路灯控制系统的设计毕业设计.docx

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路灯控制系统的设计毕业设计

路灯控制系统的设计

摘要

随着中国经济的快速发展，人类对电力能源的需求日益增大，电力资源日益缺乏。

因此如何节能降耗已成为近几年来人们关注讨论和研究的话题。

本文研究的路灯控制系统是针对我国城市在路灯照明的控制方面产生的巨大能源消耗和浪费而开发出的新的智能型的路灯控制系统。

本文详细介绍了该系统的设计与实现。

本文详细介绍并分析了以单片机芯片AT89S52、时钟芯片DS1302、光敏电阻为主要部件的硬件电路和在以keil软件为主要编程环境的软件部分。

通过时间控制和环境参数控制相结合的方法去控制路灯。

实现随着光照强度的大小和在一定时间段内路灯都有着的不同表现，午夜路灯间隔开以节省电源，光照很足时路灯全部自动断开不工作等功能。

实验表明，该路灯控制系统是一种智能型控制系统。

电力资源既能够得到合理利用也不会影响人类的交通安全。

随着社会的发展，路灯控制系统会得到更广泛的应用。

关键词：

路灯控制、单片机、时钟芯片、光敏电阻

Abstract

WithChina'srapideconomicdevelopment,humanelectricitydemandgrowing,thepowerresource-scarce.Therefore,howenergyconsumptionhasbecomeatopicofdiscussionandresearchattention.

Inthispaper,thestreetlightcontrolsystemforstreetlightingintheChinesecitiescontroltheenormousenergyconsumptionandwasteandtodevelopnewintelligentstreetlightscontrolsystem.Thispaperdescribesthedesignandimplementationofthesystem.ThispaperintroducedandanalyzedinsinglechipAT89S51,clockchipDS1302,photosensitiveresistanceasthemaincomponentsofhardwarecircuitryandwithkeilasthemainprogrammingenvironmentsoftware.Timecontrolandtheenvironmentthroughthecombinationofparametercontrolmethodstocontrolthelights.Asthelightintensitytoachieveacertainperiodoftimethesizeandallhavedifferentperformancelamps,nightlightsspacedtosavepower,lightisenoughtoautomaticallydisconnectwhenthelightsdonotworkallthefunctions.Experimentsshowthatthestreetlightcontrolsystemisanintelligentcontrolsystem.Powercanbebothrationalutilizationofresourceswillnotaffectthesafetyofmankind.Withthesocialdevelopment,streetlightingcontrolsystemwillbemorewidelyused.

Keywords:

streetlightingcontrol,single-chip,clockchips,lightresistance

第一章绪论

随着社会的不断发展，人类的生活水平不断提高，电力能源已经成为人们日常生活中不可缺少的部分。

展望未来，再用50年的时间，在本世纪中叶我国基本实现现代化，使人民享有更高的物质与精神文明。

这一宏伟目标能否顺利实现，在相当大的程度上取决于电力能源在未来50年稳健的发展。

在我国电力能源应用方面，城市路灯所消耗的能源占用了很大的比重。

据不完全统计，城市公共照明在我国照明耗电中占30％的比例。

目前，全国660多座城市约有各种路灯400万盏，为了提高路面亮度，若平均每盏灯增加50W。

则共需增容20万千瓦，全年多耗电约7亿千瓦时由于多增加光源、灯具、灯杆等照明设施，带来的初次购置费及日常的维护费也会明显增加。

从绿色照明角度考虑，多发出7亿千瓦时的电力，增排的二氧化碳和二氧化硫等有害气体对空气质量会产生巨大的影响，将破坏空气质量，不利于环保。

但是城市的发展离不开路灯照明，它服务于交通安全和人们的生活，美化了城市容貌，为创造良好的投资环境起着举足轻重的作用。

随着我国经济的快速发展，城市市政建设步伐加快，城市道理照明工程建设受到越来越多的重视．而在城市夜晚变得灯火辉煌、绚丽多彩的同时，电能消耗也逐年攀升。

作为城市道路的路灯照明，一方面耗能增大，另一方面维护量也增大。

因此如何采取节能技术，降低城市公共照明能耗，成为人们关注讨论和研究的问题。

1.1路灯控制器系统设计的意义

目前各大城市的交通路灯的能源利用率存在一个普遍的问题，这就是路灯的能源利用率不高，我国小型城市在夜晚9点后，我国大中型城市在午夜12点后，道路上几乎空无一人，可城市照明从这一时段直至清晨6点路灯熄灭。

