《基于单片机的智能路灯控制系统设计》8400字

基于单片机的智能路灯控制系统设计TOC\o"1-2"\h\u85921绪论 1198181.1引言 1308551.2城市路灯控制的现状 2136041.2.1传统的路灯控制方式 2101471.2.2存在的问题 3288161.3智能型路灯自动控制器的必须性及其可行性 3103021.4智能控制器的组成及功能 3119742智能控制器的设计方案及原则 491272.1智能控制器的设计方案 4143462.2智能路灯控制器的设计原则 5154852.3智能路灯控制器的特点 523107图2.3智能路灯控制器拓补图 5286143智能路灯控制器的硬件电路设计 6210383.1单片机STC89C51 6132673.2时钟芯片DS1302 7243783.3键盘环节 10274443.4显示环节 11243643.5看门狗芯片X25045 13133763.6控制开关的开关量输出部分 14307183.7上位机通信芯片MAX232 1687113.8控制器供电电源的设计 17188364智能路灯控制器的软件设计 1945164.1仿真软件Proteus的简介 19118364.2keilUVision5编程开发工具的简介 19100574.3日出日落时间的确定 1920724.4程序流程图 206264结论 221绪论1.1引言随着中国经济的快速发展，中国城市建设进入了快速发展阶段。一个城市道路照明的情况对于一个大型城市来说是一个非常重要的指标,它与其人们生活和工作休戚相关,更是直观地反映了一个大型城市的建设水平及其风貌。这些年来,随着我国城市建设规模不断的壮大和发展,城市道路上的交通照明灯光数量也在不断地增加，管理水平更要跟上时代的步伐路灯的控制水平能否实施现代化,直接地反映了一个城市在发展中的地位如何。现在对城市路灯的控制越来越迫切地需要一种更加科学高效的方法，来对开关灯的时效性提出一个更加严格的要求。智能化的路灯控制装置俨然已经成为了各个城市建设的必要方向。城市的照明灯光系统使用的是高压输电线或者地下电缆里的一些电力资源，从这些方式中获取电力，然后通过各种方式输送到灯光系统使用可在变压器的二次侧。因为我们以前的技术方法过于传统化，如手动控制、光敏式控制器的自动化控制等,不能充分地满足现代城市路灯控制的需求。随着我国城市建设的不断推进,现有的道路路灯管理控制技术方法己经远远达到了人们的需求。这些技术方法不仅浪费了大量的时间和人力物力,而且不能满足准确及时控制的要求,已远远落后于现代都市的所需。所以，怎么样做出一个方便高效的操作方式，是非常重要的一件事。1.2城市路灯控制的现状城市灯光在行使它照明的使命的同时，反映了一个大型城市的建设水平及其风貌。因此，让路灯保持一个良好的运作和智能的亮熄是十分重要的。无论什么季节亮灯时间相同，并且亮灯时间固定，在一些偏远的街道和很少有人行走的街道，在亮灯方面和繁华的街道亮灯时间相同，然后对照明灯具产生损耗，且对电力也是一种极大的浪费。因为控制不够现代化，趋向于传统化，也增加了很大的人工管理成本，管理起来也较为麻烦。长久发展以来,城市路灯早已从简单的照明系统发展成为了美化城市的一种装扮，同时人民和政府也对路灯控制提出了越来越高的要求。1.2.1传统的路灯控制方式我国城市路灯照明控制的方式一般为以下几种：（1）人工控制：人工制定时间表，到时人工进行开关。（2）时控方式：预设特定的时间点进行开关，可人工调整具体时间。（3）光控方式:通过光线强弱判断开关时间，但是容易受到外界因素如车灯阴天等的干扰，从而发生误判。1.2.2存在的问题传统的方式已经不能满足人们日常生活的需要，不能及时开关，容易出现故障，也浪费了人力资源。同时，传统的控制方式需要随时进行控制，这会由于人为失误造成大量的功率浪费。采用定时器控制，由于一年四季的切换时间不同，还需要人工调整，这些控制方法占用了部分人力资源。1.3智能型路灯自动控制器的必须性及其可行性必须性：灯光是现代社会必不可少的公共设施，路灯管理的自动化程度高、可靠性高、使用舒适性强是必不可少的。