基于51單片機的光控路燈系統(tǒng)(共23頁)

1、江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院微機控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告 題 目： 光控智能路燈系統(tǒng) 姓 名： XXX 學(xué) 號： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 完成時間： 設(shè)計報告綜合測試平時總評格式（10分）內(nèi)容（10分）圖表（5分）功能測試（35分）答辯（20分）考勤（20分）指導(dǎo)教師簽名：摘 要現(xiàn)在，隨著微電子技術(shù)和集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，單片機技術(shù)無處不在。單片機作為計算機科學(xué)與技術(shù)的重要組成部分，作為嵌入式系統(tǒng)的先頭兵，片上系統(tǒng)的先行者，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了各行各業(yè)，尤其是與控制相關(guān)的領(lǐng)域，極大的提高了產(chǎn)品的智能化程度和技術(shù)水平，已經(jīng)成為了當(dāng)今社會十分重要的技術(shù)領(lǐng)域。隨著社會需求和單片機應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，各類智能

2、產(chǎn)品、控制系統(tǒng)都是以單片機技術(shù)為核心來進行開發(fā)設(shè)計的。本系統(tǒng)采用MSC51系列單片機89C51和相關(guān)的光電檢測設(shè)備及設(shè)計智能路燈控制器，實現(xiàn)了能根據(jù)實際光線條件通過8051芯片的P1口控制路燈開關(guān)功能。隨著社會文明的不斷發(fā)展，城市照明已不僅局限于街道照明，而且發(fā)展成了城市景觀等裝飾性照明的綜合市政工程。關(guān)鍵詞：路燈 單片機技術(shù) 設(shè)計 第1章 緒論1.1 引言隨著我國加入世界貿(mào)易組織（WTO），為了創(chuàng)造一個良好的投資環(huán)境，塑造一個美麗的國際化城市，更好的與國際接軌，全國各大城市的市政建設(shè)步伐都逐步加快，公路系統(tǒng)蓬勃發(fā)展，因此裝扮美麗城市夜景的路燈照明工程得以迅猛發(fā)展。由于單片機具有集成度高，處理

3、能力強，可靠性高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉等優(yōu)點，因此在路燈照明工程中被廣泛應(yīng)用。近年來隨著計算機在社會領(lǐng)域的滲透，單片機的應(yīng)用正在不斷走向深入。單片機技術(shù)中的計時系統(tǒng)是單片機的一個典型的應(yīng)用。夜晚城市里花燈初上，人們消除了白天的繁忙，漫步穿行于城市的街道上，路燈已經(jīng)成為一個城市的照明系統(tǒng)不可分割更是無可替代的一部分，在城市照明中發(fā)揮著舉足輕重的作用，靠的就是路燈自動控制系統(tǒng)，路燈控制方式很多。本系統(tǒng)采用MSC-51系列單片機89C51和相關(guān)的光電檢測設(shè)備及繼電設(shè)備來設(shè)計智能光控路燈控制器，實現(xiàn)了能根據(jù)實際光線條件通過8051芯片的P1口控制路燈開關(guān)的功能。隨著社會文明的不斷發(fā)展，城市照明已不僅

4、局限于街道的照明，而且發(fā)展成了城市景觀等裝飾性照明綜合市政工程。社會對亮燈率,開關(guān)燈的準(zhǔn)確率，故障檢測的實時性和維護的及時性要求不斷提高，利用51系列單片機可編程控制八位邏輯I/O端口實現(xiàn)路燈的智能化，達(dá)到節(jié)能，自動控制的目的。避免了傳統(tǒng)電路對能源的浪費，路燈的自動控制更方便了工作人員的管理。本系統(tǒng)實用性強，操作簡單，擴展功能強。1.2 單片機概述單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種，單片機微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器。通常，單片機由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器和I/O接口電路等。因此，單片機

5、只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。單片機經(jīng)過1、2、3代的發(fā)展，目前單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，他們的CPU功能在增強，內(nèi)部資源在增多，引腳的多功能化，以及低電壓低功耗。1.3 時鐘電路89C51內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHZ的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但89C51單片機需外置振蕩電容。振蕩電路(18、19)：單片機是一種時序電路，必須提供脈沖信號才能正常工作，在單片機內(nèi)部已集成了振蕩器，使用晶體振蕩器，接18、19腳。這兩個腳的定義是： (1)時鐘電路引腳(XTAL2)（18腳)：該腳接外部晶體和微調(diào)電容的一段，在89C51內(nèi)部，它是振蕩電路

