模拟路灯控制系统设计.docx
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模拟路灯控制系统设计
摘要
路灯照明对人们的日常生活有着很重要的作用，路灯照明系统的好坏直接影响到人们夜晚出行的安全。
中国的路灯控制系统老旧，效率低，浪费能源过多。
路灯系统控制方式落后，无法远程控制开关灯时间，缺乏设备故障检测和报警系统。
急需升级改善。
单片机拥有卓越的控制能力，已经广泛应用在很多领域。
基于单片机的智能路灯控制系统可以改变中国路灯现状，使得路灯的管理变得简单、可靠，能节约更多的电能，能使人们更加安全的出行，减少因路灯控制系统不完善而引起的交通事故。
因此，设计一款智能路灯控制系统具有非常重要的意义。
文章介绍了模拟路灯控制系统的两大组成部分，即硬件系统和软件系统。
硬件系统以AT89S52单片机为主控芯片，由实时时钟芯片DS1302产生实时系统时间，由LCD1602液晶显示屏显示菜单、提示和实时时间等信息，使用独立式键盘调整切换功能菜单、设置开关灯时间等，采用光敏电阻检测环境的明暗情况，使用反射型红外光电传感器检测交通情况，配合蜂鸣器和LED灯实现故障报警。
软件系统包含系统监控程序模块、显示程序模块、键盘程序模块、实时时钟程序模块，环境检测程序模块、报警程序模块、交通检测程序模块，设定路灯开关时间程序模块等。
通过在proteus软件中模拟仿真调试，实现了课题规定的功能和性能指标要求，设计成果具有一定的推广应用价值。
关键词：
路灯控制；AT89S52；DS1302；LCD1602
ABSTRACT
Streetlightinghasaquitesignificantimpactonpeople'sdailylife,thequalityofthestreetlamplightingsystemdirectlyaffectsthesafetyofpeopleatnight.Inchina，streetlampcontrolsystemisold-style,lowefficiencyandwastetoomuchenergy.Themodeofstreetlightcontrolsystemisbackward,itcan’tremotelycontrolswitchlightsintime,andlackequipmentinfaultdetectionandalarmsystem,whichisbadlyinneedofupgrading.MCUhasexcellentcontrolability,whichhasbeenwidelyusedinmanyfields.BasedonMCUintelligentlightingcontrolsystemcanchangethestatusofChinesestreetlighting,thestreetlampmanagementbecomessimpleandreliable,whichcansavemoreenergy,makepeoplemoresafetravelandreducetrafficaccidentscausedbydefectivestreetlampcontrolsystem.Therefore,itisgreatcrucialtodesignaintelligentstreetlampcontrolsystem.
Thispaperintroducesthetwocomponentsoftheanalogstreetlampcontrolsystem,namelythehardwaresystemandthesoftwaresystem.ThemaincontrolchipofhardwaresystemistheAT89S52microcontroller,real-timesystemtimeisproducedbythereal-timeclockchipDS1302,theinformationofmenu,promptandrealtimeisdisplayedontheLCD1602,hardwaresystemuseaseparatekeyboardtoadjustorswitchfunctionmenuandsetthetimeswitchlights,photosensitiveresistancetomeasurethebrightnessofenvironment,andthereflectiontypeinfraredphotoelectricsensortodetecttrafficsituation,withthebuzzerandLEDlamprealizesfaultalarm.Softwaresystemincludessystemmonitormodule,displaymodule,keyboardmodule,real-timeclockmodule,environmentdetectionprogrammodule,alarmmoduleprogram,trafficdetectionprogrammodule,setthestreetlampswitchtimeprogrammoduleandsoon.
BysimulatinganddebugginginProteusSoftware,thefunctionandperformancerequirementoftheprojectareachieved,andthedesignresulthascertainapplicationvalue.
