1、 目 录摘 要 .IABSTRACT.II第 1 章 绪 论 .11.1 单片机的概念 .11.2 单片机的工作过程 .21.3 单片机的发展 .31.4 本文研究的内容及意义 .31.5 设计指标 .41.6 本课题的主要工作 .4第 2 章 路灯用电分配装置的硬件设计 .52.1 用电量的分配原理 .52.2 方案的选择与论证 .62.3 主控单片机芯片的选择和介绍 .72.3.1 AT89C52 的概述及功能特性 .82.3.2 时钟电路.112.3. 3 芯片擦除.122.3.4 复位电路.122. 4 路灯按钮电路的设计 .132.5 光耦合隔离电路 .142.6 执行分配的继电器电
2、路的设计 .152.7 数码管显示电路设计 .152.8 系统可靠性问题的设计 .162.8.1 长期运行需要考虑的安全性问题 .162.8.2 看门狗电路设计 .17第 3 章 软件设计 .193.1 主程序流程图及分析 .193.2 中断子程序流程图及分析 .203.2.1 定时器子程序流程图及分析 .203.2.2 外部中断子程序流程图及程序 .223.2.3 数码管显示子程序及分析 .243.3 总程序 .24第 4 章 抗干扰设计 .304.1 干扰产生的原因 .304.1.1 干扰源.304.1.2 干扰传输途径 .304.2 抗干扰设计 .31结 论 .33参考文献 .34致 谢
3、 .35附录 B 程序清单.36I摘 要随着住房制度改革的深入，越来越多的居民买了商品房，原来的单位住宅楼的公用路灯费用是由单位出资的，而商品住宅楼内的居民来自不同的单位，要不要安装路灯？安装路灯后费用如何解决？“住宅公用路灯用电量分配装置”是为了解决商品住宅楼内公用路灯的收缴费用问题。住宅小区的建设水平日益提高，需要规划设计合理、功能齐全、配套完善，而且环境优美，这样会深受城市居民的喜爱，其中住宅小区的路灯对小区作用尤其是夜间照明的作用越来越受到人们的重视。随之而来的问题是，原来单位住宅楼是由单位安装路灯并由单位负责缴费的，楼内居住的单位职工不用担心没路灯和收缴费用的问题；而商品楼内的住户来
4、自不同的单位，要不要安装路灯？装了路灯后费用如何收取？这就出现了所谓的路灯问题。此装置的设计包括系统硬件框图结构，部分主要功能模块（单片机芯片 AT89C52，复位及看门狗电路 MAX813L，继电器接口电路,数码管显示电路等组成）和单元电路，软件编程思想及设计中应考虑和解决的几个主要问题。系统以 AT89C52 单片机为核心，利用其指令来实现对住宅公用路灯用电量的自动分配.住宅公用路灯用电量分配装置具有低功耗；可靠性；安全性；低成本等特点。该设计解决了楼道路灯电费收缴的难题，有较好的实用价值。关键词：单片机；看门狗；继电器电路IIAbstractWith the developing of
5、the house system , more and more people have bought the commodity apartment, the cost of street lamp was pay by the unit in the past, but the people in the commodity are coming from different places. Do they need the street lamp and how to pay the cost for everyone ? “ the power consumption of publi
6、c street lamp of the house distributes the device “ can solve all of them . The design includes the systematic hardware block diagram structure, some main function module (the AT89C2051 microcomputer and watchdog timer MAX813L, relay interface circuit,etc.) and unit circuit, the software programming
7、 thought and the problems in the designning. The system takes AT89C2051 monolithic integrated circuit as a key, using its instruction to get the public street light electricity consumption of the houses automatic assignment. And with the illuminance examination system in the street light start butto
