能路灯控制系统毕业论.doc

第 28 页 共 28 页引言在现代城市的管理中，城市照明管理是资金、科技含量较高、难度较大的一项工作，它需要投入大量的人力和物力。而节能系统和自动化监控系统的启用为城市照明建设和管理构筑起一个新的平台。在很大程度上为我市的城市照明管理工作发挥着重大的作用，也具有其深远的社会效应和经济意义。照明工程师社区:s*N7d;Z+BU8n投入节能装置以后，不仅可以节省用电量，还能延长灯具及电器配件的使用寿命、减少维修费用、工人的强度和提高管理水平。这样，在创造了良好社会效益的同时也具有明显的经济效益。这套系统是根据公式，其中，则，由以上公式可知灯泡的功耗与电压的平方成正比，电压参数的偏高，势必增大灯具的能量损耗，增大了用电量。由于电压每升高1%，则用电量便会成倍增加，这样，一年的用电量就比额定范围内增加18%-30%。这既造成能源的浪费，也使灯泡及电器配件的使用寿命大大缩短，从而增加维修工作量和路灯运行成本，也增加了电量的损耗。由于路灯管理维修项目费用成本主要是电费和维修费，我市电网供出的电压普遍偏高，而且还随用电负荷的不同而波动，大部分电压在晚上10点以前较稳定，约为220V-230V，而10点以后普遍升高10%V以上，约为230V-250V，特别是12点以后，有些地方甚至达到265V以上，电压参数的偏高，势必增大电能的损耗，也增大了用电量，从而增加了经济成本。本文给出一种基于自动控制的路灯控制系统，主要完成了对传感器（光敏电阻）测量、单片机数据分析、可控硅控制和各控制单元功能模块电路的设计和验证，并着重进行了对可控硅的控制设计。在此控制系统中不仅可以实现自动控制路灯开关，同时也可以手动实现路灯光强。1 系统设计1.1 任务要求（1）掌握节能路灯控制原理；（2）光敏电阻传感器的工作原理；（3）单片机数据采集系统的设计；（4）可控硅控制导通角原理；（5）按照要求控制路灯开关；（6）测试环境光强的变化，用于自动控制路灯亮灭；（7）根据环境光强的不同范围控制路灯的亮度，可以分几个范围；（8）设定手动开关路灯；（9）设定光强大于一定值手动开关无效。1.2 总体设计图1-1列出了节能路灯控制系统的构成，它主要由6个部分组成：单片机控制模块、可控硅控制模块、稳压电源模块、光敏电阻传感器模块、路灯与键盘、光耦隔离模块。首先利用稳压电源模块将220V、50HZ市电转换为系统工作的直流5V电压。光敏电阻传感器上的数据通过信号转换后，被采集到单片机自带ADC模块中，单片机通过数据对可控硅导通角进行控制。同时可以根据用户实际需要通过按键手动进行路灯光强改变。为防止系统跑偏，单片机与外界控制时需要光电耦合器进行光电隔离。单片机控制可控硅工作根据其编写的控制程序。单片机控制系统可控硅路灯按键光敏电阻稳压电源220V市电光电耦合器图1-1系统硬件构成框图2 方案论证2.1 路灯控制方案2.1.1路灯控制器的选择方案1：继电器控制法：该方法采用继电器作为单片机与外界路灯的控制元件，单片机通过数据采集后通过程序控制继电器导通与否继而控制路灯。方案2：可控硅控制法：可控硅是P1、N1、P2、N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成。当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流Ib2流过，经BG2放大，其集电极电流Ic2=2Ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以Ib1=Ic2。此时，电流Ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使Ib2不断增大，如此正向反馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。 2.1.2路灯控制方案比较由于继电器只是相当于一个开关，不能调节电流，可控硅能控制其导通角，调节电流大小。从节能方面来说可控硅更加节能，可控硅的响应速度很快达到微秒级，接触器的速度是一百多毫秒，接触器是当有电压时就吸合。可控硅是当电压升高到一定时才通断，可以连续调节用做无级调节方面比较多。基于以上比较本系统采用可控硅，改变其导通角来控制电流继而控制路灯。2.2 可控硅控制器2.1.1可控硅控制器的外形结构以及工作原理不管可控硅的外形如何，它们的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1、N1、P2、N2结构。见图2-1。