校园路灯智能控制系统的设计与实现.docx

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校园路灯智能控制系统的设计与实现

学号：

毕业设计

题目校园路灯智能控制系统的设计与实现

学生姓名

专业班级电气工程及其自动化1142班

学号

系（部）电气信息工程学院

指导教师（职称）

完成时间

论文版权使用授权书

本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：

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论文作者签名：

年月日

毕业设计（论文）原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。

对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：

年月日

毕业设计（论文）任务书

题目校园路灯智能控制系统的设计与实现

专业电气工程及其自动化学号

姓名

主要内容与相关技术：

1校园路灯智能控制系统的背景、意义与目的；

2利用AT89C51或其他单片机搭建智能控制系统；

3使用C语言搭建软件控制系统；

4路灯智能控制系统模型的验证以及调试；

基本要求

1控制系统能够根据外界光自动控制灯的开关；

2路灯分3种模式控制：

（1）模拟林荫小道，此路段天黑后，若有人经过，立即亮，人走后延迟10s后灭。

（2）模拟重要路段，此路段的路灯常亮，天黑后亮，天明后灭。

（3）模拟人少路段，此路段的路灯天黑启动，到半夜12点后灭。

主要参考文献：

[1]杨梅,李文强.新型智能路灯照明调控系统[J].上海计量测试,2011,03:

62-66+70.

[2]刘新宇,徐海潮,初秀民等.道路照明智能控制系统的设计与实现[J].武汉理工大学学报,2011,10:

69-72.

[3]叶宏.智能路灯控制系统的设计[J].城市建设理论研究（电子版）,2013,（15）.

[4]朱平哲.基于AT89C52的LED智能路灯控制系统设计[J].宁波职业技术学院学报,2014,01:

87-90.

完成期限：

指导教师签名：

专业负责人签名：

2015年月日

校园路灯智能控制系统的设计与实现

摘要

随着能源危机的问题逐渐突出和国家对节能减排的大力支持，路灯作为一项大众性的基础设施也逐步被纳入到节能改造当中，所以路灯的智能化也被提上了日程。

本设计是采用以51单片机为控制中心，以光敏电阻、人体红外传感器、运算放大器和继电器为感受与检测装置的智能路灯设计，利用光敏电阻与红外传感器采集信息来控制灯的明暗变化，同时模拟三种路况的场景对其分别控制，避免了统一控制的不灵活性和能源的浪费，单片机再根据接收到的信号做出相应的指示信号。

本文将先介绍单片机最小系统以及输入输出端口器件和各自的作用，再说明各个系统的作用以及如何反应，仿真情况，然后介绍根据C语言的指令各部件系统的工作情况，最后说明调试结果。

本系统作用对象是校园，由于校园地域的局限性，所以更应该适合小区域管理，多区域配合工作的形式以达到节能，经济的目的。

所以本系统的功能主要有三个方面：

对于行人较多的路段，采用的是天黑则亮，天亮则灭；对于行人较少的路段，采用的是天黑则亮，到12点时则灭；在林荫小道及人很少的路段采用的是判断人是否有人经过，人来即亮，人走延时10秒即灭。

三种方式分别控制，以达到分区域管理，高效率的工作特点。

关键字51单片机；智能路灯；光敏电阻；C语言

DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFCAMPUS

STREETLAMP INTELLIGENT

CONTROLSYSYTEM

ABSTRACT

Theenergycrisisbecomesmoreandmoreobviousandthestatewiththestrongsupportofenergy-savingemissionreduction,streetlamps,asapublicinfrastructureisgraduallybeingincorporatedintotheenergysaving,sotheintelligentstreetlamphasalsobeenputontheagenda. Thisdesignisusedwith51singlechipmicrocomputerasthecontrolcenter,photosensitiveresistance,humaninfraredsensor,anoperationalamplifierandarelayfeelingsanddetectiondeviceofintelligentstreetlampdesign,theuseofphotosensitiveresistanceandinfraredsensorstocollectinformationtocontrolthelightandshadechange.Atthesametime,thesimulationthreetrafficscenetocontrolandavoidtheunifiedcontrolofinflexibilityandenergywastemicrocontrollerandaccordingtothereceivedsignalmakecorrespondingindicationsignal. Thisarticlewillfirstintroducetheminimumsystemoftheonechipcomputerandinputandoutputportsofthedeviceandtherespectiverole,toexplaintheroleofeachsystemandreaction,simulation,thenintroducestheaccordingtotheClanguageinstructionsystemofeachpart.Finally,itexplainsthedebuggingresults.

