基于89C51單片機的光控路燈設(shè)計.doc

1、基于單片機的光控路燈設(shè)計基于89C51單片機的光控路燈設(shè)計作者：沈偉清 葛宜兵指導老師：翁志剛?cè)蝿?wù)：基于單片機條件下，設(shè)計一光控路燈模型。要求：1、光照條件充足時，路燈保持熄滅狀態(tài)，光照不足時，路燈自動開啟照明。2、使用器材：光敏電阻、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機等。3、電路簡潔，制作原理圖并要求仿真。設(shè)計方案：方案一、利用光照強度為傳感器，利用其光線較強時，阻值較低，而光線較暗時阻值較大的特點。但未用到單片機來控制電路，所以進行改進，得方案二。方案二、將方案一中繼電器改用單片機代替即可?？傮w設(shè)計分為兩個模塊：主控模塊和被控模塊。主模塊與被控模塊之間通過單片機進行連接。故本設(shè)計采用方案為方案二。摘要：近

2、年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機的應(yīng)用正在不斷深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測技術(shù)日益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機往往作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)軟硬件結(jié)合，加以完善。路燈控制方式很多，本系統(tǒng)采用MSC-51系列單片機89C51和相關(guān)的光電檢測設(shè)備來設(shè)計智能光控路燈控制器，實現(xiàn)了能根據(jù)實際光線條件通過89C51芯片的P1口控制路燈開關(guān)功能。隨著社會文明的不斷發(fā)展，城市照明不僅局限于街道的照明，而且發(fā)展成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(guān)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，利用51系列單片機可編程

3、控制八位邏輯I、O端口實現(xiàn)路燈開關(guān)控制的智能化，達到節(jié)能、自動控制的目的。避免傳統(tǒng)電路對能源的浪費，路燈的自動控制更方便管理，本系統(tǒng)實用性強，操作簡單。本文首先介紹了單片機及嵌入式系統(tǒng)的基本概念、特點和應(yīng)用。描述了多功能基于51單片機的光控路燈的設(shè)計過程。詳細說明了以51單片機為核心的軟、硬件的研制過程和方法。利用proteus軟件設(shè)計了電路原理圖。完成光控路燈的設(shè)計。一、引言：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市照明設(shè)施的功能從單純的以照明為主轉(zhuǎn)變?yōu)閷崿F(xiàn)美化環(huán)境、改善形象、活躍夜市經(jīng)濟的目的。對城市燈飾的管理與控制迫切需要一種科學、合理、高效的方法。因此，提供一種有效而合理的控制與管理的方法，對城市路燈

4、與飾燈的運行狀態(tài)進行智能監(jiān)控顯得極為重要。針對城市路燈這樣“終端多、地域廣、戶外、分散、信息量不大”等特點，可以選擇單片機智能光控的方式來解決。這樣，既克服了傳統(tǒng)的路燈控制方法、控制方式單一而無法滿足實時監(jiān)控和管理要求的弱點，又能適應(yīng)現(xiàn)代城市隊燈飾控制的要求。目錄摘要11、引言.22、單片機概述.33、芯片介紹 .43.1 光敏電阻及放大電路 .43.2 ADC0804芯片簡介.83.3 89C51的引腳說明.84、單片機選型.124.1、AT89C51的特點.124.2、單片機附屬電路.145、總電路圖及工作原理156、源程序16二、單片機概述單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器

5、（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復(fù)雜的而對體積要求嚴格的控制設(shè)備當中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設(shè)計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設(shè)備。單片機比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的

6、應(yīng)用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的計算機。通常單片機由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)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，單片機只需要適當?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。單片機經(jīng)過1、2、3代的發(fā)展，目前單片機正朝著高性能和多品種的方向發(fā)展，他們的CPU功能在增強，內(nèi)部資源在增多，引腳的多功能化，以及低電壓低功耗化。三、芯片簡介3.1 光敏電阻及放大電路:光敏電阻器是利用半導體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化

7、）。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強弱變化而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達110M歐,在強光條件（100LX）下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻器對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光（0.40.76）m的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。設(shè)計光控電路時，都用白熾燈泡（小電珠）光線或自然光線作控制光源，使設(shè)計大為簡化?？梢姽夤饷綦娮杵鳎喊ㄎ⒘蚧k、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動開關(guān)門戶，航標燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動亮滅，

8、自動給水和自動停水裝置，機械上的自動保護裝置和“位置檢測器”，極薄零件的厚度檢測器，照相機自動曝光裝置，光電計數(shù)器，煙霧報警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。光敏電阻的主要參數(shù)是：（1）光電流、亮電阻。光敏電阻器在一定的外加電壓下，當有光照射時，流過的電流稱為光電流，外加電壓與光電流之比稱為亮電阻，常用“100LX”表示。（2）暗電流、暗電阻。光敏電阻在一定的外加電壓下，當沒有光照射的時候，流過的電流稱為暗電流。外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻，常用“0LX”表示。（3）靈敏度。靈敏度是指光敏電阻不受光照射時的電阻值（暗電阻）與光照射時的電阻值（亮電阻）的相對變化值。（4）光譜響應(yīng)。光譜響應(yīng)又稱光譜靈敏度

