基于单片机智能路灯报告

1、厦门大学科 研 科 技 实 践 基于单片机的智能路灯设计 系别 电气工程学院 专 业 电气工程专业 姓名 学号 指导教师 2015年5月18日摘要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89C52和相关的光电检测设备及设计智能路灯控制

2、器，实现了能根据实际光线条件通过8052芯片的I/O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：智能路灯；STC89C52；数码管；节能AbstractNow,with the rapiddevelopment of microelectronictechnology andintegrated circuit technology,single chip technologyis everywhere.Single chipis an important part of computerscience an

3、dtechnology,as thevanguardof the embedded system,the forerunnerof system on chip,has been widely applied to all walks of life,especially thecontrol relatedfield,which greatly improves the productintelligent leveland technical level,has become avery important technology in the field ofmodern society.

4、With the social demandand MCU application domain unceasingexpansion,all kinds of intelligentproducts,control systemis take the monolithic integrated circuittechnology as the coreto carry outdevelopment and design.This system adopts MSC- 51 SeriesMCU 89C52 andrelatedoptoelectronic detectionequipment

5、anddesign of intelligent lightingcontroller,can be achieved in accordance with theactualconditions of lightthrough the 8052 chipI/O port control street lampswitchfunction.With the continuous development of social civilization,urbanlighting hasnot only confined to thestreet lighting,and developed int

6、o comprehensivemunicipal engineeringdecorative lighting ofthe urban landscape.Keywords:intelligent street lamp,STC89C52,digital-tube,energy-saving目 录第1章 前 言21.1 课题研究的背景21.2 课题研究的目的及意义2第2章 设计要求与方案22.1 设计要求22.2 设计方案3第3章 智能路灯硬件设计43.1 单片机最小系统原理43.2 光强度信号采集模块53.3 显示模块83.4 系统原理图9第4章 软件设计104.1 编程软件介绍104.2

7、智能路灯软件设计框图10第5章 仿真与实现115.1 Protues软件简介115.2 Protues仿真电路图125.3 系统调试过程135.3.1 硬件调试135.3.2 软件调试145.4 调试结果155.5系统调试过程中出现的问题16第6章 设计心得与体会17致谢18参考文献19第1章 前 言1.1 课题研究的背景随着社会的发展，能源问题己经成为全球最为关注的问题之一，能源危机已经成为全人类所面临的主要危机，特别是我国的电力能源近年来显得十分吃紧，电力紧张阻碍着我们的日常生产、生活，甚至严重影响到我国经济的发展与社会文明的进步。在城市亮化、美化大潮的趋势下，城市景观照明耗电也吞噬着我们

8、的电力资源。而发电企业投资和建设需要一个较长的周期，快速的经济发展需要更多更充足的电力供应和消耗，电力的供求之间矛盾重重。电力供应缺口很难在短期内得以缓解，发展与节约并重，已经成为经济建设的必然选择。此时，灯光照明行业节电也成为了我们的必然选择!1.2 课题研究的目的及意义如今照明电路的数量越来越多，使得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，

9、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路灯是我国经济发展和国家建设中必需的用电设备，它在我国的整体用电量中所占比例巨大，如果通过节能装置对其进行有效控制，就能够降低电力损耗，达到节约能源，降低生产安装成本，有助于我国经济的快速发展。第2章 设计要求与方案2.1 设计要求1) 能灵敏的感知光强；2) 采用数码管显示光强度；3) 根据光强度系统可自动调节路灯亮度。4)

10、 采用低功耗数字电路控制，大大降低耗电量，延长使用时间。2.2 设计方案在本次设计中，各个测试与信号采集部分采用模块化的设计思想，将整体的功能分成各个模块去实现，分步解决本次设计。本次设计的总体框架如图2.1所示：图2.1 系统总体框架如图2.1所示，本次课程设计总体分为四个结构：光信号采集，CPU模块处理、显示和路灯亮度调节。光信号采集：本次课程设计的智能路灯是根据路灯所处区域的光强度度来调节路灯的亮度。在本设计中，采用光敏电阻和PCF8591构成光信号采集电路。光敏电阻电阻值可随光强度改变而改变，但这个信号是模拟信号，此时需经过AD器件PCF8591将这个模拟信号转换成CPU可识别的数字信

