模擬路燈控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要路燈照明對人們的日常生活有著很重要的作用，路燈照明系統(tǒng)的好壞直接影響到人們夜晚出行的安全。中國的路燈控制系統(tǒng)老舊，效率低，浪費能源過多。路燈系統(tǒng)控制方式落后，無法遠程控制開關(guān)燈時間，缺乏設(shè)備故障檢測和報警系統(tǒng)。急需升級改善。單片機擁有卓越的控制能力，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在很多領(lǐng)域?；趩纹瑱C的智能路燈控制系統(tǒng)可以改變中國路燈現(xiàn)狀，使得路燈的管理變得簡單、可靠，能節(jié)約更多的電能，能使人們更加安全的出行，減少因路燈控制系統(tǒng)不完善而引起的交通事故。因此，設(shè)計一款智能路燈控制系統(tǒng)具有非常重要的意義。文章介紹了模擬路燈控制系統(tǒng)的兩大組成部分，即硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)以AT89S52單片機為主控芯片，由實時時鐘芯片DS1302產(chǎn)生實時系統(tǒng)時間，由LCD1602液晶顯示屏顯示菜單、提示和實時時間等信息，使用獨立式鍵盤調(diào)整切換功能菜單、設(shè)置開關(guān)燈時間等，采用光敏電阻檢測環(huán)境的明暗情況，使用反射型紅外光電傳感器檢測交通情況，配合蜂鳴器和LED燈實現(xiàn)故障報警。軟件系統(tǒng)包含系統(tǒng)監(jiān)控程序模塊、顯示程序模塊、鍵盤程序模塊、實時時鐘程序模塊，環(huán)境檢測程序模塊、報警程序模塊、交通檢測程序模塊，設(shè)定路燈開關(guān)時間程序模塊等。通過在proteus軟件中模擬仿真調(diào)試，實現(xiàn)了課題規(guī)定的功能和性能指標要求，設(shè)計成果具有一定的推廣應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：路燈控制；AT89S52；DS1302；LCD1602ABSTRACTStreetlightinghasaquitesignificantimpactonpeople'sdailylife,thequalityofthestreetlamplightingsystemdirectlyaffectsthesafetyofpeopleatnight.Inchina，streetlampcontrolsystemisold-style,lowefficiencyandwastetoomuchenergy.Themodeofstreetlightcontrolsystemisbackward,itcan’tremotelycontrolswitchlightsintime,andlackequipmentinfaultdetectionandalarmsystem,whichisbadlyinneedofupgrading.MCUhasexcellentcontrolability,whichhasbeenwidelyusedinmanyfields.BasedonMCUintelligentlightingcontrolsystemcanchangethestatusofChinesestreetlighting,thestreetlampmanagementbecomessimpleandreliable,whichcansavemoreenergy,makepeoplemoresafetravelandreducetrafficaccidentscausedbydefectivestreetlampcontrolsystem.Therefore,itisgreatcrucialtodesignaintelligentstreetlampcontrolsystem.Thispaperintroducesthetwocomponentsoftheanalogstreetlampcontrolsystem,namelythehardwaresystemandthesoftwaresystem.ThemaincontrolchipofhardwaresystemistheAT89S52microcontroller,real-timesystemtimeisproducedbythereal-timeclockchipDS1302,theinformationofmenu,promptandrealtimeisdisplayedontheLCD1602,hardwaresystemuseaseparatekeyboardtoadjustorswitchfunctionmenuandsetthetimeswitchlights,photosensitiveresistancetomeasurethebrightnessofenvironment,andthereflectiontypeinfraredphotoelectricsensortodetecttrafficsituation,withthebuzzerandLEDlamprealizesfaultalarm.Softwaresystemincludessystemmonitormodule,displaymodule,keyboardmodule,real-timeclockmodule,environmentdetectionprogrammodule,alarmmoduleprogram,trafficdetectionprogrammodule,setthestreetlampswitchtimeprogrammoduleandsoon.BysimulatinganddebugginginProteusSoftware,thefunctionandperformancerequirementoftheprojectareachieved,andthedesignresulthascertainapplicationvalue.Keywords:streetlampcontrol;at89s52;ds1302;lcd1602目錄TOC\o"1-3"\h\uHYPERLINK\l_Toc101721緒論 