1、第 1 页本科毕业论文（20 届）基于单片机的 LED 节能灯设计所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期第 2 页基于单片机的 LED 节能灯设计目 录前言 .3第一章 绪论 .4第 1.1 节 课题背景 .4第 1.2 节 国内外现状 .4第 1.3 节 任务与目标 .4第 1.4 节 基本要求 .5第 1.5 节 本文所做的工作 .5第二章 系统分析 .6第 2.1 节 系统框图设计 .6第 2.2 节 系统性能指标 .6第 2.3 节 系统设计 .6第 2.4 节 时钟模块 .7第 2.5 节 信号采集模块 .8第 2.6 节 显示、按键模块 .9第 2.7 节 路灯控制
2、模块 .9第 2.8 节 声光报警模块 .10第 2.9 节 电源模块 .10第 2.10 节 恒流源模块 .10第三章 软件设计 .15第 3.1 节 软件流程图 .15第 3.2 节 按键模块 .15第 3.3 节 灯光模块 .16第 3.3 节 时钟模块 .16第 3.4 节 显示模块 .17第四章 系统测试 .18第 4.1 节 检查硬件连接 .18第 4.2 节 硬件优化 .18第 4.3 节 系统调试 .18结论 .20参考文献 .21致谢 .22附录 .23附录 1 系统原理图 .23附录 2 程序清单 .24第 3 页摘要 本文的设计是用 ATMEGA16L 单片机为核心,使用
3、 DS1302 时钟芯片来实现时钟功能，可以设定当前时间与开、关灯时间。ATMEGA16L 是一种性能高，功耗低的 8 位 AVR 微处理器，它是一种集成电路（IC），嵌入式微控制器，芯体尺寸为 8 位，速度可达到8MHZ，它外部不需要单独的 A/D 转换器，这对系统来说，可以节省成本。它还可以提供JTAG 调试接口，方便进行仿真调试。使用了光敏电阻，它使得设计可以感应环境光线强度变化，达到自动开灯和关灯的目的，以实现节能的目标。系统采用了时钟芯片DS1302，它可以对从秒到年的时间进行计时，并且这种芯片具有闰年补偿等功能，功耗很低，功率小于 1mW。它可以使电路功耗降低，节省 IO 口资源。
4、根据光敏电阻在不同光强下阻值发生变化的特点，使用光敏电阻检测周围的亮度，也就是光强的变化，通过单片机内部的分压电路，AD 电阻的阻值变化，来实现传递信号。设计使用了对射式光电传感器来检测周围人或车辆的运动，这种传感器能够十分敏感地感应人或车辆的运动，从而反馈数据，实现对路灯的自动控制，当有车辆或者人通过该灯时，系统发出强的光线；当人走远后，系统自动转到“微弱的光线”模式以等待人的通过，以达到节能的目的。单片机还能采集路灯电路采样点的电压处理后的数据，当路灯出现故障的时候，会有报警。关键词：ATMEGA16L 功耗 节能 光电传感器 光敏电阻第 4 页AbstractThis article i
5、s designed to use ATMEGA16L microcontroller core, using the DS1302 clock chip to achieve clock function, you can set the current time and set the lights on and off time. ATMEGA16L is a high performance, low-power 8-bit AVR microcontroller, which is an integrated circuit (IC), an embedded microcontro
6、ller core size is 8, the speed can reach 8MHZ, it does not require a separate external the a / D converter, which systems, can save costs. It can also provide JTAG debug interface, to facilitate simulation debugging. Use the photoresistor, which makes the design senses the ambient light intensity to
7、 achieve the purpose of automatic lights on and off , in order to achieve the goal of energy conservation. The system uses a clock chip DS1302, which can be from seconds to years time to time, and this chip has leap year compensation function, low power consumption, power is less than 1mW. It allows
