设计基于51单片机智能光控节能灯的设计毕业论文设计.docx

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设计基于51单片机智能光控节能灯的设计毕业论文设计

【关键字】设计

编号:

毕业论文（设计）

题目基于51单片机智能光控节能灯的设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

德州学院毕业论文（设计）开题报告书

院（系）

机电工程系

专业

自动化

姓名

学号

论文（设计）题目

基于51单片机智能光控节能灯的设计

一、选题目的和意义

随着社会文明的不断发展，城市照明已经不仅仅局限于街道的照明，而更是发展成为了城市景观等装饰性照明的综合市政工程。

本系统采用51单片机和相关的光电检测设备来设计智能光控路灯控制器，利用单片机可编程控制八位逻辑I/O端口实现路灯的智能化，达到节能、自动控制的目的,避免了传统电路对能源的浪费，且路灯的自动控制更方便了工作人员的管理。

而且所用的路灯采用LED灯，众所周知，LED是目前最为节能的发光元件，通过采用LED发光可以节省大量的电能，因此，智能光控节能路灯必将在未来得到广泛的应用。

本设计方案采用光线强度、时间以及道路车流量的三重模式控制，在很大程度上做到了“随需而控”，同时符合了当今社会所倡导的节约型、可持续性发展的标准，因而拥有良好的可行性和具有很大的实用价值。

二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势

当前，全球的环境在日益恶化，各国都在发展清洁能源。

而随着国民经济的高速增长，我国能源供需矛盾日渐突出，电力供应开始存在着严重短缺的局面，节能是所急需解决的问题。

城市路灯照明的现状普遍存许多的问题，如浪费太大、光源污染等等。

因此，LED智能路灯将成为道路照明节能改造的最佳选择。

同时，LED照明技术日趋成熟，大功率LED光源已可以满足一般路灯所需的光通量。

中国科技部推出“十城万盏”半导体照明应用示范城市方案，美国的“下一代照明计划”，日本的“21世纪照明计划”，欧盟的“彩虹计划”，韩国的“固态照明计划”，这无疑都是LED照明产品的推广。

综上所述，未来的智能路灯控制必将向着更安全、更环保、更节能、更高效率的方向发展。

三、课题设计方案

系统总体设计方案：

采用AT89S52单片机作为核心控制部件，利用时钟芯片DS1302对路灯进行定时控制，由光敏器件完成环境光照度的采集与路灯故障的检测，并通过LCD显示故障路灯编号，利用光电开关实现车流量的检测，根据环境光强度、车流量大小自动调节路灯亮灭情况，从而实现系统的智能化。

