基于单片机的路灯智能控制器设计.pdf

送M卷吃本科生毕业设计（申请学士学位）论文题目基于单片机的路灯智能控制器设计_ 目录摘要.1Abstract.11绪论.21.1 设计背景及意义.21.2 系统设计目标.22设计方案.32.1 方案选择与论证.32.2 各个模块的方案选择与论证.32.2.1 主控单元.32.2.2 时钟模块.32.2.3 环境明暗监测模块.32.2.4 按键控制模块.32.2.5 液晶显示模块.42.3 系统最终方案.43系统硬件设计与实现.43.1 总体设计框图.43.2 主控单元设计.53.3 时钟模块设计.63.4 环境明暗监测模块设计.63.5 按键控制模块设计.73.6 液晶显示模块设计.74系统软件设计与实现.74.1 主要模块程序结构框图.74.1.1 总体软件设计框图.74.1.2 时钟模块软件设计.94.1.3 环境明暗监测模块软件设计.104.1.4 按键控制模块软件设计.104.1.5 液晶显示模块软件设计.115测试与结果分析.125.1 总体实物图.125.2 测试方法与结果.125.2.1 时钟设定和定时开关路灯测试.125.2.2 环境明暗检测测试.135.3测试结果分析.14结论.14参考文献.15附录H：整体实物图.17附录ni：元器件清单.is致谢.19滁州学院本科毕业设计基于单片机的路灯智能控制器的设计摘要：随着我国经济的发展、社会的进步和人们提高生活水平及环境质量的要求，城市道路照明和 城市的夜景照明已经成为城市规划、建设和管理中的一项重要工作，本次毕业设计设计是应用单片 机技术对路灯进行智能控制，以达到节能减排的目的。本设计采用单片机为核心控制单元，还包括 时钟模块、环境监测模块、按键控制模块、显示模块和路灯模拟模块等模块。利用DS1302芯片的 定时功能实现早晚开关灯；通过光敏电阻对环境的光强反应，如果在白天光线较暗时，单片机将路 灯开启；用独立按键来调整开关灯时间的高、低设定值；用1602液晶显示器显示时间和开关灯时间 的高、低设定值。本次设计先在Proteus软件内进行仿真，然后，进行实物设计。实物测试已经达到 了预期效果，实现了时间在开关灯的设定值LOW和HIGH之间时灯不亮，但若在此期间代表光敏电阻 的开关被按下（环境光线较暗）的同时路灯就会点亮，在HIGH到凌晨两点这段时间路灯的两盏灯全 部点亮，在凌晨两点到LOW之间这段时间路灯的两盏灯只会点亮其中一盏。关键词：AT89s52、DS1302、LCD1602、光敏电阻、路灯智能控制Design of intelligent streetlamp controller based on MCUAbstract:With Chinas economic development,social progress and the people living standard and improve environmental quality requirements,city road lighting and city lighting has become an important part of city planning,construction and management,this graduation design is the application of MCU technology for intelligent control on the lamp,in order to achieve energy-saving emission reduction for the purpose of.This design uses a microcontroller as the core control unit,including clock module,monitoring module,the key control module,display module and simulation module of street lamp.Timing functions using the DS 1302 chip to realize sooner or later switch lights;light photosensitive resistor through the reaction of the environment,if during the day light is dark,the lights turned on;high,low set with independent keys to adjust the light switch time value;LCD display with 1602 time and switch time high,low set value.The design is simulated in Proteus software first,and then,physical design.The real test had the desired effect,the time in the light switch setting lamp does not light between LOW and HIGH,but the switch if during on behalf of photosensitive resistance is pressed(dark ambient