本科毕业设计基于单片机的路灯遥控装置的设计.docx
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本科毕业设计基于单片机的路灯遥控装置的设计
基于单片机的路灯遥控装置的设计
职业技术教育学院应用电子技术教育专业汪洋（07440113）指导老师：
林祝亮（副教授）
摘要：
通过对路灯的有效控制，从而达到节约能源的目的，本文设计了一款基于单片机的路灯遥控装置。
该装置利用PWM波对路灯进行调光控制，通过无线模块进行信号的传输，以实现路灯的无线遥控。
该系统具有时间显示、光控和人工模式的自动切换功能。
实验结果表明，该装置能有效地实现对路灯的遥控控制，能有效地节约能源、提高照明管理水平和减少路灯的损耗。
关键词：
路灯；AT89C51单片机；PWM波；遥控装置
TheDesignofStreetLampRemoteControlDeviceBasedonSCM
Name:
YangWangDirector：
ZhuLiangLin
Abstract：
Throughtheeffectivecontrolofstreetlights,soastoachievethepurposeofenergysaving,thispaperdesignsaparagraphofthelampsoftheremotecontroldevicebasedonsinglechip.ThedeviceusingPWMwavesonthestreetlamps,adjustlightcontrolthroughwirelessmoduleinsignaltransmission,soastorealizethestreetlampwirelessremotecontrol.Thesystemhastimetoshow,light-activatedandartificiallymodeautomaticallyswitchfunction.Theexperimentalresultsshowthatthedevicecaneffectivelyachievetheremotecontrolforstreetlamp,caneffectivelysaveenergy,improvethemanagementlevelandreducestreetlightingtheloss.
KeyWords：
Streetlamps;AT89C51microcontroller;PWM;Remotecontroldevice
1引言
随着时代的发展，城市现代化建设步伐不断加快，对城市路灯照明及城市亮化工程需求也更大，而能源的供需矛盾也越来越突出，节电节能、绿色照明的要求越来越迫切，越来越高。
如何充分利用高科技手段解决上述矛盾也就成为当前照明控制领域一个新的课题。
城市路灯照明自动化控制和智能化管理作为城市现代化的标志之一，它所带来的经济和社会效益是十分显著的，它的推广和实施也将是市政工程建设中的一项重要内容。
1.1选题背景和意义
在信息技术高速发展的今天，路灯照明作为一个产业在我国已得到了充分的发展，如何采用更方便、更节能性、更环保性并更智能化地管理路灯是工程技术人员十分关注的问题。
尤其在这个能源紧张的社会，节能和环保显得尤为重要。
例如，2003年，中国电光源产量约80亿只，居世界第一位，中国有7000多家照明电器生产厂家，是世界上最大的照明产品的生产基地和出口国。
照明在我国电力消费中所占的比重也越来越大：
2004年中国发电总量21870亿千瓦时，照明耗电约为2187亿千瓦时，占当年发电量的10％。
相当于三峡水力发电工程建成后，年发电能力840亿千瓦时的近3倍[1~2]。
近年来，尽管我国的电力建设取得了很大的发展，但这并不意味着我国的电力资源己经过剩，事实恰恰相反，电力供应不足和能源短缺的现象十分严峻。
翻开2003年的新闻，电荒二字十分抢眼。
2004年6月16日，国家电网公司总经理赵希正表示。
夏季电网将面临八十年代以来严峻的缺电局面，全网电力供应的缺口将达到三千万千瓦左右[3~4]；根据电力专家的判断，上海尚属于“一般短缺”，江苏属于“严重短缺”，浙江则进入“电力危机”状态[5]。
2005年开春以来，越来越多省份的电力紧张警报再次拉响。
由于缺煤和季节性缺水。
南方电网已经电力告急。
南方电网公司称，平均每天缺电780千瓦，整个电网最高负荷逼近4000万千瓦，广西、云南、海南电网的最高负荷都已达到去年的峰值[6~7]。
节能环保已经成为当今社会的主题，而路灯在城市中数量非常巨大，如果开启和关闭不能进行有效控制，会造成能源的浪费，因此设计一款路灯遥控系统装置具有一定的实际意义。