11、号，并送入CPU。CPU模块：CPU模块以STC89C52单片机为核心，扩展其外部电路接口用于数据接收，显示控制等。CPU主要负责接收PCF8591发出的信号并进行处理，将处理结果送到显示模块显示，根据处理结果调节路灯亮度。显示模块：本设计的显示部分采用4位共阴数码管作为显示器，主要负责显示光强度。显示模块被CPU所控制。路灯：因为此设计为课程设计，并未真正应用于现实场合，所以路灯由单个发光二极管模拟。第3章 智能路灯硬件设计3.1 单片机最小系统原理单片机STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器的单片机。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和

12、在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。其引脚图如下

13、图3.1所示：图3.1 STC89C52引脚图STC89C52单片机最小系统原理图如图3.2所示：图3.2单片机最小系统原理图使用经典的52单片机最小系统，采用按键复位的方式，单片机采用12MHZ的晶振，形成周期为1us的外部震荡源，采用开关控制单片机电源和地，节省去下载程序时插拔下载线的需要。在电源模块中，使用1K电阻，因为发光二极管的工作电流为1020mA，使用5V电源接上1K限流电阻刚好是电流在发光二极管的正常工作区域。STC89C52单片机通过接收PCF8591的信号进行内部处理后可得出光强度。此时STC89C52控制数码管显示出光强度，同时，STC89C52内部定时器定时产生方波以控

14、制发光二极管的亮度。此方波的频率大小由光强度决定。3.2 光强度信号采集模块光强度信号采集模块主要包括信号采集单元和转换单元。信号采集单元即传感器，可对光强度的变化进行感知。目前常见可检测光强度的传感器主要有光敏二极管、光敏电阻、光敏三极管和光电管等。这些传感器均可将光信号转换成电信号便于测量。从使用的简单性，稳定性和价格等多方面综合考虑，本次课程设计选用光敏电阻作为光信号采集的传感器。光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机，太阳能庭院灯，草坪灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品

15、盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。图3.3 光敏电阻转换单元：光敏电阻可将光信号转换成电信号，单这个电信号为模拟信号，CPU(STC89C52)能识别、处理的只是数字信号，所以再将这个信号送入CPU处理前需要作前级处理，就是将其转换成数字信号。本设计中采用PCF8591作为AD转换芯片。PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0，A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF

16、8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换。PCF8591的最大转化速率由I2C总线的最大速率决定。如图3.4为PCF8591引脚图：图3.4 PCF8591引脚图PCF8591各引脚描述如下：AIN0AIN3：模拟信号输入端。A0A3：引脚地址端。VDD、VSS：电源端。SDA、SCL：I2C总线的数据线、时钟线。OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端。EXT：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时EXT接地。AGN

17、D：模拟信号地。AOUT：D/A转换输出端。VREF：基准电源端。如图3.5为PCF8591内部结构图：如图3.5 PCF8591内部结构图如图3.6为本次设计的信号采集电路。图3.6 智能路灯信号采集电路3.3 显示模块显示模块所用的显示期间为四位共阴数码管。四位数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。能显示4个数码管叫四位数码管。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用

18、时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。本次设计用的是4位共阴数码管，其内部结构如图9。图9 四位数码管内部结构图4位数码管的驱动方式分为静态驱动和动态驱动。静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译

19、码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多(如驱动5个数码管静态显示则需要58=40根I/O端口来驱动，要知道一个89C51单片机可用的I/O端口才32个），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控

20、制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。显示模块如图3.8所示： 图3.8 显示模块电路3.4 系统原理图如图3.9为智能路灯完整原理图：图3.9 智能路灯系统原理图第4章 软件设计4.1

21、 编程软件介绍单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的源程序要变为CPU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在不断发展，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

22、境（uVision）将这些部份组合在一起。运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非

23、常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。4.2 智能路灯软件设计框图在软件设计中，系统首先打开STC89C52的定时器，并设定初值，如此可输出方波。定时器的初值决定方波的频率，从而间接决定发光二极管的亮度。初始化完毕后系统将进行光信号的测量，若光信号无变化，则定时器初值不变，即灯的亮度维持不变，若光强度改变，则相对应的改变定时器初值以改变路灯亮度。测量完毕的同时CPU将测量结果送入数码管显示。如此循环，系统可根据现场光强环境自动调节路灯亮度。如图4.1为智能路灯的软件总体流程图图4.1 智能路灯系统软件流程第5章 仿真与实现5.1 Protues

24、软件简介Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：ARM7(LPC21xx)、8051/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列以及多种外围芯片。提供