传统的开关主要依赖于光电的控制或操作者对光电设备进行人为的控制,不仅光电设备开关的时间和位置不够正确,还很有可能因为人为失误而导致的不良影响,给广大人们的工作和生活造成了带来不便。智能控制器主要是通过对时钟和芯片的准确控制,实现了自动化的控制,并随着不同地区日出和天气日落的不同而自动调节开关电源和时间,方便了工业和人们的日常生活,减少道路事故促进经济发展。可行性：智能控制器是通过单片机技术，编程技术精确控制的设备，能够满足路灯控制器长期的稳定可靠运行的需求。并且随着芯片技术的发展，其性能和可靠性都将大大提高，以后的前景也越来越广阔。1.4智能控制器的组成及功能组成：控制器由单片机，日历时钟，继电器驱动电路，看门狗电路，键盘，显示等组成。功能：进行没有人参与的自发控制，对日出日落时间进行准确控制，根据时间的改变，根据位置的改变，修正切换时间，实现智能控制。2智能控制器的设计方案及原则2.1智能控制器的设计方案城市的灯光照明系统从高压电线获取电力，经低压电线将电力送到所有路灯。开关的选择及位置直接影响到了日后的使用情况,因此不能将其设置在一次侧,既会浪费大量的电力,又会因为维护麻烦而浪费大量财力,只能直接采将一次开关连接在一次式变压器的二次侧来对其进行一次开关的控制,由自动化的控制设备来实现一次式接触器的开关控制,通过一次式接触器的开关控制由一次式自动化的控制设备来实现,从而可以实现一次式路灯的开关控制。接线图如2.1所示图2.1电气接线图由于现在芯片技术的发展，时钟芯片的精度也越来越高，通过其精确的计时，可以实现每天准确的对灯光系统进行控制。伴随着科技和电子技术单片机的快速发展，我们步入了高度智能化的现代社会，也给我们的生活带来了巨大的改变。单片机的不断发展，也把现代科技推进了一步，由它组成的仪器有非常高的稳定性，价格优惠性价比高，还易操作，比以往的体积也更加微小，给人们更好的用户体验，反之，单片机也因此被应用在生活中的各个部分，走向深入。输出开关电平，控制继电器，实现路灯的开关控制。2.2智能路灯控制器的设计原则设计需要考虑以下四点：(1)具有高可靠度。可靠度是对路灯进行控制的一个重要指标。灯光控制必须设置在室外,但外面的环境很严峻。(2)方便人们进行操作和维护。操作装置操作简单，容易熟练和操作。(3)实效性强。控制系统对于时效性要求很高，为了不耽误人们的日常需求，必须要有足够快的反应速度。通过系统芯片的内部变化准确判断出故障范围，及时做出应对。(4)通用性强，经济效益好。该产品是一种通用设备，要适应不同地方的环境以及经济状况，性价比要高，适应性要强。2.3智能路灯控制器的特点智能控制器可以精准快速的计算出一个地点的日出日落时间。因此可以通过时间修正，进而实现无人看守的自动控制，以单片机89C51为核心，内置可充电电源,因此停电之后也可以继续维持时钟芯片的工作，真正的实现无人自动化。智能路灯控制器拓补图如图2.3所示。图2.3智能路灯控制器拓补图3智能路灯控制器的硬件电路设计3.1单片机STC89C51这是一个完全可编程4k只读存储器,它具有低电压和优越性能的特征。它也给我们带来了许多比较便宜的选择,即嵌入式监视器。STC89C51单片机作为主控芯片作为本次设计选择。单片机最小系统，顾名思义，它就是利用最少的元件与单片机组成最小应用系统，可以利用它进行一定的工作，它也是所有其他系统拓展的基础半导体硅片上的集成电路。其中包括中央处理器，是接收处理信息的最终执行单元；存储器，主要是对各类数据在任何情况下能够进行存储；并串行I/O，单片机输入输出口，即进行信息交换的桥梁；定时器/计数器，单片机进行时间计时的地方；中断系统，包含中断装置和中断处理程序，在系统发生故障或者有错误时，可以终止程序运行；系统时钟电路及系统总线。从掌握知识方面来说，在大学四年学习过一段时间的单片机课程，自信还能对涉及51单片机方面的问题有些了解，同时还有老师和同学能够给予在这方面的补充。单片机的发展进程从最开始的双片8位单片机，一直在8位单片机上丰富其他功能，到后面的16位及更多位的单片机诞生。