8、 the circuit to reduce power consumption and save IO port resources.The photosensitive resistance to change in different light intensity resistance characteristics, the use photoresistor detects ambient brightness, which is the light intensity changes, through the microcontroller internal voltage di
9、vider resistors resistance change AD to achieve transmit signals. Design uses a motion-beam photoelectric sensors to detect people or vehicles around, this sensor can be sensitive to the movement of people or vehicles induction, so feedback data to achieve automatic control of the street, when a veh
10、icle or person by the lamp , the system sends a strong light; when people go away, the system will automatically go to the “faint light“ mode to wait for people through, in order to achieve energy savings. SCM can also collect data street circuit voltage sampling points after treatment, when the str
11、eet when a failure occurs, there will be an alarm.Keywords: ATMEGA16L power saving photoelectric sensor photoresistor第 5 页前言随着科学技术的不断发展以及人类文明的不断进步，人们变得越来越关注我们赖以生存的生活环境，对生活环境的要求越来越高。各个国家都在采取积极有效的措施来治理环境污染，减少垃圾排放。现阶段，能源问题是我们最重要的任务之一，要从根本上解决资源与能源短缺的问题，除了寻找新能源外，节约能源，提高利用率也是目前最好的措施之一。节能减排是我国当前国民经济最重要的议题之
12、一，世界上的任何发达国家也不能在经济的快速发展中无视这个现实问题，“既要发展经济，又要节约能源，减少污染”这是所有的国家不约而同所达成的共识。从全球范围看，“淘汰白炽灯、推广节能灯”是现阶段我们节能减排的重要措施之一。我国正在实施的绿色照明工程，其中推广的高效照明产品和技术，使用节能灯给予补贴，淘汰低能效照明产品的相关措施，为淘汰白炽灯、推广使用节能灯奠定了良好基础。近年来，尽管各种家电产品早已走入寻常百姓家，但在农村地区，在普通灯具中白炽灯仍然是主要的照明灯具，所以提倡与推广节能灯，开发农村节能新市场是一个节约能源的很好的办法。近年来,随着人们节约能源保护环境意识的增强以及国家政策的大力鼓励
13、和扶持,节能灯的生产和使用量正在日益增加。但是,由于废旧的节能灯没有得到妥善的处置,导致了一系列的节能灯污染的后续问题。此外,我国现在节能灯的回收利用率也很低、国家并没有出台配套政策来回收废旧节能灯，无回收体系、处置费用高等一系列问题成为了阻碍节能灯回收的重要障碍，并且对环境产生了很大的污染。节能灯具有节电效果明显,工作电压范围宽，无噪声,无频闪效应,使用寿命长,等特点而日益受到人们的欢迎。但现在节能灯市场很大，各种产品良莠不齐,为了选择合适我们需要，符合现在社会要求的节能灯，需要我们在了解节能灯的结构、性能、各项参数等基本情况的基础上精心挑选。本文是对节能路灯系统的设计，推广这种路灯，可以达
14、到自动控制路灯的开关、明暗的功能，避免了不必要情况对电能的浪费，实现了自动控制节能环保的功能。第 6 页第一章 绪论第 1.1 节 课题背景随着科技的飞速发展，尤其是数字电子技术的不断进步，用数字电路技术实现灯的只能开关、节约能源、延长灯的使用寿命已经变得迫在眉睫，而且这与我们的生活息息相关。光控电路、声控等自动控制的产品已逐渐成为人们日常生活中的主流产品，它使我们的生活越来越方便，它不需要开关，当有人或物体经过的时候会自动分辨，自动开关，广泛应用与走廊、街道等公共场所，因此得到了广泛应用。作为一种新型的绿色照明产品,LED 节能灯同时具有节能、环保、使用寿命长等多种优点,体现了可持续发展的科