Keywords:
streetlampcontrol;at89s52;ds1302;lcd1602
1绪论
1.1课题的背景及意义
路灯照明对人们的日常生活有着很重要的作用，路灯照明系统的好坏直接影响到人们夜晚出行的安全。
过去的几十年里，中国的经济发生了天翻地覆的变化，中国的路灯数量逐年上升，数量庞大，但是国内路灯的控制系统老旧落后，国家应该高度重视这种现状。
由于中国人口基数和人口密度大，辽远的公路总长度，中国已经是路灯总数量全球最多的国家之一。
2012年路灯总数量已经达到3000多万盏，随着国家对公路安全的重视不断加强，每年的增长速度很快，到2016年，路灯的数量之多可想而知。
就路灯照明而言，耗电量就几乎占全国照明总用电量的三分之一[1]。
良好的交通道路照明可以给国民生活提供安全的环境，但是，由此产生的问题也很严峻，首先，路灯数量多导致能源的使用逐年增加，而且使道路路灯的维护更加困难，维护人员和维护费用增加，政府的财政支出花销增多，光源污染现象严重，问题的出现给社会带来了不利影响，亟待政府出台政策解决问题[2]。
中国的路灯控制系统老旧，电能使用效率低，浪费能源过多。
中国路灯系统的控制方式落后，无法远程控制路灯点亮和熄灭的时间，而且缺乏设备故障检测和报警系统，急需升级改善。
单片机拥有卓越的控制能力，已经广泛应用在很多领域。
基于单片机的智能路灯控制系统可以改变中国路灯现状，使得路灯的管理变得简单、可靠，能节约更多的电能，能使人们更加安全的出行。
因此，设计一款智能路灯控制系统具有非常重要的意义[1]。
相比国内的路灯控制系统，国外的路灯控制系统有着很大的优势，国外的科技很新颖独特。
国外将RFID、互联网、物联网等技术用于路灯控制系统。
有些发达国家，将RFID技术运用到路灯控制系统中，在公路旁边安装RFID读卡器，在汽车上安装RDID电子标签，设计了一款智能路灯自动控制系统，可以对路灯进行智能控制，不仅能够节约能源，而且管理路灯系统更加有效率。
2015年，美国洛杉矶与荷兰PHILIPS公司达成合作协议，计划将洛杉矶10万盏以上的路灯全新升级，将它们统一添加到一个无线网络中。
如果发现路灯出现问题，管理者想要控制它们的开关状态，只须在电脑前打开浏览器就可以成功控制路灯，在飞利浦的无线网络系统中，用户通过地图能查看到全城路灯的详细状况，包括每一盏路灯的型号和使用状态。
管理者使用鼠标对路灯操作，就可以实现打开或关闭城市路灯并且可以控制路灯的亮暗。
PHILIPS公司设计的系统使用非常方便，可以给人们的夜行提供良好的环境。
从国内外的路灯系统的发展比较，国外的科技真的很先进，中国应该努力的学习国外的科技和设计思路，提高中国自身的科技力量，从而提升中国的国民生活质量。
以MCU为控制核心的智能路灯控制系统可以显著改善中国道路路灯控制系统,不但可以达到智能化控制，使路灯控制系统的管理更加有效率，而且还能降低了运行成本，除此之外，智能的路灯控制系统可以很好的节约能源，减少对环境的影响，提高人们的日常生活质量，减少因路灯系统不完善而发生的事故[4,5]。
因此，智能路灯控制系统的全面使用，使路灯控制系统的管理更简便可靠，提高服务效率，使城市的市容市貌更美丽，道路交通环境更安全。
1.2设计的主要工作
模拟路灯控制系统的设计的特点是，能显示实时时间，能定时点亮和熄灭路灯，能根据环境明暗自动点亮和熄灭路灯，能根据交通情况自动点亮和熄灭路灯，并且能检查故障。
设计的系统可控制性很好，比较智能化，操作简单，容易上手。
要想设计好模拟路灯控制系统，系统最关键的就是设计控制模块和检测模块。
首先，设计系统的核心就是要挑选一个合适，控制能力又强的控制模块，需要查询相关的资料，确定用那种芯片作为系统的主控模块。
然后设计检测模块，包括环境检测和交通情况检测，根据设计的要求，确定所有的检测元器件，设计好完整的检测电路。
系统还需要能够显示实时时间，设定路灯点亮和熄灭的时间，因此，要设计实时时钟电路，显示电路和按键输入电路。
系统还要求，当路灯出现故障时，系统能过自动的发出声光报警，所以需要设计者设计声光报警电路。
当设计好了硬件电路图后，设计的主要工作就是要设计各个模块的软件程序。