一个智能路灯系统的设计可以明显的提高路灯的用电效率，改善率因素，在节约能源，电力资源合理利用的今天，该装置有着十分广阔的社会和商业前景。
1.2设计要求
本课题主要是设计一款基于单片机的路灯遥控系统装置，主要研究内容如下：
（1）具有光控模式和人工设置两种模式，两种模式能进行切换；路灯用LED来模拟。
（2）切换到人工设置模式时，能完成亮度的手动调节，整个范围内可以进行
四档调节，亮度调节的分辨率为25%；
（3）所有的控制功能都用遥控完成，在遥控板上要进行当前时间的显示，时
间最小显示到分。
1.3研究现状
在科学技术迅速发展的今天，人类社会发生了翻天覆地的变化，使我们的生产生活更加丰富多彩。
LED作为一种节能减排的新光源，具有无污染和环保这一大优点，已被广泛的应用。
因此各种有关LED的控制技术也应运而生。
文献[8]介绍了一种新颖的多路无线遥控开关系统的设计方法，采用单片机对接收到的信号进行软件解码，主要是避免了采用专用解码芯片的有关限制，可以增强系统的扩展性和灵活性，即用遥控器的操作来实现原有设备的开、停、变向、变速等功能。
文献[9]设计了一种基于无线收发数传模块PTR2000的家庭智能电子开关，实现了家庭照明电灯、电器设备等集中控制的电子化、遥控化。
这种方法不但弥补了机械开关易磨损的不足，而且解决了在比较大的房子里夜间要启动开关非常麻烦的问题。
文献[10]介绍了一种基于单片机的远程无线遥控系统，其主控制器为W78E516B微处理器，采用RTL8019AS芯片进行网络通讯。
本地控制器与被控制设备的通讯采用RF无线遥控方式，免去了布线的麻烦；通过单片机进行软件模拟PT2262硬件编码，节约了硬件成本。
文献[11]分析了城市路灯照明耗电大、设备使用寿命短的原因，提出了采用补偿变压器稳压方式和P89C51RD2单片机进行稳压控制的解决方案。
文献[12]探索出了一种基于单片机控制技术的可编程无线电遥控多通道开关系统的设计方法。
采用该方法设计的遥控开关系统控制方便，适用于含有较多受控电器的场合，可实现多路多功能控制。
文献[13]设计了一种基于单片机技术的无线遥控家居照明系统，可以从任意房问无线遥控家中任意一盏灯具的工作，真正实现了“分散控制，集中管理”的目的。
该方案主要采用全数字化的设计方案，充分体现了现代人对家居的智能化、人性化管理的需求。
文献[14]直接采用EM78系列单片机构成无线遥控发送接收装置和照明系统的主控制器，并在此基础上构成了一种新型的智能照明系统。
文献[15]介绍了一种可编程无线电遥控多通道开关系统的设计方法。
该方案通过充分利用其软、硬件资源,为无线电遥控提供了合理、廉价的解决方案。
本设计完成基于单片机的路灯遥控装置的设计，利用光敏电阻对路灯进行光控控制，通过无线发射接受模块进行信号的发送和接受并利用单片机来实现四个按键对路灯的遥控控制，并且四个按键同时控制数码管显示。
2系统硬件设计
2.1硬件总体设计
本系统是基于单片机的路灯遥控装置系统，具有对路灯亮度调节、人工设置与光控模式相互切换以及对当前时间的设置等功能。
系统原理框图如图2-1所示。
该系统主要分为无线遥控信号发射和接收模块、单片机控制模块、按键电路模块、显示电路模块、光线感应模块与路灯模块。
图2-1系统原理框图
2.2单片机控制模块
根据设计任务要求，本设计主要实现对路灯遥控系统的操作，因此采用了两块单片机进行信号的处理和传输。
发射部分单片机控制模块主要进行信号的处理和发射；接收部分单片机控制模块主要是进行信号接收和显示。
2.2.1发射部分单片机控制模块
系统硬件总体框图如图2-1所示，单片机1采用的是AT89C51单片机，其主要作用是对四个按键功能的设置，来完成遥控与人工控制路灯，并控制发送的信号，同时可以进行当前时间的设置。
单片机AT89C51的电路原理图如图2-2所示。
图2-2AT89C51原理图
2.2.2接收部分单片机控制模块
本系统考虑到接收部分单片机控制模块，即单片机2，其所用到的管脚只需要二十个。
如果采用AT89C51则多出二十个管脚，既占据空间又浪费成本及资源。
因此，系统总体框图如图2-1所示，单片机2采用AT89C2051单片机，其主要的作用是接收无线发射电路的信号来控制路灯的亮度。
单片机AT89C2051的电路原理图如图2-3所示。
图2-3AT89C2051原理图
2.3无线遥控信号发射、接收模块
无线发射模块是用来发射进行模式的切换和时间的设置的指令，无线接收模块是用来接收控制命令。
