基于單片機的路燈控制系統(tǒng)設計

濟南大學泉城學院 畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計計 題題 目目 基于單片機的路燈控制系統(tǒng)設計 學學 院院 工學院 專專 業(yè)業(yè) 電氣工程及其自動化 班班 級級 1302 班 學學 生生 李學聯(lián) 學學 號號 指導教師指導教師 張興達 魏志軒 二 一七年五月十六日 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 摘 要 隨著科學技術的日益發(fā)展 在日常生活中人們對于路燈控制系統(tǒng)的要求越來越 高 針對人們的需求功耗大 功能單一的系統(tǒng)已不再滿足人們的需求 本設計針對 上述問題提出了一種新型的路燈系統(tǒng) 可以解決人們的需求 本設計主要包括硬件系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)設計 其系統(tǒng)硬件是由 AT89S52 單片 機 時鐘芯片 DS1302 駐極體話筒 LCD1602 和光敏電阻等為核心的的路燈低功 耗智能控制裝置構成 軟件部分是以 Keil Proteus 等軟件為載體 使用 C 語言對程 序進行編寫 單片機根據(jù)光敏電阻和人體紅外感應模塊對路邊狀況的檢測和時鐘芯 片 DS1302 設置時間來控制電壓比較器實現(xiàn) LED 路燈亮度的自動調(diào)節(jié) 通過 LCD 顯示時間和光感度 通過光敏電阻實現(xiàn)故障檢測 當路燈出現(xiàn)故障時 蜂鳴器會自 動進行報警 通過仿真及實物制作 調(diào)試 驗證了本設計內(nèi)容的可行性 為進一步研發(fā)推廣 提供了一定的數(shù)據(jù)參考 關鍵詞 單片機 傳感器 路燈控制 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 I ABSTRACT With the development of the technology the application of streetlight control system is playing an increasingly important role in our daily life Demand for people s needs a single function of the system is no longer meet people s needs The design of the above mentioned a new type of street lamp system can solve people s needs The design includes hardware system design and software system design The hardware system includes the single chip of AT89S52 the clock chip 1302 Analog to Digital Converter and photosensitive resistor The software system is based on Keil Proteus and other software as the carrier the use of C language to write the program Single chip according to the photosensitive resistor and infrared pyroelectric sensor on the roadside detection and clock chip DS1302 set the time to control the A D conversion chip to achieve automatic adjustment of LED street light brightness Through the LCD display time and light sensitivity through the photosensitive resistor to achieve fault detection when the street lights break down the buzzer will automatically alarm Through the simulation and production debugging verify the feasibility of the design content to further research and development to provide a certain data reference Key words MCU transducer Street light control 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 II 目 錄 摘要 I ABSTRACT II 1 前言 1 1 1 研究背景與意義 1 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1 3 本設計研究的主要內(nèi)容 2 2 系統(tǒng)總體設計方案 3 2 1 硬件部分設計方案 3 2 2 軟件部分設計方案 4 3 硬件部分設計 5 3 1 單片機最小系統(tǒng) 5 3 2 光線檢測電路 6 3 2 1 雙電壓比較器 6 3 2 2 光敏電阻 6 3 3 報警電路 7 3 4 人體紅外感應模塊電路 8 3 5 聲音檢測電路 8 3 6 時鐘電路 9 4 軟件部分設計 10 4 1 軟件介紹 10 4 1 1 Proteus 軟件 10 4 1 2 keil 軟件 10 4 2 主程序設計 12 4 3 子程序設計 13 4 3 1 人體檢測子程序 13 4 3 2 時鐘子程序 13 4 3 3 報警子程序 14 4 3 4 