25、软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2、MPLAB等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。由于Protues强大的仿真功能，而且操作简单，包含了大部分我们常用的器件，便于我们进行原理的验证。在本次设计中使用Protues软件进行电路原理的验证，确定原理无误之后进行实物的焊接与验证。5.2 Protues仿真电路图Protues仿真电路如图5.1

26、所示：图5.1 Protues仿真电路图在Protues中画好智能路灯的电路图，由于光敏元件无法用软件来仿真因而利用滑动变阻器来代替光敏元件的电阻值的变化。将编写的程序编译后生成的HEX文件导入到Protues中进行仿真，仿真结果能够按照设定的要求正常显示。从而验证系统设计上的原理正确性。仿真结果：点击启动按钮电源指示灯亮，仿真开始正常工作。根据光敏电阻阻值特性，光照较强时，光敏电阻阻值较大，相应传入AD转换器PCF8591的电压较高，经模数转换后，将得到的8位二进制数输入单片机STC89C52中，由单片机控制路灯开关和显示光照的强度。本设计中，当光照强度小于2.000时路灯亮；当光照强度大于

27、2.000时路灯熄灭。光照强度小于2.0时如下所示：光照强度大于2.0时如下所示：5.3 系统调试过程5.3.1 硬件调试硬件调试是针对单片机部分进行的调试。在上电之前，先确保电路中不存在断路或短路情况，这一工作是整个调试工作的第一步，也是非常重要的一个步骤。在这部分调试中主要使用的工具是万用表，用来完成检测电路中是否存在断路或者短路情况的任务。注意焊点之间，确保焊点没有短接在一起，同时注意焊点的美观，确保没有开路以及短路的现象出现。在确保硬件电路正常且无异常情况（短路或断路）的情况下方可上电调试，上电调试的口的是检测单片机控制部分、数码管点亮部分、超声波模块是否正常工作。5.3.2 软件调试

28、调试主要方法和技巧：通常一个调试程序应该具有至少四种性能：跟踪、断点、查看变量、更改数值。整个程序是一个主程序调用各个子程序实现功能的过程，要使主程序和整个程序都能平稳运行，各个模块的子程序的正确与平稳运行必不可少，所以在软件调试的最初阶段就是把各个子程序进行分别调试。调试完成的智能路灯实物图如图所示：5.4调试结果调试完成后，给实物图接通直流5V的电源，按下启动开关，电源指示灯亮起，智能路灯开始工作，通过光敏电阻元件感受所处位置的光强度，光照较强时，光敏电阻阻值较大，相应传入AD转换器PCF8591的电压较高，经模数转换后，将AD转换器输出的数字信号输入单片机STC89C52中，由单片机输出

29、控制路灯开关和显示光照的强度。当光照强度大于2.000时路灯熄灭如图所示：当光照强度小于2.000时路灯亮起，如图所示：5.5 系统调试过程中出现的问题在系统在调试过程中出现以下几点问题：（1）首先是焊接的顺序问题。当初板子做好以后，我一口气就把所有的元件焊上去了，这样对于没有调试过的板子，就很难找到原因。所以焊接的顺序很重要，应该是应该按功能划分的器件进行焊接，顺序是功能部件的焊接-调试(OK)-另一功能部件的焊接，这样容易找到问题的所在。如果在调试按功能划分的器件上出现问题，可以按以下步骤进行：1) 检查原理图连接是否正确。2) 检查原理图与PCB图是否一致。3) 检查原理图与器件的DAT

30、ASHEET上引脚是否一致。4) 用万用表检查是否有虚焊，引脚短路现象。（2）进入测量状态，但测量值不稳定。主要是环境干扰，因为是模拟，很多方面都不如实际的效果，其次是传感器损坏或有虚焊。第6章 设计心得与体会经过本次的设计与制作，进一步加深了自己对单片机的理解，对于单片机的使用方面有很多注意的细节都在本次的设计中得到了进一步的升华，相信进过本次的设计，自己能够更为熟练的掌握单片机的运用与开发。同时，自己对于模拟电路的理解也得到了加强，深刻的理解了三极管的工作原理以及三极管的放大特性与开关特性。对于一些元器件的使用有了更为真切的感受，将模电与单片机相结合的形式使自己更为容易接受并掌握相关电子电路与单片机结合的知识。这次对简易时钟的设计作，让我了解了电路设计的基本步骤，也让我了解了关于简易时钟的原理与设计理念，要设计一个电路先进行软件模拟仿真再进行实际的电路制作。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实