智能路灯控制系统的设计

课程设计任务书 14 15 学年第 一 学期 学学 院院 计算机与控制工程学院 专专 业业 电气工程及其自动化 学学 生生 姓姓 名名 学学 号 号 课课程设计题目程设计题目 智能路灯控制系统的设计 起起 迄迄 日日 期期 1 月 5 日 1 月 16 日 课课程程设设计计地地点点 专业教室 指指 导导 教教 师师 余红英 李静 学科部副主任学科部副主任 刘天野 下达任务书日期 2015 年 1 月 5 日 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 1 设计目的 1 设计一个由计算机控制的智能路灯控制器 可以对室内外的光强度进行检测 如 果外界灯光过低或是声音低到某一分贝时 智能路灯自行进行调节 通过设计 掌握数据采集系统的工作原理 掌握计算机控制系统的设计原理 2 利用 AT89C52 完成控制要求 熟悉并了解单片机控制系统的详细工作原理 3 利用Keil uVision proetus protel画出硬件原理图 软件仿真图 2 设计内容和要求 包括原始数据 技术参数 条件 设计要求等 一 控制要求 要做到 随需而控 天黑时只有路上有人或车辆通过时路灯才点亮 且可根据行人和车辆通过的声音智能地打开前方一定数量的路灯 同时熄灭经过路段的 路灯 二 用 protel 设计硬件原理图 三 选择控制算法 编写控制程序 用 Keil uVision 设计完整的控制程序 C 语言或者 汇编语言 四 编译 下载 运行 五 用 proetus 给出软件仿真结果 3 设计工作任务及工作量的要求 包括课程设计计算说明书 论文 图纸 实物样品等 1 根据题目要求的指标 通过查阅有关资料 确定系统设计方案 并设计其硬件电路 图 2 画出电路原理图 分析主要模块的功能及他们之间的数据传输和控制关系 3 用 Proteus 软件绘制硬件电路图并仿真 4 软件设计包括流程图 用汇编语言或 C 语言对软件进行编译 并能通过调试 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 4 主要参考文献 1 孙涵芳 MCS 51 96 系列 单片机原理及应用 修订版 北京航空航天大学出版社 1994 2 李朝青 单片机原理及接口技术 第 3 版 北京航空航天大学出版社 2005 3 彭伟 单片机 C 语言程序设计实训 100 例 基于 8051 Proteus 仿真 第 2 版 电子 工业出版社 2000 4 李光飞 单片机课程设计实例指导 北京 北京航空航天大学出版社 2005 5 陈明荧 8051 单片机课程设计实训教材 北京 清华大学出版社 2004 5 设计成果形式及要求 完成课程设计说明书一份 要求 1 写出主要设计思路 工作原理 2 画出硬件原理接线图 3 调试出现的问题及解决方法 4 提交程序清单 6 工作计划及进度 1 月 5 日 1 月 7 日 查阅资料 进行总体设计 1 月 6 日 1 月 12 日 根据设计要求 进行软硬件设计 并撰写课程设计说明书 1 月 12 日 答辩或成绩考核 学科部副主任审查意见 签字 年 月 日 目录 1 绪论 1 1 1 AT89C52 简介 1 1 2 Proteus 软件介绍 1 1 3 Keil C51 软件介绍 2 2 总体设计 3 2 1 设计要求 3 2 2 设计思路 3 2 3 声检测模块 3 2 4 光检测模块 4 3 硬件接线图 5 3 1 最小系统 5 3 2 路灯设计电路 6 3 3 行人检测电路 6 3 4 光控制电路 7 3 5 手动控制电路 7 3 6 智能路灯电路设计原理图及说明 8 4 流程图 9 4 1 主流程图 9 4 2 紧急情况流程图 10 5 软件仿真 11 5 1 软件仿真截图 11 5 2 软件仿真结果分析 13 6 总结 14 附录 A 程序清单 15 附录 B 软件仿真图 17 参考文献 18 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 页 共 页 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 0 页 共 18 页 1 1 绪论绪论 1 11 1 AT89C52AT89C52 简介简介 AT89C52 