基于51单片机智能路灯控制器设计.doc

i目 录目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 单片机概述1第二章 芯片介绍32.1 8051芯片简介32.1.1 8051单片机内部结构32.1.2 中断系统42.1.3 时钟电路42.1.4 8051的引脚说明42.1.5单片机的系统资源72.1.6运算器72.1.7控制器82.1.8 8051单片机的存储器系统92.2 232串口芯片介绍102.3光敏电阻122.3.1 光敏电阻介绍122.3.2 基本特性及其主要参数132.4继电器162.4.1继电器（relay）的工作原理和特性162.4.2继电器主要产品技术参数172.4.3继电器测试172.4.4继电器的电符号和触电形式182.4.5继电器的作用18第三章 系统设计方案论证203.1传感电路部分203.2执行电路部分20第四章 系统硬件设计及原理图的绘制214.1 Altium designer 电路设计软件简介214.2光电检测电路234.3单片机控制电路244.4继电器执行电路254.5串口通信电路254.5.1 串口通信电路原理图264.5.2串口通信电路在系统中的优势26第五章 系统总电路原理图27第六章 调试及最后完成296.1硬件电路的安装调试296.2软件调试296.3程序部分30第七章 心得体会31致 谢33参考文献35附 录373 第一章 绪论第一章 绪论1.1引言随着我国加入世贸（WTO），为了创造一个良好的投资环境，塑造一个美丽的国际化城市，更好的与国际接轨,全国各大城市的市政建设步伐都逐步加快，公路系统蓬勃发展,因此装扮美丽城市夜景的路灯照明工程得以迅猛发展。 由于单片机具有集成度高，处理能力强，可靠性高，系统结构简单，价格低廉的优点，因此在路灯照明工程中被广泛应用。近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入。单片机技术中的计时系统是单片机的一个典型的应用。夜晚城市里华灯初上，人们消除了白天的繁忙，漫步穿行于城市的街道上，路灯已经成为一个城市的照明系统不可分割更无可替代的一部分，在城市照明中发挥着举足轻重的作用，靠的就是路灯自动控制系统。路灯控制方式很多。本系统采用MSC-51系列单片机89C51和相关的光电检测设备及继电设备来设计智能光控路灯控制器，实现了能根据实际光线条件通过8051芯片的P1口控制路灯开关的功能。随着社会文明的不断发展，城市照明已不仅局限于街道的照明，而且发展成了城市景观等装饰性照明的综合市政工程。社会对亮灯率、开关灯的准确率、故障检测的实时性和维修的及时性要求不断提高，利用51系列单片机可编程控制八位逻辑I/O端口实现路灯的智能化，达到节能、自动控制的目的。避免了传统电路对能源的浪费，路灯的自动控制更方便了工作人员的管理。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。 1.2 单片机概述 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机经过1、2、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压低功耗。21 第二章 芯片介绍第二章 芯片介绍2.1 8051芯片简介2.1.1 8051单片机内部结构8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器(RAM)8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据。所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。程序存储器(ROM)：8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。定时/计数器(ROM)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。全双工串行口： 8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串 行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。2.1.2 中断系统 8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。2.1.3 时钟电路8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉时序，但8051单片机需外置振荡电容。 单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的8051系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。下图是8051系列单片机的内部结构示意图图2.2 8051系列单片机内部结构图2.1.4 8051的引脚说明8051系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，下图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：8051的引脚说明： 图2.3 8051系列单片机引脚8051是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，电源引脚 （40、20）：这当然是必不可少的了。单片机使用的是5V电源，其中40引脚接正极（VCC），20引脚接负极（VSS）或地（GND）。 振蒎电路（18、19）：单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用晶体振荡器，接18、19脚。这两个脚的定义是：1、时钟电路引脚（XTAL2）18脚：该脚接外部晶体和微调电容的一段，在8051内部，它是振荡电路反相反大器的输出端。振荡电路的频率就是固有频率。若采用外部时钟电路，该引脚输入外部脉冲。2、时钟电路引脚（XTAL1）19脚：该脚接外部晶体和微调电容的另一端。在片内，它是反相放大器的输入端。