1、 本科 毕业设计 基于单片机的路灯稳压控制系统的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II 摘 要 在现代工业的发展中，电力设备及电路的老化，各种问题导致电路不能正常工作，电力紧张已是社会普遍现象。而城市化的加快又需要更多 的照明路灯，据调查，城市公共照明在我国照明耗电中占 30的比例，约 439 亿 kWh，即便是北京、上海、广州这样的繁华都市也有用电量高低的差别。由于一般照明路灯电压总是在用电高峰低于额定值，用电低峰高于额定值，这将会造成路灯不能正常工作且浪费电力资源。所以研究路灯稳压控制系统就变得十分重要。 针对上述问题，设计了一
2、个以单片机为核心的路灯稳压控制系统。电网电压通过变压器降压后，经过桥式整流电路，再通过滤波之后实现 AC/DC 转换，将交流电转变为直流电。接着将获得的电压信号输入由 ADC0809 芯片控制的 A/D 转换电路 ，将模拟信号量转变为数字信号量，然后把所得的数字信号输入单片机 AT89C51。经过内部设定的程序运算处理之后，根据结果通过 74LS373 芯片来选择补偿稳压线圈组合。并将数据输入由 MOC3061 控制的可控硅触发电路，由此控制可控硅的开关状态，以实现对补偿线圈组合电路的通断，最后基本实现电路稳压。且在不能实现稳压时，便启动报警电路，提示工作人员关断电路。另外本设计需要再添加一个
3、降压整流滤波电路，以提供单片机的工作电压。 关键词 ：单片机；补偿式；无触点开关；稳压；晶闸管控制 Abstract III In the development of modern industry, various problems such as electrical equipment and circuit out of aging make electrical circuit cant work normally. These problems have become a social phenomenon. But the developing cities need more
4、 lighting lamps. According to the survey, the power of urban public lighting accounted for about 30 percent in our country.it is about 439 billion kWh. Even Beijing, Shanghai, Guangzhou such cities also has the difference in electricity .Because voltage is always different between the peak and botto
5、m in using electric. This will make street lamps can not work normally and will waste power. So the research of control system about it is very important. According to these problems, designing a control system about lamps based on SCM. This design takes SCM as control core for voltage control syste
6、m.It change alternating current to direct current by using a rectifier filter circuit.Then put the vampl into A/D circuit controled by ADC0809 chip.And then put the singnal into AT89C51 chip.After taking operations in the chip.then chose coils to achieve voltage compensation by using 74LS373 chip.An
7、d it can control silicon-controlled trigger circuit by using MOC3061 chip. So it could make sure that the voltage will keep within the scope of certain. If it cant achieve the purpose, tip workers will shut off the circuit when the alarm circuit works.In addition, this design need to add an other re
8、ctifier filter circuit, in order to provide the working voltage of MCU. Keywords: MCU; compensating;BCR;Constant voltage; Thyristor control IV 目录 前言 . 1 第 1 章 绪论 . 2 第 2 章 系统主电路及硬件的设计 . 5 2.1 设计思路 . 5 2.2 元件选择及介绍 . 5 2.3 电路设计 . 8 2.4 主电路结构 . 10 2.5 AC/DC 转换电路的设计 . 10 2.6 A/D 转换器 . 11 2.7 双向可控硅触发电路 .