它有三个PN结（J1、J2、J3），从J1结构的P1层引出阳极A，从N2层引出阴级K，从P2层引出控制极G，所以它是一种四层三端的半导体器件图2-1可控硅的结构意图可控硅是P1、N1、P2、N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图2-2所示图2-2可控硅工作原理等效图当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流Ib2流过，经BG2放大，其集电极电流。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以。此时，电流再经BG1放大，于是BG1的集电极电流(、分别是BG1、BG2的电流放大系数)。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，需要条件才能转化。表2-1 可控硅关断特性转化表状态条件说明从关断到导通1、 阳极点位高于阴极电位2、 控制极有足够的正向电压和电流两者缺一不可持续导通1、 阳极电位高于阴极电位2、 阳极电流大于维持电流两者缺一不可从导通到关断1、 阳极电位低于阴极电位2、 阳极电流小于维持电流任一条件都可接下来就是介绍可控硅的静态伏安特性：晶闸管阳极与阴极间的电压和阳极电流的关系称为晶闸管伏安特性，如图2-3所示。图2-3晶闸管伏安特性曲线晶闸管的伏安特性包括正向特性（第一象限）和反向特性（第三象限）两部分。晶闸管的正向特性又有阻断状态和导通状态之分。在正向阻断状态时，晶闸管的伏安特性是一组随门级电流的增加而不同的曲线。当=0时，逐渐增大阳极电压，只有很小的正向漏电流，晶闸管正向阻断；随着阳极电压的增加，当达到正向转折电压时，漏电压突然剧增，晶闸管由正向阻断状态突变为正向导通状态。这种在=0时，依靠增大阳极电压而强迫晶闸管导通的方式称为“硬开通”。“硬开通”使电路工作于非控制状态，并可能导致晶闸管损坏，因此通常要避免。晶闸管正向导通后，要使晶闸管恢复阻断，只有逐步减小阳极电流，使其下降到小于维持电流，则晶闸管又由正向导通状态变为正向阻断状态。晶闸管的反向特性与一般二极管的反向特性相似。晶闸管的基本工作特性可以归纳如下：（1） 承受反向电压时（0时，0才能导通）。（3） 要使晶闸管关断，必须使晶闸管的电流下降到某一数值以下。（4） 晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出；为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流、和功率应限制在可靠触发区，即保证有足够的触发功率，又确保不损坏门极和阴极之间的PN结。本系统所使用的是双向晶闸管，双向晶闸管可认为是一对反并联连接的普通晶闸管的集成，它有两个主电极和一个门极。正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第一和第三象限有对称的伏安特性；门极正、负脉冲电流均可触发导通，双向晶闸管不但经济，而且控制电路简单，在交流调压电路和固态继电器应用较多。2.3 单片机及其外围电路2.3.1电源模块本系统的工作电压为直流5V，即须将220V、50HZ的市电转换为系统所需的稳压电源。该模块由电源变压器、整流电路、滤波电路以及稳压电路组成。其中在整流电路部分，采用的是单相桥式整流电路。该整流电路的优点是电路由4只二极管组成，继而全波整流克服了半波整流的输出电压低、交流分量大（即脉动大）、效率低等缺点。整流电路采用4只二极管组成，其构成原则就是保证在变压器副边电压的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。滤波电路：滤波电路采用的是最常见的电容滤波电路。在整流电路的输出端并联一个电容就构成了电容滤波电路，滤波电容容量较大一般采用电解电容。该电路利用的是电容的充放电作用使输出电压趋于平滑。稳压电路：虽然整流滤波电路能将正弦交流电变换为较为平滑的直流电压，但是，一方面，由于输出电压平均只取决于变压器副边电压有效值，所以当电网电压波动时，输出电压平均值将随之产生相应的波动；另一方面，由于整流滤波电路内阻存在，当负载变化时，内阻上的电压将发生变化，于是输出电压平均值也将随之产生相反的变化。稳压电路的组成常规上讲最简单由稳压二极管和限流电阻。对任何稳压电路都应从两个方面考察其稳压特性，一是设电网电压波动，研究其输出电压是否稳定；二是设负载变化，研究其输出电压是否稳定。本系统是采用稳压芯片7805来组成稳压电路。2.3.2主控制模块本系统的核心控制器就是单片机，单片机的主要作用为。根据外部自然条件的改变（自然光强的改变即光控），通过光敏器件参数改变控制器，即可使单片机达到控制照明灯的目的。