LED路灯控制器设计.doc

i 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： ledled路灯控制器设计路灯控制器设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 本科生课程设计（论文） ii 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室： 本科生课程设计（论文） iii 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计 （论文） 题目 led路灯控制器设计 课程设计（论文）任务 该控制器可以根据环境亮度自动启动小区路灯点亮，并能按时间段调节亮度，路灯由 200 只 3v/20ma 发光二极管合并而成。 设计任务：设计任务： 1. cpu 最小系统设计（包括 cpu 选择，晶振电路，复位电路） 2. led 等串并联及脉宽亮度调节电路设计 3. 开关量输出电路及环境亮度检测电路设计 4 程序流程图设计机程序清单编写 技术参数：技术参数： 1路灯由 200 只 3v/20ma 发光二极管合并而成 2工作电源 220v 设计要求设计要求： 1、分析系统功能，选择合适的单片机及传感器，开关输出电路及亮度检测电路设计等； 2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图； 3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明， 详细阐述系统的工作过程，字数应在 4000 字以上。 进度计划 第 1 天 查阅收集资料 第 2 天 总体设计方案的确定 第 3-4 天 cpu 最小系统设计 第 5 天 led 等串并联及脉宽亮度调节电路设计 第 6 天开关量输出电路及环境亮度检测电路设计 第 7 天 程序流程图设计 第 8 天 软件编写与调试 第 9 天 设计说明书完成 第 10 天 答辩 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） iv 摘 要 本文设计的是 led 路灯控制器，通过该控制器可根据环境亮度自动启动 小区路灯点亮，并能按时间段调节亮度，路灯由 200 只 3v/20ma 发光二极管 合并而成。通过反复论证，本设计最终是一个以 89c51 单片机为核心，通过 光敏电阻检测外部光强度，由于光强度不同光敏电阻呈现不同阻止从而决定 输入口是高低电平，再由单片机通过事先编程好的软件程序实现控制 led 路 灯的亮灭，以及智能调整功能。本设计简单实用，led 路灯控制器结构简单， 易于维修，经济实惠。led 路灯分为主道路灯、次道路灯、广告灯等多种形 式，整个系统达到智能和节能的效果，稳定、安全，具有较高的应用价值 ，本控制器对智能化路灯管理有很大帮助，应用前景广阔。 关键词：led 路灯；单片机；智能； 本科生课程设计（论文） v 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 led 路灯控制器概况 1 1.2 本文研究内容 .1 第 2 章 cpu 最小系统设计.2 2.1 led 路灯控制器总体设计方案 2 2.2 cpu 的选择 2 2.3 复位电路设计 .4 2.4 时钟电路设计 .5 2.5 cpu 最小系统图 6 第 3 章 led 路灯控制器输入输出接口电路设计.7 3.1 led 路灯控制器传感器的选择 7 3.2 led 路灯控制器检测接口电路设计 8 3.2.1 a/d 转换器选择8 3.2.2 模拟量检测接口电路图.9 3.3 led 路灯控制器输出接口电路设计 9 第 4 章 led 路灯控制器软件设计11 4.1 软件实现功能综述 11 4.2 流程图设计 11 4.2.1 主程序流程图设计.11 4.2.2 模拟量检测流程图设计.12 4.3 程序清单 12 第 5 章 系统设计与分析 .16 5.1 系统原理图 16 5.2 系统原理综述 17 第 6 章 课程设计总结 .18 参考文献 19 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 led 路灯控制器概况 当前巨量的能源消耗和由此引起的能源短缺、价格上涨等已使得节约能源成 为一项十分迫切的任务。各国消耗的能源中很大一部分用于照明，其中城市公共 照明（主要是道路照明和景观照明）在我国照明耗电中占 30%.有资料显示，每年 用于照明的电力在 3 000 亿度以上，目前国内大部分城市的道路照明管理系统直 至现在仍在沿用简单的光控、钟控等传统控制方式。这些系统普遍存在着难以反 馈路灯运行状态信息、难以进行远程控制等局限，基本没有节电效果，并且采用 传统的人工巡检，不仅使路灯管理部门的任务繁重，也增加了运行维护的费用。 而 led 具有功率低；寿命长；亮度大；环保等优点，若采用 led 照明，每年就可 以节约 1/3 的照明用电，基本上相当于三峡工程的全年发电量。综合以上优点， led 光源自然成为城市公共照明的首选。