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模拟路灯控制系统的设计本科论文
模拟路灯控制系统的设计
摘要单片机是当今智能设计中最常选择的一种元器件之一。
本研究通过使用单片机结合人体感应器，LM393电压比较器，继电器等模块来模拟路灯智能控制。
通过对以上模块原理的分析，了解本课题的设计的要求，进行设计。
该研究用红外热释电处理芯片、单片机、光敏电阻、LM393电压比较器以及继电器来组成路灯控制电路。
它的工作原理是：
通过人体感应器感应人体所发出的红外辐射，当作传感信号，当周围环境光强度不足，且有人出现在感应器的感应范围内时，路灯自动打开；当人离开感应器的感应范围时，程序设计延时10s后，路灯自动关闭。
采用LM393电压比较器，与光敏电阻构成一个电路，用来检测周围环境光的强弱。
再通过与软件设计结合，完成对本研究的设计。
这样有利于节约能源，避免不必要的能源浪费。
采用分单元的设计思想，可以有条理的对系统进行控制。
而且，该设计具有结构简单，控制方便，易于操作，性价比高等优点。
关键词人体感应单片机智能化控制路灯
目录
第一章绪论1
1.1研究的背景及意义1
1.2研究内容2
第二章系统的总体设计3
2.1系统的总体框图设计3
2.2元器件的选择4
第三章系统硬件电路设计5
3.1系统硬件概述5
3.2系统主要控制模块设计6
3.3人体感应模块的设计9
3.4光敏模块的设计11
3.5继电器驱动模块设计14
第四章系统软件的设计16
4.1系统软件总流程设计16
4.2软件设计语言工具（KeilC51）的介绍及使用17
4.3制图与仿真软件（Proteus）的介绍及使用18
第五章 系统的仿真与调试20
5.1系统的程序设计与程序烧录20
5.2系统的仿真22
5.3硬件的调试23
结论25
致谢26
参考文献27
附录A28
第一章绪论
1.1研究的背景及意义
当今社会越来越追求智能控制，高科技应用已经在我们身边普遍流传，现在的电子产品已经围绕在我们的周围，所以智能化技术也应该普遍出现在我们的生活中，其实现在生活中也已经有了多种智能化的产品，比如全自动洗衣机，智能电饭锅等，而且它们都有着一个相同点：
都是用单片机作为控制中心，以其他元器件构成辅助电路，以实现智能化控制。
这些智能化的家用电器和一般的家用电器相比，具有安全性高，使用方便，功能强大，更加节能省电等优点。
随着科学技术及全球经济的提高，人类的生活条件也不断的提高，从而导致全球能源使用增加，而且现在全世界面临着能源危机，能源短缺已经是一个不可轻视的问题。
而这个问题在我国已经频繁出现，并且已经成为一个严重的不能不解决的一个问题。
目前，在我国各省市随处可见道路的改建及扩建，伴随着道路照明的需求也就越来越多，但是现在普遍出现的路灯的开关管理不合理，往往会造成能源的浪费，所以，解决此问题的重要手段就是提高道路的用电效率，加强路灯开关的管理。
现在，国内外已经开始使用灯光的智能控制，但是，对路灯的智能控制并没有完善，依然缺乏，依旧是采用人工控制。
随着道路的扩建及改建，用电负荷必然增加，对路灯的管理不善，造成严重的浪费能源，以及严重的经济损失，这有碍我国的经济发展。
而且，现在科技发达，我们更应该追求自动化、智能化控制，所以路灯的管理向着自动化、智能化方向发展是势在必行的。
所以，我们必须开发使用的路灯智能化、自动化控制。
我国政府已经越来越重视节约能源了。
通过1997年颁布的《中华人民共和国能源法》以及2008年北京奥运会场馆建设的理念：
“科技奥运，人文奥运，绿色奥运”，并且提出了“勤俭办奥运”的方针，这说明了我国政府对节能节约的重视。
对于照明节能，我们可以从以下三个方面入手：
第一、选用高品质电子镇流器或节能型电感镇流器；第二、选用高效节能的电光源和灯具；第三、选用先进的照明控制装置。
现在，全球经济在迅速的发展，能源短缺的问题已经成为了我国经济发展道路中的不得不排除的障碍。