Theobjectofthissystemisthecampus,becauseofthelimitationsofthecampus,itshouldbesuitableforsmallareamanagement,multiregionalcooperationintheformofenergysaving,economicpurpose. Sothefunctionofthesystemmainlyhasthreeaspects:

forthemorepedestrianroad.whenitisdark,thenlightisbright,thedawnofdestruction;forlesspedestrianroad. whenitisdark thenlightisbright,,until12o'clockisdestroyed,whensomeonepassedisbright,peoplewalkdelay10sofdestruction;adoptedthesectionsintheshadowsoftheforesttrails,andveryfewpeoplejudgewhethersomeonepassesby,peopletolight,peopletakethedelay10secondsisdestroyed. Threewayswereseparatelycontrolledinordertoachievethepartitiondomainmanagement,theworkfeaturesofthehighefficiency.

KEYWORDS51MCU,intelligentstreetlight,photoresistor,C language

1绪论

1.1校园路灯智能控制系统研究的背景及意义

随着我国现代化的脚步加快，越来越多的高新科技随之诞生，另一方面，能源问题却一直困扰着我们，而国际上对于能源危机的警报一直都没有消除，所以唯有在实现高科技的同时兼顾节能才是维持可持续发展的正确选择。

而随着电子科技的迅猛发展，依托于电子科技控制各方面的产品也应运而生，已经应用于实际生活当中，比如全自动洗衣机，全自动烘焙机，智能电磁炉等等，他们虽然都只是作用于各个方面，但是都有一个共同的特点，就像人类的身体，统一都由大脑控制活动，它们也都一样，内部的控制都是利用单片机为中央控制中心，在以单片机为控制中心的周围是受控器件，比如洗衣机就是电动机，烘焙机是电热丝等，它们与普通的机械相比拥有智能，实用、安全、更加方便节能的特点。

因此，在这种大的有利于电子器件更新发展的背景下，以及有限的人均资源的情况下，在校园路灯广为诟病的今天，是时候采取一些必要的措施来改变这种现状了。

众所周知，校园是一个人口密集，校园路灯必不可少，但是学校资源有限，并且在原始的路灯安装条件下，路灯造成极大的资源和经济浪费，现有的校园路灯大都是采用两种方式，据了解与调查，第一种是以人工的方式进行断开与闭合；第二种方式是以光控方式进行控制，这种方式占到绝大多数。

但是第一种方式存在太大的人为因素，或不能及时关断，或不能及时开启，极其不灵活，而且安全性不高，容易造成事故。

第二种方式虽然不用人为参与，但也较不灵活，首先对于林荫小道，夜晚基本没人经过的路段，一整夜的灯白白的亮着，造成了极大的资源浪费。

所以改进路灯的控制系统，实现智能化控制很有必要被提上日程，亟待解决。

对校园路灯的智能控制，国内外已经开始采用，但对校园路灯的控制，尤其是我国校园路灯的智能控制尤为缺乏和不完善，依然是传统式的人工管理。

各类大、中专院校不断扩招，校园的用电负荷不断加大，校园用电管理不善，造成学校电能浪费，经济损失，这种的浪费与当今的节约能源理念相违背。

再者，现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，灯光的管理也在朝着自动化、智能化方向发展。

例如搂道灯光的自动控制等等。

所有这些使得校园路灯控制也应该朝着智能的方向发展。

所以说，开发简便，实用的校园路灯自动控制系统便具有重要的现实意义。

我国政府极其重视节约和节能。

1997年11月1日我国颁布了《中华人民共和国节约能源法》，节能已经是法律上的规定，节能减排是我国重要国策之一。

北京2008年奥运场馆建设，在“科技奥运，人文奥运，绿色奥运”三大理念的基础上，又提出“勤俭办奥运”的方针，充分体现政府节能，节约的决心！

国家发改委提出了“电机系统节能工程”、“建筑节能工程”、“绿色照明工程”等十大重点节能工程，通过这十大工程，“十一五”期间将实现节约2.4亿吨标准煤的目标。

2006年1月将实行国家建设部颁布的“民用建筑节能管理规定”，2005年7月1日开始实施的“公共建筑节能设计标准”GB50189—2005要求全年的总能耗（采暖，通风，空气调节和照明）减少50%。

