基于光电传感器的路灯控制系统.doc

商丘师范学院学士学位毕业设计2016届本科毕业设计电铃自动控制电路的设计姓 名:高宇博学 院： 物理与电气信息学院专 业： 电子信息工程 学 号：140331011指导教师: 郑世旺2016年5月5日5目录摘要与关键词II0 引言11 工作原理11。1 设计方案11。2 设计方框图和流程图12 测量系统的总体结构设计22。1 单片机 22。2 打铃电路22.3 系统驱动电路22。4 掉点存储单元 32。5信号输入电路33 系统硬件设计4 3。1单片机 4 3.1.1AT89S51单片机的主要特性 5 3.2其他模块 5 3.2。1显示电路 5 3。2。2掉电存储电路 54 结语6参考文献6致谢6附录7基于光电传感器的路灯控制系统设计电路分析重庆科创职业学院 杜德银 摘 要 城市市政建设日新月异,宽阔的街道，各种各样的路灯给城市带来了光明的同时也增添了城市的夜间魅力。但是由于道路、路灯众多，传统的人工管理模式已经和快速、现代化的城市建设不相适应。为解决城市路灯照明系统存在的灯光控制方法和管理手段落后，所用灯具科技含量低等问题，设计了一个模拟路灯控制系统.采用高效节能 LED 路灯作为光源,采用 AT89S52 单片机作为控制中心，利用传感器模块、光控路灯模块、恒流源模块来实现，根据环境、交通等因素，单片机采集光敏电阻、声敏电阻的信号控制路灯的亮灭，采用切换多种模式方式设定并实现自动控制的功能，按照规定的时间自动管理路灯的功能。实现了路灯的智能化控制,节省了电力能源和人力资源。 关键词 传感器 光控 声控 单片机 1。 元件的介绍 1。1 光电传感器基本知识 光电传感器最根本的原理是光电效应,光电效应又分为外光电效应和内光电效应。外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类： (1） 光电导效应.在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子 空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。 （2） 光生伏特效应。在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池.常用的光电传感器有光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管等。利用这些传感器各自的特点加上巧妙的设计，光电传感器几乎被应用于生活的各个方面。 1。2 光电传感器的原理和应用光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基本结构如图 11，首先它把被测量的量光的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号,光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高,反应快，非接触等优点,而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样,因此，光电式传感器的检测和控制的功能在生活中应用非常广泛.图1 光电传感器的基本结构光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系，来达到测量目的的,因此光电传感器的光源扮演着很重要的角色，光电传感器的电源要是一个恒光源,电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性,常用光源有以下几种: (1)光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强， 电阻减小， 入射光弱， 电阻增大. （2）发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点,并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。(3)光敏三极管在低照度入射光下工作时，或者希望得到较大的输出功率时，也可以配以放大电路.这次设计我们主要用的是光敏电阻的特性和电阻串联分压的原理来完成这次设计的主要功能.半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带,成为自由电子，同时产生空穴,电子 空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子 - 空穴对就越多,阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失，电子 - 空穴对逐渐复合,电阻也逐渐恢复原值,电流也逐渐减小。根据光敏电阻的光谱特性,可分为三种光敏电阻器：紫外光敏电阻器:对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。红外光敏电阻器:主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅.锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。 可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置,机械上的自动保护装置和“位置检测器，极薄零件的厚度检测器,照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。温度系数：在一定光照下,温度每变化 1，光敏电阻阻值的平均变化率，硫化镉光敏电阻的温度特性。 1。3 AT89S52 1.3.1 功能特性描述 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 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.