基于51单片机智能路灯控制器设计与实现

摘 要摘 要现在，随着微电子技术和集成电路技术的快速发展，单片机技术无处不在。单片机作为计算机科学与技术的重要组成部分，作为嵌入式系统的先头兵，片上系统的先行者，已经被广泛应用到了各行各业，尤其是与控制相关的领域，极大的提高了产品的智能化程度和技术水平，已经成为了当今社会十分重要的技术领域。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MSC51系列单片机89C51和相关的光电检测设备及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照明，而且发展成了城市景观等装饰性照明的综合市政工程。关键词：路灯 单片机技术 设计ABSTRACTABSTRACTNowadays, with the rapid development of micro-electronic technology and integrated circuit technology, Single Chip Micro-computer (MCU) technology is being used everywhere. MCU has been used in all kinds of industries, especially in the areas concerning the controlling as the important ingredient in the computer science and technology, the front-runner in the embedded system. It has improved products Intellectualized and technical standards and been a quite important technical area in our recent social needs and the applied areas of MCU expanding, types of mental produce and control systems are designed with MCU as the central technology.The system uses MSC MSU-51 and Relevant photo electric equipment to design intelligentized controller of streets lights and realize the function of controlling the switches according to the actual conditions of light through P1 port of 8051 chip. As the ever-accelerated development of social civilization, City light is not only confined to the street lighting but also developed into the urban landscape and decorative Keywords: lamp MCU-technology designi目 录目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 单片机概述1第二章 芯片介绍32.1 89C51芯片简介32.1.1 89C51单片机内部结构32.1.2 中断系统52.1.3 时钟电路52.1.4 89C51的引脚说明62.1.5 单片机的系统资源82.1.6 运算器92.1.7 控制器92.1.8 89C51单片机的存储器系统102.2 232串口芯片介绍112.3 光敏电阻142.3.1 光敏电阻介绍142.3.2 基本特性及其主要参数162.4 继电器202.4.1 继电器的作用202.4.2 继电器的电符号和触点形式202.4.3 继电器（relay）的工作原理和特性212.4.4 继电器主要产品技术参数222.4.5 继电器测试22第三章 系统设计方案论证253.1 传感电路部分253.2 执行电路部分25第四章 系统硬件设计及原理图的绘制274.1 Altium Designer电路设计软件简介274.2 光电检测电路294.3 单片机控制电路294. 4 继电器执行电路294. 5 串口通信电路294.5.1 串口通信电路原理图304.5.2 串口通信电路在系统中的优势30第五章 系统总电路原理图31第六章 调试及最后完成336.1 硬件电路的安装调试336.2 软件调试336.3 程序流程图346.4 程序部分34第七章 心得体会37致 谢39参考文献411第一章 绪论第一章 绪论1.1 引言随着我国加入世界贸易组织（WTO），为了创造一个良好的投资环境，塑造一个美丽的国际化城市，更好的与国际接轨，全国各大城市的市政建设步伐都逐步加快，公路系统蓬勃发展，因此装扮美丽城市夜景的路灯照明工程得以迅猛发展。由于单片机具有集成度高，处理能力强，可靠性高，系统结构简单，价格低廉等优点，因此在路灯照明工程中被广泛应用。近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断走向深入。单片机技术中的计时系统是单片机的一个典型的应用。夜晚城市里花灯初上，人们消除了白天的繁忙，漫步穿行于城市的街道上，路灯已经成为一个城市的照明系统不可分割更是无可替代的一部分，在城市照明中发挥着举足轻重的作用，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89C51和相关的光电检测设备及继电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，而且发展成了城市景观等装饰性照明综合市政工程。社会对亮灯率,开关灯的准确率，故障检测的实时性和维护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，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，扩展功能强。1.2 单片机概述单片机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代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，他们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引脚的多功能化，以及低电压低功耗。