基于单片机的智能路灯控制系统的设计

基于单片机的智能路灯限制系统的设计摘要：随着社会进步，需求和单片机应用领域的不断扩展，各类智能产品、限制系统都是以单片机技术为核心来进行开发设计。本系统采纳MSC-51系列单片机AT89C51和相关的光电检测设备设计路灯限制器，关键词：路灯；单片机技术；限制如今，路灯已经是城市道路景观的一个重要部分，已经成为城市照明系统中不行缺少和不行分割的一部分，成为了市民出行和城市美化、亮化的一个基本要求。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，而且发展成了了城市景观等装饰性照明的综合市政工程。社会对亮灯率、开关灯的精确率、故障检测的实时性和修理的刚好性要求不断提高。随着社会经济的不断发展，能源短缺已经日益制约着经济发展的严峻障碍，其中电力短缺已成为制约国民经济的突出冲突。我国目前的市场上有多种路灯节能限制产品，能达到肯定的节能效果，但就功能和效果上还不能尽如人意，主要有以下几种状况：第一种，采纳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简洁造成灯光闪灭，不能自动调整，同时假如电压突然上升，则会对灯具造成损坏，相对来说稳压效果较差；其次种是采纳电子器件构成的可控硅式设备。该设备主要实行简洁的相控技术，不足之处是元器件较简洁发热损坏。而为了更好的达到限制的目的，现在国内外都起先采纳智能限制方式，如光控、声控、时控等，国外甚至起先采纳太阳能供能光控方式来限制路灯，基本可以达到完全自给自足的效果。而本文中探讨的就是光控路灯的限制器设计。设计题目智能路灯亮灭限制系统设计设计内容设计一套路灯亮灭限制系统,以MCS-51系列单片机为核心完成测控任务,当日照亮度超过阈值,限制灯灭;反之,则限制灯亮。并且要求阈值可调。方案总体设计和论证本次课程设计课题是《智能路灯亮灭限制系统设计》。此课题要求以路灯限制器为对象，完成硬件系统和软件程序的设计，实现以光线强弱方式来限制路灯的亮灭功能，属于软硬件相结合的题目。其中硬件电路部分主要包括以下几个部分：单片机最小系统、路灯限制电路部分、光电检测电路部分；软件部分主要包括二个电子软件Altiumdesigner、Keil-C51软件和路灯限制、光电检测两个程序模块。工作原理如下图所示：工作原理图硬件电路设计由6个部分组成：信号采集放大电路，A/D转换电路，AT89C51单片机系统，LED显示系统、时钟电路、复位电路。4.单片机介绍4.1单片机概述单片机是一种集成电路芯片，采纳超大规模技术把具有数据处理实力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）、随机数据存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出电路（I/O口）等电路集成到单片芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统。有时还包括定时器/计数器，串行通信口、显示驱动电路（LCD或LED驱动电路）、脉宽调制电路（PWM）、模拟多路转换器以及A/D转换器等电路，并具有独立的指令系统。这些电路能在软件限制之下，精确、快速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。它能够单独地完成现代工业限制系统所要求的智能化限制功能。单片机不同于单板机，芯片在没有开发出来以前，只具有功能极其强大的超大规模集成电路，假如再给予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微型计算机限制系统。单片机的运用须要用户了解其芯片的内部结构和相应的指令系统以及其他一些集成电路设计技术和系统设计所须要的理论技术。在特定的程序限制下，就能使该芯片实现特定的功能。然而，不同单片机的硬件结构和指令系统不尽相同，即它们的技术特征也不同，硬件特征主要和单片机芯片的内部结构有关，因此，设计人员必需娴熟驾驭其性能是否满意须要的功能和应用系统所要求的特性指标（功能特性、限制特性和相关的电气参数特性等），这些信息我们可以从生产厂商的技术手册中得到。指令特性则指我们熟识的单片机寻址方式、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。要利用单片机开发实际的应用系统，就必需驾驭其硬件结构特征、指令系统和开发环境。单片机限制系统已基本取代了以前困难的电子线路或数字电路构成的限制系统，用软件来实现产品的智能化。现在，单片机的限制范畴无所不在，其应用领域也越来越广泛。单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它从根本上变更了传统的限制方法和设计理念，向着嵌入式系统方向发展。随着嵌入式系统的快速发展和在各行各业的深化应用，人们的电子设备的小型化、智能化的要求也越来越高。在航空航天、机械加工、工程限制、智能仪器仪表、家用电器、通信系统等领域，单片机都正在发生着特别重要的作用。单片机应用技术业已成为现代电子技术应用领域特别重要的高新技术之一，是电子工程技术人员必备的学问技能，它能使你设计出更具智能化和便利的产品。单片机及其应用系统之所以能发挥着如此重要的作用，归纳起来有如下的缘由：（1）单片机具有体积小、功能强、价格低、运用敏捷等特点，具有明显的优势和广袤的应用前景。（2）单片机具有独立的指令系统，可以将我们的设计思想充分表达出来，使产品智能化。（3）系统配置以满意限制对象的要求动身点，使得系统具有较高的性价比。（4）应用系统通常将程序驻留在片内（外）ROM中，抗干扰实力强，牢靠性高，运用便利。（5）单片机本身并不具备开发实力，一般状况下，须要借助专用的开发工具在相应的开发环境下，进行系统的开发和调试，但最终形成的产品简洁好用，成本低，效益高。（6）单片机应用系统所运用的存储芯片可选用EPROM、EEPROM、OTP芯片或利用掩膜形式生产，便于批量生产和应用。大多数单片机如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。（7）由于系统小巧玲珑，限制功能强、体积小，便于嵌入被控设备内，大大推动了产品的智能化。单片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，特殊适用于限制领域，故又称为微限制器。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：中心处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只须要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机限制系统。单片机经过1、2、3、4代的发展，以达到了32位单片机，是目前单片机的顶级产品，具有极高的运算速度。随着微电子技术和集成电子技术的不断发展，单片机正朝着高集成度、低功耗、低电压、多功能方向发展。MCS-51系列单片是众多单片机中的一种，由于它们都是基于8051内核发展起来的，所以称51单片机，而本次设计就是基于51单片机完成的。4.2单片机的主要功能及应用领域现在的单片机功能越来越强大，集成度越来越高，有很多曾经的外围器件都已经在内部集成。它的功能很多：比较器；模数/数模转换器；PWM；多种多样的接口；LCD驱动；存储器等等。同时它也是计算机—单片微型计算机。部分单片机的计算实力已经比早期PC的CPU强大，速度也越来越快。甚至也有类似双核CPU的设计出现。因为能够运行程序，所以可以做很多的事情。几乎您上网用的计算机能做的事情，它都同样能做。只是实力没那么强大。比如：可以读写硬盘、可以接受按键输入、可以显示输出、可以驱动打印、您甚至可以给它接个鼠标。当然这可能涉及一些接口的问题，但是CPU也不是干脆做这些事情的。它的输入输出，如前面所说，也是多种多样的。可以是模拟量，也可以是数字量，标准的USB接口也已经集成在了单片机内部。此外，单片机的体积小、价格低、牢靠性高、适用面宽、有着其本身的指令系统等诸多优势，在各行各业都得到广泛应用。单片机的应用领域可归纳为几个方面：（1）智能化家用电器：各种家用电器普遍采纳单片机灵能化限制代替传统的电子线路限制，升级换代，提高档次。如洗衣机、空调、电视机、录像机、微波炉、电冰箱、电饭煲以及各种视听设备等。

