住宅小区公用路灯用电量分配装置的设计

1、目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1单片机的概念11.2 单片机的发展21.3 本文研究的内容及意义31.4 设计指标41.5本课题的主要工作4第2章 路灯用电分配装置的硬件设计52.1 用电量的分配原理52.2 方案的选择与论证62.3 主控单片机芯片的选择和介绍82.3.1 AT89C2051的概述及功能特性82.3.2 时钟电路112.3.3 芯片擦除112.3.4 复位电路112.4 路灯按钮电路的设计122.5 环境照明电路的设计142.6 执行分配的继电器电路的设计162.7 系统供电电源电路设计162.7.1 主系统电源电路设计172.7.2 继电器工作电源设

2、计172.8 系统可靠性问题的设计182.8.1 看门狗电路设计182.8.2长期运行需要考虑的安全性问题21第3章 软件设计233.1 主程序流程图及分析233.2 中断子程序流程图及分析24第4章 抗干扰设计264.1干扰产生的原因264.1.1干扰源264.1.2干扰传输途径274.2抗干扰设计27第5章 调试30结 论31参考文献33致 谢34附录A 系统总电路图. 35附录B 程序清单36摘 要   随着住房制度改革的深入，越来越多的居民买了商品房，原来的单位住宅楼的公用路灯费用是由单位出资的，而商品住宅楼内的居民来自不同的单位，要不要安装路灯？安装路灯后费用如何解决？“住

3、宅公用路灯用电量分配装置”是为了解决商品住宅楼内公用路灯的收缴费用问题。此装置的设计包括系统硬件框图结构，部分主要功能模块（单片机芯片AT89C2051，复位及看门狗电路 MAX813L，继电器接口电路等组成）和单元电路，软件编程思想及设计中应考虑和解决的几个主要问题。系统以AT89C2051单片机为核心，利用其指令来实现对住宅公用路灯用电量的自动分配，同时在路灯启动按钮电路中添加了照明度检测系统，它能够根据周围环境的亮度来控制是否使用路灯。 住宅公用路灯用电量分配装置具有低功耗；可靠性；安全性；低成本等特点。该设计解决了楼道路灯电费收缴的难题，有较好的实用价值。关键词：单片机；看门

4、狗；继电器电路AbstractWith the developing of the house system , more and more people have bought the commodity apartment, the cost of street lamp was pay by the unit in the past, but the people in the commodity are coming from different places. Do they need the street lamp and how to pay the cost for every

5、one ? " the power consumption of public street lamp of the house distributes the device " can solve all of them . The design includes the systematic hardware block diagram structure, some main function module (the AT89C2051 microcomputer and watchdog timer MAX813L, relay interface circuit,

6、etc.) and unit circuit, the software programming thought and the problems in the designning. The system takes AT89C2051 monolithic integrated circuit as a key, using its instruction to get the public street light electricity consumption of the houses automatic assignment. And with the illuminance ex

7、amination system in the street light start button electric circuit,it can act according to the environment brightness to control whether to use the street light. Assign the device to have low consumption in power consumption of public street lamp of the house; dependability; securities; safe, and lo

8、w cost. Thus the problem of collecting stairway lam electricity cost will be settled well. KeyWords:   microcomputer；watchdog timer ；relay interface circuit第1章 绪 论1.1单片机的概念单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲就是把中央处理器CPU（Central Processing Unit）、存储器（Memory）、定时器、I/0（Input

9、/Output）接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。虽然单片机只是一个芯片，但从组合和功能上看，它已具有微型计算机系统的含义。中文“单片机”的称呼由英文名称“Single Chip Microcomputer”直接翻译而来。单片机把微型计算机的各主要部分集成在一块芯片上，大大缩短了系统内信号传送距离，从而提高了系统的可靠性及运行速度。因而在工业测控领域中，单片机系统是最理想的控制系统。所以，单片机是典型的嵌人式系统，是嵌入式系统低端应用的最佳

10、选择2。由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要有如下特点： （1）有优异的性能价格比。 （2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。 （3）控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。 （4）低功耗、低电压，便于生产便

