路灯控制器的设计 (1).docx
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1、学 士 学 位 论 文学院(系): 物理与电子工程系 专 业: 电气工程及其自动化 姓 名: 卢坤 运 城 学 院 2021年06月 路灯控制器的设计 学院(系): 物理与电子工程系 专 业 : 电气工程及其自动化 姓 名 : 卢坤 指导教师 : 席晓晶 运 城 学 院 2021年06月路灯控制器的设计摘要:本文描述了路灯控制器的设计,用以实现街道路灯的自动控制化。设计以STC89C52芯片为核心,通过按键选择时钟控制功能、光照强度控制功能和改变开灯与关灯的时间;利用LCD1602液晶显示屏显示路灯的控制模式和延时时间;利用单片机内部定时器T0、T1设置系统开关灯的时间和延时时间;利用光敏电阻
2、实现路灯控制器对光线强弱的自动控制。该系统使用方便,功能流畅,成本较低,主要在楼道和道路两旁等公共场所的路灯上安装,这样既能方便管理,也可以节约能源。关键字:STC89C52芯片;光敏电阻;单片机Design of Street Lamp ControllerAbstract:This paper describes the design of the street lamp controller to realize the automatic control of the street lamp.The design takes STC89C52 chip as the core, sel
3、ects the clock control function, the illumination intensity control function and changes the time of turning on and off the light through the key;LCD1602 is used to display the control mode and delay time of the street lamp.The internal timers T0 and T1 are used to set the time of turning on and off
4、 lights and delay time of the system.Using photosensitive resistor to realize automatic control of light intensity of street lamp controller.The system is easy to use, smooth function, and low cost. It is mainly installed on street lamps in public places such as corridors and roads, so that it is co
5、nvenient to manage and can also save energy.Keyword:STC89C52 chips; Photoelectric resistance; Single chip microcomputer;目录1引言11.1选题背景11.2研究现状11.3研究的目的和意义22任务论证32.1任务分析32.2方案论证42.2.1系统主控模块方案42.2.2光电转换方案42.2.3显示模块方案53论文设计53.1系统硬件设计53.1.1单片机最小系统53.1.2光敏电阻73.1.3复位电路93.1.4晶振电路93.1.5光控电路103.1.6报警电路113.1.7
6、 1602液晶显示123.2软件设计133.2.1主程序流程图133.2.2初始化程序143.2.3定时器中断154 原理图及实物展示174.1 仿真原理图174.2 PCB原理图174.3 单片机实物展示185分析与调试205.1调试205.1.1 时钟设定和定时开关路灯调试205.1.2 环境明暗检测测试205.1.3 路灯故障检测报警测试205.2分析216总结22致谢23参考文献241引言1.1选题背景当今社会,中国电网资源消耗过高,路灯在其中所占比例较高。电荒是中国各地区要及时解决的重要问题。随着城市规模的不断扩大,城市道路照明的城市亮化工程需求量逐渐提升,而在日常社会生活中,城市路
