基于单片机节能路灯毕业设计.docx

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基于单片机节能路灯毕业设计

摘要

本设计完成了以AT89S52单片机和DAC0832数模转换芯片为核心的LED路灯低功耗智能控制装置。

该设计由供电模块、LED恒流驱动电源模块、单片机控制模块、路灯信号检测模块、LCD显示模块、声光报警模块、按键模块、温度感应模块组成。

单片机根据声光传感器对路边状况的检测和时钟芯片DS12C887设置的时间来控制D/A转换芯片,与LED恒流驱动共同实现LED路灯亮度的自动调节，通过控制继电器实现LED路灯的开关，并用二极管组成保护电路。

开灯、关灯时间以及即时时间动态显示。

当路灯出现电路故障时，还会出现声光报警。

论文详细论述了控制系统的组成、相关硬件和软件的设计、工作原理。

重点介绍了如何运用AT89S52控制DAC0832芯片实现LED驱动电路。

矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

关键词恒流驱动；电路故障；液晶显示；保护电路；声光控制

Abstract

ThecoreLEDstreetlamplowpowerconsumptionintelligentcontroldeviceiscompletedwithAT89S52SCMandDAC0832analog-to-digitalconversionchips.Thedesigniscomposedofpowersupplymodule,LEDbyconstantcurrentdrivepowersupplymoduleandsingle-chipmicrocomputercontrolmodule,streetlampsignaldetectionmodule,LCDdisplaymodule,soundandlightalarmmodule,keymodule,temperaturesensingmodule.SCMisaccordingtosoundandlightsensortocurbstatusofdetectionandclockchipDS12C887setuptimetocontroltheD/AconversionchipandLEDconstantcurrentdrivertogethertoaccomplishthestreetlampbrightnessLEDtheautomaticadjustment,throughtherealizationofthecontrolrealyLEDlampswitch,andofthediodeprotectioncircuit.Turnonthelight,turnoffthelightsandinstanttimetogetthetimedynamicdisplay.Whenstreetlightappearedcircuitfault,thedesignalsocanappearsoundandlightalarm.聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

Thecontrolsystemofthecomposition,thehardwareandsoftwareoftherelatedesignandworkprincipleareintroducedinthepaper.AndthemethodofhowtouseAT89S52devicescontrolchiprealizeDAC0832LEDdrivecircuitisemphasized.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

KeywordsConstantCurrentDriveCircuitFaultLCDDisplayTheProtectionCircuitSoundAndLightControl酽锕极額閉镇桧猪訣锥。

第1章绪论

1.1课题来源及研究的目的和意义

当前，世界各国都在积极探索新的发展方式，并着力对相关产业的战略布局进行调整，国际政治经济秩序和竞争规则将会发生一系列深刻变化——以新能源、新材料、生物技术、信息技术等高技术为基础的战略性新兴产业成为世界各国战略部署的重中之重，未来科技发展战略制高点的竞争将更加激烈。

在全球能源短缺、环保要求不断提高的背景下，世界各国均大力发展绿色节能照明和低碳经济。

沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。

低碳经济有三方面的战略意义。

一是低碳经济关联度大，产业链长，对农业、医药、能源、材料、环保等其他产业的发展有较强的带动和诱导作用。

二是有持续稳定增长的潜力，符合未来世界发展的大趋势。

低碳技术与产业具有资源依赖性强、技术通用性强的特点。

资源依赖性强，就为节能环保空间广阔的发展中国家（如我国）提供了实现跨越式发展的难得机遇；技术通用性强，则不易形成市场垄断，而容易实现在不同应用领域的技术转移，当前还没有形成发达国家垄断的低碳科技、低碳质量、低碳产品标准，这就为后发国家提供了实现跨越式发展的可能性。

三是低碳经济的科技含量高，符合生态规律，长远经济效益好。

低碳技术的溢出效应非常广泛，它几乎可以在任何运用物质的产业中转化为生产。

而LED照明作为一种革命性的节能照明技术，低碳技术正在飞速发展。

近年来随着太阳能光伏发电技术和LED照明技术的发展，太阳能LED路灯己进入了城市照明领域。

LED是LightEmittingDiode（发光二极管）的缩写，LED作为照明光源与传统的照明光源相比具有直流低电压驱动、耗电量少、抗振动、寿命长、纳秒级的响应速度、设计空间大、环保；可连续开头闪断，能轻松实现0-100%调光功能等突出优点，被认为是新一代的绿色照明器具。