1HYPERLINK\l_Toc131701.1課題的背景及意義 1HYPERLINK\l_Toc179821.2設(shè)計的主要工作 2HYPERLINK\l_Toc205512設(shè)計思想與方案 3HYPERLINK\l_Toc323362.1設(shè)計思想 3HYPERLINK\l_Toc54922.2設(shè)計方案 3HYPERLINK\l_Toc136113硬件系統(tǒng)的設(shè)計 5HYPERLINK\l_Toc172563.1主要元器件介紹 5HYPERLINK\l_Toc301273.1.1AT89S52單片機 5HYPERLINK\l_Toc315783.1.2DS1302芯片 6HYPERLINK\l_Toc229103.1.3LCD1602液晶顯示屏 6HYPERLINK\l_Toc270903.1.4光敏電阻 8HYPERLINK\l_Toc272573.1.5紅外光電傳感器 8HYPERLINK\l_Toc201103.1.6LM324電壓比較器 9HYPERLINK\l_Toc162253.2硬件單元電路的設(shè)計 10HYPERLINK\l_Toc266593.2.1AT89S52單片機最小系統(tǒng) 10HYPERLINK\l_Toc39953.2.2獨立鍵盤模塊電路 12HYPERLINK\l_Toc68583.2.3LCD1602液晶顯示電路 13HYPERLINK\l_Toc195763.2.4DS1302時鐘電路 14HYPERLINK\l_Toc157223.2.5交通環(huán)境檢測電路 14HYPERLINK\l_Toc65463.2.6環(huán)境明暗檢測電路 14HYPERLINK\l_Toc300323.2.7故障檢測檢測電路 16HYPERLINK\l_Toc230093.2.8聲光報警電路 16HYPERLINK\l_Toc111373.2.9路燈電路 16HYPERLINK\l_Toc175634軟件系統(tǒng)的設(shè)計 17HYPERLINK\l_Toc275364.1軟件設(shè)計的描述 17HYPERLINK\l_Toc28994.2系統(tǒng)軟件的程序設(shè)計 17HYPERLINK\l_Toc276004.2.1系統(tǒng)監(jiān)控模塊程序設(shè)計 17HYPERLINK\l_Toc209874.2.2獨立鍵盤模塊程序設(shè)計 17HYPERLINK\l_Toc40814.2.3液晶顯示模塊程序設(shè)計 18HYPERLINK\l_Toc316194.2.4DS1302時鐘模塊程序設(shè)計 19HYPERLINK\l_Toc272644.2.5設(shè)定路燈開關(guān)時間模塊程序設(shè)計 20HYPERLINK\l_Toc236894.2.6環(huán)境檢測模塊程序設(shè)計 21HYPERLINK\l_Toc235844.2.7交通檢測模塊程序設(shè)計 21HYPERLINK\l_Toc303064.2.8聲光報警模塊程序設(shè)計 21HYPERLINK\l_Toc40185系統(tǒng)調(diào)試運行及結(jié)果分析 23HYPERLINK\l_Toc233495.1系統(tǒng)使用說明 23HYPERLINK\l_Toc297815.2系統(tǒng)運行結(jié)果 23HYPERLINK\l_Toc186685.2.1進入系統(tǒng)提示 23HYPERLINK\l_Toc292975.2.2選擇菜單顯示結(jié)果 23HYPERLINK\l_Toc108735.2.3實時時間顯示結(jié)果 24HYPERLINK\l_Toc95445.2.4環(huán)境明暗變化仿真結(jié)果 24HYPERLINK\l_Toc189655.2.5聲光報警仿真結(jié)果 25HYPERLINK\l_Toc251315.2.6交通環(huán)境仿真結(jié)果 26HYPERLINK\l_Toc296675.2.7設(shè)定路燈開關(guān)時間仿真結(jié)果 27HYPERLINK\l_Toc103645.2.8獨立控制路燈仿真結(jié)果 29HYPERLINK\l_Toc325995.3結(jié)果分析與結(jié)論 30HYPERLINK\l_Toc163555.4設(shè)計體會 30HYPERLINK\l_Toc24409結(jié)束語 32HYPERLINK\l_Toc8472參考文獻 33HYPERLINK\l_Toc15830致謝 1HYPERLINK\l_Toc21813附錄 36HYPERLINK\l_Toc453附錄A元件清單 36HYPERLINK\l_Toc21562附錄B程序清單 371緒論1.1課題的背景及意義路燈照明對人們的日常生活有著很重要的作用，路燈照明系統(tǒng)的好壞直接影響到人們夜晚出行的安全。