1、基于单片机的智能光控路灯的研究设计工 学 院 毕 业 设 计（论文）题 目：基于单片机的智能光控路灯的设计 专 业： 机电技术教育 班 级： * 姓 名： * 学 号： 1664070101 指导教师： * 日 期： 2011年6月 基于单片机的智能光控路灯的设计摘要：随着社会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的。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智能路灯控制器，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。关键词：路灯；单片机技术；控制引言：随着夜晚的来临，城市里华灯初上，人们消
2、除了白天的繁忙，漫步穿行于城市的街 1道上。在那霓虹漫彩的灯光下，一个个孩子欢快的玩耍着，一对对男女漫步于小道里、花园中，一辆辆汽车奔驰于公路上。路灯已经成为一个城市的照明系统不可分割更无可替代的一部分，在城市照明中发挥着举足轻重的作用，而其所依靠的就是路灯自动控制系统。路灯控制方式很多，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，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。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
3、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。而且所用的路灯采用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，而且LED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。1 概况与现状分析 1.1 智能路灯发展的概况目前，路灯系统一般采用钠灯、水银灯、金卤灯等灯具。这类灯具有发光效率高、光色好、安装简易等优点，被广泛使用，但
4、同时也存在着诸如：功率因子低、对电压要求严格、耗电量大等缺点1。我国目前大部分城市都采用全夜灯的方式进行照明，普遍存在的问题有两点：一方面因为后半夜行人稀少，采用全夜灯的方式浪费太大，因此，有的地方采取前半夜全亮，后半夜全灭的照明方式；有的地方在后半夜采用亮一隔一或亮一隔二的节能措施，此种方式虽然节约了电费支出，却带来了社会治安和交通安全问题，不利于城市安全问题。另一方面，在后半夜因行人稀少，而应该降低路灯的亮度，以避免光源污染，影响居民的晚间的休息。但由于后半夜是用电低谷期，电力系统电压升高，路灯反而比白天更亮了。这不仅造成了能源浪费，还大大影响了设备和灯具的使用寿命。目前，路灯照明广泛采用
5、高压钠灯，其设计寿命在12000小时以上，在正常情况下至少可用3年，但是由于超压使用，现在路灯的使用寿命仅仅只有1年左右，有的甚至只有几个月，造成维护和材料的极大浪费。较高的电压不仅不能让负载设备更好的工作，而且还会造成发热及过早损坏，还会造成不必要的电费开支。而且，我国绝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，使得天还没黑路灯就开，天还没亮路灯就灭的情况，大大影响了人们的日常出生活。1.2 现状分析近年来，随着科技的不断发展，各种路灯控制器
6、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2。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
7、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。2 总体电路设计及方案论证2.1 总体电路设计及分析本次毕业设计课题是基于单片机的智能光控路灯的设计。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，实现以光线强弱和延时两种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Protues、 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：图2-1 工作原理图本系统需要如下电路元器件，其中
8、电路元器件及相关参数的需求：（1）AT89C51实验板一块。（2）单片机最小系统所需的12M晶振一个，22pF电容两个，复位开关一个，20uF极性电容一个，1K电阻一个。（3）路灯控制电路部分所需的LED灯八个，100欧姆电阻八个。（4）光电检测电路所需的10K电阻两个，110K电位器一个，光敏电阻一个，LM324芯片一片。（5）+5V直流电压源一个。实验所用设备器材：PC机一台及相关软件。最小系统是51单片机的最基本的组成部分，51单片机的引脚虽然只有四十，但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。此外，在本课题的设计过程中，还应注意P0口，通常P0-P3口用作通用
9、I/OK口，当P0接口用于I/O口时，必须接上拉电阻，而其他接口不需要。2.2 方案论证工作原理确定以后便需要制定实行的方案。实现本文中所要求的方案有很多，因此，便需要对各种方案进行论证。论证如下：2.2.1 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。2.2.2 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：由单片机对后续的执行元件进行操
10、作，如继电器等相关的执行元件。方案三：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。由于方案三使用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。3 单片机介绍3.1 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
11、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3。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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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。3.2 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