太阳能LED路灯是以太阳能作为能源，每个路灯均是独立的，安装方便，无需铺设电缆电线，无需交流电能和电费，采用直流供电，光控定时控制，安全可靠，节能，经济，环保，实用[1]。

钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。

1.2国内外在该方向的研究现状及分析

近年来我国大功率LED路灯随着半导体材料应用技术的迅猛发展日趋成熟，产业化应用中，光效达到70--80Lm/w、寿命达到2.5-3万小时，已开始逐步应用到城市道路照明中。

特别是2009年初，为了扩大内需，推动中国LED产业的发展，降低能源消耗，中国科技部推出“十城万盏”半导体照明应用示范城市方案，进一步推动了我国LED路灯技术的发展。

我国LED路灯技术发展迅速但也存在着一些问题主要包括光源、散热以及电源系统。

从光源方面来看现在LED的发光效率无法和高压钠灯相比，LED发光效率有待进一步提升；从散热方面看一是改善光源的排列方式，而是加装主动或被动散热系统；从电源方面来看，LED属于低电压驱动器件，并且需要恒流驱动，不能直接连接交流市电，这就需要对LED路灯的电源系统进行重新设计，电源系统对LED路灯的寿命有重要影响。

目前我国对LED路灯尚未出台国家标准，这也在一定程度上阻碍了LED路灯技术的发展和LED路灯的推广应用[2]。

懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。

近年来，世界各主要发达国家都制定了相应的国家级LED发展计划，以加大研究开发力度。

美国能源部于2000年开始启动国家半导体照明研究计划，即“下一代照明计划”（NGLI），由13个国家重点实验室、公司和大学参与。

总共将投资5亿美元支持计划的实施。

随后，美国能源部负责制定了《半导体照明研究与发展计划》（SSL计划）。

美国五角大楼（美国国防部）、美国联邦储备局（美国的中央银行）这样一些重要机构，已正式开始启用LED灯具。

欧盟委托6个大公司和2个大学，设立了“彩虹计划”。

日本制订了“21世纪光计划”，由13个公司和4所大学参加。

韩国制订了“GaN半导体开发计划”[3]。

謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。

1.3本课题研究的主要内容

LED路灯低功耗智能控制装置的设计，具体要求如下：

1、LED灯的调光电路。

可设定光的亮度（比如晚上19点-24点最亮，24点后改成声控或者中等亮度，6点后关闭），有自动和手动两种调光控制；呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。

