基于单片机的智能路灯控制系统的设计.docx
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基于单片机的智能路灯控制系统的设计
基于单片机的智能路灯控制系统的设计
摘要：
随着社会进步，需求和单片机应用领域的不断扩展，各类智能产品、控制系统都是以单片机技术为核心来进行开发设计。
本系统采用MSC-51系列单片机AT89C51和相关的光电检测设备设计路灯控制器，
关键词：
路灯；单片机技术；控制
如今，路灯已经是城市道路景观的一个重要部分，已经成为城市照明系统中不可缺少和不可分割的一部分，成为了市民出行和城市美化、亮化的一个基本要求。
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。
随着社会经济的不断发展，能源短缺已经日益制约着经济发展的严重障碍，其中电力短缺已成为制约国民经济的突出矛盾。
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成的可控硅式设备。
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、时控等，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。
而本文中研究的就是光控路灯的控制器设计。
1.设计题目
智能路灯亮灭控制系统设计
2.设计内容
设计一套路灯亮灭控制系统,以MCS-51系列单片机为核心完成测控任务,当日照亮度超过阈值,控制灯灭;反之,则控制灯亮。
并且要求阈值可调。
3.方案总体设计与论证
本次课程设计课题是《智能路灯亮灭控制系统设计》。
此课题要求以路灯控制器为对象，完成硬件系统和软件程序的设计，实现以光线强弱方式来控制路灯的亮灭功能，属于软硬件相结合的题目。
其中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；软件部分主要包括二个电子软件Altiumdesigner、Keil-C51软件和路灯控制、光电检测两个程序模块。
工作原理如下图所示：
工作原理图
硬件电路设计由6个部分组成：
信号采集放大电路，A/D转换电路，AT89C51单片机系统，LED显示系统、时钟电路、复位电路。
4.单片机介绍
4.1单片机概述
单片机是一种集成电路芯片，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。
单片机不同于单板机，芯片在没有开发出来以前，只具有功能极其强大的超大规模集成电路，如果再赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统。
单片机的使用需要用户了解其芯片的内部结构和相应的指令系统以及其他一些集成电路设计技术和系统设计所需要的理论技术。
在特定的程序控制下，就能使该芯片实现特定的功能。
然而，不同单片机的硬件结构和指令系统不尽相同，即它们的技术特征也不同，硬件特征主要和单片机芯片的内部结构有关，因此，设计人员必须熟练掌握其性能是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标（功能特性、控制特性和相关的电气参数特性等），这些信息我们可以从生产厂商的技术手册中得到。
指令特性则指我们熟悉的单片机寻址方式、数据处理和逻辑处理方法、输入/输出特性等。
开发环境包括指令的兼容性及可移植性，软、硬件资源等。
要利用单片机开发实际的应用系统，就必须掌握其硬件结构特征、指令系统和开发环境。
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。
单片机及其应用系统之所以能发挥着如此重要的作用，归纳起来有如下的原因：
（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。
单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。
单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：
中央处理器、存储器和I/O接口电路等。
因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
单片机经过1、2、3、4代的发展，以达到了32位单片机，是目前单片机的顶级产品，具有极高的运算速度。
随着微电子技术和集成电子技术的不断发展，单片机正朝着高集成度、低功耗、低电压、多功能方向发展。
MCS-51系列单片是众多单片机中的一种，由于它们都是基于8051内核发展起来的，所以称51单片机，而本次设计就是基于51单片机完成的。
4.2单片机的主要功能及应用领域
现在的单片机功能越来越强大，集成度越来越高，有很多曾经的外围器件都已经在内部集成。
它的功能很多：
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。
单片机的应用领域可归纳为几个方面：
（1）智能化家用电器：
各种家用电器普遍采用单片机智能化控制代替传统的电子线路控制，升级换代，提高档次。
如洗衣机、空调、电视机、录像机、微波炉、电冰箱、电饭煲以及各种视听设备等。
（2）办公自动化设备：
现代办公室使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。
如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。
（3）商业营销设备：
在商业营销系统中已广泛使用的电子秤、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等都采用了单片机控制。
（4）工业自动化控制：
工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一。
如各种测控系统、过程控制、机电一体化、PLC等。
在化工、建筑、冶金等各种工业领域都要用到单片机控制。
（5）智能化仪表：
采用单片机的智能化仪表大大提升了仪表的档次，强化了功能。
如数据处理和存储、故障诊断、联网集控等。
（6）智能化通信产品：
最突出的是手机，当然手机内的芯片属专用型单片机。
（7）汽车电子产品：
现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机。
（8）航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域：
单片机的应用更是不言而喻。
单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益，更重要的意义在于，单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。
以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。
以前自动控制中的PID调节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制和自适应控制。
这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控技术。
随着单片机应用的推广，微控制技术将不断发展完善。
4.3单片机的发展趋势
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[4]。
单片机的改进和发展归纳起来有以下几个方面：
（1）CPU的改进：
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/写更方便；采用了编程加密技术。
（3）内部资源增多：
片内资源越丰富，产品的体积就越小，可靠性就越高。
（4）I/O接口形式增多，性能提高。
（5）引脚的多功能化：
单片机现在普遍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。
5.硬件电路设计
5.1AT89C51简介
MCS-51系列单片机是由美国的Intel公司开发研制，并于1980年推出的产品。
与MCS-48系列单片机相比，其以典型的体系结构和完善的专用寄存器集中管理方式，方便的逻辑位操作功能及丰富的指令系统，堪称一代“名机”，为之后的其他单片机的发展奠定了基础。
因此，MCS-51系列单片机结构先进，功能强大，增加了更多的电路单元和功能模块，指令数达111条。
其中的代表作便是AT89C5x系列单片机，而本文所用的便是AT89C51单片机。
现简要介绍如下：
1.中断系统
8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