在采用外部时钟是，该脚必须接地。复位引脚（RESET）（9脚）：它是复位信号输入端，高电平有效，当此脚保持两个机器周期，即24个时钟振荡周期为高电平时，即可完成复位操作。他还具有第二功能。即当主电源VCC发生故障，降低到低电平规定值时，将5V电源自动接入RST端。为单片机提供备用电源。以保证信息不丢失，电源恢复后，能够正常工作。EA/VPP引脚（31脚）：访问程序存储器控制信号端（又：外部存储器地址允许输入端 ）。 1、当EA引脚接高电平时，CPU访问片内EPROM（CPU读取内部程序存储器ROM），并执行内部程序存储器中的指令。但在程序计数器PC的值超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时，将自动转向片外程序存储器内的程序。 2、当EA脚接低电平时，CPU只访问外部EPROM，并执行外部程序存储器中的指令。而不管是否有片内程序存储器。 3、此脚还具有第二功能VPP：是对8751片内固化编程时，作为施加较高编程电压输入端。即：8751烧写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。PSEN（29脚）：程序存储器允许输入端（也叫：外部程序存储器读选通信号端）：在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作 1、内部ROM读取时，PSEN不动作； 2、外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次； 3、外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出；4、外接ROM时，与ROM的OE脚相接。要检查一个8051小系统上电后能否正确到EPROM中读取指令，可用示波器看PSEN端有无脉冲，如有，说明基本工作正常。ALE（30脚）：地址锁存控制信号端。8051正常工作时，ALE脚不断向外输出正脉冲信号，频率为振荡器频率fosc的六分之一，CPU访问外部数据存储器时，ALE作为锁存8位地址的控制信号。平时不访问外部存储器时，ALE也以六分之一的振荡频率固定输出正脉冲。因而，ALE信号可以作为对外输出时钟或定时信号。另外还有四个8位并行通讯端口：P0口：8位双向 I/O 端口（39-32 引脚）。即：P0.0-P0.7 P1口：8位双向 I/O 端口（1-8 引脚）。P1.0-P1.7P2口：8位双向 I/O 端口（21-28 引脚）。P2.0-P2.7 P3口：8位双向 I/O 端口（10-17 引脚）。P3.0-P3.7 P0口有三个功能：1、外部扩展存储器时，当做数据总线。2、外部扩展存储器时，当作地址总线。3、不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。P2口有两个功能：1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用。2、做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻；P3口有两个功能：除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存 器来设置。 有内部EPROM的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的，即：编程脉冲：30脚（ALE/PROG）编程电压（25V）：31脚（EA/Vpp）2.1.5单片机的系统资源1、CPU（即控制器）。2、运算器。3、片内数据存储器（RAM）：用以存放可以读写的数据。如运算结果、最终 结果、欲显示的数据。 4、片内程序存储器（ROM）：用以存放原始程序、数据和表格。5、四个8位并行输入输出接口：P0P3。6、两个定时计数器：每个计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件 进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据定时或计数结果实现计算机控制。7、五个中断源的中断控制系统。8、一个全双工UART的串行I/O口，可以实现单片机与单片机或其他微机系统串行通讯。9、片内振荡器和时钟产生电路。10、片内系统总线：包括数据总线、低8位地址总线、高8位地址总线和控制总线。2.1.6运算器运算器的组成：算数逻辑单元ALU、累加器、寄存器。算数逻辑单元ALU的作用：把传送到处理器的数据进行算数或逻辑运算，它具有两个输入来源，一来自累加器，二来自数据寄存器。ALU执行不同的运算操作是由不同控制线上的信息所决定的。通常ALU接收来自累加器或寄存器的2组8位二进制数。因为要对这两个输入的数据进行操作（如，数据进行算数或逻辑运算），所以将这两个输入的数据均称为操作数。ALU可以对这两个操作数进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。例如：12和31相加，在相加之前，操作数12放在一个暂存器（累加器或寄存器）中，操作数31放在另一个暂存器（累加器或寄存器）中。执行两数相加运算的控制线发出加操作信号，ALU即把两个数相加，并把结果43放入累加器，取代累加器中前面存放的数。（12或31）。2.1.7控制器它由程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、时序产生器、操作控制器组成。1、时序产生器：控制器是发布命令的决策机构，即协调和指挥整个计算机系统操作。控制器电路复杂。控制器内部各部分要协调工作，必须有一个同步信号，这个同步信号就是时钟，时钟是由晶体振荡电路产生的周期固定的方波序列。2、操作控制器的主要功能： （1）、从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。 （2）、对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定 的动作。比如一次内存读写操作、一个逻辑运算或输入输出。指挥并控制CPU，内存和输入设备之间的数据流动的方向。相对控制器而言，运算器接收控制器的命令而进行操作，即运算器所进行的所有操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的。