15、学理念,将其引入现代照明领域的意义重大。节能灯产品开发与推广的关键是提高发光效率,提高产品质量,降低成本,大力推广使用节能灯是“中国绿色照明工程”和实施可持续发展战略的重要任务。面对电力供应趋紧的实际,作为缓解供需矛盾的措施之一,提出了节能灯与声控灯合理使用的节电方案.分析了节能灯与声控灯最优配置的影响因素,利用粗糙集理论给出了各影响因素权重的确定方法,为实现绿色照明“提供了新的思路。第 1.2 节 国内外现状自从工业革命以后，人类在这两百年时间里，已经将地球数亿年来储存的的各种化石能源，石油、煤炭、天然气等能源消耗了大半。化石能源的再生需要经过上万年，所以对现在的人类来说太漫长了，因此可以算
16、不可再生能源，如果继续下去化石能源被用完是迟早的事情。世界在不断地发展，人口爆炸性增长，对能源的需求越来越大，因此开发新能源，节约能源，延缓化石能源的消耗，已经成为世界各国的共识。第 1.3 节 任务与目标设计一套自动控制路灯系统。图 1.3.1 是路灯控制系统示意图，图 1.3.2 是路灯布置图 输 入 、 显 示装 置支 路 控 制 器 单 元 控 制 器 1单 元 控 制 器 2LED灯 1 LED灯 2第 7 页图 1.3.1 路灯控制系统示意图L E D 灯 1L E D 灯 24 02 04 0SABCS 4 04 04 0M定位点图 1.3.2 路灯布置示意图第 1.4 节 基本
17、要求（1）支路控制器要能够控制开灯与关灯的时间以及显示当前时间，以便控制整条街的开灯与关灯时间，达到自动控制的目的。（2）支路控制器要能感应光线的明暗变化，自动控制开关灯，以达到节能的目的。（3）支路控制器要能够根据道路上的情况，自动调整灯的明暗程度，当有物体 M 从左往右到达 S 点时候，灯 1 亮，当物体 M 到 B 点的时候，灯 1 灭，灯 2 亮。若物体 M从右往左，则 2 先亮，1 后亮，与刚才的次序相反。（4）支路控制器实现对每一个路灯的单独控制，独立控制每一个路灯的开、关灯。（5）当系统出现故障的时候，要发出报警信号，以便及时发现问题，进行维修。第 1.5 节 本文所做的工作设计
18、一个模拟路灯（LED 节能灯），以达到自动控制灯的开关，亮度，节能的目的。设计使用的 LED 节能灯，采用 ATMEGA16L 单片机作为主控芯片，使用对射式手法的光电传感器采集人或车辆经过所产生的信号，由之路控制器对信号进行处理，来实现对路灯开关的控制，以达到自动控制，节能的要求。支路控制器的时钟，采用了时钟芯片DS1302，这个芯片功耗低，可以对从秒到年的时间进行计时，并且节省 IO 端口，可以自行设置开灯与关灯的时间，这可以节约很多电能。本设计使用了光敏电阻来感应外部光强的变化，通过分压电阻来实现信号的传递，系统采集到信号后，经过 ATMEGA16L 单片机处理，控制 LED 灯的开关与
19、亮度。路灯不亮，出现问题时，系统会采集到电压的变化，反馈给单片机，单片机控制报警灯亮，实现报警系统进行报警处理。设计过程中，选择能耗低的元器件，设计合理的各个单元电路，达到节能与自动控制的要求。第 8 页第二章 系统分析第 2.1 节 系统框图设计本元件使用 ATMEGA16L 作为核心。图 1 是整个系统硬件框图：按键显示L E D 报警A T M E G A L 1 6 L信号采集模块路灯控制模块图 2.1.1 系统框图第 2.2 节 系统性能指标1、传感器能够检测到运动的物体或人的最大误差为 1cm2、光敏电阻的阻值，在一般情况下为 2000，光照强烈或黑暗时候，电阻为 2K 到200
20、之间，光照越强电阻越小。路灯电路正常工作时采样点的电压是 3V，在故障开路时电压为 0V。第 2.3 节 系统设计本 LED 节能路灯系统的核心部分就是支路控制系统，该系统采用了 ATMEGA16L 单片机作为主控制芯片来实现对路灯明暗的控制。ATMEGA16L 是一种性能高，功耗低的8 位 AVR 微处理器，踏实一种集成电路（IC），嵌入式微控制器，核心处理器为 AVR，芯体尺寸为 8 位，速度可达到 8MHZ，它外部不需要单独的 A/D 转换器，这对系统来说，可以节省成本。它还可以提供 JTAG 调试接口，方便进行仿真调试。系统采用了时钟芯片DS1302，DS1302 的在实时显示时间中的
21、应用。它可以对从秒到年的时间进行计时，并且这种芯片具有闰年补偿等功能，功耗很低，功率小于 1mW。它可以使电路功耗降低，节省 IO 口资源。第 9 页12345678910J112345678910J212345678910J312345678910J4VCC VCCVCCVCCRXDTXDINT1INT0PD4PD5PD6PD7 SCLSDATCKTMSTDOTDIPC6PC7R110KS1C110uFVCCR21KRESETC222P C322P8MX1 X2D0D1D2D3D4MOSIMISOSCKPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA71 23 45 67 89 10Y4VCC
