基于51单片机的路灯控制系统设计开题报告

一、本课题的内容及研究意义一、本课题的内容及研究意义 1、论文研究的目的和意义、论文研究的目的和意义 如今，照明电路的数量越来越多，使得城市街道、小区内的路灯的用电量占城市 用电量的比重越来越大，在用电高峰期时，电网超负荷运行，电网电压都低于额定值， 在用电低谷期供电电压又高于额定值，当电压高时不但影响照明设备的使用寿命，而 且耗电量也大幅增加，当低谷时，照明设备有不能正常工作。 所以，对城市的路灯的设计已经成为了当务之急，特别是午夜之后车流量急剧减 少时，应该适当的关闭路灯，节约用电。但是我国的既节能又能延长路灯寿命的技术 相比国外却是落后了，因此智能节能路灯控制系统的设计对于城市的发展至关重要。 本论文旨在设计一套对外界光线和电压信号的采集来控制路灯的自动启停以及智能调 压的控制系统，它能对路灯进行稳压、调压、自启动并延长路灯寿命的作用。 2、论文研究内容论文研究内容 本设计可以通过对外界光线和电压信号的采集来控制路灯的自动启停以及智能调 压从而减少城市路灯照明耗电量，又对输入电压进行稳压调节来提高用电效率。要求 独立选择芯片、设计电路、编制程序、调试、完成整个系统功能。 主要内容如下： (1) 根据控制技术的特点，进行路灯系统设计的整体研究与设计。 (2) 针对光线和电压信号的采集，采用数据采集技术。 (3) 通过按键可对相关的参数值进行设置，从而实现对不同时间进行不同的开灯模 式。 (4) 当电压符合额定电压时，系统自动进行稳压。 (5) 在午夜之后降低电压以调节路灯亮度，实现调压。 二、本课题的研究现状和发展趋势二、本课题的研究现状和发展趋势 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。 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。本设计通过使 用 AT89C51 单片机对系统进行智能控制，使系统达到自动启停及智能调压。 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。 综上所述，未来的智能路灯控制必将向着更安全、更环保、更节能、更高效率的 方向发展。 3、本课题的研究方案及工作计划本课题的研究方案及工作计划 1、设计方案、设计方案 本次课程设计是由传感器通过外界光信号的强弱来产生电压信号，再由单片机控 制实现路灯的自动启停及智能稳压。本设计通过使用 AT89C51 单片机芯片来设计电路， 编制程序，仿真，调试，完成整个系统的功能。整个控制系统主要包括四个模块：信 号采集模块、数据处理模块、稳压模块和控制模块。 2、技术路线、技术路线 设计要求采集输入电压信号，通过 A/D 转换后输入控制器，当外界光信号的强度 低于一定数值时，通过软启动开启路灯。当光信号强度高于一定数值时，通过软启动 关闭路灯，并将采集输入电压信号，与已设定的标准电压值进行比较，并对输入电压 进行稳压，再通过时钟电路对路灯亮度进行调节，在午夜之后对路灯亮度进行降低， 最后达到节电稳压。技术方案如下图： 外部光线强度光敏电阻A/D 转换器 AT89C51 单片机 继 电 器 驱 动 3、关键问题关键问题 (1)信号采集电路设计 该模块需要检测环境光的变化，根据环境光的明暗进行路灯开关的自动控制。基 于此要求采用由光敏电阻组成的分压电路进行检测。光敏电阻器又称光导管，特性是 在特定光的照射下，其阻值迅速减小，可用于检测可见光。 在不同的光强下，光敏 电阻的电阻值会发生明显变化，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，入射光通过检测不同光 强下电阻值的变化量来控制路灯的开和关。 (2)稳压模块设计 通过采集三端稳压器输出的电压并将该电压与设定电压进行比较，进而调整输出 电压的大小，达到稳压的目的。本设计使用美国国家半导体公司的三端可调正稳压器 集成电路 LM317。 (3)时钟电路设计 为实现路灯对电压进行智能补偿，从而达到智能调压，本设计采用美国 DALLAS 公司的实时时钟电路 DS1302，该芯片一种高性能、低功耗、带 RAM 的实时时钟电 路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作 电压为 2.5V5.5V。采用三线接口与 CPU 进行同步通信，并可采用突发方式一次 传送多个字节的时钟信号或 RAM 数据。DS1302 内部有一个 318 的用于临时性存 放数据的 RAM 寄存器。另外该芯片有备份电源引脚，可以在断电后仍能工作，以保 证时钟的准确性。 3、时间安排时间安排 (1) 2012.2.202012.2.29 查阅相关资料，理解设计任务书。 (2) 2012.3.1 2012.4.1 搜索资料，完成开题报告。 (3) 2012.4.1 2012.4.20 硬件调试，排除故障直至满足设计要求。 (4) 2012.4.202012.5.10 软件调试，排除故障直至满足设计要求。 (5) 2012.5.102012.5.30 整理资料，按要求撰写论文，完成初稿。 (6) 2012.6.12012.6.20 论文整定，最终定稿，准备答辩。 