广大电气技术工作者只有认认真真研究节约电能的理论和技术，开发出优良的节电产品并应用于实际，才能从根本上贯彻国家规定的各项节能法规，造福于社会。

照明节能意义重大，我国照明耗电大体占全国总发电量10%～12%，据资料报道，目前城市照明（指景观照明和功能照明的统称），年用电量约占全国总发电量的4%～5%。

照明节能主要从三个方面入手：

选用高效节能的电光源和灯具；选用高品质电子镇流器或节能型电感镇流器；配置适宜，先进照明控制装置。

目前我国城市公共照明每年开支达数百亿元。

应积极推广采用国际上流行的全数字智能路灯节能控制技术：

即智能光源降压——稳压——调光技术。

它的技术思想为：

在繁忙时段，控制路灯保持较强的照度，午夜时分，自动调光；后半夜车稀人少时，控制路灯保持较低的照度的照明。

在美国、德国此类技术得到了政府大力扶持和推广，节电率高于30%。

我国已有独立自主知识产权的这方面技术产品如哈工大楼宇自动化研究所研制的“金卤灯调压调光系统”，在城市道路照明应用中运行效果优良[1]。

虽然我国能源总储量很高，但由于我国人口众多，所以人均储量很少，单位产值的能耗是发达国家的3-9倍。

能源问题已成为制约我国国民经济发展的关键性问题。

从环境和自然资源角度出发，能源问题也是我国长期可持续发展战略中一个关键因素。

此外，能源问题不仅关系经济发展和环境生态，在特定情况下还会对社会稳定有很大影响。

鉴于能源问题的重要性，我国在绿色照明工程新闻发布，绿色照明工程未来五年问将在公用设旅、宾馆、商厦、居民住所等全国建筑物中推广1.5亿只节能灯，节约用电290亿度。

上海、河北等一些地方采取政府对节能灯大宗采购每只补贴3至4元的方式进行推广。

从普通白炽灯到高效节能灯，使我国的电光源产品结构逐步向节电型转[2]。

目前，随着经济的快速发展，能源短缺问题日益尖锐，已经成为一个国家经济发展的巨大阻力，尤其现今越来越倡导低碳生活，节约能源已经成为一种全球共同认识，而作为培养社会精英的高校更应该起到榜样的作用。

但是目前在校园内，校园夜晚灯火通明，但是灯下却没有一个人，这不仅造成了严重的资源浪费。

本文所研究的校园路灯控制系统就可以很好地实现节约能源的作用[3]。

1.2校园智能控制系统研究的内容与目的

1.2.1研究内容

随着电子器件的智能化越来越快，其内部的智能控制芯片功能也越来强，本系统是以单片机STC89C51为控制中心，检测装置为光敏电、体红外热释电传感器的智能控制系统，控制部分是以低压直流电5V作为电源，通过控制继电器来控制路灯的通断，当硬件部分搭建合理正确后，本系统以keil软件编写C语言程序来实现各功能，当总体设计好之后在进行调试，最终确定所研究的方案及设计。

1.2.1智能控制系统的研究目标

对于当前校园路灯情况有较深的了解之后，分析了校园路灯具体需要实现的功能，然后设计出对应的电路图以及仿真图，基于此，再来开展其硬件和软件部分。

研究的校园智能控制系统能基于现有的校园控制系统而改造，成本低，因此能实现校园照明系统的人性化智能管理，提高用电效率；实现自动化控制，同时兼顾节能安全的思想，通过不断的改进，最终达到可靠性、安全性、自动性的目标[4]。

2校园路灯智能控制系统的总体设计方案

2.1系统方案设计总体框图

系统控制单元是以单片机模块为控制核心，其它外围电路主要包括：

硬件时钟模块、系统供电模块、环境光模块、人体存在传感器模块、复位模块、继电器外围模块，设计的系统总框图如图2-1所示。

图2-1校园路灯控制系统总体框图

复位电路由10uF与10K电阻构成，目的是当单片机出现错误时恢复到初始状态；LED指示模块是显示各检测及检测模块的工作状态；继电器模块是通过继电器来模拟控制三个区域的路灯，在检测模块中，光敏模块的优先级高于人体感应模块，当光敏模块检测到天黑之后，人体感应模块检测到人通过时，路灯才发光。

