基于51单片机的光控路灯系统(共23页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上江西理工大学应用科学学院微机控制系统课程设计报告 题 目： 光控智能路灯系统 姓 名： XXX 学 号： 专业班级： 指导教师： 完成时间： 设计报告综合测试平时总评格式（10分）内容（10分）图表（5分）功能测试（35分）答辩（20分）考勤（20分）指导教师签名：摘 要现在，随着微电子技术和集成电路技术的快速发展，单片机技术无处不在。单片机作为计算机科学与技术的重要组成部分，作为嵌入式系统的先头兵，片上系统的先行者，已经被广泛应用到了各行各业，尤其是与控制相关的领域，极大的提高了产品的智能化程度和技术水平，已经成为了当今社会十分重要的技术领域。随着社会需求和单片机应用领域的不断扩展，各类智能产品、控制系统都是以单片机技术为核心来进行开发设计的。本系统采用MSC51系列单片机89C51和相关的光电检测设备及设计智能路灯控制器，实现了能根据实际光线条件通过8051芯片的P1口控制路灯开关功能。随着社会文明的不断发展，城市照明已不仅局限于街道照明，而且发展成了城市景观等装饰性照明的综合市政工程。关键词：路灯 单片机技术 设计 第一章 绪论1.1 引言随着我国加入世界贸易组织（WTO），为了创造一个良好的投资环境，塑造一个美丽的国际化城市，更好的与国际接轨，全国各大城市的市政建设步伐都逐步加快，公路系统蓬勃发展，因此装扮美丽城市夜景的路灯照明工程得以迅猛发展。由于单片机具有集成度高，处理能力强，可靠性高，系统结构简单，价格低廉等优点，因此在路灯照明工程中被广泛应用。近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断走向深入。单片机技术中的计时系统是单片机的一个典型的应用。夜晚城市里花灯初上，人们消除了白天的繁忙，漫步穿行于城市的街道上，路灯已经成为一个城市的照明系统不可分割更是无可替代的一部分，在城市照明中发挥着举足轻重的作用，靠的就是路灯自动控制系统，路灯控制方式很多。本系统采用MSC-51系列单片机89C51和相关的光电检测设备及继电设备来设计智能光控路灯控制器，实现了能根据实际光线条件通过8051芯片的P1口控制路灯开关的功能。随着社会文明的不断发展，城市照明已不仅局限于街道的照明，而且发展成了城市景观等装饰性照明综合市政工程。社会对亮灯率,开关灯的准确率，故障检测的实时性和维护的及时性要求不断提高，利用51系列单片机可编程控制八位逻辑I/O端口实现路灯的智能化，达到节能，自动控制的目的。避免了传统电路对能源的浪费，路灯的自动控制更方便了工作人员的管理。本系统实用性强，操作简单，扩展功能强。1.2 单片机概述单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种，单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机经过1、2、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，他们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引脚的多功能化，以及低电压低功耗。1.3 时钟电路89C51内置最高频率达12MHZ的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但89C51单片机需外置振荡电容。振荡电路(18、19)：单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用晶体振荡器，接18、19脚。这两个脚的定义是： (1)时钟电路引脚(XTAL2)（18脚)：该脚接外部晶体和微调电容的一段，在89C51内部，它是振荡电路反相放大器的输出端。振荡电路的频率就是固有频率。若采用外部时钟电路，该引脚输入外部脉冲。 (2)时钟电路引脚(XTEL1)（19脚）：该脚接外部晶体和微调电容的另一端。在片内，它是反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该脚必须接地。图1.1 89C51系列单片机时钟电路 复位引脚（RESET）（9脚）：它是复位信号输入端，高电平有效，当此脚保持两个机器周期，即24个时钟振荡周期为高电平时，即可完成复位操作。他还具有第二功能，即当主电源VCC发生故障，降低到低电平规定值时，将5V电源自动接入RST端，为单片机提供备用电源。以保证信息不丢失，电源恢复后，能够正常工作。图1.2 89C51系列单片机复位电路1.1.4 89C51的部分引脚说明89C51单片机采用40PIN封装的双列直接DIP结构，下图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：图1.3 89C51 系列单片机引脚 电源引脚(40、20)：这当然是必不可少的了。单片机使用的是5V电源，其中40引脚接正极(VCC)，20引脚接负极(VSS)或地(GND)。 EA/VPP引脚(31脚)：访问程序存储器控制信号端(又：外部存储器地址允许输入端)。(1)当EA引脚接高电平时，CPU访问片内EPROM(CPU读取内部程序存储器<ROM>)，并执行内部程序存储器中的指令。(2)当EA脚接低电平时，CPU只访问外部EPROM，并执行外部程序存储器中的指令。而不管是否有片内程序存储器。 PSEN(29脚):程序存储器允许输入端(也叫:外部程序存储器读选通信号端):在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作： (1)内部ROM读取时，PSEN不动作； (2)外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次； (3)外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出； (4)外接ROM时，与ROM的OE脚相接。 要检查一个89C51小系统上电后能否正确到EPROM中读取指令，可用示波器看PSEN端有无脉冲，如有，说明基本工作正常。 P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。P2口有两个功能:(1)扩展外部存储器时，当作地址总线使用；(2)做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。