片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8位 CPU 和在系统可编程 Flash,使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 具有以下标准功能：8k 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位I/O 口线,看门狗定时器，2 个数据指针,三个 16 位定时器 / 计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路.另外，T89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 / 计数器、串口、中断继续工作.掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash AT89S52 。 1.3.2 引脚结构图 12 AT89S52 的引脚结构 1.3.3 管脚说明P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。 对P0端口写 “1” 时， 引脚用作高阻抗输入,当访问外部程序和数据存储器时， P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0 不具有内部上拉电阻。在 flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻.P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用.作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流（IIL）。此外, P1。0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入 (P1。0/T2）和定时器 / 计数器 2 的触发输入（P1。1/T2EX）。具体如下表所示。在 flash 编程和校验时，P1 口接收低 8 位地址字节。引脚号第二功能 P1。0 T2（定时器 / 计数器 T2 的外部计数输入），时钟输出 P1。1 T2EX（定时器 / 计数器 T2 的捕捉 / 重载触发信号和方向控制),P1。5MOSI(在系统编程用),P1.6 MISO(在系统编程用)，P1。7 SCK（在系统编程用）。P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平.对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用.作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 P3 口:P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p3 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平.对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL）.P3 口亦作为AT89S52 特殊功能（第二功能)使用,如下表所示。在 flash 编程和校验时,P3 口也接收一些控制信号.端口引脚第二功能： P3。0 RXD（ 串行输入口 ) P3。1 TXD（ 串行输出口 ） P3。2 INTO（ 外中断 0） P3。3 INT1（ 外中断 1） P3。4 TO（ 定时 / 计数器 0） P3.5 T1（ 定时 / 计数器 1） P3。6 WR( 外部数据存储器写选通 ） P3.7 RD( 外部数据存储器读选通 ）此外， P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。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使单片机复位。 ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下,ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的.要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。 对FLASH存储器编程期间， 该引脚还用于输入编程脉冲 (PROG) .如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR)区中的 8EH 单元的 D0位置位，可禁止 ALE 操作.该位置位后，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活.此外,该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 禁止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89S52 由外部程序存储器取指令（或数据）时,每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN 信号。EA/VPP外部访问允许，欲使 CPU 仅访问外部程序存储器(地址为 0000HFFFFH）,EA 端必须保持低电平（接地）.需注意的是：如果加密位LB1被编程, 复位时内部会锁存EA端状态. 如EA端为高电平 （接VCC 端），CPU 则执行内部程序存储器的指令。FLASH 存储器编程时，该引脚加上 +12V 的编程允许电源 VPP,当然这必须是该器件是使用 12V编程电压 VPP. XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。 