基于单片机的路灯控制系统设计.docx

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基于单片机的路灯控制系统设计

XX大学泉城学院

毕业设计

题目基于单片机的路灯控制系统设计

学院　　工学院　　

专业电气工程及其自动化

班级1302班

学生李学联

学号2021010855

指导教师X兴达魏志轩

二〇一七年五月十六日

摘要

随着科学技术的日益开展，在日常生活中人们对于路灯控制系统的要求越来越高。

针对人们的需求功耗大，功能单一的系统已不再满足人们的需求。

本设计针对上述问题提出了一种新型的路灯系统，可以解决人们的需求。

本设计主要包括硬件系统设计和软件系统设计。

其系统硬件是由AT89S52单片机，时钟芯片DS1302，驻极体话筒，LCD1602和光敏电阻等为核心的的路灯低功耗智能控制装置构成。

软件局部是以Keil、Proteus等软件为载体，使用C语言对程序进展编写。

单片机根据光敏电阻和人体红外感应模块对路边状况的检测和时钟芯片DS1302设置时间来控制电压比拟器实现LED路灯亮度的自动调节，通过LCD显示时间和光感度，通过光敏电阻实现故障检测，当路灯出现故障时，蜂鸣器会自动进展报警。

通过仿真及实物制作、调试，验证了本设计内容的可行性，为进一步研发推广提供了一定的数据参考。

关键词：

单片机；传感器；路灯控制

ABSTRACT

Withthedevelopmentofthetechnology,theapplicationofstreetlightcontrolsystemisplayinganincreasinglyimportantroleinourdailylife.Demandforpeople'sneeds,asinglefunctionofthesystemisnolongermeetpeople'sneeds.Thedesignoftheabovementionedanewtypeofstreetlampsystem,cansolvepeople'sneeds.

Thedesignincludeshardwaresystemdesignandsoftwaresystemdesign.ThehardwaresystemincludesthesinglechipofAT89S52,theclockchip1302,Analog-to-DigitalConverterandphotosensitiveresistor.ThesoftwaresystemisbasedonKeil,Proteusandothersoftwareasthecarrier,theuseofClanguagetowritetheprogram.Single-chipaccordingtothephotosensitiveresistorandinfraredpyroelectricsensorontheroadsidedetectionandclockchipDS1302setthetimetocontroltheA/DconversionchiptoachieveautomaticadjustmentofLEDstreetlightbrightness.ThroughtheLCDdisplaytimeandlightsensitivity,throughthephotosensitiveresistortoachievefaultdetection,whenthestreetlightsbreakdown,thebuzzerwillautomaticallyalarm.

Throughthesimulationandproduction,debugging,verifythefeasibilityofthedesigncontent,tofurtherresearchanddevelopmenttoprovideacertaindatareference.

Keywords：

MCU;transducer;Streetlightcontrol

1前言

1.1研究背景与意义

现如今中国的能源需求越来越多，但能源数量却很少，供不应求，特别是中国人口基数比拟大，在此情况下节约能源是国家应该关注的内容，因此解决全国路灯的节能问题变得很重要。

在此之前采用的城市照明大多数是低效且高耗的，这极大造成了资源的浪费，为解决资源短缺及减少不必要的资源浪费，大力开展绿色节能照明显得日益重要。

目前高压钠灯是全世界广泛使用的路灯种类，一般情况下可以使用2年以上，但是这些高压钠灯由于非正常的使用，极大缩短了路灯的使用寿命，有的使用寿命仅仅只有一年多，或者只有几个月，这就造成了路灯维修费用的增加和材料的浪费。

在超压条件下，负载不仅没有更好的工作，反而由于发热造成路灯的损坏[1]。

现在国外很多国家，已经决定将之前采用的低效高耗的路灯换成智能联网的节能LED灯，与传统使用的路灯相比这样智能联网的路灯可以根据周围的实际情况工作，实现人们对于不同路境下的不同需求。