22、RESETMOSIMISOSCKC40.1uFVCC12J6 VCCMOSIMISOSCKAGND28 X1 8X2 7RESET 4PD2 (INT0) 11PD3 (INT1) 12PD4 (OC1B) 13PD5 (OC1A) 14PB0 (T0) 40PB1 (T1) 41PB2 (AIN0) 42PB3 (AIN1) 43PB4 (SS) 44PB5 (MOSI) 1PB6 (MISO) 2PB7 (SCK) 3(ADC0) PA037 (ADC1) PA136(ADC2) PA235 (ADC3) PA334(ADC4) PA433 (ADC5) PA532(ADC6) PA631
23、 (ADC7) PA730(SCL)PC019 (SDA)PC120(TCK)PC221 (TMS)PC322(TDO)PC423 (TDI)PC524(TOSC1) PC625 (TOSC2) PC726 PD7 (OC2) 16PD6 (ICP) 15AVCC27AREF29PD1 (TXD) 10PD0 (RXD)9GND39VCC38GND6GND18VCC5VCC17IC1ATMEGA16_TQFP44VCCRESETTMSTDOTDIX1X2PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7D0D1D2D3D4SCLSDATCKPC6PC7VCCVCCRXDTXDINT0INT1PD
24、4PD5PD6PD7图 2.3.1 最小系统第 2.4 节 时钟模块为了实现定时开关路灯，并且精确计时的时钟功能，本设计使用了穿行的时钟芯片DS1302，DS1302 是现在十分流行的一种串行时钟电路，如图 2.4.2 所示，它由美国DALLAS 公司研发的，可以对从秒到年的时间进行计时，并且具有闰年补偿功能，其工作电压在是 2.5-5.5V 之间。采用三线接口与 CPU 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM 数据。DS1302 的引脚排列,其中 Vcc2 为主电源，VCC1为后备电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302 由 Vcc1 或V
25、cc2 两者中的较大者供电。当 Vcc2 大于 Vcc1+0.2V 时，Vcc2 给 DS1302 供电。当 Vcc2小于 Vcc1 时，DS1302 由 Vcc1 供电。X1 和 X2 是振荡源，外接 32.768kHz 晶振。RST 是复位/ 片选线，通过把 RST 输入驱动置高电平来启动所有的 数据传送。RST 输入有两种功能：首先，RST 接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入 移位寄存器；其次，RST 提供终止单字节或多字节数据传送的方法。当 RST 为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对 DS1302 进行操作。如果在传送过程中 RST 置为低电平，则会终止此次 数据传送，I/O
26、 引脚变为高阻态。上电运行时，在 Vcc2.0V 之前，RST 必须保持低电平。只有在SCLK 为低电平时，才能将 RST 置为高电平。I/O 为串行数据输入输出端(双向)，SCLK第 10 页为时钟输入端.DS1302 与 ATMEAG16L 单片机之间能通过简单的同步串行方式进行通信，只需用到三根口线：（1）RES（复位），（2）I/O（数据线），（3）SCLK（串行时钟）。DS1302 时钟的精度不高，并且容易受到环境的影响，出现时间混乱等问题。DS1302可以用来记录数据，特别是对某些特定的数据点的记录，能对数据与出现该数据的时间同时进行。这种记录对一些需要运作很长时间的并且要经常测控
27、系统的结果分析，以及对一些出现异常情况时的数据分析，查找原因有重要意义。一般的记录市局是定时或隔时采样，不会记录具体的时间，所以，只能记录数据无法记录时间，如果用单片机计时，还要采用计数器，这会占用很大的硬件资源，另一方面，需要设置中断、查询等功能，这也要小号单片机的硬件资源，在很多系统中，这是不允许的。所以，在本系统中，采用 DS1302，可以很好的解决这个问题，而且 DS1302 能耗低，功率小，占用 IO 少。C222PC322P32768HzVCC VCC1X12X23GND4 RST 5IO 6SCLK 7VCC 8U7DS1302BT13.6VMOSISCKPC7图 2.4.1 时钟电路图 2.4.2 DS1302 封装图第 2.5 节 信号采集模块信号采集模块包括人或车检测模块和环境亮度检测模块，两者功能如下：人或车检测模块：此模块通多对人或车辆运动的检测，通过感应位移的变化，来控制路灯的明暗，采用了探测距离远、灵敏度高的反射式光电传感器，这种传感器感应到人或车辆靠近时，会给系统一个信号，系统会对此作出灯变亮或变暗的反应。当靠近时灯变亮，远离时灯变暗。环境亮度检测模块：则个模块用来检测周围光照强度的改变，通过对光照强度的检