23第二章 芯片介绍第二章 芯片介绍2.1 89C51芯片简介2.1.1 89C51单片机内部结构所谓单片机(Single Chip Microcomputer或 MCU)是指在一块芯片中，集成有中央处理器(CPU)、存储器(RAM和ROM)、基本I/O端口以及定时器/计数器等部件并具有独立指令系统的智能器件，即在一块芯片上实现一台微型计算机的基本功能。 不同的单片机有着不同的硬件结构和指令系统，即它们的技术特征不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，设计人员必须了解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。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等，这些信息可以从生产厂商的技术手册中得到。指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，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。单片机及应用系统有以下特点：（1）单片机具有独立的指令系统，可以将我们的设计思想充分体现出来，使产品智能化；（2）系统配置以满足控制对象的要求为出发点，使得系统具有较高的性能价格比；（3）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；（4）单片机本身不具有自我开发能力，一般需借助专用的开发工具进行系统开发和调试，但最终形成的产品简单实用，成本低，效益高；（5）应用系统所用存储器芯片可选用EPROM、E2PROM、OTP芯片或利用掩膜形式生产，便于批量开发和应用。大多单片机如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；（6）系统小巧玲珑，控制功能强、体积小，便于嵌入被控设备之内，大大推动了产品的智能化。89C51单片机包含中央处理器、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统的几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在加以说明： 中央处理器（CPU）： 中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部分，是八位数据的处理器，能处理八位二进制数据或者代码，CPU负责控制，指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器（RAM）： 89C51内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，他们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据。所以，用户使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户的定义的字形表。程序存储器（ROM）：程序存储器是用来存放已调试完成的程序和常数表格的。为了提高系统的可靠性，应用程序通常固化在片内ROM中。CPU设置了一个专用寄存器程序计数器PC，用以存放将要执行的指令地址。PC的长度为16位，故程序存储器的寻址范围为64KB（0000HFFFFH），也就是说，51系列单片机具有64KB的程序存储器空间。定时/计数器（ROM）： 89C51单片机有两个16位定时器/计数器，通过对机器周期计数达到定时的目的，通过对外部事件计数达到计数之目的。并行输入输出（I/O）口： 89C51共有四组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。数据在整个传输过程中，并排前进，有多少个数据线就能同时传送多少位数据。并行通信的特点是硬件连线多、传送速率高，一般适用于近距离、高速率的通信领域。如：计算机主板与硬盘、打印机等之间的通信。双全双工串行口：89C51内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。数据在传输过程中一位一位的串行传输，硬件连接比较简单。最简单时只需3根连线即可实现串行通信，相对于并行通信来讲其通信速率低，一般适用于短距离数据通信。在单片机应用系统中常采用串行通信方式。2.1.2 中断系统所谓中断是指计算机在执行某一程序的过程中, 由于计算机系统内部或外部的某种原因, CPU必须暂时停止现行程序的执行，而自动转去执行预先安排好的处理该事件的服务子程序，待处理结束之后, 再回来继续执行被中止的程序的过程。实现这种中断功能的硬件系统和软件系统统称为中断系统。89C51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。2.1.3 时钟电路89C51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89C51单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的89C51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。下图是89C51系列单片机的内部结构示意图图2.1 89C51系列单片机内部结构图2.1.4 89C51的引脚说明89C51单片机采用40PIN封装的双列直接DIP结构，下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2.2 89C51 系列单片机引脚 电源引脚(40、20)：这当然是必不可少的了。单片机使用的是5V电源，其中40引脚接正极(VCC)，20引脚接负极(VSS)或地(GND)。振荡电路(18、19)：单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用晶体振荡器，接18、19脚。这两个脚的定义是： (1)时钟电路引脚(XTAL2)（18脚)：该脚接外部晶体和微调电容的一段，在89C51内部，它是振荡电路反相放大器的输出端。振荡电路的频率就是固有频率。若采用外部时钟电路，该引脚输入外部脉冲。 (2)时钟电路引脚(XTEL1)（19脚）：该脚接外部晶体和微调电容的另一端。