考虑到这些因素，本文针对 led 光源开 发了智能路灯控制器。 1.2 本文研究内容 设计一个 led 路灯控制器，该控制器可以根据环境亮度自动启动小区路灯 点亮，并能按时间段调节亮度，路灯由 200 只 3v/20ma 发光二极管合并而成。 本文主要针对控制器 cpu 最小系统的设计（cpu 的选择，晶振电路等） ，led 等 串并联及脉宽亮度调节电路设计以及开关量输出电路及环境亮度检测电路设计。 对程序流程图进行讨论。 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章 cpu 最小系统设计 2.1 led 路灯控制器总体设计方案 根据技术要求，控制器可根据周围环境光源的亮度自行启动或关闭路灯，并 可根据不同时间段对亮度进行调整，路灯由 200 只 3v/20ma 发光二极管合并而 成。依照要求给出流程图，如图 2.1 所示： 图 2.1 led 路灯控制器工作流程图 根据工作流程图下面给出两种设计方案： 方案一：利用模拟电路完成，使用继电器，放大器，光敏元件，led 灯，电 源等元件构成模拟电路，继电器合上或断开决定灯是否亮，利用光敏元件判断光 照强度，决定电路通断。这种方法简单易懂，元件便宜，但电路较为庞大，且器 件过多，维护难度较大。 方案二：采用 89c51 单片机作为控制器，利用光敏电阻判断环境光强度，将 光信号转化成电信号传输到单片机管脚，使之在外部光强度弱时，自动控制 led 路灯的开关和亮度。此方法较方法一更为智能，且电路简单，维修也比较方便。 综上所述，本设计采用方案二设计。 2.2 cpu 的选择 根据方案二内容，本设计采用 89c51 单片机作为控制器，89c51 一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能 cmos8 位微处理器，该器 环 境 光 源 亮 度 光控传 感 器 cpu 路 灯 开 关 环 境 光 源 亮 度 光控传 感 器 光控传 感 器 cpu 路 灯 开 关 本科生课程设计（论文） 3 件采用 atmel 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 mcs-51 指令 集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 cpu 和闪烁存储器组合在单个芯片中， atmel 的 89c51 是一种高效微控制器。该器件价格低廉且易使用，技术方面已 经相当成熟，使用 89c51 完全可以达到设计要求。其管脚说明如图 2.2 所示： 图 2.2 89c51 单片机引脚图 引脚说明： vcc：电源端。正常操作及对 flash rom 编程和验证时接+5v 电源。 xtal1：接外部晶体和微调电容的一端。它是振荡电路反向放大器的输入端 及内部时钟发生器的输入端，当采用外部振荡器时，此引脚输入外部时钟脉冲。 xtal2：接外部晶体和微调电容的另一端。它是振荡电路反向放大器的输出 端，采用外部振荡器时，此脚应悬浮。 rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 rst 脚两个机器周期的高电 平时间。 ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节。在 flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale 端以不 变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外 部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时， 将跳过一个 ale 脉冲。如想禁止 ale 的输出可在 sfr8eh 地址上置 0。此时， ale 只有在执行 movx，movc 指令是 ale 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果 本科生课程设计（论文） 4 微处理器在外部执行状态 ale 禁止，置位无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个 机器周期两次/psen 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen 信 号将不出现。 /ea/vpp：当/ea 保持低电平时，则在此期间为外部程序存储器（0000h- ffffh） ，不管是否有内部程序存储器读取外部 rom 数据。注意加密方式 1 时， /ea 将内部锁定为 reset；当/ea 端保持高电平时，单片机读取内部程序存储器。 （扩展有外部 rom 时读取完内部 rom 后自动读取外部 rom） 。在 flash 编程期间， 此引脚也用于施加 12v 编程电源（vpp） 。 p0 口：p0 口为一个 8 位漏级开路双向 i/o 口，每脚可吸收 8ttl 门电流。当 p1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。