即使是在北京、上海等大城市的繁华地点，凌晨2点以后，道路上也是人烟稀少。

在这样低交通流量的道路上仍然保持较高的照度是明显没有必要的。

因此，设计出一种智能型的路灯控制系统是相当重要的，它不但要求能够在节能的同时也要求对人们的出行和对城市的发展没有大的影响。

本设计是以单片机AT89S51、时钟芯片DS1302、光敏电阻为主要控制单元的硬件电路，采用了时间控制和环境参数控制相结合的控制策略。

实现了路灯定时开关，根据天气情况光照强度决定路灯的开启，午夜12点以后路灯隔着开启。

此控制系统大大节省了电力资源使其充分利用，具有可靠、使用寿命长、稳定性高、价格便宜的特点，能满足路灯控制的需要，具有广泛的应用前景。

1.2路灯控制器系统设计的前景

跟传统的路灯控制系统相比，传统路灯控制系统就是采用人工控制，到了一定时间就拉电开启路灯，到了一定时间关闭路灯，完全是人工控制路灯的开关。

一个国家路灯市场规模与当地道路长度与种类、国民生活水平有关。

理论上道路长度愈长、愈宽、重要道路（如高速公路）比率愈高，路灯需求数量将随之增长。

不过路灯需求与实际装置数量，会受到国民生活水平影响。

国民生活水平愈高国家，民众对于道路使用频率与道路安全要求越高，相对的路灯装置数量也较多。

中国基本上是能源缺乏国家，随着经济发展，能源供给问题更加严重。

2008年10月中国政府启动“公共机构节能条例”，要求各级政府单位应当将节能产品、设备纳入政府集中采购目录，并严格监控能源消耗状况。

同时，也公布了“民用建筑节能条例”规定建设单位应当选择合适的可再生能源，用于采暖、制冷、照明和热水供应等。

正因为这两项法规的实行，提供地方政府采购LED等相关节能产品的法源依据。

虽然国家积极地在倡导节能环保也采取了许多措施，例如采用人工控制手动进行开关灯的工作，还有采用定时控制的措施：

天天定时开定时关不论气候季节变化，还有的在夜晚降低路灯的供电电压使其变暗来减小能源消耗。

这些控制方式明显存在着较大的问题，人工控制不仅浪费了人力资源，而且还容易引起不必要的安全隐患。

定时控制存在着在天气不好或季节变化天黑的早或晚的情况下光照条件没得到及时改善。

降低供电电压会影响路灯的使用寿命和出行安全。

所以说，设计出一个智能型的路灯控制系统在社会会有个广泛的应用前景。

第二章路灯控制系统设计的总体方案

本设计以单片机芯片AT89S52、时钟芯片DS1302、光敏电阻为主控单元的硬件电路和以keil软件为编程环境下的软件部分组成。

采用了时间控制和环境参数控制相结合的策略，实现了光照不好的情况下路灯自动开启、深夜路灯隔着开启、白天路灯熄灭停止工作、随着季节的变化改变路灯的开关时间等功能。

光测电路部分。

一年四季天气状况都在不断变化着，天气情况的变化影响着光照强度的变化，我们希望在光照强度不够好时路灯能自动开启。

因此我们需要一个传感器来感应光照强度从而做出相应变化，光敏电阻是一种很优良的感应光照强度的传感器。

时钟电路部分。

天气的变化是不可预测的，因此有时我们有时需要根据每个季节的天黑的迟早人工的去修改预先设定的时间控制路灯的开关，从而我们会使用到专用的时钟芯片。

最后可以由单片机系统对这两部分进行不同的控制。

根据以上分析以及设计要求得出本设计硬件构成框图如图2-1所示：

图2-1硬件构成

硬件电路主要由光照信号测量电路和时钟信号测量电路组成，它们均通过单片机去对数码管显示和路灯开关进行控制，从而达到预想的要求。

第三章路灯控制系统的硬件设计

整体硬件设计原理图见图3-1

该设计电路主要通过单片机和按键对时钟芯片DS1302进行时间设置控制路灯的开关时间，和通过光敏电阻感应外界的光照情况从而控制路灯的开关，还有构成复位和晶振电路对该系统进行初始化和起振电路让其运行，通过电阻和三极管驱动路灯点亮，再经过单片机后通过驱动器SN7404驱动数码管显示时间。

路灯断电后，充电电池给时钟芯片DS1302供电让其继续工作，让时间继续走下去，等其再次通电后，时间显示当前时间。

根据当前时间路灯会作出不同的响应。

下面就对硬件的各个部分进行详细的分析

3.1光照信号测量电路的设计

光照信号测量电路如图3.1.2所示：

图3.1.2

该电路主要由光敏电阻和比较器LM358组成。

电路中有两个分压电路，其中R1和光敏电阻组成一个，R2和滑阻组成另外一个。

在光照强度正好达到需要打开路灯的时候，调节电位器R3，使比较器LM358同向端（3脚）电压等于反相端（2脚）电压，由于光敏电阻会随着光照强度的变化而改变电阻值，当光照强度高时，光敏电阻的阻值就会降低，就会引起LM324的（2脚）电压变小，低于所设定的（2脚）电压，使输出端（1脚）输出高电平；当光照强度低时，光敏电阻的阻值就会变大，就会引起LM324的（2脚）电压变大，比较器LM324中（2脚）电压高于（3脚）电压，（1脚）脚输出低电压。

从而输出端（1脚）上的高低电平的改变，就能反应为光照亮暗的变化。

进而作为单片机的一路输入信号，控制路灯的点亮和关闭。

输出端连在单片机P1.3口上。

LM358:

LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。

LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

LM358的特性：

特性（Features）：

＊内部频率补偿。

＊直流电压增益高（约100dB）。

＊单位增益频带宽（约1MHz）。

＊电源电压范围宽：

单电源（3—30V）；双电源（±1.5一±15V）。

＊低功耗电流，适合于电池供电。

＊低输入偏流。

＊低输入失调电压和失调电流。

＊共模输入电压范围宽，包括接地。

＊差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。

＊输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）

参数

输入偏置电流45nA

输入失调电流50nA

输入失调电压2.9mV

输入共模电压最大值VCC~1.5V

共模抑制比80dB

电源抑制比100dB

引脚图如图3.1.3所示：

图3.1.3

光敏电阻：

光敏电阻器（photovaristor）又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。

光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。

光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

设计光控电路时，都用白炽灯泡泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

光敏电阻的工作原理：

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。

通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。

在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。

光照愈强，阻值愈低。

入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。

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。

光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。

半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。

光敏电阻的特性：

一温度特性光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大，当温度升高时，它的暗电阻会下降。

温度的变化对光谱特性也有很大影响。

因此，有时为了提高灵敏度，或为了能接受远红外光而采取降温措施。

见图3.1.4

图3.1.4

二伏安特性伏安特性在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。

图3-5为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。

由图可见，光敏硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线电阻在一定的电压范围内,其I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关,而与电压、电流无关。

图3-5硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线图

三光谱特性光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性,亦称为光谱响应。

图3-6为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。

对应于不同波长,光敏电阻的灵敏度是不同的。

从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域,常被用作光度量测量（照度计）的探头。

而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区,常用做火焰探测器的探头。

图3—6光敏电阻的光谱特性

3.2时钟信号测量电路的设计

时钟信号测量电路如图3.2.1所示：

图3.2.1

时钟信号测量电路主要由时钟芯片DS1302和晶振组成,通过按键对时钟芯片进行时间设置从而去控制路灯的开关时间，由2个电容和晶振构成的晶振电路在整个系统工作时起起振作用。

DS1302与CPU的连接仅需要三条线，即SCLK（7）、I/O（6）、RST（5）。

DS1302与CPU连接的电路原理图3.2.1所示。

 Vcc2 在单电源与电池供电的系统中提供低电源并提供低功率的电池备份。

 Vcc2 在双电源系统中提供主电源，在这种运用方式下 Vcc1连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。

DS1302由 Vcc1或 Vcc2 两者中的较大者供电。

当 Vcc2 大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。

当 Vcc2 小于 Vcc1时，DS1302由 Vcc1供电。

DS1302时钟芯片是该电路最主要的器件，现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、DS1307、PCF8485等。

这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。

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:

1RES复位,2I/O数据线,3SCLK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。

DS1302是由DS1202改进而来,增加了以下的特性。

双电源管脚用于主电源和备份电源供应Vcc1,为可编程涓流充电电源附加七个字节存储器。

它广泛应用于电话传真便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。

一DS1302的结构及其引脚功能：

DS1302的结构

DS1302的引脚功能：

X1X232.768KHz晶振管脚

GND地

RST复位脚

I/O数据输入/输出引脚

SCLK串行时钟

Vcc1,Vcc2电源供电管脚

二

（1）DS1302的控制字

DS1302的控制字如图3.2.2所示。

控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据;位5至位1指示操作单元的地址;最低有效位（位0）如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。

图3.2.2

（2）DS1302的数据输出口I/O

在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。

同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。

（3）DS1302的寄存器

 DS1302有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式,其日历、时间寄存器及其控制字见表1。

此外，DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。

时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。

DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：

一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0H～FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH（写）FFH（读）。

DS1302的内部寄存器

CH:

时钟停止位存器2的第7位12/24小时标志

CH=0振荡器工作允许bit7=1,12小时模式

CH=1振荡器停止bit7=0,24小时模式

WP:

写保护位寄存器2的第5位:

AM/PM定义

WP=0寄存器数据能够写入AP=1下午模式

WP=1寄存器数据不能写入AP=0上午模式

TCS:

涓流充电选择DS:

二极管选择位

TCS=1010使能涓流充电DS=01选择一个二极管

TCS=其它禁止涓流充电DS=10选择两个二极管

DS=00或11,即使TCS=1010,充电功能也被禁止

3.3单片机控制部分

3.3.1AT89S52的介绍

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S52具有如下特点：

40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

AT89S52的引脚图如图3.2.1.1所示

图3.2.1.1

AT89S52的引脚介绍：

外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号第二功能

P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5MOSI（在系统编程用）

P1.6MISO（在系统编程用）

P1.7SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

引脚号第二功能

P3.0RXD（串行输入）

P3.1TXD（串行输出）

P3.2INT0（外部中断0）

P3.3INT0（外部中断0）

P3.4T0（定时器0外部输入）

P3.5T1（定时器1外部输入）

P3.6WR（外部数据存储器写选通）

P3.7RD（外部数据存储器写选通）

RST:

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/PROG：

地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在flash编程时，此引脚（PROG）也用