有的国家已开场利用太阳能来解决资源缺乏的问题，以此来节约能源实现绿色节能，低碳经济的开展，这样很大程度上解决了资源浪费的问题。

中国大多数地区是利用定时控制或者人工控制来实现路灯开关的，这样的控制也存在一些缺点。

假设采用定时控制，那么存在季节不同，造成资源浪费的情况，夏天白昼时间较长，不需要很早就翻开路灯，同样冬天白昼时间较短，需要提前开启，否那么将会对人们的生活造成不便。

假设通过人工控制，那么每天路灯的亮灭时间是不确定的，路灯不会那么准时的开启或断灭，同时全国路灯数量较多，每个城市或地区需要雇佣大量的人力来进展控制，不仅占用雇佣资金且浪费劳动力资源。

新世纪以来我国的科学技术一直在不断的进步，所以LED灯的使用也慢慢随着半导体材料的开展得到应用，目前人们熟知的半导体材料路灯有LED太阳能路灯，霓虹灯，广告灯箱等，除此之外我国市场上还有很多节能路灯产品。

现如今全球都存在资源缺乏的情况，所以世界各国都在大力开展绿色环保节能和低碳经济。

然而，与国外路灯节能技术相比我国的路灯节能技术还比拟落后，因此，在不断推进城市化建立的今天，我国的路灯控制系统的开展对于城市化建立变得十分重要。

1.2国内外研究现状

目前大多数地区的路灯控制系统是根据时间控制路灯开关的，对于不同的季节，以及阴天，下雨天等不同的外界因素来说这样的控制系统虽然不会对路灯的控制产生影响，但是会对人们的生活造成不便。

就夏天而言，白昼持续时间比拟长，一般情况下七点左右天才会慢慢的暗下来，早上五点左右天就会变亮，假设设定的路灯开场时间为黄昏6点，早上路灯的开启时间为六点，这样就会造成电能资源的浪费。

就冬天而言，白昼时间较短，如果设定时间和夏天一样，就会对人们的生活造成不变。

时间控制路灯开关的另一个缺点在于，在很多像北上广的繁华大城市，路灯在晚上是一直开着的，但对于大多数地区而言，在半夜零点以后，路上行人很少或者说根本上没有行人或者车辆经过，如果在车流量较少的情况下，道路上还一直保持路灯通亮，这显然是对电能的一种浪费。

根据调查显示，国内很多地方在凌晨以后是隔盏通亮的，这样虽然节约了一定的电能，但也存在了一定的缺乏之处，因为路面上照明区域不均匀，一些十字路口可能由于路灯没亮造成司机盲点而引发交通事故，所以给道路平安带来了隐患[2]。

1.3本设计研究的主要内容

路灯控制系统设计具体内容如下：

〔1〕设定路灯的开断时间，在设置的时间段内，路灯会一直保持通亮；

〔2〕在非设置时间段内，系统通过检测光线的强弱程度实现对路灯的亮灭，当光线程度较弱，路灯就会自动开启，并延时一定的时间会自动熄灭；

〔3〕路灯进入节能模式，即凌晨以后，驻极体和人体红外感应模块检测到有车辆或行人，路灯亮起；

〔4〕系统使用光敏电阻检测路灯的故障，在设置时间段内，假设路灯没有亮起，此时光敏电阻不会检测到路灯光线，将会启动蜂鸣器报警。

2系统总体设计方案

本局部主要包括硬件局部设计和软件局部设计两局部。

其具体设计内容如下。

2.1硬件局部设计方案

硬件局部设计时间是采用24小时制，具有调节时间的功能，并且待机时会显示日期，内部含有备用电池，LCD显示屏不会因为断电而使时间发生变化。

系统使用2个LED灯进展路灯模拟，在设置时间段内，路灯会同时实现亮灭，凌晨以后会进入节能模式，在此模式下路灯只会亮其中的一个，但是当驻极体话筒检测到有声响或者当人体红外感应模块检测到行人车辆经过时，两个灯就会自动开启，延迟一段时间后重新变为之前一亮一灭的状态；在设置时间段外，路灯通过光敏电阻检测光线强度、驻极体检测声音来控制路灯的开启。