其中MCS-51系列单片机至今应用依然很广泛。STC89C51的原理图，如图3.1所示。图3.1STC89C51原理图针对上图标示进行如下解释：PSEN：此为外程序读取选通，程序来源为外部存储。XTAL1、XTAL2：分别是系统内晶振时钟电路的反相输入、反相输出。VCC、GND：分别接+5V电源正端、地端。ALE：地址锁存（锁存器即是通过此引脚触发，然后作用到P0传送的低八位的地址数据。除此之外，ALE触发存储地址时，脉冲信号也可以由此引脚修复。其中的脉冲信号来自输出1/6的时钟振荡。）PROG：输入编程脉冲，作用于闪存编程。EA/VPP:该引脚可以连接12V编程电源(VPP)。并且进行加密编程时，EA端会在执行rst时锁存于此。P0.0~P0.7：漏极行双向输出入I/O口。8位依次对应P0口的端口。其可以用做输入端口，此时，8位在输入周期中或者表示数据总线或者或者表示地址总线。这是P0口不同于其他I/O口，而所特有的电路结构。P2.0~P2.7：带内部升压电路的双向I/O端口，一组8位。P2端口即可输入也可输出。其电流能够驱动的TTL负载数为4。用P2端口进行输出时，输出内容为8位P2锁存器内容、存储器地址。若P2端口设置为1，即可进行输入，此时信号为高电平状态。除此之外，针对外部数据存储器，不管是8位地址还是16位地址，P2端口都有自己的访问机制。3.2时钟芯片DS13023.2.1DS1302概述芯片有实时时钟和静态RAM连接到一个串行接口，其内部时间信息可自动调整，无需人为管理，进一步实现了本设备的自动化。3.2.2DS1302的基本构造及其工作原理本次设计采用的是按键复位。复位电路通过复位引脚与单片机连接，复位电路的作用就是当系统运行出现错误时，可以按下复位按钮对系统进行复位从而使系统恢复正常运转。按下按键后，连通电阻进行分压，使单片机的复位端处于比较高的电位下，复位时间被按键时间决定。一般来说，输入输出口的复位速度赶不上单片机的速度。在实际情况的考虑下，尽可能让初始化程序处于后面，先让其他部位的复位完成，所以需要在其中设置一个时间。引脚说明：如图3-1图3.2.2DS1302的基本组成X1，X2:X1和X2是外部晶体振荡器引脚。在所有部件中，有两个最为重要的引脚--时钟电路51单片机上的XTAL1~2引脚。中央处理器工作频率是振荡电路决定的，并且振荡电路还决定了脉冲信号的生成频率。然而振荡电路的形成，这两个引脚的连接、电容的并联都是是必不可少的。其中，一个引脚输入振荡电路，另外一个引脚输出内部振荡电路。除此之外，电容的联需要用到两个20pf左右的电容。其作用是在晶振器件单独使用时无法产生稳定的脉冲信号时，进行辅助。在保证精度的前提下，建议选用32.768KHz晶体振荡器频率。外部电源为芯片供电，断电时对内部数据保存牢固。GND：公共接地引脚：芯片的复位接口引脚。I/O：数据输入/输出引脚Vcc1，Vcc2：确定的电源工作引脚。表3.2.2DS1302的控制字数据输入和输出：输入指令，当芯片处于上升沿时写入数据。下降沿时读取数据。应急模式：读写地址1FH（A1到AO都是1）。3.2.3DS1302与单片机的连接电路如图3.2.3（1）所示，由一个32KHZ的晶振和三个0.1μF的电容、三个10K的电阻组成，与AT89C51单片机的P10、P11、P12连接。图3.2.3（1）连接电路3.3键盘环节键盘是设备的关键部分，它可以实现对时钟芯片的调时和设定，同时也是设备操作的唯一方式。键盘与单片机的连接电路如下图3.3图3.3连接电路各键作用：K5确认输入值；K1左向选择被控制屏幕；K2右向选择被控制屏幕；K3增加数值；K4减小数值。需要设定经纬度值的时候，采用正确的延时方法，即芯片的延时显示，否则可能会使时钟对时不准确。3.4显示环节采用六个LED管进行显示，显示数据为经纬度坐标和照明系统的开关时间。单片机的P0口连接到反向驱动器上，然后在输出引脚上加一个负载，此时输入电压和输出电压为一对相反的值，即低电压对高电压，高电压对低电压。