基于單片機的智能路燈控制系統(tǒng)的設計

基于單片機的智能路燈控制系統(tǒng)的設計摘要：隨著社會進步，需求和單片機應用領域的不斷擴展，各類智能產品、控制系統(tǒng)都是以單片機技術為核心來進行開發(fā)設計。本系統(tǒng)采用MSC-51系列單片機AT89C51和相關的光電檢測設備設計路燈控制器，關鍵詞：路燈；單片機技術；控制 如今，路燈已經是城市道路景觀的一個重要部分，已經成為城市照明系統(tǒng)中不可缺少和不可分割的一部分，成為了市民出行和城市美化、亮化的一個基本要求。隨著社會文明的不斷發(fā)展，城市照明已不僅局限于街道的照明，而且發(fā)展成了了城市景觀等裝飾性照明的綜合市政工程。社會對亮燈率、開關燈的準確率、故障檢測的實時性和維修的及時性要求不斷提高。隨著社會經濟的不斷發(fā)展，能源短缺已經日益制約著經濟發(fā)展的嚴重障礙，其中電力短缺已成為制約國民經濟的突出矛盾。我國目前的市場上有多種路燈節(jié)能控制產品，能達到一定的節(jié)能效果，但就功能和效果上還不能盡如人意，主要有以下幾種情況：第一種，采用自耦變壓器及磁飽和電抗器的降壓技術。其不足是由于反應速度較慢，用電高峰時電壓降到非穩(wěn)定區(qū)容易造成燈光閃滅，不能自動調節(jié)，同時如果電壓突然升高，則會對燈具造成損壞，相對來說穩(wěn)壓效果較差；第二種是采用電子器件構成的可控硅式設備。該設備主要采取簡單的相控技術，不足之處是元器件較容易發(fā)熱損壞。而為了更好的達到控制的目的，現在國內外都開始采用智能控制方式，如光控、聲控、時控等，國外甚至開始采用太陽能供能光控方式來控制路燈，基本可以達到完全自給自足的效果。而本文中研究的就是光控路燈的控制器設計。1. 設計題目 智能路燈亮滅控制系統(tǒng)設計2. 設計內容 設計一套路燈亮滅控制系統(tǒng),以MCS-51系列單片機為核心完成測控任務,當日照亮度超過閾值,控制燈滅;反之,則控制燈亮。并且要求閾值可調。3. 方案總體設計與論證 本次課程設計課題是智能路燈亮滅控制系統(tǒng)設計。此課題要求以路燈控制器為對象，完成硬件系統(tǒng)和軟件程序的設計，實現以光線強弱方式來控制路燈的亮滅功能，屬于軟硬件相結合的題目。其中硬件電路部分主要包括以下幾個部分：單片機最小系統(tǒng)、路燈控制電路部分、光電檢測電路部分；軟件部分主要包括二個電子軟件Altium designer、 Keil-C51軟件和路燈控制、光電檢測兩個程序模塊。工作原理如下圖所示： 工作原理圖硬件電路設計由6個部分組成： 信號采集放大電路，A/D轉換電路，AT89C51單片機系統(tǒng)，LED顯示系統(tǒng)、時鐘電路、復位電路。 4.單片機介紹4.1單片機概述單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術把具有數據處理能力（如算術運算、邏輯運算、數據傳送、中斷處理）的微處理器（CPU）、隨機數據存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、輸入/輸出電路（I/O口）等電路集成到單片芯片上，構成一個最小而完善的計算機系統(tǒng)。有時還包括定時器/計數器，串行通信口、顯示驅動電路（LCD或LED驅動電路）、脈寬調制電路（PWM）、模擬多路轉換器以及A/D轉換器等電路，并具有獨立的指令系統(tǒng)。這些電路能在軟件控制之下，準確、迅速、高效地完成程序設計者事先規(guī)定的任務。它能夠單獨地完成現代工業(yè)控制系統(tǒng)所要求的智能化控制功能。單片機不同于單板機，芯片在沒有開發(fā)出來以前，只具有功能極其強大的超大規(guī)模集成電路，如果再賦予它特定的程序，它便是一個最小的、完整的微型計算機控制系統(tǒng)。單片機的使用需要用戶了解其芯片的內部結構和相應的指令系統(tǒng)以及其他一些集成電路設計技術和系統(tǒng)設計所需要的理論技術。在特定的程序控制下，就能使該芯片實現特定的功能。