路灯控制系统的设计.docx
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路灯控制系统的设计
毕业论文（设计）
BACHELORDISSERTATION
论文题目：
路灯控制系统
学位类别：
工学学士
学科专业：
作者姓名：
导师姓名：
完成时间：
中文摘要
随着我国经济的快速发展，电力消费也随之快速地增长。
最近几年，快速增长的电力能源消耗量要比经济的显著增长更加明显。
随着目前我国工业的发展，电力设备的老化，导致电力紧张已是社会普遍现象。
而城市化的加快又需要更多的照明路灯。
由于电力资源已成为紧缺资源，如何节能降耗已成为近年来研究的热点课题。
本文介绍了一种智能路灯控制系统的设计：
以STC89C52单片机为中心控制器，由按键调整、时钟、检测和液晶显示等电路模块组成。
系统利用光敏电阻和AD转换器检测环境的明暗程度，从而实现对路灯的自动控制。
系统将实时时间和灯的设定时间、灯的故障信息用液晶显示出来，出现故障的同时进行声光报警。
实验表明，智能路灯节能控制系统可明显的提高路灯的用电效率，改善率因素，在节约能源、电力资源合理利用的今天，该装置有着十分广阔的社会和商业前景。
关键词：
智能路灯控制;STC89C52;光敏电阻
ABSTRACT
WiththerapiddevelopmentoftheChineseeconomy,electricpowerconsumptionalsorisesfleetly.Inrecentyears,therisingspeedofelectricpowerconsumptionishigherthanthatofeconomydevelopmentremarkably.Withtherapiddevelopmentofindustryandagingelectricalequipmentthelassofpowerisnodoubtnowadays.Butthedevelopmentofcitiesneedmorepowerofelectricityforstreetlamp.Electricpowerresourcehasbecomeveryscanty.Hence,howtoeconomizeenergysourcesandreducewastagehasbecomeahotproblemresearchedinrecentyears.
Thispaperintroducesanintelligentstreetlamp－controlsystemdesign:
MCUSTC89C52isitscorecontroller,anditconsistsoftheblocksofkeyboardinput,clock,testingandLCDdisplaying．ThesystemmakesuseofphotoresistorandADtotestthebrightnessofenvironmentsoastoachievetheautomaticcontroloflamps.Therealtime,thesettimeandtheerrormessagearedisplayedonLCD.Italsoalarmsbythewayoflightandsoundwhensomelampsfails．
Experimentsshowthattheintelligentsystemofenergy-savingandcontrollingstreetlampcansignificantlyimprovethestreetlamps'electricityefficiencyandimprovetheratefactorinenergynowadays,whileisconservationandrationalutilizationofpowerresources,thedevicehasaverybroadsocialandbusinessprospects.
Keyword:
intelligentstreetlamp－control;STC89C52;photoresistor
第一章前言
1.1问题的提出
近年来，随着经济的发展和汽车的逐渐普及，城市道路照明的重要性日益增大。
研究表明，良好的道路照明可减少约30%的夜间交通事故。
所以，保证道路照明设备的有效性与安全性，得到了越来越多的重视。
此外，城市亮化工程也是城市现代化建设的重要内容，为营造优美舒服的投资环境，提升城市形象，我国城市照明工程发展迅猛，从而大大增加了城市的用电量，导致政府承担巨大的财政支出，同时也加剧了我国日趋紧张的能源供需矛盾。
随着国家“节能法”的颁布实施和我国“十一五”规划的要求，节约能源已纳入社会可持续发展战略的重要内容，利在当代，功在千秋。
随着路灯照明规模的不断扩大，传统的技术方式下管理部门的维护成本也高速增长。
因此，提高路灯系统的管理水平，在满足城市道路照明要求的同时，实现智能化得节能照明，在客观上有迫切要求，也是解决城市美化与能源紧张最佳选择。
目前国内绝大部分的城市和地区路灯照明控制采用光控、时间控制及单点电子控制，维修管理采用人工巡查及群众反映等传统方式，由于缺乏科学有效的监控管理手段，白天大面积亮灯，夜间大面积不亮灯现象经常发生，往往不能及时发现和处理，不但造成电力资源、人力资源的浪费，提高了系统的运行成本，又给市民的生活带来不便。
智能化道路照明系统能够根据不同区域的不同功能需求，在每天不同时段、不同自然光照度或者不同交通流量情况下，按照特定的设置，实现对道路照明的动态智能化管理，即TPO管理（TIME时间／PLACE地点／OCCASION场合）。
智能化道路照明控制系统，通过综合考虑和分析与道路照明密切相关的时间、路段、环境照度和交通流量等因素的场景控制方法，在微机中按照预设的控制策略，对道路照明进行动态智能化管理，控制路灯在不同情况下工作在不同状态实现多样化的道路照明场景，从而在提高照明质量的同时获得最佳的节能效果。