過去的幾十年里，中國的經(jīng)濟發(fā)生了天翻地覆的變化，中國的路燈數(shù)量逐年上升，數(shù)量龐大，但是國內(nèi)路燈的控制系統(tǒng)老舊落后，國家應(yīng)該高度重視這種現(xiàn)狀。由于中國人口基數(shù)和人口密度大，遼遠的公路總長度，中國已經(jīng)是路燈總數(shù)量全球最多的國家之一。2012年路燈總數(shù)量已經(jīng)達到3000多萬盞，隨著國家對公路安全的重視不斷加強，每年的增長速度很快，到2016年，路燈的數(shù)量之多可想而知。就路燈照明而言，耗電量就幾乎占全國照明總用電量的三分之一[1]。良好的交通道路照明可以給國民生活提供安全的環(huán)境，但是，由此產(chǎn)生的問題也很嚴峻，首先，路燈數(shù)量多導(dǎo)致能源的使用逐年增加，而且使道路路燈的維護更加困難，維護人員和維護費用增加，政府的財政支出花銷增多，光源污染現(xiàn)象嚴重，問題的出現(xiàn)給社會帶來了不利影響，亟待政府出臺政策解決問題[2]。中國的路燈控制系統(tǒng)老舊，電能使用效率低，浪費能源過多。中國路燈系統(tǒng)的控制方式落后，無法遠程控制路燈點亮和熄滅的時間，而且缺乏設(shè)備故障檢測和報警系統(tǒng)，急需升級改善。單片機擁有卓越的控制能力，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在很多領(lǐng)域?；趩纹瑱C的智能路燈控制系統(tǒng)可以改變中國路燈現(xiàn)狀，使得路燈的管理變得簡單、可靠，能節(jié)約更多的電能，能使人們更加安全的出行。因此，設(shè)計一款智能路燈控制系統(tǒng)具有非常重要的意義[1]。相比國內(nèi)的路燈控制系統(tǒng)，國外的路燈控制系統(tǒng)有著很大的優(yōu)勢，國外的科技很新穎獨特。國外將RFID、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)用于路燈控制系統(tǒng)。有些發(fā)達國家，將RFID技術(shù)運用到路燈控制系統(tǒng)中，在公路旁邊安裝RFID讀卡器，在汽車上安裝RDID電子標簽，設(shè)計了一款智能路燈自動控制系統(tǒng)，可以對路燈進行智能控制，不僅能夠節(jié)約能源，而且管理路燈系統(tǒng)更加有效率。2015年，美國洛杉磯與荷蘭PHILIPS公司達成合作協(xié)議，計劃將洛杉磯10萬盞以上的路燈全新升級，將它們統(tǒng)一添加到一個無線網(wǎng)絡(luò)中。如果發(fā)現(xiàn)路燈出現(xiàn)問題，管理者想要控制它們的開關(guān)狀態(tài)，只須在電腦前打開瀏覽器就可以成功控制路燈，在飛利浦的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，用戶通過地圖能查看到全城路燈的詳細狀況，包括每一盞路燈的型號和使用狀態(tài)。管理者使用鼠標對路燈操作，就可以實現(xiàn)打開或關(guān)閉城市路燈并且可以控制路燈的亮暗。PHILIPS公司設(shè)計的系統(tǒng)使用非常方便，可以給人們的夜行提供良好的環(huán)境。從國內(nèi)外的路燈系統(tǒng)的發(fā)展比較，國外的科技真的很先進，中國應(yīng)該努力的學習國外的科技和設(shè)計思路，提高中國自身的科技力量，從而提升中國的國民生活質(zhì)量。以MCU為控制核心的智能路燈控制系統(tǒng)可以顯著改善中國道路路燈控制系統(tǒng),不但可以達到智能化控制，使路燈控制系統(tǒng)的管理更加有效率，而且還能降低了運行成本，除此之外，智能的路燈控制系統(tǒng)可以很好的節(jié)約能源，減少對環(huán)境的影響，提高人們的日常生活質(zhì)量，減少因路燈系統(tǒng)不完善而發(fā)生的事故[4,5]。因此，智能路燈控制系統(tǒng)的全面使用，使路燈控制系統(tǒng)的管理更簡便可靠，提高服務(wù)效率，使城市的市容市貌更美麗，道路交通環(huán)境更安全。1.2設(shè)計的主要工作模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計的特點是，能顯示實時時間，能定時點亮和熄滅路燈，能根據(jù)環(huán)境明暗自動點亮和熄滅路燈，能根據(jù)交通情況自動點亮和熄滅路燈，并且能檢查故障。設(shè)計的系統(tǒng)可控制性很好，比較智能化，操作簡單，容易上手。要想設(shè)計好模擬路燈控制系統(tǒng)，系統(tǒng)最關(guān)鍵的就是設(shè)計控制模塊和檢測模塊。首先，設(shè)計系統(tǒng)的核心就是要挑選一個合適，控制能力又強的控制模塊，需要查詢相關(guān)的資料，確定用那種芯片作為系統(tǒng)的主控模塊。然后設(shè)計檢測模塊，包括環(huán)境檢測和交通情況檢測，根據(jù)設(shè)計的要求，確定所有的檢測元器件，設(shè)計好完整的檢測電路。系統(tǒng)還需要能夠顯示實時時間，設(shè)定路燈點亮和熄滅的時間，因此，要設(shè)計實時時鐘電路，顯示電路和按鍵輸入電路。系統(tǒng)還要求，當路燈出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能過自動的發(fā)出聲光報警，所以需要設(shè)計者設(shè)計聲光報警電路。