基于51單片機的路燈控制系統(tǒng)設計開題報告(共11頁)

1、一、本課題的內容及研究意義1、論文研究的目的和意義如今，照明電路的數(shù)量越來越多，使得城市街道、小區(qū)內的路燈的用電量占城市用電量的比重越來越大，在用電高峰期時，電網超負荷運行，電網電壓都低于額定值，在用電低谷期供電電壓又高于額定值，當電壓高時不但影響照明設備的使用壽命，而且耗電量也大幅增加，當?shù)凸葧r，照明設備有不能正常工作。所以，對城市的路燈的設計已經成為了當務之急，特別是午夜之后車流量急劇減少時，應該適當?shù)年P閉路燈，節(jié)約用電。但是我國的既節(jié)能又能延長路燈壽命的技術相比國外卻是落后了，因此智能節(jié)能路燈控制系統(tǒng)的設計對于城市的發(fā)展至關重要。本論文旨在設計一套對外界光線和電壓信號的采集來控制路燈的自

2、動啟停以及智能調壓的控制系統(tǒng)，它能對路燈進行穩(wěn)壓、調壓、自啟動并延長路燈壽命的作用。2、論文研究內容本設計可以通過對外界光線和電壓信號的采集來控制路燈的自動啟停以及智能調壓從而減少城市路燈照明耗電量，又對輸入電壓進行穩(wěn)壓調節(jié)來提高用電效率。要求獨立選擇芯片、設計電路、編制程序、調試、完成整個系統(tǒng)功能。主要內容如下：(1) 根據(jù)控制技術的特點，進行路燈系統(tǒng)設計的整體研究與設計。(2) 針對光線和電壓信號的采集，采用數(shù)據(jù)采集技術。(3) 通過按鍵可對相關的參數(shù)值進行設置，從而實現(xiàn)對不同時間進行不同的開燈模式。(4) 當電壓符合額定電壓時，系統(tǒng)自動進行穩(wěn)壓。(5) 在午夜之后降低電壓以調節(jié)路燈亮度，

3、實現(xiàn)調壓。二、本課題的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢目前，路燈系統(tǒng)一般采用鈉燈、水銀燈、金鹵燈等燈具。這類燈具有發(fā)光效率高、光色好、安裝簡易等優(yōu)點，被廣泛使用，但同時也存在著諸如：功率因子低、對電壓要求嚴格、耗電量大等缺點。我國目前大部分城市都采用全夜燈的方式進行照明，普遍存在的問題有兩點：一方面因為后半夜行人稀少，采用全夜燈的方式浪費太大，因此，有的地方采取前半夜全亮，后半夜全滅的照明方式；有的地方在后半夜采用亮一隔一或亮一隔二的節(jié)能措施，此種方式雖然節(jié)約了電費支出，卻帶來了社會治安和交通安全問題，不利于城市安全問題。另一方面，在后半夜因行人稀少，而應該降低路燈的亮度，以避免光源污染，影響居民的晚間的休

4、息。但由于后半夜是用電低谷期，電力系統(tǒng)電壓升高，路燈反而比白天更亮了。這不僅造成了能源浪費，還大大影響了設備和燈具的使用壽命。目前，路燈照明廣泛采用高壓鈉燈，其設計壽命在12000小時以上，在正常情況下至少可用3年，但是由于超壓使用，現(xiàn)在路燈的使用壽命僅僅只有1年左右，有的甚至只有幾個月，造成維護和材料的極大浪費。較高的電壓不僅不能讓負載設備更好的工作，而且還會造成發(fā)熱及過早損壞，還會造成不必要的電費開支。而且，我國絕大多數(shù)地區(qū)的路燈關開燈都是采用人工控制或者定時控制，這樣也有許多不利之處：若采用人工控制，則路燈開關存在著一定的不確定性，同時也占用了一定的人力資源；定時控制則存在著夏冬季白黑晝

5、時間不同的情況，使得天還沒黑路燈就開，天還沒亮路燈就滅的情況，大大影響了人們的日常出生活。本設計通過使用AT89C51單片機對系統(tǒng)進行智能控制，使系統(tǒng)達到自動啟停及智能調壓。近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，各種路燈控制器也被不斷的研究出來。其中，美國和日本主要集中在研究緊湊型熒光燈和鎮(zhèn)流器熒光燈兩個方面。而我國目前的市場上有多種路燈節(jié)能控制產品，能達到一定的節(jié)能效果，但就功能和效果上還不能盡如人意，主要有以下幾種情況：第一種，采用自耦變壓器及磁飽和電抗器的降壓技術。其不足是由于反應速度較慢，用電高峰時電壓降到非穩(wěn)定區(qū)容易造成燈光閃滅，不能自動調節(jié)，同時如果電壓突然升高，則會對燈具造成損壞，相對來說