工业生产和人民生活已经离不开电能了。
但是，现在我们身边的电能浪费随处可见，比如，在灯光通明的道路上，却没有一个行人，这就浪费了大量的资源。
所以，对于以上的问题，我们可以设计一个智能化的路灯控制系统，应用于道路，实现节能省电。
目前，我国虽然能源总量充足，但是由于我国人口基数大，所以人均能源量就少，而且耗能又是其他发达国家的数倍。
能源短缺的问题已经围绕着我国的国民经济发展了，并且成为了约束经济发展的关键问题了。
在国内，我们没有足够的节能意识。
马路上没人的时候，路灯也开着的现象普遍存在；而且，路灯的开关由时间自动控制，有时候控制路灯的设备失灵，造成天黑有路人经过时没开灯，或者白天也开灯，这就造成了大量的能源浪费。
对于以上的各种浪费能源的原因，政府部门就应该把提高路灯用电效率和提高路灯管理能力当成主要的措施，所以路灯智能控制系统的设计就是重要的手段。
1.2研究内容
目前智能化技术已经在不断的发展，智能化电器也越来越受我们的青睐，我们可以用单片机作为系统的控制芯片，将硬件设计分为传感器及信号处理部分，智能化的控制路灯。
并且对各部分的功能作出相应的说明，而软件部分是采用模块化结构，在各模块都设计调试完成后再对软件设计部分进行总调。
第一要对路灯照明光强度的标准作一定的了解；第二通过图书馆查询资料，了解环境光强弱与开关灯的关系；第三对控制器电源进行研究；第四按要求设定控制器参数值。
第二章系统的总体设计
2.1系统的总体框图设计
本设计是单片机作为系统控制的核心，其他电路由系统供电电路、人体存在传感器电路、环境光电路、晶振电路及复位电路等组成的。
系统的总框图如图2-1所示：
图2-1 系统的总体框图
路灯智能控制的主要输入参数是周边环境光和是否有人存在的信号等，环境光强度足够大并且达到一定数值时，无论有没有人存在，都不开灯。
如果环境光强度小，并且检测到有人存在时，路灯自动打开。
结合理论和实际实验可以说明这样可以对路灯进行智能化的控制。
人体传感器一般安装在检测得到人活动的范围内，并且活动方向要与传感器中的两个热释元连线方向相垂直，这样可以更有效的采集到人存在的信号。
而路灯控制器只需要安装在道路旁，可以尽量靠近所控制的路灯下，但是必须避免灯光直接照射在控制器上。
2.2元器件的选择
2.2.1单片机的选择
本设计采用STC89C52系列单片机作为路灯智能控制的中央控制芯片；第一，STC89C52系列单片机编写的程序可以用串行口直接下载，步骤简单方便；第二，STC89C52系列单片机的程序语句执行速度快，没有太长的延时时间，有利于系统对硬件的控制；第三，STC89C52系列单片机的工作时所需的工作条件要求不高，工作电压可以在3-5V之间，并且能正常工作；第四，由于在校期间，一直使用STC89C52系列单片机作为各种单片机实验的主控制芯片，个人对其比较熟悉，并且本单片机也符合该研究的要求。
所以，综上所述，该研究选用STC89C52系列单片机，既能满足设计所需，又价格实惠。
2.2.2感应器的选择
人体感应器包括主动式红外传感器和被动式红外传感器两种。
本设计采用的人体感应器是被动式红外传感器，它是利用红外光敏器把人体发出的红外线转换成电信号，并且进行处理，可以把人和其他非动物体区分开来，能够避免由飘落的树叶的物体所产生的误动，所以它具有很强的抗干扰能力，并且监控范围广。
被动式红外传感器包括红外传感器，光学系统和信息处理。
目前有透射式、反射式和折射式与红外传感器配套，其中透射式光学系统的灵敏度最低，探测距离为2-10m；反射式光学系统的灵敏度最高，其探测距离可达25-60m；而折射式是居于两者之间，包含着反射式和透射式的各个特点。
综上，选择被动式红外传感器，其价格实惠，使用简单，最重要的是基本符合本设计要求。
第三章系统硬件电路设计
3.1系统硬件概述
