基于模拟路灯控制系统的设计毕业论文说明书.docx
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基于模拟路灯控制系统的设计毕业论文说明书
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基于模拟路灯控制系统的设计
摘 要
随着城市建设和社会经济的迅速发展，城市道路照明作为城市文明与现代化程度的重要标志，已受到越来越多的关注，规模也在不断扩大。
路灯是一个城市的照明系统不可分割更无可替代的一部分，现有的路灯管理的方式方法已远远不能满足城市路灯发展与管理的需要，必须依靠现代化的高科技管理手段。
由于单片机具有集成度高，处理能力强，可靠性高，系统结构简单，价格低廉的优点，因此在路灯照明工程中被广泛应用。
本系统采用MSC-51系列单片机AT89C51和相关的光电检测设备来设计智能光控路灯控制器，利用51系列单片机可编程控制八位逻辑I/O端口实现路灯的智能化，达到节能、自动控制的目的,单片机采集光敏电阻或光电开关的信号控制路灯的亮灭，具有自动检测故障报警等功能，同时根据实际情况，通过计时系统来对时间进行有效的控制，在本设计中，输入是开关按钮，进行时间控制，显示是六个数码管和LED二极管，时间为正常24小时走时，可用按钮调节定时开关时间，通过程序实现按规定时间开关灯功能，由于路灯采用LED灯，节能环保，耗电量低，使用寿命长，可以获得很好的经济和环保效益。
本系统实用性强、操作简单，能够有效地解决城市路灯照明系统存在的灯光控制方法和管理手段落后，所用灯具科技含量低等问题。
关键词：
单片机，控制，LED
THEDESIGNOFTHECONTROLSYSTEMOF
SIMULATEDSTREETLAMPS
ABSTRACT
Alongwiththerapidcityconstructionanddevelopmentofthecommunityeconomy,urbanlightinghasbeenoneofthechiefsignsthatrepresenttheurbancivilizationlevel.Soitisanincreasingconcernanditsscalehasbeensteadilyenlarged.Thestreetlightisanintegralpartofacitylightingsystemandmeansoftheexistingstreetlightshavebeenfarfrombeingabletomeettheneedsofthedevelopmentandmanagementofurbanstreet,andmustrelyonmodernhigh-techmanagementtools.Microcontrollerwithhighintegration,processingcapability,highreliability,simplestructureandlowcostadvantages,andthereforeiswidelyusedinstreetlightingworks.ThesystemusestheMSC-51SCMAT89C51andtheassociatedopticaltestingequipmenttodesignintelligentlightcontrolofstreetlampcontroller,eight51-seriessingle-chipprogrammablecontrollogicI/Oportstoachieveintelligentstreetlampstoachieveenergysaving,automaticcontrolpurposeoftheSCMAcquisitionphotoresistororphotoelectricswitchsignaltocontrolthelightsoffbright,withautomaticdetectionandfaultalarmfunction,atthesametime,accordingtotheactualsituation,thetimingsystemtotimeforeffectivecontrolinthisdesign,theinputswitchbuttontimecontrol,showingthesixdigitalcontrolandLEDdiode,timeforthenormal24hourstogo,theavailablebuttonstoadjustthetimerswitchtime,throughtheprocesstimerequiredtoswitchlights,streetlightswithLEDlights,energysavingandenvironmentalprotection,powerconsumptionlow,servicelifeislong,youcangetagoodeconomicandenvironmentalbenefits.Thissystemispractical,simpleoperation,caneffectivelysolvethebackwardcitystreetlightingsystem,lightingcontrolandmanagementtoolsusedinthelampslowscientificandtechnologicalcontent.
