节能路灯智能控制系统设计Word下载.docx
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根据现存照明事业管理的现状，本课题研究的路灯智能控制系统由PC机、主机、电力线载波通讯模块（PLC）、从机等构成。
进行本课题研究的目的和意义在于以下几个方面：
（1）对公共照明管理者和使用者来说，本系统给他们带来了极大的方便，他们只需在管理中心的微机上进行简单操作就可以对线路上的任意路灯节点进行控制以及所有路灯的状态和相关信息的控制，使用少量人力进行维修。
（2）对于政府管理部门来说，也是一件一劳永逸的事情.只要进行一次投入，安装了必要的路灯设备和本控制系统，在以后的运行当中就不需要再投入较大的人力和物力，因为本系统具有自动检测和报警功能，并且可以落实到具体的一个灯，可以省去了大量的人力.（3）对于城市的美化和亮化工程来说,提高城市的形象和人民的满意度将有十分积极的作用。
提高市政硬件水平，与现代科技接轨，增强城市照明可靠性和可控性。
（4）结合城市夜景设置，通过智能控制，创造城市新景观,根据不同季节合理利用电能资源，杜绝电能浪费。
（5）及时发现线路故障和单个路灯故障，提高路灯系统工作质量.减轻工人线路巡检工作量，提高工作效率。
天气变化或有特殊事件,路灯可快速投切，方便人民生活,消除不良影响.
1。
3国内外现状和发展趋势
目前，国内城市路灯运行的控制方式有专用控制线、带负荷控制线、时控、光控以及模拟日照开关等。
他们共同的缺点是
（1）只有控制功能,并且是对整条线路进行控制，不能对具体的路灯节点进行控制。
（2）半夜使灯具的使用寿命大大缩减，维修费用增大。
没有精确检测功能，这对道路照明管理部门来说是无法做到随时掌握全市路灯的运行状况，管理部门只有通过不断派人派车巡回检查或群众报警才能知道路灯大致故障情况。
（4）巡视工作被动且工作量大,人力成本高,效率很低，市民的满意度不高。
根据以上对目前国内路灯监控系统实际现状的分析，可以发现，现存问题很多.就路灯监控系统的功能实现而言，虽然已经可以通过远程计算机控制整条路灯线路的开和关，并将有关的状态返回给计算机，实现所谓的监控功能。
但是,要将路灯监控提升到路灯管理的层次，并紧密的与节约能源及绿色照明结合起来，还需要在技术上有更高的进步.
不难发现，上述问题存在一些共同点（即造成上述问题的共同因素），主要是不能够对单个路灯的功率等重要参数进行有效的控制,单个路灯之间没有信息通道，不能及时反映灯的状态，以及系统的稳定性问题.要解决这些问题，不仅需要计算机网无线通信网络等技术的应用，更需要新的电力电子技术和信息技术的应用。
路灯照明系统是城市建设中不可缺少的功用设施,设计自动化程度高、运行可靠、高效节电、使用维护方便的监控系统，是路灯控制与管理现代化的必然要求。
传统的路灯开/关控制完全依赖光电控制或操作人员根据时钟定时控制，不但亮灯与关灯的时刻不准确，而且很可能会由于人为或其他因素（如某处控制线断）造成大面积路灯不亮，造成不良影响,给人民的生活带来不便。
微机监控系统通过监控中心的实时监控，检测各分控点的工作情况、运行状态，包括实时电压、电流以及开关状态等。
当路灯站点出现故障的时候，报警信息能够及时反馈给监控中心进行处理，保证路灯处于良性状态,方便人民生活，减少交通事故,遏制夜间作案，改善投资环境，促进经济腾飞,提高城市道路照明的现代化控制和管理水平，社会效益也非同一般.
随着城市市政建设的发展，传统的路灯控制与维护手段已远远不能适应城市现代化发展的速度。
城市市政建设日新月异，宽阔的街道，各种各样的路灯给城市带来了光明的同时也增添了城市夜间的魅力.但是由于道路、路灯众多,传统的人工管理模式已经和快速、现代化的城市建设不相适应。
现代计算机集控技术的发展给城市市政管理带来了福音。
城市路灯智能控制系统是现代计算机技术运用于城市市政建设中有效、必然的产物，实现了城市路灯系统的计算机集中控制、检测和管理。
操作人员只需通过计算机即可了解整个系统路灯的工作状态，并可通过计算机人工或自动控制所有路灯的开关.即使是在全无人过问的情况下,系统也将严谨有序的工作。
在各种管理自动化的大潮下,加上我国各个城市的大规模建设,路灯只能控制系统必然有着广阔的市场空间！
据测算，一个城市的街道数量大于100条就很有必要由一套信息管理系统与之相配套来实现管理和系统维护，而中国一定规模的市级城市非常多，因此可以肯定的是国内需求会很旺盛！
2系统硬件设计
2.1系统总体结构设计
根据题目要求和单片机的工作原理，以AT89C51作为主控制器，进行主要的信息处理,包括路灯控制模块,检测模块，时钟模块。
本系统的总体框架图如图1所示.