根据单片机自带的ADC来采集光敏器件的参数变化，通过编写程序使单片机做出相应的判断以控制照明灯。主控制模块中由时钟电路、复位电路、按键。时钟电路和复位电路是单片机正常工作的保证。单片机的时钟信号由两种电路产生：内振荡电路和外振荡电路，在任何时刻，只需要一种振荡电路便能使单片机正常工作。本系统使用的是内振荡电路提供时钟脉冲，需要在XTAL1和XTAL2之间外接石英晶体振荡器，这时的内部振荡电路仅相当于一个高增益放大器，和石英接在一起形成一个正反馈的自激振荡，在经过整形和分频形成单片机内各逻辑部件所需的时钟脉冲。要使单片机正常工作的还需要复位电路，单片机的复位操作由复位引脚RET/VPD上出现的高电平引起，高电平持续时间不少于两个机器周期，CPU在第二个机器周期内执行复位操作。如果RET/VPD持续为高电平，那么每隔24个振荡周期重复一次复位操作。最后还有按键电路4个按键分别是控制路灯开关以及亮暗程度。分别接到单片机的P21、P23、P25、P27口实现控制。2.3.3外部驱动模块外部驱动模块主要是由光电耦合器、可控硅、路灯组成。光电耦合器光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器管脚图如下图2-4所示图2-4MOC3021光电耦合器引脚图工作原理：在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。 基本工作特性：（1）共模抑制比很高 在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。 （2）输出特性 光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。当IF0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。（3）光电耦合器可作为线性耦合器使用。 在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。3 可控硅控制技术及系统中的主要芯片3.1 可控硅控制技术简介3.1.1 可控硅技术的发展及应用晶闸管又称晶体闸流管、可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier,SCR）,是一种即具有开关作用又具有整流作用的大功率半导体器件。1956年，美国贝尔实验室发明了世界上第一个晶闸管，1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品，并在1958年商业化，由此开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。自20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代，但由于其能承受的电流和电压容量是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此大容量的场合仍具有重要地位。晶闸管包括普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等多种类型的派生器件。快速晶闸管（FST）快速晶闸管是专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管两种。快速晶闸管的结构和符号与普通晶闸管相似，区别在于快速晶闸管对管芯结构和制作工艺进行了改进，使开关时间耐量都有明显改进。普通晶闸管关断时间为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，高频晶闸管为10微秒左右。高频晶闸管的不足在于其电压定额和电流定额都不易做高，由于工作频率较高，当选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。双向晶闸管(TRIAC)双向晶闸管可认为是一对反并联连接的普通晶闸管的集成，它有两个主电极和一个门极。正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第一和第三象限有对称的伏安特性；门极正、负脉冲电流均可触发导通，双向晶闸管不但经济，而且控制电路简单，在交流调压电路和固态继电器以及交流电机调压调速领域应用较多。由于双向晶闸管通常应用于交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。