當設(shè)計好了硬件電路圖后，設(shè)計的主要工作就是要設(shè)計各個模塊的軟件程序。軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)監(jiān)控程序模塊、液晶顯示程序模塊、獨立鍵盤程序模塊、DS1302時鐘程序模塊，環(huán)境檢測程序模塊、聲光報警程序模塊、交通檢測程序模塊、設(shè)定路燈開關(guān)時間程序模塊等。當兩者都設(shè)計完成之后，就需要可以進行仿真或者實物制作，期間，需要不斷的調(diào)試軟件和硬件電路，最后實現(xiàn)課題規(guī)定的功能和性能指標要求。以上就是整個設(shè)計的主要的工作。2設(shè)計思想與方案2.1設(shè)計思想首先根據(jù)課題的設(shè)計要求，查找翻閱相關(guān)資料，確定系統(tǒng)的各個模塊，確定模塊后，再去選擇各個模塊需要的電子元器件，可以在Proteus仿真軟件中先設(shè)計好原理圖，再完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計。在Proteus中仿真，當所有的功能都能實現(xiàn)時，然后就可以設(shè)計硬件原理圖，可以根據(jù)硬件原理圖做出實物，再通過反復(fù)的調(diào)試，實現(xiàn)設(shè)計要求的功能，最后整理設(shè)計的相關(guān)材料，編寫課題說明書。設(shè)計的思路主要硬件電路系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)設(shè)計。硬件系統(tǒng)包括主控模塊電路、電源電路、晶振電路、復(fù)位電路、下載電路、獨立按鍵電路、路燈電路、液晶顯示電路、DS1302時鐘電路、交通監(jiān)測電路、明暗環(huán)境監(jiān)測電路、聲光報警電路、故障監(jiān)測電路等；軟件系統(tǒng)是針對設(shè)計的各個模塊編寫相應(yīng)的模塊程序。其中包含系統(tǒng)監(jiān)控程序、液晶顯示程序、獨立鍵盤程序、DS302時鐘程序，環(huán)境檢測程序、聲光報警程序、交通檢測程序，設(shè)定路燈開關(guān)時間程序等模塊。2.2設(shè)計方案設(shè)計模擬路燈控制系統(tǒng)有很多種方法，可以用高度集成的FPGA控制芯片來設(shè)計，也可以采用單片機技術(shù)實現(xiàn)模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計，兩者都有各自的優(yōu)勢和特點，首先來介紹基于FPGA控制芯片設(shè)計的系統(tǒng)方案。方案一：FPGA控制芯片是一種集成度非常高的芯片，使用FPGA設(shè)計系統(tǒng)，非常的靈活，它可以支持在線修改的功能，隨時修改軟件系統(tǒng)設(shè)計，但是不用修改任何硬件電路，它能解決定制電路的缺陷，可以肯定的是，F(xiàn)PGA可以設(shè)計任何數(shù)字電路?；贔PGA的模擬路燈控制系統(tǒng)需要設(shè)計一些外圍的電路，其中包括環(huán)境檢測電路、故障檢測電路、交通檢測電路、聲光報警電路、按鍵電路、顯示電路和路燈電路等?；贔PGA芯片設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖1所示。方案二：單片機技術(shù)使用的范圍非常廣，已經(jīng)應(yīng)用與很多領(lǐng)域，單片機最突出的特點就是控制能力非常強悍，芯片響應(yīng)速度快，同時也是高度集成的一種芯片，集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器、串口、定時器、中斷、看門狗等外設(shè)，使得設(shè)計系統(tǒng)很方便，能達到很好的效果。系統(tǒng)可以使用AT89S52單片機為主控芯片，由實時時鐘芯片DS1302產(chǎn)生實時系統(tǒng)時間，由LCD1602液晶顯示屏顯示菜單、提示和實時時間等信息，使用獨立式鍵盤調(diào)整切換功能菜單、設(shè)置開關(guān)燈時間等，采用光敏電阻檢測環(huán)境的明暗情況，使用反射型紅外光電傳感器檢測交通情況，配合蜂鳴器和LED燈實現(xiàn)故障報警[6]。所以硬件電路設(shè)計包括AT89S52主控芯片、電源電路、晶振電路、復(fù)位電路、下載電路、獨立按鍵電路、路燈電路、顯示電路、時鐘電路、交通監(jiān)測電路、明暗環(huán)境監(jiān)測電路、聲光報警電路、故障監(jiān)測電路等?；趩纹瑱C設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖1基于FPGA芯片設(shè)計的系統(tǒng)框圖圖2基于單片機設(shè)計的系統(tǒng)框圖根據(jù)上述兩個方案的介紹，各有優(yōu)點，但是考慮到設(shè)計系統(tǒng)的成本和適用性，單片機有著天然的優(yōu)勢，單片機價格便宜，功耗低，易于控制，可靠性高，開發(fā)更加容易，而FPGA價格昂貴，不適合模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計，所以選用方案二。3硬件系統(tǒng)的設(shè)計3.1主要元器件介紹3.1.1AT89S52單片機模擬路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計是以AT89S52為主控芯片。