路灯的开关模式为：

23点至次日6点为节能时间段；19点至23点为额定功率运行时间段，路灯在额定功率下全开；其它时间段则根据道路状况来控制路灯亮灭。

本设计由主控单元、电源模块、实时时钟模块、LCD显示模块、环境明暗检测模块、路况监测模块、报警模块、键盘模块等组成，其结构框图如图所示：

四、计划进度安排

确定设计（论文）题目，大量查询资料，完成开题报告；

查询相关资料、进行课题研究，整理资料并细化设计方案；

根据设计方案进行论文设计；

根据修改意见进行修改；

　进一步修改设计（论文）并定稿，准备答辩。

五、主要参考文献

[1]贺一鸣,王崇贵.智能路灯控制系统设计与应用研究[J].现代电子技术，2010

（1）.10

[2]史兆培．城市路灯照明节能技术现状发展趋势[J].中国照明电器，2009（10）.5

[3]刘德营,张志霞.单片机原理与接口技术[M].中国水利水电出版社,2006.7

[4]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社,2006.514～532

[5]赵负图.传感器集成电路手册（第2版）[M].化学工业出版社,2004.45～51

[6]马明建.数据采集与处理技术[M].西安交通大学出版社,2005.9

[7]李东生,张勇,许四毛．Protel99se电路设计教程[M].电子工业出版社,2008.3

指导教师意见及建议：

签名：

年月日

教学单位领导小组审批意见：

组长签名：

年月日

德州学院毕业论文（设计）中期检查表

院（系）：

机电工程系专业：

自动化2013年04月16日

毕业论文（设计）题目：

基于51单片机智能光控节能灯的设计

学生姓名

王杰

学号

2055

指导教师

姚俊红

职称

副教授

计划完成时间：

2013年5月17日

毕业论文（设计）的进度计划：

大量查询资料，完成开题报告；

查询相关资料、进行课题研究，细化设计方案；

根据设计方案进行论文设计；

根据修改意见进行修改；

　进一步修改设计（论文）并定稿，准备答辩。

完成情况：

到现在为止，通过查找资料以及很多与所做设计相关的知识，我已经基本完成整个设计的全部内容，特别是整个设计的每个模块设计，包括单片机控制系统、电源模块、环境明暗检测模块、模块检测模块等主要模块，都进行了仔细的思考。

在绘制电路原理图的过程中，通过绘制设计中所需的电路图，也让我加深了对模电等电路知识的了解，更让我了解并熟悉了protel99se软件的使用方法。

指导教师评议（指出优点和不足，如有其它建议，可另附页）

签名：

年月日

备注：

基于51单片机智能光控节能灯的设计

王杰

（德州学院机电系，山东德州253023）

摘要：

从节约能源的角度出发，提出一个基于51单片机的节能路灯控制系统的设计方案。

采用AT89S52单片机作为核心控制部件，利用时钟芯片DS1302对路灯进行定时控制，由光敏器件完成环境光照度的采集与路灯毛病的检测，并通过LCD显示毛病路灯编号，利用光电开关实现车流量的检测，根据环境光强度、车流量大小自动调节路灯亮灭情况，从而实现系统的智能化。

采用LED路灯，通过恒流源电路进行工作。

由于单片机具有集成度高，处理能力强，可靠性高，结构简单，使用方便，价格低廉的优点，因此在自控工程中被广泛应用。

关键词：

AT89S52；智能；节能；

1引言

1.1路灯系统简介

随着时代的发展，能源的供需矛盾日益突出，节电节能的要求也越来越迫切，传统的城市照明系统的问题越来越显现。

对于城市公共照明系统来说，采用智能化的管理系统是实现能源节约、减少资源浪费、满足人民生活需求的科学解决办法。

本课题正是针对这一社会现状提出的一套智能化解决方案。

系统总体设计方案是以AT89S52单片机为中心控制器，由电源、按键、实时时钟、环境明暗检测、路况检测、液晶显示等电路模块组成。

系统采用了DS1302时钟芯片计时，通过使用光敏电阻和模数转换的方式，提供给单片机光线的数字传感信号来测环境明暗程度，由光电开关对路面车流量进行检测。

由单片机对采集到的时间和环境明暗程度以及路况信息进行判断并处理，通过单片机的采集值来控制路灯的开关和明暗状况，同时检测灯的故障（检测方法与环境明暗的检测相同）实时时间和灯的设定时间、灯的故障信息用液晶LCD1602显示出来，灯出现故障时（该亮时却未亮）进行报警。

设计是由通过光敏电阻外界光信号的强弱以及光电开关检测路况来产生电压信号，再由单片机控制实现路灯的自动启停。

1.2单片机概述

为适应社会发展的需要，微型计算机不断的更新换代，在微型计算机的大家庭中，近年来单片微型计算机异军突起，发展极为迅速。

单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，即把中央处理器（CPU）、随机数据存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时/计数器、输入/输出电路（I/O口）等电路集成到一块芯片上，构成一个完整的微型计算机，并具有独立的指令系统[1]。

单片机不同于单板机，芯片在没有开发出来以前，只具有功能极其强大的超大规模集成电路，如果再赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统。