光線檢測子程序 15 4 3 5 中斷子程序 16 5 系統(tǒng)仿真與調(diào)試 17 5 1 系統(tǒng)電路仿真 17 5 2 PCB 設計 17 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 III 5 2 1 PCB 介紹 17 5 2 2 PCB 設計實現(xiàn) 18 5 3 電路板制作 19 5 3 1 印制板和元器件檢查及安裝 19 5 3 2 電路板的焊接及檢查 19 5 4 系統(tǒng)調(diào)試 20 6 結論 25 參考文獻 26 致謝 27 附錄 1 原理圖 28 附錄 2 PCB 圖 29 附錄 3 實物圖 30 附錄 4 元器件清單 31 附錄 5 部分程序 32 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 0 1 1 前言 1 1 研究背景與意義 現(xiàn)如今中國的能源需求越來越多 但能源數(shù)量卻很少 供不應求 特別是中國 人口基數(shù)比較大 在此情況下節(jié)約能源是國家應該關注的內(nèi)容 因此解決全國路燈 的節(jié)能問題變得很重要 在此之前采用的城市照明大多數(shù)是低效且高耗的 這極大 造成了資源的浪費 為解決資源短缺及減少不必要的資源浪費 大力發(fā)展綠色節(jié)能 照明顯得日益重要 目前高壓鈉燈是全世界廣泛使用的路燈種類 一般情況下可以使用 2 年以上 但是這些高壓鈉燈由于非正常的使用 極大縮短了路燈的使用壽命 有的使用壽命 僅僅只有一年多 或者只有幾個月 這就造成了路燈維修費用的增加和材料的浪費 在超壓條件下 負載不僅沒有更好的工作 反而由于發(fā)熱造成路燈的損壞 1 現(xiàn)在國外很多國家 已經(jīng)決定將之前采用的低效高耗的路燈換成智能聯(lián)網(wǎng)的節(jié) 能 LED 燈 與傳統(tǒng)使用的路燈相比這樣智能聯(lián)網(wǎng)的路燈可以根據(jù)周圍的實際情況工 作 實現(xiàn)人們對于不同路境下的不同需求 有的國家已開始利用太陽能來解決資源 不足的問題 以此來節(jié)約能源實現(xiàn)綠色節(jié)能 低碳經(jīng)濟的發(fā)展 這樣很大程度上解 決了資源浪費的問題 中國大多數(shù)地區(qū)是利用定時控制或者人工控制來實現(xiàn)路燈開關的 這樣的控制 也存在一些缺點 若采用定時控制 則存在季節(jié)不同 造成資源浪費的情況 夏天 白晝時間較長 不需要很早就打開路燈 同樣冬天白晝時間較短 需要提前開啟 否則將會對人們的生活造成不便 若通過人工控制 則每天路燈的亮滅時間是不確 定的 路燈不會那么準時的開啟或斷滅 同時全國路燈數(shù)量較多 每個城市或地區(qū) 需要雇傭大量的人力來進行控制 不僅占用雇傭資金且浪費勞動力資源 新世紀以 來我國的科學技術一直在不斷的進步 所以 LED 燈的使用也慢慢隨著半導體材料的 發(fā)展得到應用 目前人們熟知的半導體材料路燈有 LED 太陽能路燈 霓虹燈 廣告 燈箱等 除此之外我國市場上還有很多節(jié)能路燈產(chǎn)品 現(xiàn)如今全球都存在資源不足的情況 所以世界各國都在大力發(fā)展綠色環(huán)保節(jié)能 和低碳經(jīng)濟 然而 與國外路燈節(jié)能技術相比我國的路燈節(jié)能技術還比較落后 因 此 在不斷推進城市化建設的今天 我國的路燈控制系統(tǒng)的發(fā)展對于城市化建設變 得十分重要 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前大多數(shù)地區(qū)的路燈控制系統(tǒng)是根據(jù)時間控制路燈開關的 對于不同的季節(jié) 以及陰天 下雨天等不同的外界因素來說這樣的控制系統(tǒng)雖然不會對路燈的控制產(chǎn) 生影響 但是會對人們的生活造成不便 就夏天而言 白晝持續(xù)時間比較長 一般 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 1 情況下七點左右天才會慢慢的暗下來 早上五點左右天就會變亮 假如設定的路燈 開始時間為傍晚6點 早上路燈的開啟時間為六點 這樣就會造成電能資源的浪費 就冬天而言 白晝時間較短 如果設定時間和夏天一樣 就會對人們的生活造成不 變 時間控制路燈開關的另一個缺點在于 在很多像北上廣的繁華大城市 路燈在 晚上是一直開著的 但對于大多數(shù)地區(qū)而言 在半夜零點以后 路上行人很少或者 說基本上沒有行人或者車輛經(jīng)過 如果在車流量較少的情況下 道路上還一直保持 路燈通亮 這顯然是對電能的一種浪費 根據(jù)調(diào)查顯示 國內(nèi)很多地方在凌晨以后 是隔盞通亮的 這樣雖然節(jié)約了一定的電能 但也存在了一定的不足之處 因為路 面上照明區(qū)域不均勻 一些十字路口可能由于路燈沒亮造成司機盲點而引發(fā)交通事 故 所以給道路安全帶來了隱患 2 1 3 本設計研究的主要內(nèi)容 路燈控制系統(tǒng)設計具體內(nèi)容如下 1 設定路燈的開斷時間 在設置的時間段內(nèi) 路燈會一直保持通亮 2 在非設置時間段內(nèi) 系統(tǒng)通過檢測光線的強弱程度實現(xiàn)對路燈的亮滅 當 光線程度較弱 路燈就會自動開啟 并延時一定的時間會自動熄滅 3 路燈進入節(jié)能模式 即凌晨以后 駐極體和人體紅外感應模塊檢測到有車 輛或行人 路燈亮起 4 系統(tǒng)使用光敏電阻檢測路燈的故障 在設置時間段內(nèi) 若路燈沒有亮起 此時光敏電阻不會檢測到路燈光線 將會啟動蜂鳴器報警 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 2 2 系統(tǒng)總體設計方案 本部分主要包括硬件部分設計和軟件部分設計兩部分 其具體設計內(nèi)容如下 2 1 硬件部分設計方案 硬件部分設計時間是采用 24 小時制 具有調(diào)節(jié)時間的功能 并且待機時會顯示 日期 內(nèi)部含有備用電池 