键盘控制LED 显示报警电压放大 三端稳压器 路灯 四、主要参考文献四、主要参考文献 1 查兵，崔浩.单片机原理J.中国高新技术,2011 年 1 期 2 李健，蒋全胜，任灵芝.智能路灯控制系统设计J.工业控制计算机,2010 年 6 期 3 金仁贵.单片机应用系统的开发方法J.电脑知识与技术：学术交流,2006 年 12 期 4 严怀龙.基于单片机的数据采集系统 J.广西轻工业,2006 年 6 期 5 王虎城，周晋军，皮依标，叶振华. 基于光传感器和单片机的校园路灯控制系 统设计J.科技广场,2011 年 1 期 6 王立红. 基于单片机的智能路灯控制系统J. 网络财富,2010 年 6 期 7 王皑，佘丹妮. 基于单片机的模拟路灯控制系统设计J. 仪表技术,2011 年 11 期 8 张毅刚.单片机原理及应用M.高等教育出版社,2003 9 阎石.数字电子技术基础M.高等教育出版社,2006 10 童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.高等教育出版社,2006 11 程德福，林君.智能仪器M.机械工业出版社,2009 12 刁鸣.常用电路模块分析与设计指导M.清华大学出版社,2008 AT89C51 的介绍 描述描述 AT89C51 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机带有 4K 字节的可反复擦写的 程序存储器（PENROM） 。这种器件采用 ATMEL 公司的高密度、不容易丢失存储技术 生产，并且能够与 MCS-51 系列的单片机兼容。片内含有 8 位中央处理器和闪烁存储 单元，有较强的功能的 AT89C51 单片机能够被应用到控制领域中。 功能特性功能特性 AT89C51 提供以下的功能标准：4K 字节闪烁存储器，128 字节随机存取数据存储 器，32 个 I/O 口，2 个 16 位定时/计数器，1 个 5 向量两级中断结构，1 个串行通信口， 片内震荡器和时钟电路。另外，AT89C51 还可以进行 0HZ 的静态逻辑操作，并支持两 种软件的节电模式。闲散方式停止中央处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、 定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存随机存取数据存储器中 的内容，但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。 引脚描述引脚描述 VCC：电源电压 GND：地 P0 口口 P0 口是一组 8 位漏极开路双向 I/O 口，即地址/数据总线复用口。作为输出口时， 每一个管脚都能够驱动 8 个 TTL 电路。当“1”被写入 P0 口时，每个管脚都能够作为 高阻抗输入端。P0 口还能够在访问外部数据存储器或程序存储器时，转换地址和数据 总线复用，并在这时激活内部的上拉电阻。P0 口在闪烁编程时，P0 口接收指令，在程 序校验时，输出指令，需要接电阻。 P1 口口 P1 口一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动 4 个 TTL 电 路。对端口写“1” ，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。因为内 部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流。闪烁编程时和程序校验时，P1 口接收低 8 位地址。 P2 口口 P2 口是一个内部带有上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动 4 个 TTL 电路。对端口写“1” ，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时，可作为输入口。 因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储 器或 16 位地址的外部数据存储器时，P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的 外部数据存储器时，P2 口线上的内容在整个运行期间不变。闪烁编程或校验时，P2 口 接收高位地址和其它控制信号。 P3 口口 P3 口是一组带有内部电阻的 8 位双向 I/O 口，P3 口输出缓冲故可驱动 4 个 TTL 电 路。对 P3 口写如“1”时，它们被内部电阻拉到高电平并可作为输入端时，被外部拉 低的 P3 口将用电阻输出电流。 P3 口除了作为一般的 I/O 口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： 端口引脚第二功能 P3.0RXD P3.1TXD P3.2INT0 P3.3INT1 P3.4T0 P3.5T1 P3.6WR P3.7RD P3 口还接收一些用于闪烁存储器编程和程序校验的控制信号。 RST 复位输入。当震荡器工作时，RET 引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片 机复位。 