7、灯是必不可少的公共设施,因此所造成能源的供需问题也越来越突出,节能节电、绿色照明的要求也越来越迫切。政府部门为了应对紧张的供电情况,要在巡查街灯的工作上投入较大的精力。对于现在有的路灯,城市管理者必须要依靠现代高科学技术手段使其管理适应当今城路灯发展和管理的需要,因此,路灯控制器也就随之诞生了。路灯控制器可使路灯在白天的时候(或者说是光线亮的时候)不会亮;而在晚上的时候(或者说是光线暗的时候)便会亮。该系统能够代替人工巡查,节省人力、物力、财力,可以广泛地应用在走廊、卫生间、楼道、及道路两旁的路灯之上,这既方便了自身,又节约了能源。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
8、格低廉等优点,因此被广泛应用在路灯照明工程中1。1.2研究现状现如今,主要有三种路灯控制方案在中国市面上被使用,分别是:人工干预控制、时钟控制、独立控制技术2。(1) 人工干预控制。在道路照明设备建设中,人们需要特别的方式实现路灯的隔一盏灯亮一盏灯的特殊照明模式。当要对路灯的亮灭进行控制时,工作人员需要亲自操作,可能会出现大量失误,不能达到完美的控制效果。优点:应变能力强。缺点:城市管理者保障街道路灯正常工作的压力随着路灯的增多而加大,管理难度大、安全系数低、工作量大、不能检测整条线路路灯的工作状况,导致出现故障不能及时处理,因此本方案已被抛弃。(2) 时钟控制。原理是用时钟控制器代替原人工控
9、制开关,由此实现一般情况下的路灯自动控制3。优点:一般情况下可减少人干预工作量、降低成本。缺点:适应性差。如果时钟控制器设置为每天傍晚7:00打开,第二天早晨8:00关闭,则它将在所有季节,任何气象条件和能见度下的情况下都将按照预定时候工作,不能达到精准控制。(3) 独立控制技术。其原理是在每一个路灯的路线上装控制探测器,通过无线或有线方法与控制主机相连,再通过有线或无线方式与控制系统连相,实现对路灯的开关控制或控制,更可实现预设的工作模式,精准检查并上报路灯故障。优缺点:自动化程度高,应变能力强,提供多种工作模式,能有效的检查路灯问题。缺点:造价昂贵,要把独立的控制器安装在每盏路灯下施工难度
10、较高,迫使工程造价提高。1.3研究的目的和意义路灯控制器的设计与实现是响应国家政策实行环保节能的路灯照明环境的重要方式,弥补了传统路灯的诸多不足,分别是:(1) 解决了传统路灯实现方法存在的控制能力不足;(2) 消除了路灯设施工作状态的不及时;(3) 完善了路灯控制能力不足的问题;(4) 达到了路灯的精确节能;(5) 实现了路灯的高效率照明和节能环保;同时,根据路灯控制器的组成和性能、适用范围及工作原理,广泛的使用在城市的道路、学校、机关、厂矿等企业单位的公共场所等,可以使人们生活更加方便安全,并且节电的效果十分明显,大大减少了维修量,节约了资金,使用效果也非常好,有长远价值。2任务论证2.1
11、任务分析本系统主要包含主控模块、光电转换、显示模块等4。针对设计方案要求,初步定下的思路安排是:在STC89C52单片机的基础上,对路灯的开、关控制进行自动调节,首先实现对路灯在正常情况下的开关,如,路灯每天晚上工作的时间。再实现其对特殊状况的应急控制(如长时间的阴雨天气等非常态的情况)。具体思路如下:(1) 光暗灯亮,光亮灯灭。设置节能模式,路灯控制器应能通过附近路面行人的流动情况自动调节亮灯状态,行人较少时,亮度调低,行人较多时,亮度调高。(2)每一盏街道路灯的开启和关闭时间,路灯控制器可自主控制且互不影响,增加可控制度。(3)设置了路灯报警器,当发出警报时,及说明路灯线路出现故障,很好的
12、保护了照明电路安全运行。(4)设置时钟电路,可制定路灯一次连续开启的时间和更新实时时间。液晶显示器要能显示时间,通过所显示的内容控制路灯的使用时间。2.2方案论证本设计具体方案如下:2.2.1系统主控模块方案整个设计采用STC89C52单片机作为主控模块。该单片机具有IPA功能,内部集成EEPROM,支持在线下载。在各种单片机中,STC89C52单片机是我们比较熟悉的一种,指令系统与AT89C51兼容,容易购买且价格便宜5。2.2.2光电转换方案方案一:光敏电阻。光敏电阻光谱响应范围宽;偏置电压低,工作电流大;动态范围宽,强光弱光都可测量;灵敏度高;光敏电阻没有PN结,两个引脚也无极性之分,使
