电气工程与自动化毕业论文：路灯控制器设计.doc

1、本 科 毕 业 设 计路灯控制器设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要现在，随着各行各业的快速发展，电力设备的老化，导致电力供不应求的现象已是很普遍了。而城市化的加快又需要更多的照明路灯，但一般的路灯往往是传统的定时控制，这无疑会造成电力资源的浪费或路灯不能正常工作。所以为了缓解电力的需求量，提高用电效率，减少不必要的耗电量，同时也能延长设备的使用寿命，开发一种智能路灯控制器是刻不容缓的。而如今单片机作为科学与技术的重要组成部分，很多产品的开发都用到了单片机，研究路灯控制器也变得很有意义。本设计以 AT89C51 单片机为核心，利用有

2、关的光电检测设备设计智能路灯控制器。设计采用 LED 灯作为光源，设定开关灯时间；利用红外线传感器来感应人或车的位置来调节路灯的开关状态；采用光敏电阻来感应外界光线的变化从而实现路灯状态的控制，故障检测这部分也是利用了光敏电阻的感光原理来实现的；声光报警的功能则是通过发光二极管与蜂鸣器的共同作用实现的。此次智能路灯控制系统的设计主要是为了解决传统路灯照明系统在灯光控制和管理上出现的问题，利用单片机就能实现路灯照明系统智能化的功能，即便是在无人监控的情况下，系统也能正常工作，并在出现故障时能及时通报工作人员。这种方法不但节省了人力和电力资源，而且也降低了系统的运行成本，性价比高，实现了路灯的智能

3、控制。关键词：AT89C51；路灯；智能控制IIAbstractNowadays, with the rapid development of various walks of life and aging electrical equipment, the loss of power is no doubt nowadays. Causing power demanding is a common phenomenon .But the development of urbanization needs more power of electricity for street lamps,

4、however generally street lamps use traditional timing control, its no doubt wasting power of electricity and making street lamp not in proper work order .So in order to alleviate the demand for electric power, improve power efficiency, reduce unnecessary power consumption, at the same time also can

5、prolong the service life of equipment, so develop an intelligent street lamp controller is the imperative. But now MCU as the important ingredient in the computer science and technology, MCU has been used in many products, study controller of street lamp is very significance.The system uses AT89C51

6、and relevant photo detector equipment to design intelligent lamp controller. This design uses LED as light source, set the time of lamps opening; uses infrared sensors to sense the position of people or cars to adjust the switch of street lamps; uses photoconductive resistance to achieve lamp contro

7、l, the part of the fault detection also uses the principle of photosensitive resistance to achieve; acousto-optic alarm function is through the light-emitting diode with the implementation of the joint action of the buzzer.The street lamp control system is designed to solve traditional street lamp l

8、ighting system in lighting control and problems on the management, use MCU to realize the street lamp lighting system intellectualization function, even in the absence of monitoring, the system also can work normally, and in the malfunction can timely inform workers. This method not only can save hu

9、man and electric power resources, but also reduce system operating costs, costeffective, achieve the intelligent control of lamps. Key words:AT89C51; lamp; intelligent controlIII目 录第 1 章 绪论 .1第 2 章 AT89C51 单片机的结构 .22.1 内部结构 .22.2 封装与引脚 .22.3 存储器 .32.4 定时/计数器 .32.5 中断系统 .32.6 串行口 .32.7 时钟电路和时序 .3第 3

10、章 路灯控制器模拟电路设计 .43.1 模拟电路方案设计 .43.2 元器件的选择 .43.3 控制过程分析 .5第 4 章 系统硬件设计 .74.1 设计要求 .74.2 硬件电路方案设计 .74.3 系统结构 .74.3.1 数码管显示部分 .84.3.2 时钟部分 .84.3.3 检测部分 .94.3.4 晶振电路 .104.3.5 复位电路 .114.3.6 声光报警电路 .11IV4.4 系统总电路构成 .12第 5 章 系统软件设计 .145.1 主程序设计 .145.2 时钟显示子程序设计 .155.3 延时子程序设计 .175.4 定时中断程序设计 .175.4.1 定时程序设

