毕业设计-基于单片机的路灯稳压控制系统的设计

1、基于单片机的路灯稳压控制系统的设计 摘 要 目前随着工业的发展，电力设备的老化，导致电力紧张已是社会普遍现象。而城市化的加快又 需要更多的照明路灯，而且一般照明路灯电压总是在用电高峰低于额定值，用电低峰高于额定值， 这无疑会造成路灯不能正常工作或浪费电力资源。所以研究路灯稳压控制系统就变得很有意义。 本设计以单片机为控制核心，设计出一种路灯稳压控制系统,其工作原理是：电网电压通过采 样电路，AC/DC 转换，再经 A/D 转换后的信号输入单片机，单片机通过运算处理来控制无触点开关 的状态，选择补偿稳压线圈组合，最终实现补偿稳压。 关键词：单片机；补偿式；无触点开关 MCU-based volt

2、age-stabilizing controller of street lamp Abstract With the rapid development of industry and adging electrical equipment,the lass of power is no doubt nowadays.But the development of cities need more power of electricity for street lamp.And generally street lampvoltage is lower than rated voltage w

3、hen peak power,but is higher than rated voltage.These have no doubt making street lamp not in proper work order and wasting power of electricity.So study voltage-stabilizing controller of street lamp is very important. From the controller of MCU,this design makes a voltage-stabilizing controller of

4、street lamp. The working principle is as follows. Network power goes through the sample circuit,network afer AC/DC convert and A/D convert,then,puts the signal of A/D convert into MCU.MCU deals with the signal, then,controls the state of the BCR with the processing result.From this to choose the con

5、stitute of compesating coils.In the end,this system can achieved voltage-stabilizing. Keywords: MCU; compensating;BCR I 目目 录录 1 绪论.1 1.1 引言 .1 1.2 设计的目的和意义 .1 2 单片机技术简介.2 2.1 单片机的定义 .2 2.2 单片机的发展史 .2 2.3 单片机的应用领域 .3 2.4 本章小结 .4 3 系统稳压原理及主电路结构.5 3.1 单片机选择 .5 3.1.1 主要性能 .5 3.1.3 振荡器特性 .7 3.1.4 芯片擦除 .7

6、 3.2 稳压原理 .7 3.3 主电路结构 .8 3.4 本章小结 .9 4 系统硬件设计.10 4.2 AC/DC 转换电路 .10 4.3 A/D 转换电路 .12 4.4 双向可控硅触发电路 .14 4.5 报警电路 .15 4.6 本章小结 .15 5 系统的软件设计.16 5.1 稳压控制主程序设计 .16 5.2 延时程序设计 .16 5.4 数据处理与故障分析程序的设计 .18 5.5 本章小结 .22 6 总结与展望.23 6.1 总结 .23 6.2 展望 .23 附录 .26 绪论 - 1 - 1 绪论 1.1 引言 目前我国许多地方由于电力供应紧张，或电力设备严重老化，

7、而随着城市化的快 速发展，照明路灯的数量也越来越多，其用电量占城市用电总量的比重越来越大，在 用电高峰期，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（电源 电压若增加 20%，则耗电量增加 44%），当低谷时，照明设备又不能正常工作。因而 有必要针对上述问题开发出一种使用方便又节能的装置，它具有自动检测路灯电网电 压、自动稳压并输出额定电压和过欠压报警的功能。 基于单片机的路灯稳压控制系统，它由单片机控制无触点开关（BCR）调节变压 器绕组组合，实现输出电压的稳定，具有高效、节能、省财、调节快速、重量轻及

8、体 积小等特点。 1.2 设计的目的和意义 本设计的目的是通过单片机控制无触点开关的通断来实现稳压的目的。 本设计可以减少城市路灯照明耗电量，提高用电效率，缓解许多地方电力供应紧 张和城市化加快对路灯需求数量增加之间的矛盾，同时可以延长照明设备使用寿命。 路灯稳压控制系统设计 - 2 - 2 单片机技术简介 2.1 单片机的定义 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成 在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内 部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实 时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统