逆导晶闸管（RCT）逆导晶闸管是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。这种器件不具有承受反向电压的能力，与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点，常应用于不需要反向阻断能力的各类逆变器和斩波器中。门极可关断晶闸管（GTO）晶闸管及其派生器件一般仅具有门极电流触发开通功能，属于半控型器件。门极可关断晶闸管虽然也是晶闸管的一种派生器件，但门极可关断晶闸管具有门极电流控制开关、控制关断的能力，是一种典型的全控型器件。GTO的电压，电流容量与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多应用。光控晶闸管（LTT）光控晶闸管又称为光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通角的晶闸管，小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子，大功率光控晶闸管还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可以避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合（如高压直流输电和高压核聚变装置中）占据重要地位。3.2 系统主要芯片及功能3.2.1STC12C5A60S2简介STC12CA60S2单片机是深圳宏晶科技有限公司产品，采用了增强型8051内核，片内集成了60KB程序Flash，1KB数据Flash(EEPROM)。具有高速、低功耗及超强干扰等优点。（1）增强型8051内核，兼容普通8051单片机的指令集，有硬件乘法、除法指令；（2）高速度：1个时钟/机器周期，速度比普通8051单片机快812倍；可用低频晶振，大幅降低EMI；（3）片内集成60KB的Flash程序存储器，擦写次数10万次以上，并具有较强的加密性，无法解密。；（4）片内集成1280字节数据存储器（RAM）；（5）最多可以有44根通用I/O口线。可设置成4种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强拉上，输入/高阻，开漏。复位后为准双向口/弱上拉工作模式，与普通8051单片机I/O口工作模式兼容。每根I/O口线驱动能力均可达到20MA，但整个芯片最大不得超过120MA；（6）8通道10位高速ADC，速度可达25万次/秒；（7）2通道PWM/可编程计数器阵列/捕获/比较单元（PWM/PCA/CCU）。PWM单元也可用作DAC；（8）2个16位定时器，兼容普通8051单片机的定时器T0/T1，2路PCA也可作为2个16位定时器使用；（9）可编程时钟输出功率，T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟，BRT在P1.0输出时钟；（10）2个全双工异步串口（UART），兼容8051单片机的串口。具有独立的波特率发生器；（11）高速同步通信端口（SPI），支持主模式和从模式；（12）7路外部中断I/O口，除了传统的下降沿中断或低电平触发中断，还有支持上升沿中断的PCA模块。；（13）内部集成MAX810专用复位电路，可以省掉外部复位电路；（14）内部集成硬件看门狗（WDT）；（15）外部掉电检测电路，可在掉电时及时将数据保存进EEPROM，正常工作时无需操作EEPROM；（16）工作频率：0-35MHZ，相当于普通8051单片机的0-420MHZ。工作时钟可由外部晶体或内部RC振荡器提供，在ISP下载编程用户程序时设置；（17）超强抗干扰能力：具有ESD保护功能，可以抵抗2万伏的静电干扰；（18）工作温度范围：-4085摄氏度（工业级）/075摄氏度（商业级）。本系统中最关键的应用就是该单片机内部自带的ADC采集。STC12C5A60S2的ADC由多路选择开关、比较器、逐次比较寄存器、10位ADC、转换结果寄存器以及ADC控制寄存器构成。STC12C5A60S2的ADC时逐次比较型ADC。逐次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位（MSB）开始，顺序的对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。通过模拟多路开关，将输入通道ADC0-7的模拟量送给比较器。上次转换的数字量经过数/模转换器（DAC）转换为模拟量，与本次输入的模拟量通过比较器进行比较，将比较结果保存到逐次比较寄存器，并通过逐次比较寄存器输出转换结果。