light)and street lamp will light up,in the HIGH to all two lights at 2:00 this time lights lit,at 2 oclock in the morning to two lamp LOW this time will only lit the lamp a lamp.Keywords:AT89S52,DS1302,LCD 1602,photosensitive resistance,intelligent lighting control1滁州学院本科毕业设计1绪论1.1 设计背景及意义随着我国城市的发展、经济的繁荣、社会的进步和人们提高生活水平及环境质量的要求，城市 道路照明和城市的夜景照明已经成为城市规划、建设和管理中的一项重要工作。近几年来，全国许 多大城市、甚至一些中小城市的各级领导，都格外重视道路照明和夜景照明工作。城市亮化作为形 象工程的重要组成部分，越来越被政府所重视，大量的资金投入进行建设和改造，使得我们的城市 夜晚变得灯火辉煌，绚丽多彩，但问题也随之而来，能耗的逐年攀升，由此产生的某些问题亦逐渐 显露出来，如城市路灯的维护量增大，带来人员不足；维护费用增加，社会成本过高，电费支出过 多，财政承担相对困难；光污染现象严重这些问题的产生无疑给当地的路灯管理部门的各方面 工作带来很大的压力，急切加以解决。尤其是在当前环境条件每况愈下的形势下，低碳、节能、环 保越来越收到人们的重视。旧式的控制系统存在功耗大，公共资源得不到充分应用，效率低等消极 影响。伴随着微电子技术的发展和单片机技术在各行各业中的应用，近几十年来，基于单片机的交通 灯智能控制系统对城市路灯系统进行全面的升级，不仅实现了智能控制，而且降低了运行成本。因此,智能路灯控制系统的推广，可以改变城建系统企业传统的管理服务方式，提高服务效率，并对提高 城市形象起到了极大的推动作用。早在90年代初，发达国家就已经广泛的使用了智能照明调控系统，来降低城市照明的费用支出。国家发改委、建设部、国家质量技术监督局已在2000年下发了 223号文件关于进一步推进“中国 绿色照明工程”的意见的通知，提出推广节能、高效的照明灯具和智能照明调控系统，深入开展绿 色照明节能工作。智能照明设备具有软启动、稳压、节能功能，用户可根据道路照明的现状，科学 的设定节能时间和节能比率。智能照明调控系统为照明设备提供各种自动化控制功能，通过电脑控 制和管理软件实现无故障智能化和无人值守，提高安全可靠性，实现城市照明智能化管理。更深远 意义在于，通过节约可观的电能消耗，就可以有效的减少火力发电厂（2002年火力发电占我国年总发 电量的81.83%）对大气CO、SO、NO和粉尘、灰渣的排放量，减少污染，保护环境。本系统正是本着节能减排，保护环境的目的，开发设计的一个基于单片机的路灯智能控制系统。通过软件控制，来分别实现路定时开关路灯，路灯开关灯时间可调，跟据环境明暗状况自动开关灯 等功能。路灯节能系统产生的直接及间接的社会经济效益是巨大的。1.2 系统设计目标基于单片机的路灯智能控制器，主要实现以下功能要求：（1）通过DS1302时钟芯片获取时间；（2）通过按键调整时间及开关灯时间的高、低设定值；（3）通过光敏电阻对环境的光强反应进行数据采集，当时间或光敏电阻采集到的数据低于或者 高于设定值时开关动作控制路灯的开、关；（4）用点阵式液晶显示器（LCD）实现实时显示；（5）用两个LED灯来模拟一个路灯的两个灯泡。2滁州学院本科毕业设计2设计方案2.1 方案选择与论证根据设计要求，本系统由主控单元模块、时钟模块、环境明暗检测模块、按键调节模块、液晶 显示模块、模拟路灯LED1和LED2（LED1和LED2用来模拟一个路灯两个灯泡）等模块组成，现 在对各模块的可行性方案进行比较、论证，从中选出本次路灯智能控制器的设计方案。2.2 各个模块的方案选择与论证2.2.1 主控单元方案一：使用AVR单片机实现AVR单片机是增强型的内置Flash的RISC（精简指令集）的高速8位单片机，相对于出现较早 也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其 价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片机。但是我对于AVR单片机的熟悉度不高。方案二：使用51单片机就我所熟悉的51单片机中的AT89s52单片机来说，它是一种低功耗、高性能CM0S8位微控 制器，具有8K在系统可编程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。使用简单，性价比高。2.2.2 时钟模块方案一：使用单片机内部定时器该方案主要由软件实现，占用I/O 口较少，节约外部硬件资源和资金，但是计时精度低，而且 没有掉电保持功能。方案二：使用DS1302时钟芯片DS1302时钟芯片计时精度高、功耗低、有掉电保持功能，利用DS1302时钟芯片独立于单片机 来计时，在提高计时进度的同时也提高了整个系统的抗干扰能力。2.2.3 环境明暗监测模块方案一：使用光敏三极管光敏三极管又称光电三极管，它是一种光电转换器件，其基本原理是光照到P-N结上时，吸收 光能并转变为电能。当光敏三极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变,光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。