（2）办公自动化设备：现代办公室运用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。

（3）商业营销设备：在商业营销系统中已广泛运用的电子秤、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储平安监测系统、商场保安系统、空气调整系统、冷冻保险系统等都采纳了单片机限制。

（4）工业自动化限制：工业自动化限制是最早采纳单片机限制的领域之一。如各种测控系统、过程限制、机电一体化、PLC等。在化工、建筑、冶金等各种工业领域都要用到单片机限制。

（5）智能化仪表：采纳单片机的智能化仪表大大提升了仪表的档次，强化了功能。如数据处理和存储、故障诊断、联网集控等。

（6）智能化通信产品：最突出的是手机，当然手机内的芯片属专用型单片机。

（7）汽车电子产品：现代汽车的集中显示系统、动力监测限制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机。

（8）航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域：单片机的应用更是不言而喻。单片机应用的意义不仅在于它的广袤范围及所带来的经济效益，更重要的意义在于，单片机的应用从根本上变更了限制系统传统的设计思想和设计方法。以前采纳硬件电路实现的大部分限制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。以前自动限制中的PID调整，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算限制、模糊限制和自适应限制。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的限制技术称为微控技术。随着单片机应用的推广，微限制技术将不断发展完善。4.3单片机的发展趋势随着微电子技术和集成电路技术的快速发展，目前各个公司研制出了能够适用于各种领域的单片机。高性能单片机芯片市场也异样活跃，采纳新技术，使单片机的种类、性能不断提高，应用领域快速扩大[4]。单片机的改进和发展归纳起来有以下几个方面：（1）CPU的改进：现在CPU起先采纳双CPU结构，提高了芯片的处理实力。（2）存储器的发展：增大了片内存储器容量；片内采纳EEPROM和Flash可在线编程，读/写更便利；采纳了编程加密技术。（3）内部资源增多：片内资源越丰富，产品的体积就越小，牢靠性就越高。（4）I/O接口形式增多，性能提高。（5）引脚的多功能化：单片机现在普遍采纳管脚复用的设计方案。（6）低电压和低功耗：单片机制造时普遍采纳CMOS工艺。5.硬件电路设计5.1AT89C51简介MCS-51系列单片机是由美国的Intel公司开发研制，并于1980年推出的产品。和MCS-48系列单片机相比，其以典型的体系结构和完善的专用寄存器集中管理方式，便利的逻辑位操作功能及丰富的指令系统，堪称一代“名机”，为之后的其他单片机的发展奠定了基础。因此，MCS-51系列单片机结构先进，功能强大，增加了更多的电路单元和功能模块，指令数达111条。其中的代表作便是AT89C5x系列单片机，而本文所用的便是AT89C51单片机。现简要介绍如下：1.中断系统8051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，可满意不同的限制要求，并具有2级的优先级别选择。2.时钟电路8051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8051单片机需外置振荡电容。5.2单片机最小系统电路单片机最小系统是单片机系统的核心，其他的外围电路都是在最小系统的基础上实现的。单片机最小系统是由单片机、复位电路、时钟电路、电源和地端组成，一般状况下，单片机系统采纳外接石英晶体和内部运放组成时钟振荡器作为系统时钟源，而在多机系统中，单片机只作为一个功能模块运用，为节约硬件和统一系统的时钟信号，常采纳外时钟源。单片机最小系统是单片机限制电路的核心。在整个系统中，单片机限制电路是整个系统的核心，负责对光电检测电路采集到光信号进行处理和加工，并依据之前设定好的指令进行执行、运算，并将结果传送给相应的执行电路。单片机限制电路相关的电路原理图如下图所示：5.3光敏电阻介绍光敏电阻是一种特殊的电阻，其阻值随着光线强度的变更而变更。其工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透亮窗的管壳里就构成光敏电阻如图所示。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。半导体的导电实力取决于半导体导带内载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时，价带中的电子汲取光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消逝，电子-空穴对渐渐复合，电阻也渐渐复原原值，电流也渐渐减小。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耀时，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，运用时既可加直流电压，也可以加沟通电压。