p0 能够用于外部程序数据存储 器，它可以被定义为数据/ 地址的低八位。在 fiash 编程时，p0 口作为原码输入口，当 fiash 进行校 验时，p0 输出原码，此时 p0 外部必须被拉高。 p1 口：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 口缓冲器能接 收输出 4ttl 门电流。p1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，p1 口 被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 flash 编程 和校验时，p1 口作为低八位地址接收。 p2 口：p2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口缓冲器可接收， 输出 4 个 ttl 门电流，当 p2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作 为输入。并因此作为输入时，p2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内 部上拉的缘故。p2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存 取时，p2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当 对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2 口输出其特殊功能寄存器的内容。p2 口在 flash 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3 口：p3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 i/o 口，可接收输出 4 个 ttl 门电流。当 p3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输 入，由于外部下拉为低电平，p3 口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 gnd：接地 2.3 复位电路设计 复位电路在整个工作系统中，起到着不可替代的作用，单片机复位电路设计 本科生课程设计（论文） 5 的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统,并在 实验室调试成功后,在现场却出现了“死机” 、 “程序走飞”等现象,这主要是单片 机的复位电路设计不可靠引起的。复位电路如下图： 图 2.4 单片机的复位电路 单片机在启动时都需要进行复位，使 cpu 以及各部件处于初始状态，并从 初始状态开始工作。89c51 的复位信号是由复位引脚 rst 输入到芯片内部的施密 特触发器中的。在机器处于正常工作状态时，在次引脚上出现两个机器周期以上 的高电平，就可以使单片机复位。 2.4 时钟电路设计 时钟电路用于生产单片机工作所需的时钟信号，如果没有时钟信号单片机就 不能正常工作，由此可见，一个系统中，单片机的时钟电路也是不可或缺的一个 重要组成部分，时钟信号可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。 单片机的时钟电路如图 2.5 所示： 本设计采用 89c51 型号单片机，该单片机是经过 l2 个时钟周期后，执行一 条指令。也就是说单片机运行一条指令，必须要用 12 个时钟周期。时钟电路是 微型计算机的心脏，控制着计算机的运行节奏。 本科生课程设计（论文） 6 图 2.5 单片机时钟电路 2.5 cpu 最小系统图 单片机最小系统是 cpu 工作的核心部分，最小系统即是由复位电路，时钟电 路以及单片机组成的，通过复位时钟电路完成对 cpu 的驱动和复位工作。如下图 所示: 图 2.6 cpu 最小系统 本科生课程设计（论文） 7 第 3 章 led 路灯控制器输入输出接口电路设计 3.1 led 路灯控制器传感器的选择 光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化 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。光电式传感器是以光电器件 作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光 照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电 量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的 形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点， 因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。 