2.时钟电路
8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。
5.2单片机最小系统电路
单片机最小系统是单片机系统的核心，其他的外围电路都是在最小系统的基础上实现的。
单片机最小系统是由单片机、复位电路、时钟电路、电源和地端组成，一般情况下，单片机系统采用外接石英晶体与内部运放组成时钟振荡器作为系统时钟源，而在多机系统中，单片机只作为一个功能模块使用，为节省硬件和统一系统的时钟信号，常采用外时钟源。
单片机最小系统是单片机控制电路的核心。
在整个系统中，单片机控制电路是整个系统的核心，负责对光电检测电路采集到光信号进行处理和加工，并按照之前设定好的指令进行执行、运算，并将结果传送给相应的执行电路。
单片机控制电路相关的电路原理图如下图所示：
5.3光敏电阻介绍
光敏电阻是一种特殊的电阻，其阻值随着光线强度的变化而变化。
其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如图所示。
为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。
构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。
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。
当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。
光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。
当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。
入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。
在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，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，也可以加交流电压。
光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。
它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。
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，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。
光敏电阻的原理结构如图所示。
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—空穴对增加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—空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。
光敏电阻原理图
在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，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，也可以加交流电压。
5.4光电检测电路
在设计中使用光敏电阻作为光传感器件对外界光线进行检测，主要是利用了光敏电阻在光线的作用下其阻值往往变小的这种光导效应现象，也有基于光敏二极管、光敏三极管等光电检测元件的相关电路，如下图所示是光电检测电路将检测到的信号以高低电平的形式传送给单片机，从而完成整个光电检测的过程。
5.5A/D转换模块
A/D574是12位逐次逼近型的A/D转换芯片。
转换时间位25-35us。
片内有数据输出寄存器，并有三态输出的控制逻辑。
其运行方式灵活，可进行12位转换，也可作8位转换；转换结果可直接12位输出，也可先输出高8位，后输出低4位。
可直接与8位或16位的CPU接口。
输入可设置为单极性，也可设成双极性。
片内有时钟电路，无需外部时钟。
下图是A/D574与单片机接口电路，它分两次将单极性电压的12位转换结果送给单片机。
具体先由单片机发出控制信号，使A/D转换器启动转换，等待转换结束，单片机再分两次将转换数据读到内存中。
按下图接法A/D574是单极性输入，接成0-+10V的接法。
5.6显示模块
利用串口和74164驱动LED显示器工作，采用静态显示方式。
这种方式可接口接+5V电源，若要显示某字段，则相应的移位寄存器74164输出必须为低电平，由于74164在低电平输出时，允许通过的电流为8mA左右，故不用再加驱动电路了，只需向串口发送要显示三位数的显示控制代码（段码），即可在LED显示器上显示出所要的字符，只需将各位的小数点控制位接低电平，使其显示，其他位的小数点控制位均接高避免采用并行口I/O接口占用资源较多的缺点。
采用共阳极数码管，因而各位的COM电平即可，注意加限流电阻。
5.7键盘模块
使用键盘可以有效地调节阈值。
因为本设计中需要的按键不多，故设计采用独立式按键，分别占用P2.4，P2.5，P2.6，P2.7口。
键盘的防抖动可有软件来实现。
5.8硬件电路原理图
经过长时间的设计，仿真，才得出了本次毕业设计的硬件电路部分。
通过前面的分析，我们可以发现本次设计课题的硬件电路部可分为以下四个组成部分：
单片机控制电路部分、路灯控制电路部分、光电检测与执行电路部分和两位一体的数码显示电路电路部分。
将前面介绍的电路加以分析和组合，就可以得到整个硬件电路部分的相关原理图，现将硬件原理图表示如下：
6.软件设计
AltiumDesigner
AltiumDesigner是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统。
这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。
AltiumDesigner除了全面继承包括Protel99SE、ProtelDXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。
该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。
由于AltiumDesigner在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，AltiumDesigner对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。
主要功能：
原理图设计，印刷电路板设计，FPGA的开发，嵌入式开发，3DPCB设计
KeilC51
KeilC51是美国KeilSoftware公司（ARM公司之一）出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。
与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。
另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
6.1程序设计总方案
根据模块的划分原则，将该程序划分初始化模块，A/D转换子程序和显示子程序，这三个程序模块构成了整个系统软件的主程序，如图所示。
A/D转换子程序
N
Y
调用显示子程序
N
Y
7.总结
在这次的课程设计过程中，我遇到了很多困难，但在指导老师的认真讲解以及同学们的热心帮助让我收获了很多，最终把问题一一解决，在这个过程中我不仅学会了两款新的软件ALTIUMDESIGNER和KEILC51，也了解了单片机的一些工作原理及常见的用途，并且对所学的知识有了更深刻的认识。
在此对所有帮助过我的老师和同学表示真挚的感谢。
这次课程设计是以基于单片机的光控路灯控制器为研究对象，通过对控制系统所要完成的功能进行分析，从而确定所要用到的元器件，然后根据其工作原理将各个功能部分进行组合连接，完成其硬件图。
然后利用C51编程软件根据系统的功能要求进行编程，导入单片机中，最后进行调试及仿真。
8.参考文献
1.《单片原理及应用》张毅刚彭喜元彭宇编著，高等教育出版社
2.《单片机原理与接口技术》余锡存主编西安电子科技大学出版社
3.《微型计算机技术及应用》戴梅萼编著清华大学出版社
4.《微型计算机原理及应用》李伯成主编西安电子科技大学出版社
5.《微机原理及应用》张宗根主编陕西师范大学出版社
6.《单片微型计算机原理、应用及接口技术》张迎新主编，国防工业出版社
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