基于单片机的光控路灯分解.docx

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基于单片机的光控路灯分解

基于单片机的光控路灯系统

系（分院）：

电信学院

专业班级：

物联网应用3130

学生姓名：

白植泵

学号：

1315983001

指导教师：

杜宝桢

2016年3月20日

摘要

随着科学技术的发展，公共场所照明控制手段也将逐步更新，除现在已有的光控开关外，还有微波感应开关和热释远红外感应开关。

目前，微波感应开关的抗干扰性能尚不理想，红外感应开关在性能上较为理想，但安装复杂，比较娇气，价格也偏高，比较适合在一些治理完善的场所如宾馆、大饭店楼道及居家庭走廊应用，在普通住宅楼、办公楼道等场所的照明控制考虑到价格、管理及安装方便等因素，根据我国国情，可以预计在相称一段时期内，光控延时开关将是首选的主流产品。

所以，对于这一课题的研究是必要的。

用光控制路灯，白天光线强，路灯不亮，只有光线暗时，触发路灯亮，并且灯点亮一定时间后，自动熄灭。

通过光控路灯延时开关的设计与制作，收集用于完成光控路灯延时开关设计与制作所需的相关资料。

按照要求制作开关实物，并完成本课题的设计论文。

设计安装后，白天，灯泡不会点亮，而当晚上或光线较暗，则灯泡自动点亮，经设定的时间后熄灭。

关键词：

单片机光控

Abstract

Intheonehundredyearsoftheworldradiotechnologyhasbeenwidelycirculated,radiocommunicationtechnologyandthebasicuseof.Radioandradiofromthebeginning,andnowhasbeendevelopedtosatelliteandmicrowavecommunications,aswellasuniversalaccesstotheworld,almosteveryonehasapersonalmobilecommunications,wirelessnetworks,GPS,etc..People'sproductionandlifestylehasbeengreatlychangedbythewirelesscommunicationtechnology,thegoaloftheinformationsocietyistorelyontherealizationofwirelesscommunication.However,thetransmissionofwirelesscommunicationisaweakelectricalsignal,butnotthepowerofthelargerpower.Manyportablemobileproductsmakeorregularcharging,somanyportablemobileproductsmustalsoleaveavarietyofdifferentchargingsocketandachargingconnectioncable.Sonowmanyelectronicproductsneeddustproofandwaterprooftechnologyisdifficulttoachievefullclosure,andthedifferentmanufacturerscharginginterfaceandthechargerisverydifficulttogeneral.Ifyouwanttoremovetheconnectionlineandtheinterfaceoftheseelectronicproductscompletely,carryingmobileproductstypealsocangetthereallinepleaseboundcharge.Thedesignalsomakesiteasytoachievesealingandwaterproofchange.Toachievethisgoalthatrequiresradiotechnologycanrealizewirelesstransmissionwithpower.

Thispaperdesignsawirelessenergytransfercharger,wirelesschargerisakindofsimpleandpractical,itisthepowerthroughthecoiltowirelesslytransmittotheLEDlamporthebattery,givethempower.Thedesignofthewirelesspowertransmissioniscomposedofelectricpowerreceivingmoduleandpowertransmissionmoduleiscomposedoftwoparts,cansupplypowertotheLEDlamporthebatteryintherangeof0-5cm.AndthroughtheMCU,ADreceivercircuittomeasurethepower,voltage,currentandotherdata.

Keywords:

singlechipwirelesspowersupplycoil

目录

第一章绪论1

1.1研究的目的和意义1

1.2国内外研究现状和发展趋势2

第二章设计方案及论证3

2.1光控灯的原理3

2.2实际电路5

2.3光控灯的实现7

2.4设计中主要解决的问题和措施9

第三章硬件部分10

3.1材料分析10

3.1.1光敏电阻10

3.1.251单片机12

第四章设计和实现15

4.151单片机系统及功能实现15

4.2整个系统的电路原理图15

4.3主要部分功能介绍16

4.3.1光控部分16

4.4.2声控部分16

第五章系统程序和电路设计18

5.1程序设计流程图18

5.2单片机控制程序19

5.3系统电路设计19

谢辞20

参考文献21

第1章绪论

红外线技术在测速系统中已经得到了广泛应用，许多产品已运用红外线技术能够实现车辆测速、探测等研究。

红外线应用速度测量领域时，最难克服的是受强太阳光等多种含有红外线的光源干扰。

外界光源的干扰成为红外线应用于野外的瓶颈。

针对此问题，这里提出一种红外线测速传感器设计方案，该设计方案能够为多点测量即时速度和阶段加速度提供技术支持，可应用于公路测速和生产线下料的速度称量等工业生产中需要测量速度的环节。