软件系统包括系统监控程序模块、液晶显示程序模块、独立键盘程序模块、DS1302时钟程序模块，环境检测程序模块、声光报警程序模块、交通检测程序模块、设定路灯开关时间程序模块等。
当两者都设计完成之后，就需要可以进行仿真或者实物制作，期间，需要不断的调试软件和硬件电路，最后实现课题规定的功能和性能指标要求。
以上就是整个设计的主要的工作。
2设计思想与方案
2.1设计思想
首先根据课题的设计要求，查找翻阅相关资料，确定系统的各个模块，确定模块后，再去选择各个模块需要的电子元器件，可以在Proteus仿真软件中先设计好原理图，再完成系统的软件设计。
在Proteus中仿真，当所有的功能都能实现时，然后就可以设计硬件原理图，可以根据硬件原理图做出实物，再通过反复的调试，实现设计要求的功能，最后整理设计的相关材料，编写课题说明书。
设计的思路主要硬件电路系统与软件系统设计。
硬件系统包括主控模块电路、电源电路、晶振电路、复位电路、下载电路、独立按键电路、路灯电路、液晶显示电路、DS1302时钟电路、交通监测电路、明暗环境监测电路、声光报警电路、故障监测电路等；软件系统是针对设计的各个模块编写相应的模块程序。
其中包含系统监控程序、液晶显示程序、独立键盘程序、DS302时钟程序，环境检测程序、声光报警程序、交通检测程序，设定路灯开关时间程序等模块。
2.2设计方案
设计模拟路灯控制系统有很多种方法，可以用高度集成的FPGA控制芯片来设计，也可以采用单片机技术实现模拟路灯控制系统的设计，两者都有各自的优势和特点，首先来介绍基于FPGA控制芯片设计的系统方案。
方案一：
FPGA控制芯片是一种集成度非常高的芯片，使用FPGA设计系统，非常的灵活，它可以支持在线修改的功能，随时修改软件系统设计，但是不用修改任何硬件电路，它能解决定制电路的缺陷，可以肯定的是，FPGA可以设计任何数字电路。
基于FPGA的模拟路灯控制系统需要设计一些外围的电路，其中包括环境检测电路、故障检测电路、交通检测电路、声光报警电路、按键电路、显示电路和路灯电路等。
基于FPGA芯片设计的系统框图如图1所示。
方案二：
单片机技术使用的范围非常广，已经应用与很多领域，单片机最突出的特点就是控制能力非常强悍，芯片响应速度快，同时也是高度集成的一种芯片，集成了模数转换器、串口、定时器、中断、看门狗等外设，使得设计系统很方便，能达到很好的效果。
系统可以使用AT89S52单片机为主控芯片，由实时时钟芯片DS1302产生实时系统时间，由LCD1602液晶显示屏显示菜单、提示和实时时间等信息，使用独立式键盘调整切换功能菜单、设置开关灯时间等，采用光敏电阻检测环境的明暗情况，使用反射型红外光电传感器检测交通情况，配合蜂鸣器和LED灯实现故障报警[6]。
所以硬件电路设计包括AT89S52主控芯片、电源电路、晶振电路、复位电路、下载电路、独立按键电路、路灯电路、显示电路、时钟电路、交通监测电路、明暗环境监测电路、声光报警电路、故障监测电路等。
基于单片机设计的系统框图如图2所示。
图1基于FPGA芯片设计的系统框图
图2基于单片机设计的系统框图
根据上述两个方案的介绍，各有优点，但是考虑到设计系统的成本和适用性，单片机有着天然的优势，单片机价格便宜，功耗低，易于控制，可靠性高，开发更加容易，而FPGA价格昂贵，不适合模拟路灯控制系统的设计，所以选用方案二。
3硬件系统的设计
3.1主要元器件介绍
3.1.1AT89S52单片机
模拟路灯控制系统的设计是以AT89S52为主控芯片。
AT89S52是一款高度集成、低功耗、控制能力非常强的8位控制芯片，是由Atmel公司生产，使用可编程的Flash存储器，容量高达8KB,拥有256字节数据存储器，与80C51单片机完全兼容。
除此之外，文章采用的AT89S52是PDIP40封装，具有40个引脚，多达32个可用的双向I/O口，而且内部资源丰富，具有系统异常可以复位的看门狗定时器，6个中断源（2个外部中断源，一个串口中断源，3个定时/计数中断源），3个可以定时计数的16位定时器/计数器，其中一个定时器T2可以捕捉外部信息，1个全双工异步串行通信口，内部还有自带的晶振和时钟电路[7,8]。
另外，AT89S52兼容汇编和C语言编程，C语言程序具有高度移植性，使得开发工作更简便。
AT89S52芯片的管脚分布图如图3所示。
图3AT89S52芯片的管脚分布图