ALE/PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE 输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字 节。即使不访问外部存储器，ALE 以时钟震荡频率的 1/16 输出固定的正脉冲信号，因 此它可对输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过 一个 ALE 脉冲时，闪烁存储器编程时，这个引脚还用于输入编程脉冲。如果必要，可 对特殊寄存器区中的 8EH 单元的 D0 位置禁止 ALE 操作。这个位置后只有一条 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才会被应用。此外，这个引脚会微弱拉高，单片机执行外 部程序时，应设置 ALE 无效。 PSEN 程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89C51 由外部程序存储 器读取指令时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问 外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号不出现。 EA/VPP 外部访问允许。欲使中央处理器仅访问外部程序存储器，EA 端必须保持低电平。 需要注意的是：如果加密位 LBI 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高 电平，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。闪烁存储器编程时，该引脚加上+12V 的 编程允许电压 VPP，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 VPP。 XTAL1：震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：震荡器反相放大器的输出端。 时钟震荡器时钟震荡器 AT89C51 中有一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶 体或陶瓷谐振器一起构成自然震荡器。 外接石英晶体及电容 C1，C2 接在放大器的反 馈回路中构成并联震荡电路。对外接电容 C1，C2 虽然没有十分严格的要求，但电容 容量的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温 度稳定性。如果使用石英晶体，我们推荐电容使用 30PF10PF，而如果使用陶瓷振荡 器建议选择 40PF10PF。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图示。这 种情况下，外部时钟脉冲接到 XTAL1 端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2 则悬 空。由于外部时钟信号是通过一个 2 分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部 时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应 符合产品技术条件的要求。 内部振荡电路 外部振荡电路 闲散节电模式闲散节电模式 AT89C51 有两种可用软件编程的省电模式，它们是闲散模式和掉电工作模式。这 两种方式是控制专用寄存器 PCON 中的 PD 和 IDL 位来实现的。PD 是掉电模式，当 PD=1 时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL 是闲散等待方式，当 IDL=1，激活闲散工作状态，单片机进入睡眠状态。如需要同时进入两种工作模式，即 PD 和 IDL 同时为 1，则先激活掉电模式。在闲散工作模式状态，中央处理器 CPU 保 持睡眠状态，而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内 随机存取数据存储器和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。闲散模式可由任何允许 的中断请求或硬件复位终止。终止闲散工作模式的方法有两种，一是任何一条被允许 中断的事件被激活，IDL 被硬件清除，即刻终止闲散工作模式。程序会首先影响中断， 进入中断服务程序，执行完中断服务程序，并紧随 RETI 指令后，下一条要执行的指令 就是使单片机进入闲散工作模式，那条指令后面的一条指令。二是通过硬件复位也可 将闲散工作模式终止。需要注意的是：当由硬件复位来终止闲散工作模式时，中央处 理器 CPU 通常是从激活空闲模式那条指令的下一条开始继续执行程序的，要完成内部 复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期有效，在这种情况下，内部禁止中央处 理器 CPU 访问片内 RAM，而允