基于单片机的路灯智能控制器设计.docx
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基于单片机的路灯智能控制器设计
目录
摘要1
Abstract1
1绪论2
1.1设计背景及意义2
1.2系统设计目标2
2设计方案3
2.1方案选择与论证3
2.2各个模块的方案选择与论证3
2.2.1主控单元3
2.2.2时钟模块3
2.2.3环境明暗监测模块3
2.2.4按键控制模块3
2.2.5液晶显示模块4
2.3系统最终方案4
3系统硬件设计与实现4
3.1总体设计框图4
3.2主控单元设计5
3.3时钟模块设计6
3.4环境明暗监测模块设计6
3.5按键控制模块设计7
3.6液晶显示模块设计7
4系统软件设计与实现8
4.1主要模块程序结构框图8
4.1.1总体软件设计框图8
4.1.2时钟模块软件设计9
4.1.3环境明暗监测模块软件设计10
4.1.4按键控制模块软件设计10
4.1.5液晶显示模块软件设计11
5测试与结果分析12
5.1总体实物图12
5.2测试方法与结果12
5.2.1时钟设定和定时开关路灯测试12
5.2.2环境明暗检测测试13
5.3测试结果分析14
结论14
参考文献15
附录Ⅱ：
整体实物图17
附录Ⅲ：
元器件清单18
致谢19
基于单片机的路灯智能控制器的设计
摘要：
随着我国经济的发展、社会的进步和人们提高生活水平及环境质量的要求，城市道路照明和城市的夜景照明已经成为城市规划、建设和管理中的一项重要工作，本次毕业设计设计是应用单片机技术对路灯进行智能控制，以达到节能减排的目的。
本设计采用单片机为核心控制单元，还包括时钟模块、环境监测模块、按键控制模块、显示模块和路灯模拟模块等模块。
利用DS1302芯片的定时功能实现早晚开关灯；通过光敏电阻对环境的光强反应，如果在白天光线较暗时，单片机将路灯开启；用独立按键来调整开关灯时间的高、低设定值；用1602液晶显示器显示时间和开关灯时间的高、低设定值。
本次设计先在Proteus软件内进行仿真，然后，进行实物设计。
实物测试已经达到了预期效果，实现了时间在开关灯的设定值LOW和HIGH之间时灯不亮，但若在此期间代表光敏电阻的开关被按下（环境光线较暗）的同时路灯就会点亮，在HIGH到凌晨两点这段时间路灯的两盏灯全部点亮，在凌晨两点到LOW之间这段时间路灯的两盏灯只会点亮其中一盏。
关键词：
AT89S52、DS1302、LCD1602、光敏电阻、路灯智能控制
DesignofintelligentstreetlampcontrollerbasedonMCU
Abstract:
WithChina'seconomicdevelopment,socialprogressandthepeoplelivingstandardandimproveenvironmentalqualityrequirements,cityroadlightingandcitylightinghasbecomeanimportantpartofcityplanning,constructionandmanagement,thisgraduationdesignistheapplicationofMCUtechnologyforintelligentcontrolonthelamp,inordertoachieveenergy-savingemissionreductionforthepurposeof.Thisdesignusesamicrocontrollerasthecorecontrolunit,includingclockmodule,monitoringmodule,thekeycontrolmodule,displaymoduleandsimulationmoduleofstreetlamp.TimingfunctionsusingtheDS1302chiptorealizesoonerorlaterswitchlights;lightphotosensitiveresistorthroughthereactionoftheenvironment,ifduringthedaylightisdark,thelightsturnedon;high,lowsetwithindependentkeystoadjustthelightswitchtimevalue;LCDdisplaywith1602timeandswitchtimehigh,lowsetvalue.ThedesignissimulatedinProteussoftwarefirst,andthen,physicaldesign.Therealtesthadthedesiredeffect,thetimeinthelightswitchsettinglampdoesnotlightbetweenLOWandHIGH,buttheswitchifduringonbehalfofphotosensitiveresistanceispressed（darkambientlight）andstreetlampwilllightup,intheHIGHtoalltwolightsat2:
00thistimelightslit,at2o'clockinthemorningtotwolampLOWthistimewillonlylitthelampalamp.