9、 13 2.8 报警电路 . 13 2.9 本章小结 . 14 第 3 章 系 统的软件设计 . 15 3.1 稳压控制主程序设计 . 15 3.2 延时程序设计 . 15 3.3 数据采样程序的设计 . 16 3.4 数据处理与故障分析程序的设计 . 18 3.5 本章小结 . 20 小结 . 21 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 22 附录 1 系统程序 . 23 附录 2 系统电路图 . 28 1 前 言 本设计的目的是通过单片机控制无触点开关的通断来选择补偿线圈组合以实现对输出电压的稳压效果。旨在解决路灯电路由于高峰低峰用电量差别而引起的电路原件损坏，电路寿命减短而导致的
10、一系列后果。 针对当前城市路灯应用的要求，装置路灯稳压器之后的路灯系统无论在用电高峰还是用电低谷始终能使输出电压稳定在额定值范围内，而且 效率高，无波形畸变，电压调节平稳，适应负载广泛，能承受瞬时超载，可长期连续工作，设定过、欠压自动保护报警功能。 根据电力专家的测试，电网中经常发生并且 对电脑和精密仪器产生干扰或破坏的问题主要有以下几种：由于大型电气设备开关机时，电网由此而产生的高压电涌 ;由于雷击、电弧放电、静态放电等原因而产生的高压尖脉冲 ;电压有效值介于额定值的 80%到 85%之间，且持续好几个周期的低压状态。所以使用稳压器，对用电设备特别是对电压要求严格的精密设备来说是必不可少的。
11、 本设计可以缓解许多地方电力供应紧张的情况，减少城市路灯照明耗电量，提高用电效率，同时可以延长照明设备使用寿命。并且可以节省财政支出，将资金投入到其他领域，同时提高电路的寿命，增加电网使用的安全性，还可以减少电 荒地区的数量。单片机技术简介 2 第 1 章 绪论 不稳定的电压会使设备造成致命伤害或误动作，影响生产，造成财产损失、品质不稳定等多方面损失。同时加速设备的老化、影响使用寿命甚至烧毁配件，加重人们的负担且浪费资源；严重者甚至发生安全事故，造成不可估量的损失。随着时间流逝，我国许多地区的电路老化严重，电气设备的损坏情况也较突出，而随着城市化的快速发展，照明路灯需求量也越来越大，据调查，城
12、市公共照明在我国照明耗电中占 30的比例。在我国大多数大城市中，在晚上 9 点后的路灯用电量远小于 9 点之前，用电 量在 高峰期与低峰期差距甚大。而电路 在用电高峰期，电网超负荷运行，电网电压都低于额定值，在用电低谷期供电电压又高于额定值，这种情况不但影响照明设备的使用寿命，而且耗电量也大幅增加，电源电压若增加 20%，则耗电量增加 44%。当低谷时，照明设备又不能正常工作，再加上部分电路老化，极容易对电力设备造成难以预估的损害，不能保障电路正常运行，甚至会对人的生命安全造成威胁。这不仅在加大政府对此的财政支出，同时影响人们群众的日常生活。因而有必要针对上述问题开发出一种使用方便又节能的装置
13、，它具有自动检测路灯电网电压、自动稳压并输出额定电压和过欠压报警的功能。 稳压器，就是使输出电压稳定的设备。稳压器的工作原理大都相同，一般都是利用了相同的技术实现输出电压的稳定输出。电压通过连接到误差放大器反相输入端的分压电阻进行采样，误差放大器的同相输入端连接到一个参考电压 Vref。 参考电压由内部的参考源产生。 误差放大器总是使其两端输入相等。因此，它提供负载电流以保证输出电压稳定。稳压器由调压电路、控制电路、及伺服电机等组成。当输入电压或负载变化时，控制电路对电压数据进行取样、比较、放大，然后通过各种方式调节变压器线圈匝数比，将补偿电压加入电路，从而保持输出电压在一定范围 内能稳定，以
14、确保主电路能长时间稳定运行。这既可以延长电路寿命，还可以实现资源的合理配置，更可以降低事故发生率，保障人们日常生活的安全性。另外容量较大的稳压器，还采用电压补偿的原理工作。 集成稳压器又叫集成稳压电路，将不稳定的直流电压转换成稳定的直流电压的集成电路， 用分立元件组成的稳压电源，固有输出功率大，适应性较广的优点，但因体积大焊点多可靠性差而使其应用范围受到限制，近年来，集成稳压电源已得到广泛应用，其中小功率的稳压电源以三端式串联型稳压器应用最为普遍。 集成稳压器的分类：一般分为线性集成稳压器和开关 集成稳压器两类，线性集成稳压器又分为低压差集成稳压器和一般压差集成稳压器；开关集成稳压器分为降压型
15、集成稳压器、升压型集成稳压器和输入与输出极性相反集成稳压器。电路中常用的集成稳压器主要有 78XX 系列、 79XX 系列、可调集成稳压器、精密电压基准集成稳压器等。 由于市电供电压因各种原因而不稳定，特别是有些供电场所电压波动幅度很大，从而影响用电设备的正常工作，还可能造成用电设备损坏，而交流稳压器是一种能够使用电设备的工作电压基本稳定的稳压设备。交流稳压器种类固然很多，主回路工作原理有所不同，但基本上 (交流参数稳压 器例外 )基本都是输入开关取样电路 ,控制电路 ,电压调节装置，输出保护装置 ,驱动装置，显示器及及组成，具体组成一般如下： 1、输入开关：作为稳压器输入工作开关，一般都采用
