节能路灯智能控制系统设计.doc

前言前 言随着时代的发展，城市现代化建设步伐不断加快，对城市道路照明及城市亮化工程需求也更大，而能源的供需问题矛盾也越来越突出。节能节电的要求越来越迫切，越来越高。现在再采用那些传统的受控，钟控城市照明系统的方法已不能满足要求。如何充分利用先进的科学技术解决上述矛盾,节约能源，提高路灯能源的利用率已成为当前照明技术领域一个新的和紧要的课题。城市道路照明自动化控制作为现代化的标志之一，它所带来的经济和社会效益是十分显著的。目前一般的传统路灯一般采用钠灯、水银灯、金卤灯等灯具，这类灯具有发光效率高、光色好、安装简便等优点被广泛应用，但也存在功率因子低、对电量要求严格、耗电量大等缺点。我国大部分城市街道都采用“全夜灯”的方式进行照明，这些街道在夜晚人流量和车流量都比较小，即使没有人或车经过，这些路灯也是长期点亮着的，这时电能就被白白浪费掉了。很多路段真正有效的照明时间只占到整个照明时间的20%30%。因此有些地方采用“半夜灯”前半夜全亮后半夜全灭的方式，此方法虽然节约了用电量，却带来许多社会治安和交通安全问题。也有的采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的措施，关闭部分光源。因为，“亮一隔一”或“亮一隔二”不仅减小照度，同时区别于不同的灯杆布置方式，照度均匀度将不同程度、甚至是严重的下降，对交通、行人安全、对维护社会治安产生不利影响。“在保证照明效果下点着灯节电”，这样的概念才是科学的，合理的，这是发达国家道路照明系统的设计思想之一。目前道路照明仍以高压钠灯或金卤灯光源为主，LED照明主要采用LED作为发光光源LED路灯尚处于示范推广向大规模应用的过渡阶段但是随着产品稳定性的提升和产品价格的下降，LED路灯具有非常强的成长性相对于传统路灯，LED照明道路具有以下优势：1)扩大了照明范围，2)提高了照明均匀度，3)低能耗(相同照度下能耗仅为高压钠灯的40，节能50以上)，一个LED路灯，如果要达到和普通的高压钠灯和高压水银灯那样的亮度，大约需要消耗的40W以上功耗，只有传统路灯的25%40%。因此该设计应用光控制LED灯的方法来管理路灯照明，这节约了很大的资源。4)寿命长(有效使用寿命长达70 000h)，5)智能控制，免维护，环保无污染等智能控制型路灯是运用先进的通讯手段，计算机网络技术、自动控制技术、新型传感技术与自动检测技术等构成的监控系统，快速准确地对道路照明、城市灯饰工程、广场照明、桥梁和隧道照明等系统进行智能监控，实现对远程路灯和电源实施遥控、遥测、遥监、遥视、遥信等功能，便于了解路灯运行状况以及它的维修和保养，能提高路灯运行质量和效率，为能源节约和创造节约型社会打下基础。路灯智能控制系统一般由控制中心主站、各点测控分站、通讯系统三大部分组成。主站主要负责管理、控制整个系统的运行，其兼容性和容量大小可灵活配置；通讯一般采用有线或无线与的方式，目前技术有利用单片机实现路灯控制器的TCPIP协议(实现自己数据的高速传输和实时控制)等技术；无线技术有GSM短信息网、GPRS数传电台、CDPD公共无线数据网，或而各分站点通过安装单片机或新技术装备(如LONWORKS技术)构成其控制器，从而达到与主站通讯、接受命令、执行开关、控制电压、控制时间、反馈数据信息等功能。智能控制型路灯实现过程可以是多种多样，一般都是：主站电脑控制中心+合适的通讯手段或方式+各分站集中智能控制器+路灯控制系统的模式。随着科技和信息产业的发展，任一个环节实现起来都可以采用多种方式或方法，在此不赘述。采用本系统以后，全区范围的景观灯的开/关均可实现自动控制。同时，由于城市照明监控系统具有自动报警和巡测、选测功能，同时结合显示界面维护人员可以在故障发生后的数秒钟内及时了解故障的地点和状态，为及时进行修复提供了有力的保障。第 47 页 （共 48 页）绪论1 绪论1.1 题目来源来源于生产/社会实际1.2 研究目的和意义 1目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机是靠程序运行的，并且程序可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来解决的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性的转变。鉴于单片机的这些广泛用途及如此简便的使用方法，作为本专业的学生我们更应该好好学习单片机。本次毕业设计的目的就是为了进一步熟悉单片机语言及单片机工作原理，煅炼单片机与信号检测的综合应用能力，为以后在工作中解决各种问题打好基础。2现代城市飞速发展对城市道路照明和管理提出了更高的要求，城市路灯照明不仅要确保足够的照度，保障城市人民正常的生产和生活，而且要亮化、美化城市。同时，随着城市基础设施投资的不断加速，路灯的数量也在逐年增加，维护和检修的工作量也随之加大。