系统使用光敏电阻检测路灯的故障，在设置时间段内，假定路灯没有亮起，所以此时光敏电阻不会检测到光线，将会启动蜂鸣器报警。

其设计硬件框图如下列图2.1所示：

人体红外感应模块

LCD显示

声音报警

外部光线强度

光敏电阻

LM393电压比拟器

AT89S52单片机

执行机构

按键模块

供电模块

图2.1硬件系统框图

〔1〕人体红外感应模块和超声波传感器的选择

人体红外感应模块灵敏度高，可靠性强。

超声传感器虽然可以测量距离，受外界环境的影响较小，但是价格过于昂贵[3]。

因为路灯在中国是广泛使用的，投入量比拟多，容易造成大量的财力浪费，不适合使用超声波传感器，因此选择价格廉价的红外线传感器。

（2）数码管和LCD1602显示屏的选择

数码管大多数用来显示数字，功耗大，体积比拟大；而LCD1602液晶显示不仅可以显示字母而且还可以显示字符，用起来也比拟便利，且驱动电压低，功耗较小，显示量大，生产过程自动化，价格廉价，便于控制，便于携带。

2.2软件局部设计方案

本设计使用的是AT89S52单片机，软件编写常采用ASM51汇编语言和C51高级语言，这两种语言各有各的特点。

就汇编语言来说，它更接近机器语言，常用来编写与系统硬件相关的程序。

如访问I/O端口、中断处理程序、实时控制程序、实时通信程序等；而C51高级语言适合编写数学运算程序，这样可以提高编程的效率和应用程序的可靠性。

考虑到汇编语言和C语言的不同，本设计使用C语言对程序进展编写。

具体思路如下：

（1）首先确定设计目标，明确自己的设计功能；

（2）想好设计思路，根据所需功能进展程序流程图的绘制；

（3）进展程序的编写，按照设计功能编写程序，明确各个程序之间的关系，可采用注释进展标注，以便以后的阅读和程序调试；

（4）用Keil软件进展调试，并对程序进展优化；

3硬件局部设计

硬件局部设计内容包含6个模块，分别是供电模块，单片机控制模块，信号采集模块，LCD显示模块，按键模块和蜂鸣器报警模块。

不同的模块具有不同的功能，其具体模块功能介绍如下：

供电模块主要为单片机提供可以使用的工作电压；核心控制模块是单片机控制模块，主要负责控制各个模块的协调工作；显示模块主要用来显示时间和光感应度；按键模块主要用来进展时间设定；信号采集模块主要是通过人体红外感应模块和光敏电阻检测是否有行人经过和对光线强度进展采集；蜂鸣器模块是当光敏电阻检测不到路灯灯亮，即路灯出现故障时，蜂鸣器会自动进展报警[4]。

其中主要硬件包括AT89S52、LCD1602、光敏电阻、蜂鸣器、人体红外感应模块、驻极体话筒、DS1302时钟芯片等。

本设计是通过控制两个光敏电阻，一个人体红外感应模块和驻极体话筒。

其中两个光敏电阻作用各不一样，一个用来感受光的强度，另一个是用来检测路灯路灯是否出现故障；通过人体红外感应模块感受是否有人或车辆经过，通过驻极体话筒感受声响。

AT89S52单片机在不同情况下通过控制这些硬件实现对LED灯的亮灭。

3.1单片机最小系统

单片机能正常工作的硬件局部是由电源，复位电路，晶振电路以及扩展局部组成，构成这些硬件电路的系统被称为单片机最小系统。

单片机正常工作时需要时钟电路配合外部电路实现振荡，为单片机提供运行时钟。

假定单片机中没有时钟电路对单片机进展驱动，单片机将不会工作，不会执行程序。

晶振又称晶体振荡器，晶振电路主要是为单片机提供时钟频率的，时钟频率是单片机执行指令的根底，当晶振提供的频率越快时，单片机的运行速度也随之越快。

一般情况下，一个系统中使用的晶振大小是一样的，这样便于各局部保持同步。

但是有时一个系统中需要不同的时钟频率，这时晶振需要与锁相环电路一起使用，这样不同的锁相环就可以为单片机提供不同频率的时钟信号。

当单片机因为外部干扰因素，造成单片机内部存放器数据混乱，导致单片机不能正常运行时，通过复位电路可以使单片机恢复到初始原来的状态，使单片机重新开场工作，这样的电路叫做单片机的复位电路。