11、计 .175.4.2 中断程序设计 .185.5 转换程序设计 .195.5.1 秒、分、时十进制转换模块设计 .195.5.2 十进制转换显示模块 .205.6 LED 数码管显示程序 .205.7 故障报警程序 .21总结 .23致谢 .24参考文献 .25附录 .261第 1 章 绪论虽然现在的工业发展迅速，但由于电力设备的老化等一些问题，目前电力资源供不应求已是很普遍的现象。再加上城市化的加快发展，更好的与国际接轨，所以也必须发展公路系统，需要的照明灯的数量也越来越多，因此用电量占城市总用电量的比例也在不断增加。不仅如此，目前一般的照明路灯往往采用的是定时控制，这种情况不但耗电量大幅度

12、的增加造成电力资源的不必要的浪费，而且也会影响照明路灯的使用寿命甚至使路灯不能正常工作。所以为了缓解电力的需求量，提高用电效率减少不必要的耗电量，同时也能延长设备的使用寿命，即不影响设备的正常工作又能减少设备的维修费用，开发一种智能路灯控制器是刻不容缓的。而单片机作为科学与技术的重要组成部分，又因其具有集成度高，处理能力强，可靠性高，系统结构简单，价钱便宜的优点而被广泛应用。有了单片机后，只需要编写一些程序语言就能实现智能化的功能，即便是在无人监控的情况下，系统也能正常工作，并在出现故障时能及时通报工作人员，所以相信单片机在路灯控制器这一领域必然会有很大的发展前景。本设计中实现的基本功能是时钟

13、显示，报警，根据环境光线的强弱来自动控制路灯的点亮与熄灭，并能根据交通状况改变路灯的开关状态，所以本设计的智能路灯控制系统以单片机为核心，传感器感应，控制显示和报警等 4 大主要模块组成，主要是从显示，时钟，故障声光报警及检测几部分进行设计。总的来说，本系统是通过控制器来实现显示，路灯亮灭与设定亮灭时间，因此将控制分为三部分:第一部分：为了使控制器有时钟显示与设定的功能，利用单片机的时钟控制和 LED 灯的显示。通过显示，可以很好地了解显示时间，根据环境变化设定开关灯时间。第二部分：检测部分分为光敏检测，物体检测及故障检测三部分。光敏检测部分采用光敏电阻来感应外部环境的变化，从而来改变路灯的亮

14、灭；故障检测这部分的检测原理与光敏检测的一样，都是应用光敏电阻的感光原理来实现的。物体检测则采用红外蔽障传感器来检测物体的位置，从而控制路灯的状态。比如在午夜人流，车流稀少时，路灯将全部熄灭，但当人或机车到来时，路灯就点亮，过了 30 秒之后又熄灭，这样即不会造成电力资源的浪费又能延长照明设备寿命的目的。第三部分：声光报警这部分是利用单片机控制发光二极管和蜂鸣器发出声光报警的电路装置。当路灯中出现故障时，此部分装置就会向控制器报警。2XTAL218XTAL119ALE30 EA31 PSEN29RST9P0.0/AD0 39P0.1/AD1 38P0.2/AD2 37P0.3/AD3 36P0

15、.4/AD4 35P0.5/AD5 34P0.6/AD6 3P0.7/AD7 32P1.01 P1.12 P1.23P1.34 P1.45 P1.56P1.67 P1.78P3.0/RXD 10P3.1/TXD 1P3.2/INT0 12P3.3/INT1 13P3.4/T0 14P3.7/RD 17P3.6/WR 16P3.5/T1 15P2.7/A15 28P2.0/A8 21P2.1/A9 2P2.2/A10 23P2.3/A1 24P2.4/A12 25P2.5/A13 26P2.6/A14 27U1AT89C51第 2 章 AT89C51 单片机的结构2.1 内部结构AT89C51

16、单片机是一种内含 4KB 闪速存储器，低压、高性能的 8 位 CMOS 微控制器，其内部包括时钟电路，片内振荡器和一个 8 位 CPU，由程序存储器，数据存储器，四个 8 位并行的 I/O 口，一个全双工串行口，两个定时/计数器，5 个中断源。2.2 封装与引脚如图 2.1 所示为 AT89C51 单片机的引脚图：图 2.1 单片机的引脚图AT89C51 的引脚除了 GND 和 VCC 外，按其功能可分为以下三类：1. I/O 端口引脚： 1）P0 口：8 位漏极开路的双向 I/O 口。2）P1 口：带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。3）P2 口：带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O