9、，是指光敏電阻在不同波長的單色光照射下的靈敏度。若將不同波長下的靈敏度畫成曲線，就可以得到光譜響應(yīng)的曲線。（5）光照特性。光照特性指光敏電阻輸出的電信號隨光照度而變化的特性。從光敏電阻的光照特性曲線可以看出，隨著的光照強度的增加，光敏電阻的阻值開始迅速下降。若進一步增大光照強度，則電阻值變化減小，然后逐漸趨向平緩。在大多數(shù)情況下，該特性為非線性。（6）伏安特性曲線。伏安特性曲線用來描述光敏電阻的外加電壓與光電流的關(guān)系，對于光敏器件來說，其光電流隨外加電壓的增大而增大。 （7）溫度系數(shù)。光敏電阻的光電效應(yīng)受溫度影響較大，部分光敏電阻在低溫下的光電靈敏較高，而在高溫下的靈敏度則較低。 （8）額定功

10、率。額定功率是指光敏電阻用于某種線路中所允許消耗的功率，當溫度升高時，其消耗的功率就降低。工作原理光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。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(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。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(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體 圖1、光敏電阻的實驗圖上圖是由光敏電阻和三極管組成的放大電路，白天光照強度較強，光敏電阻呈低阻狀態(tài)，三極管基極電位較低，三極管處于截止狀態(tài)，集電極電壓最大；當夜幕降臨時，光照強度變?nèi)酰饷綦娮枳柚抵饾u變大，基極電壓下降，當上

11、升到一定程度后，三極管導通，三極管發(fā)射極從而產(chǎn)生電壓，并傳送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。3.3 ADC0804芯片(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)簡介1.工作原理:所謂A/D轉(zhuǎn)換器就是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。信號輸入端可以是傳感器或轉(zhuǎn)換器的輸出，而ADC的數(shù)字信號也可能提供給微處理器，以便廣泛地應(yīng)用。ADC0804為8位CMOS逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。也是初學者最常用的A/D轉(zhuǎn)換器，電源電壓為5V，它的轉(zhuǎn)換分辨率為8位256級，即表現(xiàn)為輸入電壓分辨率為0.02V；也就是說輸入電壓每增加0.02V，轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)據(jù)才加1。2.ADADC0804引腳圖如下：圖2、ADC0804引腳圖3.引腳說明

12、/CS（引腳1）芯片選擇信號,低電平有效/RD(引腳2)外部讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的控制輸出信號。/RD為HI時，DB0DB7處理高阻抗：/RD為LO時，數(shù)字數(shù)據(jù)才會輸出。/WR（引腳3）用來啟動轉(zhuǎn)換的控制輸入，相當于ADC的轉(zhuǎn)換開始（/CS=0時），當/WR由HI變?yōu)長O時，轉(zhuǎn)換器被清除：當/WR回到HI時，轉(zhuǎn)換正式開始。CS、RD、WR：是數(shù)字控制輸入端，滿足標準TTL 邏輯電平。其中CS和WR用來控制A/D轉(zhuǎn)換的啟動信號。CS、RD用來讀A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，當它們同時為低電平時，輸出數(shù)據(jù)鎖存器DB0DB7 各端上出現(xiàn)8位并行二進制數(shù)碼。CLKI（引腳4）和CLKR（引腳19）：ADC08010805

13、片內(nèi)有時鐘電路，只要在外部“CLKI”和“CLKR”兩端外接一對電阻電容即可產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換所要求的時鐘，其振蕩頻率為fCLK1/1.1RC。其典型應(yīng)用參數(shù)為：R=10K，C=150PF，fCLK640KHZ，轉(zhuǎn)換速度為100。若采用外部時鐘，則外部fCLK 可從CLKI 端送入，此時不接R、C。允許的時鐘頻率范圍為100KHZ1460KHZ。INTR（引腳5）：INTR是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，輸出跳轉(zhuǎn)為低電平表示本次轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，可作為微處理器的中斷或查詢信號。如果將CS和WR端與INTR端相連，則ADC0804就處于自動循環(huán)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。CS0時，允許進行A/D轉(zhuǎn)換。WR由低跳高時A/D轉(zhuǎn)換開始，