2、LED路灯驱动电路的设计。

3、电源模块的设计。

4、LCD显示电路的设计。

可显示亮灯时间等参数；

5、监控电路、报警电路、保护电路以及一些外围电路的设计。

第2章本设计用到的主要元器件

2.1数模转换芯片

本设计用到的数模转换芯片为DAC0832，其内部结构如图2-1示。

图2-1DAC0832结构框图

DAC0832是采用CMOS工艺，可以直接与单片机接口，不需要外加I/O接口芯片，其结构如图2-1所示。

DAC0832是单电源供电，在+5~+15V范围内均可正常工作，基准电压的范围为±10V，电流建立时间为1μS。

莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。

它由三大部分组成：

一个8位输入寄存器，一个8位DAC寄存器和一个8位D/A转换器。

DAC0832器件由于有两个可以分别控制的数据寄存器，使用时有较大的灵活性。

可以根据需要接成多种工作方式。

它的工作原理简述如下。

麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。

在图2-1中，

为寄存器命令。

当

时，寄存器的输出随输入变化；

时，数据锁存在寄存器中，不随输入数据的变化而变化。

其逻辑表达式为

由此可知，当

，

时，

，允许数据输入，而当

时，

，数据被锁存。

能否进行D/A转换，除了取决于

以外，还要依赖于

。

由图可知，当

和

均为低电平时，

，此时允许D/A转换，否则，

，停止D/A转换。

納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。

在使用时可以采用双缓冲方式（两级输入锁存），也可以用单缓冲方式（只用一项输入锁存，另一级始终保持直通的形式）。

因此，这种转换器使用非常方便灵活。

風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。

DAC0832引脚功能

DAC0832有20根引脚，采用双列直插式封装，其引脚排列如图2-2示。

各引脚功能说明如下：

（1）

：

转换数据输入端。

D0是最低位，D7为最高位。

（2）

：

片选信号，低电平有效。

（3）

：

数据锁存允许信号，高电平有效。

（4）

：

写信号1端，低电平有效。

当

为低电平时，用来将输入数据传送到输入锁存器；当

为高电平时，输入锁存器中的数据被锁存；当ILE为高电平，又必须

和

同时为低电平时，才能将锁存器中的数据进行更新。

以上3个控制信号构成了第一级输入锁存。

灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。

（5）

：

写信号2端，低电平有效。

该信号与

配合，可使锁存器中的数据传送到DAC寄存器中进行转换。

图2-2引脚图

（6）

：

数据传送控制信号，低电平有效。

与

配合使用，构成第二级锁存。

（7）

：

电流输出1端，当DAC寄存器中各位全为1时，电流最大；而各位全为0时，电流为0。

（8）

：

电流输出2端，在电路中作用为保证

。

在单极性输出时，

常接地。

（9）

：

反馈电阻端，为外部运算放大器提供一个反馈电压。

可由内部提供，也可由外部提供，片内集成的电阻为15KΩ。

铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。

（10）

：

参考电压输入端，要求外部接一个精密的电源。

当

为±10V时，可获得满量程四象限的可乘操作。

（11）

：

数字地。

（12）

：

模拟地。

这是两种不同的地，在同一块电路板上，如果同时有模拟和数字信号元件时，一般把所有模拟信号元件的地端接在一起，所有数字信号元件的地端接在一起，最后再将模拟地与数字地用一根导线连接在一起。

这样可以防止模拟信号与数字信号相互干扰攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。

2.252单片机

本设计用到的单片机是AT89S52，它是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（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。

趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。

2.2.1AT89S52的特点

（1）40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器；

（2）128bytes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；夹覡闾辁駁档驀迁锬減。

（3）2个全双工串行通信口，看门狗电路，片内时钟振荡器。

（4）AT89S52设计和配置振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。

（5）和80C51插座兼容。

89系列单片机的引脚与80C51单片机的引脚顺序是一样的，所以，当需要用89系列的单片机代替80C51时，只需要见封装相同就可以进行代换。

偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。

（6）静态时钟方式。

89系列的单片机采用静态时钟方式，可以有效的节约电能，这对于降低产品的功耗节约成本十分有利。

緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。

（7）可进行反复的系统实验。

用89系列单片机设计的系统，可以反复进行试验，每次试验可以输入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优状态，而且根据用户的不同需要进行修改，从而使系统能不断满足用户的最新需要。

騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。

2.2.2管脚说明

图2-3单片机引脚图

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平，可用作输入口，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉电阻的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址。

　　镞锊过润启婭澗骆讕瀘。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口驱动4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚内部上拉电阻被拉高，且作为输入口。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉电阻的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

　　榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入口。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（TTL）这是由于上拉电阻的缘故。

P3.0RXD（串行输入口）、P3.1TXD（串行输出口）、P3.2

（外部中断0）、P3.3

（外部中断1）、P3.4T0（计时器0外部输入）、P3.5T1（计时器1外部输入）、P3.6

（外部数据存储器写选通）、P3.7

（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。

I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。

读端口实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。

只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。

　　嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。

RST：

复位。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期以上的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低八位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外输出脉冲或用于定时。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。

2.3驻极体话筒

驻极体话筒属于电容式话筒的一种，声电转换的关键元件是驻极体振动膜。

当声波输入时，驻极体膜片随声波的强弱而振动，使电容极板间的距离发生变化，引起电容量C发生变化，因为驻极体两侧的电荷来变，因此电容两端的电压（UC=Q／C）发生变化，从而实现了声电转换。

由于振动引起的输出电压的变化量较小，所以要在电容的后面加一个效应管进行放大，提高话筒的灵敏度，同时场效应管还可以与音频放大器匹配。

如图2-4示劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。

（a）外形图（b）内部结构图

图2-4驻极话筒的外形和内部结构图

2.4光敏电阻

光敏电阻器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。

如图2-5示。

臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。

图2-5光敏电阻的工作原理图

2.5电磁继电器

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，产生电磁效应，衔铁会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器“常开、常闭”触点，可以这样来区分：

继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

如图2-6示。

鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。

（a）工作原理图（b）外形图

图2-6继电器的工作原理图和外形图

2.6时钟芯片

本设计用到的时钟芯片是DS12C887，其具有高精度，保存时间久等优点上。

具体介绍如下:

（1）器件特性

DS12C887实时时钟芯片功能丰富，可以用来直接代替IBMPC上的时钟日历芯片DS12887，同时，它的管脚也和MC146818B、DS12887相兼容。

由于DS12C887能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，其内部又增加了世纪寄存器，从而利用硬件电路解决子“千年”问题；DS12C887中自带有锂电池，外部掉电时，其内部时间信息还能够保持10年之久；对于一天内的时间记录，有12小时制和24小时制两种模式。

在12小时制模式中，用AM和PM区分上午和下午；时间的表示方法也有两种，一种用二进制数表示，一种是用BCD码表示；DS12C887中带有128字节RAM，其中有11字节RAM用来存储时间信息，4字节RAM用来存储DS12C887的控制信息，称为控制寄存器，113字节通用RAM使用户使用；此外用户还可对DS12C887进行编程以实现多种方波输出，并可对其内部的三路中断通过软件进行屏蔽。

（2）引脚功能

DS12C887的引脚排列如图2-7示。

穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。

图2-7DS12C887引脚图

各管脚的功能说明如下：

GND、VCC：

直流电源，其中VCC接+5V输入，GND接地，当VCC输入为+5V时，用户可以访问DS12C887内RAM中的数据，并可对其进行读、写操作；当VCC的输入小于+4.25V时，禁止用户对内部RAM进行读、写操作，此时用户不能正确获取芯片内的时间信息；当VCC的输入小于+3V时，DS12C887会自动将电源发换到内部自带的锂电池上，以保证内部的电路能够正常工作。

MOT：

模式选择脚，DA12C887有两种工作模式，即Motorola模式和Intel模式，当MOT

接VCC时，选用的工作模式是Motorola模式，当MOT接GND时，选用的是Intel模式。

SQW：

方波输出脚，当供电电压VCC大于4.25V时，SQW脚可进行方波输出，此时用

户可以通过对控制寄存器编程来得到13种方波信号的输出。

AD0～AD7：

复用地址数据总线，该总线采用时分复用技术，在总线周期的前半部分，出

现在AD0～AD7上的是地址信息，可用以选通DS12C887内的RAM，总线周期的后半部分出现在AD0～AD7上的数据信息。

AS：

地址选通输入脚，在进行读写操作时，AS的上升沿将AD0～AD7上出现的地址信

息锁存到DS12C887上，而下一个下降沿清除AD0～AD7上的地址信息，不论是否有效，

DS12C887都将执行该操作。

DS/RD：

数据选择或读输入脚，该引脚有两种工作模式，当MOT接VCC时，选用

Motorola工作模式，在这种工作模式中，每个总线周期的后一部分的DS为高电平，被称为数据选通。

在读操作中，DS的上升沿使DS12C887将内部数据送往总线AD0～AD7上，以供外部读取。

在写操作中，DS的下降沿将使总线AD0～AD7上的数据锁存在DS12C887中；当MOT接GND时，选用Intel工作模式，在该模式中，该引脚是读允许输入脚，即ReadEnable。

R/W：

读/写输入端，该管脚也有2种工作模式，当MOT接VCC时，R/W工作在Motorola模式。

此时，该引脚的作用是区分进行的是读操作还是写操作，当R/W为高电平时为读操作，R/W为低电平时为写操作；当MOT接GND时，该脚工作在Intle模式，此时该作为写允许输入，即WriteEnable。

CS：

片选输入，低电平有效。

IRQ：

中断请求输入，低电平有效，该脚有效对DS12C887内的时钟、日历和RAM中的

内容没有任何影响，仅对内部的控制寄存器有影响，在典型的应用中，RESET可以直接接

VCC，这样可以保证DS12C887在掉电时，其内部控制寄存器不受影响。

隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。

2.7本章小结

本章主要介绍了LED路灯控制电路中用到的关键性元器件。

包括数模转换芯片DAC0832及其工作原理、驻极体话筒以及其工作原理、光敏电阻及其工作特性、电磁继电器、时钟芯片DS12C887及其工作原理和51单片机的详细介绍。

浹繢腻叢着駕骠構砀湊。

第3章硬件电路的原理与设计

3.1概述

本设计由7模块组成，它们分别是：

供电模块、AT89S52单片机控制模块、LED灯恒流驱动电源模块、路灯信号检测模块、声光报警模块、按键模块、