8、n electric circuit,it can act according to the environment brightness to control whether to use the street light. Assign the device to have low consumption in power consumption of public street lamp of the house; dependability; securities; safe, and low cost. Thus the problem of collecting stairway
9、lam electricity cost will be settled well.KeyWords: microcomputer；watchdog timer ； relay interface circuit2第 1 章 绪 论1.1 单片机的概念 单 片 微 型 计 算 机 简 称 单 片 机 ， 是 典 型 的 嵌 入 式 微 控 制 器 Microcontroller Unit） ， 常 用 英 文 字 母 的 缩 写 MCU 表 示 单 片 机 ， 它 最 早 是 被 用 在 工 业 控 制 领 域 。 单 片机 由 芯 片 内 仅 有 CPU 的 专 用 处 理 器 发 展 而
10、来 。 最 早 的 设 计 理 念 是 通 过 将 大 量 外 围 设 备和 CPU 集 成 在 一 个 芯 片 中 ， 使 计 算 机 系 统 更 小 ， 更 容 易 集 成 进 复 杂 的 而 对 体 积 要 求 严格 的 控 制 设 备 当 中 。 INTEL 的 Z80 是 最 早 按 照 这 种 思 想 设 计 出 的 处 理 器 ， 从 此 以 后 ，单 片 机 和 专 用 处 理 器 的 发 展 便 分 道 扬 镳 。 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲就是把中央处理器 CPU（Central Processin
11、g Unit）、存储器（Memory）、定时器、I/0（Input/Output）接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。虽然单片机只是一个芯片，但从组合和功能上看，它已具有微型计算机系统的含义。单片机把微型计算机的各主要部分集成在一块芯片上，大大缩短了系统内信号传送距离，从而提高了系统的可靠性及运行速度。因而在工业测控领域中，单片机系统是最理想的控制系统。所以，单片机是典型的嵌人式系统，是嵌入式系统低端应用的最佳选择 2。由于单片机的这种结构形
12、式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要有如下特点： （1）有优异的性能价格比。 （2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。 （3）控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O 口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。 （4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。 （5）外部总线增
13、加了 I C（Inter-Integrated Circuit）及 SPI（Serial Peripheral Interface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。 2（6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。 由此来看，单片机有着一般微处理器（CPU）芯片所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。然而单片机又不同于单板机（一种将微处理器芯片、存储器芯片、输入输出接口芯片安装在同一块印制电路板上的微型计算机），单片机芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果对它进行应用开发，它便是一个
14、小型的微型计算机控制系统，但它与单板机或个人电脑(PC 机)有着本质的区别 2。不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件(包含可支持开发应用程序的软件资源)及硬件资源。要利用某