LCD 顯示屏不會因為斷電而使時間發(fā)生變化 系統(tǒng)使用 2 個 LED 燈進行路燈模擬 在設置時間段內(nèi) 路燈會同時實現(xiàn)亮滅 凌晨以后會進 入節(jié)能模式 在此模式下路燈只會亮其中的一個 但是當駐極體話筒檢測到有聲響 或者當人體紅外感應模塊檢測到行人車輛經(jīng)過時 兩個燈就會自動開啟 延遲一段 時間后重新變?yōu)橹耙涣烈粶绲臓顟B(tài) 在設置時間段外 路燈通過光敏電阻檢測光 線強度 駐極體檢測聲音來控制路燈的開啟 系統(tǒng)使用光敏電阻檢測路燈的故障 在設置時間段內(nèi) 假定路燈沒有亮起 所以此時光敏電阻不會檢測到光線 將會啟 動蜂鳴器報警 其設計硬件框圖如下圖 2 1 所示 人體紅外感應模塊LCD 顯示 聲音報警 外部光線強度光敏電阻LM393 電壓比較器 AT89S52 單片機 執(zhí)行機構 按鍵模塊供電模塊 圖 2 1 硬件系統(tǒng)框圖 1 人體紅外感應模塊和超聲波傳感器的選擇 人體紅外感應模塊靈敏度高 可靠性強 超聲傳感器雖然可以測量距離 受外 界環(huán)境的影響較小 但是價格過于昂貴 3 因為路燈在中國是廣泛使用的 投入量 比較多 容易造成大量的財力浪費 不適合使用超聲波傳感器 因此選擇價格便宜 的紅外線傳感器 2 數(shù)碼管和 LCD1602 顯示屏的選擇 數(shù)碼管大多數(shù)用來顯示數(shù)字 功耗大 體積比較大 而 LCD1602 液晶顯示不僅 可以顯示字母而且還可以顯示字符 用起來也比較便利 且驅(qū)動電壓低 功耗較小 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 3 顯示量大 生產(chǎn)過程自動化 價格便宜 便于控制 便于攜帶 2 2 軟件部分設計方案 本設計使用的是AT89S52單片機 軟件編寫常采用ASM51匯編語言和C51高級 語言 這兩種語言各有各的特點 就匯編語言來說 它更接近機器語言 常用來編 寫與系統(tǒng)硬件相關的程序 如訪問I O端口 中斷處理程序 實時控制程序 實時通 信程序等 而C51高級語言適合編寫數(shù)學運算程序 這樣可以提高編程的效率和應 用程序的可靠性 考慮到匯編語言和 C 語言的不同 本設計使用 C 語言對程序進行編寫 具體思路如下 1 首先確定設計目標 明確自己的設計功能 2 想好設計思路 根據(jù)所需功能進行程序流程圖的繪制 3 進行程序的編寫 按照設計功能編寫程序 明確各個程序之間的關系 可 采用注釋進行標注 以便以后的閱讀和程序調(diào)試 4 用 Keil 軟件進行調(diào)試 并對程序進行優(yōu)化 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 4 3 硬件部分設計 硬件部分設計內(nèi)容包含 6 個模塊 分別是供電模塊 單片機控制模塊 信號采 集模塊 LCD 顯示模塊 按鍵模塊和蜂鳴器報警模塊 不同的模塊具有不同的功能 其具體模塊功能介紹如下 供電模塊主要為單片機提供可以使用的工作電壓 核心 控制模塊是單片機控制模塊 主要負責控制各個模塊的協(xié)調(diào)工作 顯示模塊主要用 來顯示時間和光感應度 按鍵模塊主要用來進行時間設定 信號采集模塊主要是通 過人體紅外感應模塊和光敏電阻檢測是否有行人經(jīng)過和對光線強度進行采集 蜂鳴 器模塊是當光敏電阻檢測不到路燈燈亮 即路燈出現(xiàn)故障時 蜂鳴器會自動進行報 警 4 其中主要硬件包括 AT89S52 LCD1602 光敏電阻 蜂鳴器 人體紅外感應模 塊 駐極體話筒 DS1302 時鐘芯片等 本設計是通過控制兩個光敏電阻 一個人體紅外感應模塊和駐極體話筒 其中 兩個光敏電阻作用各不相同 一個用來感受光的強度 另一個是用來檢測路燈路燈 是否出現(xiàn)故障 通過人體紅外感應模塊感受是否有人或車輛經(jīng)過 通過駐極體話筒 感受聲響 AT89S52 單片機在不同情況下通過控制這些硬件實現(xiàn)對 LED 燈的亮滅 3 1 單片機最小系統(tǒng) 單片機能正常工作的硬件部分是由電源 復位電路 晶振電路以及擴展部分組 成 構成這些硬件電路的系統(tǒng)被稱為單片機最小系統(tǒng) 單片機正常工作時需要時鐘電路配合外部電路實現(xiàn)振蕩 為單片機提供運行時 鐘 假定單片機中沒有時鐘電路對單片機進行驅(qū)動 單片機將不會工作 不會執(zhí)行 程序 晶振又稱晶體振蕩器 晶振電路主要是為單片機提供時鐘頻率的 時鐘頻率是 單片機執(zhí)行指令的基礎 當晶振提供的頻率越快時 單片機的運行速度也隨之越快 一般情況下 一個系統(tǒng)中使用的晶振大小是一樣的 這樣便于各部分保持同步 但 是有時一個系統(tǒng)中需要不同的時鐘頻率 這時晶振需要與鎖相環(huán)電路一起使用 這 樣不同的鎖相環(huán)就可以為單片機提供不同頻率的時鐘信號 當單片機因為外部干擾因素 造成單片機內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)混亂 導致單片機不 能正常運行時 通過復位電路可以使單片機恢復到初始原來的狀態(tài) 使單片機重新 開始工作 這樣的電路叫做單片機的復位電路 單片機最小系統(tǒng)電路原理圖如下圖 3 1 所示 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 5 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 WR P3 6 16 RST 9 RD P3 7 17 XTAL2 18 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 INT1 P3 3 13 INT0 P3 2 12 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 Vss 20 XTAL1 19 Vcc 40 EA Vpp 31 U2 AT89S52 C4 30pF C3 30pF Z1 12MHZ S1 RST