单片机的使用需要用户了解其芯片的内部结构和相应的指令系统以及其他一些集成电路设计技术和系统设计所需要的理论技术。

在特定的程序控制下，就能使该芯片实现特定的功能。

单片机经过1、2、3、4代的发展，以达到了32位单片机，是目前单片机的顶级产品，具有极高的运算速度。

随着微电子技术和集成电子技术的不断发展，单片机正朝着高集成度、低功耗、低电压、多功能方向发展。

单片机控制系统已基本取代了以前复杂的电子线路或数字电路构成的控制系统，用软件来实现产品的智能化。

现在，单片机的控制范畴无所不在，其应用领域也越来越广泛。

单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它从根本上改变了传统的控制方法和设计理念，向着嵌入式系统方向发展。

随着嵌入式系统的快速发展和在各行各业的深入应用，人们的电子设备的小型化、智能化的要求也越来越高。

在航空航天、机械加工、工程控制、智能仪器仪表、家用电器、通信系统等领域，单片机都正在发生着非常重要的作用。

单片机应用技术业已成为现代电子技术应用领域十分重要的高新技术之一，是电子工程技术人员必备的知识技能，它能使你设计出更具智能化和方便的产品[2]。

单片机及其应用系统之所以能发挥着如此重要的作用，归纳起来有如下的原因：

（1）单片机具有体积小、功能强、价格低、使用灵活等特点，具有明显的优势和广阔的应用前景。

（2）单片机具有独立的指令系统，可以将我们的设计思想充分表达出来，使产品智能化。

（3）系统配置以满足控制对象的要求出发点，使得系统具有较高的性价比。

（4）应用系统通常将程序驻留在片内（外）ROM中，抗干扰能力强，可靠性高，使用方便。

（5）单片机本身并不具备开发能力，一般情况下，需要借助专用的开发工具在相应的开发环境下，进行系统的开发和调试，但最终形成的产品简单实用，成本低，效益高。

（6）单片机应用系统所使用的存储芯片可选用EPROM、EEPROM、OTP芯片或利用掩膜形式生产，便于批量生产和应用。

大多数单片机如51系列，开发芯片和扩展应用芯片相互配套，降低了系统成本。

（7）由于系统小巧玲珑，控制功能强、体积小，便于嵌入被控设备内，大大推动了产品的智能化。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：

中央处理器、存储器和I/O接口电路等。

因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

MCS-51系列单片是众多单片机中的一种，由于它们都是基于8051内核发展起来的，所以称51单片机，而本次设计就是基于51单片机完成的。

1.3选题目的和意义

随着社会文明的不断发展，城市照明已经不仅仅局限于街道的照明，而更是发展成为了城市景观等装饰性照明的综合市政工程。

路灯作为一个城市的照明系统不可分割更无可替代的一部分，在城市照明中发挥着举足轻重的作用，而其所依靠的就是路灯自动控制系统。

路灯控制方式很多，本系统采用MSC-51系列单片机AT89S52和相关的光电检测设备来设计智能光控路灯控制器，利用单片机可编程控制八位逻辑I/O端口实现路灯的智能化，达到节能、自动控制的目的,避免了传统电路对能源的浪费，且路灯的自动控制更方便了工作人员的管理[3]。

因此，智能光控节能路灯必将在未来得到广泛的应用。

本设计方案采用光线强度、时间以及道路车流量的三重模式控制，在很大程度上做到了“随需而控”，不仅仅达到了节约电能节约维护费用的要求，而且在节能的基本要求上达到了设备使用寿命更长、控制方式灵活多样和照明质量更加柔和的效果。

1.4国内外的研究现状和发展趋势

当前，全球的环境在日益恶化，各国都在发展清洁能源。

而随着国民经济的高速增长，我国能源供需矛盾日渐突出，电力供应开始存在着严重短缺的局面，节能是所急需解决的问题[4]。

城市路灯照明的现状普遍存在浪费严重的问题。

LED照明技术日趋成熟，大功率LED光源已可以满足一般路灯所需的光通量。

一般的高压钠灯的光通量是100LM/W，常用的大功率LED是50-60LM/W，用国外最好的LED芯片可以达到80LM/W，发光效率越高，意味着节能效果越好，这也是选择LED路灯最重要的指标之一[5]。

