电气自动化专业毕业设计讲诉.docx

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电气自动化专业毕业设计讲诉

毕业设计

题目名称：

基于单片机的智能路灯控制器设计

院系名称：

电信学院

专业名称:

工业自动化

学生姓名:

钱剑华

指导老师：

李鸿征

二○一五年五月

中图分类：

TP273密级：

无

UDC：

单位密码：

10465

基于单片机的智能路灯控制器设计

DesignofintelligentlightingcontrollerbasedonMCU

院系名称：

电信学院

学生姓名：

钱剑华

指导教师：

李鸿征

中原工学院

摘要

随着城市规模的不断扩大，现有的路灯管理的方式方法已远远不能满足城市路灯发展与管理的需要，必须依靠现代化的高科技管理手段。

路灯管理工作需要一个以计算机为核心的、自动化的管理手段来替代普通的路灯监控系统。

使整个城市照明监测，决策和管理工作建立在计算机信息网络平台之上。

因而单片机在路灯系统中的应用应运而生。

单片机具有集成度高，处理能力强，可靠性高，系统结构简单，价格低廉的优点，因此在路灯照明工程中被广泛应用。

单片机技术中的计时系统是单片机在的一个典型的应用。

通过计时系统来对时间进行有效的控制。

在路灯设计的定时系统中将得到更好的应用.

设计通过MSC-52系列的AT89S52芯片做为核心控制系统，外加另外的光电检测电路，报警和故障显示电路，输出驱动电路，电源电路和定时电路等一起来设计一个智能路灯控制器，去应对外部的环境。

而且能起到节约能源的作用，让其可持续发展。

关键词：

AT89S52控制器智能路灯

Abstract

Withtheconstantexpansionofthecity,theexistingstreetlightingmanagementmethodscannotmeettheneedsofurbanstreetdevelopmentandmanagement,mustrelyonmodernhigh-techmanagementmethod.Lampsneedacomputerasthecoreofthemanagement,automatedmanagementtoolstoreplaceordinaryStreetlampmonitoringsystem.Thecitylightingmonitoringanddecision-makingandmanagementworkonacomputerinformationnetworkplatform.Thustheapplicationofsinglechipmicrocomputerinstreetlightingsystemcomesintobeing.

SCMhashighintegration,processingcapability,highreliability,simplestructure,lowpriceadvantages,soiswidelyusedinstreetlightingprojects.Ofsingle-chipmicrocomputertimingsystemisasingle-chipcomputerinatypicalapplication.Timebytimingsystemsforeffectivecontrol.Streetlightswillbebetterusedinthedesignoftimingsystem.

DesignbyMSC-52AT89S52chipasthecorecontrolsystem,plustheadditionofphotoelectricdetectioncircuit,alarmandfaultdisplaycircuitoutputdrivercircuit,powersupplycircuitsandtimingcircuitstogethertodesignanintelligentlightcontroller,tocopewiththeexternalenvironment.Andcanplayaroleinenergyconservation,itssustainabledevelopment.

Keywords:

AT89S52controllerintelligentlighting

第一章绪论

1.1路灯的发展史

人类的发展史是一部追求光明的创业史，火的运用是人类文明进步的重要里程碑。

远古先民点燃的篝火就是最早的灯火。

1843年，中国上海街头出现了第一盏路灯，尽管它是煤油点燃的，可在人们的心目中，比月光还要圣神。

黄埔江边摩肩接踵的人群专门前往一睹风采。

后来，上海租界的路灯又改为煤气灯。

是从伦敦移植过来的，亮度比煤油灯提高了数倍，在夜间行人的眼中，简直就是夜晚的“太阳”。

直到1879年，上海十六浦码头终于亮起了中国第一盏电灯，配备的是一台10马力的内燃机发电组，相当于一辆手扶拖拉机的功率。

初时的马路电灯在每根电线杆上装闸刀开关，仍需工人每天开启关闭。

3年后，改用若干路灯合用一个开关，这种形式的路灯在全国各城市中一直沿用到20世纪50年代。

英国：

正人类尝试在城市街道上进行人工照明始于15世纪初。

1417年,为了让伦敦冬日漆黑的夜晚明亮起来,伦敦市长亨利·巴顿发布命令,要求在室外悬挂灯具照明。

后来,他的倡议又得到了法国人的支持。

16世纪初的时候,巴黎居民住宅临街的窗户外必须安装照明灯具。

路易十四时,巴黎的街道上出现了许多路灯。

1667年,被称为"太阳王"的路易十四还正式颁布了城市道路照明法令。

传说,正是因为这部法令的颁布,路易十四的统治才被称为法国历史上的"光明时代"。

1.2设计的缘由

由于路灯的发展史是一部曲折的历史，并且由于以前技术的原因，路灯没有多大的发展，以前的路灯由于消耗电量太多，不能起到节约能源的作用，现在都被一些智能路灯所替代，智能路灯是由单片机控制的，由于单片机目前使用范围很广，所以在智能路灯里面也起到了决定应作用。

单片机具有优异的性能价格比，集成度高，体积小，质量轻，可靠性高，控制能力强，低电压，低功耗等优异的特点，所以这样的设计才是最科学的。

1.3设计的目的和意义

随着社会的发展，电能已经成为了人们所关注的焦点，但是在我国电力资源日益紧张的情况下，由于电能是关系到国家发展，人们生产生活的一个重要问题。

电能现在已经成为生活中不可或缺的一种资源。

但是对于现在目前由于各大城市的路灯利用率不高的问题，特别是过了12点以后，走路的少了，而路灯一直处于工作，这对能源来说是不小的浪费的。

智能路灯意义就在于以下几个方面。

1）可以节约用电，减少财政支出

2）实现比较人性化的控制，在的限度的发挥路灯的作用

3）有益于发现路灯的障碍，方便维修

4）提高路灯的质量和使用寿命。

5）进行再进一步的研究，可以应用到更加复杂的场合。

1.4智能路灯的预期目标

所谓的智能路灯，肯定要比一般的路灯要好得多，我所要实现的功能是：

1）在白天的时候因为亮度大，清晰，路灯不工作。

2）等到夜晚无光的时候，这就要打开路灯了，等到了12点以后，因为马路上的人流量比较小，不能让路灯一直工作，所以我设计是12点以后，关闭一部分路灯。

3）等到早上到时间了全部关闭路灯。

4）能自动报警显示路灯出现的编号。

1.4本章小结

本章主要介绍了路灯的发展历史，设计的缘由、预期达到的目的，在理论和研究方面的目的和意。

第二章系统方案设计及论证

2.1总体的设计框图

总体的设计思路是，单片机是整个系统的核心，起到控制其他模块的作用。

光检测模块是当检测模块检测到有光或者无光及比较暗的情况下，系统会自动给出低电平或者是高电平，来指示单片机以及各部件工作从而达到智能控制。

显示模块和定时模块是相互作用，通过显示模块显示所需的的时间，定时器达到定时的效果。

二者工作时受单片机控制，当达到时间时，单片机系统确定给驱动系统电平来控制路灯的亮与灭。

故障报警电路，当显示时间出错，会出现报警。

各模块相互作用，共同构成一个控制器。

总体设计如图2-1所示

路灯

图2-1总体设计框图

Figure2-1overalldesigndiagram

2.2中断系统

2.2.1中断的定义

在程序执行的过程中，由于外部或内部的原因，必须终止当前执行的程序，而去执行相应的处理程序，等处理结束后，再回来继续执行被终止的程序，这个过程就叫中断。

2.2.2中断的意义

中断可以解决快速的CPU与慢速的外设之间的矛盾，使CPU和外设同时工作。

CPU在启动外设工作后继续执行主程序，同时外设也在工作。

每当外设做完一件事就发出中断申请，请求CPU中断它正在执行的程序，转去执行中断服务程序（一般情况是处理输入/输出中断处理完之后，CPU恢复执行主程序，外设也继续工作。