本设计的实现主要采用遥控来控制，因此需要PT2262/PT2272这组芯片通过编解码实现对路灯的无线遥控。
2.3.1PT2262编码电路
PT2262是一款用以编码的芯片，在本设计中关于PT2262的编码发射电路原理图如图2-4所示。
图2-4PT2262编码发射电路原理图
如图2-4所示，PT2262编码芯片的D1-D8、A1-A4所对应的第1-8、10-13管脚为地址管脚,是用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”（悬空）；D7-D8、A1-A4所对应的第7-8、10-13管脚为数据输入管脚,有一个为“1”即有编码发出，内部下拉；Vdd所对应的第18管脚接Vcc，即接电源正端；Vss所对应的第9管脚接地，即接电源负端；TE所对应的第14管脚接编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效；RT1所对应的第16管脚接振荡电阻输入端，与RT2所接的电阻决定振荡频率；RT2所对应的第15管脚接振荡电阻振荡器输出端；Out所对应的第17管脚接编码输出端,通常情况下为低电平。
本设计中PT2262编码电路的主要功能是将A1-A4四路信号，用PT2262编码，通过发射模块发射出去。
2.2.2PT2272解码电路
PT2272是一款用以解码的芯片，在本设计中关于PT2272的解码接收电路原理图如图2-5所示。
图2-5PT2272解码接收电路原理图
如图2-5所示，PT2272解码芯片的D1-D8、A1-A4所对应的第1-8、10-13管脚为地址管脚,是用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”（悬空）,此时，电路中的PT2272的地址编码必须与PT2262一致,否则不解码；D7-D8、A1-A4所对应的第7-8、10-13管脚为地址或数据管脚,用来当做数据管脚时,只有在地址码与PT2262相一致时,数据管脚才能输出与PT2262数据端所对应的高电平,否则输出为低电平,而且锁存型只有在接收到下一组数据才能转换；Vdd所对应的第18管脚接Vcc，即接电源正端；Vss所对应的第9管脚接地，即接电源负端；IN所对应的第14管脚接数据信号输入端，其信号主要来自接收模块的输出端；RT1所对应的第16管脚接振荡电阻输入端，与RT2所接的电阻决定振荡频率；RT2所对应的第15管脚接振荡电阻振荡器输出端；VT所对应的第17管脚接解码有效确认输出端，通常情况下为低电平，解码有效才变成高电平，而这个状态是瞬态反应。
编码芯片PT2262发出的编码信号主要由：
地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。
当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全受控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100％的调幅。
本设计中PT2272解码电路的主要功能是接收发射电路发过来的315M高频信号，再经过解码后由A1-A4输出。
2.4按键电路模块
2.4.1按键功能介绍
本设计主要有四个按键，分别为上升按键、下降按键、模式切换按键和确定按键。
其键面示意图如图2-6所示。
图2-6键面示意图
（1）上升按键：
其作用主要是调节路灯亮度使其逐渐增强，以及对时间的上升调节；
（2）下降按键：
其作用主要是调节路灯亮度使其逐渐减弱，以及对时间的下降调节；
（3）模式切换按键：
其作用主要是对路灯的光控模式与人工设置之间进行切换；
（4）确定按键：
其作用主要是实现路灯亮度调节与时间设置的切换。
2.4.2按键电路设计
本设计共有四个按键，其按键电路原理图如图2-7所示。
图2-7按键电路原理图
如图2-7所示，按键电路设计中的按键S1、S2、S3、S4分别代表上升、下降、模式切换和确定这四种按键功能。
四个按键连接与AT89C51单片机的P3口相连。
通过单片机软件编程来控制路灯，主要靠软件识别各个按键的状态来实现四个按键的功能。
按键是一个常开型按钮开关，常态时按键的两个触点处于断开状态，按下键时它们才闭合。
按键在本设计中相当于输入设备，操作人员可以通过按键下达命令，为人们实现一个人机交互的平台。
按键是人与单片机打交道的主要设备，按键的读取容易引起误动作。
可采用软件去抖动的方法处理，软件的触点在闭合和断开的时候会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如不采取妥善处理的话，将引起按键命令错误或重复执行，在这里采用软件延时的方法来避开抖动，延时时间为20ms。