R20 10K C2 2 2uF 16V 5V 5V RS RW E SCK IO RST SELT ENTER UP DOWN VOICE GND 圖 3 1 單片機最小系統(tǒng) 3 2 光線檢測電路 3 2 1 雙電壓比較器 在本設計中使用的是 LM393 是雙電壓比較器 利用 LM393 進行電壓比較 它 的適用電壓范圍比較廣 可采用單電源或者分離式電源供電 5 雙電壓比較器的主 要工作原理是將模擬量的電壓信號與固定的參考電壓進行比較 當輸入電壓的正向 輸入端高于反向輸入端時 它將輸出高電平 當正向輸入端電壓低于反向輸入端電 壓時 輸出低電平 它的電路圖如下圖 3 2 所示 VC COutput InputA InputA GNDInputB InputB OutputB LM 393 圖 3 2 LM393 內(nèi)部結構圖 3 2 2 光敏電阻 光敏電阻是根據(jù)半導體的光電導效應制成的 光敏電阻的電阻值是隨著光的強 弱程度而變化的 當光照強度較強時 電阻值比較小 當光線強度變?nèi)鯐r 電阻會 變大 當光敏電阻器的兩端的金屬電極之間加上電壓時 就會產(chǎn)生電流 當它接收 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 6 到適當?shù)墓庹諒姸葧r 電流就會根據(jù)光線強度的變化而變化 從而實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換 圖中 LIGHT1 為光敏電阻 光照強度較大時 光敏電阻阻值較小 分壓低 這時雙 電壓比較器的引腳 6 比引腳 5 的電壓低 引腳 7 輸出高電平 當光照強度變?nèi)鯐r 光敏電阻的阻值就會變得較大 分壓高 輸出低電平 LED 燈會亮起 單片機通過 判斷電平的高低來判斷是否為黑暗狀態(tài) 其電路圖如下圖 3 3 所示 R11 330k LIGHT1 5539 5V R12 10K R24 10K OUT1 1 2 3 GND 4 5 6 OUT2 7 VCC 8 U3 LM393 LIGHT 5V R10 10K R13 10K VOICE 圖 3 3 光敏電阻工作原理圖 3 3 報警電路 蜂鳴器在本設計中用于報警電路 它是根據(jù)電生磁原理進行工作的 當有電流 經(jīng)過電磁線圈時 電磁線圈會產(chǎn)生磁場來驅(qū)動振動膜發(fā)出聲音的 因為單片機 I O 口輸出電流太小 所以需要通過三極管進行電流的放大來驅(qū)動蜂鳴器 單片機控制 BEEP 的高低電平來讓蜂鳴器是否工作 圖中 Q1 為 NPN 型的三極 管 當 BEEP 為高電平時 三極管將導通 蜂鳴器接地得電 相反為 BEEP 低電平 時 三極管截止 蜂鳴器不得電 R1 為上拉電阻 讓 I O 口的電流在高電平時加大 這時單片機輸出的電平可以驅(qū)動蜂鳴器正常工作 電阻 R6 起限流作用 防止基極 電流太大燒壞三極管 其電路原理圖如圖 3 4 所示 LS1 BEEPQ1 9013 R6 1k R1 10K BEEP 5V 圖 3 4 蜂鳴器報警電路圖 3 4 人體紅外感應模塊電路 J4 為人體紅外模塊插口 有人時第二腳輸出高電平 經(jīng)過電阻 R31 限流后導通 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 7 三極管 Q3 此時三極管集電極接地 所以 PEOPLE 為低電平 LED 燈 D3 點亮 單 片機通過 PEOPLE 是低電平還是高電平判斷是否有人經(jīng)過 其電路圖如圖 3 5 所示 1 2 3 J4 HC SR501 R31 1K R30 10K 5V Q3 9013 PEOPLE D3 LED R29 510 圖 3 5 人體紅外感應模塊電路 3 5 聲音檢測電路 駐極體話筒內(nèi)部有一個場效應管和金屬膜片 當有聲響時駐極體振動膜會發(fā)生 震動 它是一種聲電轉(zhuǎn)換器件 6 駐極體振動膜上具有極化電荷 當有聲音時會發(fā) 生震動 駐極體振動膜會因為震動而發(fā)生位移 所以電容兩極板之間的距離會發(fā)生 改變 電容就會發(fā)生變化 但是駐極體上的電荷量是固定的 如果電容發(fā)生變化 電容器兩端的電壓也一定會發(fā)生變化 從而輸出電信號 這就是駐極體話筒的工作 原理 MK1 為駐極體話筒 當有聲響時 器件產(chǎn)生交變電壓 電容有隔直通交的作用 所以電壓通過 C5 耦合到三極管 Q2 的基極 使三極管截止 此時三極管集電極為高 電平 所以此時 1 腳輸出為低電平 電平由高變低 下降沿觸發(fā)單片機外部中斷 使單片機判斷外界是否發(fā)出聲響 相反地 如果沒有聲音發(fā)出三極管會一直導通 引腳 2 輸入為低電平 電壓比較器輸出高電平 單片機通過高低電平來的輸出判斷 是否有聲音發(fā)出 其電路圖如圖 3 6 所示 OUT1 1 2 3 GND 4 5 6 OUT2 7 VCC 8 U3 LM393 5V MK1 MICROPHONE1 R19 10K R1810K 5V R15 10K R17 330K R16 10K R26 10K R14 10K C5 104 Q2 9013 R13 10K 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 8 圖 3 6 聲音檢測電路 3 6 時鐘電路 DS1302 是可以實現(xiàn)對年 月 日 周 分 秒進行計時的一種低功耗 高性能 的時鐘芯片 而且還具有閏年補償?shù)墓δ?