1.2问题研究的目的及意义
根据上节所述内容，本课题的研究目的在于设计出一种路灯控制系统，能够有效解决现阶段路灯照明存在的不足，其意义在于：
第一，为城市交通提供一种科学有效的方案，保证路灯照明的有效性和安全性；第二，有效利用电力资源，尽量避免电力资源的浪费；第三，提高了城市基础设施管理水平，在改善城市道路照明质量的同时，节省人力财力物力。
1.3国内外研究现状
1.3.1国外研究现状
照明节能问题很早就引起了国外很多国家特别是西方发达国家的重视，也曾尝试过各种方案。
欧盟非常重视照明节能，并在此方面做了一系列工作：
第一，大力推行用紧凑型荧光灯替代白炽灯。
1998年欧洲有70%的室内照明灯仍然使用球形白炽灯，若直接替用可节电约60%以上。
为此欧盟在1998年采用让家用灯泡贴标签的方法，该标签上写明以下内容：
以A到G字母分级的效率分档标记，A级最好，G级最差不节能。
第二，在非居室内推行节能措施。
比如对镇流器和灯具提出能效要求，不符合要求者将被强制退出市场等。
美国节能产品法令禁止销售低效的镇流器，并规定2005年前所有正在销售的镇流器必须是电子的。
同时，大力推广节能产品，并且有许多优惠方法鼓励民众购买节能产品。
日本大藏省曾要求在工厂、办公室和道路上进行间隔点灯得实验，结果导致生产率和办公效率降低以及治安、道路交通事故的大幅上升，不到一年的时间就在一片反对声中放弃了。
显然，这种消极的节电是不可取的。
今年来，国际节电研究界提出了一种新思想“在保证照明效果下点着灯节电”，这是发达国家道路照明系统的重要设计思想。
最近，澳大利亚发布了路灯标准AS/NZS1158，该系列标准由6个标准及相关标准组成。
没个标准使用于多种类型的灯，每一类所要求的性能由灯得技术参数给出。
该标准除了对定光闪烁作了长期限制外，还考虑了环境方面的问题。
国外照明节能技术的发展具有以下特点:
（1）大力推动绿色照明，在光源的材料，使用规范上加以有效管理，出台了一系列的标准和管理要求，将照明节能推广到全民范围；
（2）不断提高功率器件性能要求，主要体现在镇流装置上技术提高。
通过对镇流器技术改进来提高照明设备的功率因素；
（3）积极推广节能奖励政策，鼓励民众节能，节电，建立了完善有效的奖励机制。
1.3.2国内研究现状
我国对照明节能产品和方法的研究起步较晚，但发展非常迅速。
“中国绿色照明工程”提出，要在保证照明的前提下，推广高效照明器，研究新的节能照明方法，提高电能利用率。
目前我国市场上有多种路灯节能控制产品，能达到一定节能效果，但就功能和效果上还不能尽如人意，主要有以下几类情况：
（1）采用自耦变压器及磁饱和电抗器的降压技术。
其不足是由于反应速度较慢，用电高峰时电压降到非稳定区，容易造成灯光闪灭，不能自动调节，同时如果电压突然升高，则不能避免灯具受到市电的瞬时高压冲击，对灯具的保护能力较差；相对来说稳压功能较差。
针对于磁饱和电抗器来说，除了上述不足外，其效率也普遍偏低。
（2）采用电子器件构成的可控硅式设备。
该设备主要采取简单的相控技术，不足之处是原件易发热烧坏，由于采用相控技术产生谐波污染电网，使荧光灯及气体灯小停闪动，减损灯具寿命及相关附件的使用寿命，降低照明质量，不绿色环保，国家相关规定已明令禁止使用这种无功补偿技术设备。
以系统节电滤波形式，主要是净化电网，补充无功功率，补偿电网，而对于有功电度表计量系统，缺少实际节电效果。
对于新的节能方式的研究和使用，各个城市也做出了自己的尝试并受到了较好的效果。
北京市路灯原来在每台变压器都装了一个编好程序的控制仪，按照日出和日落的时间控制路灯的亮灭。
但是，碰到阴天和雨、雪、雾的天气，有时候天已经很黑了，路灯却没有亮。
改造以后的路灯不是在每天固定的时刻亮灭，而是根据天黑和天亮的情况亮灭。
上海市路灯监控系统于1993年开始研制，是一个覆盖全市的计算机监控系统，具有遥测、遥信、遥控功能，用于上海市区重要道路路灯及配电设施的监控。
系统目前监控端数量是130套，通讯方式以无线为主，有线、无线相结合，采用国际电工委员会IEC870-5规约。
主站系统采用WINDWSNT操作系统、专用工控平台、SQL数据库和WEB浏览方式。
广州市采用了RDD-3000城市照明集中监控系统。
它兼容有线和无线通讯方式，可实现遥测、遥信、遥控功能，运行方式灵活可靠，可按本地的经纬度自动控制灯具开或关，远方遥测运行参数，提高路灯管理水平和亮灯率，自动报告运行故障，并准确指出故障路段，提高故障抢修速度，并提供运行分析报告。
运行人员在控制中心可以设定一年365天的开关等时间，还可以实现多种灵活的运行模式，如半夜灯模式、雷雨模式、台风模式灯运行方式。
由此可以看出，路灯节能的重要已经成为各国政府和民间组织的共识。
在目前能源紧张的大环境下，路灯照明节能的提出适应了时代发展的要求，有着广阔的科研与经济前景。
我们应参考国内外各种优秀的照明节能方案，结合城市道路的实际情况来开展智能路灯照明节能系统的研究，达到有效照明与节能的目的。
1.4论文的研究内容与目标
本文针对目前路灯照明中存在的问题，结合国内外各种路灯节能的研究成果，设计了一种基于STC89C52单片机芯片控制的新型智能路灯节能系统。
论文研究的主要内容：
（1）基于STC89C52单片机芯片控制路灯系统的结构设计；
（2）路灯智能控制系统的硬件设计；
（3）路灯智能控制系统的软件设计；
（4）路灯智能控制系统的整体实验设计及其研究；
1.5本章小结
本章为论文的绪论部分，是全文的纲领，主要从课题的研究背景、研究目的及意义、国内外的研究现状几个方面初步探讨了智能路灯节能控制系统。
本系统是在工业发展和城市化进程日益加快，能源消耗加大的背景下提出的节能系统，目的在于通过对路灯系统的研究，提高我国路灯照明系统的改进和发展、达到安全照明、节能的社会效应和经济效应。