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8k bytes 的可 反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令 系统 片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元 图 1 1 AT89C52 引脚图 1 21 2 ProteusProteus 软件介绍 软件介绍 英国 Labcenter 公司推出的 Proteus 软件是一款极好的单片机应用开发平台 它以其特有的虚拟仿真技术很好地解决了单片机及其外围电路的设计和协同仿 真问题 可以在没有单片机实际硬件的条件下 利用 PC 以虚拟仿真方式实现 单片机系统的软 硬件同步仿真调试 Proteus 软件涵盖了 PIC AVR MCS8051 68HC11 ARM 等微处理器模型 以及多种常用电子 元器件 包括 74 系列 CMOS 4000 系列集成电路 A D 和 D A 转换器 键盘 LCD 显示器 LED 显示器 还提供示波器 逻辑分析仪 通信终端 电压 电 流表等各种虚拟仪表 这些都可以直接用于仿真设计 极大地提高了设计效率 和设计水平 Proteus 软件已有 20 多年的历史 在国外应用较为普遍 尤其在教育界的 口碑极佳 近年来 Proteus 软件被引入国内 在多所高等工科院校中得到成功应 用 在单片机教学中采用 Proteus 软件 使单片机的学习过程变得直观形象 可 以直接在基于原理图的虚拟模型上进行编程 并实现源码级的程序仿真调试 如有显示及输出 还能看到程序运行后的输出效果 配合各种虚拟仪表来展现 整个单片机系统的运行过程 很好地解决了长期以来困扰单片机教学过程中软 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 1 页 共 18 页 件和硬件无法很好结合的难题 在 Proteus 软件平台上学习单片机知识 比以往 单纯学习书本知识更易于接受 以原理图虚拟模型进行程序仿真调试 更易于 提高单片机编程能力 还可以通过绘制和修改原理电路图增加很多实践经验 1 31 3 KeilKeil C51C51 软件介绍 软件介绍 Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件 开发系统 与汇编相比 C 语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明 显的优势 因而易学易用 Keil 提供了包括 C 编译器 宏汇编 连接器 库管 理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案 通过一个集成开发环 境 uVision 将这些部分组合在一起 运行 Keil 软件需要 WIN98 NT WIN2000 WINXP 等操作系统 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具 全 Windows 界面 另外 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高 多数语句生成的 汇编代码很紧凑 容易理解 在开发大型软件时更能体现高级语言的优势 C51 工具包的整体结构 其中 uVision 与 Ishell 分别是 C51 for Windows 和 for Dos 的集成开发环境 IDE 可以完成编辑 编译 连接 调试 仿真等整个开 发流程 开发人员可用 IDE 本身或其它编辑器编辑 C 或汇编源文件 然后分别 由 C51 及 A51 编译器编译生成目标文件 OBJ 目标文件可由 LIB51 创建生成 库文件 也可以与库文件一起经 L51 连接定位生成绝对目标文件 ABS ABS 文件由 OH51 转换成标准的 Hex 文件 以供调试器 dScope51 或 tScope51 使用 进行源代码级调试 也可由仿真器使用直接对目标板进行调试 也可以直接写 入程序存贮器如 EPROM 中 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 2 页 共 18 页 2 总体设计总体设计 2 12 1 设计要求设计要求 设计一个由计算机控制的智能路灯控制器 