在这一新形势下，实施新的路灯监控系统网络化、遥控化、精确化的微机监控系统，对提高城市路灯照明的现代化控制和管理水平，显然十分必要。根据现存照明事业管理的现状，本课题研究的路灯智能控制系统由PC机、主机、电力线载波通讯模块（PLC）、从机等构成。进行本课题研究的目的和意义在于以下几个方面：（1）对公共照明管理者和使用者来说，本系统给他们带来了极大的方便，他们只需在管理中心的微机上进行简单操作就可以对线路上的任意路灯节点进行控制以及所有路灯的状态和相关信息的控制，使用少量人力进行维修。（2）对于政府管理部门来说，也是一件一劳永逸的事情。只要进行一次投入，安装了必要的路灯设备和本控制系统，在以后的运行当中就不需要再投入较大的人力和物力，因为本系统具有自动检测和报警功能，并且可以落实到具体的一个灯，可以省去了大量的人力。（3）对于城市的美化和亮化工程来说，提高城市的形象和人民的满意度将有十分积极的作用。提高市政硬件水平，与现代科技接轨，增强城市照明可靠性和可控性。（4）结合城市夜景设置，通过智能控制，创造城市新景观，根据不同季节合理利用电能资源，杜绝电能浪费。（5）及时发现线路故障和单个路灯故障，提高路灯系统工作质量。减轻工人线路巡检工作量，提高工作效率。天气变化或有特殊事件，路灯可快速投切，方便人民生活，消除不良影响。1.3 国内外现状和发展趋势目前，国内城市路灯运行的控制方式有专用控制线、带负荷控制线、时控、光控以及模拟日照开关等。他们共同的缺点是 （1）只有控制功能，并且是对整条线路进行控制，不能对具体的路灯节点进行控制。（2）半夜使灯具的使用寿命大大缩减，维修费用增大。没有精确检测功能，这对道路照明管理部门来说是无法做到随时掌握全市路灯的运行状况，管理部门只有通过不断派人派车巡回检查或群众报警才能知道路灯大致故障情况。（4）巡视工作被动且工作量大，人力成本高，效率很低，市民的满意度不高。根据以上对目前国内路灯监控系统实际现状的分析，可以发现，现存问题很多。就路灯监控系统的功能实现而言，虽然已经可以通过远程计算机控制整条路灯线路的开和关，并将有关的状态返回给计算机，实现所谓的监控功能。但是，要将路灯监控提升到路灯管理的层次，并紧密的与节约能源及绿色照明结合起来，还需要在技术上有更高的进步。不难发现，上述问题存在一些共同点（即造成上述问题的共同因素），主要是不能够对单个路灯的功率等重要参数进行有效的控制，单个路灯之间没有信息通道，不能及时反映灯的状态，以及系统的稳定性问题。要解决这些问题，不仅需要计算机网无线通信网络等技术的应用，更需要新的电力电子技术和信息技术的应用。路灯照明系统是城市建设中不可缺少的功用设施，设计自动化程度高、运行可靠、高效节电、使用维护方便的监控系统，是路灯控制与管理现代化的必然要求。传统的路灯开/关控制完全依赖光电控制或操作人员根据时钟定时控制，不但亮灯与关灯的时刻不准确，而且很可能会由于人为或其他因素（如某处控制线断）造成大面积路灯不亮，造成不良影响，给人民的生活带来不便。微机监控系统通过监控中心的实时监控，检测各分控点的工作情况、运行状态，包括实时电压、电流以及开关状态等。当路灯站点出现故障的时候，报警信息能够及时反馈给监控中心进行处理，保证路灯处于良性状态，方便人民生活，减少交通事故，遏制夜间作案，改善投资环境，促进经济腾飞，提高城市道路照明的现代化控制和管理水平，社会效益也非同一般。随着城市市政建设的发展，传统的路灯控制与维护手段已远远不能适应城市现代化发展的速度。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夜间的魅力。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。现代计算机集控技术的发展给城市市政管理带来了福音。城市路灯智能控制系统是现代计算机技术运用于城市市政建设中有效、必然的产物，实现了城市路灯系统的计算机集中控制、检测和管理。操作人员只需通过计算机即可了解整个系统路灯的工作状态，并可通过计算机人工或自动控制所有路灯的开关。即使是在全无人过问的情况下，系统也将严谨有序的工作。在各种管理自动化的大潮下，加上我国各个城市的大规模建设，路灯只能控制系统必然有着广阔的市场空间！据测算，一个城市的街道数量大于100条就很有必要由一套信息管理系统与之相配套来实现管理和系统维护，而中国一定规模的市级城市非常多，因此可以肯定的是国内需求会很旺盛！系统硬件设计2 系统硬件设计2. 1 系统总体结构设计根据题目要求和单片机的工作原理，以AT89C51作为主控制器，进行主要的信息处理，包括路灯控制模块，检测模块，时钟模块。本系统的总体框架图如图1所示。单片机光检测路灯控制时钟显示LED驱动图1 系统总体结构框图2.2 各模块器件选择2.2.1 单片机的选择【方案一】：采用数字电路实现。数字电路结构简单，响应速度快。但处理能力有限，题目要求支路控制器需实现的功能很多，数字电路不易实现。