17、口。4）P3 口：带内部上拉电阻、引脚有复用功能的 8 位双向 I/O 口，如表 2.2 所示。表 2.2 P3.0 口的第二功能定义引脚 第二功能P3.0 RXD 串口数据输入P3.1 TXD 串口数据输出P3.2 INT0 外中断 0 输入P3.3 INT1 外中断 1 输入P3.4 T0 外部计数脉冲输入P3.5 T1 外部计数脉冲输入P3.6 WR 外部 RAM 写选通3P3.7 RD 外部 RAM 读选通2. 时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2；3. 控制类引脚：1）EA/VPP 程序存储器选择/编程电压输入端。其中EA=0 执行外部程序存储器的程序；EA=1 执行内部出现存储

18、器的程序；RST 复位信号引脚。2）ALE/PROG 片外存储器地址锁存允许/编程脉冲输入端。3）PSEN 外部程序存储器读选通。产生访问外部程序存储器的读选通信号。2.3 存储器 AT89C51 有片内数据存储器和片内程序存储器，片内程序存储器是 4KB 可反复擦写的内存，其地址范围为 0000H0FFFH。而片内数据存储器则是由通用寄存器组，位地址空间，数据存储区，SFR 特殊功能寄存器。2.4 定时/计数器AT89C51 有两个 16 位的可编程定时/计数器 T0 和 T1，它们的工作方式由特殊功能寄存器 TMOD 各位确定，运行由 TCON 的部分相关控制，以实现定时或计数产生中断用于

19、控制程序转向。2.5 中断系统AT89C51 有五个中断源，两个外部中断，两个定时/计数器中断，一个串口中断。前四个中断源的中断标志位在 TCON 的相应位中，串口的中断标志位在 SCON 中。各中断源均可通过中断允许寄存器 IF 单独允许或禁止，IF 可按位寻址设定。这些中断功能可满足不同的控制要求，并具有不同的优先级别。而优先级别由中断优先寄存器 IP 确定。2.6 串行口AT89C51 单片机有一个全双工的串行数据接口，该串口具有不同的工作方式和传输速率等，还能发生发送或接收中断，这些都是通过串口控制寄存器 SCON 设定或根据其值来判断的。2.7 时钟电路和时序AT89C51 内部有一

20、个高增益的反相放大器，在输入与输出端接入晶体或陶瓷振荡器，即可构成高稳度的振荡器作为单片机的时钟。单片机的工作是按时序来进行，而时钟电路就是担负着给单片机发出所需时间的同步信号。4T20V VD1-4C1470u7812C210uRGMR03K2R2/10KA4RP1R13KRP2C420UD406C320U18961283R3K5617R43KLM324:A1-V0R54.3KVD5A1NLER61.5KVTR751VS灯 1灯 2FUNL第 3 章 路灯控制器模拟电路设计3.1 模拟电路方案设计路灯控制电路可单独采用模拟电子器件来实现智能控制，能够自动控制开关灯时间与路灯状态，即是在白天时

21、，无论有人没人，路灯都不亮；当光线逐渐减弱达到一定的程度之后，根据设定的时间路灯开始点亮，这部分是利用光敏电阻来实现的，并在夜晚人流和车流稀少时，路灯自动熄灭。模拟智能路灯控制器的电路图 3.1 所示。图中直流电源电路由三端稳压器 IC7812,二极管 VD1-VD4，变压器 T 以及电容 C1、C3 组成。路灯开关电路由光电耦合器 V0，三极管VT 和双向可控硅 VS 等组成。定时控制电路由数字集成电路 CD4060（其内含十四级分频计数器与振荡器） ，电压比较器 A1，二极管 VD5，电位器 RP2，电容器 C4 以及电阻R2、R3、R4 组成。光电控制电路则是由电压比较器 A0，电位器

22、RP1，光敏电阻 RG 与电阻R0、R1 组成。图 3.1 电路原理图3.2 元器件的选择电源变压器 T 选用初级 220V、次级 15V、5W 的规格。VD1-VD5 选用 IN4007 型二极管。RP1、RP2 则选用 100K 的电位器或可变电阻器。电阻 R0-R7 选用碳膜电阻器。RG 选用 MG45型的硫化镉光敏电阻。FU 和 VS 则是根据负荷大小选取。1）三端稳压器 IC7812电路中采用 IC7812 稳压芯片，但在接电路时，三端集成稳压电路的输入，输出和接地端不能接错，否则容易造成器件的烧毁。在一般情况下，三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差为 2V 左右，不然不能输出稳定