11、携式产品。 （5）外部总线增加了I C（Inter-Integrated Circuit）及SPI（Serial Peripheral Interface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。 （6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。 由此来看，单片机有着一般微处理器（CPU）芯片所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。然而单片机又不同于单板机（一种将微处理器芯片、存储器芯片、输入输出接口芯片安装在同一块印制电路板上的微型计算机），单片机芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果对它进

12、行应用开发，它便是一个小型的微型计算机控制系统，但它与单板机或个人电脑(PC机)有着本质的区别2。不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件(包含可支持开发应用程序的软件资源)及

13、硬件资源。要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。1.2 单片机的发展1946年第一台电子计算机诞生至今，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管晶体管集成电路大规模集成电路，使得计算机体积更小，功能更强。特别是近20年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和航空航天领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志。20世纪70午代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些

14、简单的I/O口集成到芯片上，而美国的Fairchild(仙童)公司首先推出了第一款单片微型计算机F8，类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。随后Intel公司于1976年推出了影响面大、应用更广的MCS48单片机系列，它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。MCS48单片机系列的推出标志着在工业控制领域，进入到智能化嵌入式应用的芯片形态计算机的探索阶段。参与这一探索阶段的还有Motorola、Zilog和Ti等大公司，它们都取得了满意的探索效果，确立了在SCMC的嵌入式应用中的地位。这就是Single Chip Micro

15、computer的诞生年代，单片机一词即由此而来。这一时期的特点是：嵌入式计算机系统的芯片集成设计；少资源、无软件，只保证基本控制功能。到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，在MCS-48探索成功的基础上很快推出了完善的、典型的单片机系列MCS-5l。MCS-51系列单片机的推出，标志Single Chip Microcomputer体系结构的完善。虽然它仍是8位的单片机，但是其功能却有很大的增强。不但拥有完善的总线结构（8位数据总线、16位地址总线及相应的控制总线，通信总线，扩展总线）还有完善的指令系统1。8位单片机之后，16位单片机也有很大的发展，如1983年Intel公司推出的MC

16、S96单片机，将一些用于测控系统的模数转换器(ADC)、程序运行监视器(WDT)、脉宽调制器(PWM)、高速I/O口纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。MCS-51单片机系列向各大电气商的广泛扩散，许多电气商竞相使用80C51为核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、可靠性技术应用到单片机中,随着单片机内外围功能电路的增强，强化了智能控制器特征。微控制器(Microcontrollers)成为单片机较为准确表达的名词。90年代的至今, 单片机呈现全面发展的阶段。单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具，小到玩具、家电行业，大到车载、舰船电子系统，遍及计量测试、工业过程控制、机

17、械电子、金融电子、商用电子、办公自动化、工业机器人、军事和航空航天等众多领域。为满足不同的要求，出现了高速、大寻址范围、强运算能力和多机通信能力的16位、32位、64位通用型单片机，小型廉价型、外围系统集成的专用型单片机，以及形形色色各具特色的现代单片机6。1.3 本文研究的内容及意义本文主要研究的是住宅小区中公用路灯用电量的分配装置。随着人民生活水平的提高和住房制度改革的深入，越来越多的居民买了商品房，住进了商品住宅楼。住宅小区的建设水平也在日益提高，不仅规划设计合理、功能齐全、配套完善，而且环境优美，深受城市居民的喜爱，其中住宅小区的路灯对小区作用尤其是夜间照明的作用越来越受到人们的重视。

18、随之而来的问题是，原来单位住宅楼是由单位安装路灯并由单位负责缴费的，楼内居住的单位职工不用担心没路灯和收缴费用的问题；而商品楼内的住户来自不同的单位，要不要安装路灯？装了路灯后费用如何收取？这就出现了所谓的路灯问题。为什么呢？因为首先安装路灯不便利，其次安装路灯后费用收缴不方便。很多城市已经普及了1户1表，小区的路灯用电从哪里来？对于以上的问题，目前往往采用2个办法解决：其一是为每个楼道路灯接一电表，但次方法需要根据电表度数人工分摊，有人上门挨户定期收费，十分不方便；另外一是把楼道路灯接入楼到内某住户电表，大概估算后由各住户协商出资，但此方法容易引起纠纷。鉴于以上情况,楼道路灯问题正日益成为住