红外线对射管的驱动分为电平型和脉冲型两种驱动方式。

由红外线对射管阵列组成分离型光电传感器。

该传感器的创新点在于能够抵抗外界的强光干扰。

太阳光中含有对红外线接收管产生干扰的红外线，该光线能够将红外线接收二极管导通，使系统产生误判，甚至导致整个系统瘫痪。

本传感器的优点在于能够设置多点采集，对射管阵列的间距和阵列数量可根据需求选取。

红外技术已经众所周知，这项技术在现代科技、国防科技和工农业科技等领域得到了广泛的应用。

红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：

（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；

（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。

1.1研究的目的和意义

目的：

光控开关能较好的为解决世界能源危机提供一点帮助。

有利于我国实现可持续发展，构建节约社会型，造福于子孙后代，造福于全人类。

意义：

一是省电，灯泡大部分时间不工作，因此节电效率很高，达80%左右；二是方便，首先，不用接触，全自动智能控制；另外，接线简朴、安装方便，是公共场所照明开关的理想选择，被人们誉为“长明灯的克星”。

1.2国内外研究现状和发展趋势

路灯控制系统近几年飞速发展，而国外从上个世纪90年代就开始从事智能照明系统的开发与应用，如今己经开发出许多智能灯具和照明的智能控制与管理系统，如澳大利亚奇胜（ClisPal）基于C-BUS总线、德国ABB公司基于I-BUS总线、邦奇（Dynalite）基于Dynet总线协议、Philips基于DALL协议、日本松下基于HBS的协议以及X-10的电力线载波协议的路灯智能控制与管理系统。

采用无线网络技术的智能灯光控制系统产品最近也相继问世。

无线网格技术方案与电力线载波方案一样，由于没有专用的网络线，安装和扩展灵活方便，甚至可以使用电池供电，不用连接电源线，使用灵活方便，同时也降低了用户的总体成本。

目前新加坡、法国、美国、德国和瑞士等国，都是通过电脑来制定一个自动化运行程序，使道路照明的启闭与日出、日落密切配合，节省能源[2]。

与国外领先技术相比，我国的路灯监控系统的发展还处于发展阶段，多数城市路灯的开、关灯控制由每台变压器（配电箱）分散控制，统一性差，故障率高。

由于没有远程数据采集和通讯功能，无法实现集中监控，所以运行、操作结果不能集中监视、记录和统计。

而路灯管理部门多数采用“人工巡视”的形式，设备运行的状况主要靠白天巡线、夜间巡灯来获得，不仅耗费大量的人力和物力，而且实时性很差，处理故障的效率非常低，很难满足现在高亮灯率的要求。

为了克服这一缺点，从九十年代开始将监控技术应用于城市道路照明领域。

经过十几年的发展，国内已有多种路灯远程监控系统软件投入使用，使得国内几十个城市的路灯管理走向科技化，真正实现路灯“三遥”控制，逐步完成路灯照明的现代化[3]。

第2章设计方案及论证

2.1光控灯的原理

要设计光控灯，首先要掌握光敏电阻的特性，光敏电阻又称光导管，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器,常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。

这些制作材料具有在特定波长的光照射下（光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化），其阻值迅速减小的特性。

这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

经测量随着外部环境的改变，本次所用光敏电阻阻值的变化范围为2K-3M,即在有光照射时电阻阻值下降，无光照时阻值上升，根据这一特性可以控制三极管工作状态进而控制灯的亮灭的电路。