AT89S52是一款高度集成、低功耗、控制能力非常強的8位控制芯片，是由Atmel公司生產(chǎn)，使用可編程的Flash存儲器，容量高達8KB,擁有256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器，與80C51單片機完全兼容。除此之外，文章采用的AT89S52是PDIP40封裝，具有40個引腳，多達32個可用的雙向I/O口，而且內(nèi)部資源豐富，具有系統(tǒng)異常可以復(fù)位的看門狗定時器，6個中斷源（2個外部中斷源，一個串口中斷源，3個定時/計數(shù)中斷源），3個可以定時計數(shù)的16位定時器/計數(shù)器，其中一個定時器T2可以捕捉外部信息，1個全雙工異步串行通信口，內(nèi)部還有自帶的晶振和時鐘電路[7,8]。另外，AT89S52兼容匯編和C語言編程，C語言程序具有高度移植性，使得開發(fā)工作更簡便。AT89S52芯片的管腳分布圖如圖3所示。圖3AT89S52芯片的管腳分布圖3.1.2DS1302芯片由于Ds1302具有高性能、低功耗、穩(wěn)定的實時時間計時能力等特點，所以文章選用DS1302產(chǎn)生系統(tǒng)所需的實時時鐘。DS1302由美國DALLAS公司研發(fā)生產(chǎn)，它可以對時間和日期進行準確的計時，識別年份是否為閏年，工作電壓為2.5伏特～5.5伏特[9]。DS1302內(nèi)部有31字節(jié)數(shù)據(jù)寄存器，可以臨時存放接收的數(shù)據(jù)。DS1302只有8個引腳，采用三根線信號線（SCLK、IO、RST）與CPU進行同步通信，Vcc1接外部后備電源，可以使用3.6V的電池，VCC2外接主電源，電壓2.5V以上，當主電源切斷的情況下，在后備電源的供電下，芯片同樣可以保持時鐘正常的運行，不會丟失數(shù)據(jù)，具有掉電保護的作用，安全性能好。1腳和2腳是時鐘源接口，需要外接32.768kHz晶振，在內(nèi)部電路作用下進行32768分頻，可以產(chǎn)出精確的1秒時基。RST是復(fù)位/片選線，當RST為高電平使能所有的數(shù)據(jù)傳送，使能單片機對DS1302進行讀寫操作。在數(shù)據(jù)傳送過程中，一旦RST突變?yōu)榈碗娖剑麄€數(shù)據(jù)傳送將被停止，除此之外，當且僅當SCLK是低電平的時候，RST才能變成高電平，I/O引腳為傳送數(shù)據(jù)口，雙向傳輸數(shù)據(jù)(雙向)，SCLK引腳作為芯片的同步時鐘輸入口，通過這個引腳，DS1302能與其他芯片進行同步通信，只有當SCLK是上升沿的時候，I/O口才能接受的到外部傳送過來的數(shù)據(jù)[10]。DS1302的引腳功能圖如圖4所示。圖4DS1302的引腳功能圖3.1.3LCD1602液晶顯示屏LCD1602液晶顯示屏具有良好的顯示字符功能，所以文章選用它來作為顯示時間、提示等信息，相比數(shù)碼管顯示器，它更容易控制，更加穩(wěn)定。LCD1602液晶顯示屏是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的字符型液晶，總共可以顯示32個字符，是一塊由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成HYPERLINK""點陣型液晶屏，可以用來顯示符號、數(shù)字、字母等。1602代表16X2,也就是可以顯示32個字符，每行顯示16個字符，總共兩行[11]。只需要控制LCD1602的3根引腳的時序就能使LCD正常顯示數(shù)據(jù)，RS=0，RW=0,可以往LCD寫入指令或者顯示地址，RS=1，RW=0可以可以往LCD寫入顯示的數(shù)據(jù)，當E腳出現(xiàn)下降沿，數(shù)據(jù)和命令就能被接收或發(fā)送，從而顯示數(shù)據(jù)。LCD1602基本技術(shù)參數(shù)為：顯示容量:2行，每行16個字符芯片正常工作電壓:4.5～5.5伏特工作電流:2毫安液晶顯示最佳時工作電壓:5伏特LCD1602液晶顯示屏各個引腳解釋如表1所示:表1LCD1602液晶顯示屏各個引腳解釋編號符號引腳解釋編號符號引腳解釋1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負極下面介紹各個引腳的功能。第1腳：VSS為電源地。第2腳：VDD接5V電源正級。第3腳：VL是用來對屏幕亮度對比度進行調(diào)整的接口，當置高電平時對比度最差，接低電平時，對比度最好，如果對比度太高，會產(chǎn)生重影，可以通過電位器調(diào)整對比度，一般采用10K。第4腳：RS是功能選擇口，被置高電平，代表傳輸數(shù)據(jù)，被置低電平，傳輸控制命令字。第5腳：R/W是用來傳送讀寫信號的接口，被置高電平代表可以進行讀操作，被置低電平代表可以進行寫操作。第6腳：E端是使能端，當E為下降沿的時，LCD才能讀取單片機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)和命令。第7～14腳：用來同單片機相接線，傳輸雙向數(shù)據(jù)的信號接口。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負極。LCD1602實物圖如圖4所示。