P3口有两个功能：除了作为I/O使用外(其内部有上拉电阻)，还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。有内部EPROM的单片机芯片，为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的。即：编程脉冲：30脚(ALE/PROG)编程电压(25V)：31脚(EA/Vpp)第二章 主要器件2. 1 光敏电阻2.1.1光敏电阻介绍光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。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。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110M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（0.40.76）m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。仿真光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源。光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。其结构如图2.4所示： 图2.1 光敏电阻结构图 图2.2光敏电阻实物图光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。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增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻的阻值下降。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逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。2. 1.2 基本特性及其主要参数 1.暗电阻、亮电阻光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。例如MG4121型光敏电阻暗阻大于等于0.1M。光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。MG4121型光敏电阻亮阻小于等于1K。亮电流与暗电流之差称为光电流。显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。2.伏安特性在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与流过光敏电阻的电流之间的关系，称为伏安特性。由图2.6可知，光敏电阻伏安特性近似直线，而且没有饱和现象。受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线，由此可确定光敏电阻正常工作电压。图2.3 光敏电阻的伏安特性2.2 继电器2.2.1 继电器的作用继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用：(1)扩大控制范围。例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。(2)放大。例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。(3)自动、遥控、监测。例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线跻，从而实现自动化运行。2.2.2 继电器的电符号和触点形式继电器线圈在电路中用一个长方框符号表示，如果继电器有两个线圈，就画两个并列的长方框。同时在长方框内或长方框旁标上继电器的文字符号“J”。继电器的触点有两种表示方法：一种是把它们直接画在长方框一侧，这种表示法较为直观。另一种是按照电路连接的需要，把各个触点分别画到各自的控制电路中，通常在同一继电器的触点与线圈旁分别标注上相同的文字特号，并将触点组编上号码，以示区别。继电器的触点有三种基本形式：(1)动合型(H型)：线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。以合字的拼音字头“H”表示。(2)动断型(D型)：线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。用断字的拼音字头“D”表示。(3)转换型(Z型)：这是触点组型。这种触点组共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合，线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状态，达到转换的目的。这样的触点组称为转换触点。用“转”字的拼音字头“Z”表示。在这里，我们选择动合型(H型) 触点。2.2.3 继电器（relay）的工作原理和特性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，从而产生电磁效应，衔铁就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)吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“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”。第三章 系统设计方案论证智能路灯控制系统分为光线检测和执行控制命令(开路灯、关路灯)，在光线满足设定条件的情况下，光线检测电路将检测到的情况传送给控制器并由控制器发出指令控制相应的电路执行。3.1 光电检测电路在设计中使用光敏电阻作为光传感器件对外界光线进行检测，主要是利用了光敏电阻在光线的作用下其阻值往往变小的这种光导效应现象。光电检测电路将检测到的信号以高低电平的形式传送给单片机，从而完成整个光电检测的过程。下图是用光敏电阻（型号为5539）来控制单片机的P3.2的高低电平，单片机处理发出指令从而控制路灯的亮和灭。 图3.1 光电检测电路原理图在proteus中，用一个按键开关代替上述光敏电阻控制电路。当按键按下时，相当于白天（有光照）；当不按下时，相当于黑夜（无光照）。 