23、的电压。所以一般要使电压差保持在 4V-5V，即经变压器变压，二极管整流，电容器滤波后的电压都会比稳压值高一点。52）IN4007 二极管在电子电路中几乎都要用到半导体二极管，其用途非常之广泛，由此可知二极管在电路中发挥着无可替代的作用。本电路中用到的 IN4007 二极管是一种整流二极管，它是利用二极管的单向导电性，把方向交替变化的交流电转换成单一方向的直流电。3）发光二极管发光二极管（LED）是利用半导体材料制成的正向偏置的 PN 结二极管，按光输出的位置不同，可分为边发射型和面发射型。二极管的工作原理可以用 PN 结的能带结构来解释，在常态下 P 区与 N 区是不能发生自然复合的，只有在

24、 PN 结两端流入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光。且发光二极管具有室温下持续工作时间长，可靠性能高以及光功率-电流线性度好，价格便宜等一系列的显著优点而被广泛使用。4）光敏电阻 RG光敏电阻是采用半导体材料制成，半导体的导电能力取决于半导体内载流子数目的多少。其工作原理基于内部光电效应，在光敏电阻的两端金属电极之间加上电压后，便有电流流过，受到光照后，电流就会随光照的强度增大而变大，从而实现光电转换。当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，在价带中产生一个带正电荷的空穴，电子空穴的出现会使电阻率减小，从而使光敏电阻的阻值变小。一旦入射光消失后，产生的电子

25、空穴对会逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值，电流也慢慢变小。光敏电阻没有极性之分，纯粹是一个电阻器件，所以在使用时即可加交流电压，也可加直流电压。3.3 控制过程分析交流 220V 电压经变压器降压、IC7812 稳压、VD1-VD4 整流及滤波电容滤波后，产生12V 的直流电压，供给控制电路使用。在白天（正常的自然光照时） ，光敏电阻在阳光的照射下呈低阻状态，电位器 RP1 上的 M 点电压较高，因此 A0 的 2 脚电压高于 3 脚电压，这样1 脚输出低电平。然后经电阻 R5，LED 使 VT 截止，从而 V0 不导通且 VS 关断。同时 A0 的1 脚呈低电平，这样 CD4060

26、因没有电源电压而停止振荡，那么 A1 的 6 脚因输入低电平，7脚输出高电平，VD5 截止，所以路灯 L1,L2 不发亮。在白天光照不足时，光敏电阻 RG 因感应到的光线减弱，其阻值会逐渐变大，甚至在夜晚无光照时，RG 的阻值开始大幅度的升高，RP1 上的 M 点电压迅速降低，当 A0 上的 3 脚电压高于 2 脚电压时，1 脚则输出高电平。后经电阻 R5 与 LED，使 VT 饱和导通，从而使 V0 导通，V0 的导通又驱动 VS 的导通。同时数字集成电路 CD4060 的 16 脚提供电源电压，其内部电路与电容 C4，电位器 RP2 组成的振荡器开始振荡。经分频器十四级分频后 CD4060

27、 的 3 脚输出时钟信号的频率，周期，相应的定时（延时）照明时间。在延时照明时间内，CD4060 的 3 脚因为始终输出低电平，造成 A1的 6 脚电压低于 5 脚电压，这样 7 脚电压输出高电平，从而二极管 VD5 截止。在这两路的共同作用下，路灯 L1 与 L2 处于通电发光的状态。在 24：00 左右，车流与人流稀少时，定时照明时间结束。CD4060 的 3 脚自动从低电平变为高电平，电压比较器 A1 的 6 脚电压高于 5 脚电压，这样 7 脚输出低电平，VD5 导通，它的导通使 N 点电位处于低电平，从而使VT 截止，VT 的截止导致 V0 与 VS 也关断，从而路灯熄灭。到凌晨（光线较弱时） ，CD4060的 3 脚又自动从高电平变为低电平，电压比较器 A1 的 6 脚电压低于 5 脚电压，7 脚电压变