3、指令寄存器：用来保存当前正在执行的一条指令，当执行一条指令时，先把它从内存中取出，然后再传送到指令寄存器。4、指令译码器：指令分为操作码和操作数字段，由二进制数字组成，为执行任何给定的指令，必须对操作码进行译码，以便确定所要求的操作。指令译码器就是负责这项工作的，指令寄存器中操作码的输出，就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。5、程序计数器PC:为了保证程序能够连续的执行下去，CPU必须具有某些手段来确定一条指令的地址。程序计数器PC正是起到这个作用。所以通常又称其为指令地址计数器。在程序开始执行之前，必须将其起始地址，即程序的第一条指令所在的内存中的单元地址送人PC，当执行指令时，CPU将自动修改PC中的内容，使之总是保存将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序执行得，所以，修改的过程只是简单的加一操作。2.1.8 8051单片机的存储器系统8051单片机存储器在的物理结构上分为程序存储器空间和数据存储器空间。程序存储器ROM：我们为了让单片机实现某一功能，需要利用利用汇编语言或其他语言编写一些源程序，然后再烧录到芯片中，我们编写的这些程序，就存储在程序存储器空间中。数据存储器RAM：我们编写的源程序，在运行的过程中，会产生一些临时的运算结果，这些结果需要临时存放在一个地方，这个地方就是数据寄存器。8051单片机具有四个存储器空间：1、片内程序存储器，即单片机芯片内置的存储空间2、片外程序存储器，即当单片机芯片内置的存储空间不够使用时，我们需要外加的一个存储器芯片3、片内数据存储器，即单片机芯片内置的存储空间4、片外数据存储器，即当单片机芯片内置的存储空间不够使用时，我们需要外加的一个存储器芯片但从用户使用的角度，8051存储器地址空间分为三类：1、片内片外统一编址的0000HFFFFH的64K字节的程序存储器地址空间，用16位地址。2、64K字节片外数据存储器空间，地址也是从0000HFFFFH用16位地址。3、256字节数据存储器空间，用8位地址。程序存储器地址空间8051程序存储器用于存放编写好的程序和表格常数。程序存储器通过16位程序计数器PC寻址。寻址能力为64K字节。片内ROM为4KB。地址为0000H0FFFH。片外最多可扩至64K字节。地址为1000HFFFFH。片内片外是统一编址的。当引脚EA接高电平时，8051程序计数器PC在0000H0FFFH范围内，即前4K字节地址执行片内ROM中的程序。当指令地址超过0FFFH后，就自动转向片外ROM中取指令。程序存储器的某些单元是留给系统使用的。存储单元0000H0002H用作8051上电复位后引导程序存放单元。因为8051上电复位后程序计数器PC的内容为0000H，所以CPU总是从0000H开始执行程序，如果在这三个单元中有跳转指令，那么，程序就被引导到转移指令所指的ROM空间去执行。0003H0023H单元被均匀的分为5段。用作5个中断服务程序的入口。因为5个入口之间间隔较小，因此一般来说，这五个入口都是存放着一条跳转指令，而把真正的中断服务程序安排在后面的存储单元中。数据存储器空间数据存储器RAM用于存放运算中的结果、数据暂存或缓冲、标志位等。数据存储空间也分为片内和片外两大部分，即片内RAM和片外RAM。MCS-51内部RAM有128或256个字节的用户数据存储（不同的型号有分别），片外最多可扩展64KB的RAM，构成两个地址空间，访问片内RAM用“MOV”指令，访问片外RAM用“MOVX”指令。它们是用于存放执行的中间结果和过程数据的。MCS-51的数据存储器均可读写，部分单元还可以位寻址。2.2 232串口芯片介绍由于电脑串口RS232电平是-10v+10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是ttl电平0+5v,MAX232就是用来进行电平转换的,该器件包含两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。下图是MAX232引脚图 图2.4 MAX232引脚图 该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。主要特点 ：1、单5V电源工作。2、LinBiCMOSTM工艺技术。3、两个驱动器及两个接收器。4、30V输入电平。5、低电源电流：典型值是8mA。6、符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28。7、ESD保护大于MIL-STD-883标准的2000V。232是电荷泵芯片，可以完成两路TTL/RS-232电平的转换，它的的9、10、11、12引脚是TTL电平端，用来连接单片机的。MAX232获得正负电源的另一种方法在单片机控制系统中，我们时常要用到数/模（D/A）或者模/数(A/D)变换以及其它的模拟接口电路，这里面要经常用到正负电源，例如： 9V,-9V; 12V,-12V.这些电源仅仅作为数字和模拟控制转换接口部件的小功率电源。在控制板上，我们有的只是5V电源，可又有很多方法获得非5V电源。 1. 外接；2.DC-D变换。在这里我介绍一块大家常用的芯片：MAX232.MAX232是TTLRS232电平转换的典型芯片，按照芯片的推荐电路，取振荡电容为uF的时候，若输入为5V,输出可以达到-14V左右，输入为0V ,输出可以达到14V,在扇出电流为20mA的时候，处处电压可以稳定在 12V和-12V.因此，在功耗不是很大的情况下，可以将MAX232的输出信号经稳压块后作电源使用。串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总常不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。典型的串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成：（1）地线，（2）发送，（3）接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配： a， 波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个bit。