圖4LCD1602實物圖3.1.4光敏電阻光敏電阻的特點是當光照強度變大，其電阻會減小，光照強度變小，電阻會增大，光照強度小的時候，暗電阻會高達1～5M歐姆，光照強度大的時候，亮電阻才50K歐姆左右，這說明光敏電阻的靈敏度很好，可以比較準確的檢測出環(huán)境的變化。所以文章采用GL3547光敏電阻檢測環(huán)境明暗情況。GL3547的亮電阻為50K～100K，暗電阻高達5M歐姆。光敏電阻與200K歐姆電阻串聯(lián)分壓接入LM324，當光線變?nèi)鯐r，光敏電阻變小，使得LM324的輸出為低電平，單片機可以讀取低電平，執(zhí)行相應(yīng)的操作，整個原理就是光敏電阻將光信號轉(zhuǎn)化成了電信號，從而得到環(huán)境的變化情況。如果設(shè)計的項目有光控功能需求，可以使用光線強度較亮的白熾燈模擬，縮短開發(fā)的時間[12]。光敏電阻的實物圖如圖5所示。圖5光敏電阻的實物圖3.1.5紅外光電傳感器文章設(shè)計的模擬路燈控制系統(tǒng)采用紅外光電傳感器ST178檢測交通環(huán)境情況。它的特點有三個，采用靈敏度高的光電晶體管和發(fā)射功率高的紅外光電二極管組成，檢測距離為4-10mm，采用非接觸檢測方式[13]。ST178的工作原理是，當有物體靠近ST178時，它的輸出為低電平，沒有物體遮擋時，它的輸出為高電平，單片機可以觀察ST178的輸出，從而得出交通的變化。ST178的實物圖如圖6所示。圖6ST178的實物圖3.1.6LM324電壓比較器LM324是帶差分輸入的標準運算放大器，可以減少共模干擾，與其他的運算放大器對比，占有一定的上風。LM324的工作電壓為3V到32伏，靜態(tài)電流為普通運放的靜態(tài)電流的20%[14]。當去掉LM324內(nèi)部的反饋電阻時,LM324可以用作電壓比較器，電壓比較器的輸出是一種高低電平組成的矩形波，相當于數(shù)字信號，而輸入確實模擬信號，所以LM324廣泛用于數(shù)字電子技術(shù)中，它的原理是當同相輸入端信號大于反相輸入端信號時，其輸出為低電平，當小于反相輸入端時，其輸出為高電平[15]。LM324的實物圖如圖7所示，LM324的電路圖形符號如圖8所示。圖7LM324的實物圖圖8LM324的電路圖形符號3.2硬件單元電路的設(shè)計3.2.1AT89S52單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)是由單片機芯片、復(fù)位、晶振、電源、下載等電路組成。單獨一個單片機芯片是不能完成控制任務(wù)的，需要電源電路給芯片供電，除此之外，還需要晶振電路給單片機提供時鐘源，單片機才能工作，當單片機芯片死機的時候，需要復(fù)位電路復(fù)位單片機。因而對于系統(tǒng)的設(shè)計，首先要設(shè)計單片機的最小系統(tǒng)。AT89S52控制芯片電路部分：AT89S52控制芯片電路如圖9所示。圖9AT89S52控制芯片電路（2）電源電路部分：模擬路燈控制系統(tǒng)的各個模塊正常工作必須引入穩(wěn)定的供電電壓，才能使各個模塊能過驅(qū)動其他外圍電路，文章設(shè)計的模擬路燈控制系統(tǒng)需要+5V的供電電壓，所以需要設(shè)計直流穩(wěn)壓電源，文章設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源是由變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓等四部分電路組成。首先，通過電源變壓器（12V輸出20w）將交流電壓220V降壓成12V左右交流電壓，然后通過整流橋（2W102A/1000V）整流變成波動的直流電壓，因為波動的直流電流還存在很大的文波，所以需要用濾波電路除去它，文章使用電容濾波（470μF和0.1μF）消除波動的直流成分，可以得到比較平整的直流電壓，但是平整的直流電壓還會隨著電網(wǎng)電壓的波動、負載和溫度的變化而波動[16]。為了解決問題，文章通過穩(wěn)壓芯片（LM7805）輸出穩(wěn)定的+5V直流電壓，為了知道電源是否接通，在電源輸出端接了一個發(fā)光二極管，串聯(lián)470Ω電阻防止燒壞發(fā)光二極管。電源電路如圖10所示。圖10電源電路（3）晶振電路部分：晶振相當于單片機的心臟，在單片機系統(tǒng)里的作用非常大，它結(jié)合自己內(nèi)部的電路，可以產(chǎn)生單片機必需的時鐘驅(qū)動，單片機執(zhí)行的所有指令都是建立在時鐘基礎(chǔ)上的，晶振諧振的時鐘頻率越高，那單片機的運行速度也就越快[17]。通常單片機系統(tǒng)共用同一個晶振，可以保證單片機系統(tǒng)各個模塊同步。文章設(shè)計的晶振電路是通過在AT89S52的XT1、XT2引腳上接入12MHz的石英晶振，外加兩個電容(33PF)組成的電路，為單片機提供時鐘信號。晶振電路如圖11所示。圖11晶振電路（4）復(fù)位電路部分：所有的單片機系統(tǒng)設(shè)計,都要設(shè)計系統(tǒng)的復(fù)位電路，當系統(tǒng)出現(xiàn)死機時，復(fù)位電路可以使系統(tǒng)初始化。一個良好的復(fù)位電路可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，單片機上電后就會自動復(fù)位，復(fù)位系統(tǒng)的設(shè)置和初始化所有參數(shù)[18]。單片機復(fù)位分為按鍵復(fù)位和上電復(fù)位，當出現(xiàn)死機和運行錯誤時，一般采用按鍵方式對系統(tǒng)進行復(fù)位操作，使單片機內(nèi)部清零和置位。