【方案二】：采用STC89C51作为主控制单片机。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。综合题目要求和性价比我们选择方案二为本系统的最终方案，用STC89C51制作的最小系统板，结构紧凑，工作稳定，性价比很高。2.2.2 时钟的选择 【方案一】：采用软件编程实现时钟。利用单片机定时器中断，产生1秒信号，实现时钟。此方案不需硬件，但占用太多程序存储器、中断源等单片机资源。【方案二】：利用DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个口线（其引脚图如图4所示）RES（复位）、I/O （数据线）、SCLK（串行时钟）。SCLK/RAM 的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。DS1302 工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW。DS1302芯片体积小、占用空间小，引脚也很少，操作起来非常方便，因此我采用此方案。2.2.3 检测光源的选择检测光源模块是用来判断光线明暗变化。为了确保路灯在工作过程中光线明暗变化，自动开灯和关灯，系统需要利用感光元件来检测出光线明暗，充分节能。对于感光元件的选择有以下几种方案。【方案一】：采用线性光敏传感器。其对光线的强弱呈线性变化、灵敏度高、高可靠性、高稳定性，其价格相对较贵。【方案二】：方案二：采用光敏电阻。灵敏度较低，价格低。在本设计中，选用方案二，通过相应电路设计计算，能够完成环境明暗变化判断要求。2.2.4 显示方案的选择【方案一】：采用LED数码管显示。该方案控制简单，且LED数码管亮度高，醒目，但是数码管只能显示有限的数字和符号，占用资源较多且信息量较少，为了方便观察，因此我们不采用此方案。【方案二】：采用诺基亚5110 LCD显示。完成参数与状态显示要求有较大的显示容量，因此选用诺基亚5110 LCD显示模块，它可显示汉字及图形，方便好用。2.3 AT89C51简介及其工作原理 2.3.1 AT89C51主要特性l 与MCS-51单片机产品兼容l 4K字节可编程闪存储器l 寿命：1000写/擦循环，数据保留时间：10年l 全静态工作：0HZ-24HZl 三级程序存储器锁定l 128*8位内部RAMl 32可编程I/O线l 两个16位定时器/计数器l 5个中断源l 可编程串行通道l 低功耗的闲置和掉电模式l 片内振荡和时钟电路2.3.2 AT89C51管脚说明 AT89C51管脚如图2：图2 AT89C51VCC：供电电压。GND：接地。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/地址的第八位。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口作为第八位地址接收。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。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）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）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 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，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。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，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.3.3 振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.3.4 芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2.3.5 单片机的CPU MCS-51单片机的CPU由运算器、控制器和若干个特殊功能寄存器组成，运算器可以加、减以及各种逻辑运算，还可以进行乘除运算。控制器在单片机内部协调各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作，并对单片机外部发出若干控制信息。CPU中使用的特殊功能寄存器ACC、B、PSW、SP和DPTR。ACC就是累加器，在指令中一般写为A。在做乘除运算时，B寄存器用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果；若不作乘除操作时，则B可用做通用寄存器。