然而，不同單片機的硬件結構和指令系統(tǒng)不盡相同，即它們的技術特征也不同，硬件特征主要和單片機芯片的內部結構有關，因此，設計人員必須熟練掌握其性能是否滿足需要的功能和應用系統(tǒng)所要求的特性指標（功能特性、控制特性和相關的電氣參數特性等），這些信息我們可以從生產廠商的技術手冊中得到。指令特性則指我們熟悉的單片機尋址方式、數據處理和邏輯處理方法、輸入/輸出特性等。開發(fā)環(huán)境包括指令的兼容性及可移植性，軟、硬件資源等。要利用單片機開發(fā)實際的應用系統(tǒng)，就必須掌握其硬件結構特征、指令系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境。單片機控制系統(tǒng)已基本取代了以前復雜的電子線路或數字電路構成的控制系統(tǒng)，用軟件來實現產品的智能化。現在，單片機的控制范疇無所不在，其應用領域也越來越廣泛。單片機的應用意義遠不限于它的應用范疇或由此帶來的經濟效益，更重要的是它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制方法和設計理念，向著嵌入式系統(tǒng)方向發(fā)展。隨著嵌入式系統(tǒng)的快速發(fā)展和在各行各業(yè)的深入應用，人們的電子設備的小型化、智能化的要求也越來越高。在航空航天、機械加工、工程控制、智能儀器儀表、家用電器、通信系統(tǒng)等領域，單片機都正在發(fā)生著非常重要的作用。單片機應用技術業(yè)已成為現代電子技術應用領域十分重要的高新技術之一，是電子工程技術人員必備的知識技能，它能使你設計出更具智能化和方便的產品。單片機及其應用系統(tǒng)之所以能發(fā)揮著如此重要的作用，歸納起來有如下的原因：（1）單片機具有體積小、功能強、價格低、使用靈活等特點，具有明顯的優(yōu)勢和廣闊的應用前景。（2）單片機具有獨立的指令系統(tǒng)，可以將我們的設計思想充分表達出來，使產品智能化。（3）系統(tǒng)配置以滿足控制對象的要求出發(fā)點，使得系統(tǒng)具有較高的性價比。（4）應用系統(tǒng)通常將程序駐留在片內（外）ROM中，抗干擾能力強，可靠性高，使用方便。（5）單片機本身并不具備開發(fā)能力，一般情況下，需要借助專用的開發(fā)工具在相應的開發(fā)環(huán)境下，進行系統(tǒng)的開發(fā)和調試，但最終形成的產品簡單實用，成本低，效益高。（6）單片機應用系統(tǒng)所使用的存儲芯片可選用EPROM、EEPROM、OTP芯片或利用掩膜形式生產，便于批量生產和應用。大多數單片機如51系列，開發(fā)芯片和擴展應用芯片相互配套，降低了系統(tǒng)成本。（7）由于系統(tǒng)小巧玲瓏，控制功能強、體積小，便于嵌入被控設備內，大大推動了產品的智能化。單片微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種。單片機微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱為微控制器。通常，單片機由單塊集成電路芯片構成，內部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器和I/O接口電路等。因此，單片機只需要和適當的軟件及外部設備相結合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。單片機經過1、2、3、4代的發(fā)展，以達到了32位單片機，是目前單片機的頂級產品，具有極高的運算速度。隨著微電子技術和集成電子技術的不斷發(fā)展，單片機正朝著高集成度、低功耗、低電壓、多功能方向發(fā)展。MCS-51系列單片是眾多單片機中的一種，由于它們都是基于8051內核發(fā)展起來的，所以稱51單片機，而本次設計就是基于51單片機完成的。4.2 單片機的主要功能及應用領域現在的單片機功能越來越強大，集成度越來越高，有很多曾經的外圍器件都已經在內部集成。它的功能很多：比較器；模數/數模轉換器；PWM；多種多樣的接口；LCD驅動；存儲器等等。同時它也是計算機單片微型計算機。部分單片機的計算能力已經比早期PC的CPU強大，速度也越來越快。甚至也有類似雙核CPU的設計出現。