在片内，它是反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该脚必须接地。 复位引脚（RESET）（9脚）：它是复位信号输入端，高电平有效，当此脚保持两个机器周期，即24个时钟振荡周期为高电平时，即可完成复位操作。他还具有第二功能，即当主电源VCC发生故障，降低到低电平规定值时，将5V电源自动接入RST端，为单片机提供备用电源。以保证信息不丢失，电源恢复后，能够正常工作。EA/VPP引脚(31脚)：访问程序存储器控制信号端(又：外部存储器地址允许输入端)。(1)当EA引脚接高电平时，CPU访问片内EPROM(CPU读取内部程序存储器)，并执行内部程序存储器中的指令。(2)当EA脚接低电平时，CPU只访问外部EPROM，并执行外部程序存储器中的指令。而不管是否有片内程序存储器。 (3)此脚还具有第二功能VPP：是对89C51片内同化编程时，作为施加较高编程电压输入端。即：89C51烧写内部EPROM时，利用此脚输入21 V的烧写电压。 PSEN(29脚):程序存储器允许输入端(也叫:外部程序存储器读选通信号端):在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作： (1)内部ROM读取时，PSEN不动作； (2)外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次； (3)外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出； (4)外接ROM时，与ROM的OE脚相接。 要检查一个89C51小系统上电后能否正确到EPROM中读取指令，可用示波器看PSEN端有无脉冲，如有，说明基本工作正常。 ALE(30脚):地址锁存控制信号端。89C51正常工作时，ALE脚不断向外输出正脉冲信号，频率为振荡器频率fosc的六分之一，CPU访问外部数据存储器时，ALE作为锁存8位地址的控制信号。平时不访问外部存储器时，ALE也以六分之一的振荡频率固定输出正脉冲。因而，ALE信号可以作为对外输出时钟或定时信号。 另外还有四个8位并行通讯端口： P0口：8位双向I/O端口(3932引脚)。即：P0.0P0.7 P1口：8位双向I/O端口(18引脚)。即：P1.0P1.7 P2口：8位双向I/O端口(2128引脚)。即：P2.0P2.7P3口：8位双向I/O端口(1017引脚)。即：P3.0P3.7P0口有三个功能： (1)外部扩展存储器时，当做数据总线。 (2)外部扩展存储器时，当做地址总线。 (3)不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。 P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。P2口有两个功能:(1)扩展外部存储器时，当作地址总线使用；(2)做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。P3口有两个功能：除了作为I/O使用外(其内部有上拉电阻)，还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。有内部EPROM的单片机芯片，为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的。即：编程脉冲：30脚(ALE/PROG)编程电压(25V)：31脚(EA/Vpp)2.1.5 单片机的系统资源1.CPU(即控制器)。2.运算器。3.片内数据存储器(RAM)：用以存放可以读写的数据。如运算结果、最终结果、欲显示的数据。4.片内程序存储器(ROM)：用以存放原始程序、数据和表格。5.四个8位并行输入输出接口：P0P3。6.两个定时计数器：每个计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据定时或计数结果实现计算机控制。7.五个中断源的中断控制系统。8.一个全双工UAST的串行I/O口，可以实现单片机与单片机或其他微机系统串行通讯。9.片内振荡器和时钟产生电路。10.片内系统总线：包括数据总线、低8位地址总线、高8位地址总线和控制总线。2.1.6 运算器运算器的组成：算数逻辑单元ALU、累加器、寄存器。算数逻辑单元ALU的作用：把传送到处理器的数据进行算数或逻辑运算，它具有两个输入来源，一来自累加器，二来自数据寄存器。ALU执行不同的运算操作是由不同控制线上的信息所决定的。通常ALU接收来自累加器或寄存器的2组8位二进制数。因为要对这两个输入的数据进行操作(如，数据进行算数或逻辑运算)，所以将这两个输入的数据均称为操作数。ALU可以对这两个操作数进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。例如:12和31相加，在相加之前，操作数12放在一个暂存器(累加器或寄存器)中，操作数31放在另一个暂存器(累加器或寄存器)中。执行两数相加运算的控制线发出加操作信号，ALU即把两个数相加，并把结果43放入累加器，取代累加器中前面存放的数(12或31)。2.1.7 控制器它由程序计数器P C、指令寄存器、指令译码器、时序产生器、操作控制器组成。1.程序计数器PC：为了保证程序能够连续的执行下去，CPU必须具有某些手段来确定一条指令的地址。程序计数器PC正是起到这个作用。所以通常又称其为指令地址计数器。在程序开始执行之前，必须将其起始地址，即程序的第一条指令所在的内存中的单元地址送入PC，当执行指令时，CPU将自动修改PC中的内容，使之总是保存将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序执行的，所以，修改的过程只是简单的加一操作。2.指令寄存器：用来保存当前正在执行的一条指令，当执行一条指令时，先把它从内存中取出，然后再传送到指令寄存器。3.指令译码器：指令分为操作码和操作数字段，由二进制数字组成，为执行任何给定的指令，必须对操作码进行译码，以便确定所要求的操作。指令译码器就是负责这项工作的，指令寄存器中操作码的输出，就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。4.时序产生器：控制器是发布命令的决策机构，即协调和指挥整个计算机系统操作。控制器电路复杂。控制器内部各部分要协调工作，必须有一个同步信号，这个同步信号就是时钟，时钟是由晶体振荡电路产生的周期固定的方波序列。5.操作控制器的主要功能：(1)从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。