14、8位逐次比較需8×8=64個時鐘周期，再加上控制邏輯操作，一次轉(zhuǎn)換需要6673個時鐘周期。在典型應(yīng)用fCLK640KHZ時，轉(zhuǎn)換時間約為103114。當fCLK超過640KHZ，轉(zhuǎn)換精度下降，超過極限值1460KHZ時便不能正常工作。VIN(+)（引腳6）和VIN(-)（引腳7）：被轉(zhuǎn)換的電壓信號從VIN(+)和VIN(-)輸入，允許此信號是差動的或不共地的電壓信號。如果輸入電壓VIN的變化范圍從0V到Vmax，則芯片的VIN(-)端接地，輸入電壓加到VIN(+)引腳。由于該芯片允許差動輸入，在共模輸入電壓允許的情況下，輸入電壓范圍可以從非零伏開始，即Vmin至Vmas。此時芯片的V

15、IN(-)端應(yīng)該接入等于Vmin的恒值電碼墳上，而輸入電壓VIN仍然加到VIN(+)引腳上。AGND（引腳8）和DGND（引腳10）：A/D轉(zhuǎn)換器一般都有這兩個引腳。模擬地AGND和數(shù)字地DGND分別設(shè)置引入端，使數(shù)字電路的地電流不影響模擬信號回路，以防止寄生耦合造成的干擾。VREF2（引腳9）：參考電壓VREF/2可以由外部電路供給從“VREF/2”端直接送入，VREF/2端電壓值應(yīng)是輸入電壓范圍的二分之一所以輸入電壓的范圍可以通過調(diào)整VREF/2引腳處的電壓加以改變，轉(zhuǎn)換器的零點無調(diào)整。4.ADC0804轉(zhuǎn)換器的工作時序如圖3所示。圖3、ADC0804轉(zhuǎn)換器的工作時序圖5.AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計

16、接口電路圖:圖4、A/D轉(zhuǎn)換器的電路圖中，ADC0804數(shù)據(jù)輸出線與AT89C51的數(shù)據(jù)總線直接相連，AT89C51的RD、WR和INT1直接連到ADC0804，由于用P1.0線來產(chǎn)生片選信號，故無需外加地址譯碼器。當AT89C51向ADC0804發(fā)WR(啟動轉(zhuǎn)換)、RD(讀取結(jié)果)信號時，只要虛擬一個系統(tǒng)不占用的數(shù)據(jù)存儲器地址即可。四.單片選型4.1、AT89C51的特點：AT89C51是帶4K字節(jié)可編程可擦出的只讀存儲器的低電壓，高性能，CMOS，8位單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造。AT89C51管腳圖如圖5所示。圖5、AT89C51管腳圖主要特性：1與MOS-

17、51兼容2 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器3 數(shù)據(jù)保留時間：10年4全靜態(tài)工作：0HZ-24HZ5 128*8的RAM6 32可編程I/0口線7 兩個16位的定時計數(shù)器8 5個中斷源9 可編程串行通道10 低功耗的閑置和掉電模式11 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路4.2、單片機附屬電路單片機附屬電路主要有晶體振蕩電路和復(fù)位電路。一晶體振蕩電路1.晶體振蕩器的作用：石英晶體振蕩器也稱石英晶體諧振器，它用來選擇頻率和穩(wěn)定頻率，是一種可以取代LC諧振回路的諧振元件。單片機是一種時序電路，必須供給脈沖信號才能正常工作，在單片機內(nèi)部已集成了振蕩器，使用晶體振蕩器，接18、19腳。2 本設(shè)計所用的晶體振蕩電路如圖6所示。

18、圖6、晶體振蕩電路此晶振電路所選用的石英晶振頻率為12MHZ。二復(fù)位電路單片機復(fù)位是使CPU和系統(tǒng)的其它功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，例如復(fù)位后CP=0000H，是單片機從第一個單元取指令。無論是在單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復(fù)位，所以我們必須弄清楚 MCS-51型單片機復(fù)位的條件，復(fù)位電路和復(fù)位后的狀態(tài)。單片機復(fù)位的條件是：必須使RST/Vpd或RST引腳上加上持續(xù)兩個機器周期的高電平。例如，若時鐘頻率為12MHZ，機器周期為1us，則只需2us以上的高電平，在RST引腳出現(xiàn)高電平后的第二個機器周期執(zhí)行復(fù)位。單片機常用的復(fù)位電路如圖2.4（a）和圖2.4（b）所示。圖7（a）復(fù)位電路 圖7（b）與單片機相連的復(fù)位電路圖7（a）復(fù)位電路，電阻給電容充電，電容的電壓緩慢上升直到vcc，沒到vcc時芯片復(fù)位腳近似低電平，于是芯片復(fù)位，接近vcc時芯片復(fù)位腳近高電平，于是芯片停止復(fù)位，復(fù)位完成。其電阻阻值的選擇和電容容量的選擇都是經(jīng)過計算的，而最后計算的結(jié)果時間常數(shù)可以滿足我們的需求。其計算過程如下：t=0.7RC=0.7*1000*10*10-6=0.7ms此值遠遠大于2us,所以此復(fù)位電路可用。圖7（b）是