三极管工作状态分为放大、截止和饱和。

当工作在放大区时，发射极正偏，集电极反偏；当工作在截止区时，发射极和集电极均反偏；当工作在饱和状态时，发射极和集电极均正偏。

同时三级管有两种材料做成，一种为硅管，其正偏发射结导通电压为0.7V；一种为锗管，其正偏发射结导通电压为0.3V。

三极管种类有NPN和PNP两种，本次课设用到的三极管为NPN型硅管9014和PNP型硅管9012。

2.2实际电路

设计方案图一：

设计方案图二：

两者比较，方案图一使用到微调电阻，调节其可使电路对外界的变化更加灵敏，考虑到本次课设设计光控灯是之后设计声控灯的一个理论基础，没有必要加太多功能，所以选用图二为设计电路原理图。

将光敏电阻用做三极管9014的下偏置电阻，利用光敏电阻随外部光照的变化来控制三级管9014的工作状态，可以是三级管工作在截止和导通两种不同的状态，9012基极接至9014的发射极输出处，发射极接电源，集电极接输出LED灯，9012的工作状态受9014的控制，当有光照时，光敏电阻阻值降低，9014基极电压被拉低而截止，9012基极电压升高9012截止，LED灭；反之光敏电阻没有光照时，其阻值增大，9014基极电压升高并使其导通，9012基极电压降低，9012饱和导通。

图1.3图1.4

2.3光控灯的实现

经实测光敏电阻的阻值在有光照射时大约在2K左右，无光照射时阻值大约在3M左右，所以用R3、R4和一个开关来代替光敏电阻，当开关拨向阻值在R3时（无光照射时），发光二极管发光（图中发光二极管三角形成红色），仿真图如图1.3所示：

仿真成功后，画出PCB图，如图1.4然后印制电路板、打孔、插器件，完成实际电路，如图1.5.之

调试时用两节干电池作为3V电源，检查电路焊接无误后接通电源，灯不亮，将光敏电阻遮住，灯亮，至此电路调试成功。

2.4设计中主要解决的问题和措施

本设计的主要问题有：

太阳光强度采集、控制电路设计、检测电路设计报警显示电路设计、人机接口电路设计。

主要措施是：

通过光敏电阻测量电路把太阳光强度非电量转换成电压信号输出，在经过A/D转换电路把模拟量转换成数字量送给单片机，完成太阳光强度采集[9,10]；控制电路可以用单片机引脚给出的高低电平控制三级管的通断来间接控制路灯开关；报警电路原理和控制电路原理相同；显示电路用七段数码管显示[11]；人机接口电路可以用新一代无线通信模块TC35T采集数据来监控路灯工作情况[12,13]；单片机根据所采集的数据自动控制[14]。

这样不仅能避免白天马路边的路灯亮着；天了，路灯灭的状况，还可以及时检测出路灯故障。

这样通过自然光强度的变化便能实现自动光控路灯，即节约了人力电力，也方便了行人[15]。

第3章硬件部分

3.1.1光敏电阻

要对太阳光强度进行测量必须先得有光敏器件。

光敏器件主要包括光敏电阻、光敏二极管和光敏三级管等，因为光敏电阻比较适合用于照相机曝光表、空气烟尘检测器等可见光装置，而光敏二极管、光敏三极管的最佳响应特性在红外区，因此本系统选用光敏电阻作为检测太阳光的光敏器件。

（1）光敏电阻特点

光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。

这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。

这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。

光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10兆欧，在强光条件（100lux）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。

光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）m的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

2）光敏电阻的结构

通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。

当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）光敏电阻外形图和电路符号就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。