6、反相放大器的輸出端。振蕩電路的頻率就是固有頻率。若采用外部時鐘電路，該引腳輸入外部脈沖。 (2)時鐘電路引腳(XTEL1)（19腳）：該腳接外部晶體和微調(diào)電容的另一端。在片內(nèi)，它是反相放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，該腳必須接地。圖1.1 89C51系列單片機時鐘電路 復(fù)位引腳（RESET）（9腳）：它是復(fù)位信號輸入端，高電平有效，當(dāng)此腳保持兩個機器周期，即24個時鐘振蕩周期為高電平時，即可完成復(fù)位操作。他還具有第二功能，即當(dāng)主電源VCC發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時，將5V電源自動接入RST端，為單片機提供備用電源。以保證信息不丟失，電源恢復(fù)后，能夠正常工作。圖1.2 89C51系列單片機

7、復(fù)位電路1.1.4 89C51的部分引腳說明89C51單片機采用40PIN封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，下圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：圖1.3 89C51 系列單片機引腳 電源引腳(40、20)：這當(dāng)然是必不可少的了。單片機使用的是5V電源，其中40引腳接正極(VCC)，20引腳接負(fù)極(VSS)或地(GND)。 EA/VPP引腳(31腳)：訪問程序存儲器控制信號端(又：外部存儲器地址允許輸入端)。(1)當(dāng)EA引腳接高電平時，CPU訪問片內(nèi)EPROM(CPU讀取內(nèi)部

8、程序存儲器<ROM>)，并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。(2)當(dāng)EA腳接低電平時，CPU只訪問外部EPROM，并執(zhí)行外部程序存儲器中的指令。而不管是否有片內(nèi)程序存儲器。 PSEN(29腳):程序存儲器允許輸入端(也叫:外部程序存儲器讀選通信號端):在讀外部ROM時PSEN低電平有效，以實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作： (1)內(nèi)部ROM讀取時，PSEN不動作； (2)外部ROM讀取時，在每個機器周期會動作兩次； (3)外部RAM讀取時，兩個PSEN脈沖被跳過不會輸出； (4)外接ROM時，與ROM的OE腳相接。 要檢查一個89C51小系統(tǒng)上電后能否正確到EPROM中讀取指令，可用示波器看P

9、SEN端有無脈沖，如有，說明基本工作正常。 P1口只做I/O口使用：其內(nèi)部有上拉電阻。P2口有兩個功能:(1)擴展外部存儲器時，當(dāng)作地址總線使用；(2)做一般I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。P3口有兩個功能：除了作為I/O使用外(其內(nèi)部有上拉電阻)，還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設(shè)置。有內(nèi)部EPROM的單片機芯片，為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號也是由信號引腳的形式提供的。即：編程脈沖：30腳(ALE/PROG)編程電壓(25V)：31腳(EA/Vpp)第二章 主要器件2. 1 光敏電阻2.1.1光敏電阻介紹光敏電阻又稱光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫

10、化鉛和硫化鉍等材料。光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)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，入射光弱，電阻增大。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強弱變化而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達(dá)110M歐,在強光條件（100LX）下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻器對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光（0.40.76）m的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。仿真光控電路時，都用白熾燈泡（小電珠）光線或自然光線作控制光源。光敏電阻器通常由光敏層、玻璃基片（或樹脂防潮膜）和電

11、極等組成。光敏電阻器在電路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。其結(jié)構(gòu)如圖2.4所示： 圖2.1 光敏電阻結(jié)構(gòu)圖 圖2.2光敏電阻實物圖光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子空穴對增加了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻的阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將逐漸復(fù)合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復(fù)原值。2. 1.2

12、基本特性及其主要參數(shù) 1.暗電阻、亮電阻光敏電阻在室溫和全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，或暗阻。此時流過的電流稱為暗電流。例如MG4121型光敏電阻暗阻大于等于0.1M。光敏電阻在室溫和一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻或亮阻。此時流過的電流稱為亮電流。MG4121型光敏電阻亮阻小于等于1K。亮電流與暗電流之差稱為光電流。顯然，光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。2.伏安特性在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與流過光敏電阻的電流之間的關(guān)系，稱為伏安特性。由圖2.6可知，光敏電阻伏安特性近似直線，而且沒有飽和現(xiàn)象。受耗散

13、功率的限制，在使用時，光敏電阻兩端的電壓不能超過最高工作電壓，圖中虛線為允許功耗曲線，由此可確定光敏電阻正常工作電壓。圖2.3 光敏電阻的伏安特性2.2 繼電器2.2.1 繼電器的作用繼電器是具有隔離功能的自動開關(guān)元件，廣泛應(yīng)用于遙控、遙測、通訊、自動控制、機電一體化及電力電子設(shè)備中，是最重要的控制元件之一。作為控制元件，概括起來，繼電器有如下幾種作用：(1)擴大控制范圍。例如，多觸點繼電器控制信號達(dá)到某一定值時，可以按觸點組的不同形式，同時換接、開斷、接通多路電路。(2)放大。例如，當(dāng)多個控制信號按規(guī)定的形式輸入多繞組繼電器時，經(jīng)過比較綜合，達(dá)到預(yù)定的控制效果。(3)自動、遙控、監(jiān)測。例如，