9、甚至可以将声音、图像、网络、复杂 的输入输出系统集成在一块芯片上。 单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域 。单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外 围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积 要求严格的控制设备当中。INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，从此 以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因为简单可靠 而性能不错获得了很大的好评。此后在 8031 上发展

10、出了 MCS51 系列单片机系统。基 于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开 始出现了 16 位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90 年代后随着消 费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着 INTEL i960 系列特别是后来 的 ARM 系列的广泛应用，32 位单片机迅速取代 16 位单片机的高端地位，并且进入主 流市场。而传统的 8 位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80 年代提高了 数百倍。目前，高端的 32 位单片机主频已经超过 300MHz，性能直追 90 年代中期的 专用处理器当代单片机系统已经不再只在裸机环

11、境下开发和使用，大量专用的嵌入式 操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端 单片机甚至可以直接使用专用的 Windows 和 Linux 操作系统。 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实 上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产 品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及 鼠标等电脑配件中都配有 1-2 部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工 作。汽车上一般配备 40 多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机 在同时工作！ 2.2 单片机

12、的发展史 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末，经历了 SCM、MCU、SoC 三大阶段。 单片机技术简介 - 3 - 1.SCM 即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的 单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了 SCM 与通用计算 机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel 公司功不可没。 2.MCU 即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不 断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的 智能化控制能力。它所涉及的领域

13、都与对象系统相关，因此，发展 MCU 的重任不可避 免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel 逐渐淡出 MCU 的发展也有其 客观因素。在发展 MCU 方面，最著名的厂家当数 Philips 公司。 Philips 公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将 MCS-51 从单片微型计算机迅 速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记 Intel 和 Philips 的历史功绩。 3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向 MCU 阶段发展的重要因素，就是寻求 应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了 SoC 化趋势。 随着微电子技术、IC

14、设计、EDA 工具的发展，基于 SoC 的单片机应用系统设计会有较 大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片 应用系统。 2.3 单片机的应用领域 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪 迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业 自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全 保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等， 这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因 此，单片机的学习、开发与应用将造就一

15、批计算机应用与智能化控制的科学家、工程 师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能 化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 1.在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点 ，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、 湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。 采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字 电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 2.在工业控制中的应用 路灯稳压控制系统

16、设计 - 4 - 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能 化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 3.在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、 电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不 在。 4.在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计 算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现 了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列

17、车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 5.单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪， 超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 6.在各种大型电器中的模块化应用 某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而 不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电 子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信 号以数字的形式存于存储器中（类似于 ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电 信号（类似于声卡）。 在大型电路中，这种模

18、块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、 错误率，也方便于更换。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛 的用途。 2.4 本章小结 本章介绍了单片机的定义、发展和应用领域，通过对单片机性能优越性的说明和 单片机的飞速发展以及单片机广阔的应用领域来，表明了自己选用单片机作为控制核 心的原因。 单片机技术简介 - 5 - 3 系统稳压原理及主电路结构 3.1 单片机选择 单片机采用 AT89C51。AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 （FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Onl

19、y Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令 集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供 了一种灵活性高且价廉的方案。 .1 主要性能主要性能 与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环 数据保留时间：10 年 全静态工作：0Hz-24Hz 三

20、级程序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线 两个 16 位定时器/计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 图 3-1 AT89C51 引脚图 .2 管脚说明管脚说明 AT89C51 引脚图如图 3-1 所示。 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口 路灯稳压控制系统设计 - 6 - 的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以 被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编

21、程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行 校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为 低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作 为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并 因此作为输入时

22、，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址 的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器 进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高 八位地址信号和控制信号。 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电 流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于 外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

23、P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（记时器 1 外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位

24、 字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周 期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用 于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指 令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁 系统稳压原理及主电路结构 - 7 - 止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周 期两次/PSE