方案二：使用光敏电阻光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带 有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材 料主要是金属的硫化物、硒化物和硫化物等半导体。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便 有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻易 于实现本设计所需功能，且性价比高。2.2.4 按键控制模块3滁州学院本科毕业设计方案一：4*4矩阵式按键4*4矩阵式按键用起来直观方便、操作简单，但是性价比较低。方案二：独立按键本次设计中只需要三个独立按键就能实现设计要求，性价比高。2.2.5 液晶显小模块方案一采用LCD12864LCD12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简 体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128x64,内置8192个16*16点汉字，和128个 16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互 图形界面。可以显示8x4行16x16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。本次设计中只需要显示两行就行了。方案二：采用LCD16021602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模 块。它由若干个5x7或者5x11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间 有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，而且初始化程序简单，功耗低，性价比高。2.3 系统最终方案综上所述，系统的实现方案如下：(1)主控单元采用AT89S52单片机来实现；(2)时钟模块采用DS1302时钟芯片来实现；(3)环境明暗监测模块采用光敏电阻来实现；(4)按键控制模块采用三个独立按键来实现；(5)液晶显示模块采用LCD1602来实现。3系统硬件设计与实现3.1 总体设计框图本系统的功能就是通过单片机根据时间和光照强度发出指令控制一个模拟路灯的两个灯泡LED1 和LED2的开、关，系统框图如下图3-1所示。4滁州学院本科毕业设计时钟模块液晶显示模块环境明暗监测模 块主控单元模拟路灯LED 1按键模块模拟路灯LED 2图A1路灯智能控制系统结构框图3.2 主控单元设计本系统单片机最小系统采用12M的晶振。晶振的作用是给单片机正常工作提供稳定的时钟信号。连接的是30pF的电容。最小系统电路图如下图3-2所示。GND图3-2最小系统电路其中：XTAL1和XTAL2外接品振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调 电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。EA/VPP访问和序存储器控制信号（1）接高电平时：CPU读取内部程序存储器（ROM）扩展外部ROM：当读取内部程序存储器 超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。（2）接低电平时：CPU读取外部程序存储器（ROM）。在前面的学习中我们已知道，8031单片 机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。5滁州学院本科毕业设计(3)AT89s52烧写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。当使用外部时钟时，用于 接外部时钟脉冲信号。VCC：电源+5V输入，VSS：GND接地。RST复位信号：当输入的信号连续 2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器 PC=OOOOH,即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。3.3 时钟模块设计DS1302时钟芯片是本系统实现高精度计时的关键。利用DS1302时钟芯片独立于单片机来计时，在提高计时进度的同时也提高了整个系统的抗干扰能力。DS13O2通过SCLK、I/O、RES端口和单 片机AT89s52进行通信。SCLK接至单片机P2.5 口，在读写操作时给DS13O2提供相应的时钟脉冲；I/O接至P2.4 口用来传送所有的数据；RST接至单片机P2.3 口上用来控制单片机与时钟芯片间的数 据传送的开始于结束。时钟模块电路图如下图3-3所示。t=3CRYSTALSCLK RSTVCC2VCC1COMPONENT 3-BT1GND|BATTERY图3-3时钟模块电路图另外DS1302在任何数据传送时必须先初始化，把RST脚置为高电平，只有在SCLK为低电平 时，才能将RST置为高电平。