与ADC有关的特殊功能寄存器为P1口模拟功能控制寄存器P1ASF，各位定义如下表3-1所示：表3-1特殊功能寄存器P1位号D7D6D5D4D3D2D1D0为名称P17ASFP16ASFP15ASFP14ASFP13ASFP12ASFP11ASFP10ASF如果使用相应口模拟功能，需将P1ASF特殊功能相应位置为1，本系统使用的是P10口。ADC控制寄存器ADC_CONTR，ADC_CONTR寄存器的各位定义如下表3-2所示：表3-2 ADC控制寄存器位号D7D6D5D4D3D2D1D0位名称ADC_POWERSPEED1SPEED0ADC_FLAGADC_STARTCHS2CHS1CHS0（1）ADC_POWER：ADC电源控制位。0：关闭ADC电源。1：打开ADC电源。启动A/D转换前一定要确认ADC电源已打开，A/D转换结束后关闭ADC可降低功耗。（2）SPEED1、SPEED0：ADC转换速度控制位，各种设置如下表3-3所示：表3-3 ADC转换速度控制SPEED1SPEED0A/D转换所需时间1190个时钟周期转换一次，CPU工作频率21MHZ时，A/D转换速度约300KHZ，9位精度10180个时钟周期转换一次可达到10位精度01360个时钟周期转换一次可达到10位精度00540个时钟周期转换一次可达到10位精度（3）ADC_FLAG：A/D转换结束标志位。A/D转换完成后，ADC_FLAG=1，要由软件清零。（4）ADC_START：A/D转换启动控制位，ADC_START=1，开始转换；ADC_START=0，停止转换。（5）CHS2、CHS1、CHS0：模拟输入通道选择。如下表3-4所示：表3-4 模拟输入通道选择CHS2CHS1CHS0模拟输入通道选择000选择P1.0作为A/D输入来用001选择P1.1作为A/D输入来用010选择P1.2作为A/D输入来用011选择P1.3作为A/D输入来用100选择P1.4作为A/D输入来用101选择P1.5作为A/D输入来用110选择P1.6作为A/D输入来用111选择P1.7作为A/D输入来用3.2.2MOC3021简介moc3021是摩托罗拉生产的可控硅输出的光电耦合器，常用作大功率可控硅的光电隔离触发器，且是即时触发的。MOC301XM和MOC302XM系列的驱动装置的光学隔离开关元器件。这些装置包含一种红外材料发光二极管和光敏硅双侧开关,其功能就像一个开关元器件。它们是被设计为接口之间开关元器件电子控制和电力来控制电阻和电感负载为115伏交流电操作。该芯片内部的发光二极管稳定性好，具有较低的退化，并且具有较高的隔离电压，电压为5300VAC。其可在工业控制系统电磁/阀控制、红绿灯静态交流电源开关、固态继电器、电机控制中的应用、灯镇流器等场合应用。本系统是路灯控制，基本可以作为纯电阻负载，其基本管脚使用如下图3-1所示：图3-1电阻负载接线原理3.2.3BTA-16简介该型号可控硅具有低热阻、低热绝缘。其主要应用在特别推荐用在感应负载,因为他们具有高换向性能，开/闭功能或相位角度应用如静调光器、继电器、电器电机控制器的速度。BAT16的外形图及尺寸图如下图3-2所示：图3-2 BTA16外形图及尺寸图双向可控硅的检测：用万用表电阻R*1挡，用红、黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻，结果其中两组读数为无穷大。若一组为数十欧姆时，该组红、黑表所接的两引脚为第一阳极A1和控制极G，另一空脚即为第二阳极A2。确定A1、G极后，再仔细测量A1、G极间正、反向电阻，读数相对较小的那次测量的黑表笔所接的引脚为第一阳极A1，红表笔所接引脚为控制极G。将黑表笔接已确定的第二阳极A2，红表笔接第一阳极A1，此时万用表指针不应发生偏转，阻值为无穷大。再用短接线将A2、G极瞬间短接，给G极加上正向触发电压，A2、A1间阻值约10欧姆左右。随后断开A2、G间短接线，万用表读数应保持10欧姆左右。互换红、黑表笔接线，红表笔接第二阳极A2，黑表笔接第一阳极A1。同样万用表指针应不发生偏转，阻值为无穷大。用短接线将A2、G极间再次瞬间短接，给G极加上负的触发电压，A1、A2间的阻值也是10欧姆左右。随后断开A2、G极间短接线，万用表读数应不变，保持在10欧姆左右。符合以上规律，说明被测双向可控硅未损坏且三个引脚极性判断正确。3.2.47805稳压芯片简介三端稳压器件;78xx/79xx 系列三端稳压器件是最常用的线性降压型 DC/DC 转换器，目前也有大量先进的 DC/DC 转换器层出不穷，例如低压差线性稳压器 LDO等, （例如，NSC 的 LM2940、LM2651、LM5020，MAXIAM 的 MAX1747 等等）。