25、N 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH） ，不 管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保 持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程 电源（VPP） 。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 .3 振荡器特性振荡器特性 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为

26、片 内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不 接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽 无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 .4 芯片擦芯片擦除除 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非 空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种 软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但

27、RAM，定时器，计数器，串 口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用 其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 3.2 稳压原理 交流调压方式有多种，常见的有自耦变压器调压方式、调相方式、磁饱和稳压方 式等。这几种方式均无法满足路灯节能装置的功能要求，自耦变压器方式在大电流供 电时，由于其碳刷的限制，不能满足要求；而调相方式存在着波形畸变，即对电网有 干扰，又对一些新型照明设备有干扰，无法满足要求；磁饱和方式在大功率时因其体 积庞大无法满足要求。 补偿变压器方式可应用于交流调压中，这种方式由单片机控制双向可控硅调节控 制变压器与补偿变压器绕组组合实现输出电

28、压的稳定。它具有体积小、成本底、通用 性强、运行可靠、容易维修等特点。由于采用双向可控硅无触点调节变压器绕组组合 来实现补偿稳压，取消了机电式补偿稳压电源中笨重而反应慢的电机、齿轮传动机制 及碳刷机构，动态响应速度及维护方面有明显改善。其电气原理图如图 3-2 所示。 路灯稳压控制系统设计 - 8 - 补偿单元 调节单元 单片机控制器报警指示AC/DC,A/D U V W UI UO U V W 图 3-2 补偿式交流稳压器原理 其中电网输入电压为 UI,补偿电压 UB，输出电压 UO全为工频电压，则有 UI+UB=UO 式中 UB=k1UT1+k2 UT2+k3UT3 ki=-1,0,1(i

29、=1,2,3) 其矢量如图 3-3 所示。 图 3-3 矢量图 UO=(UI2+UB2+2UIUBcos)0.5 补偿采用改变 UB模的方式，令 =0 或 =，则 UO=（UI+/-UB）。当 UIUO时，UTi提供负补偿； 当 UI=UO时，UTi不提供电压补偿，所以，一旦电网输入电压偏离 UI偏离额定电压时， 单片机控制单元便调节双向可控硅的开关状态，来控制补偿变压器 TRi（i=1,2,3）的 UTi的补偿方式。 3.3 主电路结构 由于三相交流电补偿电路及补偿过程完全相同，该设计选择其中一相加以分析。 UI UO UB 系统稳压原理及主电路结构 - 9 - 图 3-4 补偿式稳压器主电

30、路 1 相主电路如图 3-4 所示。TR1，TR2,TR3是 3 个独立的补偿稳压器，根据精度及 输入电压范围的要求来选择补偿变压器的台数，这里选择了 3 台。其次级绕组上的补 偿电压 UT设计为 11V,22V,44V。当顺极性（反极性）叠加全部投入时，可以获得最大 正负补偿电压为 77V。S1S8是双向可控硅器件，它与补偿变压器 TR1，TR2,TR3组成 “多全桥电路”形式，图中 S7和 S8为公用桥臂，它分别与 S1,S2,S3和 S4,S5,S6组成 3 个 全桥电路。工作过程为：当输入电压高于额定值 UO时，要求补偿稳压器 TR1，TR2,TR3中的 1 个，2 个或 3 个同时工

31、作产生反极性的电动势来抵消 UI升高的那 部分电压。例如，当判断仅需 TR1投入时(设 UI极性为 U 正 N 负)，可触发 S1和 S8导 通，电流通路为：UTR1（上绕组）S1TR1（下绕组）S8N。当 U,N 反极性时， 沿上述通路反向流动。当输入电压低于额定值时，需要 TR1产生顺极性电动势补偿 UI 所缺少的那部分电压，可是 S2和 S7导通。 如果 UI升高（或降低）很多时，需要 TR1和 TR2同时投入，在 UI高于额定值时， 可使 S1, S3和 S8导通；在 UI低于额定值时，可使 S2,S4和 S7导通。如果需要 TR1，TR2,TR3都投入，在 UI高于额定值时，使 S1