14、自動裝置上的繼電器與其他電器一起，可以組成程序控制線躋，從而實現(xiàn)自動化運行。2.2.2 繼電器的電符號和觸點形式繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示，如果繼電器有兩個線圈，就畫兩個并列的長方框。同時在長方框內(nèi)或長方框旁標(biāo)上繼電器的文字符號“J”。繼電器的觸點有兩種表示方法：一種是把它們直接畫在長方框一側(cè)，這種表示法較為直觀。另一種是按照電路連接的需要，把各個觸點分別畫到各自的控制電路中，通常在同一繼電器的觸點與線圈旁分別標(biāo)注上相同的文字特號，并將觸點組編上號碼，以示區(qū)別。繼電器的觸點有三種基本形式：(1)動合型(H型)：線圈不通電時兩觸點是斷開的，通電后，兩個觸點就閉合。以合字的拼音字頭“H

15、”表示。(2)動斷型(D型)：線圈不通電時兩觸點是閉合的，通電后兩個觸點就斷開。用斷字的拼音字頭“D”表示。(3)轉(zhuǎn)換型(Z型)：這是觸點組型。這種觸點組共有三個觸點，即中間是動觸點，上下各一個靜觸點。線圈不通電時，動觸點和其中一個靜觸點斷開和另一個閉合，線圈通電后，動觸點就移動，使原來斷開的成閉合，原來閉合的成斷開狀態(tài)，達(dá)到轉(zhuǎn)換的目的。這樣的觸點組稱為轉(zhuǎn)換觸點。用“轉(zhuǎn)”字的拼音字頭“Z”表示。在這里，我們選擇動合型(H型) 觸點。2.2.3 繼電器（relay）的工作原理和特性電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)

16、生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點(常開觸點)吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點(常閉觸點)吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。第三章 系統(tǒng)設(shè)計方案論證智能路燈控制系統(tǒng)分為光線檢測和執(zhí)行控制命令(開路燈、關(guān)路燈)，在光線滿足設(shè)定條件的情況下，光線檢測電路將檢測到的情況傳送給控制器并由控制器發(fā)出指令控

17、制相應(yīng)的電路執(zhí)行。3.1 光電檢測電路在設(shè)計中使用光敏電阻作為光傳感器件對外界光線進行檢測，主要是利用了光敏電阻在光線的作用下其阻值往往變小的這種光導(dǎo)效應(yīng)現(xiàn)象。光電檢測電路將檢測到的信號以高低電平的形式傳送給單片機，從而完成整個光電檢測的過程。下圖是用光敏電阻（型號為5539）來控制單片機的P3.2的高低電平，單片機處理發(fā)出指令從而控制路燈的亮和滅。 圖3.1 光電檢測電路原理圖在proteus中，用一個按鍵開關(guān)代替上述光敏電阻控制電路。當(dāng)按鍵按下時，相當(dāng)于白天（有光照）；當(dāng)不按下時，相當(dāng)于黑夜（無光照）。 圖3.2 仿真圖3.2 單片機控制電路在整個系統(tǒng)中，單片機控制電路是整個系統(tǒng)的核心，負(fù)

18、責(zé)對光電檢測電路采集到的信號進行處理和加工，并按照之前設(shè)定好的指令進行執(zhí)行、運算，并將結(jié)果傳送給相應(yīng)的執(zhí)行電路。3.3 繼電器執(zhí)行電路繼電器執(zhí)行電路在系統(tǒng)中充當(dāng)執(zhí)行任務(wù)，對單片機發(fā)出的指令進行響應(yīng)，完成相應(yīng)的操作。單片機通過將光電檢測電路傳送的信號進行運算、處理之后將輸出信號送給執(zhí)行電路，繼電器執(zhí)行電路將對外部設(shè)備進行控制。下圖是單片機控制路燈的原理圖。繼電器與單片機的連接采用光電隔離器進行隔離。當(dāng)開關(guān)量P1.0輸出為高電平時，經(jīng)方向驅(qū)動器7406變?yōu)榈碗娖?，使發(fā)光二極管發(fā)光，從而使光敏三極管導(dǎo)通，進而使9013導(dǎo)通，線圈J得電，觸點閉合，使220V電源接通。反之，當(dāng)P1.0為低電平，使觸點斷