16、有限流保护的空气开关式小型断路单片机技术简介 3 开关，它能对稳压器和用电设备起到保护作用。 2、电压调节装置：是一种可以调节输出电压的装置 ,它能将输出电压升高或降低是稳压器最主要的部件。 3、 采 样电路：它对 主电路的 输出电压和电流进行检测，将输出电压变化的情况给传送给控制电路。 4、驱动装置：由于控制电路的控制电信号较弱 ,所以需要用驱动装置来进行功率放大和转 换。 5、驱动保护装置：一种连通和断开稳压器的输出的装置，一般常用继电器或接触器或保险器等。 6、控制电路：它将取样的电路检测 信号 进行分析 ,当输出电压偏高时，则向驱动装置发送将电压降低的控制信号，则驱动装置将驱动电压调节
17、装置将输出电压调低，当输出电 压偏低时，则向驱动装置发送将电压升高的控制信号，则驱动装置将驱动电压调节装置将输出电压调高，而使输出电压稳定达到稳定输出的目的。 当检测到输出电压或电流超出稳压器的控制范围时。控制电路将控制输出保护装置使之断开输出而保护用电设备，而在正常时输出保护装置是连通输出 的，用电设备可以得到稳定的电压供给。 控制系统是指由控制主体、被控对象和控制媒体组成的具有本身实际功能的管理系统。 控制系统意味着通过它可以按照它所希望达到的结果通过改变机器、机构或其他设备内任何有关或可变化的量来实现。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象最终稳定
18、在某种需要的稳定状态。常用的方法便是检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。编程软件是针对于可编 程中控主机而开发的程序应用系统，所谓的可编程其实就是用类如 C 语言、汇编程序等工具对主机进行编程。用户可根据具体控制过程的需要而设定可编程中控主机的可实现的功能，如何控制外围设备。控制系统的构造必须包括正确的外部电路及硬件设施，还有便是内部软件程序。 基于单片机的路灯稳压控制系统，它将经过转化的电压信号由单片机进行处理后，通过其控制无触点开关（ BCR）调节变压器绕组组合，实现输出电压的稳定
19、，具有高效、节能、省财、调节快速、重量轻及体积小等特点。 单片机 全称单片微型计算机，主要用于控制系统中，具有嵌入式应用系统多 要求的体系结构，如微处理器、指令系统、总线模式、管理模式等。它 是指一个集成在一块 芯片 上的完整计算机 系统 ， 具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、 RAM、 ROM、定时器 /计数器和各种输入输出接口。 同时集成诸如通讯接口，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末，经历了 SCM、 MCU、 SOC 三大阶段。 SCM 即单片微型计算机（ Si
20、ngle Chip Microcomputer）阶段， 这一阶段 是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。 最终 “ 创新模式 ” 获得成功，奠定了 SCM 与通用计算机完全不同的发展道路。 MCU即微控制器（ Micro Controller Unit）阶段， 它的 主要的技术发展方向是： 在 不断扩展满足嵌入式应用 的同 时， 加强 其对象 系统 的智能化控制能力。 由于这一阶段主要的研究 领域都 和对象系统 有关 ，因此，发展 MCU 的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。 最后，由于单单片机技术简介 4 片机是嵌入式系统的独立发展之路，向 MCU 阶段发展的重要因素，就是寻求应
21、用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了 SOC 化趋势。 随着微电子技术、 IC 设计、 EDA 工具的发展，基于 SOC 的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机 、单片微控制器延伸到单片 机 应用系统。单片机比专用处理器更适合应用于 嵌入式系统 ， 对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统， 因此它得到了最多的应用。单片机是世界上 应用最多 的计算机。人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1-2 部单片机。 在现代生