17、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
18、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
19、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
20、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。3.3 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。（
21、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。4 硬件电路设计4.1 AT89c51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5，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
22、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。3. 8051的引脚说明8051系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：图4-1
23、 AT89C51引脚Pin9: RESET/复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态6。8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图。此外，RESET/还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。图4-2
24、 AT89C51的复位方式Pin30:ALE当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。Pin29:当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。Pin31:EA/程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4
25、kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。4. 存储器系统8051单片机存储器在的物理结构上分为程序存储器空间和数据存储器空间，程序存储器ROM：我们为了让单片机实现某一功能，需要利用利用汇编语言或其他语言编写一些源程序，然后再烧录到芯片中。我们编写的这些程序，就存储在程序存储器空间中。数据存储器RAM：我们编写的源程序，在运行的过程中，会产生一些临时的运算结果，这些结果需要临时存放在一个地方，这个地方就
26、是数据寄存器。8051单片机具有四个存储器空间：（1）片内程序存储器，即单片机芯片内置的存储空间（2）片外程序存储器，即当单片机芯片内置的存储空间不够使用时，我们需要外加的一个存储器芯片（3）片内数据存储器，即单片机芯片内置的存储空间（4）片外数据存储器，即当单片机芯片内置的存储空间不够使用时，我们需要外加的一个存储器芯片但从用户使用的角度，8051存储器地址空间分为三类：1.片内片外统一编址的0000H-FFFFH的64K字节的程序存储器地址空间，用16位地址。2.64K字节片外数据存储器空间，地址也是从0000H-FFFFH用16位地址。3.256字节数据存储器空间，用8位地址7。一、程序
27、存储器地址空间 8051程序存储器用于存放编写好的程序和表格常数。程序存储器通过16位程序计数器PC寻址。寻址能力为64K字节。片内ROM为4KB。地址为0000H-0FFFH。片外最多可扩至64K字节。地址为1000H-FFFFH。片内片外是统一编址的。当引脚EA接高电平时，8051程序计数器PC在0000H-0FFFH范围内，即前4K字节地址执行片内ROM中的程序。当指令地址超过0FFFH后，就自动转向片外ROM中取指令。程序存储器的某些单元是留给系统使用的。存储单元0000H-0002H用作8051上电复位后引导程序存放单元。因为8051上电复位后程序计数器PC的内容为0000H，所以C
28、PU总是从0000H开始执行程序，如果在这三个单元中有跳转指令，那么，程序就被引导到转移指令所指的ROM空间去执行。0003H-0023H单元被均匀的分为5段。用作5个中断服务程序的入口。因为5个入口之间间隔较小，因此一般来说，这五个入口都是存放着一条跳转指令，而把真正的中断服务程序安排在后面的存储单元中。二、数据存储器空间数据存储器RAM用于存放运算中的结果、数据暂存或缓冲、标志位等。数据存储空间也分为片内和片外两大部分，即片内RAM和片外RAM。(1) 片外数据存储器外部数据存储器又称为外部数据RAM，当805l片内256个字节的数据RAM不能满足数量上的要求时，可通过总线端口和其它IO端
29、口扩展外部数据RAM(扩展方法见相关章节)，其最大容量可达64K字节。地址从0000H-FFFFH。外部数据RAM与内部数据RAM的功用基本相同，但外部数据RAM不能进行堆栈操作8。(2) 片内数据存储器片内RAM数据存储器最大寻址空间为256字节。他们又分为两个部分。低128字节00H-7FH是真正的RAM区低128字节中地址00H一1F的32个单元，安排为四组工作寄存器。每组又分为8个寄存器区R0-R7。4.2 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
30、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
31、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
32、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9。图4-3 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。4.3 LM324简介LM324芯片是价格便宜的模拟电路中常用的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V。其特点可归纳如下：（1）短跑保护输出（2）真差动输入级(3)可单电源工作：3V-32V(4)低偏置电流：最大100nA（LM324A）(5)每