它由 VCC 中較大者供電 內(nèi)部有一個 RAM 寄存器用來存放臨時數(shù)據(jù) DS1302 時鐘芯片有一個可以傳送多次字節(jié)的時鐘 信號和數(shù)據(jù)的接口 保持與 CPU 的同步通信 7 DS1302 時鐘芯片通過引腳 5 6 7 與單片機相連 通過讀取程序來顯示時間 其中 J1 為紐扣電池作為儲備電池使用 當斷電時 LCD 顯示屏不會因為斷電而使時 間發(fā)生變化或者停止 電阻 R3 R4 R5 的作用是用來提高抗干擾能力的 晶振是 用來 DS1302 時鐘芯片提供時鐘頻率的 其電路圖如圖 3 7 所示 VCC2 1 X1 2 X2 3 GND 4 RST 5 I O 6 SCLK 7 VCC1 8 U1 DS1302 Y1 32768Hz 5V 1 2 J1 POWER2 SCK IO RST R3 4 7K R4 4 7K R5 4 7K 5V 圖 3 7 時鐘電路 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 9 4 軟件部分設計 4 1 軟件介紹 4 1 1 Proteus 軟件 Proteus 是一種用于電路設計仿真的 功能較為全面的 EDA 軟件 它由英國 Labcenter electronics 公司于 1989 年研發(fā) 至今已有近 30 年的歷史 在此期間得到 廣大電路設計技術人員的青睞 8 Proteus 具有原理編輯 交互式仿真等功能 設計 滿足了設計軟件從無到有的設計過程 這是其他 EDA 軟件難以企及的 本軟件數(shù)據(jù) 庫包括模擬電路 數(shù)字電路 模數(shù)混合電路等仿真模塊 為這些電路的設計與仿真 提供了完美的平臺 并且他還具備微處理器系統(tǒng)的開發(fā)與仿真功能 對于具體功能 而言 它能夠?qū)崿F(xiàn)電路原理圖智能排布 功能仿真 數(shù)據(jù)分析等功能 并且能夠完 成電路 PCB 設計功能 1 Proteus ISIS 編輯環(huán)境 在 ISIS 7 Professional 啟動界面上單擊 ISIS 圖標 進入 ISIS 7 Professional 窗口 它是由菜單欄 主工具欄 預覽窗口 元器件選擇按鈕 工具箱 原理圖編輯窗口 對象選擇器 仿真按鈕 方向工具欄和狀態(tài)欄等部分組成 9 2 Proteus ISIS 參數(shù)設置 Proteus ISIS 7 可以實現(xiàn)對編輯環(huán)境和系統(tǒng)參數(shù)的設置 編輯環(huán)境設置 Proteus ISIS 編輯環(huán)境的設置主要是圖紙 文本編輯器 網(wǎng)格 點和模板 系統(tǒng)參數(shù)的設置 Proteus ISIS 系統(tǒng)參數(shù)的設置主要是對熱鍵 標注選項 仿 真參數(shù)的設置 4 1 2 keil 軟件 Keil 是由德國 Keil Software 公司研發(fā)的用于開發(fā) 80C51 單片機內(nèi)核的軟件平臺 之一 它廣受設計研發(fā)人員的歡迎 其中 Vision4 是由美國 keil Software 公司推出 的用于開發(fā) 51 系類單片機的 10 它是一個集成開發(fā)環(huán)境可用于編輯 編譯 仿真等 功能 為軟件的開發(fā)提供了較好的設計平臺 而且支持多種多種編程語言設計 其 中包括匯編語言和 C 語言 Keil C51 有豐富的數(shù)據(jù)庫和各種各樣的功能 方便了設 計的人員的使用 下圖為 Vision4 進行程序編寫的界面 如圖 4 1 所示 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 10 圖 4 1 keil 界面圖 1 創(chuàng)建項目 創(chuàng)建一個新的項目和文件 并把這個文件添加到項目中 設置項目和文件的操作屬性 被設置的項目操作屬性包括 明確目標芯片和 系統(tǒng)的硬件環(huán)境 對項目輸出文件和清單文件提出要求 選擇項目的調(diào)試方法等 有時需要對項目中的個別文件單獨設置操作屬性 設置工具選項為目標硬件選擇合適的參數(shù) 項目制作 用工具鏈 編譯器 匯編器 連接定位器等 處理項目 生成中 間文件產(chǎn)物 可重新定位目標文件 列表文件等 和最終文件產(chǎn)物 絕對目標文件 燒寫文件等 2 仿真設置 使用 Vision4 調(diào)試器可以對源程序進行測試 Vision4 提供了兩種工作模式 這兩種模式可以在 Option for Target 對話框的 Debug 選項中選擇 Use Simulator 軟件仿真 如串行口 輸入輸出口和定時器 在此模式下 將 Vision4 調(diào)試器配置成純軟件產(chǎn)品 能夠仿真 C51 系類中大多數(shù)不需要任何硬件 的目標板 11 Use 硬件仿真 如 TKS Debugger 用戶可以直接把這個環(huán)境與仿真程序或 keil 監(jiān)控程序相連 3 keil 程序調(diào)試與分析 系統(tǒng)調(diào)試有軟件模擬調(diào)試和硬件模擬調(diào)試兩種方式 使用計算機讓單片機進行指令執(zhí)行 并采用虛擬單片機片內(nèi)的資源數(shù)據(jù)進行的 調(diào)試屬于軟件調(diào)試 利用計算機中的軟件通過單片機的輸入輸出口或者 USB 接口把 編譯好的程序傳送到仿真器 然后把單片機內(nèi)的所有資源數(shù)據(jù)通過仿真器進行仿真 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 11 隨后把仿真后的結果返回給計算機 這樣的調(diào)試方式叫做硬件調(diào)試 12 軟件調(diào)試和硬件調(diào)試的區(qū)別在于軟件調(diào)試是一種小型工程的調(diào)試 是初步調(diào)試 而硬件調(diào)試可以通過計算機看到單片機的真實執(zhí)行情況 不僅可以進行單步調(diào)試還 可以進行全速調(diào)試 4 2 主程序設計 本部分的設計內(nèi)容為在主程序里 單片機的輸入端口通過初始化 對 DS1302 時鐘芯片初始化 LCD1602 芯片初始化來執(zhí)行下一步命令 1 對程序進行初始化后 如果此時 Key1 時間設置鍵被按下 可以對時間進 行設置 通過 Key2 鍵增加時間 Key3 鍵減小時間 2 如果不對路燈時間進行設置 19 點時打開路燈 且在時間段 19 點到 24 點路燈亮度最大 在 0 點到次日 6 點之間減少路燈亮起盞數(shù) 達到節(jié)約電能的目的 3 假定 Key1 沒有按下 