3.4 环境明暗监测模块设计本单元采用光敏电阻检测环境明暗变化，光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另 外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化秘等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅 速减小的特性。当光敏电阻感应到光线变化时，将信号传给控制单元进行处理，再由控制单元控制 路灯的亮灭。PR接在单片机的P1.2 口，其中PR代表光敏电阻的引脚，如图3-4所示。图3-4环境监测模块电路图6滁州学院本科毕业设计3.5 按键控制模块设计按键控制模块电路图如图3-5所示。siS2Tjp-SW*S3VCC图3-5按键控制模块电路图其中SET键用于模式选择、UP键用于调节时间和设定值的值加1、DOWN键用于调节时间和设定 值的值减1,分别接在单片机的PL 5、P1.6、P1.7引脚。3.6 液晶显示模块设计采用点阵式液晶显示器（LCD）显示。LCD功能强大，可显示各种字体的数字、汉字、图像，还可以自定义显示内容，显示灵活生动，同时配3个独立按键更便于工作人员操作。1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD,多出来的2条线是背光电源线 VCCQ5脚）和地线GND（16脚），3脚接滑动变阻器，液晶显示模块的电路图如下图3-6所示。U2COMPONENT 1M X S H QQ S S A0;LED2=0;4.1.4 按键控制模块软件设计按键控制模块主要是实现时间以及设定值LOW和HIGH的调节，SET键用于模式的选择。按键模 块软件流程图如下图4-4所示。图4-4按键模块流程图10滁州学院本科毕业设计4.1.5 液晶显示模块软件设计液晶显示模块采用LCD1602液晶显示器，LCD1602液晶显示器也需要初始化，其初始化流程 图如下图4-5所示。图4-5液晶显示器初始化流程图其中液晶初始化程序如下：lcd_init()/*液晶初始化函数*write602com(0 x38);/设置液晶工作模式，意思：16*2行显示，5*7点阵，8位数据write_l 602com(0 x0c);开显示不显示光标write602com(0 x06);/整屏不移动，光标自动右移write_l 602com(0 x01);清显示write602com(yh+l);日历显示固定符号从第一行第1个位置之后开始显示for(a=0;a 14;a+)(write_1602dat(tabla);向液晶屏写日历显示的固定符号部分)write602com(er+0);时间显示固定符号写入位置，从第2个位置后开始显示 for(a=0;a16;a+)(write_1602dat(tab2|a);/写显示时间固定符号，两个冒号11滁州学院本科毕业设计5测试与结果分析5.1 总体实物图实物图如下图5-1所示。最小 系统图5-1总体实物图5.2 测试方法与结果5.2.1 时钟设定和定时开关路灯测试采用独立按键调整并设定系统及开关灯时间，并通过液晶屏实时显示。测试过程如下：（1）设 定系统当前时刻为01时10分，经秒表测试，120秒后液晶屏显示当前时刻值为01时12分；（2）系统当前时刻为00时05分，设定LED灯00时06分点亮，00时07分熄灭，经秒表测试，60秒后 LED灯点亮，再过60秒熄灭，液晶屏显示正确；（3）系统当前时刻为01时59分，设定LED灯02 时00分LED2熄灭，经秒表测试，60秒后LED2熄灭，即此时路灯为隔一盏亮一盏。另对系统功能 的测试结果实物图如下图5-2、5-3、5-4所示。图5-2早上六点到晚上六点路灯状态图5-3晚上六点到凌晨两点之间路灯状态12滁州学院本科毕业设计图5-4凌晨2点到早上六点路灯状态上面的三幅图中路灯的开关灯的高、低设定值HIGH和LOW分别是18和6。图5-2中路灯在 早上六点到晚上六点路灯不亮，图5-3中路灯在晚上六点到凌晨两点这段时间一个路灯的灯全亮，图5-4中在凌晨两点到早上六点这段时间，一个路灯的两盏灯只会点亮其中一只。开关灯时间HIGH 和LOW的值（即早上六点灭、晚上六点亮）均可以利用独立按键进行调整.5.2.2 环境明暗检测测试在定时功能稳定的前提下，将连接主控制器的光敏电阻置于正常光照（阻值约为零点几千欧），LED灯不亮，当遮挡此光敏电阻（阻值约为十几千欧以上），使其所在环境光线变暗时LED点亮，去掉遮挡时LED熄灭。遮住光敏电阻时，LED灯再次点亮，移开遮挡物时LED灯熄灭，此部分工 作正常。实物效果图如下图5-5所示。图5-5光敏电阻部分实物效果图从早上六点到晚上六点之间，若光敏电阻检测到光比较弱就会发送信号给单片机使灯点亮。13滁州学院本科毕业设计5.3 测试结果分析（1）本设计实现了题目所有的要求；（2）本设计采用的控制器资源有限，如果采用高级的控制芯片，我们会实现更多的控制功能，使系统更完善。（3）考虑到作品的性价比，外观设计尚有不足之处，应该进一步改进，使其更合理美观。（4）除此之外，本设计采用便宜的硬件，硬件功能通过软件实现，元件数少，可靠性高，成本 低廉，性价比高，功能满足设计要求。结论本次毕业设计设计是应用单片机技术照明和城市的夜景照明已对路灯进行智能控制，以达到节 能减排的目的。本设计采用单片机为核心控制单元，还包括时钟模块、环境监测模块、按键控制模 块、显示模块和路灯模拟模块等模块。