中国科技部推出“十城万盏”半导体照明应用示范城市方案，美国的“下一代照明计划”，日本的“21世纪照明计划”，欧盟的“彩虹计划”，韩国的“固态照明计划”，这无疑都是LED照明产品的推广，从规模和力度上加速了LED照明产品的升级。

2系统硬件设计

2.1单片机控制模块设计

2.1.1AT89S52概述

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系统内可编程Flash存储器，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，看门狗定时器，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式[6]。

图1AT89S52引脚图

如图1所示为AT89S52的引脚图,各管脚功能如下:

VCC：

AT89S52电源正端输入，接+5V。

VSS：

电源地端。

XTAL1：

单芯片系统时钟的反相放大器输入端。

XTAL2：

系统时钟的反相放大器输出端。

RST：

AT89S52的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作。

ALE/PROG：

表示地址锁存器启用信号。

P0：

端口0是一个8位漏极开路双向输入输出端口。

P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。

P1：

端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。

P1端口的第二功能如下表1所示：

表1P1端口的第二功能

引脚号

第二功能

P1.0

T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5

MOSI（在系统编程用）

P1.6

MISO（在系统编程用）

P1.7

SCK（在系统编程用）

P2：

端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。

P3：

端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，同时还具有额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制等功能。

P3端口的第二功能如下表2所示：

表2P3端口的第二功能

引脚号

第二功能

P3.0

RXD（串行输入）

P3.1

TXD（串行输出）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器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）

PSEN：

外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。

EA/VPP：

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。

为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。

2.1.2时钟电路

时钟电路是计算机的心脏，单片机必须在时钟的驱动下才能工作，它控制着计算机的工作节奏。

51单片机片内有一个高增益的反相放大器，反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，由该放大器构成的振荡电路和时钟电路一起构成了单片机的时钟方式。

当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。

当其外接晶振，就能构成自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

单片机内部时钟电路如图所示，此电路在上电大约延迟10ms后振荡器起振,在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号，其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。

电路中两个电容C1,C2的作用有两个，一是帮助振荡器起振，二是对振荡器的频率进行微调。

C1,C2的典型值为30pF，这时内部震荡方式所得的时钟信号稳定性比较好。

　　图2时钟电路

2.1.3复位电路

在单片机应用系统处于工作状态时，除了进入系统正常的初始化之外，由于程序操作错误或运行出错，而使系统处于死锁状态，为了摆脱困境，也需要采取复位以重新启动系统。

AT89S52的复位输入引脚RST为AT89S52提供了初始化的手段，有了它可以使程序从指定处开始执行,即从程序存储器中的0000H地址单元开始执行程序。

AT89S52的复位电路是由外部的复位电路来实现的，复位电路通常有上电复位和按扭复位两种方式，本设计采用的复位方式是上电与按钮复位电路。

复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声。

当振荡器起振后，该引脚上出现2个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平，单片机复位。

如下图3所示，在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出现一定时间的高电平，只要高电平时间足够长，就可以使单片机有效地复位。

除上电自动复位以外，常常需要人工复位，将一个按钮开关S1并联于上电自动复位电路，按一下开关，RST端出现一段时间超过两个机器周期以上的高电平，即使单片机复位。

图3复位电路

2.1.4单片机控制模块电路设计

在整个系统中，单片机控制电路是整个系统的核心模块，负责对其它模块电路采集到的信号等进行处理和加工，并按照之前设定好的指令执行，并将结果传送给相应的执行电路，从而控制整个系统的正常有序进行。