光敏电阻是采纳半导体材料制作，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。通常采纳涂敷、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。光敏电阻的原理结构如图所示。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，则价带中的电子汲取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，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消逝后，由光子激发产生的电子—空穴对将渐渐复合，光敏电阻的阻值也就渐渐复原原值。光敏电阻原理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耀时，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，运用时既可加直流电压，也可以加沟通电压。5.4光电检测电路在设计中运用光敏电阻作为光传感器件对外界光线进行检测，主要是利用了光敏电阻在光线的作用下其阻值往往变小的这种光导效应现象，也有基于光敏二极管、光敏三极管等光电检测元件的相关电路，如下图所示是光电检测电路将检测到的信号以凹凸电平的形式传送给单片机，从而完成整个光电检测的过程。5.5A/D转换模块A/D574是12位逐次靠近型的A/D转换芯片。转换时间位25-35us。片内有数据输出寄存器，并有三态输出的限制逻辑。其运行方式敏捷，可进行12位转换，也可作8位转换；转换结果可干脆12位输出，也可先输出高8位，后输出低4位。可干脆和8位或16位的CPU接口。输入可设置为单极性，也可设成双极性。片内有时钟电路，无需外部时钟。下图是A/D574和单片机接口电路，它分两次将单极性电压的12位转换结果送给单片机。详细先由单片机发出限制信号，使A/D转换器启动转换，等待转换结束，单片机再分两次将转换数据读到内存中。按下图接法A/D574是单极性输入，接成0-+10V的接法。5.6显示模块利用串口和74164驱动LED显示器工作，采纳静态显示方式。这种方式可接口接+5V电源，若要显示某字段，则相应的移位寄存器74164输出必需为低电平，由于74164在低电平输出时，允许通过的电流为8mA左右，故不用再加驱动电路了，只需向串口发送要显示三位数的显示限制代码（段码），即可在LED显示器上显示出所要的字符，只需将各位的小数点限制位接低电平，使其显示，其他位的小数点限制位均接高避开采纳并行口I/O接口占用资源较多的缺点。采纳共阳极数码管，因而各位的COM电平即可，留意加限流电阻。5.7键盘模块运用键盘可以有效地调整阈值。因为本设计中须要的按键不多，故设计采纳独立式按键，分别占用P2.4，P2.5，P2.6，P2.7口。键盘的防抖动可有软件来实现。5.8硬件电路原理图经过长时间的设计，仿真，才得出了本次毕业设计的硬件电路部分。通过前面的分析，我们可以发觉本次设计课题的硬件电路部可分为以下四个组成部分：单片机限制电路部分、路灯限制电路部分、光电检测和执行电路部分和两位一体的数码显示电路电路部分。将前面介绍的电路加以分析和组合，就可以得到整个硬件电路部分的相关原理图，现将硬件原理图表示如下：软件设计AltiumDesignerAltiumDesigner是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完备融合，为设计者供应了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，娴熟运用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。AltiumDesigner除了全面继承包括Protel99SE、ProtelDXP在内的从前一系列版本的功能和优点外，还增加了很多改进和很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA和PCB设计及嵌入式设计集成在一起。由于AltiumDesigner在继承从前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，AltiumDesigner对计算机的系统需求比从前的版本要高一些。主要功能：原理图设计，印刷电路板设计，FPGA的开发，嵌入式开发，3DPCB设计KeilC51KeilC51是美国KeilSoftware公司（ARM公司之一）出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。和汇编相比，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。Keil供应了包括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（uVision）将这些部分组合在一起。KeilC51软件供应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KeilC51生成的目标代码效率特别之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，简洁理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。