该系统存在着很多的外界环境因素的影响，并且系统中存在着人体传感器，经常会产生很多不稳定，所以在设计过程中要考虑到周边环境对系统的干扰，这个问题可以从线路的布置、设备的安装和元器件的选用等方面进行考虑。
本系统控制器的输入参数是以环境光的强度和人体传感器的感应信号为主的。
既可以通过手动控制，也可以由单片机进行自动控制。
在环境光强度足够大的时候，不管道路上是否有人体存在，都不会打开路灯。
只有在环境光强度不够，道路上有人存在而且被人体感应器所检测到时，路灯自动打开，一直到人走出人体感应器的感应区域后再延时10s后，路灯自动关闭。
本文研究的系统控制器包括软件部分和硬件部分。
其中作为这个系统执行基础的硬件部分主要是提供运行平台给软件程序运行的。
而软件部分则是对从硬件部分传出来的数据、信号进行采集和加工，以达到最后设计所要求的各个功能。
本设计用单片机作为控制系统的核心芯片，系统还包括：
系统供电电路、光敏电路、环境光电路、人体传感器电路以及继电器驱动电路等电路，应用于该设计的元器件有：
单片机、人体感应器、光敏电阻、电压比较器、继电器等，这样构成了一个完整的路灯智能控制系统。
STC89C52单片机作为系统的控制芯片，光敏电阻的作用是用来感应周围环境光强度的强弱，并且将其转换成电压输出，而LM393电压比较器是将光敏电阻输出的电压与设定电压比较，并将比较的结果传送给单片机，人体感应模块识别人体，继电器作为负载的开关。
该设计应用于路灯的控制以及室内灯光的控制，当外界光强度不够大且有人存在时，单片机给继电器一个吸合的指令，从而使继电器自动吸合，给负载供电，路灯自动打开，并且延时一段时间；当外界光强度足够大时，无论人体感应器是否检测到人体存在，继电器不会自动吸合，不会向负载供电，也就是路灯不能自动打开。
可以用此设计来改造现在的路灯控制管理，以达到提高用电效率，节能省电的效果。
3.2系统主要控制模块设计
3.2.1系统主要控制电路
该设计选用STC89C52作为本系统控制器的控制芯片。
该单片机的结构简单、功耗低且性价比高。
可以在编程器上实行数万次以上的闪烁式的电擦写，并且该单片机包括MCS51系列单片机的所有功能。
STC89C52是一种闪烁式可擦除可编程并且带有4K字节的只读存储器，我们称之为单片机。
该器件是由美国ATMEL公司所生产的一种COMS8位微型控制器，具有操作简单，容易编程等优点。
3.2.2单片机的引脚功能
STC89C52单片机的引脚图如下图3-1所示：
图3-1STC89C52引脚图
（1）第40号管脚的VCC是单片机接+5V的电压电源。
（2）第20号管脚的VSS是单片机接外界的接地端口。
（3）第19号管脚的XTL1是单片机的反相放大器和时钟发生器的输入端。
（4）第18号管脚的XTL2是单片机的反相放大器的输出端。
（5）第30号管脚的ALE/PROG：
ALE是单片机提供一个地址锁存信号给CPU，用来访问单片机的外部ROM和外部RAM。
/PROG为该引脚的第二功能，它可以作为编程脉冲的输入端，当在对片内Flash存储器编程的时候
（6）第9号管脚的RST是单片机的复位信号输入端，接高电平时触发。
（7）第29号管脚的/PSEN是单片机片外ROM的读选通信号，接低电平时触发。
3.2.3单片机管脚的主要特性
P0口（第1-8号管脚）：
单片机的P0是一个双向的8位漏级开路的I/O口，其每脚都可以加上8TTL门的电流。
当单片机需要对外部存储器及I/O接口芯片进行展开时，P0口可以作为低八位的地址或者数据总线来对单片机的外部ROM和外部RAM进行访问；P0口有时候也可以作为通用的I/O口供我们使用，但在此之前则需要外加上拉电阻，并且要给端口锁存器输入高电平，即置1处理，这时，可以在P0口加上八个LS型的TTL负载，而且它能驱动此负载。
P1口（第39-32号管脚）：