32、,S3,S5和 S8导通；在 UI低于额定值 时，使 S2,S4,S6和 S7导通。 双向可控硅电路安排在补偿变压器的输出侧，可提高其抗干扰能力，此时的 TR1，TR2,TR3都有滤波作用，可吸收电网侧的各种瞬间干扰。在输入输出侧接入压敏 电阻 RV1和 RV2可防止各种过电压信号的串入。开关器件不在负载电流的主通路上， 从而使其易于选择，并可靠工作。 3.4 本章小结 本章主要介绍了路灯稳压控制系统所选择的单片机的型号以及性能，系统稳压原理 和系统补偿式稳压主电路结构。通过本章的介绍就可以了解到本设计的控制核心以及 稳压工作原理。 路灯稳压控制系统设计 - 10 - 4 系统硬件设计 4.1

33、 系统总电路 系统主要由 AC/DC 转换、A/D 转换、双向可控硅触发电路、过欠压报警电路等组 成。 系统硬件框图如图 4-1 所示。 图 4-1 系统硬件框图 系统总电路图见附录 1。 4.2 AC/DC 转换电路 AC/DC 转换电路如图 4-2 所示。 图 4-2 AC/DC 转换电路 交流电经过采样变压器后经整流和电容滤波电路，完成 AC/DC 转换。采样变压器 耦合系数设为 0.0196，因为该系统选择的 A/D 转换器参考电压为 5V。 整流电路选择桥式整流电路，整流电路由 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。整流后

34、波形图 如图 4-3。 UI P1.0 AD AT89C51 P0 P1.4P1.6 锁 存 器 MOC 3061 双向 可控硅报警电路 A/D 转换AC/DC 转换 74LS373 选择电路 系统硬件设计 - 11 - 图 4-3 桥式整流后波形图 整流电路输出后要经过电容滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。滤 波后波形图如图 4-4 所示。 路灯稳压控制系统设计 - 12 - 图 4-4 电容滤波后波形图 4.3 A/D 转换电路 A/D 转换器选择 ADC0809 芯片。ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以 及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件。

35、它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机 直接接口。 ADC0809 管脚图如图 4-5,内部逻辑图如图 4-6。 输入电压由 AC/DC 变换电路转换成 05V 的直流信号，进入 A/D 转换芯片 0809 的 输入通道，通过 0809 芯片转换输入单片机，由 CPU 检测稳压电源的输入值。 图 4-5 ADC0809 管脚图 系统硬件设计 - 13 - 图 4-6 ADC0809 内部逻辑图 这里 A/D 转换器参考电压选择+5V，以 0809 八位 255 的转换精度每一位的电压值 为（5-0）/2550.0196V。 设输入电压为 X，则： X-270.0196=0,则 AD7=1

36、 否则 AD7=0； X-260.0196=0，则 AD6=1 否则 AD6=0； X-250.0196=0,则 AD5=1 否则 AD5=0； X-240.0196=0,则 AD4=1 否则 AD4=0； X-230.0196=0,则 AD3=1 否则 AD3=0； X-220.0196=0,则 AD2=1 否则 AD2=0； X-210.0196=0,则 AD1=1 否则 AD1=0； X-200.0196=0,则 AD0=1 否则 AD0=0； A/D 转换电路如图 4-7 所示。 路灯稳压控制系统设计 - 14 - 图 4-7 A/D 转换电路 4.4 双向可控硅触发电路 晶闸管的触发