且不在設定時間段內(nèi) 若是陰天有行人 路燈亮起 4 假定 Key1 沒有按下 且不在設定時間段內(nèi) 沒有陰天沒有行人 關閉路 燈 5 在設置時間段內(nèi) 假定路燈沒有亮起 所以此時光敏電阻不會檢測到光線 將會啟動蜂鳴器報警 如圖 4 2 所示 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 12 開始 程序初始化 Key1是否按下 是否介于19點 次日6點 是否陰天 是否有行人 關 閉 路 燈 返回 設置時間 Key2是否按下Key3是否按下 時 間 增 加 設 置 時 間 減 少 設 置 N Y N Y N N Y Y N 是否有行人 路燈調(diào)暗 0點 6點19點 次日0點 路燈最亮 是否有故障報警 N N Y Y Y N Y 圖 4 2 主程序框圖 4 3 子程序設計 4 3 1 人體檢測子程序 系統(tǒng)初始化后 對程序進行初始化 判斷是否在凌晨以后 若在節(jié)能模式判斷 是否有行人經(jīng)過 如果有行人經(jīng)過 路燈全部亮起并延時一段時間 如果沒有行人 經(jīng)過 保持原來的狀態(tài) 若沒在節(jié)能模式 有行人經(jīng)過 路燈也不亮起如圖 4 3 所 示 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 13 開始 程序初始化 是否在節(jié)能模式 路燈全部亮起 返回 是否有行人經(jīng)過 N Y Y N 圖 4 3 人體檢測子程序流程圖 4 3 2 時鐘子程序 系統(tǒng)開始后 DS1302 時鐘芯片就會開始工作判斷是否有片選信號 若有片選信 號 時鐘芯片將等待初始時間設置命令后進行寫操作 路燈將按照新時間定時 讀 取到當前數(shù)據(jù)后 將數(shù)據(jù)送入到單片機 判斷是否需要對時間進行調(diào)整 如果有時 間調(diào)整命令 將對芯片進行重新寫操作 如果沒有沒有調(diào)整命令 則讀取當前數(shù)據(jù) 即可 若沒有片選信號發(fā)生則重新進行檢測 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 14 開始 是否有片選信號 等待初始時間設置命令 寫操作 按照新時間定時 讀取當前數(shù)據(jù) 將數(shù)據(jù)送入單片機 是否進行時間調(diào)整 Y N N Y 圖 4 4 DS1302 時鐘芯片框圖 4 3 3 報警子程序 系統(tǒng)開始后 對程序初始化 然后開始對路燈故障進行檢測 進而判斷是否出 現(xiàn)故障 其中對路燈進行故障檢測是通過光敏電阻進行檢測的 在設置時間段內(nèi) 假定路燈沒有亮起 所以此時光敏電阻不會檢測到光線 將會啟動蜂鳴器報警 如 果沒有出現(xiàn)故障 則檢測結束 如圖 4 5 所示 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 15 開始 程序初始化 路燈故障檢測 是否出現(xiàn)故障 蜂鳴器報警 結束 Y N 圖 4 5 蜂鳴器報警框圖 4 3 4 光線檢測子程序 系統(tǒng)開始后 對單片機進行初始化 當光敏電阻檢測到光線強度 通過 LM393 電壓比較器進行電壓比較 判斷光線強度是否符合標準 假如光線強度符合標準 即光線強度較弱 則路燈亮起 相反 光線強度較強路燈不會亮起 返回 如圖 4 6 所示 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 16 開始 程序初始化 光敏電阻檢測光強 光線是否符合標準 路燈亮起 返回 Y N 圖 4 6 光線檢測子程序框圖 4 3 5 中斷子程序 系統(tǒng)開始后對程序進行初始化 假設在設置時間段內(nèi)將允許中斷 中斷允許后 打開中斷 路燈亮起 如果沒在設置時間段內(nèi) 返回程序 開始 程序初始化 是否在設置時間段內(nèi) 允許中斷 打開中斷 路燈亮 返回 Y N 圖 4 7 中斷子程序框圖 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 17 5 系統(tǒng)仿真與調(diào)試 5 1 系統(tǒng)電路仿真 通過 Proteus 軟件對電路進行仿真 首先將硬件電路圖繪制在軟件中 打開 Keil 軟件 新建工程 選擇單片機型號為 Atmel 公司的 AT89C52 新建文本文檔保 存為 c 文件 添加到工程 編輯系統(tǒng)程序 編寫程序完畢后通過 Options for target 勾選 creat hex file 然后進行編譯 生成 hex 文件 最后在 Proteus 軟件 中雙擊單片機 在 Program File 中勾選 hex 文件 點擊運行 即可實現(xiàn)對系統(tǒng)的 模擬調(diào)試 如圖 5 1 所示 為在規(guī)設定的時間內(nèi)路燈亮起的仿真結果 RS RW E RS RW E LAMP1 LAMP2 LAMP1 LAMP2 VOICE VOICE D7 14 D6 13 D5 12 D4 11 D3 10 D2 9 D1 8 D0 7 E 6 RW 5 RS 4 VSS 1 VDD 2 VEE 3 LCD1 LM016L XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C52 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK 8 X1 12M C1 30pF C2 30pF C3 22uF R1 10k 確確認認 加加 減減 50 RV1 1k RST 5 SCLK 7 I O 6 X1 2 X2 3 VCC1 8 VCC2 1 U2 DS1302 X2 CRYSTAL 接接備備份份電電源源 選選擇擇 D1 LED BLUE D2 LED BLUE R6 510 R7 510 路路燈燈 Q1 NPN 聲聲控控 人人體體檢檢測測 故故障障檢檢測測 蜂蜂鳴鳴器器 BUZ1 BUZZER R2 1k R3 10k D3 