单片机的P1口是一个专门供用户使用的8位的准双向I/O口，这是一个可以在其端口加上4个LS型TTL负载，并且它能驱动此负载的I/O口，它的内部自带有上拉电阻，此外，P1口还可以作为通用的I/O口，但是，在这之前，要给端口锁存器输入1，即输入高电平。
P2口（第21-28号管脚）：
单片机的P2口是一个8位的I/O口，其内部跟P1口一样都自带着上拉电阻，也可以驱动四个LS型的TTL负载，并且其端口功能也大同小异，最明显的是P2口也可以作为通用的I/O供我们使用，但在当成通用的I/O口前，跟P1口一样，都要给其端口输出锁存器输入高电平，也就是写入1。
当我们在对单片机进行Flash编程和校验时，可以将控制信号和高8位地址信号输入给P2口。
P3口（第10-17号管脚）：
单片机的P3口的管脚跟P1、P2口一样，内部都是自带上拉电阻的双向I/O口，可以传送4个TTL门电流的I/O口。
而且功能也跟P1、P2口差不多，也可以当作通用的I/O供我们使用，也是一样，还需要向端口输出锁存器输入高电平。
但是，P3口也具有一些P0、P1、P2都没有的特殊功能，也就是第二功能：
（1）P3.0和P3.1管脚（第10和11号管脚）的第二功能分别为RXD和TXD，即作为单片机的串行数据输入口和单片机的串行数据输出口；
（2）P3.2和P3.3管脚（第12和13号管脚）的第二功能分别为/INT0和/INT1，即作为单片机的外部中断0输入和单片机的外部中断1输入；
（3）P3.4和P3.5管脚（第14和15号管脚）的第二功能分别为T0和T1，即作为单片机的定时器0外部计数输入和单片机的定时器1外部计数输入；
（4）P3.6和P3.7管脚（第16和第17号管脚）的第二功能分别为/WR和/RD，即单片机的外部数据存储器写选通输出和单片机的外部数据存储器读选通输出。
RST（第9号管脚）：
复位输入。
只要有两个或两个以上的机器周期的的时间向此引脚输入高电平，单片机就可以通过这个RST引脚进行复位了。
如果在正常情况下，此引脚输出的都是低电平，电压＜0.5V。
XTAL1（第19号引脚）：
此引脚有两个功能，分别为片内振荡器和外界时钟源，使用不同功能的时候，此引脚与外界连接的信号不同。
如果连接石英晶体（也就是晶振）和微调电容时，我们使用的是它的片内振荡器；如果它连接的是外部时钟振荡器时，则它此时的功能是外接时钟源。
XTAL2（第18号引脚）：
此引脚与XTAL1的特性基本相同，唯一的不同就是当它没接任何电平和信号（也就是悬空）时，我们使用的是它的外部时钟源功能。
/PSEN（第29号引脚）：
这是单片机的外部ROM的选通信号。
当单片机向外部ROM输送指令的时候，在一个机器周期中，一共触发两次/PSEN。
而如果访问的是外部RAM，就不会触发/PESN。
ALE/PROG（第30号引脚）：
当单片机正常工作时，ALE端口有一频率为时钟振荡器频率的1/6的正脉冲信号输出。
如果，单片机执行如MOVX指令的时候，单片机会丢失一个脉冲。
如果我们不希望此情况发生，我们可以给ALE禁止位输入高电平，就能此类问题出现，但是只要单片机访问的是外部ROM，这是无论给ALE禁止位高电平还是低电平，它都会发生丢掉一个ALE脉冲的情况。
EA/VPP（第31号引脚）：
单片机的/EA引脚如果置1时，有以下两种情况：
一是，PC值没有超过Flash存储器范围，这样，单片机只能读取片内ROM中的程序，二是，如果PC值超过了Flash存储器的范围，它就会去读取片外的程序，而不是读取片内的程序了。
单片机的/EA引脚如果置0时，就只能读取片外ROM中的程序了。
跟片内的Flash存储器中的内容没有关系。
在Flash编程时间段内，也可以在此引脚接入12V的电源，即VPP的功能。
3.2.4单片机最小系统的设计
STC89C52单片机的信号一般是有两种方式设置：
一个是外部时钟的状态，另一个是内部时钟的状态。