37、方式有移相触发和过零触发两种。常用的触发电路与主回路之间由 于有电的联系，易受电网电压的波动和电源波形畸变的影响，为解决同步问题，往往 又使电路较为复杂。MOTOROLA 公司生产的 MOC3021-3081 器件可以很好地解决这些问题。 该器件用于触发晶闸管，具有价格低廉、触发电路简单可靠的特点。 该设计双向可控硅由光隔离/光耦合过零触发双向可控硅驱动器 MOC3061 驱动。 MOC3061 采用双列直插 6 脚封装，可靠触发电流 Ift5-15mA；保持 Ih 100A；超 阻断电压 600V；重复冲击电流峰值 1A；关断状态额定电压上升率 dV/dt 100V/s。 MOC3061 的

38、管脚排列如下：1、2 脚为输入端；4、6 为输出端；3、5 脚悬空。其驱动原 理如图 4-8 所示。 MOC3061 驱动器由单片机经 74LS07 控制。通过 MOC3061 控制双向可控硅来调节控 制补偿变压器绕组的组合，从而调节输出电压。图中 R2 为输入限流电阻，R1 为输出限 流电阻，R3 是为了防止可控硅误触发；R4、C 为阻容保护电路，防止浪涌电压损坏可 控硅。 系统硬件设计 - 15 - 图 4-8 双向可控硅触发电路 4.5 报警电路 过压、欠压报警电路采用蜂鸣器报警电路，蜂鸣器用三极管驱动方式驱动，报警 电路的开关控制量直接由单片机的 P1.0 口输出。 报警电路如图 4-

39、9 所示。 图 4-9 蜂鸣器报警电路 4.6 本章小结 本章介绍了本设计的硬件电路图和工作原理，包括 AC/DC 转换单元、A/D 转换单 元、双向可控硅触发单元以及报警单元。硬件的选择和设计在整个控制系统中非常重 要，只有硬件电路设计成功，才能继续软件的开发设计和整个系统的可靠工作。 路灯稳压控制系统设计 - 16 - 5 系统的软件设计 5.1 稳压控制主程序设计 稳压控制系统程序见附录 3，流程图如图 5-1。 1.软件设计了启动延时程序，以避免上电时输入电压不稳或瞬间大电流冲击等影 响。 2.当输入电压 UI过高或过低，使输出电压与额定输出电压偏差 10%时，将产生报 警。 3.软件

40、设计保证了同组双向可控硅只有 1 个导通控制字，提高了系统的可靠性。 图 5-1 稳压控制系统程序流程图 5.2 延时程序设计 为避免上电时输入电压不稳或瞬间大电流冲击等影响，软件设计了延时程，延时 系统软件设计 - 17 - 时间为 1S。 由于本设计选择的单片机晶振为 6MHz，一个机器周期为 2S，则一次循环（DJNZ 指令）为 4S，需要采用多重循环实现 1S 延时。由于 0.1S=4S*125*200，而 1S=0.1S*10,则程序流程图如图 5-2。 图 5-2 延时程序流程图 其中 R4,R5,R6,R7 分别赋值为 1，125，200 和 10。 开始 给各寄存器赋初值 R5

41、是否为0 R6是否为0 R7是否为0 R4是否为0? 返回 N Y N Y Y N N Y 路灯稳压控制系统设计 - 18 - 5.3 数据采样程序的设计 此段程序分 ADC0809 查询程序和中断检测两部分。其程序流程图如图 5-3 所示。其 中图（a）为 ADC0809 查询流程图，图（b）为中断检测流程图。 (a) (b) 图 5-3 A/D 转换程序流程图 开始 初始化/开中断 是否有中断 启动A/D转换 等待中断 执行中断子程序 中断返回 所有通道采样完 毕？ 返回 开始 关中断 保护现场 读转换结果并存数据 更新通道 返回中断 N Y Y N 系统软件设计 - 19 - 5.4 数