因為能夠運行程序，所以可以做很多的事情。幾乎您上網用的計算機能做的事情，它都同樣能做。只是能力沒那么強大。比如：可以讀寫硬盤、可以接受按鍵輸入、可以顯示輸出、可以驅動打印、您甚至可以給它接個鼠標。當然這可能涉及一些接口的問題，但是CPU也不是直接做這些事情的。它的輸入輸出，如前面所說，也是多種多樣的。可以是模擬量，也可以是數字量，標準的USB接口也已經集成在了單片機內部。此外，單片機的體積小、價格低、可靠性高、適用面寬、有著其本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢，在各行各業(yè)都得到廣泛應用。單片機的應用領域可歸納為幾個方面：（1）智能化家用電器：各種家用電器普遍采用單片機智能化控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子線路控制，升級換代，提高檔次。如洗衣機、空調、電視機、錄像機、微波爐、電冰箱、電飯煲以及各種視聽設備等。 （2）辦公自動化設備：現代辦公室使用的大量通信和辦公設備多數嵌入了單片機。如打印機、復印機、傳真機、繪圖機、考勤機、電話以及通用計算機中的鍵盤譯碼、磁盤驅動等。 （3）商業(yè)營銷設備：在商業(yè)營銷系統(tǒng)中已廣泛使用的電子秤、收款機、條形碼閱讀器、IC卡刷卡機、出租車計價器以及倉儲安全監(jiān)測系統(tǒng)、商場保安系統(tǒng)、空氣調節(jié)系統(tǒng)、冷凍保險系統(tǒng)等都采用了單片機控制。 （4）工業(yè)自動化控制：工業(yè)自動化控制是最早采用單片機控制的領域之一。如各種測控系統(tǒng)、過程控制、機電一體化、PLC等。在化工、建筑、冶金等各種工業(yè)領域都要用到單片機控制。 （5）智能化儀表：采用單片機的智能化儀表大大提升了儀表的檔次，強化了功能。如數據處理和存儲、故障診斷、聯網集控等。 （6）智能化通信產品：最突出的是手機，當然手機內的芯片屬專用型單片機。 （7）汽車電子產品：現代汽車的集中顯示系統(tǒng)、動力監(jiān)測控制系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和運行監(jiān)視器（黑匣子）等都離不開單片機。 （8）航空航天系統(tǒng)和國防軍事、尖端武器等領域：單片機的應用更是不言而喻。 單片機應用的意義不僅在于它的廣闊范圍及所帶來的經濟效益，更重要的意義在于，單片機的應用從根本上改變了控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的設計思想和設計方法。以前采用硬件電路實現的大部分控制功能，正在用單片機通過軟件方法來實現。以前自動控制中的PID調節(jié)，現在可以用單片機實現具有智能化的數字計算控制、模糊控制和自適應控制。這種以軟件取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制技術稱為微控技術。隨著單片機應用的推廣，微控制技術將不斷發(fā)展完善。4.3 單片機的發(fā)展趨勢隨著微電子技術和集成電路技術的迅速發(fā)展，目前各個公司研制出了能夠適用于各種領域的單片機。高性能單片機芯片市場也異?；钴S，采用新技術，使單片機的種類、性能不斷提高，應用領域迅速擴大4。單片機的改進和發(fā)展歸納起來有以下幾個方面：（1）CPU的改進：現在CPU開始采用雙CPU結構，提高了芯片的處理能力。（2）存儲器的發(fā)展：增大了片內存儲器容量；片內采用EEPROM和Flash可在線編程，讀/寫更方便；采用了編程加密技術。（3）內部資源增多：片內資源越豐富，產品的體積就越小，可靠性就越高。（4）I/O接口形式增多，性能提高。（5）引腳的多功能化：單片機現在普遍采用管腳復用的設計方案。（6）低電壓和低功耗：單片機制造時普遍采用CMOS工藝。5.硬件電路設計5.1 AT89C51簡介MCS-51系列單片機是由美國的Intel公司開發(fā)研制，并于1980年推出的產品。與MCS-48系列單片機相比，其以典型的體系結構和完善的專用寄存器集中管理方式，方便的邏輯位操作功能及豐富的指令系統(tǒng)，堪稱一代“名機”，為之后的其他單片機的發(fā)展奠定了基礎。