可以对室内外的光强度进行检 测 如果外界灯光过低或是声音低到某一分贝时 智能路灯自行进行调节 要 做到 随需而控 天黑时只有路上有人或车辆通过时路灯才点亮 且可根据 行人和车辆通过的声音智能地打开前方一定数量的路灯 同时熄灭经过路段的 路灯 2 22 2 设计思路设计思路 本次设计的题目是智能路灯控制系统的设计 要求实现以路灯为控制对象 完成软件和硬件的设计 利用按键模拟声敏传感器 以手动和行人控制两种方式 实现路灯的亮灭功能 其中硬件电路部分主要包括以下部分 单片机最小系统 路灯控制电路部分 行人检测电路部分 光检测电路部分 声检测电路部分 图 2 1 工作原理图 图 2 2 系统总框图 2 32 3 声音检测模块声音检测模块 声音传感器的作用相当于一个话筒 麦克风 它用来接收声波 显示声 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 3 页 共 18 页 音的振动图象 该传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒 声波使话 筒内的驻极体薄膜振动 导致电容的变化 而产生与之对应变化的微小电压 这一电压随后被转化成 0 5V 的电压 输入单片机 声音传感器使用的是与人类 耳朵相似具有频率反应的电麦克风 电路把信号放大并把信号传送给电讯接口 实际上 信号通过 2 条不同的线送达数据采集器 一个信号通过低电压输入线 在 2 5V 左右 另一信号通过电压输入线 在 0V 左右 声音传感器的应用 一 般说有二种 一种是根据设定声音信号阀值判定声音的有无 第二种难一点的 就是根据多个声音传感器来判定声音的方位 本设计利用按键模拟声音模块 声音模块对外界环境声音强度最为敏感 模块在环境声音强度达不到阈值时 输出高电平 当外界声音强度超过设定阈 值时 输出低电平 2 42 4 光检测模块光检测模块 图 2 3 光敏电阻工作原理图 光敏传感器是最常见的传感器之一 它的种类繁多 主要有 光电管 光 电倍增管 光敏电阻 光敏三极管 太阳能电池 红外线传感器 紫外线传感 器 光纤式光电传感器 色彩传感器 CCD 和 CMOS 图像传感器等 它的敏 感波长在可见光波长附近 包括红外线波长和紫外线波长 本设计采用光敏电阻 光敏电阻传感器对外界光线最敏感 用来检测外界 周围环境光线的亮度 触发单片机 模块在光线不足时输出低电平 光线亮度 超过设定值时输出高电平 利用光敏电阻传感器输出信号干净 波形好 驱动 能力强 本设计中利用光敏电阻与一普通电阻串联 当白天有光照时 电阻很 小 输出高电平 夜晚无光照时 电阻增大 输出低电平 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 4 页 共 18 页 3 3 硬件接线图硬件接线图 3 13 1 最小系统最小系统 图 3 1 系统硬件接线图 晶振电路 单片机内部有一个高增益 反相放大器 其输入端为芯片引脚 XTAL1 其输出端为引脚 XTAL2 其中 XYAL1 接外部晶体的一个引脚 在单 片机内部 它是一个反向放大器的输入端 若采用外部振荡器 该引脚接收振 荡器的信号 即八次信号直接接到内部时钟发生器的输入端 XTAL2 节外部晶 体的另一端 在单片机内部接到反向放大器的输入端 当采用外接晶体振荡器 时 此引脚可以不接 复位电路 复位操作有两种基本形式 一种是上电复位 另一种是按键复 位 按键复位具有上电复位功能外 若要复位 只要按图中的 RESET 键 电源 VCC 经电阻 R1 R2 分压 在 RESET 端产生一个复位高电平 上电复位电路 要求接通电源后 通过外部电容充电来实现单片机自动复位操作 上电瞬间 RESET 引脚获得高电平 随着电容的充电 RERST 引脚的高电平将逐渐下降 RERST 引脚的高电平只要能保持足够的时间 2 个机器周期 单片机就可以 进行复位操作 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 5 页 共 18 页 3 3 2 2 路灯电路设计路灯电路设计 图 3 2 路灯控制电路接线图 此部分由单片机 LED 显示灯 电阻 470 组成 连接 LED 显示灯时 注意其极性及连接方式 连接方式包括共阳极连接和 共阴极连接两种方法 而在本电路中要采用共阳极连接的方法 连接单片机时 要注意将 