用以STC89C52RC单片机为主CPU构建的单片机最小系统，通过红外控制模块，光控制模块，时钟控制模块和声音控制模块，将采集到的数据送给STC89C52RC单片机进行处理。
其中红外控制模块主要由热释电红外传感器和BISS0001红外信号处理器组成；光控制模块由光敏元件和ADC0832模数转换芯片组成，负责将采集到的光强转换成数字信号并送单片机进行处理；声音控制模块由驻体极话筒和放大电路组成，负责将采集到的声音信号放大后送入单片机中进行处理，为了确保驻体极话筒采集到声音信号且正确的传送至单片机，在放大电路后加入了一个发光二极管，来指示声音信号的有无，当采集到声音信号时，发光二极管被点亮，反之一直处于熄灭状态；时钟控制模块外围电路主要由DS1302时钟芯片及时钟芯片的外围电路组成，时钟芯片负责传送年、月、日、星期、时、分、秒等信息供单片机进行处理。
2.3系统软件总体设计
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言的软件开发系统，Keil软件十分方便系统的开发、调试与测试等工作，可以有效的提高编程效率。
本系统就是在Keil软件平台上，利用C51开发语言进行开发的。
系统主要分为四个模块：
光控模块，声控模块，时钟控制模块和红外控制模块。
开机进入系统后，首先进行模式选择，选择后系统进入相应的控制模块如图2.1所示。
图2.1功能模块图
2.3.1获取处理数据
这部分主要实现的是外部模块向STC89C52RC单片机最小系统反馈数据信号。
（1）声控模块：
一旦采集到声音信息将反馈给单片机一个低电平信号，单片机获取到此信号就会做出相应的信号处理。
（2）光控模块：
实时的进行光强采集，并将采集到的模拟数据送ADC0832模数转换芯片进行转换，将转换后的数据反馈给单片机，单片机获取到数据就会做出相应的处理。
（3）时钟控制模块：
时钟芯片实时的反馈给单片机年、月、日、星期、时、分、秒等信息。
（4）红外控制模块：
红外探头实时的探测周围的情况，当探测到有人时，反馈一个高电平信号经反相器取反后将低电平信号送至单片机。
2.3.2处理获取数据
处理获取数据主要是处理各功能模块反馈给单片机的数据，通过不同的数据单片机做出相应的操作。
（1）声控模块：
单片机获取到低电平信号，便打开路灯延时一段时间后路灯熄灭，如果一直获取到低电平信号路灯将一直打开。
（2）光控制模块：
单片机获取到光强数据，如果该数据大于设定值，路灯处于熄灭状态，反之路灯点亮，一旦光由弱变强并超出设定值，路灯将会延时一段时间后熄灭。
（3）时钟控制模块：
单片机获取到时钟数据，如果时钟数据等于设定开灯时间时，路灯点亮，直到时钟数据等于设定关灯时间时，路灯才会熄灭。
（4）红外控制模块：
单片机获取到低电平信号，便将路灯点亮延时一段时间后路灯熄灭，如果一直有低电平信号，路灯将一直点亮；一旦获取到高电平信号，路灯将延时一段时间后熄灭。
3系统硬件设计
3.1STC89C52RC单片机最小系统模块设计
3.1.1STC89C52RC单片机的特性
STC89C52RC是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的程序存储器和256B的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的STC89C52RC单片机可灵活应用于各种控制领域。
STC89C52RC单片机的内部结构如图3.1所示：
图3.1STC89C52RC单片机的内部结构
单片机性能参数：
（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容
（2）8KB可反复擦写Flash闪速存储器
（3）1000次擦写周期
（4）时钟频率范围：
0Hz—24MHz
（5）3级加密程序存储器
（6）128×8B内部RAM
（7）32个可编程I/O接口线
（8）2个16位定时/计数器
（9）6个中断源
（10）可编程串行UART通道
（11）低功耗空闲和掉电模式
功能特性概述：
STC89C52RC提供以下标准功能：
8KB的Flash闪速存储器，256B内部RAM,32个I/O接口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，STC89C52RC可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
STC89C52RC单片机引脚分配图如图3.2所示：
图3.2STC89C52RC单片机引脚图
STC89C52RC单片机引脚功能：
（1）P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
（2）P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
（3）P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
（4）P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为STC89C52RC的一些特殊功能口，如表3.1所示：
表3.1P3口第二功能
引脚
功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
/INT0（外部中断0）
P3.3
/INT1（外部中断1）
P3.4
T0（计时器0外部输入）
P3.5
T1（计时器1外部输入）
P3.6
/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
（5）RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
（6）ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
（7）/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
（8）/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
（9）XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
（10）XTAL2：
来自反向振荡器的输出[4-6]。
3.1.2STC89C52RC单片机最小系统电路设计
STC单片机最小系统主要以STC单片机作为核心，再附带一些是单片机能够运行的最小资源，主要包括时钟电路、复位电路以及串口电路等部分，其结构如图3.3所示。
图3.3单片机最小系统结构框图
（1）时钟电路
在单片机系统中，一般在单片机的引脚XTAL1和XTAL2之间接一个晶振和两个电容（典型值取30pF），这样就构成了内部振荡方式，由于在单片机内部有一个高增益反向放大器，外接一个晶振后，构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
其电路如图3.4所示。
图3.4时钟电路
（2）复位电路
在单片机系统中，一般需要一个硬件复位电路，用于用户的手动复位，而51系列单片机是高电平复位有效。
最简单的复位电路由一个电阻（10k）、一个电容（10uF）和一个按键组成，其原理图如图3.5所示。
接通电源后，自动实现复位操作。
在电源接通调件下，通过按键操作使单片机实现复位。
上电自动复位是通过外部复位电容充电来实现的，手动复位是通过单片机复位引脚经电阻和电源接通而实现的。
图3.5复位电路
（3）串口电路
单片机串口电路如图3.6所示，用于程序的下载。
它是实现51单片机与PC的串行通信接口亦称RS232接口。
接口转换芯片采用MAX232CPE。
图3.6单片机串口电路
3.2时钟控制电路模块设计
3.2.1DS1302芯片的特性
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达2.5～5.5V。
采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
DS1302的外部引脚功能表及内部结构图。
表3.2DS1302引脚功能表
引脚号
引脚名称
功能
1
Vcc2
主电源
2,3
X1,X2
振荡源，外接12MHZ晶振
4
GND
地线
5
/R/S/T
复位/片选线
6
I/O
串行数据输入输出端
7
SCLK
串行数据输入端
8
Vcc1
后备电源
图3.7DS1302的内部结构
DS1302的寄存器：
DS1302共有12个寄存器，其中有7个寄存器（读时81h～8Dh，写时80h～8Ch）与日历、时钟相关，存放的数据格式为BCD码形式，如图3.8所示。
图3.8DS1302有关日历、时间的寄存器
此外，DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。
时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电
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