在单片机内部只要发现是XTAL1和XTAL2脚外接晶体就是一个自激振荡器，电容C1和C2在系统中发挥的振动频率的作用是稳定的和快速的，在5-30pF的范围内选择电容值，一般为30pF，在1.2-12MHz的范围内选择晶振的振荡频率，一般为12MHz和11.0592MHz。
按键手动复位和上电自动复位是在复位电路中最为常见的两种方式。
其中上电自动复位是需要外围电路的电容来帮忙实现，只要电压的上升时间小于1毫秒，就可以做出复位动作，这也是最简单的一种复位方式。
时钟频率、电容和电阻需要分别取6MHZ、22uF和1KΩ。
除此之外，还有一种是按键手动复位方式，我们所用的最小系统的复位方式就是这种手动的复位方式，因为这是最常见的方式，它可以分为脉冲触发方式和电平触发方式。
系统图如图3-2所示：
所采用的就是电平触发方式，在RST端口两端分别接有电源VCC和电阻R，用此来实现复位。
图3-2单片机的最小系统
3.3人体感应模块的设计
人体感应的工作原理及热电型红外线传感器特征的存在情况如下：
人通常有体温恒定，并且通常保持在37°左右，从而发出约10um的波长，被动红外传感器通过检测约10um的辐射红外线来检测人体存在，用此信号来触发单片机工作。
热电型红外线传感器的特性是，在人体的温度变化的场所，红外线元件里的电荷将失去平衡，经过电路检测及处理后，人体存在就会产生这些触发信号。
全自动定义：
感应出现在范围内的人后输出低电平，人离开感应区后延迟并关闭低电平，进入待检测。
触发的两种模式：
a.重复触发器：
在感应输出低电平的延迟时间后，当有人在活动的范围内时，传感器输出的电平保持不变，只有当人们离开传感器的感应范围和延迟时间结束后，输出电平才发生变化。
（感应模块检测到人体后，在延迟时间的活动时间结束时，会被推迟到自动延时每个活动），简单的来说就是，只要有人在感应范围内，传感器的输出都不会发生变化。
b.不重复触发器：
感应后输出为低电平，在延迟时间后，传感器的输出自动从低电平到高电平，直到延迟一段时间后再重新接收信号（感应人体是否存在）。
感应模块感应输出后，如在延迟时间结束后，可以确定封闭期，此时期传感器是不管用的，也就是说，感应器在这个封锁时间段内是不工作的。
这个特点可以对“封闭期”和“感应期”两个时期进行分隔，可用于产品检测间隔。
这些功能可以防止产品负载转换中所有类型的干扰。
（这个时间可以任意设置，上至几十秒，下至零点几秒）
探针是根据人体辐射检测的目标，所以红外传感器对于从人体发出的红外辐射是很容易检测到的。
但由于它内部包含有辐射滤波片，这样它可以脱离其周围的干扰。
人类存在热释电传感器包括传感元件，它们相互串联于电路中，并且两个的电偏振方向相反，但与此相反，非人体进入两个电元件的热环境辐射具有相同的基本功能，并使其产生热释电效应，以消除对方，所以检测不到任何信号。
如果有人进入所述检测区域时，人体红外通过聚焦镜的一部分，和主体是热电元传感器接收，但热电元件的两片接收热电温度也各不相同，产生的热电也各不相同，不能消除对方，经过分析处理后可输出信号。
菲尼尔滤光片根据不同的性能要求和使用条件，可以允许焦距发生变化（感应远程），所以它可以是一个不同的字段监测模式，视野，以更准确地进行更多的控制。
当有人进入感应范围，人体的移动会产生红外线并且被探测器所检测到，这样，人体感应感应信号将是一个高电平输出。
若人体是在不敏感的方向移动时，所述人体传感器不能检测到完美的信号，也有一些的可能性会产生误操作，所以要特别注意对人体位置传感器和安装的方向是很重要的。
HP-208是基于人体红外感应技术的智能产品，是完美的，是深圳市浩博特电子有限公司所研发和生产的，其主要特点如下显示：
（1）全自动感应，当人移动到感应器的感应范围内并被检测器所检测到时，感应器就输出高电平；当人离开并延迟一段时间后，感应器输出低电平；它们非常容易区分;
（2）使用重复触发器。
感应器产生高电平，在延时期中，当有人处于监测区域内时，输出将保持不变，当人离开检测区域时，自动延迟10秒后输出低电平。
（3）静态电流小于50mA，功耗低；