KEYWORDS:
microcontroller，control，LED
第1章绪论
1.1国内外研究现状及课题意义
1.1.1课题意义
近年来，随着我国经济改革的深入发展和信息化时代的深入，各级政府对城市整体形象工程建设备受重视，他们通过各种方式来开展城市化建设。
城市亮化随之也被政府重视，既而大量的资金投入建设与改造中，是我们的城市变得灯火辉煌的同时，诸多问题随之而来：
我国目前大部分城市采用全夜灯方式照明，可是到了后半夜行人稀少，浪费太大；所以，有些地方采用前半夜全亮，而后半夜全灭的方式，这种方式虽然节约电费支出，但是不利于社会治安，容易引发交通事故。
而且，我国大多数地区的路灯关开灯都是采用人工控制或者定时控制，这样也有许多的不利之处；若采用人工控制，则路灯开关存在着一定的不确定性，同时也占用了一定的人力资源；定时控制则存在着夏冬季白黑昼时间不同的情况，有的天还没黑路灯就开，天还没亮路灯就灭的情况，影响人们的日常生活。
高效LED照明系统具有省电、轻巧、寿命长、高耐久性等特征，近年来已经越来越多应用于路灯照明系统，其趋势是取代目前广泛采用的高压汞灯的路灯照明。
明显地提高了路灯的用电效率，延长了路灯的使用寿命。
现阶段，城市路灯照明系统存在的灯光控制方法和管理手段落后，所用灯具科技含量低等问题。
为了解决这些缺点与不足，为此，提出了路灯智能化控制，采用高效LED路灯光源，以单片机作为控制中心，利用传感器模块、光控路灯模块来实现。
1.1.2国内外研究现状
随着技术发展和人们对生活质量要求的提高,对城市公共照明系统也提出了新的要求。
其发展趋势可以体现在以下几个方面,即:
精确化控制、多场景控制、网络化控制、节能与快速反应。
绿色照明是当今和未来照明领域的重要发展趋势,提高城市照明系统的实时监控,提高城市照明维护响应速度是现代技术发展的必然结果。
城市照明监控技术在我国已有将近三十年的发展历史了,从过去简单的有线载波监控和无线监控技术发展到今天的网络通信技术,城市照明监控的理念正在发生变化。
近年来，随着科技的不断发展，各种路灯控制器也被不断的研究出来。
其中，美国和日本主要集中在研究紧凑型荧光灯和镇流器荧光灯两个方面。
而我国目前的市场上有多种路灯节能控制产品，能达到一定的节能效果，但就功能和效果上还不能尽如人意，主要有以下几种情况：
第一种，采用自耦变压器及磁饱和电抗器的降压技术。
其不足是由于反应速度较慢，用电高峰时电压降到非稳定区容易造成灯光闪灭，不能自动调节，同时如果电压突然升高，则会对灯具造成损坏，相对来说稳压效果较差；第二种是采用电子器件构件的可控硅式设备。
该设备主要采取简单的相控技术，不足之处是元器件较容易发热损坏。
而为了更好的达到控制的目的，现在国内外都开始采用智能控制方式，如光控、声控、时空等，国外甚至开始采用太阳能供能光控方式来控制路灯，基本可以达到完全自给自足的效果。
本系统采用的路灯是LED灯。
众所周知，LED是目前最为节能的发光元件，通过采用LED发光可以节省大量的电能，并且LED灯发光柔和，亮度适中，对环境无污染，已经广泛的应用于各种照明场合。
因此，智能光控节能路灯必将在未来得到广泛的应用。
目前LED路灯的配光技术已经有了很大发展，有些厂家已经开发出良好的二次配光系统，而不再是单纯依靠光源排列来配光，但综合看，配光还不能做到完全合理，有些在道路内侧的配光较亮，均匀度也能满足要求，但人行道侧环境光的亮度明显不足，SR值明显不符合要求，还是厂家设计人员对道路照明标准的要求理解不够。
LED路灯的色温问题：
目前大功率LED路灯基本上都是采用5000K—6000K色温的白光，作为道路照明光源，在视觉上过分阴冷甚至阴森，同时远视时眼睛的观察能力会下降，在这方面的一些研究中证明，低于3000K的黄光或暖白光是比较适合道路照明的。
高压钠灯的相关色温（Tcp）为2100K左右，属于暖色温，其显色指数（Ra）只有23—25，显色性低；而LED路灯现在使用的色温多大于5300K，属于冷色温，较好的产品，其Ra可达70—80，显色性好。
作为机动车行驶的快速通道与主干道，偏黄色光的钠灯，对看清前方90—160m左右距离路面状况，效果比白色光略优，特别是在有雾、多尘的空气条件下，钠灯较有优势，相对的LED路灯射程短，在较高的高度下工作，灯光就显得很暗。
对于人行道、商业步行街、居住小区等道路，LED的显色性优于钠灯，分辨人的状况更加清晰，较有优势。
LED路灯的寿命：
使用寿命应立足于整个灯的寿命。
高压钠灯称标准寿命目前已超过2万小时，实际应用3年左右，节能型电感镇流器不会低于20度，灯具也是如此。