C51單片機的復(fù)位電平為高電平，按鍵復(fù)位需要手動在復(fù)位輸入端RST上輸入高電平。文章采用的辦法是在RST端和電源Vcc之間接一個按鍵，然后串聯(lián)一個200歐姆和1000歐姆的電阻，再接到電源地。當人為按下按鈕時，則200歐姆的電阻與1000歐姆電阻分壓，高電平接入到單片機的RST引腳[19]。上電復(fù)位是通過電容（22μF）充電實現(xiàn)復(fù)位的。當系統(tǒng)上電時，電容處于充電狀態(tài)，電壓幾乎為0V，那么RST引腳為+5V，為高電平，系統(tǒng)就會復(fù)位，當電容充滿電后，RST就會為低電平，系統(tǒng)停止復(fù)位。復(fù)位電路如圖12所示。圖12復(fù)位電路（5）下載電路部分：設(shè)計好系統(tǒng)電路后，需要在編程軟件中編寫好各個模塊的程序，然后經(jīng)過編譯、鏈接產(chǎn)生可執(zhí)行文件，然后在將可執(zhí)行文件燒錄到單片機中。如何燒錄程序呢，那就需要通過下載電路將可執(zhí)行文件寫入單片機。文章設(shè)計的下載電路是ISP下載電路，單片機的P15引腳(MOSI),P16引腳(MISO),P17引腳(SCK),RST引腳與ISP下載線插座相連，再接上電源。在軟件下載工具progisp的幫助下，就可以將生成的可執(zhí)行文件燒錄到AT89S52單片機中。下載電路如圖13所示。圖13下載電路3.2.2獨立鍵盤模塊電路模擬路燈控制系統(tǒng)要求能切換菜單、設(shè)置路燈亮滅的時間和獨立的控制每個路燈，那么就需要鍵盤來實現(xiàn)以上功能。獨立鍵盤是模擬路燈控制系統(tǒng)的輸入設(shè)備，能對系統(tǒng)的功能進行操作和設(shè)置，總共需要8個獨立式鍵盤完成所有的操作。獨立式鍵盤相互獨立，每個按鍵之間互不影響，按鍵一端統(tǒng)一接地，另一端連接到單片機的P1口，當有按鍵按下，對應(yīng)的引腳會被拉低[20]。在通過10ms時間的消抖，按鍵還沒有松開，就認為那個按鍵確實被按下，然后根據(jù)按下鍵的功能做出相應(yīng)的執(zhí)行動作。菜單鍵（P10）用來選擇菜單模式，以便知道是選擇了那個模式；確定鍵（P11）的作用是當選擇好菜單模式后，按下確定鍵進入相應(yīng)的模式；退出鍵（P12）的作用是退出相應(yīng)的菜單模式；選擇設(shè)定LED1開關(guān)燈時間鍵（P13）的作用是當按下此鍵就進入選擇設(shè)定LED1開關(guān)燈時間模式；選擇設(shè)定LED2開關(guān)燈時間鍵（P14）的作用是當按下此鍵就進入選擇設(shè)定LED2開關(guān)燈時間模式；選擇調(diào)整時間鍵（P15）的作用是選擇調(diào)整LED開關(guān)燈時間的小時或者分鐘；加鍵或者LED1燈的開關(guān)鍵（P16）的作用是調(diào)整時間加和開關(guān)LED1；減鍵或者LED2燈的開關(guān)鍵（P16）的作用是調(diào)整時間鍵和開關(guān)LED2；系統(tǒng)的獨立鍵盤電路如圖8所示。圖14獨立式鍵盤電路3.2.3LCD1602液晶顯示電路模擬路燈控制系統(tǒng)需要顯示實時時間和故障編號，就需要顯示電路。數(shù)碼管顯示電路控制復(fù)雜，不能顯示清楚的字符，所以就選用了LCD1602液晶屏來顯示時間，LCD1602液晶顯示屏比較容易控制，文章設(shè)計的顯示電路時采用并行數(shù)據(jù)傳輸控制，單片機P2口與LCD1602液晶顯示屏的數(shù)據(jù)口相連，LCD1602的控制引腳RS、RW、EN引腳分別與單片機的P05、P06、P07引腳相連，單片機只要控制好LCD1602液晶顯示屏的時序，就能正確顯示所要的內(nèi)容。液晶電路如圖15所示。圖15LCD1602液晶顯示電路3.2.4DS1302時鐘電路模擬路燈控制系統(tǒng)要求能顯示實時時間，可以利用單片機內(nèi)部的定時計數(shù)器產(chǎn)生１秒時基，用定時器計時很浪費ＣＰＵ的資源，所以采用DS1302時鐘芯片來計時，DS1302能精準的對時間計時，當主電源被切斷后，3.6V的備用電池會給DS1302供電，保證數(shù)據(jù)不會丟失。文章設(shè)計的DS1302時鐘電路，需要DS1302芯片在其X1、X2管腳上接入一個32.768KHz的石英晶振來作為芯片的時鐘振蕩信號，芯片的I/O數(shù)據(jù)口與單片機的P3.4引腳相連接，SCLK時鐘信號引腳連接著單片機P3.3，RST復(fù)位引腳連接著單片機P3.5引腳，在接上電源，單片機正確對DS1302的時序描述，就能讀取DS1302的實時時間。DS1302時鐘電路如圖15所示。圖15DS1302時鐘電路3.2.5交通環(huán)境檢測電路模擬路燈控制系統(tǒng)需要根據(jù)交通環(huán)境自動的亮滅路燈，所以設(shè)計相應(yīng)的電路。電路用到的是單光束反射取樣式紅外光電傳感器ST178檢測交通環(huán)境情況，ST178接一個510Ω電阻是為了限流，防止ST178燒壞，接一個20K的下拉電阻，但是ST178的輸出為模擬電壓，單片機接收的是數(shù)字信號，所以在ST178的輸出接上一個電壓比較器LM324，它能將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，輸出的電平只能是+5V或者0V，然后被單片機讀取，單片機根據(jù)電平執(zhí)行相應(yīng)的操作。