Keywords:
AT89S52,DS1302,LCD1602,photosensitiveresistance,intelligentlightingcontrol
1绪论
1.1设计背景及意义
随着我国城市的发展、经济的繁荣、社会的进步和人们提高生活水平及环境质量的要求，城市道路照明和城市的夜景照明已经成为城市规划、建设和管理中的一项重要工作。
近几年来，全国许多大城市、甚至一些中小城市的各级领导，都格外重视道路照明和夜景照明工作。
城市亮化作为形象工程的重要组成部分，越来越被政府所重视，大量的资金投入进行建设和改造，使得我们的城市夜晚变得灯火辉煌，绚丽多彩，但问题也随之而来，能耗的逐年攀升，由此产生的某些问题亦逐渐显露出来，如城市路灯的维护量增大，带来人员不足；维护费用增加，社会成本过高，电费支出过多，财政承担相对困难；光污染现象严重……这些问题的产生无疑给当地的路灯管理部门的各方面工作带来很大的压力，急切加以解决。
尤其是在当前环境条件每况愈下的形势下，低碳、节能、环保越来越收到人们的重视。
旧式的控制系统存在功耗大，公共资源得不到充分应用，效率低等消极影响。
伴随着微电子技术的发展和单片机技术在各行各业中的应用，近几十年来,基于单片机的交通灯智能控制系统对城市路灯系统进行全面的升级,不仅实现了智能控制，而且降低了运行成本。
因此，智能路灯控制系统的推广，可以改变城建系统企业传统的管理服务方式，提高服务效率，并对提高城市形象起到了极大的推动作用。
早在90年代初，发达国家就已经广泛的使用了智能照明调控系统，来降低城市照明的费用支出。
国家发改委、建设部、国家质量技术监督局已在2000年下发了223号文件《关于进一步推进"中国绿色照明工程"的意见》的通知，提出推广节能、高效的照明灯具和智能照明调控系统，深入开展绿色照明节能工作。
智能照明设备具有软启动、稳压、节能功能，用户可根据道路照明的现状，科学的设定节能时间和节能比率。
智能照明调控系统为照明设备提供各种自动化控制功能，通过电脑控制和管理软件实现无故障智能化和无人值守，提高安全可靠性，实现城市照明智能化管理。
更深远意义在于，通过节约可观的电能消耗，就可以有效的减少火力发电厂（2002年火力发电占我国年总发电量的81．83%）对大气CO、SO、NO和粉尘、灰渣的排放量，减少污染，保护环境。
本系统正是本着节能减排，保护环境的目的，开发设计的一个基于单片机的路灯智能控制系统。
通过软件控制，来分别实现路定时开关路灯，路灯开关灯时间可调，跟据环境明暗状况自动开关灯等功能。
路灯节能系统产生的直接及间接的社会经济效益是巨大的。
1.2系统设计目标
基于单片机的路灯智能控制器，主要实现以下功能要求：
（1）通过DS1302时钟芯片获取时间；
（2）通过按键调整时间及开关灯时间的高、低设定值；
（3）通过光敏电阻对环境的光强反应进行数据采集，当时间或光敏电阻采集到的数据低于或者高于设定值时开关动作控制路灯的开、关；
（4）用点阵式液晶显示器（LCD）实现实时显示；
（5）用两个LED灯来模拟一个路灯的两个灯泡。
2设计方案
2.1方案选择与论证
根据设计要求，本系统由主控单元模块、时钟模块、环境明暗检测模块、按键调节模块、液晶显示模块、模拟路灯LED1和LED2（LED1和LED2用来模拟一个路灯两个灯泡）等模块组成，现在对各模块的可行性方案进行比较、论证，从中选出本次路灯智能控制器的设计方案。
2.2各个模块的方案选择与论证
2.2.1主控单元
方案一：
使用AVR单片机实现
AVR单片机是增强型的内置Flash的RISC（精简指令集）的高速8位单片机，相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片机。
但是我对于AVR单片机的熟悉度不高。
方案二：
使用51单片机
就我所熟悉的51单片机中的AT89S52单片机来说，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
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。
使用简单，性价比高。
2.2.2时钟模块
方案一：
使用单片机内部定时器
该方案主要由软件实现，占用I/O口较少，节约外部硬件资源和资金，但是计时精度低，而且没有掉电保持功能。
方案二：
使用DS1302时钟芯片
DS1302时钟芯片计时精度高、功耗低、有掉电保持功能，利用DS1302时钟芯片独立于单片机来计时，在提高计时进度的同时也提高了整个系统的抗干扰能力。
2.2.3环境明暗监测模块
方案一：
使用光敏三极管
光敏三极管又称光电三极管，它是一种光电转换器件，其基本原理是光照到P-N结上时，吸收光能并转变为电能。
当光敏三极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。
方案二：
使用光敏电阻
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。
在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。
光敏电阻易于实现本设计所需功能，且性价比高。
2.2.4按键控制模块
方案一：
4*4矩阵式按键
4*4矩阵式按键用起来直观方便、操作简单，但是性价比较低。
方案二：
独立按键
本次设计中只需要三个独立按键就能实现设计要求，性价比高。
2.2.5液晶显示模块
方案一采用LCD12864
LCD12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集．利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字．也可完成图形显示．低电压低功耗是其又一显著特点。
本次设计中只需要显示两行就行了。
方案二：
采用LCD1602
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，而且初始化程序简单，功耗低，性价比高。
2.3系统最终方案
综上所述，系统的实现方案如下：
（1）主控单元采用AT89S52单片机来实现；