图4单片机控制电路

单片机控制模块电路图如图4所示，HEADER9为一组排针，其6、7、8和9脚作为单片机程序下载的引出端口，通过此接口可实现单片机的在线编程。

其中，RP1、RP2都为阻值为10K的排阻作为上拉电阻，接在P0、P2端口可增加其端口的驱动能力。

由于每个集成芯片要添加一个去耦电容的要求，电容C3作为去耦电容接在VCC和GND之间，起到稳定单片机供电电源的作用，其典型值为0.1uF。

2.2电源模块设计

2.2.1LM7805概述

三端固定输出集成稳压器是一种串联调整式稳压器，它将调整、输出和反馈取样等电路集成在一起形成单一元件，只有输出、输入和公共接地3个引出端，通过外接少量元器件即可实现稳压，使用非常方便，故称三端集成稳压器。

三端稳压器的样子很像普通的三极管,采用TO-220标准封装，内含过流、过热和过载保护电路。

带散热片时，输出电流可达1A。

虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。

三端稳压器作为一种通用线性稳压电源集成电路，因为它具有体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等优势，已经成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种集成稳压器件。

LM7805有以下特点:

（1）输出电流可达1A；

（2）输出电压有：

5V；

（3）过热保护；

（4）短路保护；

（5）输出晶体管SOA保护。

2.2.2电源电路设计

单片机系统电源模块设计是单片机应用系统中的一项重要工作，电源的精度和可靠性等各项指标，直接影响系统的整体性能。

电源模块电路如图5所示，电路是一种输出电压为+5V的稳压电源。

整个电源模块由电源变压器，桥式整流电路D1～D4，滤波电容C4、C5，防止自激电容C6、C7和一只固定式三端稳压器（7805）组成。

电路的工作原理是220V的交流电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1～D4的整流以及滤波电容C4的滤波作用，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不是很稳定的直流电压，此直流电压再经过LM7805的稳压作用和滤波电容C5的滤波作用，此时便在稳压电源的输出端产生了稳定的直流输出电压。

其中H1是+5V电源的引出接口，在此设计中使用排针来作为引出端口。

SW1是电源开关，当它接通时，输出5V电压。

D1为发光二极管，工作电流在3毫安到10毫安之间，导通压降约为0.7Ｖ左右[7]。

所以需要通过阻值为1Ｋ的限流电阻与电源相连，此时的电流约为5毫安，当SW1接通时，D1亮，作为电源接通指示灯。

图5电源电路

2.3实时时钟模块设计

2.3.1时钟芯片DS1302

DS1302是DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，工作电压为2.5V～5.5V，可以通过串行接口与单片机进行通信。

实时时钟/日历电路可以为系统提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每个月的天数和闰年的天数都可自动调整，时钟操作可通过AM/PM标志位决定采用24或12小时时间格式。

此系统采用时钟芯片DS1302计时，DS1302进行初始化后，实时时间可从中读取。

DS1302时钟芯片的优势是可以单独使用，直接连接单片机外围，有自己独立的时钟晶振，精度较高。

当单片机读写时钟值时，死机或断电对其影响较小。

DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时，功耗小于1mW。

DS1302原理图如图6所示：

图6DS1302引脚图

DS1302各引脚功能说明如表3所示：

表3DS1302各引脚功能

X1，X2

32.768kHz晶振引脚

GND

地

RST

复位

I/O

数据输入/输出

SCLK

串行时钟

VCC1

后备电源引脚

VCC2

主电源引脚

DS1302在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。

DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。

X1和X2是振荡源，外接晶振。

2.3.2实时时钟电路设计

DS1302与单片机之间能简单的采用同步串行方式进行通信，仅需用到三个口线：

（1）RES（复位），

（2）I/O（数据线），（3）SCLK（串行时钟）。

RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。

具体电路如图7所示。

BT1为电压值3V的纽扣电池，作为DS1302的备用电源，以保证即使突发性的掉电的情况下也能正常计时。

Y2为一个32.768KHz的晶振。

DS1302的5、6、7端分别同单片机的P2.