(2)对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。比如一次内存读写操作、一个逻辑运算或输入输出。指挥并控制CPU，内存和输入设备之间的数据流动的方向。相对控制器而言，运算器接收控制器的命令而进行操作，即运算器所进行的所有操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的。2.1.8 89C51单片机的存储器系统89C51单片机存储器在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，这个地方就是数据寄存器。89C51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，89C51存储器地址空间分为三类：(1)片内片外统一编址的0000HFFFFH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0000HFFFFH用16位地址。(3)256字节数据存储器空间，用8位地址。程序存储器地址空间：89C51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0000HFFFFH。片外最多可扩至64K字节。地址为1000HFFFFH。片内片外是统一编址的。当引脚EA接高电平时，89C51程序计数器PC在0000H0FFFH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0000H0002H用作89C51上电复位后引导程序存放单元。因为89C51上电复位后程序计数器PC的内容为0000H,所以CPU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。0003H0023H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。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。MSC51内部RAM有128或256个字节的用户数据存储(不同的型号有分别)，片外最多可扩展64KB的RAM，构成两个地址空间，访问片内RAM用“MOV”指令，访问片外RAM用“MOVX”指令。它们是用于存放执行的中间结果和过程数据的。MCS51的数据存储器均可读写，部分单元还可以位寻址。2.2 232串口芯片介绍数据在传输过程中一位一位的串行传输，硬件连接比较简单。最简单时只需3根连线即可实现串行通信，相对于并行通信来讲其通信速率低，一般适用于短距离数据通信。在单片机应用系统中常采用串行通信方式。在串行通信中，按同步方式的不同，又分为同步通信和异步通信。（1）异步通信（Asynchronous Communication），数据通常是以字符为单位组成字符帧传送的。字符帧由发送端一帧一帧地发送，一帧数据低位在前，高位在后，通过传输线被接收端一帧一帧地接收。（2）同步通信（Synchronous Communication）是将一大批数据分成若干个数据块, 数据块之间用同步字符隔开, 而传输的各位二进制码之间都没有间隔。其基本特征是发送端与接收端通信时保持严格同步。即同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传输一帧信息。由于电脑串口RS232电平是-10V+10V，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0+5V, MAX232就是用来进行电平转换的，该器件包含两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA 232F电平。为了提高数据通信的可靠性和抗干扰能力，RS-232C标准中规定发送端信号逻辑“0”(空号)电平范围为+5V+15V，逻辑“1”(传号)电平范围为5V15V；接收端逻辑“0”为+3V+15V，逻辑“1”为3V15V。噪声容限为2V。5V+5V以及3V+3V之间分别为发送端和接收端点信号的不确定区。通常，RS-232C总线逻辑电平采用+12V表示“0”，12V表示“1”。下图是MAX232引脚图图2.3 MAX232引脚图该器件符合TIA /EIA232F标准，每一个接收器将TIA /EIA232F电平转换成5V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS那电平转换成TIA /EIA232F电平。232是电荷泵芯片，可以完成两路TTL/RS232电平的转换，它的9、10、11、12引脚是TTL电平端，用来连接单片机的。MAX232获得正负电源的另一种方法在单片机控制系统中，我们时常要用到数/模(D/A)或者模/数(A/D)变换以及其它的模拟接口电路，这里面要经常用到正负电源，例如：9V ,-9V；12V，-12V。这些电源仅仅作为数字和模拟控制转换接口部件的小功率电源。在控制板上，我们有的只是5V电源，可又有很多方法获得非5V电源。在这里我们介绍一块大家常用的芯片：MAX232。MAX232是TTLRS232电平转换的典型芯片，按照芯片的推荐电路，取振荡电容为uF的时候，若输入为5V，输出可以达到-14V左右，输入为0V，输出可以达到14V，在输出电流为20mA的时候，处处电压可以稳定在12V和-12V，因此，在功耗不是很大的情况下，可以将MAX232的输出信号经稳压块后作电源使用。串口通信的概念非常简单，串口按位(bit)发送和接收字节。尽管比按字节(byte)的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总长不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。 典型的串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成：（1）地线；(2)发送；(3)接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配：A.波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个bit。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率例如如果协议需要4800波特率，那么时钟是4800HZ。