程序状态字寄存器PSW相当于一般微处理器中的状态寄存器，其中各位的定义如表1所示。 表1 PSW状态寄存器位地址D7D6D5D4D3D2D1D0符号CYACF0RS1RS0OVP其中各位的意义如下：CY（PSW.7）：高位进位标志位。常用“C”表示。 AC（PSW.6）：辅助进位标志。 F0（PSW.5）：用户标志位。 RS1（PSW.4）、RS0（PSW.3）：寄存器组选择控制位。8051共有4个8位工作寄存器，分别命名为R0R7。用户通过改变RS1和 RS0的状态可以方便地决定R0R7的实际物理地址。RS1和 RS0与寄存器区的对应关系如表2所示。表2 RS1、RS2与工作寄存器组的关系RS1RS0寄存器组RAM中的地址00110101012300H-07H08H-0FH10H-17H18H-1FHOV（PSW.2）：溢出标志位。 （PSW.1）：保留位，无定义。 P（PSW.0）：奇偶校验位，在每一个指令周期中，若累加器（A）中的“1”的位个数是奇数个则P1，偶数个则P0。3.AT89C51内存空间 从物理地址空间看，89C51有4个存储器地址空间，片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器，其存储情况如下：（1）内部程序存储器（ROM）4K字节。 （2）外部程序存储器（ROM）64K字节。 （3）内部数据存储器（RAM）256字节。 （4）外部数据存储器（RAM）64K字节。表3 9C51单片机的特殊功能寄存器一览表寄存器符号名称字节地址*ACC累加器E0H*BB寄存器F0H*PSW程序状态字D0HHSP堆栈指针81HDPTR数据指针（DPH、DPL）83H（高）、82H（低）*P0P0口锁存器80H*P1P1口锁存器90H*P2P2口锁存器A0H*P3P3口锁存器B0H*IP中断优先级控制寄存器B8H*IE中的允许控制寄存器A8HTMOD定时器/计数器方式控制寄存器C8H*TCON定时器/计数器控制寄存器88HTH0定时器/计数器0（高字节）8CHTL0定时器/计数器0（低字节）8AHTH1定时器/计数器1（高字节）8DHTL1定时器/计数器1（低字节）8BH*SCON串行控制寄存器98HSBUF串行数据缓冲器99HPCON电源控制寄存器97H89C51单片机的片内RAM虽然字节数虽然不很多，但却起着很重要的作用。256个字节被分为两个区域：117FH是真正的RAM区，可以读写各种数据；80FFH是专用寄存器（SFR）区。对于51系列单片机安排里21个特殊功能寄存器。每个寄存器均为8位（一个字节），所以实际上这128个字节并未全部利用。表3所示为89C51单片机特殊功能寄存器地址及符号表。表中带*号的为可位寻址的特殊功能寄存器。2.3.6 单片机的中断系统单片机与外部设备交换信息一般采用两种方式，即查询方式和中断方式。由于中断方式具有CPU效率高，适合于实时控制系统等优点，因而更为常用。89C51单片机的中断系统从面向用户的角度来看，就是若干搁特殊功能寄存器：定时器控制寄存器TCON、中断允许寄存器IE、中断优先级寄存器IP、串行口控制器SCON。89C51单片机是一个多中断源系统。有5个中断源，即两个外部中断，两个外部中断、两个定时器/计数器中断和一个串行口中断。（1）方式控制寄存器TMOD的控制字格式如下：表4 TMOD控制字位地址D7D6D5D4D3D2D1D0符号GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0低4位为T0的控制字，高4位为T1的控制字。GATE为门控位，对定时器/计数器的启动起辅助控制作用。GATE=1时，定时器/计数器的计数受外部引脚输入电平的控制，此时只有P3口的P3.2（或P3.3）引脚即INT0（或INT1）为1才启动计数；GATE=0时，定时器/计数器的运行不受外部输入引脚的控制。C/T为方式选择位。C/T=0为定时器方式，采用单片机内部振荡脉冲的12分频信号人作为时钟计数脉冲，若采用12MHz的振荡器，则定时器的计数频率为1MHz，从定时器的计数值便可得定时时间。（2）M1、M0二位的状态确定定时器的工作方式，详见下表：表5 M1、M0功能说明M1M0功能说明00方式0，为13位定时器/计数器01方式1，为16位定时器/计数器10方式2，为常数自动重新装入的8位定时器/计数器11方式3，仅适用于T0，分为二个8位计数器（3）TCON定时/计数器工作方式控制寄存器表6 TCON控制字位地址8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H符号TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0TF1（TCON.7）：计时器 1溢出标志，当计时溢出时，由硬件设定为 1，在执行 相对的中断服务程序后则自动清 0。 