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率例如如果协议需要4800波特率，那么时钟是4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。通常电话线的波特率为14400，28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典型的例子就是GPIB设备的通信。 b， 数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0127（7位）。扩展的ASCII码是0255（8位）。如果数据使用简单的文本（标准 ASCII码），那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。 c， 停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。d， 奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位位1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步.2.3光敏电阻2.3.1 光敏电阻介绍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。构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。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。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。 在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。 2.3.2 基本特性及其主要参数 1、暗电阻、亮电阻 光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。例如MG41-21型光敏电阻暗阻大于等于0.1M。光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。MG41-21型光敏电阻亮阻小于等于1k。 亮电流与暗电流之差称为光电流。显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。2、伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与流过光敏电阻的电流之间的关系，称为伏安特性。 由图2.5可知，光敏电阻伏安特性近似直线，而且没有饱和现象。受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线，由此可确定光敏电阻正常工作电压。 图2.5光敏电阻的伏安特性 图2.6光敏电阻的光电特性 图2.7光敏电阻的光谱特性 3、光电特性 光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。如图2.6所示，光敏电阻的光电特性呈非线性。因此不适宜做检测元件，这是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。 4、光谱特性 对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。各种材料的光谱特性如图2.7所示。从图中看出，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域，因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果。5、频率特性 当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零。这说明光敏电阻有时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。图2.8给出相对灵敏度Kr，与光强变化频率f之间的关系曲线，可以看出硫化铅的使用频率比硫化铊高的多。但多数光敏电阻的时延都较大，因此不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个缺陷。 图2.8光敏电阻的频率特性 图2.9硫化铅的光谱温度特性6、温度特性 光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大，当温度升高时，它的暗电阻会下降。温度的变化对光谱特性也有很大影响。图2.9是硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线。从图中可以看出，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，有时为了提高灵敏度，或为了能接受远红外光而采取降温措施。 常用的光敏电阻器是硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达110M；在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76）m的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。所以设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。 光敏电阻随入射光线的强弱其对应的阻值变化不是线性的，也就不能用它作光电的线性变换，这是使用者应注意的地方。初学者可购置一只光敏电阻器（MG45型），在夜间点一盏60100W的白炽灯，用万用表直接测量光敏电阻器的阻值。测量时，应把光敏电阻对着白炽灯的光，再逐渐拉开与灯的距离（由近到远），观察万用表指示的阻值变化，可以直观验证光敏电阻的特牲，以加深对它的感性认识。 常用的光敏电阻器型号有密封型的MG41、MG42、MG43和非密封型的MG45。