单片机最小系统电路原理图如下列图3.1所示。

图3.1单片机最小系统

3.2光线检测电路

3.2.1双电压比拟器

在本设计中使用的是LM393是双电压比拟器，利用LM393进展电压比拟，它的适用电压范围比拟广，可采用单电源或者别离式电源供电[5]。

双电压比拟器的主要工作原理是将模拟量的电压信号与固定的参考电压进展比拟。

当输入电压的正向输入端高于反向输入端时，它将输出高电平，当正向输入端电压低于反向输入端电压时，输出低电平。

它的电路图如下列图3.2所示：

图3.2LM393内部构造图

3.2.2光敏电阻

光敏电阻是根据半导体的光电导效应制成的。

光敏电阻的电阻值是随着光的强弱程度而变化的，当光照强度较强时，电阻值比拟小，当光线强度变弱时，电阻会变大。

当光敏电阻器的两端的金属电极之间加上电压时，就会产生电流，当它接收到适当的光照强度时，电流就会根据光线强度的变化而变化，从而实现了光电转换。

图中LIGHT1为光敏电阻，光照强度较大时，光敏电阻阻值较小，分压低，这时双电压比拟器的引脚6比引脚5的电压低，引脚7输出高电平，当光照强度变弱时，光敏电阻的阻值就会变得较大，分压高，输出低电平。

LED灯会亮起，单片机通过判断电平的上下来判断是否为黑暗状态。

其电路图如下列图3.3所示：

图3.3光敏电阻工作原理图

3.3报警电路

蜂鸣器在本设计中用于报警电路，它是根据电生磁原理进展工作的，当有电流经过电磁线圈时，电磁线圈会产生磁场来驱动振动膜发出声音的。

因为单片机I/O口输出电流太小，所以需要通过三极管进展电流的放大来驱动蜂鸣器。

单片机控制BEEP的上下电平来让蜂鸣器是否工作，图中Q1为NPN型的三极管，当BEEP为高电平时，三极管将导通，蜂鸣器接地得电，相反为BEEP低电平时，三极管截止，蜂鸣器不得电。

R1为上拉电阻，让I/O口的电流在高电平时加大，这时单片机输出的电平可以驱动蜂鸣器正常工作，电阻R6起限流作用，防止基极电流太大烧坏三极管。

其电路原理图如图3.4所示：

图3.4蜂鸣器报警电路图

3.4人体红外感应模块电路

J4为人体红外模块插口，有人时第二脚输出高电平，经过电阻R31限流后导通三极管Q3，此时三极管集电极接地，所以PEOPLE为低电平，LED灯D3点亮，单片机通过PEOPLE是低电平还是高电平判断是否有人经过。

其电路图如图3.5所示：

图3.5人体红外感应模块电路

3.5声音检测电路

驻极体话筒内部有一个场效应管和金属膜片，当有声响时驻极体振动膜会发生震动，它是一种声电转换器件[6]。

驻极体振动膜上具有极化电荷，当有声音时会发生震动，驻极体振动膜会因为震动而发生位移，所以电容两极板之间的距离会发生改变，电容就会发生变化，但是驻极体上的电荷量是固定的，如果电容发生变化，电容器两端的电压也一定会发生变化，从而输出电信号，这就是驻极体话筒的工作原理。