TR1（TCON.6）：计时器1启动控制位，可以由软件来设定或清除。TR1时启动计时器工作，TRl=0 时关闭。 TF0（TCON.5）：计时器 0溢出标志，当计时溢出时，由硬件设定为 1，在执行相对的中断服务程序后则自动清 0。 TR0（TCON.4）：计时器 0启动控制位，可以由软件来设定或清除。TR0=1时，启动计时器工作，TR0=时关闭。 IE1（TCON.3）：外部中断 1工作标志，当外部中断被检查出来时，硬件自动设定此位，在执行中断服务程序后，则清 0。 IT1（TCON.2）：外部中断 1工作形式选择，IT1=1时，由下降缘产生外部中断， IT1=0时，则为低电位产生中断。 IE0（TCON.1）：外部中断 0 工作标志，当外部中断被检查出来时，硬件自动设定此位，在执行中断服务程序后，则清 0。 IT0（TCON.0）：外部中断 0工作形式选择，IT1=1时，由下降缘产生外部中断， IT1=0时，则为低电位产生中断。（4） SCON串行口控制寄存器SM0（SCON.7）：串行通讯工作方式设定位0。 SM1（SCON.6）：串行通讯工作方式设定位 1。 表7 SCON 控制字位地址9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H符号SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRISM2 （SCON.5）：允许方式 2 或方式 3 多机通讯控制位。在方式 2 或方式 3 时，如SM2=1，REN=1，则从机处于只有接收到 RB8=1(地址帧)才激发中断请求标志RI=1，向主机请求中断处理。被确认为寻址的从机复位SM2=0，才能接收 RB8=0 的数据帧；在方式 1 时，如 SM2=l，则只有在接收到有效停止位时才置位中断请求标志位RI=1；在方式0时，SM2应为 0。 REN（SCON.4）：REN，允许/禁止串行接收控制位。由软件置位REN=1为允许串行接收状态，可启动串行接收器RXD，开始接收信息。软件复位REN0，则禁止接收。 TB8（SCON.3）：在方式2或方式3，它为要发送的第 9位数据，按需要由软件置位。（5）IE中断允许寄存器表8 IE控制字位地址AFADACABAAA9A8符号EAET2ESET1EX1ET0EX0EA（IE.7）：EA0时，所有中断停用（禁止中断）。EA1时，各中断的产生由个别的允许位决定。 （IE.6）：保留位，无定义。 ET2（IE.5）：允许计时器 2溢出的中断（8052使用）。 ES（IE.4）：允许串行端口的中断（ES1允许，ES0禁止）。 ET1（IE.3）：允许计时器 1中断（ET11允许，ET10 禁止）。 EX1（IE.2）：允许外部中断 INT1的中断（EX11允许，EX10 禁止）。 ET0（IE.1）：允许计时器 0中断（ET01允许，ET00 禁止）。 EX0（IE.0）：允许外部中断 INT0的中断（EX01允许，EX00 禁止）。（6）IP 中断优先级寄存器表9 IP控制字位地址BDBCBBBAB9B8符号PT2PSPT1PX1PT0PX0（IP.7）：保留位，无定义。 （IP.6）：保留位，无定义。 PT2（IP.5）：设定计时器 2的优先次序（8052使用）。 PS（IP.4）：设定串行端口的中断优先次序。 PT1（IP.3）：设定时计时器 1的优先次序。 PX1（IP.2）：设定外部中断 INT1的优先次序。 PT0（IP.1）：设定计时器 0的优先次序。 PX0（IP.0）：设定外部中断 INT0的优先次序。 上述每位IP.*1时，则定义为高优先级中断，IP.*0 时，则定义为低优先级中断。如果同时有两个或两个以上优先级相同的中断请求时，则由内部按查询优先顺序来。2.3.7单片机最小系统一块单片机芯片不是一拿来就可以用的，那么单片能正常工作的基本要求有哪些呢？下面就说一下最小系统。（1） 振荡电路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。如图3所示，外部时钟振荡电路由晶体振荡器和电容C1、C2构成并联谐振电路，连接在XTAL1、XTAL2脚两端。对外部C1、C2的取值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性。C1、C2通常取值C1=C2=3030PF；8051的晶振最高振荡频率为12M，AT89C51的外部晶振最高频率可到24M。典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的us级时歇，方便定时操作)。（2）电源电路这当然是必不可少的了。单片机使用的是5V电源，其中正极接40引脚，负极（地）接20引脚。