22、活中， 单片机 在 我们生活的各个领 域 处处可见 ，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。因此，单片机的学习、开发与应用 必 将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 这是一个必然的历程。而且随着科技的发展，单片机技术将越来越精妙，由于其 体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点 ，必将取代现有的大部分电器。 现实生活中， 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域 。 在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。此外，单片机在 其他诸如 工 商，金融，科研、教育，
23、国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。 可以预见，未来的几十年器发展必将围绕于单片机为中心。 本章阐述了何为稳压器，并就稳压器的工作原理作了简要说明，同时阐述了研究路灯稳压器控制系统的必要性，并且介绍了单片机的定义以及单片机的大概发展情况和发展历史。最后再次重申了本设计对于城市发展道路中的重要意义。 5 第 2 章 系统主电路及硬件的设计 2.1 设计思路 本次设计选用以单片机为基础而不是 PLC 主要看重于单片机系统具有成本低，效益高的优点。而且单 片机程序擦除方便，控制简单，适合于这种大规模的改善工作。本设计将主电路电压信号通过变压器降压，再经过桥式整流滤波电路后，通过单片机 ADC08
24、09 芯片所控制的 A/D 转换电路，将模拟信号量转变为数字信号量，输入单片机 AT89C51 芯片的 P0 口，再由单片机进行内部程序的运算和处理，由此控制可控硅的开关状态以实现对补偿线圈组合的选择，从而实现输出电压的稳压效果。系统硬件框图如图 2.1 所示。 图 2-1 系统硬件框图 图 2.1 系统硬件框 图 如图所示，系统主要由 AC/DC 转换、 A/D 转换、单片机控制系统、可控硅触发电路、过欠压报警电路等组成。 2.2 元件选择及介绍 主控制 单片机采用 AT89C51 芯片。 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器
25、 。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1K 次。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 AT89C51 芯片可 与 MCS-51 兼容 ，而且 数据保留时间 长达 10年 。 全静态 状态 工作 频率为0Hz-24Hz。拥有 三级程序存储器锁定 以及 128*8 位内部 RAM32 和 可编程 I/O 线两个 ，外部有16 位定时器
26、/计数器 和 5 个中断源可编程串行通道 ，而且拥有 低功耗的闲置和掉电模式 ，是一块性能好，价格低廉且使用寿命高的好芯片，十分适合作为路灯稳压控制系统的主要控制系统。 UI P1.0 P2 AT89C51 P0 P1.1P1.3 锁 存 器 MOC 3061 可控硅调压控制 报警电路 A/D 转换 AC/DC 转换 74LS373 选择电路 6 AT89C51 芯片引脚图如下所示： 图 2.2 AT89C51 引脚图 AT89C51 芯片主要引脚功能： RST：复位引脚。当 RST 变为高电平并保持 2 个机器周期时，所有 I/O 引脚复位置“ 1”。 X1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工
27、作电路的输入。 X2：反向振荡放大器的输出。 P1.2 P1.7：内部提供上拉的双向 I/O 口，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流。 P1.0 和 P1.1：需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入和反向输入。 P3.0 P3.5 与 P3.7：带内部上拉的双向 I/0 引脚，具有第二功能。 P0： 作 为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能 作 用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行
28、校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P2： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写 “1” 时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器 进行存取时， P2 口输出地址的高八位。在给出地址 “1” 时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 此外 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0）