19、開。圖3.3 單片機控制路燈原理圖在proteus中，用發(fā)光二極管D1代替路燈，如下圖所示：圖3.4路燈仿真圖在設(shè)計中為了能夠更好的模擬并實現(xiàn)光控路燈控制系統(tǒng)的要求，選用繼電器作為執(zhí)行電路有以下幾點優(yōu)勢：(1)能夠?qū)⒌碗妷旱碾娮与娐沸盘栟D(zhuǎn)換為高電壓電氣電路信號，實現(xiàn)電子電路到電氣電路的控制，與實際應(yīng)用相符；(2)使得整個系統(tǒng)的設(shè)計更加趨了于完善，對于相關(guān)的設(shè)計預(yù)期能夠最大程度的體現(xiàn)出來。 3.4系統(tǒng)總電路原理圖整個電路由光電檢測電路、單片機控制電路、輸出信號執(zhí)行電路等三部分組成，構(gòu)成整個光控路燈智能控制系統(tǒng)。 圖3.5 系統(tǒng)總原理圖系統(tǒng)仿真效果：如下圖，按鍵按下（相當(dāng)于白天），燈D1滅；而按鍵

20、不按下時，燈亮?？芍讼到y(tǒng)仿真成功。圖3.6按鍵按下時圖3.7按鍵不按下時第四章 Altium Designer電路設(shè)計Protel是目前EDA行業(yè)中使用最方便，操作最快捷，人性化界而最好的輔助工具。第五章 軟件調(diào)試軟件程序設(shè)計對單片機的I/O接口的控制，智能光控路燈主要通過光控電路對光的感應(yīng)以達(dá)到輸出端口的控制，在黑暗時光控部分輸出高電平，通過單片機內(nèi)部程序的控制以光控輸出高電平為準(zhǔn)，給輸出端口定義低電平，路燈是以低電平有效，當(dāng)單片機輸出端達(dá)到低電平時路燈亮。為了能夠使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計之初的預(yù)期效果，在軟件設(shè)計中應(yīng)該注意的幾個問題：1、 光控延時問題在整個系統(tǒng)的設(shè)計中，使用光敏電阻進行外界光線檢

21、測，對于外界的光線變化可以及時的做出相應(yīng)的動作。但這樣的系統(tǒng)設(shè)計也存在一定的問題，外界光線環(huán)境有些時候變化莫測，在雷雨天氣時，由于閃電、打雷等自然原因，外界的光線變化頻繁且明顯，光電檢測電路檢測到信號后將其傳送給單片機進行處理，單片機如果只對端口電平不加以判斷就進行處理的話，可能會引起路燈的忽明忽滅，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故應(yīng)在程序設(shè)計上解決這個問題，對光電檢測電路傳送過來的信號進行分析處理，對此端口電平變化進行演示操作，可以避免此類現(xiàn)象發(fā)生，防止打雷閃電等自然現(xiàn)象對路燈控制的干擾，最終達(dá)到實用的目的。2、 端口電平判斷問題在設(shè)計中為了使端口對電平高低的判斷問題，在光電檢測電路上采用繼電器對其進

22、行隔離，可以避免光電檢測電路對單片機端口電平的干擾。5.1 程序流程圖 開始背景光檢測初始化LED燈亮背景光強低NY圖6.1程序流程圖5.2 程序部分#include<reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit led=P10;sbit key=P32;uchar flag=0;void delayms(uint xms)uint i,j;for(i=xms;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-);void main()TMOD=0x01;TH0=(65536-45872)/

23、256;TL0=(65536-45872)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;led=1;while(1)if(key=1)delayms(10);if(key=1)flag=1;Elseflag=0;void time() interrupt 1TH0=(65536-45872)/256;TL0=(65536-45872)%256;if(flag=1)led=0;Elseled=1;總結(jié)我的畢業(yè)設(shè)計基于51單片機的智能路燈控制器設(shè)計與實現(xiàn)，是一個軟硬結(jié)合的項目。從一開始的準(zhǔn)備，到每一步的設(shè)計以最后的完成，都讓我受益良多。首先，這次畢業(yè)設(shè)計使我熟悉了做一個項目的全部過程，如首先要明白設(shè)計的工作原理、如何確定使用的芯片、以及芯片的具體方法等；同時，通過這次畢業(yè)設(shè)計，我還弄懂了許多芯片以及許多基礎(chǔ)電路使用方法。在繪制原理圖的過程中，更讓我了解并熟悉了Altium Designer 的使用及設(shè)計方法，同時也明白了許多制作電路板中要懂得工程規(guī)范，如電路板的大小，如何布局等。而在硬