19、房商品化后的一大难题。住宅公用路灯用电量分配装置正是为了彻底解决楼道路灯的费用分担问题而设计的。采用该装置后，楼道路灯的电费能自动分摊到住户各自的电表内，解决了住户的后顾之忧，给生活带来了便利3。1.4 设计指标设计住宅小区公用路灯用电量分配装置的技术指标如下:1系统采用单片机作为控制器；2装置能够解决电费自动分摊到住户各自电表中；3. 根据环境照度控制是否需要路灯； 4. 要求系统在死机状态下能自动复位,恢复正常工作。1.5本课题的主要工作 详细分析课题任务，对单片机在用电量分配原理应用这方面进行深入的研究，结合所学的知识根据课题任务设计出实现公用路灯的硬件原理图和软件，达到设计的要求。全文

20、将分为四章。 第一章绪论，先简要介绍单片机的概况及住宅公用路灯分配装置的现状，再介绍本文的主要工作。 第二章硬件设计部分，主要介绍了系统硬件设计的基本结构和各部分器件的说明。 第三章软件设计，分为2个部分，一部分是分析流程，一部分是软件编程。 第四章是抗干扰设计，介绍了采用硬件和软件结合的方式尽可能降低干扰。 最后是结论、参考文献、致谢及目录。第2章 路灯用电分配装置的硬件设计2.1 用电量的分配原理住宅公用路灯用电量分配装置主要解决电费的自动分摊问题，而电费的分摊是如何解决实现的呢？下面讨论电费的分摊（分配）原理。众所周知，电费是按照用电度数×每度单位电费计算的。因此，在某种意义上

21、说，电费即用电量（度数），而用电量即电能=功率×小时（即时间），所以在电器功率一定的前提下，电费的分配就是时间的分配问题，也就是说，每户承担一定时间的路灯供电任务。住宅公用路灯用电量分配装置的电费分配就是用电量的分配，其原理图如图2.1所示。只要分时依次控制开关S1、S2 Sn接通，即可实现所有的路灯用电量的分摊。这里关键是各开关的控制问题，要求每次上个开关断开后，下个开关接通，并在任何时刻只允许有一个开关处于接通状态。假设电费用F表示，电价用J表示，用电度用W表示，路灯功率用P表示（KW），点灯总时间用t表示（h），则各物理量之间的关系为：F=W×J，W=P×t

22、如果有n住户分摊电费，则每户所承担的电费F1=F/n=W×J/n=P×t×J/n=P×（t/n）×J3 图2.1 用电量分配原理图电表 2电表 n电表 1路灯1路灯nS1Sn各开关依次分时闭合相线零线表1用户侧用电量分配装置零线 2.2 方案的选择与论证方案一:采用PLC为主要控制器的设计方案,原理图如下图2.2所示。以PLC控制器为主,辅以光电传感器,放大器,A/D转换器组成,整个电路工作原理是:由光电传感器检测光线亮度从而决定是否使用路灯,亮度模拟信号经放大器放大和A/D转换成数字信号传给PLC,最后由PLC将用电量平均分配到用户电表15。

23、图2.2 方案一的原理框图 光线光电传感器A/D转换器 PLC电表路灯放大器方案二：采用单片机为主的设计方案。该方案主要由四部分构成：一是光线亮度检测部分，它由双电源比较器LM393实现。当周围环境光线昏暗的时候，光敏电阻能使双电源比较器翻转，引脚输出低电平从而使单片机开始工作；二是单片机AT89C2051系统，这是整个系统的核心部分，用户轮流承担路灯点亮的任务由单片机的指令来实现完成。三是继电器接口电路，电量通过此电路平均分摊到各用户电表中。四是看门狗电路，它作用是使单片机进入复位状态，使之从故障中解脱出来8。系统原理框图如下图2.3 光线光敏电阻 单片机双电源比较器继电器看门狗电表路灯图2