15、型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。1.2 单片机的工作过程单 片 机 自 动 完 成 赋 予 它 的 任 务 的 过 程 ， 也 就 是 单 片 机 执 行 程 序 的 过 程 ， 即 一 条 条执 行 的 指 令 的 过 程 ， 所 谓 指 令 就 是 把 要 求 单 片 机 执 行 的 各 种 操 作 用 的 命 令 的 形 式 写 下来 ， 这 是 在 设 计 人 员 赋 予 它 的 指 令 系 统 所 决 定 的 ， 一 条 指 令 对 应 着 一 种 基 本 操 作 ； 单片 机 所 能 执 行 的 全 部 指 令 ， 就 是 该 单 片 机 的 指 令
16、 系 统 ， 不 同 种 类 的 单 片 机 ， 其 指 令 系统 亦 不 同 。 为 使 单 片 机 能 自 动 完 成 某 一 特 定 任 务 ， 必 须 把 要 解 决 的 问 题 编 成 一 系 列 指令 （ 这 些 指 令 必 须 是 选 定 单 片 机 能 识 别 和 执 行 的 指 令 ） ， 这 一 系 列 指 令 的 集 合 就 成 为程 序 ， 程 序 需 要 预 先 存 放 在 具 有 存 储 功 能 的 部 件 存 储 器 中 。 存 储 器 由 许 多 存 储单 元 （ 最 小 的 存 储 单 位 ） 组 成 ， 就 像 大 楼 房 有 许 多 房 间 组 成 一 样
17、 ， 指 令 就 存 放 在 这 些单 元 里 ， 单 元 里 的 指 令 取 出 并 执 行 就 像 大 楼 房 的 每 个 房 间 的 被 分 配 到 了 唯 一 一 个 房 间号 一 样 ， 每 一 个 存 储 单 元 也 必 须 被 分 配 到 唯 一 的 地 址 号 ， 该 地 址 号 称 为 存 储 单 元 的 地址 ， 这 样 只 要 知 道 了 存 储 单 元 的 地 址 ， 就 可 以 找 到 这 个 存 储 单 元 ， 其 中 存 储 的 指 令 就可 以 被 取 出 ， 然 后 再 被 执 行 。 程 序 通 常 是 顺 序 执 行 的 ， 所 以 程 序 中 的 指 令
18、 也 是 一 条 条 顺 序 存 放 的 ， 单 片 机在 执 行 程 序 时 要 能 把 这 些 指 令 一 条 条 取 出 并 加 以 执 行 ， 必 须 有 一 个 部 件 能 追 踪 指 令 所在 的 地 址 ， 这 一 部 件 就 是 程 序 计 数 器 PC（ 包 含 在 CPU 中 ） ， 在 开 始 执 行 程 序 时 ， 给2PC 赋 以 程 序 中 第 一 条 指 令 所 在 的 地 址 ， 然 后 取 得 每 一 条 要 执 行 的 命 令 ， PC 在 中 的 内容 就 会 自 动 增 加 ， 增 加 量 由 本 条 指 令 长 度 决 定 ， 可 能 是 1、 2 或
19、 3， 以 指 向 下 一 条 指令 的 起 始 地 址 ， 保 证 指 令 顺 序 执 行 。 1.3 单片机的发展1946 年第一台电子计算机诞生至今，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管晶体管集成电路大规模集成电路，使得计算机体积更小，功能更强。特别是近 20 年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和航空航天领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志。20 世纪 70 午代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把
20、CPU、RAM 有的还包括了一些简单的 I/O 口集成到芯片上.到了 80 年代初，单片机已发展到了高性能阶段，在 MCS-48 探索成功的基础上很快推出了完善的、典型的单片机系列 MCS-5l。MCS-51 系列单片机的推出，标志 Single Chip Microcomputer 体系结构的完善。虽然它仍是 8 位的单片机，但是其功能却有很大的增强。不但拥有完善的总线结构（8 位数据总线、16 位地址总线及相应的控制总线，通信总线，扩展总线）还有完善的指令系统 1。8 位单片机之后，16 位单片机也有很大的发展，如1983 年 Intel 公司推出的 MCS96 单片机，将一些用于测控系统
21、的模数转换器(ADC)、程序运行监视器(WDT)、脉宽调制器(PWM)、高速 I/O 口纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。90 年代的至今, 单片机呈现全面发展的阶段。单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具，小到玩具、家电行业，大到车载、舰船电子系统，遍及计量测试、工业过程控制、机械电子、金融电子、商用电子、办公自动化、工业机器人、军事和航空航天等众多领域。为满足不同的要求，出现了高速、大寻址范围、强运算能力和多机通信能力的 16 位、32 位、64 位通用型单片机，小型廉价型、外围系统集成的专用型单片机，以及形形色色各具特色的现代单片机 6。1.4 本文研究的内容及意义本文主