图1系统总体结构框图
2。
2各模块器件选择
2.2.1单片机的选择
【方案一】:
采用数字电路实现。
数字电路结构简单,响应速度快。
但处理能力有限，题目要求支路控制器需实现的功能很多，数字电路不易实现。
【方案二】：
采用STC89C51作为主控制单片机。
单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。
综合题目要求和性价比我们选择方案二为本系统的最终方案，用STC89C51制作的最小系统板，结构紧凑，工作稳定，性价比很高.
2.2。
2时钟的选择
采用软件编程实现时钟.利用单片机定时器中断，产生1秒信号，实现时钟。
此方案不需硬件,但占用太多程序存储器、中断源等单片机资源。
利用DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个口线（其引脚图如图4所示）RES（复位）、I/O（数据线）、SCLK（串行时钟）。
SCLK/RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。
DS1302工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW。
DS1302芯片体积小、占用空间小，引脚也很少，操作起来非常方便,因此我采用此方案.
3检测光源的选择
检测光源模块是用来判断光线明暗变化。
为了确保路灯在工作过程中光线明暗变化,自动开灯和关灯，系统需要利用感光元件来检测出光线明暗，充分节能。
对于感光元件的选择有以下几种方案.
【方案一】：
采用线性光敏传感器。
其对光线的强弱呈线性变化、灵敏度高、高可靠性、高稳定性，其价格相对较贵。
方案二：
采用光敏电阻。
灵敏度较低，价格低。
在本设计中,选用方案二，通过相应电路设计计算，能够完成环境明暗变化判断要求.
4显示方案的选择
采用LED数码管显示。
该方案控制简单,且LED数码管亮度高，醒目，但是数码管只能显示有限的数字和符号，占用资源较多且信息量较少,为了方便观察，因此我们不采用此方案。
采用诺基亚5110LCD显示.完成参数与状态显示要求有较大的显示容量,因此选用诺基亚5110LCD显示模块,它可显示汉字及图形，方便好用。
3AT89C51简介及其工作原理
2.3。
1AT89C51主要特性
●与MCS-51单片机产品兼容
●4K字节可编程闪存储器
●寿命：
1000写/擦循环,数据保留时间:
10年
●全静态工作：
0HZ-24HZ
●三级程序存储器锁定
●128＊8位内部RAM
●32可编程I/O线
●两个16位定时器/计数器
●5个中断源
●可编程串行通道
●低功耗的闲置和掉电模式
●片内振荡和时钟电路
3.2AT89C51管脚说明
AT89C51管脚如图2：
图2AT89C51
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个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能够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进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高.
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,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.在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收.
P2口：
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。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入.作为输入,由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示:
口管脚
备选功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3。
1
TXD（串行输出口）
2
/INT0（外部中断0）
3
/INT1（外部中断1）
P3.4
T0（记时器0外部输入）
5
T1（记时器1外部输入）
P3.6
/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间.
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲.如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用.另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H—FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET；
当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
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.
2.3.3振荡器特性
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.
3.4芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作.在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止.
3。
5单片机的CPU
MCS—51单片机的CPU由运算器、控制器和若干个特殊功能寄存器组成，运算器可以加、减以及各种逻辑运算，还可以进行乘除运算.控制器在单片机内部协调各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作，并对单片机外部发出若干控制信息。
CPU中使用的特殊功能寄存器ACC、B、PSW、SP和DPTR.ACC就是累加器,在指令中一般写为A。
在做乘除运算时，B寄存器用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果；
若不作乘除操作时,则B可用做通用寄存器。
程序状态字寄存器PSW相当于一般微处理器中的状态寄存器，其中各位的定义如表1所示.