24、.3 方案二的原理框图按照用电量分配原理和分配装置的用途，在设计系统方案时至少要考虑以下一些因素。成本因素。普通电表或者各种电子计量电表的价格相对较低，每个楼道必须安装一个此分配装置，因此，必须要考虑住户的心里接受倾向，生产成本不能太高，最好与普通电表接近。这样才能为住户所认可，才有市场推广价值。功能因素。显然，本分配装置的主要功能是楼道路灯用电量的自动分摊，但同时也必须考虑其它一些附加功能。例如，为了节约用电，必须有根据环境照明度控制路灯使用的功能。性能因素：可靠性。必须能可靠实现电量的分配，同时必须确保不会因为外界干扰引起误动作等；安全性。主要是指装置本身的安全运行和路灯使用者的安全方面，

25、即装置本身不会出现过热烧毁等问题及使用者不会触电等；实用性。装置的选取需是常见的元件器材，在发生故障时维修起来也比较方便；低功耗。因为该装置在公用电网中，作为一个电子装置本身一定要耗能；但功耗过高，则电力部门每年承担的电力损失就会非常大，也会影响产品应用11。从成本方面来比较，方案一的投资较大，相比下方案二采用单片机控制的系统投资成本小。住宅小区的用户来自不同单位的人，如果公用设备投资过高，会给用户带来经济方面的压力，公用设备应尽量采用信价比高的元件，所以在考虑成本这方面，方案二的可行度高。从实现功能来说，两个方案都能达到基本的功能，但是采用PLC控制器的系统实现的功能多，然而本设计主要是达到

26、基本的功能就行，其它功能可以省略，没必要多花钱去增加额外的功能。从节省能源这方面来看，方案一的PLC要一直处与工作状态，消耗大量的电能来时刻监视系统的运行，而方案二采用的单片机系统自带了待机功能，在使用的时候才处于正常工作状态，此外大多数时间是待机状态，消耗的电能极少，可以说是低功耗系统。从操作性来说，PLC控制需要有人在旁边操作和输入程序，而单片机几乎实现全自动化，无须有关人员操作。采用单片机的系统维护起来也比PLC控制系统方便和便宜。基于上述原因，最终确定采用方案二。2.3 主控单片机芯片的选择和介绍单片机的选型从以下几个方面考虑：1.单片机的系统适应性。适应性指单片机能否完成应用系统的控

27、制功能，它主要从以下几个方面体现：（1）单片机的CPU是否有合适的处理能力。（2）单片机是否有系统所需要的I/O端口数。（3）单片机是否含有系统所需的中断源和定时器。（4）单片机片内是否有系统所需的外接口。（5）单片机的极限性能是否能够满足要求。2. 单片机的市场供应情况。3. 单片机的可开发性9。结合上述选型依据，虽然其通用的80C51系列的单片机具有电源电压适应范围宽、抗干扰能力和驱动能力强、价格便宜等特点。然而对这个系统来说，根据其系统所要应用的需要：主要是其应用的引脚、应用所需要的容量以及在制作过程中所要考虑的体积、价格及供应等因素。同时AT89C2051单片机和80C51单片机是完全

28、兼容的，它与80C51的显著区别在于它内部有一个闪存。另外考虑到在调试过程中实验器材的现实情况，该系统选选用AT89C2051单片机为主控芯片。2.3.1 AT89C2051的概述及功能特性AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能COMS 8位单片机，片内含2K bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 byte 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，功能强大的AT89C2051适用在许多高性价比的场合，可灵活应用于各种控制领域6。主

29、要性能参数：RST/VPPP1.6P1.7VCC(RXD)P3.0P3.3P3.2XTAL1XTAL2(TDX)P3.1P1.0(AINO)P1.4P3.7P1.1(AIN1)P1.2P1.3P1.5(TO)P3.4(T1)P3.5 GND1234567810920191817161514131211图2.4 AT89C2051引脚图与MCS51产品指令系统完全兼容4k字节可重擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期全静态操作：0Hz24MHz三级加密程序存储器128×8字节内部RAM32个可编程I/O口线2个16位定时/计数器6个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式功

30、能特性概述：AT89C2051提供以下标准功能：2K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15个I/O口线，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C2051可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAW中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位18。引脚功能说明：图2.4是AT89C2051的引脚结构图,有双列直插封装(DIP)方式和方行封装方式。下面介绍这些引