第二章系统总体方案的设计
2.1总体方案的设计
系统总体设计方案：
以STC89C51单片机为中心控制器，由按键调整、时钟、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；利用光敏电阻和模数转换芯片PCF8591检测环境的亮度，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）。
另外，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）进行声光报警。
2.2系统结构图的设计
根据上一节的总体设计，系统结构如下图1所示：
图1系统结构图
第三章路灯器件硬件电路的设计
3.1中央控制器模块设计
STC89C51是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
单片机总控制电路如下图2所示：
图2单片机总控制电路
3.1.1时钟电路
STC89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图3（a）所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。
外部方式的时钟电路如图3（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
RXD接地，TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路
图3时钟电路
3.1.2复位及复位电路
（1）复位操作
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。
除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表1所示。
表1一些寄存器的复位状态
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TCON
00H
ACC
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0-P3
FFH
SCON
00H
IP
XX000000B
SBUF
不定
IE
0X000000B
PCON
0XXX0000B
TMOD
00H
（2）复位信号及其产生
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。
若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
产生复位信号的电路逻辑如图4所示：
图4复位信号的电路逻辑图
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图5（a）所示。
这佯，只要电源VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的，其电路如图5（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图5（c）所示。
（a）上电复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位
图5复位电路
上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。
本系统的复位电路采用图5（b）上电复位方式。
STC89C51具体介绍如下：
①主电源引脚（2根）
VCC（Pin40）：
电源输入，接＋5V电源
GND（Pin20）：
接地线
②外接晶振引脚（2根）
XTAL1（Pin19）：
片内振荡电路的输入端
XTAL2（Pin20）：
片内振荡电路的输出端
③控制引脚（4根）
RST/VPP（Pin9）：
复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG（Pin30）：
地址锁存允许信号
PSEN（Pin29）：
外部存储器读选通信号
EA/VPP（Pin31）：
程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
④可编程输入/输出引脚（32根）
STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。
PO口（Pin39～Pin32）：
8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7
P1口（Pin1～Pin8）：
8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7
P2口（Pin21～Pin28）：
8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7
P3口（Pin10～Pin17）：
8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7
STC89C51主要功能如表2所示。
表2STC89C51主要功能
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
8K可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功能
3.2时钟芯片模块设计
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:
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.