LED路灯标称使用寿命是5万小时以上，这是芯片的理想寿命，芯片的封装、灯具散热等因素都有可能光衰减，还有驱动电路（以电子元器件为主）的寿命显然也不能达到5万小时。
美国能源之星制订的要求，分为不低于35000h和25000h两档，主要是LED芯片寿命很长，却与封装后的温度，散热等诸多因素有关，另外还有驱动电路装置的电子元器件寿命问题。
LED路灯的维护：
对于光源的维护，高压钠灯若直接更换光源电器，成本较高。
而对于LED路灯，现在很多大功率LED灯珠内部集成了齐纳二极管，单颗LED灯珠损坏不会影响整体灯具的亮度，不需要更换，但是要整个光源更换，现场的维护就无法进行了。
一旦出现整体故障时，只能整个灯具进行替换维护，这对使用单位来说是很不方便的，还有待今后解决。
LED路灯的统一标准：
LED路灯在产品规格方面缺少统一的技术标准，目前还没有统一的LED路灯生产技术标准，每个厂家都按自己的标准生产自己的产品，彼此之间是很难通用的。
而高压钠灯由于技术标准的统一，灯具、光源、电器方面通用性较强，不同厂家之间的产品是可以互用的，从维护角度考虑，这是很重要的，而维护对于路灯管理单位来说则又是重中之重，只有这样才可以及时对熄灭路灯进行维护，保证高的亮灯率，同时大大降低维护成本。
LED路灯还没有标准可循，对订购、使用、维护都不利。
本设计是采用MSC-51系列单片机AT89C51和相关的光电检测设备来设计智能光控路灯控制器，实现了能根据实际光线条件通过8051芯片的P1口控制路灯开关的功能。
照明系统能够根据不同区域的不同功能需求，在每天不同时段、不同自然光照度或者不同交通流量情况下，按照特定的设置，实现对道路照明的动态智能化管理，即TPO管理（TIME时间／PLACE地点／OCCASION场合）。
智能化道路照明控制系统，通过综合考虑和分析与道路照明密切相关的时间、路段、环境照度和交通流量等因素的场景控制方法，在微机中按照预设的控制策略，对道路照明进行动态智能化管理，控制路灯在不同情况下工作在不同状态实现多样化的道路照明场景，从而在提高照明质量的同时获得最佳的节简单的相控技术，不足之处是元器件较容易发热损坏。
而为了更好的达到控制的目的，现在国内外都开始采用智能控制方式，如光控、声控、时控等，国外甚至开始采用太阳能供能光控能效果。
随着社会文明的不断发展，城市照明已不仅局限于街道的照明，而且发展成了了城市景观等装饰性照明的综合市政工程。
社会对亮灯率、开关灯的准确率、故障检测的实时性和维修的及时性要求不断提高，利用51系列单片机可编程控制八位逻辑I/O端口实现路灯的智能化，达到节能、自动控制的目的,避免了传统电路对能源的浪费，且路灯的自动控制更方便了工作人员的管理。
本系统实用性强、操作简单。
现在许多生产厂家大功率LED的热沉散热壳体应用基本采用不同的合金铝材料，其导热系数不一，一些材料的散热速率难以满足LED工作条件。
不可忽略的铝基板及导热硅胶，硅脂材料的导热环节，使用材料的实际寿命质量，将直接影响LED的工作散热条件。
如何减少中间环节，直接与热沉散热近距离接触将热量快速达到平衡的有效散热，是现今高质量的LED灯具产品开发需考虑的方向。
从对比上看，最好的散热材料也并不是铝材。
铜和铝的对比中形成了一种新型的工艺——铜铝结合。
所谓的铜铝结合就是把铜和铝用一定的工艺完美的结合到一块，让铜快速的把热量传给铝，再由大面积的铝把热量散去，这不但增充了铝的导热不及铜，还弥补了铜的散热不如铝，有机的结合从而达到急速传热快速散热的效果。
多篇文章中都阐述了散热是靠面积而不是看体积的大小，许多企业都了解了个中道理，壳体采用多层翅片散热，但对热沉散热壳体的翅片忽略了防尘和积尘，日积月累将会影响壳体的散热效果。
应从在自然条件下规避积尘的最小化，不同方向的风和雨的自然冲刷可易性和清除灰尘的粘敷性。
保证热沉壳体的散热效果不受恶劣环境的影响，散热通道的畅通，做到真正的长寿命。
大家共同来探讨一个设计方式：
散热是靠面积的道理显而易见，是否可以将散热面做成柱状或多面形锥体。
作为解决办法，导热介质就应运而生了，它的作用就是填充两个接触表面之间大大小小的空隙，增大发热源与散热片的接触面积。
导热硅脂是我们最常见的导热介质。
导热硅脂是用来填充铝基板与散热片之间的空隙的材料的一种，这种材料又称之为热界面材料。
其作用是用来向散热片传导铝基板散发出来的热量，使铝基板温度保持在一个可以稳定工作的水平，防止铝基板因为散热不良而损毁，并延长使用寿命。
有关人士正研究在热沉材料上进行特殊的陶瓷化处理直接安装线路，经过这样的优化后将会根本解决散热的导热环节。