MK1为驻极体话筒，当有声响时，器件产生交变电压，电容有隔直通交的作用，所以电压通过C5耦合到三极管Q2的基极，使三极管截止，此时三极管集电极为高电平，所以此时1脚输出为低电平，电平由高变低，下降沿触发单片机外部中断，使单片机判断外界是否发出声响；相反地，如果没有声音发出三极管会一直导通，引脚2输入为低电平，电压比拟器输出高电平，单片机通过上下电平来的输出判断是否有声音发出。

其电路图如图3.6所示：

图3.6声音检测电路

3.6时钟电路

DS1302是可以实现对年、月、日、周、分、秒进展计时的一种低功耗，高性能的时钟芯片，而且还具有闰年补偿的功能，它由VCC中较大者供电，内部有一个RAM存放器用来存放临时数据。

DS1302时钟芯片有一个可以传送屡次字节的时钟信号和数据的接口，保持与CPU的同步通信[7]。

DS1302时钟芯片通过引脚5、6、7与单片机相连，通过读取程序来显示时间，其中J1为纽扣电池作为储藏电池使用，当断电时LCD显示屏不会因为断电而使时间发生变化或者停顿。

电阻R3、R4、R5的作用是用来提高抗干扰能力的。

晶振是用来DS1302时钟芯片提供时钟频率的。

其电路图如图3.7所示：

图3.7时钟电路

4软件局部设计

4.1软件介绍

4.1.1Proteus软件

Proteus是一种用于电路设计仿真的，功能较为全面的EDA软件。

它由英国Labcenterelectronics公司于1989年研发，至今已有近30年的历史，在此期间得到广阔电路设计技术人员的青睐[8]。

Proteus具有原理编辑，交互式仿真等功能。

设计满足了设计软件从无到有的设计过程，这是其他EDA软件难以企及的，本软件数据库包括模拟电路、数字电路、模数混合电路等仿真模块。

为这些电路的设计与仿真提供了完美的平台，并且他还具备微处理器系统的开发与仿真功能。

对于具体功能而言，它能够实现电路原理图智能排布，功能仿真，数据分析等功能，并且能够完成电路PCB设计功能。

〔1〕ProteusISIS编辑环境

在ISIS7Professional启动界面上单击ISIS图标，进入ISIS7Professional窗口，它是由菜单栏，主工具栏，预览窗口，元器件选择按钮，工具箱，原理图编辑窗口，对象选择器，仿真按钮，方向工具栏和状态栏等局部组成[9]。

〔2〕ProteusISIS参数设置

ProteusISIS7可以实现对编辑环境和系统参数的设置。

①编辑环境设置：

ProteusISIS编辑环境的设置主要是图纸，文本编辑器，网格点和模板。

②系统参数的设置：

ProteusISIS系统参数的设置主要是对热键、标注选项、仿真参数的设置。

4.1.2keil软件

Keil是由德国KeilSoftware公司研发的用于开发80C51单片机内核的软件平台之一，它广受设计研发人员的欢送。

其中μVision4是由美国keilSoftware公司推出的用于开发51系类单片机的[10]。

它是一个集成开发环境可用于编辑，编译，仿真等功能，为软件的开发提供了较好的设计平台。

而且支持多种多种编程语言设计，其中包括汇编语言和C语言，KeilC51有丰富的数据库和各种各样的功能，方便了设计的人员的使用。

下列图为μVision4进展程序编写的界面，如图4.1所示：

图4.1keil界面图

〔1〕创立工程

①创立一个新的工程和文件，并把这个文件添加到工程中。

②设置工程和文件的操作属性。

被设置的工程操作属性包括：

明确目标芯片和系统的硬件环境、对工程输出文件和清单文件提出要求、选择工程的调试方法等。

有时需要对工程中的个别文件单独设置操作属性.