（3） 复位电路由电容串联电阻构成，由图并结合“电容电压不能突变”的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般教科书推荐C取10u，R取10K。当然也有其他取法的，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期 的高电平。至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。（4） EA访问程序存储器控制信号，当EA为低电平时，对ROM的读操作限制在外部程序存储器；当EA为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。高电平就是选用内部ROM，低电平就是不选用内部ROM，8031内部根本没有ROM，需接外接ROM，所以要低电平。至此，一个单片机就接好，通上电，单片机就开始工作了。图3 单片机最小系统2.4 DS1302的电路设计2.4.1 时钟芯片DS1302的简介DS1302 是 DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31 字节静态RAM， 通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒,分,时,日,日期,月,年的信息,每月的天数和闰年的天数可自动调整。时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式，DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：1 RES 复位；2 I/O 数据线；3 SCLK串行时钟。时钟RAM 的读/写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信。DS1302 工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1m，WDS1302是由DS1202 改进而来，增加了以下的特性：双电源管脚用于主电源和备份电源供应，Vcc1 为可编程涓流充电电源，附加七个字节存储器。它广泛应用于电话，传真，便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等。产品领域下面将主要的性能指标作一综合：l 实时时钟具有能计算2100 年之前的秒分时日日期星期月年的能力还有闰年调整的能力l 31 8 位暂存数据存储RAMl 串行 I/O 口方式使得管脚数量最少l 宽范围工作电压2.0 5.5Vl 工作电流 2.0V 时,小于300nAl 读/写时钟或RAM数据有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式l 8 脚DIP 封装或可选的8 脚SOIC 封装根据表面装配l 简单 3 线接口l 与 TTL 兼容Vcc=5Vl 可选工业级温度范围-40 +85l 与 DS1202 兼容l 在 DS1202 基础上增加的特性n 对Vcc1 有可选的涓流充电能力n 双电源管用于主电源和备份电源供应n 备份电源管脚可由电池或大容量电容输入n 附加的7 字节暂存存储器2.4.2 DS1302 的基本组成和应用1. DS1302 的管脚排列如图4所示 图4 DS1302管脚图管脚描述1) X1 X2 32.768KHz 晶振管脚2) GND 地3) RST 复位脚4) I/O 数据输入/输出引脚5) SCLK 串行时钟6) Vcc1,Vcc2 电源供电管脚DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc10.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK始终是输入端。 2. DS1302 内部寄存器CH: 时钟停止位寄存器2 的第7 位12/24 小时标志CH=0 振荡器工作允许bit7=1,12 小时模式CH=1 振荡器停止bit7=0,24 小时模式WP: 写保护位寄存器2 的第5 位:AM/PM 定义WP=0 寄存器数据能够写入 AP=1 下午模式WP=1 寄存器数据不能写入 AP=0 上午模式TCS: 涓流充电选择 DS: 二极管选择位TCS=1010 使能涓流充电 DS=01 选择一个二极管TCS=其它 禁止涓流充电 DS=10 选择两个二极管DS=00 或11, 即使TCS=1010, 充电功能也被禁止3. DS1302的控制字节 表10 DS1302字节控制位DS1302 的控制字如表1所示。控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据;位5至位1指示操作单元的地址;最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。 