这样，CPU可启动多个外设同时工作，大大地提高了CPU的效率。

2.2.3中断控制

1）中断屏蔽

在中断源与CPU之间有一级控制，类似开关，其中第一级为一个总开关，

第二级为五个分开关，由IE控制。

EA——总控制位

ES——串口控制位

ET1——T1中断控制位

EX1——/INT1控制位

ET0——T0中断控制位EX0——/INT0控制位

若为“1”，允许（开关接通）

若为“0”，不允许（开关断开）

例如，SETBEA

CLRIE.7

2）中断优先级

为什么要有中断优先级？

CPU同一时间只能响应一个中断请求。

若同时来了两个或两个以上中断请求，就必须有先有后。

为此将5个中断源分成高级、低级两个级别，高级优先，由IP控制。

以上各位与IE的低五位相对应，为“1”时为高级。

初始化编程时，由软件确定。

例如，SETBPT0或SETBIP1CLRPX0等。

同一级中的5个中断源的优先顺序是：

外部中断0，定时器T0中断，外部中断1，定时器T1中断，串行口中断。

2.2.4中断处理过程

中断处理过程大致可分为四步：

中断请求、中断响应、中断服务、中断返回

1）中断请求

中断源发出中断请求信号，相应的中断请求标志位（在中断允许控制寄存器IE中）置“1”。

2）中断响应

CPU查询（检测）到某中断标志为“1”，在满足中断响应条件下，响应中断。

⑴中断响应条件：

①该中断已经“开中”；

②CPU此时没有响应同级或更高级的中断；

③当前正处于所执行指令的最后一个机器周期；

④正在执行的指令不是RETI或者是访向IE、IP的指令，否则必须再另外执行一条指令后才能响应。

3）中断响应操作

CPU响应中断后,进行下列操作：

①保护断点地址；

②撤除该中断源的中断请求标志；

③关闭同级中断；

④将相应中断的入口地址送入PC；

80C51五个中断入口地址：

INT0：

0003H；

T0：

000BH；

INT1：

0013H

T1：

001BH；

串行口：

0023H

2.3系统核心部件单片机的选择

本设计采用的是Atmel公司的AT89S52单片机，AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

也可以支持外部扩展，数据指针有两个。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，有5个中断源，和3个定时计数器。

使得AT89S52单片机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，执行程序速度和功耗可以满足一般系统的要求，是实现阶段比较常用的微处理器。

2.4光检测元器件的选择

由于提供的输入信号相对来说对环境的要求较高，而且要符合系统在现实生活中的实用性等原则，所以使用光敏电阻与电源相连，通过上拉电阻给51单片机输入信号，并进行相应的后续程序操作。

2.5时钟芯片显示器的选择

液晶显示器，其偏振光能在液晶里旋转；如果加有电场，则扭曲结构失效，光就不能通过。

扭曲向列液晶不但响应慢（0.1秒），而且门限的斜率小，因此限制矩阵选址的行数，多用于单字符显示。

液晶显示器件还有液晶光阀和用液晶和薄膜晶体管制做的显示板。

液晶显示器件由于其功耗低，平板显示等优点，是未来显示技术的重要发展方向之一。

2.6定时模块的选择

现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、DS1307、PCF8485等。

其优势是可以单独使用，直接连接到单片机外围，有自己独立的时钟晶振，精度较高。

单片机通过串行接口读取和写入当前的时钟值，时钟芯片的运行受单片机死机的影响少。

2.7驱动模块的选择

采用恒流源驱动芯片，目前市场上成品的恒流源驱动芯片比较多，一般采用使用取样电阻调节输出电流的方式。

这些芯片使用方便，性能较好，但价格较贵。

2.7本章小结

通过这一章的设计，选择了最合适的模块器件，为系统的硬件设计打下了坚实的基础。

第三章硬件的设计

3.1硬件设计原则

1、尽可能选择典型电路，为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。

2、系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求。

3、硬件结构应结合程序设计方案一并考虑。

考虑的原则是：

软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。

4、系统中的相关元器件要尽可能做到性能匹配。

5、可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分。

6、尽量减少外围。

系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性[1]。

因而在选择器件上尽量的简洁。

3.2单片机的最小系统

单片机最小系统一般是由电源，还有时钟电路，复位电路等组成的。

如图3-2所示。

简单说明一下单片机的几个引脚：

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器的高电平时间。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