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800HZ。通常电话线的波特率为14400、28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典型的例子就是GPIB设备的通信。B.数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0127(7位)。扩展的ASCII码是0255(8位)。如果数据使用简单的文本(标准ASCII码)，那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。C.停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1、1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。 D.奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位(数据位后面的一位)，用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位为1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。2.3 光敏电阻2.3.1 光敏电阻介绍光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。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，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达110M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76）m的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。其结构如图2.4所示：图2.4 光敏电阻结构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。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，如图2.5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，从而造成光敏电阻的阻值下降。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。图2.5 光敏电阻实物图2.3.2 基本特性及其主要参数 1.暗电阻、亮电阻光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。例如MG4121型光敏电阻暗阻大于等于0.1M。光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。MG4121型光敏电阻亮阻小于等于1K。亮电流与暗电流之差称为光电流。显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。2.伏安特性在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与流过光敏电阻的电流之间的关系，称为伏安特性。由图2.6可知，光敏电阻伏安特性近似直线，而且没有饱和现象。受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线，由此可确定光敏电阻正常工作电压。图2.6 光敏电阻的伏安特性3.光电特性光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。如图2.7所示，光敏电阻的光电特性呈非线性。因此不适合做检测元件，这是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。图2.7光敏电阻的光电特性4.光谱特性对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。各种材料的光谱特性如图2.8所示。从图中看出，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域，因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果。图2.8 光敏电阻的光谱特性5.频率特性当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零。这说明光敏电阻有时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。图2.9给出相对灵敏度Kr，与光强变化频率f之间的关系曲线，可以看出硫化铅的使用频率比硫化铊高的多。但多数光敏电阻的时延都较大，因此不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个缺陷。图2.9 光敏电阻的频谱特性 6.温度特性光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大，当温度升高时，它的暗电阻会下降。温度的变化对光谱特性也有很大影响。图2.10是硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线。从图中可以看出，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，有时为了提高灵敏度，或为了能接受远红外光而采取降温措施。图2.10 硫化铅光谱温度特性曲线常用的光敏电阻器是硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线(可见光)的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值(暗阻)可达110M；在强光条件(100LX)下，它阻值(亮阻)仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性(即光谱特性)与人眼对可见光(0.40.76)m的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。所以设计光控电路时，都用白炽灯泡(小电珠)光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。