因此，MCS-51系列單片機結構先進，功能強大，增加了更多的電路單元和功能模塊，指令數達111條。其中的代表作便是AT89C5x系列單片機，而本文所用的便是AT89C51單片機?，F簡要介紹如下： 1.中斷系統(tǒng)8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。2.時鐘電路8051內置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容。5.2單片機最小系統(tǒng)電路單片機最小系統(tǒng)是單片機系統(tǒng)的核心，其他的外圍電路都是在最小系統(tǒng)的基礎上實現的。單片機最小系統(tǒng)是由單片機、復位電路、時鐘電路、電源和地端組成，一般情況下，單片機系統(tǒng)采用外接石英晶體與內部運放組成時鐘振蕩器作為系統(tǒng)時鐘源，而在多機系統(tǒng)中，單片機只作為一個功能模塊使用，為節(jié)省硬件和統(tǒng)一系統(tǒng)的時鐘信號，常采用外時鐘源。單片機最小系統(tǒng)是單片機控制電路的核心。在整個系統(tǒng)中，單片機控制電路是整個系統(tǒng)的核心，負責對光電檢測電路采集到光信號進行處理和加工，并按照之前設定好的指令進行執(zhí)行、運算，并將結果傳送給相應的執(zhí)行電路。單片機控制電路相關的電路原理圖如下圖所示：5.3 光敏電阻介紹光敏電阻是一種特殊的電阻，其阻值隨著光線強度的變化而變化。其工作原理是基于內光電效應。在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構成光敏電阻如圖所示。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。構成光敏電阻的材料有金屬的硫化物、硒化物、碲化物等半導體。 半導體的導電能力取決于半導體導帶內載流子數目的多少。當光敏電阻受到光照時，價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導帶，成為自由電子，同時產生空穴，電子空穴對的出現使電阻率變小。光照愈強，光生電子空穴對就越多，阻值就愈低。當光敏電阻兩端加上電壓后，流過光敏電阻的電流隨光照增大而增大。入射光消失，電子-空穴對逐漸復合，電阻也逐漸恢復原值，電流也逐漸減小。在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過，受到適當波長的光線照射時，電流就會隨光強的增加而變大，從而實現光電轉換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。光敏電阻是采用半導體材料制作，利用內光電效應工作的光電元件。它在光線的作用下其阻值往往變小，這種現象稱為光導效應，因此，光敏電阻又稱光導管。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導體。通常采用涂敷、噴涂、燒結等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，然后接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內，以免受潮影響其靈敏度。光敏電阻的原理結構如圖所示。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當受到光照時，只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產生的電子空穴對增加了半導體材料中載流子的數目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產生的電子空穴對將逐漸復合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復原值。 