6、穩(wěn)壓效果較差；第二種是采用電子器件構成的可控硅式設備。該設備主要采取簡單的相控技術，不足之處是元器件較容易發(fā)熱損壞。而為了更好的達到控制的目的，現(xiàn)在國內外都開始采用智能控制方式，如光控、聲控、時控等，國外甚至開始采用太陽能供能光控方式來控制路燈，基本可以達到完全自給自足的效果。綜上所述，未來的智能路燈控制必將向著更安全、更環(huán)保、更節(jié)能、更高效率的方向發(fā)展。3、 本課題的研究方案及工作計劃1、設計方案本次課程設計是由傳感器通過外界光信號的強弱來產生電壓信號，再由單片機控制實現(xiàn)路燈的自動啟停及智能穩(wěn)壓。本設計通過使用AT89C51單片機芯片來設計電路，編制程序，仿真，調試，完成整個系統(tǒng)的功能。整個

7、控制系統(tǒng)主要包括四個模塊：信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、穩(wěn)壓模塊和控制模塊。2、技術路線設計要求采集輸入電壓信號，通過A/D轉換后輸入控制器，當外界光信號的強度低于一定數(shù)值時，通過軟啟動開啟路燈。當光信號強度高于一定數(shù)值時，通過軟啟動關閉路燈，并將采集輸入電壓信號，與已設定的標準電壓值進行比較，并對輸入電壓進行穩(wěn)壓，再通過時鐘電路對路燈亮度進行調節(jié)，在午夜之后對路燈亮度進行降低，最后達到節(jié)電穩(wěn)壓。技術方案如下圖：光敏電阻A/D轉換器外部光線強度繼電器驅動AT89C51單片機電壓放大報警LED顯示鍵盤控制三端穩(wěn)壓器路燈3、關鍵問題(1)信號采集電路設計該模塊需要檢測環(huán)境光的變化，根據(jù)環(huán)境光的明暗進

8、行路燈開關的自動控制?；诖艘蟛捎糜晒饷綦娮杞M成的分壓電路進行檢測。光敏電阻器又稱光導管，特性是在特定光的照射下，其阻值迅速減小，可用于檢測可見光。在不同的光強下，光敏電阻的電阻值會發(fā)生明顯變化，光敏電阻器是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光通過檢測不同光強下電阻值的變化量來控制路燈的開和關。(2)穩(wěn)壓模塊設計通過采集三端穩(wěn)壓器輸出的電壓并將該電壓與設定電壓進行比較，進而調整輸出電壓的大小，達到穩(wěn)壓的目的。本設計使用美國國家半導體公司的三端可調正穩(wěn)壓器集成電路LM317。(3)時鐘電路設計為實現(xiàn)路燈對電壓進行智能補償，從而達到智能調壓

9、，本設計采用美國DALLAS公司的實時時鐘電路DS1302，該芯片一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。另外該芯片有備份電源引腳，可以在斷電后仍能工作，以保證時鐘的準確性。3、時間安排(1) 2012.2.202012.2.29 查閱相關資料，理解設計任務書。(2) 2012.3.1 2012.4.1 搜索資料，完成開題報告。(3)

10、2012.4.1 2012.4.20 硬件調試，排除故障直至滿足設計要求。(4) 2012.4.202012.5.10 軟件調試，排除故障直至滿足設計要求。(5) 2012.5.102012.5.30 整理資料，按要求撰寫論文，完成初稿。(6) 2012.6.12012.6.20 論文整定，最終定稿，準備答辯。四、主要參考文獻1 查兵，崔浩.單片機原理J.中國高新技術,2011年1期2 李健，蔣全勝，任靈芝.智能路燈控制系統(tǒng)設計J.工業(yè)控制計算機,2010年6期3 金仁貴.單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)方法J.電腦知識與技術：學術交流,2006年12期4 嚴懷龍.基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) J.

11、廣西輕工業(yè),2006年6期5 王虎城，周晉軍，皮依標，葉振華. 基于光傳感器和單片機的校園路燈控制系統(tǒng)設計J.科技廣場,2011年1期6 王立紅. 基于單片機的智能路燈控制系統(tǒng)J. 網絡財富,2010年6期7 王皚，佘丹妮. 基于單片機的模擬路燈控制系統(tǒng)設計J. 儀表技術,2011年11期8 張毅剛.單片機原理及應用M.高等教育出版社,20039 閻石.數(shù)字電子技術基礎M.高等教育出版社,200610 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎M.高等教育出版社,200611 程德福，林君.智能儀器M.機械工業(yè)出版社,200912 刁鳴.常用電路模塊分析與設計指導M.清華大學出版社,2008AT89C5

12、1的介紹描述AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機帶有4K字節(jié)的可反復擦寫的程序存儲器（PENROM）。這種器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丟失存儲技術生產，并且能夠與MCS-51系列的單片機兼容。片內含有8位中央處理器和閃爍存儲單元，有較強的功能的AT89C51單片機能夠被應用到控制領域中。功能特性AT89C51提供以下的功能標準：4K字節(jié)閃爍存儲器，128字節(jié)隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，32個I/O口，2個16位定時/計數(shù)器，1個5向量兩級中斷結構，1個串行通信口，片內震蕩器和時鐘電路。另外，AT89C51還可以進行0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件的節(jié)電模式。閑散方式停止