它们的额定功率均在200mW以下。 在光电自动控制电路中，可以选用光敏电阻器作为光电传感元件。2.4继电器2.4.1继电器（relay）的工作原理和特性 当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)继电器及非电气量(如温度、压力、速度等)继电器两大类。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。1、 电磁继电器的工作原理和特性电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。2、热敏干簧继电器的工作原理和特性热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其它一些附件组成。热敏干簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。 3、固态继电器（SSR）的工作原理和特性固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。 2.4.2继电器主要产品技术参数1、额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。2、直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。3、吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。4、释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。 5、触点切换电压和电流是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。2.4.3继电器测试1、测触点电阻用万能表的电阻档，测量常闭触点与动点电阻，其阻值应为0，(用更加精确方式可测得触点阻值在100毫欧以内)；而常开触点与动点的阻值就为无穷大。由此可以区别出那个是常闭触点，那个是常开触点。2、测线圈电阻可用万能表R10档测量继电器线圈的阻值，从而判断该线圈是否存在着开路现象。3、测量吸合电压和吸合电流找来可调稳压电源和电流表，给继电器输入一组电压，且在供电回路中串入电流表进行监测。慢慢调高电源电压，听到继电器吸合声时，记下该吸合电压和吸合电流。为求准确，可以试多几次而求平均值。4、测量释放电压和释放电流也是像上述那样连接测试，当继电器发生吸合后，再逐渐降低供电电压，当听到继电器再次发生释放声音时，记下此时的电压和电流，亦可尝试多几次而取得平均的释放电压和释放电流。一般情况下，继电器的释放电压约在吸合电压的1050，如果释放电压太小（小于1/10的吸合电压），则不能正常使用了，这样会对电路的稳定性造成威胁，工作不可靠。2.4.4继电器的电符号和触点形式 继电器线圈在电路中用一个长方框符号表示，如果继电器有两个线圈，就画两个并列的长方框。同时在长方框内或长方框旁标上继电器的文字符号“J”。继电器的触点有两种表示方法：一种是把它们直接画在长方框一侧，这种表示法较为直观。另一种是按照电路连接的需要，把各个触点分别画到各自的控制电路中，通常在同一继电器的触点与线圈旁分别标注上相同的文字符号，并将触点组编上号码，以示区别。继电器的触点有三种基本形式：1.动合型（H型）线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。以合字的拼音字头“H”表示。2.动断型（D型）线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。用断字的拼音字头“D”表示。3.转换型（Z型）这是触点组型。这种触点组共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合，线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状态，达到转换的目的。这样的触点组称为转换触点。用“转”字的拼音字头“z”表示。2.4.5继电器的作用继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。 继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分）；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。 作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用： 1) 扩大控制范围。例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。 2) 放大。3）例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。 4） 自动、遥控、监测。例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。第三章 系统设计方案论证光控路灯控制系统分为光线检测和执行控制命令（开路灯、关路灯），在光线满足设定条件的情况下，光线检测电路将检测到的情况传送给控制器并由控制器发出指令控制相应的电路执行。3.1传感电路部分方案一：使用光敏电阻直接提供给51单片机输入信号，并进行相应的后续程序操作；方案二：使用光敏电阻和三极管联合驱动的方式，提供给单片机输入传感信号。由于方案一提供的输入信号相对来说对环境的要求较高，难以实现且不符合系统在现实生活中的实用性等原则，故选取方案二。3.2执行电路部分方案一：由单片机端口对相应电路进行操作；方案二：由单片机对后续的执行元件进行操作，如继电器等相关的执行元件。由于方案二使用继电器等相关的执行元件，使系统的设计更加接近实际应用，在实际应用中，系统是由电子电路电气电路的控制，使用继电器等可使系统的现实性大大增强。27 第四章 系统硬件设计及原理图的绘制第四章 系统硬件设计及原理图的绘制整个系统由光电检测电路、单片机控制电路、输出信号执行电路、串口通信电路等四部分组成，构成整个光控路灯智能控制系统。