若系统输入为低电平,则系统不能正常工作,当输入信号转换为高电平时，系统开始工作。控制电路基本结构描述如下图3.4（1）。图3.4（1）反向驱器与单片机的连接电路P2.5、P2.6、P2.7引脚借助三八段数字串联电路译码器对LED管之间进行连接位置上挑选,发光二极管之间可以使用一根共阳极与发光二极管进行联系,电路有八个10k的电阻和UIN2803组成，连接位置可以选择为PNP三极器与管导通连接方式如下图3.4(2)。图3.4（2）连接电路显示环节与单片机的连接如图3.4（3）。图3.4（3）显示环节的连接电路3.5看门狗芯片X250453.5.1X25045的介绍微处理器可以被看门狗定时器单独看护。若发生的故障时间大于事先设计的时间时，看门狗定时器将响应。看门狗芯片具有检测功能，可以在系统即将处于低电压状态时检测出来。当输入电源电压较低时，系统复位，等输入电压达到标定值时，恢复正常功能。3.5.2X25045的工作原理X25045有一个8位的指令寄存器,数据由SCK上升沿的时钟进行同步输入。整个操作时间,必须始终保持低电平,同时同时输入必须是高电平。看门狗芯片能够对总线进行监测,并且能够在总线出现故障情况下提供复位信号的输出。芯片的指令和操作码如表3.5.2所示。表3.5.2指令集3.5.3X25045与单片机的连接电路X25045工作地点稳定，一般不会频繁更换内部的经纬度值，所以要求其有稳定的方式应对停电，故障等的影响，因此一般将初始的经纬度值寄存在芯片中，以避免发生数据丢失的情况，导致需要频繁的人为维修，以免增加人力成本。X25045与单片机的连接电路如下图3.5.3所示。图3.5.3时钟芯片与单片机的连接3.6控制开关的开关量输出部分3.6.1开关量输出电路的结构89C51其中有五个输出口用以输出按键信息。继电器同时也需要反向器和驱动芯片进行控制。所以有如下连接方式。结构如图3.6.1所示。图3.6.1开关量输出电路结构单片机在一个高电平下的上电时,每个进入输出中的端口都是一个高电平,因此在这个高电平上电应增加74HC14逆向器,并且应该采用一个新的低电平电路控制,防止整个单片机在电平上电时对整个输出中高电平的信号闪烁而产生影响而达到电路控制。3.6.2MC1416的功能和工作原理该芯片的负载性能强,可以直接作为继电器工作。负载电压通常可以连接至5~30v。性能特点：·输出电压可达100V·有输出钳位的保护二极管·特别适用于驱动继电器单片机与反向器连接电路如图3.6.2所示。图3.6.2单片机于反向器连接电路3.6.3继电器的选择经过参数挑选，最终确定固态继电器，工作原理图如下图3.6.3所示。图3.6.3固态继电器JGX-10F的工作原理耦合电路以光耦合器作为输入/输出间的通道，为了防止内部干扰，使其完全隔离电路。当输入信号的值为零时可以触发开关器件，以使其完成通断动作，减少干扰。所谓的过零电压不仅仅仅只是我们用来表示指的零伏,而在正负10V—正负20V的电压范围内。该系列继电器的最大电源输入输出电压控制范围一般为3.2~14v。3.7上位机通信芯片MAX232MAXIN公司生产和研发的单片机，采用正五伏单电源供电，功耗低。它是一种同时具有两个接收器和一个驱动器的集成电路芯片,可以用于RS232C通信接口。MAX232与开关单片机的相互控制联系开关连接器的电路结构如下图3.7所示。然后控制器通过MAX232进行电平的转换，通信，同时对控制器进行仿真与调试。图3.7MAX232与单片机的连接电路该芯片有变换电压的功能。因此我们一般采用正五伏的电源，就可以实现其功能。3.8控制器供电电源的设计电子设备中所需要采用的交流电源绝大多数都只能是一个直流电源,而交流电网中所提供的直流电源则大多是一个交流电源,因此,有必要把一个交流电直接转化成成为一个直流电。该控制功能主要采用直流输出方式输入运行。具体转换方法一般是用一台直流变压器从交流电网中直接取得某种固定大小的高频交流输出电压。