13、中央處理器的工作，能夠允許隨機存取數(shù)據(jù)存儲器、定時/計數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存隨機存取數(shù)據(jù)存儲器中的內容，但震蕩器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一個復位。引腳描述VCC：電源電壓 GND：地P0口P0口是一組8位漏極開路雙向I/O口，即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口時，每一個管腳都能夠驅動8個TTL電路。當“1”被寫入P0口時，每個管腳都能夠作為高阻抗輸入端。P0口還能夠在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，轉換地址和數(shù)據(jù)總線復用，并在這時激活內部的上拉電阻。P0口在閃爍編程時，P0口接收指令，在程序校驗時，輸出指令，需要接電阻。P1口P1口一個帶內部上拉電阻的

14、8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動4個TTL電路。對端口寫“1”，通過內部的電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。因為內部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時輸出一個電流。閃爍編程時和程序校驗時，P1口接收低8位地址。P2口P2口是一個內部帶有上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動4個TTL電路。對端口寫“1”，通過內部的電阻把端口拉到高電平，此時，可作為輸入口。因為內部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口線上的內容在整個運行期間不變。閃爍編程或校驗

15、時，P2口接收高位地址和其它控制信號。P3口P3口是一組帶有內部電阻的8位雙向I/O口，P3口輸出緩沖故可驅動4個TTL電路。對P3口寫如“1”時，它們被內部電阻拉到高電平并可作為輸入端時，被外部拉低的P3口將用電阻輸出電流。P3口除了作為一般的I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：端口引腳第二功能P3.0RXDP3.1TXDP3.2INT0P3.3INT1P3.4T0P3.5T1P3.6WRP3.7RDP3口還接收一些用于閃爍存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST復位輸入。當震蕩器工作時，RET引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平將使單片機復位。ALE/當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存

16、儲器時，ALE輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE以時鐘震蕩頻率的1/16輸出固定的正脈沖信號，因此它可對輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖時，閃爍存儲器編程時，這個引腳還用于輸入編程脈沖。如果必要，可對特殊寄存器區(qū)中的8EH單元的D0位置禁止ALE操作。這個位置后只有一條MOVX和MOVC指令ALE才會被應用。此外，這個引腳會微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE無效。PSEN程序儲存允許輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51由外部程序存儲器讀取指令時，每個機器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在

17、此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN 信號不出現(xiàn)。EA/VPP外部訪問允許。欲使中央處理器僅訪問外部程序存儲器，EA端必須保持低電平。需要注意的是：如果加密位LBI被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平，CPU則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。閃爍存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電壓VPP，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP。XTAL1：震蕩器反相放大器及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：震蕩器反相放大器的輸出端。時鐘震蕩器AT89C51中有一個用于構成內部震蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放

18、大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自然震蕩器。 外接石英晶體及電容C1，C2接在放大器的反饋回路中構成并聯(lián)震蕩電路。對外接電容C1，C2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響震蕩頻率的高低、震蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30PF±10PF，而如果使用陶瓷振蕩器建議選擇40PF±10PF。用戶也可以采用外部時鐘。采用外部時鐘的電路如圖示。這種情況下，外部時鐘脈沖接到XTAL1端，即內部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內部時鐘信號的，所以對外部時鐘

19、信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應符合產品技術條件的要求。內部振蕩電路外部振蕩電路閑散節(jié)電模式AT89C51有兩種可用軟件編程的省電模式，它們是閑散模式和掉電工作模式。這兩種方式是控制專用寄存器PCON中的PD和IDL位來實現(xiàn)的。PD是掉電模式，當PD=1時，激活掉電工作模式，單片機進入掉電工作狀態(tài)。IDL是閑散等待方式，當IDL=1，激活閑散工作狀態(tài)，單片機進入睡眠狀態(tài)。如需要同時進入兩種工作模式，即PD和IDL同時為1，則先激活掉電模式。在閑散工作模式狀態(tài)，中央處理器CPU保持睡眠狀態(tài)，而所有片內的外設仍保持激活狀態(tài)，這種方式由軟件產生。此時，片內隨機存

20、取數(shù)據(jù)存儲器和所有特殊功能寄存器的內容保持不變。閑散模式可由任何允許的中斷請求或硬件復位終止。終止閑散工作模式的方法有兩種，一是任何一條被允許中斷的事件被激活，IDL被硬件清除，即刻終止閑散工作模式。程序會首先影響中斷，進入中斷服務程序，執(zhí)行完中斷服務程序，并緊隨RETI指令后，下一條要執(zhí)行的指令就是使單片機進入閑散工作模式，那條指令后面的一條指令。二是通過硬件復位也可將閑散工作模式終止。需要注意的是：當由硬件復位來終止閑散工作模式時，中央處理器CPU通常是從激活空閑模式那條指令的下一條開始繼續(xù)執(zhí)行程序的，要完成內部復位操作，硬件復位脈沖要保持兩個機器周期有效，在這種情況下，內部禁止中央處理器CP