在单片机应用系统中，按照按键与单片机的连接方式可分为独立式按键和矩阵式按键。
矩阵式按键又叫行列式按键。
独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。
但当所需按键数量多，会占用过多的I/O口线。
因为单片机的I/O口有限,显然，在按键数量较多时，矩阵式按键较之独立式按键要节省很多I/O口线。
但必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。
在设计按键电路时，因为本次设计中仅用到四个按键，独立式按键有利于PCB的作图。
故选用独立式按键。
2.5光线感应电路
根据本设计要求，当按下模式切换按键时，本设计从原来的人工设置模式切换成光控模式，此时路灯受外界光线的控制。
因此本设计采用光敏电阻来实现路灯的光控模式。
光线感应电路原理图如图2-8所示。
图2-8光线感应电路原理图
2.6路灯驱动电路
本系统中的路灯模块主要是实现路灯的亮灭。
在对设计任务及要求中的部分功能进行设计完之后，必须要驱动路灯的运行，才能完成整个电路的设计。
路灯模块的设计是运行在直流电压5V的电源下的。
路灯驱动电路原理图如图2-9所示。
图2-9路灯驱动电路原理图
2.7显示电路模块
本系统的显示电路模块主要是由显示驱动电路（左图）和微型显示4个数据的数码管（右图）组成，主要是用来显示时间，方便遥控人员进行当前时间的校对。
显示电路原理图如图2-10所示。
图2-10显示电路原理图
如图2-10所示，四位一体的共阳显示数码管的八个段码脚与AT89C51单片机的P0口相连，即为单片机送入段码；四位一体的共阳数码管的四个位选，分别是数码管第6脚、第8脚、第9脚、第12脚与驱动晶体三极管9012的集电极相连；位驱动连接的四个1K电阻与AT89C51单片机的P2口相连。
段驱动信号低电平有效，驱动晶体三极管9012的信号也是低电平有效。
LED显示分动态显示和静态显示。
动态显示方式的硬件电路简单，但设计上如果处理不当，易造成亮度低，闪烁问题。
动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式，复用的程度不是无限增加的，因为利用动态扫描显示使我们看到一幅稳定画面的实质是利用了人眼的暂时效应和发光时间的长短，发光的亮度等因素。
静态显示，是由微型计算机一次输出模型后，就能保持该显示结果，直到下次发送新的显示模型为止。
静态显示驱动程序简单，且CPU占用率低，但每个LED数码管需要一个锁存器来锁存每一个显示位的笔段代码，硬件开销大，仅适合显示位数较少的场合。
为了简化电路，降低成本，故采用动态显示的方式。
3系统软件设计
本系统的运行程序采用C语言编写，采用模块化设计。
本系统软件设计主要分为遥控路灯接收系统软件设计和遥控路灯发射系统软件设计两部分。
3.1遥控路灯发射系统设计
遥控路灯发射系统设计总体流程图如图3-1所示。
遥控路灯发射系统设计主要由开始、初始化、发射部分设置子程序和结束四个模块构成。
其中最核心的设计部分为发射部分设置子程序模块，其流程图如图3-2所示。
发射部分设置子程序模块主要分为按键扫描、时钟调整和电路发射三部分。
图3-1遥控路灯发射系统总体流程图图3-2发射部分设置子程序流程图
当程序执行时，先进入初始化，在四位一体数码管上显示。
初始化完毕后，进行按键扫描。
当按下key3键时，则进入当前时间的调整，由key0键和key1键分别对时间进行加减调节，此时数码管上的时间就会发生变化。
若按下key3键则选择了亮度系统，此时key0键和key1键分别对亮度进行增减调节。
3.2遥控路灯接收系统设计
遥控路灯接收系统设计总体流程图如图3-3所示。
遥控路灯接收系统设计主要由开始、初始化、接收部分设置子程序和结束四个模块构成。
其中最核心的设计部分为接受部分设置子程序模块，其流程图如图3-4所示。
接收部分设置子程序模块主要分为接收数据、控制路灯和控制光控开关三部分。
图3-3遥控路灯接收系统总体流程图图3-4接收部分设置子程序流程图
接收部分当接收到发射出来的信号时，开始执行初始化。
此时key3键选择了亮度系统。
当按下key0键，路灯亮度就会增强；而按下key1键，路灯亮度就会减弱。
其中的key2键是用作遥控模式和光控模式之间的切换，即控制光控开关的按键。
若key2键选择了遥控模式，路灯就根据按键发出的信号进行调整；若key2键选择了光控模式，路灯就根据光敏电阻的变化信号进行调整。