且光敏模块中的光敏电阻应安装在路灯的上方，不受路灯灯光的影响。

2.2校园路灯控制系统中主要器件简述

2.2.1STC89C52单片机

STC89C52单片机引脚图如图2-2所示。

各管脚的作用及功能：

脚1-8：

P1口输入输出口，用于与外界通信，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

同时在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

图2-2STC89C52引脚图

脚9：

为复位端，高电平有效。

宽度在24个时钟周期以上，使单片机复位。

脚10-17：

为P3输入输出口，P3.0/RXD为串行输入口，P3.1/TXD为串行输出口，P3.2/INT0为外部中断0，P3.3/INT1为外部中断1，P3.4T0为记时器0外部输入，P3.5/T1为记时器1外部输入口，P3.6/WR为外部数据存储器写选通，P3.7/RD为外部数据存储器读选通，另外P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

脚20：

此管脚为电源接地公共端。

脚21-28：

这一系列的管脚为P2输入输出口，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。

脚29：

片外ROM选通信号，低电平有效。

脚30：

地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。

脚31：

内/外部ROM选择端。

脚32-39：

为P0输入输出口。

脚40：

为电源电压端口，接+5V直流电源[5]。

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用了MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具有的功能。

在单块芯片上，具有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

STC89C52具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

AT89C52的最高工作频率35MHz，另外有6T/12T可选。

同时对比AT89C52单片机程序可以发现，STC89C52所具有的大多数功能，AT89C52不能实现，比如：

（1）STC单片机执行指令的速度大约是AT的2-30倍，另外在对时序有严格要求的模块中，使用STC89C52要延时加长，以免出现不必要的错误。

（2）在调试过程中，频繁的插拔单片机是对单片机巨大的伤害，最主要的伤害表现在引脚上面，此方面STC表现得很优异，STC单片机支持在线写入，只需要利用USB转串口就能输入在线程序，不需要拔出单片机。

（3）STC的工作电压是3-5V，而AT单片机低于4.5V时就不能工作了，这对于稳压方面的要求甚高，所以STC对环境要求较低。

2.2.2校园路灯控制系统中的传感器

2.2.2.1光敏电阻

其主要原理如下：

光敏电阻又称光敏电阻器或光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。

这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。

这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

工作原理如下：

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。

在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。

用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。

通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。

入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。

在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。

光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。

半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少[6]。

2.2.2.2人体红外传感器HC-SR501

HC-SR501是一种高灵敏度，自动延时的人体红外传感器，利用热释电效应来检测人体所发出的的红外辐射，其特点主要有：

（1）全自动感应：

当检测到人体红外后输出高电平，当人体红外线消失之后自动延时并且输出低电平。

（2）具有感应封锁时间（默认设置：

0.2秒）：

感应模块在每一次感应输出后（高电平变为低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间，在此时间段内感应器不接收任何感应信号。

此功能可以实现（感应输出时间和封锁时间）两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。

（3）两种触发方式：

a.不可重复触发方式：

即感应输出低电平后，延时时间段一结束，输出将自动从低电平变为高电平；b.可重复触发方式：

即感应输出低电平后，在延时时间段，如果有人体在其感应范围内活动，低电平将一直被保持，直到人离开后至延时结束，低电平就变成高电平，另外，如果当第一个延时还没结束时，又检测到红外线则重新执行刚开始的程序，知道在规定的时间内没有检测到红外线为止。

HC-SR501的实物图如图2-3所示。

图2-3HC-SR501实物图

2.2.2.3LM393电压比较器

LM393是双电压比较器集成电路。

输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受Vcc端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地SPS开路（当不用负载电阻没被运用），输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制.当达到极限电流（16mA）时，输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。

其电路图如图2-4所示。

图2-4LM393原理图

LM393主要特点如下：

工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：

2～36V，双电源:

±1～±18V；消耗电流小，Icc=0.8mA；输入失调电压小，VIO=±2mV；共模输入电压范围宽，Vic=0～Vcc-1.5V；输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门。

LM393是高增益,宽频带的器件，像绝大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生电压振荡。

这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙，并且电源加旁路滤波并不能克服这个问题，减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反