下面将主要的性能指标作一综合:
（1）实时时钟具有能计算2100年之前的秒分时日日期星期月年的能力还有闰年调整的能力;
（2）318位暂存数据存储RAM;
（3）串行I/O口方式使得管脚数量最少;
（4）宽范围工作电压2.05.5V;
（5）工作电流2.0V时,小于300nA;
（6）读/写时钟或RAM数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式;
（7）8脚DIP封装或可选的8脚SOIC封装根据表面装配;
（8）简单3线接口;
（9）与TTL兼容Vcc=5V;可选工业级温度范围-40+85;
（10）与DS1202兼容;
（11）在DS1202基础上增加的特性;
（12）对Vcc1有可选的涓流充电能力;
（13）双电源管用于主电源和备份电源供应;
（14）备份电源管脚可由电池或大容量电容输入;
（15）附加的7字节暂存存储器;
3.2.1DS1302的基本组成和工作原理
（1）DS1302的引脚功能排列及描述如图6所示。
图6DS1302引脚图
管脚描述
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
DS1302串行时钟芯片8脚DIP
DS1302S串行时钟芯片8脚SOIC200mil
DS1302Z串行时钟芯片8脚SOIC150mil
（2）DS1302的内部结构图如图7所示。
各引脚的功能为:
1.Vcc1：
主电源；Vcc2：
备用电源。
当Vcc2>Vcc1+0.2时，由Vcc2向DS1302供电，Vcc22.SCLK：
串行时钟，输入，控制数据的输入与输出。
3.I/O：
三线接口时的双向数据线。
4.CE：
输入信号，在读、写数据期间，必须为高。
该引脚有两个功能：
第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。
图7DS1302内部结构图
（3）DS1302具有的几组寄存器
1.DS1302有关日历、时间的寄存器一共有12个，其中有7个寄存器（读时81h-8Dh，写时80h-8Ch），存放的数据格式为BCD码形式，如表3所示。
小时寄存器（85h、84h）的位7用于定义DS1302是运行于12小时模式还是24小时模式。
当为高时，选择12小时模式。
在12小时模式时，位5是第一个10小时位，当为1时，表示PM。
当为低时，选择24小时模式。
在24小时模式时，位5是第二个10小时位。
秒寄存器（81h、80h）的位7定义为时钟暂停标志（CH）。
当该位置为1时，时钟振荡器停止，DS1302处于低功耗状态；当该位置为0时，时钟开始运行。
控制寄存器（8Fh、8Eh）的位7是写保护位（WP），其它7位均置为0。
在任何对时钟和RAM的写操作前，WP位必须为0。
当WP位为1时，写保护位防止对任一寄存器的写操作。
2.DS1302的突发模式寄存器
所谓突发模式是指一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。
突发模式寄存器如表4所示。
表4工作模式寄存器
工作模式寄存器
读寄存器
写寄存器
时钟突发模式寄存器
CLOCKBURST
BFh
BEh
RAM突发模式寄存器
RAMBURST
FFh
FEh
3.2.2DS1302与单片机STC89C51的系统连接分析
DS1302与单片机STC89C51的硬件连接电路图如图8所示。
图8DS1302与单片机STC89C51的硬件连接电路图
3.3模数转换模块设计
3.3.1I2C总
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