LED 显示灯与 P2 口的连接方式 即按照顺序依次从 P2 0 P2 7 一一对 应连接 在进行路灯控制程序设计的时候 主要考虑传感器的获取信号 在设 计初期 采用高电平控制 LED 灯 结果 灯的亮度很低 发现 单片机高电平 带负载能力很弱 于是 采用低电平控制 LED 路灯 3 33 3 行人检测行人检测电路电路 图 3 3 行人检测电路硬件接线图 此部分由单片机 按键 电阻 2K 组成 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 6 页 共 18 页 在设计的时候 主要是用高电平来模拟声音传感器的检测信号 当有人通 过为低电平 无人通过为高电平 在开始时单片机就初始状态 P1 口即为高电平 模拟情况下接了 8 个单刀开关 在实际的电路中根本没有电源给传感器供电 为了提高电源给传感器 此处提供了上拉电源 3 43 4 光线控制电路光线控制电路 图 3 4 光线控制原理图 光敏电阻传感器对外界光线最敏感 用来检测外界周围环境光线的亮度 触发单片机 模块在光线不足时输出低电平 光线亮度超过设定值时输出高电 平 利用光敏电阻传感器输出信号干净 波形好 驱动能力强 本设计中利用 光敏电阻与一普通电阻串联 当白天有光照时 电阻很小 输出高电平 夜晚 无光照时 电阻增大 输出低电平 3 53 5 手动控制手动控制 图 3 5 手动控制部分 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 7 页 共 18 页 白天如果有突发黑暗的时候 或者有需要路灯全部亮的紧急情况 通过手 动部分可以处理紧急情况 按下 SWON 让所有灯全亮 按下 SWOFF 可以熄灭 所有路灯 将紧急开关接在 P3 2 P3 3 口 以实现紧急情况中断 只有当 SWON 与 SWOFF 都处于断开状态 即输入高电平时 系统恢复正常状态 3 63 6 智能路灯电路设计原理图及说明智能路灯电路设计原理图及说明 图 3 6 智能路灯电路 功能的实现 当程序启动后 单片机处于设置的原始状态 所以灯全关 所以打开手动 控制开关处于关灯状态 此时系统开始正常工作 如果有行人进入智能路灯面 前 声音传感器检测到信号 并以电压的形式把信号送给单片机 单片机根据 传感器送来的信号传感器的布置 点亮相应的传感器所处的位置 LED 路灯 当 行人通过这个路灯后 达到下一个路灯时 上一个路灯熄灭 所处位置处和所 处位置下一个灯亮 从而实现自动控制 达到节能的效果 当人通过最后一个 路灯后 最后一个灯熄灭 在紧急的情况下 所有的路灯都要打开 此时通过 手动开关打开路灯 紧急情况过后 关闭所有路灯 系统恢复正常 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 8 页 共 18 页 4 4 流程图流程图 4 14 1 主流程图主流程图 图 4 1 主流程图 功能的实现 当程序启动后 给单片机设置初值 使所有灯全关 然后检测手动开关是 否按下 若按下 则进入相应程序全部打开或全部熄灭所有路灯 若打开手动 控制开关 此时系统开始正常工作 再检测是否有行人进入智能路灯面前 声 音传感器检测到信号 并以电压的形式把信号送给单片机 单片机根据传感器 送来的信号传感器的布置 点亮相应的传感器所处的位置 LED 路灯 若没有行 人则返回上一步继续检测 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 9 页 共 18 页 4 24 2 紧急情况流程图紧急情况流程图 图 4 2 紧急情况流程图 功能的实现 白天如果有突发黑暗的时候 或者有需要路灯全部亮的紧急情况 通过手 动部分可以处理紧急情况 在紧急的情况下 所有的路灯都要打开 此时通过 手动开关打开路灯 紧急情况过后 关闭所有路灯 按下 SWON 让所有灯全亮 按下 SWOFF 可以熄灭所有路灯 当二者皆断开即接入高电平时 系统恢复正 常 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 10 页 共 18 页 5 5 软件仿真软件仿真 5 15 1 软件仿真截图软件仿真截图 图 5 1 行人出现 到达 D1 路灯下 图 5 2 行人到达 D2 路灯下 