光敏電阻原理圖在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過，受到適當波長的光線照射時，電流就會隨光強的增加而變大，從而實現光電轉換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。5.4 光電檢測電路在設計中使用光敏電阻作為光傳感器件對外界光線進行檢測，主要是利用了光敏電阻在光線的作用下其阻值往往變小的這種光導效應現象，也有基于光敏二極管、光敏三極管等光電檢測元件的相關電路，如下圖所示是光電檢測電路將檢測到的信號以高低電平的形式傳送給單片機，從而完成整個光電檢測的過程。5.5 A/D轉換模塊 A/D574是12位逐次逼近型的A/D轉換芯片。轉換時間位25-35us。片內有數據輸出寄存器，并有三態(tài)輸出的控制邏輯。其運行方式靈活，可進行12位轉換，也可作8位轉換；轉換結果可直接12位輸出，也可先輸出高8位，后輸出低4位。可直接與8位或16位的CPU接口。輸入可設置為單極性，也可設成雙極性。片內有時鐘電路，無需外部時鐘。下圖是A/D574與單片機接口電路，它分兩次將單極性電壓的12位轉換結果送給單片機。具體先由單片機發(fā)出控制信號，使A/D轉換器啟動轉換，等待轉換結束，單片機再分兩次將轉換數據讀到內存中。按下圖接法A/D574是單極性輸入，接成0-+10V的接法。 5.6 顯示模塊利用串口和74164驅動LED顯示器工作，采用靜態(tài)顯示方式。這種方式可接口接+5V電源，若要顯示某字段，則相應的移位寄存器74164輸出必須為低電平，由于74164在低電平輸出時，允許通過的電流為8mA左右，故不用再加驅動電路了，只需向串口發(fā)送要顯示三位數的顯示控制代碼（段碼），即可在LED顯示器上顯示出所要的字符，只需將各位的小數點控制位接低電平，使其顯示，其他位的小數點控制位均接高避免采用并行口I/O接口占用資源較多的缺點。采用共陽極數碼管，因而各位的COM電平即可，注意加限流電阻。 5.7 鍵盤模塊使用鍵盤可以有效地調節(jié)閾值。因為本設計中需要的按鍵不 多，故設計采用獨立式按鍵，分別占用P2.4，P2.5，P2.6，P2.7 口。鍵盤的防抖動可有軟件來實現。 5.8 硬件電路原理圖 經過長時間的設計，仿真，才得出了本次畢業(yè)設計的硬件電路部分。通過前面的分析，我們可以發(fā)現本次設計課題的硬件電路部可分為以下四個組成部分：單片機控制電路部分、路燈控制電路部分、光電檢測與執(zhí)行電路部分和兩位一體的數碼顯示電路電路部分。將前面介紹的電路加以分析和組合，就可以得到整個硬件電路部分的相關原理圖，現將硬件原理圖表示如下：6. 軟件設計Altium DesignerAltium Designer 是原Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產品開發(fā)系統(tǒng)，主要運行在Windows操作系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設計輸出等技術的完美融合，為設計者提供了全新的設計解決方案，使設計者可以輕松進行設計，熟練使用這一軟件必將使電路設計的質量和效率大大提高。 Altium Designer 除了全面繼承包括Protel 99SE、Protel DXP在內的先前一系列版本的功能和優(yōu)點外，還增加了許多改進和很多高端功能。該平臺拓寬了板級設計的傳統(tǒng)界面，全面集成了FPGA設計功能和SOPC設計實現功能，從而允許工程設計人員能將系統(tǒng)設計中的FPGA與PCB設計及嵌入式設計集成在一起。 由于Altium Designer 在繼承先前Protel軟件功能的基礎上，綜合了FPGA設計和嵌入式系統(tǒng)軟件設計功能，Altium Designer 對計算機的系統(tǒng)需求比先前的版本要高一些。主要功能： 原理圖設計， 印刷電路板設計，FPGA的開發(fā)，嵌入式開發(fā)，3D PCB設計Keil C51Keil C51是美國Keil Software公司（ARM公司之一）出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。 K