（2）时钟模块采用DS1302时钟芯片来实现；
（3）环境明暗监测模块采用光敏电阻来实现；
（4）按键控制模块采用三个独立按键来实现；
（5）液晶显示模块采用LCD1602来实现。
3系统硬件设计与实现
3.1总体设计框图
本系统的功能就是通过单片机根据时间和光照强度发出指令控制一个模拟路灯的两个灯泡LED1和LED2的开、关，系统框图如下图3-1所示。
图3-1路灯智能控制系统结构框图
3.2主控单元设计
本系统单片机最小系统采用12M的晶振。
晶振的作用是给单片机正常工作提供稳定的时钟信号。
连接的是30pF的电容。
最小系统电路图如下图3-2所示。
图3-2最小系统电路
其中：
XTAL1和XTAL2外接晶振引脚。
当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。
RST——复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
EA/VPP 访问和序存储器控制信号
（1）接高电平时：
CPU读取内部程序存储器（ROM）扩展外部ROM：
当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。
（2）接低电平时：
CPU读取外部程序存储器（ROM）。
在前面的学习中我们已知道，8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。
（3）AT89S52烧写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。
当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。
VCC：
电源+5V输入，VSS：
GND接地。
RST 复位信号：
当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。
3.3时钟模块设计
DS1302时钟芯片是本系统实现高精度计时的关键。
利用DS1302时钟芯片独立于单片机来计时，在提高计时进度的同时也提高了整个系统的抗干扰能力。
DS1302通过SCLK、I/O、RES端口和单片机AT89S52进行通信。
SCLK接至单片机P2.5口，在读写操作时给DS1302提供相应的时钟脉冲；I/O接至P2.4口用来传送所有的数据；RST接至单片机P2.3口上用来控制单片机与时钟芯片间的数据传送的开始于结束。
时钟模块电路图如下图3-3所示。
图3-3时钟模块电路图
另外DS1302在任何数据传送时必须先初始化，把RST脚置为高电平，只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。
3.4环境明暗监测模块设计
本单元采用光敏电阻检测环境明暗变化，光敏电阻又称光导管，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。
当光敏电阻感应到光线变化时，将信号传给控制单元进行处理，再由控制单元控制路灯的亮灭。
PR接在单片机的P1.2口，其中PR代表光敏电阻的引脚，如图3-4所示。
图3-4环境监测模块电路图
3.5按键控制模块设计
按键控制模块电路图如图3-5所示。
图3-5按键控制模块电路图
其中SET键用于模式选择、UP键用于调节时间和设定值的值加1、DOWN键用于调节时间和设定值的值减1，分别接在单片机的P1.5、P1.6、P1.7引脚。
3.6液晶显示模块设计
采用点阵式液晶显示器（LCD）显示。
LCD功能强大，可显示各种字体的数字、汉字、图像，还可以自定义显示内容，显示灵活生动，同时配3个独立按键更便于工作人员操作。
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），3脚接滑动变阻器，液晶显示模块的电路图如下图3-6所示。
图3-6液晶显示模块电路图
4系统软件设计与实现
4.1主要模块程序结构框图
4.1.1总体软件设计框图
根据设计方案和系统功能，软件部分主要由主函数模块、时钟模块、环境监测模块、按键控制模块、液晶显示模块等组成，系统软件设计总体流程图如图4-1所示，其中LOW和HIGH代表开关灯时间的低、高设定值。
图4-1系统软件设计总体流程
其中主函数如下：
voidmain（）
{
lcd_init（）;//调用液晶屏初始化子函数
ds1302_init（）;//调用DS1302时钟的初始化子函数
init（）;//调用定时计数器的设置子函数
led=0;//打开LCD的背光电源
while
（1）//无限循环下面的语句：
{
keyscan（）;//调用键盘扫描子函数
led_light（）;
}
}
4.1.2时钟模块软件设计
DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。
实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式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：
RST复位、I/O数据线、SCLK串行时钟时钟/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。
时钟模块采用DS1302时钟芯片需要初始化，DS1302读、写程序流程图如下图4-2所示。
写DS1302流程图读DS1302流程图
图4-2DS1302读、写流程图
其中DS1302初始化程序如下：
voidds1302_init（）//1302芯片初始化子函数
{
RST=0;
SCLK=0;
write_1302（0x8e,0x00）;//允许写，禁止写保护
write_1302（0x8e,0x80）;//打开写保护
}
4.1.3环境明暗监测模块软件设计
本单元采用光敏电阻检测环境明暗变化，当光敏电阻感应到光线变化时，将信号传给控制单元进行处理，再由控制单元控制路灯的开、关。
光敏电阻软件流程图如下图4-3所示。
图4-3光敏电阻软件流程
其中部分程序如下：
if（!