42、据处理与故障分析程序的设计 这部分是路灯稳压控制系统的中心部分，整个控制系统就是靠这部分来控制无触 点开关进而选择补偿绕组组合，来实现输出稳定电压。 该部分程序流程图如图 5-4。 图 5-4 数据处理与故障分析程序流程图 该段程序中的 OE 选择是由电压采样通道确定的，即采样通道为哪一相电压，OE 相应的选择控制该相电压所要用到的 LS373 锁存器，进而控制无触点开关状态实现补 偿稳压。 该部分程序首先应判断输入电压是否过压，即是否补偿调压后还会高于额定输出 开始 初始化 选择OE 采样电压=额定电 压？ 输出电压 返回 是否欠压？ 执行正补偿 返回 报警 采样电压与额定电压相减 CY=1

43、? 是否过 压？ 执行负补偿 返回 报警 Y N Y N N Y Y N 路灯稳压控制系统设计 - 20 - 电压的 10%，如果是则报警，不是则继续执行。 调试如图 5-5 所示。 图 5-5 欠压报警调试图 当 R1 赋值为 120V 时，最大补偿后是 199V，超过额定电压 10%的偏差，所以报警， P2 被值 0，P1.0 被置 1，另由于 31H 单元是 01 通道，所以 OE 子程序中 P1.5 被置 1， 所以 P1 值为 21H，即：“0010 0001”。 当 R1 赋值为 250V 时，经 CPU 处理，需要选择反相补偿稳压部分的 33V 的补偿组 合，即执行“BU3 MO

44、V P2,#85H”语句，P2 口输出“1000 0101”，控制无触点开关选 择补偿线圈组合，达到稳压效果。 调试图如图 5-6 所示。 当 R1 赋值为 220V 时，CPU 直接执行“SHUCHU: MOV P2,#00H”语句，P2 输出为 “0000 0000”。 调试结果如图 5-7 所示。 系统软件设计 - 21 - 图 5-6 负补偿调试图 路灯稳压控制系统设计 - 22 - 图 5-7 采样电压等于额定电压调试 5.5 本章小结 本章对路灯稳压控制系统的软件部分进行了说明和调试，包括延时程序，A/D 转换 程序，数据处理和控制部分程序等。软件的设计在整个系统中起着举足轻重的作

45、用， 因为系统的可靠工作就是靠软件来控制的。到此就可以对整个控制系统的工作原理及 工作过程有了全面的了解。 系统软件设计 - 23 - 6 总结与展望 6.1 总结 本设计的目标是设计一种路灯稳压控制系统，该系统可以使路灯始终处于正常工 作状态，不受电网电压波动影响，从而既可以延长照明设备的使用时间，而且可以节 约电力资源。 本设计通过以单片机为控制核心，采用补偿式稳压原理，并通过无触点开关来控 制补偿线圈组合，从而实现了稳压的目的。由于使用了单片机，所以本系统可以说是 一个智能稳压控制系统，因为通过自己写的程序就可以实现高智能、高效率以及高可 靠性。而补偿式稳压和无触点开关的运用则使该系统性

46、能更上一层楼，最终使该系统 具有输出电压稳定、高效、节能、省材、调节快速、重量轻及体积小等优点，解决了 以往有触点工作不可靠、故障率高、维护量大、使用寿命短等问题，符合现代路灯稳 压控制的需要。 经过长时间的查找资料，在老师和同学的指导帮助下，最终完成了路灯稳压控制 系统的设计，而且在设计的过程中，对单片机和模电、数电等方面的知识有了更深入 的了解，并且在许多文献资料中学到了以前没有接触过的知识，总之，本设计让我受 益匪浅。当然，由于时间仓促，自己的知识更是有限，对某些新接触的知识理解还不 透彻，设计中难免许多不足，还有许多知识等待自己去探索和学习。 6.2 展望 随着我国城市化的快速发展，照