光敏电阻随入射光线的强弱其对应的阻值变化不是线性的，也就不能用它作光电的线性变换，这是使用者应注意的地方。初学者可购置一只光敏电阻器（MG45型)，在夜间点一盏60100W的白炽灯，用万用表直接测量光敏电阻器的阻值。测量时，应把光敏电阻对着白炽灯的光，再逐渐拉开与灯的距离(由近到远)，观察万用表指示的阻值变化，可以直观验证光敏电阻的特牲，以加深对它的感性认识。常用的光敏电阻器型号有密封型的MG41、MG42、MG43和非密封型的MG45。它们的额定功率均在200mW以下。在光电自动控制电路中，可以选用光敏电阻器作为光电传感元件。2.4 继电器2.4.1 继电器的作用继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。继电器一般都有能反映一定输入变量(如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等)的感应机构(输入部分)：有能对被控电路实现“通”、 “断”控制的执行机构(输出部分)；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构(驱动部分)。作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用：(1)扩大控制范围。例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。(2)放大。例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。(3)自动、遥控、监测。例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线跻，从而实现自动化运行。2.4.2 继电器的电符号和触点形式继电器线圈在电路中用一个长方框符号表示，如果继电器有两个线圈，就画两个并列的长方框。同时在长方框内或长方框旁标上继电器的文字符号“J”。继电器的触点有两种表示方法：一种是把它们直接画在长方框一侧，这种表示法较为直观。另一种是按照电路连接的需要，把各个触点分别画到各自的控制电路中，通常在同一继电器的触点与线圈旁分别标注上相同的文字特号，并将触点组编上号码，以示区别。继电器的触点有三种基本形式：(1)动合型(H型)：线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。以合字的拼音字头“H”表示。(2)动断型(D型)：线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。用断字的拼音字头“D”表示。(3)转换型(Z型)：这是触点组型。这种触点组共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合，线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状态，达到转换的目的。这样的触点组称为转换触点。用“转”字的拼音字头“Z”表示。2.4.3 继电器（relay）的工作原理和特性当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)继电器及非电气量(如温度、压力、速度等)继电器两大类。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。1.电磁继电器的工作原理和特性电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点(常闭触点)吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。2.热敏弹簧继电器的工作原理和特性热敏弹簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。它由感温磁环、恒磁环、弹簧管、导热安装片、塑料衬底及其它一些附件组成。热敏弹簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。恒磁环能否向弹簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。3.固态继电器(SSR)的工作原理和特性固态继电器是一种由两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。2.4.4 继电器主要产品技术参数1.额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。2.直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。3.吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。4.释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。5.触点切换电压和电流是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。2.4.5 继电器测试1.测触点电阻用万能表的电阻档，测量常闭触点与动点电阻，其阻值应为0，(用更加精确方式可测得触点阻值在100毫欧以内)；而常开触点与动点的阻值就为无穷大。由此可以区别出哪个是常闭触点，哪个是常开触点。2.测线圈电阻可用万能表R10档测量继电器线圈的阻值，从而判断该线圈是否存在着开路现象。3.测量吸合电压和吸合电流 找来可调稳压电源和电流表，给继电器输入一组电压，且在供电回路中串入电流表进行监测。慢慢调高电源电压，听到继电器吸合声时，记下该吸合电压和吸合电流。为求准确，可以试多几次而求平均值。4.测量释放电压和释放电流也是像上述那样连接测试，当继电器发生吸合后，再逐渐降低供电电压，当听到继电器再次发生释放声音时，记下此时的电压和电流，亦可尝试多几次而取得平均的释放电压和释放电流。一般情况下，继电器的释放电压约在吸合电压的10%50%，如果释放电压太小(小于1/10的吸合电压) ,则不能正常使用了，这样会对电路的稳定性造成威胁，工作不可靠。25第三章 系统设计方案论证第三章 系统设计方案论证光控路灯控制系统分为光线检测和执行控制命令(开路灯、关路灯)，在光线满足设定条件的情况下，光线检测电路将检测到的情况传送给控制器并由控制器发出指令控制相应的电路执行。3.1 传感电路部分方案一：使用光敏电阻直接提供给51单片机输入信号，并进行相应的后续程序操作；方案