基于单片机的路灯控制器的设计

基于单片机的路灯控制器的设计内容摘要：

摒弃了“全夜开、半夜全灭或半灭灯”的传统控制模式， 采用光线和时间的双重模式控制，在 很大程度上做到了“随需而控”，不仅仅达到了节约电能节约维护费用的要求，而且在节能的基本要求上达到了设备使用寿命更长 、控制方式灵活多样和照明质量更加柔和的效果。 在此设计中控制模式同传统的“全夜灯”造成的电能浪费及路灯使用寿命的减短和“半夜全灭或半灭灯”由于无光照和光照质量较差而带来交通安全问题的控制模式相比，它在很大程度上克服了传统路灯的照明和管理存在浪费大，路灯使用寿命短，人 员 工作业量大，照明效果不如意，设备维护费用大等难题，同时符合了当今社会所倡导的节约型、可持续性发展的标准，因而拥有良好的可行性和具有很大的实用价值。 其产生的直接或间接的巨大的社会经济效益具体体现在一下几个方面： 单从电费支出上可以看出，采用智能路灯节能控制设备后，以最低节电率计算，每年可节省大量的财政支出 ； 路灯控制系统技术的提升，可大大 提升路灯设备的使用寿命， 降低 城市 路灯的维护量， 减少维护所需的人力资源的消耗， 缩减运行维护成本，节约财政支出 ； 倘若积极 推广 采用新技术的话，除了节约大量电费和维护资金以外，同时还可节约大批的原煤等资源，更有利于环境保护，既节约了能源又落实了国家可持续发展的方针政策。 南京工程学院 自动化学院 本科 毕业 设计（ 论文 ） 3 of 63 第 二 章 总体设计 本设计由主控单元、 LCD 显示模块、环境明暗检测模块、电源模块、 键盘模块、实时时钟模块、路灯控制模块 等模块组成，其结构框图如图 所示。 图 路灯控制系统结构框图 系统整体方案设计 方案一：采用单片机来 作为主 控制 器 ，采用矩阵键盘输入，并通过 LED 数码管对设定时间和功率调节设定范围进行显示； 通过 使用光敏电阻 和三极管联合驱动的方式 提供给单片机输入 传感 信号，并进行相应的后续程 序操作来检测环境明暗， 由单片机端 口 对相应电路进行 直接 操作 ，实现自动开灯和关灯。 路灯的开关模式为：23 点至次日 6 点为节能时间段，路灯 在额定功率下 半开半关； 19 点至 23 点为额定功率运行时间段，路灯在额定功率下全开 ；其它时间段则按环境明暗程度来控制路灯全开或全关。 方案二：采用 AT89S52 单片机 作 为 控制器核心， 应用独立式按键进行功能选择和参数的设定 ，通过 1602 液晶实时显示时间、 控制模式 和功率 输出 的范围。 通过 使用光敏电阻和 模数转换 的方式，提供给单片机 光线的数字 传感信号 来 测环境明暗程 度。 由 单片机对 采集到的时间和环境明暗程度信号 进行 判断并处理 ， 然后通过 继电器等相关的执行元件 来实现以怎样的功率自动开灯关灯。 路灯的开关模式为： 23 点至次日 6 点为节能时间段，路灯在半额定电压下全开； 19 点至 23 点为额定功率运行环 境 明 暗检 测 模 块L C D 显 示模 块实 时 时 钟模 块电 源 模 块键 盘 模 块主 控 单 元路 灯 控 制模 块路 灯控 制 接 口模 块南京工程学院 自动化学院 本科 毕业 设计（ 论文 ） 4 of 63 时间段，路灯在额定功率下全开；其它时间段则 根据 环境明暗程度来控制路灯额定功率下全开全开、半额定电压下全开或全关。 系统整体方案论证 方案比较： 方案一采用 矩阵键盘可节省单片机 IO 口资源，但电路复杂，调试困难；通过 使用光敏电阻 和三极管联合驱动的方式 提供给单片机输入 传感 信号，提供的输入信号相 对 来说对环境的要求较 低 ， 但精度却难以掌控。 相对于方案二 难以 达到高精度、高效率的效果。 相比之下 由于方案二使用继电器等和关的执行元件，使系统的设计更加接近实际应用，在实际应用中， 系统是由电子电路到电气电路的控制，使用继电器等可 使系统的现实性大大增强 ；使用 LCD 液晶 1602 显示更直观、清晰，系统具有更好的稳定性， 能够完全满足本 课题 需求，控制结构简单，成本低，许多功能通过软件实现，整个电路元器件少，系统完全由一个单片机控制 ，性价比高。 此外方案二在满足节能的要求下，在节能时间段，路灯在半额定电压下全开；在 6 点至 19 点时间段根据环境明暗程度来控制路灯额定功率下全开全开、 半额定电压下全开或全关。 同方案一相比不仅控制方式更加灵活 ，而且在节能的同时采取半额定功率运行的方式可以达到延长路灯设备使用寿命 和照明质量更加柔和 的效果。 因此，我们采用方案二。 南京工程学院 自动化学院 本科 毕业 设计（ 论文 ） 5 of 63 第 三 章 系统硬件设计 主控单元的设计 AT89S52 单片机概述 AT89S52 单片机的内部组成 AT89S52 内部有 8KB 的程序 ROM，基本组成如图 所示。 图 单片机基本组成结构 AT89S52 单片机的功能特性 一、主要特性 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 系统 内 可编程Flash 存储器。 