图3-2单片机最小系统

Ficgure3-2single-chipsystem

3.2.1时钟电路

时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。

MCS-52单片机允许的时钟频率是因型号而异的。

晶振的选择：

6MHz的晶振，其机器周期是2us。

12MHz的晶振，其机器周期是1us,也就是说在执行同一条指令时用6MHz的晶振所用的时间是12MHz晶振的两倍。

为了提高整个系统的性能我选择了12MHz的晶振。

振荡方式的选择：

内部振荡方式，MCS-52内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机内部的各个部件，这样就构成了内部振荡方式。

外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机内。

这种方式适合用来使单片机的时钟与外部信号一致。

在我的这个设计中没有也无需与外部时钟信号一致，所以我选择了内部振荡方式，由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

晶振我选择了12MHz，相对于6MHz的晶振，整个系统的运行速度更快了。

电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值我选择了30pF。

内部振荡方式所得的时钟信号稳定性高。

3.2.2复位电路

复位电路的基本功能是：

系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。

为可靠起见，电源稳定后还要经过一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。

单片机复位电路参数的选定须在振荡稳定后保证复位高电平持续时间大于2个机器周期。

3.3光信号检测电路设计

由于此设计要达到节约能源，并且是要达到智能控制的目的，所以白天自然光比较强，路面状况清晰，所以需要路灯停止工作。

而等到了晚上或者是光线比较暗的情况下，就需要路灯开始工作，所以需要设计一个光检测电路，来达到既智能有节能的目的。

设计电路图如图3-3所示

图3-3光信号判断电路图

Ficgure3-3signallightcircuitdiagram

图中D1为光敏电阻器，是检测光敏感强度的器件，光敏电阻器的主要功能是，当没有光照或光线不足时，其阻值较大，达到兆欧级以上，相当于处于短路状态，此时R1电位器中间抽头输出为低电平。

而当有光照时，光敏电阻阻值下降，阻值相当小，此时电位器R1的中间抽头输出为高电位。

LM393和电位器R2组成一电压比较器，当同相输入端电位高于反相输入端时，LM393输出一高电平，反之，当反相输入端电位高于同相输入端时，LM393输出一低电平，输出信号经过具有施密特功能的反相器74LS14，送到单片机，由单片机进行检测，判断是否有光照。

如果有光照则不亮，没有光照，它就会亮。

3.4故障检测报警电路设计

声光报警器电路的设计是当路灯故障时，LED灯点亮，蜂鸣器响起，达到声光报警的功能，当单片机的P1.0引脚出现高电平的时候，LED灯亮起，三极管导通，蜂鸣器发出声响，达到报警的作用。