pr）
{
LED1=0;
LED2=0;
}
4.1.4按键控制模块软件设计
按键控制模块主要是实现时间以及设定值LOW和HIGH的调节，SET键用于模式的选择。
按键模块软件流程图如下图4-4所示。
图4-4按键模块流程图
4.1.5液晶显示模块软件设计
液晶显示模块采用LCD1602液晶显示器，LCD1602液晶显示器也需要初始化，其初始化流程图如下图4-5所示。
图4-5液晶显示器初始化流程图
其中液晶初始化程序如下：
lcd_init（）//***液晶初始化函数****
{
write_1602com（0x38）;//设置液晶工作模式，意思：
16*2行显示，5*7点阵，8位数据
write_1602com（0x0c）;//开显示不显示光标
write_1602com（0x06）;//整屏不移动，光标自动右移
write_1602com（0x01）;//清显示
write_1602com（yh+1）;//日历显示固定符号从第一行第1个位置之后开始显示
for（a=0;a<14;a++）
{
write_1602dat（tab1[a]）;//向液晶屏写日历显示的固定符号部分
}
write_1602com（er+0）;//时间显示固定符号写入位置，从第2个位置后开始显示
for（a=0;a<16;a++）
{
write_1602dat（tab2[a]）;//写显示时间固定符号，两个冒号
}
}
5测试与结果分析
5.1总体实物图
实物图如下图5-1所示。
图5-1总体实物图
5.2测试方法与结果
5.2.1时钟设定和定时开关路灯测试
采用独立按键调整并设定系统及开关灯时间，并通过液晶屏实时显示。
测试过程如下：
（1）设定系统当前时刻为01时10分，经秒表测试，120秒后液晶屏显示当前时刻值为01时12分；
（2）系统当前时刻为00时05分，设定LED灯00时06分点亮，00时07分熄灭，经秒表测试，60秒后LED灯点亮，再过60秒熄灭，液晶屏显示正确；（3）系统当前时刻为01时59分，设定LED灯02时00分LED2熄灭，经秒表测试，60秒后LED2熄灭，即此时路灯为隔一盏亮一盏。
另对系统功能的测试结果实物图如下图5-2、5-3、5-4所示。
图5-2早上六点到晚上六点路灯状态图5-3晚上六点到凌晨两点之间路灯状态
图5-4凌晨2点到早上六点路灯状态
上面的三幅图中路灯的开关灯的高、低设定值HIGH和LOW分别是18和6。
图5-2中路灯在早上六点到晚上六点路灯不亮，图5-3中路灯在晚上六点到凌晨两点这段时间一个路灯的灯全亮，图5-4中在凌晨两点到早上六点这段时间，一个路灯的两盏灯只会点亮其中一只。
开关灯时间HIGH和LOW的值（即早上六点灭、晚上六点亮）均可以利用独立按键进行调整.
5.2.2环境明暗检测测试
在定时功能稳定的前提下，将连接主控制器的光敏电阻置于正常光照（阻值约为零点几千欧），LED灯不亮，当遮挡此光敏电阻（阻值约为十几千欧以上），使其所在环境光线变暗时LED点亮，去掉遮挡时LED熄灭。
遮住光敏电阻时，LED灯再次点亮，移开遮挡物时LED灯熄灭，此部分工作正常。
实物效果图如下图5-5所示。
图5-5光敏电阻部分实物效果图
从早上六点到晚上六点之间，若光敏电阻检测到光比较弱就会发送信号给单片机使灯点亮。
5.3测试结果分析
（1）本设计实现了题目所有的要求；
（2）本设计采用的控制器资源有限，如果采用高级的控制芯片，我们会实现更多的控制功能，使系统更完善。
（3）考虑到作品的性价比，外观设计尚有不足之处，应该进一步改进，使其更合理美观。
（4）除此之外，本设计采用便宜的硬件，硬件功能通过软件实现，元件数少，可靠性高，成本低廉，性价比高，功能满足设计要求。
结论
本次毕业设计设计是应用单片机技术照明和城市的夜景照明已对路灯进行智能控制，以达到节能减排的目的。
本设计采用单片机为核心控制单元，还包括时钟模块、环境监测模块、按键控制模块、显示模块和路灯模拟模块等模块。
利用DS1302芯片的定时功能实现早晚开关灯；通过光敏电阻对环境的光强反应，如果在白天光线较暗时，单片机将路灯开启；用
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