LED GREEN D4 LED YELLOW R4 470 R5 470 有有人人聲聲響響 光光線線檢檢測測 按按 下下 有有 效效 D5 LED BLUE R8 510 黑黑暗暗 圖 5 1 系統(tǒng)仿真圖 5 2 PCB 設計 5 2 1 PCB 介紹 PCB 是印刷電路板 Printed Circuit Board 的簡稱 通過印刷和蝕刻等工藝將 電路原理圖中元器件的位置和孔位印制到覆銅板的過程 覆銅板多為壓制而成的 根據(jù)布線層數(shù)可分為單層板 雙層板和多層板三種 單層板適用于簡單元器件不多 且布線不復雜的電路圖 如本設計可以用單層板 在日常生活中并不常用 13 多 層板由于工藝的原因大多數(shù)層數(shù)為偶數(shù)層 包括信號層 電源層 接地層 絲印層 等 但由于多層板的成本過高 在平時中也不常用 最常用的是雙層板 由頂層和 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 18 底層組成 兩面都可以走線 5 2 2 PCB 設計實現(xiàn) 進行電路原理圖的繪制 然后將繪制好的電路原理圖進行編譯確保沒有錯誤 若沒有錯誤則生成網(wǎng)絡報表 可以通過工具菜單下的封裝管理器查看封裝是否符合 要求且均有封裝 建立一個新的 PCB 文件 然后設置板子的大小 線寬 線距 過 孔 層定義等 設置完成之后 在設計菜單下點擊更新 PCB 文件 生成 PCB 圖 通過手動調(diào)整進行元器件進行布局 布局時應注意以下幾點 1 應該以主控元件為中心 進行布局 2 使用數(shù)量多的元器件要考慮它的分布參數(shù) 3 保持信號流向同一方向 便于后期電路的檢查 4 可以把不常用的元器件放在體積較大元器件的下邊以壓縮板子的大小 5 手動調(diào)整完各個元器件的位置后 進行手動布線 在布線時不能出現(xiàn)小于或 等于 90 度的角 以防尖端放電和腐蝕過度 布線完成后 再進一步對 PCB 圖檢查 確保所有的飛線都連接完成且沒有錯誤 檢查無誤后進行 PCB 的轉(zhuǎn)印 腐蝕 鉆孔 等操作 其設計的 PCB 圖如圖 5 2 所示 圖 5 2 路燈 PCB 圖 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 19 5 3 電路板制作 5 3 1 印制板和元器件檢查及安裝 1 印制板的檢查 檢查 PCB 板的孔徑的大小 開孔位置是否符合 PCB 封裝以及印制板尺寸是否 符合要求 檢查覆銅線路是否完整等現(xiàn)象 絲印是否清晰 表面處理是否合格 有 無劃傷以及印制板是否變形 14 2 元器件檢查 檢查元器件的種類 型號 數(shù)量是否正確 以及元器件的引線是否腐蝕 氧化 3 元器件的插裝 元器件是按照從左到右 從上到下 從里到外 從小到大 從低到高的順序進 行插裝的且插裝時應注意字符標記方向一致 5 3 2 電路板的焊接及檢查 1 準備焊接所需要的工具 元器件 并放在指定位置 2 檢查電烙鐵的電源線 加熱頭 手柄是否正常 3 打開電烙鐵開關觀察能否正常加熱以及加熱燈是否正常亮 4 為了防止生成氧化層 電烙鐵加熱一段時間后 要蘸上松香 在使用松香 的過程中要避免過量 否則容易導致加熱時間過長 導致焊接速率變慢 5 為了方便焊接 提高焊接的質(zhì)量 避免造成虛焊 在進行焊接前將要焊接 的元器件引線提前用焊錫潤濕 6 將元器件放在印制電路板后 為了避免焊接時送錫過多 所以在焊錫凝固 之前不要將焊件移動 15 要等焊件凝固后再移開 否則容易造成虛焊或者使焊點結 構疏松 而且在焊接的過程中一定要保持電烙鐵頭清潔 沒有焊渣等氧化物 7 焊接完成后 觀察是否有漏焊 導線及元器件絕緣層是否有損傷 焊料是 否引起焊點短路 焊接完成后實物圖如圖 5 3 所示 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 20 圖 5 3 焊接實物圖 5 4 系統(tǒng)調(diào)試 把元器件焊接完成后 進行電路的測試 特別的是供線電路要引出一個測試點 便于進行檢查 并且在焊接時只焊接插座 調(diào)試時再把芯片加上 將萬用表調(diào)到電阻檔 檢測引腳之間是否相連接 在斷電的情況下 如果導通 的話萬用表顯示的電阻為零 如果出現(xiàn)虛焊或者短路等異常情況 則顯示的電阻為 無窮大 當所有元器件檢測完成后 安裝上芯片再打開電源 第一步 插上電源 按下自鎖開關 電源指示燈亮起 系統(tǒng)開始工作 LCD1602 液晶顯示屏顯示當前時間 如圖 5 4 所示 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 21 圖 5 4 LCD 顯示圖 第二步 進行系統(tǒng)設置 設置當前時間 路燈開啟和關閉時間 本次設計 路 燈開啟時間為 18 點 關閉時間為零點 如圖 5 5 5 6 所示 圖 5 5 設置開啟時間圖 圖 5 6 設置關斷時間圖 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 22 第三步 在設置的時間段內(nèi) 路燈亮起 如圖 5 7 所示 圖 5 7 設置關斷時間圖 第四步 次日零點到早上 6 點 減少路燈亮起盞數(shù) 路燈進入節(jié)電模式 若有 人經(jīng)過或有聲響路燈全部亮起 如圖 5 8 5 9 5 10 所示 圖 5 8 節(jié)電模式實物圖 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 23 圖 5 9 聲控實物圖 圖 5 10 紅外熱釋控制路燈實物圖 第五步 在設置時間段外 當光敏電阻檢測到光線較弱時 路燈亮起 在調(diào)試 的時候 用筆蓋遮住光敏電阻來代替光線較弱 如圖 5 11 所示 圖 5 11 光線檢測實物圖 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 24 第六步 進行故障檢測 用筆蓋遮住光敏電阻來代替檢測不到路燈發(fā)光 如圖 5 12 所示 圖 5 12 故障檢測圖 