2. 硬件系统结构设计电路分析 2。1 单片机最小系统 2.1。1 电源电路 电源电路：向单片机供电。 单片机电源: AT89S52 单片机的工作电压范围：4。0V5.5V，所以通常给单片机外接5V直流电源。 连接方式为VCC(40脚） ：接电源+5V端， VSS（20脚) :接电源地端. 2。1。2 时钟电路 时钟电路：单片机工作的时间基准，决定单片机工作速度。时钟电路就是振荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准,决定单片机的执行速度。 AT89S52 单片机时钟频率范围：033MHz.时钟电路连接方式为图 21 时钟电路 2。1.3 复位电路 复位电路：确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。图 2-2 复位电路单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机起始工作状态。手动按键产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机的初始状态。通常在单片机工作出现混乱或“死机”时，使用手动复位可实现单片机“重启”使其恢复正常工作状态。 2。2 电源模块 AT89S52 的工作电压 4。0-5。5V，电源电路采用线性稳压电源，电源电路如图所示。交流电源由变压器 T1 将 220V 的交流电压转换成 10V 左右的低压交流电。由于此脉冲的直流含有较大的交流分量，必须通过滤波电路加以滤除,从而得到平滑的直流电压,所以在电路中加了 C1、滤出交流分量。通过三端稳压管 L7805 稳压，输出 +5V 的直流电压。 L7805 是一种三端稳压集成模块，它有三个端即输出端、公共端、输出端。它内部由调整管、基准电压源、取样电路、比较放大器、过流保护、芯片过热保护及调整管安全工作区保护电路组成。三端集成稳压电源具有使用方便、安全可靠、性能稳定、价格低廉等优点是一种较为理想的低电压供电模型.L7805 是一种输出电源为 1。5A 的低电流稳压模块,能有效的为整个电路提供稳定的工作电压，因此在本设计过程中充分的考虑到节能的设计理念运用一 7800 系列的稳压模块为电路提供能量.图 23 电源电路 2.3 光线采集模块设计 光线采集模块通过光敏电阻 R1 对外部光线进行采样，将采集到的模拟信号通过单片进行处理,执行相应的控制命令，其电路设计如图 2-4所示。光敏电阻,受到适当波长的光线照射时，AT89S52 按照预设的方案实现如下光控路灯开关功能： （1)自动测光，白天（或光线强时）路灯熄灭，夜晚（或光线暗时)路灯自动点亮； （2)感光度可调，可根据需要调节在任意光线下工作; （3）为防止瞬间强光的干扰， 特设延时关闭功能 (光线达到强光时，开关延时 30 秒左右才自动关闭）。图 2-4 光敏电阻的接线电路2.4 时钟模块设计 在本系统中,时钟采用一种高性能、低功耗、带 RAM 的实时时钟芯片 DS1302,它可以对年、月、周、日、时、分、秒进行计时，并具有闰年补偿功能。DS1302 与 CPU 同步串行通讯，接口只需三根线：RST、I/0、SCLK 控制方式,主控电路利用时钟模块电路产生时钟及定时等功能,从而实现分路路灯开关进行定时控制.AT89S52 单片机根据时钟芯片 DS1302 提供时钟信号,根据当地的光照度,按照下列时段实现时控开关灯: (1）冬季时间：傍晚 18:30 开灯，次日凌晨 6：00 关灯； (2）春秋季时间：傍晚 19:00 开灯，次日早晨 6：00 关灯； （3)夏季时间：傍晚 19:30 开灯，次日早晨 6:00 关灯； (4）每天凌晨 2:00 以后声敏传感器才会启动,早晨 6：00 停止；这个时段可动态修改，修改操作在上位机上独立完成,通过通信模块将指令写入 AT89S52 芯片内,即可改变时控开关灯的工作时段.2。5 声敏传感器的放大整形电路(1) 信号放大整形电路由声敏传感器、三极管、电容和电阻构成，其中三极管起信号放大作用。电路原理图如下图所示：图 25 声控电路图 (2）三极管的工作原理 三极管是一种控制元件,主要用来控制电流的大小,以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出,发射极接地)，当基极电压UB 有一个微小的变化时，基极电流 IB 也会随之有一小的变化，受基极电流 IB 的控制，集电极电流 IC 会有一个很大的变化，基极电流 IB 越大，集电极电流 IC 也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多,这就是三极管的放大作用。 （3)由图 25 可知,声敏传感器 M 识别到声音，从而将声音信号转化为电信号经电容 C1 进行滤波,再经三极管 Q1 进行放大，这样就可完成声敏传感器 M 所产生的微弱的电信号的放大整形,最后由输出 1 口进入单片机 P26 口。 2.6 路灯图 26 路灯电路图 路灯部分，当单片机 P0.0 输出高电平,LED 灯灭，当 P0.0 输出低电平时，LED 灯亮。因 P0.0 输出的低电平为 PWM 控制，电压可变，以至 LED 灯亮度可调。 参考文献 1 李铁楠 . 城市道路照明设计 J. 光源与照明 ，2006,2：116117。2 江晓安 ， 董秀峰 。 模拟电子技术 M。 西安电子科技大学出版社 ,2007。3 杨志忠 。 数字电子技术 M。 北京 : 高等教育出版社 ，2003。 4 王雪文 . 传感器原理及应用 M。 北京 : 北京航空航天大学出版社 ，2004. 5 谢维成 ， 杨加国 。 单片机原理与应用及 C51 程序设计 M。 北京 ： 清华大学出版社 ，2006. 6 唐守锋 ， 童敏 。 检测与转换技术 M。 中国矿业大学出版社 ，2008。 7 蔡元宇 。 电路及磁路 M. 高等教育出版社 ，1999。4