47、明路灯的需求越来越大，而我国许多地区电力资 源一直处于紧张状态，所以无论是对路灯工作效率上还是节约能源上，都有对稳压控 制系统的需要，这是很长时间都无法改变的现实，所以基于单片机的智能稳压控制系 统有着很广阔的应用价值。 路灯稳压控制系统设计 - 24 - 致 谢 到这里，我的毕业设计也到了收笔阶段，回顾整个设计过程，每一部分都是自己 的辛苦与努力换来的，当然也少不了杨兵力老师与同学的指导与帮助，让我在毕设过 程中，克服种种困难，最终完成了设计任务。 在此，向指导和帮助过我的老师和同学表示诚挚的感谢！ 由衷的感谢自己的父母，一直默默的支持我的学习和生活！ 最后，感谢答辩组的老师对本设计的评论与

48、指导！ 路灯稳压控制系统设计 - 25 - 参考文献 1 李传信等.采用二进制绕组变压器的交流稳压器J.电力电子技术，1997，（2）：75-76 2 刘华毅等.一种无触点大功率补偿式交流稳压器的研制.大连：大连理工大学，2005 3 李剑侠等.用光耦合双向可控硅驱动器组成的三相交流调功器.LSI 制造与测试，1993 4 迟健男.双向可控硅构成无触点开关的简单方法.电子世界，2001 5 陈明辉 吴一平.MOC3061 触发晶体管过零调功.电子技术.1994.9 6 郑学平等.微机控制补偿式交流稳压器.电力电子技术.福州大学，1994.11 7 郭文川.单片机原理与接口技术.中国农业出版社，

49、2007.8 8 邱关源.电路.高等教育出版社，2005.4 9 童诗白 华成英.模拟电子技术基础.高等教育出版社，2004.4 10 阎石.数字电子技术基础.高等教育出版社,2004.4 11 周明德. 微型计算机硬件、软件及应用(第 2 版) M .北京:清华大学出版社,1998 12 张友德 赵志英. 单片微型机原理、应用与实验M . 上海:复旦大学出版社,1992 13 张立科.单片机典型模块设计实例导航.人民邮电出版社，2004.5 14 张勇.PROTEL 99SE 电路设计技术入门与应用(第一版).北京：电子工业出版社，2002 15 李建忠主编，单片机原理及应用，西安电子科技大

50、学出版社，2004 16 单片机应用技术 周平 伍云辉 编 电子科技大学出版社 17 高尚楷.单片机控制交流稳压的设计.微计算机信息.1995 18 电子驿站.AT89C51 中文资料. http:/ A%C1%CF.pdf 19 Robin Otto Bsc.Intelligent Lighting Control System.Intelligent Building ControlReseach and Development.Jan.2000. 20 Chung H.S.H,Ho N.M.Case Study of A Highly-Reliable Dimmable Road Lig

51、hting System with Inte lligent Remote Control.EPE.2005 路灯稳压控制系统设计 - 26 - 附录附录 附录 1 系统总电路图 路灯稳压控制系统设计 - 27 - 附录 2 补偿单元电路图 路灯稳压控制系统设计 - 28 - 附录 3 系统程序 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0013H AJMP INT1 ORG 0030H ;= ;主程序 MAIN: MOV R0,#30H ;存放数据首地址 MOV P1,#00H MOV P2,#00H CLR A MOV R0,A ;将数据存放单元清零 INC R0 MOV R3,#0

52、3H ;3 路采样初值 MOV 31H,#00H ;存放通道号 MOV R4,#1 ACALL YANSHI ;延时 MSZH: SETB IT1 ;INT1 置为边沿触发 SETB EA ;开中断 SETB EX1 ;允许 INT1 中断 MOV DPTR,#0FFF8H ;指向 0809 通道 0 MOV A,#00H MOVX DPTR,A ;启动 A/D 转换 MOV P1.7,#0 HERE: SJMP HERE ;等待中断 ACALL CHULI DJNZ R3,MSZH ;巡回未完继续 AJMP MAIN ;= ;延时子程序 YANSHI: MOV R7,#10 ;1S 延时程序