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash 允许程序存储器系统 内 可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU和系统 内 可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 具有以下标准功能：8k 字节 Flash， 256 字节 RAM， 32 位 I/O 口 线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个16 位定时器 /计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 另外， AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。 空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 南京工程学院 自动化学院 本科 毕业 设计（ 论文 ） 6 of 63 二、管脚说明 图 AT89S52管脚示意图 如图 所示，各管脚功能如下： VCC： 电源 GND： 地 P0 口 ： P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。 作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL逻辑电平。 对 P0 端口写 ‘ 1’ 时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时， P0 口也被作为低 8 位地址 /数据复用。 在这种模式下， P0 具有内部上拉电阻。 在 flash 编程时， P0 口也用来接收指令字节。 在程序校验时，输出指令字节。 程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口： P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平。 对 P1 端口写 ‘ 1’ 内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部 拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL）。 此外， 和 分别作定时器 /计数器 2 的外部计数输入（ ）和时器 /计数器 2 的触发输入（ ），具体如 下 表 所示。 在 flash 编程和校验时， P1口接收低 8 位地址字节。 南京工程学院 自动化学院 本科 毕业 设计（ 论文 ） 7 of 63 表 P1端口的第二功能 引脚号 第二功能 T2（定时器 /计数器 T2 的外部计数输入），时钟输出 T2EX（定时器 /计数器 T2 的捕捉 /重载触发信号和方向控制） MOSI（在系统编程用） MISO（在系统编程用） SCK（在系统编程用） P2： P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL逻辑电平。 对 P2 端口写 ‘ 1’ 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL）。 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行 MOVX @DPTR）时， P2 口送出高八位地址。 在这种应用中， P2 口使用很强的内部上拉发送 ‘ 1’。 在使用 8 位地址（如 MOVX @RI）访问外部数据存储器时， P2 口输出 P2锁存器的内容。 在 flash编程和校验时， P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 P3 口： P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平。 对 P3 端口写 ‘ 1’ 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL）。 P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如 下 表 所示。 在 flash 编程和校验时， P3 口也接收一些控制信号。 表 P3端口的第二功能 引脚号 第二功能 RXD（串行输入） TXD（串行输出） INT0（外部中断 0） INT1（外部中断 1） T0（定时器 0 外部输入） T1（定时器 1 外部输入） WR（外部数据存储器写选通） RD（外部数据存储器读选通） 南京工程学院 自动化学院 本科 毕业 设计（ 论文 ） 8 of 63 RST： 复位输入。 晶振工作时， RST 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复位。 看 门狗计时完成后， RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平。 特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能无效。 DISRTO 默认状态下，复位高电平有效。