13、用起来更灵活、更方便。但光敏电阻响应速度较慢。延迟时间受光照影响6。方案二:光敏二极管。光敏二极管是最简单的光检测电路,入射光量的对数影响输出电压,使其呈线性变化。光敏二极管会随着温度的变化而变化,并且光敏二极管只对黑暗的环境中移动的白色物体反应较为灵敏,而在白天(自然强光),其电阻的变化不大。认真考虑以上两种方案可知,光敏电阻对光线的感应更稳定,设计将会更加完善,因此本设计采用方案一。2.2.3显示模块方案采用LCD1602液晶显示,内容丰富,画面不闪烁且稳定,对人眼损害较低,抗干扰能力强,功耗低,符合节能环保要求,使用寿命长,不需要外加芯片组合。LCD1602液晶显示器可以与单片机直接连接
14、,在芯片上烧录编程代码来实现对LCD1602液晶显示器的控制与设定。3论文设计3.1系统硬件设计设计系统分为四个模块,分别是单片机控制部分,按键部分,环境亮度检测部分和显示部分。硬件电路的原理图使用AD进行绘制。最后,结合各模块,集成各模块的硬件,对整个系统进行调试,最后完成系统的总体设计7。3.1.1单片机最小系统单片机控制模块采用STC89C52芯片,其有以下特性:增强型6时钟/机器周期,12时钟/机器周期8051CPU。工作电压:5V单片机为5.5V3.3V,3V单片机为3.8V2.0V。工作频率范围为0-40MHz,实际工作频率可达48MHz。片上集成128B/512BRAM。ISP(
15、在系统可编程/)IAP(在应用可编程),无需专用编程器/仿真器即可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,8KB程序3s即可完成下载。共2个16位定时器/计数器,其中定时器0还可以当作2个8位定时器使用8。4路外部中断,下降沿中断或者低电平出发中断。基于STC89C52单片机所具有的这些特点,它完全能够满足本系统的开发要求,路灯控制系统是以单片机为核心部件的控制电路组成。如图3.1,操作人员通过人机界面选择路灯控制模式后,单片机通过对P2.5端口的电平的检测光强度的变化,同时启动内部定时器T0开始计数,当达到预定的延时时间后,P2.7接口接收到来自单片机的控制命令,控制街道路灯的亮灭情
16、况。图3.1 STC89C52引脚图3.1.2光敏电阻光敏电阻器(photo varistor)光敏电阻是用硫化镉或硒化镉等半导体材料制成的特殊电阻器,其工作原理是基于内光电效应。电阻大小与入射光的强弱呈反比。光敏电阻器通常用于光测,光控制和光电转化(将光转换电)。硫化镉是常用的光敏电阻器半导体材质。光敏电阻器的电阻与入射光的强度呈反比。在昏暗条件下,其电阻可达1-10M欧。在强光条件下,其电阻只有几百到几千欧姆。光敏电阻器对光的过敏性(即光谱特性)非常接近人眼对可见光(04076)m的反应。只要人眼能够觉察到光,它的阻值就会随之而改变。在光控电路的设计中,人们大多采用白炽灯或自然光作为控制光
17、源,使设计大大简化。为了增强电阻灵敏度,通常将两个电极做成梳状。制造光敏电阻的材料主要是金属半导体,如硫化物,硒化物和碲化物。光敏电阻的特性:(1) 温度特性:由图3.2可知,光敏电阻与其他半导体器件一样,温度是其阻值的一个重要影响因素,会随着温度的变化而改变。因此,可以采用降温等措施来提高灵敏度,并能接受远红外线。图3.2 光敏电阻温度特性曲线(2) 伏安特性:由图3.3可见,在一定的照度下,硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线近似为直线,说明其阻值大小与入射光量有关,和电压、电流无关。图3.3 光敏电阻伏安特性曲线(3) 光谱特性:图34展示了几种不同材料的光敏电阻光谱特性曲线。由下图可知,三种不
18、同材质的光敏电阻的光谱响应峰值各不相同,硫化镉光谱响应峰值在500010000之间,硫化铊光谱响应峰值大概在10000,硫化铅光谱响应峰值在2000025000之间。在可见光范围内,只存在硫化镉光敏电阻的光谱响应峰值,因此其可以用作照度计的探头。在近红外和中红外范围内,存在着硫化铅光敏电阻的光谱响应峰值,因此火焰探测器的探头经常使用硫化铅光敏电阻。图3.4光敏电阻光谱特性曲线3.1.3复位电路单片机复位电路就像智能机器的复位部分。当智能机器在使用中崩溃停止运行时,使用复位功能,智能机器内的系统就会重新运行。单片机系统运行时,如果程序受环境干扰或出现未知的故障,无法按照原定程序运行,则会启动复位
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