交通環(huán)境檢測電路如圖16所示3.2.6環(huán)境明暗檢測電路模擬路燈控制系統(tǒng)要求能過根據(jù)環(huán)境的明暗情況自動亮滅路燈，所以要設(shè)計檢測環(huán)境明暗的電路。系統(tǒng)是使用光敏電阻（GL3547）和電壓比較器組成的電路檢測環(huán)境，光敏電阻與200K電阻串聯(lián)分壓到LM324的反相輸入端，4.7K的電阻與470Ω的電阻串聯(lián)分壓接到LM324的正向輸入端，電壓恒定為0.45V。當有光照強度時，光敏電阻的阻值為5M，反相端的電壓為0.2V，沒有光照時，電阻約為50K，反相端的電壓為4V。所以當有光強時，反相輸入端大于正向輸入端，LM324輸出為低電平，當沒有光強時，反相輸入端小于正向輸入端，LM324輸出為高電平，單片機可以根據(jù)電平執(zhí)行相應(yīng)的操作。環(huán)境明暗檢測電路如圖17所示。圖16交通環(huán)境檢測電路圖17環(huán)境明暗檢測電路3.2.7故障檢測檢測電路模擬路燈控制系統(tǒng)要求當路燈出現(xiàn)故障時，路燈應(yīng)該亮時，卻是熄滅狀態(tài)，單片機能發(fā)出聲光報警信號，同時顯示出現(xiàn)故障路燈的地址編號。故障檢測電路的原理與環(huán)境明暗檢測電路一致，路燈正常情況的狀態(tài)是點亮的，出現(xiàn)異常就會發(fā)出通知單片機，發(fā)出報警信號。故障檢測檢測電路如圖18所示。圖18故障檢測檢測電路3.2.8聲光報警電路當路燈出現(xiàn)故障時，路燈正常情況應(yīng)該為亮燈狀態(tài)，卻變成熄滅狀態(tài)，此時應(yīng)該發(fā)出聲光報警。聲光報警電路是由有源蜂鳴器（HYT-1205）、三極管（S9012）、1K電阻、發(fā)光二極管（BT101）等組成。電路中的三極管相當一個開關(guān)，當P07為高電平時，三極管為截止狀態(tài)，LS1為低電平，蜂鳴器不響，當P07為低電平時，三極管為導(dǎo)通狀態(tài)，LS1為高電平，蜂鳴器響，發(fā)光二極管LED4的原理與蜂鳴器相同。1K電阻的作用是限流，防止器件損壞。聲光報警電路如圖19所示。3.2.9路燈電路路燈電路是用兩個LED發(fā)光二極管來模擬，470歐姆的電阻的作用是限流，防止路燈燒壞。路燈電路如圖20所示。 圖19聲光報警電路圖20路燈電路4軟件系統(tǒng)的設(shè)計4.1軟件設(shè)計的描述根據(jù)設(shè)計的要求，模擬路燈控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括系統(tǒng)監(jiān)控程序模塊、液晶顯示程序模塊、獨立鍵盤程序模塊、DS1302時鐘程序模塊，環(huán)境檢測程序模塊、聲光報警程序模塊、交通檢測程序模塊，設(shè)定路燈開關(guān)時間程序模塊等。4.2系統(tǒng)軟件的程序設(shè)計模擬路燈控制系統(tǒng)的程序設(shè)計是分模塊設(shè)計的，根據(jù)設(shè)計的電路圖，設(shè)計相應(yīng)的程序模塊，在調(diào)試程序的時候，能容易的查找到對應(yīng)的程序，對程序修改。接下來將分模塊對系統(tǒng)的程序進行介紹。4.2.1系統(tǒng)監(jiān)控模塊程序設(shè)計模擬路燈控制系統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)控程序又叫主函數(shù)程序，在主程序中，需要對LCD1602初始化，DS1302初始化，然后顯示提示字符，接下來進入死循環(huán)，在循環(huán)體內(nèi)，等待按鍵掃描，當按下某個功能鍵，就會去執(zhí)行相應(yīng)的功能鍵子程序。流程圖如圖22所示。4.2.2獨立鍵盤模塊程序設(shè)計模擬路燈控制系統(tǒng)采用獨立式鍵盤，采用查詢法進行按鍵掃描。系統(tǒng)的鍵盤掃描程序流程圖如圖21所示。圖21鍵盤掃描程序流程圖圖22系統(tǒng)監(jiān)控程序流程圖4.2.3液晶顯示模塊程序設(shè)計系統(tǒng)需要顯示實時時間和報警信息，系統(tǒng)用LCD1602液晶顯示器顯示，LCD1602可以分為并行數(shù)據(jù)傳輸和串行數(shù)據(jù)傳輸顯示，系統(tǒng)采用的是并行接口傳輸數(shù)據(jù)。接下來介紹液晶顯示的軟件核心設(shè)計步驟，首先，LCD顯示屏初始化，包括設(shè)置功能設(shè)置；顯示與不顯示設(shè)置；輸入模式設(shè)置等[21]。接著清屏，清除屏上的內(nèi)容，寫入顯示字符的地址命令，寫入顯示的數(shù)據(jù)，最后在顯示器上顯示數(shù)據(jù)。液晶顯示模塊程序設(shè)計的流程圖如圖23所示。圖23液晶顯示程序流程圖4.2.4DS1302時鐘模塊程序設(shè)計模擬路燈控制系統(tǒng)要求顯示實時時間，采用DS1302來對時間計時，現(xiàn)在介紹DS1302的程序編寫思路。首先開啟DS1302的寫保護，允許單片機向DS1302寫入數(shù)據(jù)，然后寫入初始時間，在關(guān)閉寫保護，禁止寫數(shù)據(jù)，當單片機需要顯示時間的時候，向DS1302讀取時間，最后在LCD1602上顯示時間。DS1302時鐘程序設(shè)計的流程圖如圖24所示。圖24DS1302時鐘程序流程圖4.2.5設(shè)定路燈開關(guān)時間模塊設(shè)計模擬路燈控制系統(tǒng)要求能調(diào)整路燈亮滅的時間，需要一個調(diào)整時間的程序，文章是用