3.1.2DS1302芯片
由于Ds1302具有高性能、低功耗、稳定的实时时间计时能力等特点，所以文章选用DS1302产生系统所需的实时时钟。
DS1302由美国DALLAS公司研发生产，它可以对时间和日期进行准确的计时，识别年份是否为闰年，工作电压为2.5伏特～5.5伏特[9]。
DS1302内部有31字节数据寄存器，可以临时存放接收的数据。
DS1302只有8个引脚，采用三根线信号线（SCLK、IO、RST）与CPU进行同步通信，Vcc1接外部后备电源，可以使用3.6V的电池，VCC2外接主电源，电压2.5V以上，当主电源切断的情况下，在后备电源的供电下，芯片同样可以保持时钟正常的运行，不会丢失数据，具有掉电保护的作用，安全性能好。
1脚和2脚是时钟源接口，需要外接32.768kHz晶振，在内部电路作用下进行32768分频，可以产出精确的1秒时基。
RST是复位/片选线，当RST为高电平使能所有的数据传送，使能单片机对DS1302进行读写操作。
在数据传送过程中，一旦RST突变为低电平，整个数据传送将被停止，除此之外，当且仅当SCLK是低电平的时候，RST才能变成高电平，I/O引脚为传送数据口，双向传输数据（双向），SCLK引脚作为芯片的同步时钟输入口，通过这个引脚，DS1302能与其他芯片进行同步通信，只有当SCLK是上升沿的时候，I/O口才能接受的到外部传送过来的数据[10]。
DS1302的引脚功能图如图4所示。
图4DS1302的引脚功能图
3.1.3LCD1602液晶显示屏
LCD1602液晶显示屏具有良好的显示字符功能，所以文章选用它来作为显示时间、提示等信息，相比数码管显示器，它更容易控制，更加稳定。
LCD1602液晶显示屏是一种广泛应用于工业生产的字符型液晶，总共可以显示32个字符，是一块由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成点阵型液晶屏，可以用来显示符号、数字、字母等。
1602代表16X2,也就是可以显示32个字符，每行显示16个字符，总共两行[11]。
只需要控制LCD1602的3根引脚的时序就能使LCD正常显示数据，RS=0，RW=0,可以往LCD写入指令或者显示地址，RS=1，RW=0可以可以往LCD写入显示的数据，当E脚出现下降沿，数据和命令就能被接收或发送，从而显示数据。
LCD1602基本技术参数为：
显示容量:
2行，每行16个字符
芯片正常工作电压:
4.5～5.5伏特
工作电流:
2毫安
液晶显示最佳时工作电压:
5伏特
LCD1602液晶显示屏各个引脚解释如表1所示:
表1LCD1602液晶显示屏各个引脚解释
编号
符号
引脚解释
编号
符号
引脚解释
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
下面介绍各个引脚的功能。
第1脚：
VSS为电源地。
第2脚：
VDD接5V电源正级。
第3脚：
VL是用来对屏幕亮度对比度进行调整的接口，当置高电平时对比
度最差，接低电平时，对比度最好，如果对比度太高，会产生重影，
可以通过电位器调整对比度，一般采用10K。
第4脚：
RS是功能选择口，被置高电平，代表传输数据，被置低电平，传
输控制命令字。
第5脚：
R/W是用来传送读写信号的接口，被置高电平代表可以进行读操作，
被置低电平代表可以进行写操作。
第6脚：
E端是使能端，当E为下降沿的时，LCD才能读取单片机发送过来
的数据和命令。
第7～14脚：
用来同单片机相接线，传输双向数据的信号接口。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
LCD1602实物图如图4所示。
图4LCD1602实物图
3.1.4光敏电阻
光敏电阻的特点是当光照强度变大，其电阻会减小，光照强度变小，电阻会增大，光照强度小的时候，暗电阻会高达1～5M欧姆，光照强度大的时候，亮电阻才50K欧姆左右，这说明光敏电阻的灵敏度很好，可以比较准确的检测出环境的变化。
所以文章采用GL3547光敏电阻检测环境明暗情况。
GL3547的亮电阻为50K～100K，暗电阻高达5M欧姆。