（4）人体传感器工作电压宽为直流电压3V-24V；
（5）工作温度介于-15℃和+700℃之间，适应性强
（6）具有灵敏度高，可靠性强的特性。
（7）其电路原理图如图3-3所示：
1号引脚为人体传感器外接电压电源的管脚，2号引脚为人体传感器的采集输出信号管脚，第3号引脚为人体传感器外接地端管脚。
在本设计中，为了使人体传感器工作更加的安全和更加的可靠，它可以在电路中连接一个三极管，起驱动作用，同时可以在1号管脚上连接一个LED灯来当指示灯。
图3-3人体传感器电路图
3.4光敏模块的设计
3.4.1光敏电阻的介绍
光敏电阻，又名光导管，常用的制作材料包括：
硫化镉、硫化铝、硒、硫化铋和硫化铅等。
这些材料材料的电阻值会在光的照射下快速的下降。
这是由于这些材料通过光的照射，会被光分离出载流子，这些载流子在其内部导电。
将光敏电阻连接于电路中，通过电路中的电流作用，这些载流子被分离为正负电荷，并且飘向电路的阴阳两极。
所以，光敏电阻的阻值会快速下降。
光敏电阻的管芯是安装在绝缘衬底上的，并且自带两个接触电极的光导体。
光敏电阻的光电导体能够吸收外界的光子并且产生光电效应，虽然局部载体由于光传播到内部，但扩散的深度是有限的，所以成像通常由薄的层。
整体结构见下图3-4所示：
图3-4光敏电阻的整体结构图
光敏电阻的本质是光电探测器，它是利用运输光效果制作成电阻器，电阻随入射光的强度变化，入射光的强度较弱，电阻较大，入射光的强度较强，电阻较小。
其电阻值随入射光的强弱而改变；入射光弱，电阻增大，入射光强，电阻减小。
还有另一种光敏电阻接收光强度的强弱与阻值大小的关系是与上述完全相反的。
光敏探测器的主要作用是：
对光进行测量、对光信号和电信号进行转换还有就是对光的控制。
所谓的光敏电阻就是硫化镉光敏电阻，它是由半导体材料制成的。
光敏电阻器可以到感受光的波长与人眼是差不多的，只要是我们能看的见的光，照射到光敏电阻上，就能引起其阻值发生变化。
通常在设计电路的时候，自然光或者白炽灯光都能作为电路的控制变量，这样可以简化设计，减小设计的难度。
3.4.2LM393电压比较器的简介
LM393电压比较器的主要特征和工作参数如下：
（1）LM393电压比较器的工作电源可以是单电源，也可以是双电源，其电压值分别为2-36V和±1-±18V；
（2）共模输入电压范围宽；
（3）具有很小的失调电压，Vio=±2mV；
（4）微量的电流消耗，ICC=0.8mA；
（5）输出可以用开路集电极连接“或”门；
（6）输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；
LM393电压比较器引脚图及其内部整体框图如图3-5所示：
图3-5 LM393内部结构图
LM393电压比较器引脚的功能特性如下：
（1）第8号管脚VCC是LM393接外界电源的管脚；
（2）第4号管脚GND是LM393接地的管脚；
（3）第2和6号管脚是分别为LM393内部两个放大器的负输入端；
（4）第3和5号管脚是分别为LM393内部两个放大器的正输入端；
（5）第1和7号管脚是分别为LM393内部两个放大器的输出端。
LM393是一种业界内高效率、高增益、宽频带的电子元器件，如果输入-输出有寄生电容耦合时，振荡就很容易在电路中滋生，但是，只有在电压切换的间隙中，才会出现这种状况。
而且一般情况下都不能消除这个电容耦合，如果设计中一定要消除这个振荡的话，就必须在标准PC板的设计中考虑如何消除它。
该光敏电路设计框图如下图3-6所示。
其原理是利用环境光照射在光敏电阻上，使光敏电阻的阻值发生变化，然后与图中的10KΩ的电阻R5进行分压，并且将所得到的电压值发送给LM393电压比较器进行比较，实现对外界环境光强度进行检测。
再通过对图中10KΩ
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