然后充分利用该光电二极管的单向交流导电驱动特点,将单向交流脉动电压将其转化转变为单向性的脉动直流电压,滤波控制电路将其转化转变为相对稳定的直流脉动电压。这个滤波工作处理过程被我们称为输入整流和稳压滤波,然后通过一个输入稳压电压回路,即使其一个输出的输入电压也基本上都不会直接伴随着进入电网的一个输入输出电压。单相全波桥式整流电路的结构及输出波形如图3.8（1）所示。图3.8（1）电路原理图整流滤波后的电压即可在本装置中使用。但其中的输出电压常常伴随着交流电源的输入电压及负载输出电压的变化而发生波动,因此当需求量相对较大的情况下,宜在整流式滤波电路之后再添加一种稳压保护措施,以便获得更稳定的交流电源负载。本次设计中的稳压环节采用了三端集成稳压器，该系统结构见图3.8(2)所示。图中C2主要起到一个抗击和抵消电感的功能,用来预防该电路在工作时会发生一定量的自激振荡。C3用来去除输出电压变化中的高频噪音。图3.8(2)三端集成稳压器4智能路灯控制器的软件设计4.1仿真软件Proteus的简介Proteus是一款进行仿真测试的软件，它是我们在学校进行仿真学习时经常用到的软件。它的功能非常强大，是目前单片机的爱好者和教学工作者使用范围最广的一款软件。proteus软件首先会把原理图画好,然后再把这个原理图放到软件上进行模拟仿真。利用软件进行仿真,为接下来的设计和制造实物提供了非常好的铺垫。只要我们的仿真成功,后期依靠仿真方法来制造实物也许会一气呵成。proteus可以将抽象的理论知识在软件上形象地表示出来。4.2keilUVision5编程开发工具的简介keiluvision5是一款用来进行编程的仿真程序编写软件。与汇编语言相比C语言更适合使用者读取，所以本设计所使用的编程语言都是C语言，将编写好的C语言的源程序文件进行保存并重新添加到自己的项目中。然后再检查文件的准确性确认完全无误后才允许它对其进行编译、连接、调试等操作，并且确认它可以生成可执行文件hex，最后把正确的hex文件导入仿真软件中中。单片机就可以完全按照我们自己所需要编写的操作过程和其内容来完成这个动作。4.3日出日落时间的确定因为日地形态原因，在地球上不同的地区，每天的日出日落时间也相差很大，要想使系统做出最合适的反应，在太阳升起和太阳落山时计算相应的坐标，用来改变时间的标准。太阳升起和太阳落山时间就是指人们在能够允许天空中的大气对地球进行折射作用的条件下,将地球看成一个正常的球体,太阳的上缘刚好升起接近地平线的一段时间。以观测者的地表平面为测量基准,太阳光照射点位于-0.833度的正确位置。需要设定一些具体的值，把日出日落的一个循环看作三百六十度，则每12h为一百八十度。以下开始介绍具体算法。具体算法：(1)首先通过计算可以得出为2000年1月1日至这个计算日的一个数字为days;(2)计算时间为2000年1月1日至计算日的第一个世纪数t，则t=（days+/360）/36525(3)计算太阳的平黄径L=280.460+36000.770×t(4)计算太阳的平近点角G=357.528+35999.050×t(5)计算太阳的黄道经度=L+1.915+0.020×(6)计算地球的倾角=23.4393-0.0130×t(7)计算太阳的偏差=(8)计算格林威治时间的太阳时间角GHA=-180-1.915(9)计算修正值(10)计算新的日出日落时间=；其中“十”表示计算日出时间，“一”表示计算日落时间；上述用于计算全球地表天文日出和地球天文日入时间的标准测量方法,分别广泛适用在北纬60度以下和南纬60度以下的发达国家和偏远地区。如果我们所需要计算的地球位置在一个西半球,经度上的long为一个负数。4.4程序流程图系统的软件设计是根据系统的硬件设计的基础上设计的，也就是说，根据硬件设计的要求，我们将它用编程的方式表现出来，再进行调试，修改，最后实现了所要求的功能，这就是就是系统的软件设计。软件设计包括很多部分，比如主控制程序，按键程序，显示程序，复位程序等等，所以采用模块化结构，将主程序与各个子程序和条件程序通过接口连接。在进行单片机系统的设计时要合理的分配功能给软硬件