78xx/79 系列简单易用、价格低廉，直到今天还在大多电路中采用。 如7805，7806，7809，7812，7815，7824，（79）。以及三瑞可调稳压（LM317,337,338.） 7805在降压电路中应注意以下事项： （1）输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏（即逐级降压）；（2）输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿； （3）输入输出压差也不能太小,大小效率很差。 7805功能框图如下图3-3所示：图3-3 7805功能框图3.1.5光敏电阻简介本系统采用的传感器为光敏电阻。光敏电阻是一种均质半导体光电器件，也称光导管。工作原理和结构：光敏电阻是利用光电导效应制成的。当没有光照时，光敏电阻的阻值（暗电流）很大；当它受到一定波长范围的光照时，其阻值（亮电流）急剧减小。因此，将光电阻接入电路中，就可使电路中的电流在光照前后有很大的变化，根据电流变化量，就可知道光强的大小。制造光敏电阻的材料一般有金属的硫化物、碲化物等。为了避免外来干扰，光敏电阻外壳的入射孔上盖有一种能透过所要求光谱范围的透明保护窗。为了避免光敏电阻的灵敏度受潮湿等因素影响，要将导电体严密封装在金属壳中。主要参数和基本特征：（1） 暗电流、亮电流、光电流光敏电阻在室温、无光照射的全暗条件下，经过一定稳定时间后，测得的电阻值为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流，称为亮电流。亮电流与暗电流之差，称为光电流。光敏的暗电阻越大、亮电阻越小，则性能越好。也就是说，暗电流要小，光电流要大，这样的光敏电阻灵敏度就高。实际上，大多数光敏电阻的暗电阻往往超过1兆欧，甚至高达100兆欧，而亮电阻即使在正常白昼条件下也可以降到1千欧以下，可见光敏电阻的灵敏度是相当高的。（2）伏安特性在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系，称为伏安特性。在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且没有饱和现象。但是不能无限制地提高电压，任何光敏电阻都有最大额定功率、最高工作电压和最大额定电流。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，而光敏电阻的耗散功率又和面积大小及散热条件等因素有关。（3）光谱特性光敏电阻对不同波长的光，其灵敏度是不同的。因此，在选用光敏电阻时，应该结合光源来考虑，这样才能获得满意的结果。（4）响应时间和频率特性试验表明，当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流并不立刻上升到最大饱和值，而当光照去掉后，光电流也并不立刻下降到零。这说明光电流的变化相对于光的变化，在时间上有一个滞后，这就是光电导的弛豫现象。4 系统硬件电路设计4.1 电源转换模块该模块主要实现电压转换。由于单片机系统的工作电压位直流5V，所以须将220V、50HZ交流市电转换为直流5伏电压。在此选用7805芯片实现电平转换。7805的电路接线原理图如下图4-1所示：图4-1 7805接线电路整流电路采用的是4桥臂全波整流电源模块的原理图如图4-2所示：图4-2 电源模块原理图当220V市电经过变压器变至12V时，输入到4桥臂电桥电路进行全波整流。整流后通过电解电容C2滤波，使波形变得更加平滑。此时输出的波形就是一个较为平滑的直流12V电压。然后输入到7805进行稳压得到的是输出直流5V电压，其中二极管D1起到隔离作用。4.2 过零检测电路过零检测的作用是给主芯片提供一个标准，这个标准的起点是零电压，可控硅导通角的大小就是依据这个标准。也就是说每个导通角的导通时间是从零电压开始计算的，导通时间不一样，导通角度的大小就不一样。过零检测电路如图4-3所示：图4-3过零检测电路如上图可以看到经过整流电路后，输出形成脉动直流波形。当ZERO点电压大于0.7V时，NPN三极管导通，在三极管集电极形成低电平，当ZERO点电压低于0.7V时，三极管截止，三极管集电极通过上拉电阻形成高电平。这样通过三极管的反复导通、截止，通过ZERO点连接单片机中断口实现过零检测。波形图如图4-4所示：图4-4过零检测波形图4.3 单片机控制模块为了达到自动控制的要求，该系统最主要的还是通过单片的程序控制。单片机控制模块主要由时钟电路、复位电路、按键电路、ADC采集电路组成。