4.1 Altium designer 电路设计软件简介Protel是目前EDA行业中使用最方便,操作最快捷，人性化界面最好的辅助工具。在中国用得最多的EDA工具，电子专业的大学生在大学基本上都学过protel 99se，所以学习资源也最广,公司在招聘新人的时候用Protel新人会很快上手。 Altium声称中国有73%的工程师和80%的电子工程相关专业在校学生正在使用其所提供的解决方案，而目前正版率只有3%左右。产品历史：1985 年 诞生 dos 版 Protel。 1991 年 Protel for Widows。 1997 年 Protel98 这个 32 位产品是第一个包含 5 个核心模块的 EDA 工具。 1999 年 Protel99 构成从电路设计到真实板分析的完整体系。 2000 年 Protel99se 性能进一步提高，可以对设计过程有更大控制力。 2002 年 Protel DXP 集成了更多工具，使用方便，功能更强大。2003 年 Protel 2004 对Protel DXP进一步完善。 2006 年 Altium Designer 6.0成功推出，集成了更多工具，使用方便，功能更强大，特别在PCB设计这一块性能大大提高。 2008 年 Altium Designer Summer 8.0 将ECAD和MCAD两种文件格式结合在一起，Altium在其最新版的一体化设计解决方案中为电子工程师带来了全面验证机械设计(如外壳与电子组件)与电气特性关系的能力。还加入了对OrCAD和PowerPCB的支持能力。2008 年 Altium Designer Winter 09推出，此冬季9月发布的Altium Designer引入新的设计技术和理念，以帮助电子产品设计创新，利用技术进步，并提出一个产品的任务设计更快地获得走向市场的方便。增强功能的电路板设计空间，让您可以更快地设计，全三维PCB设计环境，避免出现错误和不准确的模型设计。在本系统的电路原理图设计中使用Altium Designer6.9进行设计，Altium Limited宣布发布Altium Designer 6.9，它是完全一体化电子产品开发系统的下一个版本。Altium Designer 是业界首例将设计流程、集成化PCB 设计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品。Altium Designer 6.9极大地增强了对高密板设计的支持，可用于高速数字信号设计，提供大量新功能和改进，改善了对复杂多层板卡的管理和导航，可将器件放置在PCB板的正反两面，处理高密度封装技术，如高密度引脚数量的球型网格阵列 (BGAs)。 以前这些高级的 PCB 设计技术被限定在高级 的PCB 设计产品，这些产品对于大多数工程师来说价格昂贵。然而，Altium 的理念是让电子设计变得更容易， Altium Designer 6.9 让每一位工程师都能使用最新的设计功能。 Altium Designer 6.9 对差分信号提供系统范围内的支持，可对高速内连的差分信号对进行充分定义、管理和交互式布线。支持包括对在FPGA项目内部定义的LVDS信号的物理设计进行自动映射。 LVDS 是差分信号最通用的标准，广泛应用于可编程器件。Altium Designer 可充分利用当今FPGA 器件上的扩展I/O管脚。 Altium Designer 6.9中的Board Insight 系统把设计师的鼠标变成了交互式的数据挖掘工具。 Board Insight 集成了“警示”显示功能，可毫不费力地浏览和编辑设计中叠放的对象。工程师可以专注于其目前的编辑任务，也可以完全进入目标区域内的任何其他对象，这增加了在密集、多层设计环境中的编辑速度。 Altium Designer 6.9 引入了强大的逃逸布线引擎，尝试将每个定义的焊盘通过布线刚好引到BGA边界，这令对密集BGA类型封装的布线变的非常简单。 显著的节省了设计时间，设计师无需手动就可以完成在一大堆焊盘间将线连接这些器件的内部管脚。 Altium Designer 6.9极大减少了带有大量管脚的器件封装在高密度板卡上设计的时间，简化了复杂板卡的设计导航功能，设计师可以有效处理高速差分信号，尤其对大规模可编程器件上的大量LVDS资源。Altium Designer 6.9 充分利用可得到的板卡空间和现代封装技术，以更有效的设计流程和更低的制造成本缩短上市时间。4.2光电检测电路在设计中使用光敏电阻作为光传感器件对外界光线进行检测，主要是利用了光敏电阻在光线的作用下其阻值往往变小的这种光导效应现象，也有基于光敏二极管、光敏三极管等光电检测元件的相关电路，如下图所示： 图4.1 基于光敏二极管设计的相关检测电路相关的光电检测电路原理图如下所示：图4.2 光电检测电路部分如图所示，光电检测电路将检测到的信号以高低电平的形式传送给单片机，从而完成整个光电检测的过程。4.3单片机控制电路单片机控制电路相关的电路原理图如下所示：图4.3 单片机控制电路在整个系统中，单片机控制电路是整个系统的核心，负责对光电检测电路采集道德信号进行处理和加工，并按照之前设定好的指令进行执行、运算，并将结果传送给相应的执行电路。4.4继电器执行电路继电器执行电路在系统中充当执行任务，对单片机发出的指令进行响应，完成相应的操作。继电器执行电路原理图如下所示：图4.4继电器执行电路单片机通过将光电检测电路传送的信号进行运算、处理之后将输出信号送给执行电路，继电器执行电路将对外部设备进行控制。在设计中为了能够更好的模拟并实现光控路灯控制系统的要求，选用继电器作为执行电路有以下几点优势：1. 能够将低电压的电子电路信号转换为高电压的电气电路信号，实现电子电路到电气电路的控制，与实际应用相符。2. 使得整个系统的设计更加趋于完善，对于相关的设计预期能够最大程度的体现出来。4.5串口通信电路串口通信电路采用经典的MAX232串口通信，由于电脑串口RS232电平是-10v +10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是ttl电平0+5v,MAX232就是用来进行电平转换的,进行对单片机与电脑的通信，系统中采用MAX232串口通信电路。4.5.1 串口通信电路原理图系统采用的经典串口通信电路如下图所示：图4.5串口通信电路4.5.2串口通信电路在系统中的优势系统中采用串口通信电路可与电脑进行通信，可以对