其原理是由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种 多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和 脉冲(开关)式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电 流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可 分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类.所谓透射式是指被测物 体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光 电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面 反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其 中一部份,使投射到光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置 有关。 图 3.1 光敏电阻传感电路 本科生课程设计（论文） 8 本次设计采用光敏电阻来完成，通过光敏电阻将光照强度转化成电压。白天 光线强时，光敏电阻阻值远小于 r，此时输入 p0.4 为低电平。当晚上光线弱时， 则光敏电阻阻值远大于 r,此时输入 p0.4 为高电平，单片机接受到高电平，就能 够控制灯点亮。如图 3.1 所示： 此次设计采用光敏电阻型号为 lxd3548，该电阻可达到审计要求，且抗干扰 能力强，工作温度为30+70，可适应绝大部分气候，而且该电阻价格便 宜。 3.2 led 路灯控制器检测接口电路设计 a/d 转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电 压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在 a/d 转换前，输入到 a/d 转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换 成电压信号。a/d 转换后，输出的数字信号可以有 8 位、10 位、12 位、14 位和 16 位等。 a/d 转换器的工作原理，主要介绍以下三种方法：逐次逼近法、双积分法、 电压频率转换法。 a/d 转换四步骤：采样、保持、量化、编码。 3.2.1 a/d 转换器选择 根据设计参数以及要求，本设计采用型号为 tlv2548a/d 转换器。tlv2548 是 美国 ti 公司生产的多通道、12 位数据采集芯片。芯片为单电源 2.75.5v 供电， 转换时间为 3.86 微秒，是一款高性能、低功耗、cmos 工艺、串行接口的 a/d 转 换器。其特性如下所示： 1. 12 位分辨率，微分/积分非线性误差1lsb 2. 单电源 2.75.5v 范围供电电源，内置参考电源 3. 内置转换时钟源及 8fifo 4. 8 路模拟输入，模拟输入范围为 0 到电源电压，500khz 带宽 5. spi（cpol=0，cpha=0）/dsp 兼容串行接口，sclk 可高达 20mhz 6. 200khzsps 采样速率，3.86 微秒转换时间 7. 低工作电流（1ma，3.3v 时；1.1ma，5.5v，外供参考源时） 8. 软/硬件控制采样周期及掉电方式 9. 可编程自动通道扫描 本科生课程设计（论文） 9 3.2.2 模拟量检测接口电路图 在自动控制和测量系统中，被控制和被测量的对象往往是一些连续变化的物 理量。如：温度、压力、流量、速度、电流、电压等。这些随着时间连续变化的 物理量成为模拟量。计算机参与测量和控制时，模拟量不能直接送入计算机，必 须先把他们转换成数字量。能够将模拟量转换成数字量的器件成为模拟数字转换 器，简称 adc。同样，计算机输出的是数字量，不能直接用于使用模拟量的控制 执行部件，必须将这些数字且转换成模拟量。能够将数字量转换成模拟量的器件 称为数字/模拟转换器，简称 dac。因此，我们常把 adc 和 dac 器件以及相关 电路称为模拟接口电路。 led 路灯控制器的模拟量检测口由最小系统和传感器组成，如图 3.2 所示， 传感器是光敏电阻，当光照较强时，输入点的电压为高电平，p0.4 口为高电平； 否则，p0.4 为低电平。 图 3.2 模拟量检测接口电路图 3.3 led 路灯控制器输出接口电路设计 由于路灯是由 led 组成，而输入电压为 220v，所以，需要用开关稳压电源， 将交流变直流，并且降电压降至 led 的工作电压范围之内,输出接口电路如图 3.3。输入电压 220v 经输入口输入电路，220v 交流整流器，得到直流电，两个开 关管 q1 和 q2 的通过 pwm 的控制，交替导通，经过逆变之后，通过两个二极管， 将交流电变为直流电输出，供给 led 作为电源，当单片机的 p1.0 管脚输出为高 电平时，q3 导通，led 灯开启；当单片机的 p1.0 管脚输出为低电平时，q3 关闭， led 灯关闭。