时钟电路如图4-5所示：图4-5 时钟电路ADC采集电路如图4-6所示：图4-6 ADC采集电路复位电路和按键电路如图4-7，图4-8所示：图4-7 复位电路 图4-8 按键电路单片机主连接电路如图4-9所示：图4-9单片机主连接电路4.4 路灯控制模块本系统的外控制模块主要由光电耦合器和可控硅组成，光电耦合器用以系统与外界的隔离作用。因为可控硅的A1、A2端是接220V市电，控制端G与单片机相连。一旦没有光电耦合器做隔离作用系统很容易跑“死机”。外电路控制模块如图4-10所示：图4-10 外电路控制模块5 节能路灯控制系统的软件处理5.1 系统编程语言和编程工具在单片机的开发应用系统中，汇编语言作为传统的嵌入式系统的编程语言，己经不能满足实际需要，高级语言被逐渐引入，C语言就是其中之一。C语言是一种通用的计算机程序设计语言，它既有高级语言的各种特征，又能直接操作系统硬件。对于大多数8051系列单片机，使用C语言与使用汇编语言相比具有如下优点：（1）不需要了解处理器的指令集，也不必了解存储器结构；（2）寄存器分配和寻址方式由编译器进行管理；（3）指定操作的变量选择组合提高了程序的可读性；（4）可使用与人的思维更相近的关键字和操作函数；（5）程序的开发和调试时间大大缩短；（6）C语言中的库文件提供了许多标准的例程；（7）可实现模块化编程技术，从而可将己编制好的程序加入到新程序中；（8）C语言可移植性好且非常普及。STC12C5A60S2是一款增强型8051单片机。8051系列单片机作为工业标准地位，从80年代开始就有了51单片机的C语言编译器。C语言可以调用汇编语言的子程序或子函数。因本系统界面比较庞大，控制较多且单片机的工作时序没有严格要求，故在本系统中，单片机程序采用C语言编写。本系统在进行软件设计和调试时使用的是Keil3编程软件。单片机开发中除必要的的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CUP可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。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将这些部分组合在一起。掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的编程人员十分必要。5.2 软件总体设计系统监控程序是控制单片机系统按照预定操作方式运转的程序，是整个系统程序的框架。在本系统中，单片机的主要任务是用来控制可控硅运行状态和操作者按下不同的按键后，执行相应的任务，各个任务执行的先后顺序取决于键码。根据这样的功能和操作方法，程序总体结构采用键码分析作业调度型，即作业调度完全服从操作者的意图，操作者通过光敏电阻的变化，单片机对采集数据的分析发出作业调度命令，监控程序接收到控制命令后，通过分析启动对应的作业。 系统软件设计采用模块化设计的方法，它是把一个功能完整的较大的程序分解为若干个功能相对独立的较小的程序模块，对各个程序模块分别进行设计、编程和调试，最后把各个调试好的程序模块联成一个大的程序。模块化程序设计的优点是单个功能明确设计和调试比较方便、容易完成。一个模块可以为多个程序所共享。模块化编程的具体体现是把各个功能相对独立的模块作为子函数，主程序是一个不断循环检测结构。当系统上电自检、初始化后，进入信号输出的循环，并自动查询面板按键的状态，以检测用户可能输入的指令，确定程序将要执行的功能。本系统软件由延迟程序模块、中断程序模块、ADC数据采集模块模块、主程序模块、构成。他们是整个系统软件的核心，上电复位后系统首先进入监控主程序。它的任务是识别命令、发送命令，起着引导系统进入正常工作状态，协调各部分软件有条不紊地工作的重要作用。单片机和PC机之间采用自定义串口协议，采用半双工通信方式来协调工作。单片机接收到PC机命令并解释命令，从而控制可控硅和路灯执行操作。本系统中路灯和可控硅作为命令执行者，主要根据光敏电阻对外界的感应，单片机对其做出相应的分析控制路灯开关亮灭。单片机通过ADC采集软件算法控制以达到测控的任务。软件设计流程如图5-1所示：开始主程序初始化中断初始化等待外中断处理中断读取光敏电阻数据单片机ADC数据采集过零检测控制路灯图5-1单片机软件设计流程图5.3 单片机各模块程序设计5.3.1 延迟程序模块该模块主要是给程序一个处理的缓冲期。具体代码见附录。5.3.2 ADC数据采集模块该模块首先要对ADC初始化，因为本系统P1.0的模拟量功能。所以必须初始化到相应的寄存器上“P1ASF = 0x01”。具体代码见附录。5.3.3 主程序控制模块该模块主要控制外部中断和按键读取指令，单片机初始化外部中断。