光敏电阻与200K欧姆电阻串联分压接入LM324，当光线变弱时，光敏电阻变小，使得LM324的输出为低电平，单片机可以读取低电平，执行相应的操作，整个原理就是光敏电阻将光信号转化成了电信号，从而得到环境的变化情况。
如果设计的项目有光控功能需求，可以使用光线强度较亮的白炽灯模拟，缩短开发的时间[12]。
光敏电阻的实物图如图5所示。
图5光敏电阻的实物图
3.1.5红外光电传感器
文章设计的模拟路灯控制系统采用红外光电传感器ST178检测交通环境情况。
它的特点有三个，采用灵敏度高的光电晶体管和发射功率高的红外光电二极管组成，检测距离为4-10mm，采用非接触检测方式[13]。
ST178的工作原理是，当有物体靠近ST178时，它的输出为低电平，没有物体遮挡时，它的输出为高电平，单片机可以观察ST178的输出，从而得出交通的变化。
ST178的实物图如图6所示。
图6ST178的实物图
3.1.6LM324电压比较器
LM324是带差分输入的标准运算放大器，可以减少共模干扰，与其他的运算放大器对比，占有一定的上风。
LM324的工作电压为3V到32伏，静态电流为普通运放的静态电流的20%[14]。
当去掉LM324内部的反馈电阻时,LM324可以用作电压比较器，电压比较器的输出是一种高低电平组成的矩形波，相当于数字信号，而输入确实模拟信号，所以LM324广泛用于数字电子技术中，它的原理是当同相输入端信号大于反相输入端信号时，其输出为低电平，当小于反相输入端时，其输出为高电平[15]。
LM324的实物图如图7所示，LM324的电路图形符号如图8所示。
图7LM324的实物图图8LM324的电路图形符号
3.2硬件单元电路的设计
3.2.1AT89S52单片机最小系统
单片机最小系统是由单片机芯片、复位、晶振、电源、下载等电路组成。
单独一个单片机芯片是不能完成控制任务的，需要电源电路给芯片供电，除此之外，还需要晶振电路给单片机提供时钟源，单片机才能工作，当单片机芯片死机的时候，需要复位电路复位单片机。
因而对于系统的设计，首先要设计单片机的最小系统。
（1）AT89S52控制芯片电路部分：
AT89S52控制芯片电路如图9所示。
图9AT89S52控制芯片电路
（2）电源电路部分：
模拟路灯控制系统的各个模块正常工作必须引入稳定的供电电压，才能使各个模块能过驱动其他外围电路，文章设计的模拟路灯控制系统需要+5V的供电电压，所以需要设计直流稳压电源，文章设计的直流稳压电源是由变压器、整流、滤波、稳压等四部分电路组成。
首先，通过电源变压器（12V输出20w）将交流电压220V降压成12V左右交流电压，然后通过整流桥（2W102A/1000V）整流变成波动的直流电压，因为波动的直流电流还存在很大的文波，所以需要用滤波电路除去它，文章使用电容滤波（470μF和0.1μF）消除波动的直流成分，可以得到比较平整的直流电压，但是平整的直流电压还会随着电网电压的波动、负载和温度的变化而波动[16]。
为了解决问题，文章通过稳压芯片（LM7805）输出稳定的+5V直流电压，为了知道电源是否接通，在电源输出端接了一个发光二极管，串联470Ω电阻防止烧坏发光二极管。
电源电路如图10所示。
图10电源电路
（3）晶振电路部分：
晶振相当于单片机的心脏，在单片机系统里的作用非常大，它结合自己内部的电路，可以产生单片机必需的时钟驱动，单片机执行的所有指令都是建立在时钟基础上的，晶振谐振的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快[17]。
通常单片机系统共用同一个晶振，可以保证单片机系统各个模块同步。
文章设计的晶振电路是通过在AT89S52的XT1、XT2引脚上接入12MHz的石英晶振，外加两个电容（33PF）组成的电路，为单片机提供时钟信号。
晶振电路如图11所示。
图11晶振电路
（4）复位电路部分：
所有的单片机系统设计,都要设计系统的复位电路，当系统出现死机时，复位电路可以使系统初始化。
一个良好的复位电路可以提高系统的稳定性和可靠性，单片机上电后就会自动复位，复位系统的设置和初始化所有参数[18]。
单片机复位分为按键复位和上电复位，当出
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