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 25 6 結 論 本設計針對功耗大 功能單一的路燈控制系統(tǒng) 提出了解決的方案 通過對方 案的設計 完成了硬件系統(tǒng)的設計以及軟件系統(tǒng)的設計 繪制了整體電路原理圖 PCB 圖設計 電路板的設計 并使用 Keil 平臺進行程序的編寫及利用 Proteus 對系 統(tǒng)電路仿真 解決了傳統(tǒng)路燈低效功耗大 功能單一的問題 通過仿真及實物制作表明本次設計的結果是良好的 電路板焊接完成后 在設 置好時間后在時間段內(nèi) 路燈能一直保持最亮 在設計時間段外 當有行人或者聲 音響起時 路燈也會保持最亮 在燈線較暗時 路燈也能亮起來 本設計的不足之處是由于時間限制 報警器不能實現(xiàn)在監(jiān)控室進行報警 也因 為自身能力不足 并未對電路進行穩(wěn)壓設計 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 26 參 考 文 獻 1 安雙利 錢銳 陸翔宇 陸園 基于單片機智能控制的路燈節(jié)能系統(tǒng)的研制 J 上海第二工業(yè) 大學學報 2011 11 01 53 60 2 李茹雪 路燈節(jié)能的控制系統(tǒng)設計分析 J 中國新技術新產(chǎn)品 2010 4 02 3 6 3 賀一鳴 王崇貴 劉進宇 智能路燈控制系統(tǒng)設計與應用研究 J 現(xiàn)代電子技術 2010 12 01 3 5 4 王立紅 基于單片機的智能路燈控制系統(tǒng) J 網(wǎng)絡財富 2010 8 06 55 56 5 趙鵬 單片機控制的路燈系統(tǒng)模型設計 J 中小企業(yè)管理與科技 下旬刊 2010 12 06 45 49 6 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 9 06 14 18 7 張秀梅 基于單片機的太陽能路燈智能控制系統(tǒng)設計 J 微計算機信息 2012 11 06 4 6 8 李悅銘 LED 路燈與高壓鈉燈路燈的能效對比 J 科技創(chuàng)新導報 2012 15 29 2 5 9 李巖巖 任玲芝 基于 AVR 單片機的節(jié)能路燈控制系統(tǒng)設計 J 巢湖學院學報 2012 14 06 5 7 10 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 16 11 56 59 11 陳春艷 模擬路燈控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) J 電子設計工程 2010 6 08 34 38 12 林建平 吳必瑞 葉德柱 基于單片機模擬路燈控制系統(tǒng)的設計 J 河南工程學院學報 自然 科學版 2010 9 04 12 14 13 甘本鑫 徐少明 蘇紅艷 基于單片機的 LED 路燈模擬控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) J 現(xiàn)代電子 技術 2011 11 03 34 35 14 張旭彬 丁戈 王航宇 基于 STC12C5A60S2 單片機的模擬路燈控制系統(tǒng)設計 J 電子設計 工程 2013 13 16 34 36 15 Gilman JM Miller ME Grimaila MR A simplified control system for a daylight matched LED lamp J Lighting Research and Technology 2013 11 5 45 48 16 Coogan John J Pathogen control in complex fluids with water coupled excimer lamps at 282 and 308 nm J Photochemistry and Photobiology 2005 12 6 65 70 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 27 致 謝 經(jīng)過幾個月的努力 本次設計任務已經(jīng)完成了 在這里我要特別感謝我的專業(yè) 指導老師張興達 從最初課題的選擇到以后的整個設計過程中 老師一直在幫助我 給我悉心的幫助和指導 不僅給我傳授自己當初寫論文的經(jīng)驗 還給我們分享改重 技巧 會定時幫同學們修改畢業(yè)設計中不合適的措辭以及格式 他當真無愧是個負 責任的好老師 除此之外 我還要感謝同組的同學 在這幾個月里我們一起討論 一起修改方案 一直在不斷的督促對方 才讓我能較快的完成了這次畢業(yè)設計 在畢業(yè)論文設計的過程中 我遇到了很多問題 剛開始做畢業(yè)設計時無從下手 不知道該怎么做 該實現(xiàn)什么樣的功能 后來 畫電路原理圖及布線時也遇到了很 多困難 這大概是我整個畢業(yè)設計過程中遇到的最大問題了 最終這些問題都在老 師的專業(yè)指導下逐一解決 在這里謝謝老師耐心的指導 同時感謝大學四年以來院 領導以及各位專業(yè)老師的培養(yǎng) 大學讓我學會了很多知識 讓我收益頗多 希望在 以后的工作學習中能夠得到很好的應用 不知不覺已在大學度過四個春秋 大學生活即將結束 謝謝曾經(jīng)幫助我 支持 過我的所有老師同學 濟南大學泉城學院畢業(yè)設計 28 附錄 1 路燈原理圖 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 WR P3 6 16 RST 9 RD P3 7 17 XTAL2 18 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 INT1 P3 3 13 INT0 P3 2 12 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 Vss 20 XTAL1 19 Vcc 40 EA Vpp 31 U2 A