当 led 灯开启时，可以用软件，通过 pwm 控制小灯亮度的强弱。 本科生课程设计（论文） 10 图 3.3 输出接口电路图 本科生课程设计（论文） 11 第 4 章 led 路灯控制器软件设计 4.1 软件实现功能综述 设计要求中，对于led路灯的控制要求较高，要求路灯根据周围环境的亮度， 来控制路灯的开启和关断，通过时间来决定路灯的亮度。 本次设计中的软件程序，已经完全达到设计要求，通过光敏电阻产生的电平， 来控制单片机p1.0的电平，从而控制了led路灯的开关；由程序中的时钟，来实 现led路灯能按时间段调节亮度。 4.2 流程图设计 4.2.1 主程序流程图设计 主程序主要完成的功能是控制 led 路灯的开启和关断，当路灯开启时，计时 器工作记录时间，每经过一个时间段，便会调用该时间段的 pwm 占空比，从而改 变路灯的亮度，流程图如图 4.1 所示。 图 4.1 主程序流程图 本科生课程设计（论文） 12 4.2.2 模拟量检测流程图设计 光敏电阻作为传感器收集路灯周围环境的光照亮度，当光照强度越弱，光敏 电阻的阻值越大，直到p0.4有高电平输入时，经过程序控制，使p1.0管脚输出高 电平，从而控制输出电路，模拟量流程图如图4.2所示。 图 4.2 模拟量流程图 4.3 程序清单 （1） 主程序 org 0000h ljmp main； 转主程序 org 0003h ljmp int0 ； 转 int0 中断 org 000bh ljmp clock； 转定时器 t0 中断 org 0013h ljmp int1 ； 转 int1 中断主程序: main：mov a , # 03h mov r0 ， # 20h movx r0 ,a mov sp , # 5ah 本科生课程设计（论文） 13 mov 2bh , # 60h mov 2ch , # 60h mov 2dh , # 24h mov tmod , # 01h mov tl0 , # 0b0h mov th0 , # 3ch mov ie , # 87h setb tr0 loop :lcall dsup ljmp loop （2） 子程序 t0 中断服务程序: org 0050h t0 : clr ex0 jnb p3. 2 , $ inc 28h mov a ,28h add a , # 00h da a mov 28h ,a subb a , # 60h jc dsup2 mov 28h , # 00h dsup2 :lcall dsup setb ex0 reti dsup :mov r0 , # 4fh mov a ,27h acall ptds mov a,28h acall ptds mov a ,29h 本科生课程设计（论文） 14 acall ptds mov r0 , # 4ah mov r2 , # 0dfh mov dptr , # segpt dsup1 :mov a , # 00h mov r1 , # 21h movx r1 ,a mov a , r0 movc a , a + dptr movx r1 ,a mov a ,r2 mov r1 , # 22h movx r1 ,a mov r3 , # 00h dsup4 :djnz r3 ,dsup4 inc r0 clr c mov a ,r2 rr a mov r2 ,a jb acc. 7 , dsup1 ret ptds:mov r1 ,a acall ptds1 mov a ,r1 swap a ptds1 :anl a , # ofh mov r0 ,a dec r （3） 计数子程序 t0 中断服务程序: clock:push psw 本科生课程设计（论文） 15 push acc setb rs0 mov tl0 , # 0b7h mov th0 , # 3ch inc 26h mov a ,26h cjne a , # 0ah ,done mov 26h , # 00h mov r0 , # 27h mov r1 , # 28h mov r3 , # 03h loop0 :mov a , r0 add a , # 01h da a mov r0 ,a mov 38h , r1 cjne a ,38h ,done0 mov r0 , # 00h inc r0 inc r1 djnz r3 ,loop0 done0 :acall loop1 done:pop acc pop psw reti 本科生课程设计（论文） 16 第 5 章 系统设计与分析 5.1 系统原理图 图 5.1 系统原理图 本科生课程设计（论文） 17 5.2 系统原理综述 本设计通过利用光敏电阻作为传感器，对环境中的光强度进行检测，将光强 度转换成电压。白天时，环境中光强度较大，光敏电阻远远小于 r，此时单片机 输入 p0.4 为低电平。当夜间光强度小于一定值时，光敏电阻增大，远大于 r，此 时单片机输入口 p0.4 为高电平，单片机接收到 p0.4 口的高电平，通过程序控制 使 p0.1 为高电平，并且输入电压 220v 经输入口输入电路，220v 交流整流器，得 到直流电，两个开关管 q1 和 q2 的