利用DS1302芯片的定时功能实现早晚开关灯；通过光敏电 阻对环境的光强反应，如果在白天光线较暗时，单片机将路灯开启；用独立按键来调整开关灯时间 的高、低设定值；用1602液晶显示器显示时间和开关灯时间的高、低设定值。在本次毕业设计中，我在老师和同学的帮助下完成了仿真和实物的焊接、调试。在仿真过程中，经过反复修改程序，最终实现了设计要求功能，即时间在开关灯的设定值LOW和HIGH之间时灯不亮,但若在此期间代表光敏电阻的开关被按下（环境光线较暗）的同时路灯就会点亮，在HIGH到凌晨两 点这段时间路灯的两盏灯全部点亮，在凌晨两点到LOW之间这段时间路灯的两盏灯只会点亮其中一 盏。在进行实物焊接时加入了仿真中不需要而实物必须的元器件，如滑动变阻器、限流电阻等等，实物在经过了多番调试后也达到了设计要求的功能，在白天光线较亮时路灯全灭，若在白天光线较 暗时，光敏电阻就会检测到光信号并通过信号转换将低电平信号输送给单片机，由单片机控制路灯 点亮，在HIGH到凌晨两点以及凌晨两点到LOW之间这段时间的灯的状态和仿真时的效果一样。综上,本次毕业设计仿真和实物都达到了设计要求。14滁州学院本科毕业设计参考文献1蔡利平.基于物联网技术的智能路灯控制系统设计D.成都理工大学,20122李晓芬.基于GPRS/GSM的天津市路灯监控系统开发与评估研究D.天津大学,2008侯玉宝，陈忠平,李成群，等.基于Proteus的51系列单片机设计与仿真M.北京:电子工业出版社,20084张洪润，孙悦，张亚凡.单片机原理及应用M.北京:清华大学出版社,20085牛余朋，牛傲其.51单片机C语言的编程技巧J.电子制作,2007,3(3):10-156黄明强.DS1302在单片机系统中的应用J.保定师范专科学校报,2004,2):30-33祝建科.模拟路灯控制系统的设计D.电子科技大学,20118王海韬.城市路灯远程监控系统的研究D.江苏大学,20109付浩.AT89c51单片机高速串行输出口设计J.单片机与嵌入式系统应用,2001,6(12):5-1210杨欣,王玉凤，刘湘黔.电子设计从零开始M.北京:清华大学出版社,200811 PengGuoJun.Precision electronic calendar making big screen J.journal of electronic manufacture,2005,10:19-2212 WangYueMing.Electronic calendar design J.journal of heilongjiang province,2004:96 13DS1302 Trickle Chare Timekeeping Chip.Dallas Semicon2doctor,20021516A B c D晶振电路VCC按键模块VCC1DS 1302时钟电路vcchClAl 19XTAL1XTAL2RSTPSENALEEAZAD2/AD3ZZ wl/2/3/5/6/力 PO.PO,PO,PO,PO,PO,PO,PO.89012345 g1/a.a1a1a1a1Ra1 2.02.13/4/5/6/力 P2P2P2.P2.P2.P2.P2.P2.LED1 1P1.0 Pl.l Pl.2 Pl.3 Pl.4 Pl.5 Pl.6 Pl.7P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDAT89C51最小系统电路39 Cl10VCC D?7fHi0roR?C PRPOTI光强采集模块GND“TitleSize Number RevisionA4Date:2013/6/9|Sheet of会知I:晶白母晶抽幅画A-B c D玄言俳雨畀耳出后萍斗1234滁州学院本科毕业设计附录n：整体实物图17滁州学院本科毕业设计附录山:元器件清单编号名称型号数量1单片机AT89S5212液晶显示器LCD 160213时钟芯片DS130214光敏电阻552815LED灯白色26LED灯红色17品振12MHZ18品振32.768KHZ19电阻1K310电阻10K111电阻100欧112电容10uF213电容30pF114滑动变阻器3296115按键无418滁州学院本科毕业设计致谢随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。毕 业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使 我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后 的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在 一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。在此要感谢葛浩老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量 有关资料，与同学交流经验和自学，并向葛老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不 少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了 对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的 能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。19