当有外部中断即过零检测时就执行中断指令。当有按键按下时单片机自动检测，并且进入中断程序进行过零检测控制可控硅导通角。具体代码见附录。5.3.4 中断模块 该模块主要是进行过零检测控制可控硅导通角。具体代码见附录。6 系统调试与数据测试6.1 系统调试在前面几章中，我们详细讨论了路灯控制的软硬件设计，要使一套装置真正运行起来并达到预期的指标和功能，进行调试是必不可少的。6.1.1 元件焊接与整板测试（1）元件焊接焊接前对电阻、电容的量值要进行测量、筛选，选择与实验电路中参数值最接近的元件。芯片选择时要注意封装。本系统中元件大部分都是直插式的，焊接时要防止引脚因焊接不当短路或断路。由其注意本系统与220V市电直接相接所以在电源部分必须电镀，并且做好绝缘措施。上电调试注意安全。（2）整板测试整板测试是在元件焊接完成但未加电前对电路板进行的检查。该过程是系统上电前的检查工作，需要对每个器件逐个引脚进行检查，一方面是检查有没有引脚虚焊或与其他信号线短路，另一方面是对器件引脚功能的再检查，查看设计是否正确。整板测试可以按照先电源和地，再逐个器件引脚的顺序测试。（3）上电功能测试上电测试是调试的关键部分，按照系统方案设计的模块化思想，应该分模块测试系统。首先还是应该测试电源部分，系统上电以后，测试各个电源端口和器件的电源部分是否工作正常，同时应注意系统中有无器件过热情况，如果有的话，可能是相应的器件损坏或电路中有短路，需要处理之后再加电。如果没有问题，则可以进行功能的检测。系统测试中使用了数字示波器、数字万用表等工具进行电路调试。根据电路功能逐级进行时钟和复位电路的调试、单片机的基本调试、可控硅控制调试、按键电路的调试等。在电路板调试中出现过各种问题，遇到这些问题需要从最基本的电路知识进行分析，先分析问题出现的原因，再考虑解决的方法。6.1.2 系统硬件调试由于系统硬件较复杂，硬件电路装配、焊接完成后，可能不能正常工作。为了方便调试，采用分块调试的方法。电路由多个模块组成，复位电路、时钟电路、输入输出接口电路、可控硅电路、光敏电阻传感器采集电路等。首先，调试确定电源供电正常，各集成块底座相应的供电管脚处是集成块正常工作所需电压状态。然后关掉电源插上集成块。以免供电不正常损坏器件。通电后用万用表测量各集成块的供电脚均有5V电压。尤其单片机供电正常。其次，光敏电阻传感器的数据采集读取电路，通过万用表测试光敏电阻在不同环境（光强）下的电阻变化是否符合元件特性图，以确定电路工作的正确性。最后，对可控硅控制的路灯电路进行测试。上电后用手动按键或改变外部条件（光强）触发其不同导通角从而改变路灯光强，以达到检测其控制电路的目的。6.1.3 系统软件调试软件是整个系统的灵魂，所以软件的调试就显得至关重要了。系统软件调试时也要分模块来进行调试，这样才能使进程有条不紊的进行下去，而不至于出现混乱。首先，要调试好单片机控制模块，这样整个系统就有了大脑。其它各部分调试起来也就方便多了。许多软件的调试不可能单纯的在电脑上调试一下就可以，都是建立在硬件的基础上的，所以软件的调试主要是混合调试。在此介绍一下本次软件调试中一种独创性的调试方法。由于我们手中的仪器有限，单片机这种常用芯片还可以在实验室借到仿真器，如果没有合理的调试方法和深厚的软件调试经验会走很多弯路。为方便调试，系统将单片机的控制端口放置了指示灯，并结合液晶显示模块做固定值显示以直观的判断程序运行是否正确。通过软硬件相结合的形式在调试中达到了很好的效果，一定程度上避免了软件调试完全脱离硬件的盲目性。在软件调试的过程中还发现可控硅控制的交流市电部分电路存在的不合理设计，得到了及时的修正。6.1.4 调试小结在本系统设计的调试中，最主要的困难是来源于传感器。如何使传感器在良好的运行状态，最关键就是要保证外界对传感器的干扰要降到最低。系统电路中如果有高压市电，最好采取隔离的方式处理以保证系统各部分的正常运行，互不干扰。调试的最佳方案是软硬件相结合。用软件去发现硬件的故障，用硬件去观察软件的漏洞。相辅相成，相得益彰。6.2 系统实验6.2.1 测试仪器 （1）示波器：YUANLONG V-252双踪示波器（带宽20MHz）DS5062数字示波器（带宽60MHz）（2）万用表：WARNING DT980 4位半数字万用表6.2.2 测试实验 （1）系统检验系统检验首先应对整板外观做全面检查。路灯控制系统外观示意图如图6-1所示： 图6-1整体外观示意图系统测试现场如图6-2所示：图6-2系统现场测试图 （2）路灯性能测试在确定光敏电阻正常工作后，改变光强条件测试电压和光敏电阻的阻值。7 结论经过三个月的努力，在详细了解可控硅控制原理和复习所学知识的基础上