1.2主要研究的内容
本课题主要以模拟路灯控制系统为背景，采用高效LED路灯光源，以AT89C51单片机作为控制中心，利用传感器模块、光控路灯模块、恒流源模块等来实现。
根据环境、交通等因素，单片机采用光敏电阻或光电开关的信号控制路灯的亮灭，具有自动检查故障报警等功能；采用切换多种模式设定并实现PWM调光功能，实现了光电控制、时间控制、交通情况检测、故障自动检测与报警功能，节省了电力能源和人力资源。
设计主要包括硬件和软件的设计，硬件设计可分为传感器模块和光控路灯模块，包括：
调光方式设计、时钟芯片的选择、液晶显示器的选择。
软件的设计包括：
画出程序框图、主程序设计、键盘和显示软件设计、各功能程序设计及清单注释。
1.3方案论证
1.3.1传感电路部分
方案一：
使用光敏电阻与电源相连，通过上拉电阻给51单片机输入信号，并进行相应的后续程序操作。
方案二：
使用光敏电阻和三极管联合驱动的方式，提供给单片机输入传感信号。
由于方案二提供的输入信号相对来说对环境的要求较高，难以实现且不符合系统在现实生活中的实用性等原则，故选取方案一。
1.3.2执行电路部分
方案一：
由单片机端口对相应电路进行操作；
方案二：
使用LM324芯片，含有四个运算放大器，电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用。
方案三：
由单片机对后续的执行元件进行操作，如继电器等相关的执行元件。
由于方案二使用LM324芯片等相关元件，使系统的设计更加接近实际应用，在实际应用中，系统是由电子电路→电气电路的控制，使用LM324等可使系统的现实性大
大增强。
第2章总体设计
2.1设计要求
本设计是采用高效LED路灯光源，以AT89C51单片机为核心，利用传感器模块、光控路灯模块、恒流源模块等来实现路灯智能化控制。
1、根据日照设置光控参数、时间参数；
2、可同时控制多路照明、单双间隔开启照明；
3、系统要求可自动、手动、紧急三种模式操作；
4、系统要求有LED检测模块、声光报警模块、时钟模块。
2.2设计思路
一个大型的单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：
一是系统扩展，二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，要设计合适的接口电路。
硬件电路部分主要包括以下几个部分：
单片机最小系统、路灯控制电路部分、光电检测电路部分。
其中最小系统是51单片机的最基本的组成部分，虽然51单片机的引脚只有四十，但是它有很多的扩展功能，根据相应的课题设计要求可以设计相应的外围电路。
根据任务书的要求，分析出需要的功能有：
具备时钟功能、时间调节的调节、二极管（模拟路灯）的显示功能、定时开灯关灯的时间调整功能、按键控制功能，光电控制路灯功能。
通过硬件电路的分析，当开机后，经过上电复位，时钟显示为17：
59：
50，这时可以调整时、分、秒按钮进行精确调整到当前时间，进行正常走时。
开机后系统内部自定义开路灯时间为18：
00：
00，关路灯时间为6：
00：
00，如果不做调整的话，时间就是下午六点钟开灯，早晨6点钟关灯，但春、夏、秋、冬四季的昼夜并不相等，为了更好的节省资源（电力）。
本设计中可以进行手动调整，根据四季的变化来调整开路灯和关路灯的时间，更有效的节省资源。
本设计中另外的一大特点就是在夜晚12：
00的时候，路灯会熄灭一半，这种设计也是为了节省资源，因为夜深人静的时候，并不需要太多的路灯照明整个路面，只需要点点灯光就行。
然后到早晨六点钟或自己重新设定的时间的时候在关闭其它的路灯。
本次设计中共用到了五个按钮和四个发光二极管，用来控制路灯和调整时间。
按钮上到下编号为①、②、③、④、⑤。
①为进入调整开灯、关灯的时间按钮,还有为退出调整开灯和关灯的按钮，只有通过它才能有效的退出定义开灯和关灯的调整状态；②为调整加一小时的按钮，③为调整减一小时的按钮，④为调加一分钟的按钮，⑤为调整减一分钟的按钮。
发光二极管从上至下的标号是①、②、③、④。
①、③为路灯的左边一排。
②、④为路灯的右边一排。
2.3系统框图
图2-1系统框图
第3章硬件设计
3.1单片机概述
3.1.1单片机的简介
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母缩写MCU表示单片机。
它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