③设置工具选项为目标硬件选择适宜的参数。

④工程制作，用工具链〔编译器、汇编器、连接定位器等〕处理工程，生成中间文件产物〔可重新定位目标文件、列表文件等〕和最终文件产物〔绝对目标文件、烧写文件等〕。

〔2〕仿真设置

使用μVision4调试器可以对源程序进展测试，μVision4提供了两种工作模式。

这两种模式可以在“Optionfor‘Target’〞对话框的“Debug〞选项中选择。

①UseSimulator：

软件仿真，如串行口，输入输出口和定时器。

在此模式下，将μVision4调试器配置成纯软件产品，能够仿真C51系类中大多数不需要任何硬件的目标板[11]。

②Use：

硬件仿真，如TKSDebugger，用户可以直接把这个环境与仿真程序或keil监控程序相连。

〔3〕keil程序调试与分析

系统调试有软件模拟调试和硬件模拟调试两种方式。

使用计算机让单片机进展指令执行，并采用虚拟单片机片内的资源数据进展的调试属于软件调试。

利用计算机中的软件通过单片机的输入输出口或者USB接口把编译好的程序传送到仿真器，然后把单片机内的所有资源数据通过仿真器进展仿真，随后把仿真后的结果返回给计算机，这样的调试方式叫做硬件调试[12]。

软件调试和硬件调试的区别在于软件调试是一种小型工程的调试，是初步调试。

而硬件调试可以通过计算机看到单片机的真实执行情况，不仅可以进展单步调试还可以进展全速调试。

4.2主程序设计

本局部的设计内容为在主程序里，单片机的输入端口通过初始化，对DS1302时钟芯片初始化，LCD1602芯片初始化来执行下一步命令。

〔1〕对程序进展初始化后，如果此时Key1时间设置键被按下，可以对时间进展设置，通过Key2键增加时间，Key3键减小时间；

〔2〕如果不对路灯时间进展设置，19点时翻开路灯，且在时间段19点到24点路灯亮度最大，在0点到次日6点之间减少路灯亮起盏数，到达节约电能的目的；

〔3〕假定Key1没有按下，且不在设定时间段内，假设是阴天有行人，路灯亮起；

〔4〕假定Key1没有按下，且不在设定时间段内，没有阴天没有行人，关闭路灯；

〔5〕在设置时间段内，假定路灯没有亮起，所以此时光敏电阻不会检测到光线，将会启动蜂鸣器报警。

如图4.2所示：

图4.2主程序框图

4.3子程序设计

4.3.1人体检测子程序

系统初始化后，对程序进展初始化，判断是否在凌晨以后，假设在节能模式判断是否有行人经过，如果有行人经过，路灯全部亮起并延时一段时间，如果没有行人经过，保持原来的状态；假设没在节能模式，有行人经过，路灯也不亮起如图4.3所示：

图4.3人体检测子程序流程图

4.3.2时钟子程序

系统开场后，DS1302时钟芯片就会开场工作判断是否有片选信号，假设有片选信号，时钟芯片将等待初始时间设置命令后进展写操作，路灯将按照新时间定时，读取到当前数据后，将数据送入到单片机，判断是否需要对时间进展调整，如果有时间调整命令，将对芯片进展重新写操作，如果没有没有调整命令，那么读取当前数据即可。

假设没有片选信号发生那么重新进展检测。

图4.4DS1302时钟芯片框图

4.3.3报警子程序

系统开场后，对程序初始化，然后开场对路灯故障进展检测，进而判断是否出现故障，其中对路灯进展故障检测是通过光敏电阻进展检测的，在设置时间段内，假定路灯没有亮起，所以此时光敏电阻不会检测到光线，将会启动蜂鸣器报警，如果没有出现故障，那么检测完毕。

如图4.5所示：

图4.5蜂鸣器报警框图

4.3.4光线检测子程序

系统开场后，对单片机进展初始化，当光敏电阻检测到光线强度，通过LM393电压比拟器进展电压比拟，判断光线强度是否符合标准，假设光线强度符合标准，即光线强度较弱，那么路灯亮起。

相反，光线强度较强路灯不会亮起，返回。

如图4.6所示：

图4.6光线检测子程序框图

4.3.5中断子程序

系统开场后对程序进展初始化，假设在设置时间段内将允许中断，中断允许后翻开中断，路灯亮