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 11 页 共 18 页 图 5 3 行人到达 D3 路灯下 图 5 4 紧急情况下手动全关 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 12 页 共 18 页 图 5 5 紧急情况下手动全开 5 25 2 软件仿真结果分析软件仿真结果分析 通过 PROREUS 仿真测试 本系统具有 随需随控 天黑时只有路上有行 人或者车辆通过时路灯才点亮 且可根据行人和车辆通过的声音智能地打开前 方一盏灯 同时熄灭经过路段的路灯 同时具有紧急模式 可手动全开所有路 灯和全部关闭所有路灯 基本符合本次设计要求 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 13 页 共 18 页 6 6 总结总结 本课程设计是基于传统的路灯系统上建立起来的 达到了节能 高效的方 式 但是此设计需要每个路灯上安装一个光传感器与声音传感器 所需器件多 不 经济 需进一步改善 通过此次的课程设计 我明白了纸上学来终觉浅 绝知 此事要躬行 通过对程序的不断探索 对 AT89C51 系列单片机已经了然于心 对每个管脚的功能有了进一步认识 从一开始对 PROTEUS 和 KEIL 这两个软件的 一无所知 到后来的熟练运用 最后终于完成了本次的课程设计 通过这次计算机控制技术课程设计 我不仅加深了对理论的理解 将理论 很好地应用到实际当中去 而且我还学会了如何去培养我们的创新精神 从而 不断地战胜自己 超越自己 创新可以是在原有的基础上进行改进 使之功能 不断完善 成为真己的东西 设计结果能够符合题意 成功完成了此次实习要求 我们不只在乎这一结 果 更加在乎的 是这个过程 这个过程中 我们花费了大量的时间和精力 更重要的是 我们在学会创新的基础上 同时还懂得合作精神的重要性 学会 了与他人合作 虽然课程设计到此结束了 但我前进的脚步不会因此而停止 我会继续学习 51 及其他系列单片机 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 14 页 共 18 页 附录附录 A A 程序清单 程序清单 include define uchar unsigned char define uint unsigned int sbit SWN P0 0 sbit SWOFF P3 2 sbit SWON P3 3 sbit p1 0 P1 0 sbit p1 1 P1 1 sbit p1 2 P1 2 sbit p1 3 P1 3 sbit p1 4 P1 4 sbit p1 5 P1 5 sbit p1 6 P1 6 sbit p1 7 P1 7 sbit p2 0 P2 0 sbit p2 1 P2 1 sbit p2 2 P2 2 sbit p2 3 P2 3 sbit p2 4 P2 4 sbit p2 5 P2 5 sbit p2 6 P2 6 sbit p2 7 P2 7 int main if SWOFF 0 手动全部关闭路灯 P2 0 xff 路灯全关 if SWON 0 手动全部打开路灯 P2 0 路灯全开 if SWOFF 1 if p1 0 1 p2 0 1 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 15 页 共 18 页 if p1 1 0 p2 1 0 if p1 1 1 p2 1 1 if p1 2 0 p2 2 0 if p1 2 1 p2 2 1 if p1 3 0 p2 3 0 if p1 3 1 p2 3 1 if p1 4 0 p2 4 0 if p1 4 1 p2 4 1 if p1 5 0 p2 5 0 if p1 5 1 p2 5 1 if p1 6 0 p2 6 0 if p1 6 1 p2 6 1 if p1 7 0 p2 7 0 if p1 7 1 p2 7 1 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 16 页 共 18 页 附录附录 B B 软件仿真图软件仿真图 中北大学计算机控制技术课程设计说明书 第 17 页 共 18 页 参考文献参考文献 1 孙涵芳 MCS 51 96 系列 单片机原理及应用 修订版 北京