4系统测试
4.1系统总体调试
本设计要求准确性高、稳定性好、抗干扰能力强等功能，系统调试除了验证数据处理的精度，确保判断的准确性外，同时必须确认各项功能的正常运行。
根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：
无线发射、接收电路调试、单片机调试和PWM波调试。
系统设计中多采用模块化设计，以便实现对各电路功能模块的逐级测试。
4.2测试仪器
由于任务需要进行系统调试，因此在测试过程中，利用仪器以便完成各模块功能的测试。
测试仪器清单如表4-1所示。
表4－1测试仪器清单
编号
名称
型号
1
数字万用表
HONGDADT9204
2
双路跟踪稳压稳流电源
DH1718E-5
3
双信道数字示波器
TektronixTDS100260Mhz
4.3调试步骤
（1）无线发射、接收电路调试
先用按键开关输入四路数据给无线发射电路，看接收电路能不能收到无线发射电路的数据信号。
调试成功后再接上单片机的P1口。
（2）单片机调试
接上单片机最简单的外围电路后，烧个最简单的程序进单片机，看单片机是否工作来确定单片机的好坏。
确保后再跟无线发射电路、串口电路连接上。
（3）PWM波调试
本设计通过改变PWM波的占空比来调节路灯的亮度，由于PWM是由单片机P3.5口输出，而P3.5口与LED的负极相连，因此占空比越大，LED的亮度越暗。
4.4测试结果
根据本系统设计任务书的要求逐一对各项性能指标的测试，并进行记录，给出测试结果。
4.4.1测试数据
本系统所测PWM波的测试数据表如表4-2所示。
本设计中LED的亮度总共有十档可以进行调节。
在测试数据的过程中，当LED的实际亮度为最亮时，测得示波器中PWM波全为低电平，因此按理论要求得出占空比为0，此时测得LED两端电压为3.199v。
同理可得，当LED的实际亮度为全暗时，测得示波器中PWM波全为高电平，因此按理论要求得出占空比为1，此时测得LED两端电压为47.8mv。
测试过程中，首先将发射部分单片机控制模块和接收部分单片机控制模块分别通上5V直流电源，此时LED点亮。
接着把示波器的输出数据线接头接在LED的一端，按下key0键，即上升按键，则LED变亮。
继续按下key0键，直至LED达到最亮为止。
再点击示波器调节波形，自动读取数据。
此时的数据是LED最亮时侧得的数据。
然后按下key1键，即下降按键，则发现LED亮度减弱一档，从而读取示波器数据。
同理，每按一次key1键，LED的亮度则相对应的减弱，直至LED熄灭为止。
所侧得的数据如表4-2所示。
表4-2PWM波的测试数据表
平均值
LED两端电压
正频宽
负频宽
周期
占空比
实际亮度
241mv
3.199v
/
/
/
0
最亮
729mv
2.87v
360.2us
3.100ms
3.46ms
0.104
一档
1.21v
2.546v
730.2us
2.750ms
3.48ms
0.209
二档
1.69v
2.224v
1.100ms
2.400ms
3.500ms
0.314
三档
2.17v
1.905v
1.460ms
2.060ms
3.520ms
0.414
四档
2.68v
1.587v
1.820ms
1.730ms
3.550ms
0.512
五档
3.14v
1.272v
2.200ms
1.370ms
3.570ms
0.616
六档
3.59v
965mv
2.550ms
1.040ms
3.590ms
0.710
七档
4.05v
657mv
2.920ms
689.8us
3.610ms
0.808
八档
4.50v
353.8mv
3.290ms
349.7us
3.640ms
0.903
九档
4.96v
47.8mv
/
/
/
1
全暗
说明：
表中“/”是由于示波器所给的正频宽、负频宽等有问号的数据是错误的，不能直接读出数据，因此用“/”表示。
4.4.2PWM波形图
测试中，当LED亮度发生变化时，用示波器所测得的PWM波数据随之也发生变化，波形也相应变化，见下图。
如图4-1所示是LED为最亮时，测得PWM波为低电平，求得的占空比为0。
如图4-2所示是LED为亮度减弱一档时的PWM波，此时占空比为10%。
同理可得LED其他亮度时的PWM波。
图4-1全亮时波形图图4-2亮度减一档波形图
图4-3亮度减二档波形图图4-4亮度减三档波形图
图4-5亮度减四档波形
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