图3.2 仿真图3.2 单片机控制电路在整个系统中，单片机控制电路是整个系统的核心，负责对光电检测电路采集到的信号进行处理和加工，并按照之前设定好的指令进行执行、运算，并将结果传送给相应的执行电路。3.3 继电器执行电路继电器执行电路在系统中充当执行任务，对单片机发出的指令进行响应，完成相应的操作。单片机通过将光电检测电路传送的信号进行运算、处理之后将输出信号送给执行电路，继电器执行电路将对外部设备进行控制。下图是单片机控制路灯的原理图。继电器与单片机的连接采用光电隔离器进行隔离。当开关量P1.0输出为高电平时，经方向驱动器7406变为低电平，使发光二极管发光，从而使光敏三极管导通，进而使9013导通，线圈J得电，触点闭合，使220V电源接通。反之，当P1.0为低电平，使触点断开。图3.3 单片机控制路灯原理图在proteus中，用发光二极管D1代替路灯，如下图所示：图3.4路灯仿真图在设计中为了能够更好的模拟并实现光控路灯控制系统的要求，选用继电器作为执行电路有以下几点优势：(1)能够将低电压的电子电路信号转换为高电压电气电路信号，实现电子电路到电气电路的控制，与实际应用相符；(2)使得整个系统的设计更加趋了于完善，对于相关的设计预期能够最大程度的体现出来。 3.4系统总电路原理图整个电路由光电检测电路、单片机控制电路、输出信号执行电路等三部分组成，构成整个光控路灯智能控制系统。 图3.5 系统总原理图系统仿真效果：如下图，按键按下（相当于白天），灯D1灭；而按键不按下时，灯亮。可知此系统仿真成功。图3.6按键按下时图3.7按键不按下时第四章 Altium Designer电路设计Protel是目前EDA行业中使用最方便，操作最快捷，人性化界而最好的辅助工具。第五章 软件调试软件程序设计对单片机的I/O接口的控制，智能光控路灯主要通过光控电路对光的感应以达到输出端口的控制，在黑暗时光控部分输出高电平，通过单片机内部程序的控制以光控输出高电平为准，给输出端口定义低电平，路灯是以低电平有效，当单片机输出端达到低电平时路灯亮。为了能够使系统达到设计之初的预期效果，在软件设计中应该注意的几个问题：1、 光控延时问题在整个系统的设计中，使用光敏电阻进行外界光线检测，对于外界的光线变化可以及时的做出相应的动作。但这样的系统设计也存在一定的问题，外界光线环境有些时候变化莫测，在雷雨天气时，由于闪电、打雷等自然原因，外界的光线变化频繁且明显，光电检测电路检测到信号后将其传送给单片机进行处理，单片机如果只对端口电平不加以判断就进行处理的话，可能会引起路灯的忽明忽灭，影响了系统的稳定性，故应在程序设计上解决这个问题，对光电检测电路传送过来的信号进行分析处理，对此端口电平变化进行演示操作，可以避免此类现象发生，防止打雷闪电等自然现象对路灯控制的干扰，最终达到实用的目的。2、 端口电平判断问题在设计中为了使端口对电平高低的判断问题，在光电检测电路上采用继电器对其进行隔离，可以避免光电检测电路对单片机端口电平的干扰。5.1 程序流程图 开始背景光检测初始化LED灯亮背景光强低NY图6.1程序流程图5.2 程序部分#include<reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit led=P10;sbit key=P32;uchar flag=0;void delayms(uint xms)uint i,j;for(i=xms;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-);void main()TMOD=0x01;TH0=(65536-45872)/256;TL0=(65536-45872)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;led=1;while(1)if(key=1)delayms(10);if(key=1)flag=1;Elseflag=0;void time() interrupt 1TH0=(65536-45872)/256;TL0=(65536-45872)%256;if(flag=1)led=0;Elseled=1;总结我的毕业设计基于51单片机的智能路灯控制器设计与实现，是一个软硬结合的项目。从一开始的准备，到每一步的设计以最后的完成，都让我受益良多。首先，这次毕业设计使我熟悉了做一个项目的全部过程，如首先要明白设计的工作原理、如何确定使用的芯片、以及芯片的具体方法等；同时，通过这次毕业设计，我还弄懂了许多芯片以及许多基础电路使用方法。在绘制原理图的过程中，更让我了解并熟悉了Altium Designer 的使用及设计方法，同时也明白了许多制作电路板中要懂得工程规范，如电路板的大小，如何布局等。而在硬件的调试过程中，我明白了硬件调试中的步骤，也同时向老师学会了一些调试技巧，若芯片不能正常工作，应首先测试其片选、时钟等信号，然后在考虑其工作时序的问题，并且也学会了如何找出问题的所在和一些问题的解决办法等。致谢毕业设计，是对我大学四年期间所学知识的一个总结，一个检测，在整个毕设的过程中，锻炼了我的动手能力，使我能够更好地把以前所学的理论知识同实践相结合起来，在很大程度上增强了我的动手实践能力。在做毕设过程中，一直受到雷思孝老师的耐心指导，也从雷老师那里学到了很多的东西，在此，向雷老师表示非常忠心的感谢。同时，也感谢在我遇到问题时能够与我一起进行讨论，帮助我解决问题的各位同学。在本论文完成之际，我首先要向我的指导老师雷思孝老师表达我最诚挚的谢意，感谢雷老师在整个毕设过程中耐心细致的指导！感谢在毕业设计中给予我支持的所有同学！我还要特别向我的家人表示由衷的感谢，正是他们的无私奉献和鼎力支持，我才能顺利完成我的学业。向百忙之中抽出宝贵时间来评阅这篇论文的各位专家致以衷心的感谢！参考文献1冯育长，雷思孝，马金强，单片机系统设计与实例分析，西安电子科技大学出版社，2007年2求是科技编著，单片机典型模块设计实例异航，人民邮电出版社，2008年3谭浩强，C程序设计(第三版)，清华人学出版社，2005年4李伯成，基于MSC51单片机的嵌入式系统设计，电子工业出版社，2004年5周立功，增强型80C51单片机速成与实战，北京航空航天大学出版社，2003年6余锡存，曹国华，单片机原理及接口技术【M】陕西:西安电了科技人学出版社，2000 .77冯育长等编著，单片机系统设计与实例分析，西安电子科技大学出版社，2008年8徐正惠，单片机原理与应用实训教程，北京：科学出版社，2004年9付家才，单片机控制工程实践技术【M】，北京：化学工业出版社，2004.5专心-专注-专业