单片机是采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）、随机数据存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出电路（I/O口）等电路集成到单片芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统。
有时还包括定时器/计数器，串行通信口、显示驱动电路（LCD或LED驱动电路）、脉宽调制电路（PWM）、模拟多路转换器以及A/D转换器等电路，并具有独立的指令系统。
这些电路能在软件控制之下，准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。
它能够单独地完成现代工业控制系统所要求的智能化控制功能。
单片机的功能很多：
比较器；模数/数模转换器；PWM；多种多样的接口；LCD驱动；存储器等等。
同时它也是计算机—单片微型计算机。
部分单片机的计算能力已经比早期PC的CPU强大，速度也越来越快。
甚至也有类似双核CPU的设计出现。
因为能够运行程序，所以可以做很多的事情。
几乎您上网用的计算机能做的事情，它都同样能做。
只是能力没那么强大。
比如：
可以读写硬盘、可以接受按键输入、可以显示输出、可以驱动打印、您甚至可以给它接个鼠标。
当然这可能涉及一些接口的问题，但是CPU也不是直接做这些事情的。
它的输入输出，如前面所说，也是多种多样的。
可以是模拟量，也可以是数字量，标准的USB接口也已经集成在了单片机内部。
此外，单片机的体积小、价格低、可靠性高、适用面宽、有着其本身的指令系统等诸多优势，在各行各业都得到广泛应用。
单片机控制系统已基本取代了以前复杂的电子线路或数字电路构成的控制系统，用软件来实现产品的智能化。
现在，单片机的控制范畴无所不在，其应用领域也越来越广泛。
单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它从根本上改变了传统的控制方法和设计理念，向着嵌入式系统方向发展。
随着嵌入式系统的快速发展和在各行各业的深入应用，人们的电子设备的小型化、智能化的要求也越来越高。
在航空航天、机械加工、工程控制、智能仪器仪表、家用电器、通信系统等领域，单片机都正在发生着非常重要的作用。
单片机应用技术业已成为现代电子技术应用领域十分重要的高新技术之一，是电子工程技术人员必备的知识技能，它能使你设计出更具智能化和方便的产品。
3.1.2单片机的特点
单片机及其应用系统之所以能发挥着如此重要的作用，归纳起来原因如下：
①单片机具有体积小、功能强、价格低、使用灵活等特点，具有明显的优势和广阔的应用前景。
②单片机具有独立的指令系统，可以将我们的设计思想充分表达出来，使产品智能化。
③系统配置以满足控制对象的要求出发点，使得系统具有较高的性价比。
④应用系统通常将程序驻留在片内（外）ROM中，抗干扰能力强，可靠性高，使用方便。
⑤单片机本身并不具备开发能力，一般情况下，需要借助专用的开发工具在相应的开发环境下，进行系统的开发和调试，但最终形成的产品简单实用，成本低，效益高。
⑥单片机应用系统所使用的存储芯片可选用EPROM、EEPROM、OTP芯片或利用掩膜形式生产，便于批量生产和应用。
大多数单片机如51系列，开发芯片和扩展应用芯片相互配套，降低了系统成本。
⑦由于系统小巧玲珑，控制功能强、体积小，便于嵌入被控设备内，大大推动了产品的智能化。
随着微电子技术和集成电路技术的迅速发展，目前各个公司研制出了能够适用于各种领域的单片机。
高性能的单片机芯片市场也异常活跃，采用新技术，使单片机的种类、性能不断提高，应用领域迅速扩大。
单片机的改进和发展归纳起来有以下几个方面：
①CPU得到改进：
现在CPU开始采用双CPU结构，提高了芯片的处理能力。
②存储器的发展：
增大了片内存储器容量；片内采用EEPROM和Flash可在线编程，读/写更加方便；采用了编程加密技术。
③内部资源增多：
片内的资源越丰富，产品的体积就越小，可靠性就越高。
④I/O接口形式增多：
性能提高了。
⑤引脚的多功能化：
单片机现在普遍都采用管脚复用的设计方案。
⑥低电压和低功耗：
单片机制造时普遍采用CMOS工艺制作。
3.2单片机的选型
单片机的种类很多，最常用的就是8051系列，其常见的型号有AT
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