表1PSW状态寄存器
位地址
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
符号
CY
AC
F0
RS1
RS0
OV
－
P
其中各位的意义如下：
CY（PSW。
7）:
高位进位标志位。
常用“C”表示。
AC（PSW。
6）：
辅助进位标志。
F0（PSW.5）：
用户标志位。
RS1（PSW.4）、RS0（PSW.3）:
寄存器组选择控制位。
8051共有4个8位工作寄存器，分别命名为R0~R7。
用户通过改变RS1和RS0的状态可以方便地决定R0～R7的实际物理地址。
RS1和RS0与寄存器区的对应关系如表2所示.
表2RS1、RS2与工作寄存器组的关系
寄存器组
RAM中的地址
1
2
3
00H-07H
08H-0FH
10H-17H
18H-1FH
OV（PSW.2）:
溢出标志位。
－（PSW。
1）:
保留位,无定义.
P（PSW.0）：
奇偶校验位,在每一个指令周期中，若累加器（A）中的“1"
的位个数是奇数个则P＝1,偶数个则P＝0。
3.AT89C51内存空间
从物理地址空间看，89C51有4个存储器地址空间,片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器，其存储情况如下：
（1）内部程序存储器（ROM）4K字节。
（2）外部程序存储器（ROM）64K字节。
（3）内部数据存储器（RAM）256字节。
（4）外部数据存储器（RAM）64K字节。
表39C51单片机的特殊功能寄存器一览表
寄存器符号
名称
字节地址
*ACC
累加器
E0H
*B
B寄存器
F0H
＊PSW
程序状态字
D0HH
SP
堆栈指针
81H
DPTR
数据指针（DPH、DPL）
83H（高）、82H（低）
*P0
P0口锁存器
80H
*P1
P1口锁存器
90H
*P2
P2口锁存器
A0H
＊P3
P3口锁存器
B0H
*IP
中断优先级控制寄存器
B8H
＊IE
中的允许控制寄存器
A8H
TMOD
定时器/计数器方式控制寄存器
C8H
＊TCON
定时器/计数器控制寄存器
88H
TH0
定时器/计数器0（高字节）
8CH
TL0
定时器/计数器0（低字节）
8AH
TH1
定时器/计数器1（高字节）
8DH
TL1
定时器/计数器1（低字节）
8BH
＊SCON
串行控制寄存器
98H
SBUF
串行数据缓冲器
99H
PCON
电源控制寄存器
97H
89C51单片机的片内RAM虽然字节数虽然不很多,但却起着很重要的作用。
256个字节被分为两个区域:
11～7FH是真正的RAM区，可以读写各种数据；
80～FFH是专用寄存器（SFR）区。
对于51系列单片机安排里21个特殊功能寄存器。
每个寄存器均为8位（一个字节），所以实际上这128个字节并未全部利用。
表3所示为89C51单片机特殊功能寄存器地址及符号表。
表中带*号的为可位寻址的特殊功能寄存器.
2.3.6单片机的中断系统
单片机与外部设备交换信息一般采用两种方式，即查询方式和中断方式。
由于中断方式具有CPU效率高,适合于实时控制系统等优点，因而更为常用。
89C51单片机的中断系统从面向用户的角度来看,就是若干搁特殊功能寄存器:
定时器控制寄存器TCON、中断允许寄存器IE、中断优先级寄存器IP、串行口控制器SCON.
89C51单片机是一个多中断源系统。
有5个中断源，即两个外部中断，两个外部中断、两个定时器/计数器中断和一个串行口中断。
（1）方式控制寄存器TMOD的控制字格式如下：
表4TMOD控制字
GATE
C/T
M1
M0
低4位为T0的控制字，高4位为T1的控制字。
GATE为门控位，对定时器/计数器的启动起辅助控制作用。
GATE=1时,定时器/计数器的计数受外部引脚输入电平的控制,此时只有P3口的P3.2（或P3。
3）引脚即INT0（或INT1）为1才启动计数;
GATE=0时,定时器/计数器的运行不受外部输入引脚的控制。
C/T为方式选择位。
C/T=0为定时器方式，采用单片机内部振荡脉冲的12分频信号人作为时钟计数脉冲，若采用12MHz的振荡器,则定时器的计数频率为1MHz，从定时器的计数值便可得定时时间.
（2）M1、M0二位的状态确定定时器的工作方式，详见下表：
表5M1、M0功能说明
功能说明
方式0，为13位定时器/计数器
方式1，为16位定时器/计数器
方式2，为常数自动重新装入的8位定时器/计数器
方式3,仅适用于T0，分为二个8位计数器
（3）TCON定时/计数器工作方式控制寄存器
表6TCON控制字
8FH
8EH
89H
TF1
TR1
TF0
TR0
IE
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