为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。

一般光敏电阻器结构如右图所示。

光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。

光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。

3）光敏电阻工作原理

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。

在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。

用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。

通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。

在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。

光照愈强，阻值愈低。

入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。

在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。

光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。

半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。

4）光敏电阻的主要参数

①亮电阻（kΩ）：

指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。

②暗电阻（MΩ）：

指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。

③最高工作电压（V）：

指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压

④亮电流：

指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照射时所通过的电流。

⑤暗电流（mA）：

指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。

⑥时间常数（s）：

指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的63%时所需的时间。

⑦电阻温度系数：

指光敏电阻器在环境温度改变1℃时，其电阻值的相对变化[1] 。

⑧灵敏度：

指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化。

5）光敏电阻在本设计中的作用

光敏电阻在实验中是用来提供模拟电压的，通过光照度的变化改变电阻值，提供变化的模拟电压。

6）光敏电阻的功能分析。

物理构造：

光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。

光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。

无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。

当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。

一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。

实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级，亮电阻在几千欧以下。

3.1.251单片机

51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。

该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。

很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。

51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。

需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。

（1）简介

当前常用的51系列单片机主要产品有：

*Intel的：

80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；

*ATMEL的：

89C51、89C52、89C2051等；

*Philips、华邦、Dallas、Siemens（Infineon）等公司的许多产品

国产宏晶STC单片机以其低功耗、廉价、稳定性能，占据着国内51单片机较大市场。

基础51单片机。

[1]

（2）功能

·8位CPU·4kbytes程序存储器（ROM）（52为8K）

·128bytes的数据存储器（RAM）（52有256bytes的RAM）

·32条I/O口线·111条指令，大部分为单字节指令

·21个专用寄存器

·2个可编程定时/计数器·5个中断源，2个优先级（52有6个）

·一个全双工串行通信口

·外部数据存储器寻址空间为64kB

·外部程序存储器寻址空间为64kB

·逻辑操作位寻址功能·双列直插40PinDIP封装

·单一+5V电源供电

CPU：

由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；

RAM：

用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；

ROM：

用以存放程序、一些原始数据和表格；

I/O口：

四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出

T/C：

两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；

五个中断源的中断控制系统；

一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；

片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。

最佳振荡频率为6M—12M。

（3）功能特性

1，可以仿真63K程序空间,接近64K的16位地址空间；

2，可以仿真64Kxdata空间,全部64K的16位地址空间；

3，可以真实仿真全部32条IO脚；

4，完全兼容keilC51UV2调试环境,可以通过UV2环境进行单步,断点,全速等操作；

5，可以使用C51语言或者ASM汇编语言进行调试；

6，可以非常方便地进行所有变量观察,包括鼠标取值观察,即鼠标放在某变量上就会立即显示出它此的值；

7，可选使用用户晶振，支持0－40MHZ晶振频率；

8，片上带有768字节的xdata,您可以在仿真时选使用他们,进行xdata的仿真；

9，可以仿真双DPTR指针；

10，可以仿真去除ALE信号输出.；

11，自适应300-38400bps的所有波特率通讯；

12，体积非常细小,非常方便插入到用户板中.插入时紧贴用户板,没有连接电缆,这样可以有效地减少运行中的干扰,避免仿真时出现莫名其妙的故障；

13，仿真插针采用优质镀金插针,可以有效地防止日久生锈,选择优质园脚IC插座，保护仿真插针，同时不会损坏目标板上的插座.；

14，仿真时监控和用户代码分离,不可能产生不能仿真的软故障；

15，RS-232接口不计成本采用MAX202集成电路,串行通讯稳定可靠,绝非一般三极管的简易电路可比。

（4）功能限制

仿真器占用单片机串口及定时器2，与KeilC（PC）通讯，故不支持串口及定时器2的仿真功能。

全速运行时单片机串口及定时器2可供用户使用。

（5）使用方法

1．将仿真器插入需仿真的用户板的CPU插座中，仿真器由用户板供电；

2．将仿真器的串行电缆和PC机接好，打开用户板电源；

3．通过Keil C的IDE 开发仿真环境UV2下载用户程序进行仿真、调试。

第4章设计和实现

4.151单片机系统及功能实现

系统主要由光控电路模块、声控电路模块、串口通信模块、电源电路模块、复位电路模块、时钟电路模块、以及51单片机系统构成。

它们各自实现的功能前面已有介绍，此处不作赘述。

先将整个系统总的实现原理做一简单的介绍。

（1）打开电源，给系统提供电源，此时指示灯亮。

（2）加载程序，将已写好的程序（仿真正确的程序）下载到单片机里，具体方法是：

首先将系统的串口与pc机的串口相接，找到已经写好的程序点击下载。

其次，按系统复位电路，给系统上电，此时，程序就会自动的下载到单片机中去。

（3）光控功能的调试，给系统不同的光照强度，此时可以看到路灯会随着外界光照强度的不同而时亮是灭。

这就是光控的实现。

（4）