22、要研究的是住宅小区中公用路灯用电量的分配装置。随着人民生活水平的提高和住房制度改革的深入，越来越多的居民买了商品房，住进了商品住宅楼。住宅小区的建设水平也在日益提高，不仅规划设计合理、功能齐全、配套完善，而且环境优美，深受城市居民的喜爱，其中住宅小区的路灯对小区作用尤其是夜间照明的作用越来越受到人们的重视。随之而来的问题是，原来单位住宅楼是由单位安装路灯并由单位负责缴2费的，楼内居住的单位职工不用担心没路灯和收缴费用的问题；而商品楼内的住户来自不同的单位，要不要安装路灯？装了路灯后费用如何收取？这就出现了所谓的路灯问题。为什么呢？因为首先安装路灯不便利，其次安装路灯后费用收缴不方便。很多城市已
23、经普及了 1 户 1 表，小区的路灯用电从哪里来？对于以上的问题，目前往往采用 2 个办法解决：其一是为每个楼道路灯接一电表，但次方法需要根据电表度数人工分摊，有人上门挨户定期收费，十分不方便；另外一是把楼道路灯接入楼到内某住户电表，大概估算后由各住户协商出资，但此方法容易引起纠纷。鉴于以上情况,楼道路灯问题正日益成为住房商品化后的一大难题。住宅公用路灯用电量分配装置正是为了彻底解决楼道路灯的费用分担问题而设计的。采用该装置后，楼道路灯的电费能自动分摊到住户各自的电表内，解决了住户的后顾之忧，给生活带来了便利 3。1.5 设计指标设计住宅小区公用路灯用电量分配装置的技术指标如下:1系统采用单片
24、机作为控制器；2装置能够解决电费自动分摊到住户各自电表中；3. 根据环境照度控制是否需要路灯；4. 要求系统在死机状态下能自动复位,恢复正常工作。1.6 本课题的主要工作详细分析课题任务，对单片机在用电量分配原理应用这方面进行深入的研究，结合所学的知识根据课题任务设计出实现公用路灯的硬件原理图和软件，达到设计的要求。全文将分为四章。第一章绪论，先简要介绍单片机的概况及住宅公用路灯分配装置的现状，再介绍本文的主要工作。第二章硬件设计部分，主要介绍了系统硬件设计的基本结构和各部分器件的说明。第三章软件设计，分为 2 个部分，一部分是分析流程，一部分是软件编程。第四章是抗干扰设计，介绍了采用硬件和软
25、件结合的方式尽可能降低干扰。最后是结论、参考文献、致谢及目录。2第 2 章 路灯用电分配装置的硬件设计2.1 用电量的分配原理住宅公用路灯用电量分配装置主要解决电费自动分摊问题,下面讨论电费分配原理。 众所周知，电费是按照用电度数每度单位电费计算的。因此，在某种意义上说，电费即用电量（度数） ，而用电量即电能=功率小时（即时间） ，所以在电器功率一定的前提下，电费的分配就是时间的分配问题，也就是说，每户承担一定时间的路灯供电任务。住宅公用路灯用电量分配装置的电费分配就是用电量的分配，其原理图如图 2.1 所示。只要分时依次控制开关 S1、S2 Sn 接通，即可实现所有的路灯用电量的分摊。这里关
26、键是各开关的控制问题，要求每次上个开关断开后，下个开关接通，并在任何时刻只允许有一个开关处于接通状态.假设电费用 F 表示，电价用 J 表示，用电度用 W 表示，路灯功率用 P 表示（KW） ，点灯总时间用 t 表示（h） ，则各物理量之间的关系为：F=WJ，W=Pt如果有 n 住户分摊电费，则每户所承担的电费F1=F/n=WJ/n=PtJ/n=P（t/n）J 3电表2电表n电表1路灯 1路灯 nS1Sn各开关依次分时闭合相线 零线 表 1 用户侧用电量分配装置零线图 2.1 用电量分配原理图22.2 方案的选择与论证方案一：采用单片机为主的设计方案。该方案主要由四部分构成：；一是单片机AT8
27、9C52 系统，这是整个系统的核心部分，用户轮流承担路灯点亮的任务由单片机的指令来实现完成。二是继电器接口电路，电量通过此电路平均分摊到各用户电表中。三是看门狗电路，它作用是使单片机进入复位状态，使之从故障中解脱出来 8。四是数码管显示电路。它作用是使每个用户轮流供电时间显示出来。系统原理框图如下图 2.2图 2.2 方案一的原理框图方案二:采用 PLC 为主要控制器的设计方案,原理图如下图 2.3 所示。以 PLC 控制器为主,辅以光电传感器,放大器,A/D 转换器组成,整个电路工作原理是:由光电传感器检测光线亮度从而决定是否使用路灯,亮度模拟信号经放大器放大和 A/D 转换成数字信号传给 PLC,最后由 PLC 将用电量平均分配到用户电表 15。按照用电量分配原理和分配装置的用途，在设计系统方案时至少要考虑以下一些因素:图 2.3 方案二的原理框图光线 光电传感器 A/D 转换器 PLC 电表路灯放大器