53、 DELAY3: MOV R6,#200 DELAY2: MOV R5,#125 DELAY1: DJNZ R5,DELAY1 ;4us*125=500us=0.5ms DJNZ R6,DELAY2 ;0.5ms*200=0.1s DJNZ R7,DELAY3 ;0.1s*10=1s DJNZ R4,YANSHI RET ;= 路灯稳压控制系统设计 - 29 - ;中断子程序 INT1: CLR EX1 PUSH PSW ;保护现场 MOVX A,DPTR ;读 A/D 转换结果 MOV R1,A ;存数据 INC DPTR ;更新通道 MOV A,31H INC A MOV 31H,A MO

54、V R3,#03H ;重新赋初值 POP PSW RETI ;返回中断 ;= ;数据处理与故障分析子程序 CHULI: MOV A,#00H CLR C MOV 31H,#01H MOV A,31H ACALL OE MOV A,R1 CLR C SUBB A,#220 JZ SHUCHU ;电压等于额定值，直接输出 JC QYPD SUBB A,#99H ;过压判断 JC FU ;无过压调整电压 ACALL ALARM ;过压报警 QYPD: CLR C MOV A,#220 ;欠压判断 SUBB A,R1 SUBB A,#99 JC ZHENG ;无欠压调整电压 ACALL ALARM ;

55、欠压报警 SHUCHU: MOV P2,#00H AJMP FINISH FU: MOV A,#00H ;负补偿 CLR C MOV A,R1 SUBB A,#220 JC ZHENG MOV B,A ;结果暂存 B 路灯稳压控制系统设计 - 30 - SUBB A,#11 JC BU1 MOV A,B SUBB A,#22 JC BU2 MOV A,B SUBB A,#33 JC BU3 MOV A,B SUBB A,#44 JC BU4 MOV A,B SUBB A,#55 JC BU5 MOV A,B SUBB A,#66 JC BU6 MOV A,B SUBB A,#77 JC BU7

56、 ZHENG: ;正补偿 MOV A,#220 CLR C SUBB A,R1 MOV B,A SUBB A,#11 JC BU8 MOV A,B SUBB A,#22 JC BU9 MOV A,B SUBB A,#33 JC BU10 MOV A,B SUBB A,#44 JC BU11 MOV A,B SUBB A,#55 JC BU12 MOV A,B SUBB A,#66 路灯稳压控制系统设计 - 31 - JC BU13 MOV A,B SUBB A,#77 JC BU14 BU1: MOV P2,#81H RET BU2: MOV P2,#84H RET BU3: MOV P2,#

57、85H RET BU4: MOV P2,#90H RET BU5: MOV P2,#91H RET BU6: MOV P2,#94H RET BU7: MOV P2,#95H RET BU8: MOV P2,#42H RET BU9: MOV P2,#48H RET BU10: MOV P2,#45H RET BU11: MOV P2,#60H RET BU12: MOV P2,#62H RET BU13: MOV P2,#68H RET BU14: MOV P2,#65H RET ;= ;控制子程序嵌套程序（控制片选择程序） OE: CJNE A,#00H,OE2 SETB P1.4 RET

58、 OE2: CJNE A,#01H,OE3 SETB P1.5 RET OE3: 路灯稳压控制系统设计 - 32 - SETB P1.6 RET ;= ;报警子程序 ALARM: MOV P2,#00H SETB P1.0 RET FINISH: END 路灯稳压控制系统设计 - 33 - 附录 4 Technology Development and Application of Single-chip Abstract: Since the advent of single chip since the compact because of its flexibility, low cos

59、t, control, and ease of production, such as advantages, in all areas of society have been widely used. In this paper, single-chip technology development and application are discussed. Key words: single-chip application 1 single-chip technology The so-called single-chip microcomputer (m1crocontroller

60、) is defined as an integrated chip, integrated microprocessor (CPU), memory, basic I / O interfaces and timer / counter, communications components, that is, in a one chip micro-computer basic functions. In 1970 after the successful development of micro- computer, with the emergence of a single chip