4. 数据输入输出(I/O) 在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。 5. DS1302的寄存器 DS1302有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关。 此外，DS1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。 DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0HFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH(写)、FFH(读)。 2.4.3 DS1302的工作原理 DS1302时钟芯片内主要包括移位寄存器、控制逻辑电路、振荡器、实时时钟电路以及用于高速暂存的31字节RAM。 读/写时间或RAM数据过程：首先将CE置高，选通DS1302，将命令、数据从低位开始送到6脚I/O，然后给7脚SCLK送脉冲，连续不断的操作，将数据读出/写入，操作结束时将CE置低。其工作电路如图5所示：图5 DS1302的工作电路2.4.4 DS1302和单片机的连接图DS1302与单片机系统的数据传送依靠RST，I/O，SCLK三根端线即可完成。设计控制端口如下： RST: P1.5 SCLK: P1.1，时钟输入 I/O: P1.4, 数据输入/输出2.5 光敏电阻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、硫化铅和硫化铋等材料。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。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。一般光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。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，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复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。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。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。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。1基本特性及其主要参数（1）光电流、亮电阻光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。 （2）暗电流、暗电阻光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。 （3）光照特性光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。（4）灵敏度灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。（5）光谱响应光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。 （6）伏安特性曲线伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。（7）温度系数光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。 （8）额定功率额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低。2.6 继电器的工作原理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。2. 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”。3 .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、塑料衬底及其他一些附件组成。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。4 .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。 5 .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