设计电路图如图3-4所示

图3-4蜂鸣器报警电路

Figure3-4buzzeralarmcircuit

3.5定时和显示电路设计

现在简单介绍一下DS1302芯片的参数，引脚以及功能。

芯片如下图3-5-1所示

图3-5DS1302芯片

Figure3-5-1chipDS1302

各引脚的功能为：

Vcc1：

主电源；Vcc2：

备份电源。

当Vcc2>Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2

SCLK：

串行时钟，输入，控制数据的输入与输出；

I/O：

三线接口时的双向数据线；

CE：

输入信号，在读、写数据期间，必须为高。

该引脚有两个功能：

第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。

我采用外部时钟芯片和液晶显示屏来显示时间，来达到一个实时的控制。

如下图3-5-2所示

图3-5-2定时与显示电路

Figure3-5-2timinganddisplaycircuit

3.6按键电路设计

在单片机系统中，通常有且仅有一键按下才视为按键有效。

有效的确认方式通常又可以分为两类。

第一类为按下-释放键方式，系统要求从按下倒释放键才算一次有效按键。

另一类为连击方式，就是一次按键可以产生多次击键效果，其连击频率可自己设定，如3次/秒、4次/秒等。

根据设计的需要，我选择了按下-释放方式，电路如下图3-6所示。

电路为低电平有效输出方式，当按键按下时输出为低电平。

图3-6开关电路图

Figure3-6switchcircuitdiagram

在按下-释放键方式时，系统先判断是否有键按下，若不用硬件去抖，则同时进行软件去抖，确认有键按下，然后等待至该按键释放才算依次按键，注意释放键判断同样要进行去抖处理。

3.7电源电路设计

因为路灯的工作电压是220V，而单片机的工作电压是5V，所以我们要设计一个电源电路，来得到+5V的电压。

设计的电路图如3-7所示

图3-7电源电路设计

Figure3-7powersupplycircuitdesign

刚开始输入的U1的电压是220V的交流电压，经过变压器的降压，变压器的匝数比是1/22，根据匝数和电压成正比，所以次端电压是10V，在经过桥式整流电路的整流，公式是：

U2=0.9U1，所以ZI稳压管两端电压为9V，C7～C10为滤波电容，D4、.D5为保护二极管，7805为三端稳压管，再经C9和C7滤波输出直流电压，从7805的1脚输出+5V.。

3.8看门狗电路的设计

在由单片机构成的微型计算机系统中,由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰,造成程序的跑飞,而陷入死循环,程序的正常运行被打断,由单片机控制的系统无法继续工作,会造成整个系统的陷入停滞状态,发生不可预料的后果,所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑,便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片俗称“看门狗”（Watchdog）。

由于X5045将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片

X5045芯片内包含有一个看门狗定时器，通过软件预置系统的监控时间后，若在预置的时间内看门狗芯片的CS端电平没有发生变化，则X5045将从RESET输出一个高电平信号，使CPU复位。

电路图如3-8所示

图3-8看门狗电路

Figure3-8watchdogcircuit

3.9电流源驱动电路

设计利用的是一个电阻还有一个三极管联合驱动的方式达到电流源驱动的目的，如图3-9所示。

图3-9电流源驱动电路

Figure3-9currentsourcecircuit

3.10模拟路灯设计

本设计中用的是15个发光二极管模拟两路路灯控制，通过定时，检测等电路实现路灯的多路实时控制。

我们可以通过给它标号。

3.11本章小结

通过硬件电路的设计，硬件设计包括光检测电路，定时显示模块电路，故障报警及显示电路，电源电路，关门狗电路等的设计，把各种可能的方案进行列举比较，总结其各个方案的优缺点，筛选对本设计最好，最合理的方案。

第四章软件的设计

开始

4.1主流程的设计如下所示：

是

是

单片机初始化

否

是否有光？

否

打开路灯

否

是否为24：

00：

00点？

是

关闭一部分路灯

是否为06：

00：

00？

是

启动中断

关闭所有路灯

单片机复位重新工作

结束

4.2中断程序流程图

4.3主程序

见附录

4.4中断程序

中断服务子程序内容要求：

1在中断服务入口地址设置一条跳转指令，转移到中断服务程序的实际入口处。

2根据需要保护现场。

3中断源请求中断服务要求的操作。

⑷恢复现场。

与保护现场相对应，注意先进后出、后进先出操作原则。

⑸中断返回，最后一条指令必须是RETI。

4.5DS1302驱动程序设计

实时时钟芯片DS1302与单片机的接口定义为：

SbitDS1302_sclk=PI^7;/*实时时钟时钟线引脚*/SbitDS1302_IO=PI^6;/*实时时钟数据线引脚*/

SbitDS1302_RST=PI^5;/*实时时钟复位线引脚*/

其读写驱动程序代码见（附录）

4.6X5045驱动程序设计

看门狗X5045与单片机的接口定义为：

sbitx5045_cs=P1^1;

sbitx5045_so=P1^2;

sbit