31、脚。Vcc：电源电压GND：接地端XTAL1：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。XTAL2：接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。RST：复位输入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。 Ready/ ：字节编程的进度可通过“RDY/BSY”输出信号监测，编程期间，P3.1引脚在P3.2变高“H”后被拉低来指示“BSY”。P3.1在编程结束后被再次拉高“H”来指示“

32、RDY”。P1端口（P1.0P1.7）：P1是一组8位双向I/O端口，P1.2P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1内部无上拉电阻，主要是考虑它们分别是内部精密比较器的同相输入端（AINO）和反相输入端（AINI），P1的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可作为输入口。P1作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（）。在对Flash编程和程序校验时，P1接收低8位地址。P.1和P1.0在不使用外部上拉电阻的情况下应设置为“0”，或者在使用上拉电阻时应设为“1”。P3端口（P3.0

33、3.7）：P3（P3.6除外）是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可作为输入口。P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（）。P3口还用于实现AT89C2051特殊的功能，如下表2.1所示：表2.1 P3口特殊功能表 引 脚 功 能 特 性 P 3.0 RXD (串行输入口) P3.1 TXD (串行输出口) P3.2 (外中断0) P3.3 (外中断1) P3.4 T0 (定时/计数器0外部输入) P3.5 T1 (定时/计数器1外部

34、输入)2.3.2 时钟电路振荡电路和单片机内部的时钟电路共同构成了单片机的时钟方式。AT89C2051内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，单片机引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入和输出端。放大器与作为反馈组件的片外晶体或陶瓷谐振器一切构成一个自激振荡器。单片机的时钟产生方法有两种，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。设计中选用的是内部时钟方式。最常用的内部时钟方式是采用外接晶体和电容组成的并联谐振电路。单片机片内振荡器的时钟电路如图2.5所示。图2.5中选择12MHz的振荡晶体，两只电容器取值27PF。则单片机的4个周期的具体数值分别是：振荡周期=1/12s；时钟周期=

35、1/6s；机器周期=1s；指令周期=14s。片内时钟电路在设计时应注意晶体和电容器应尽可能地靠近单片机芯片，以减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠的工作。2.3.3 芯片擦除整个EPROM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，AT89C2051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

36、用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2.3.4 复位电路单片机应用系统工作时，会经常要求进入复位工作状态，所以复位电路要求能准确可靠地工作，而且单片机的复位状态与应用系统的复位状态是密切相关的。单片机的复位都是靠外部电路实现的。在时钟电路工作后，只要在单片机的RST脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便可实现初始化状态复位。为了保证系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST引脚保持10ms以上的高电平。只要RST保持高电平，单片机就循环复位；当RST从高电平变为低电平以后，单片机就从0000H地址开始执行程序。在单片机复位的有效期间，ALE、PSEN引脚输出高电平。单片机的通

37、常采用上电自动复位和按键复位两种方式。设计中选用上电自动复位方式，由“看门狗”电路实现。图2.5 主控芯片设计图2.4 路灯按钮电路的设计对于整个住宅楼来说，应该每个楼层都必须装有路灯启动装置。目前住宅小区最流行的启动路灯方式为：声控启动，触摸启动，按钮启动。三者以声控启动最方便，只要人在楼道里面，只要弄出一定程度的声音，例如用力踏楼梯，或者拍下手掌都能被声控系统识别从而自启动路灯照明，但是此系统投资成本较大，而且维护起来也需要一定费用。触摸启动系统和按钮启动方式工作原理差不多，唯一不同的是触摸系统采用的是手指一触碰感应开关就能启动，不像按钮启动需要人把按钮按下才启动，触摸启动系统成本投资比按

38、钮启动大。采用按钮方式启动路灯虽然比起声控系统或者触摸系统落后，但是却能在最大程度的节约能源和节省成本，而在后期维护方面，声控系统和触摸系统需要的费用也远比按钮启动高。所以本设计中路灯启动方式选用按钮。下图2.7中的S1Sn为分布于各楼层住户门口的路灯按钮。当任何一个按下时，均会通过发光耦合器TLP521-2，使得单片机P3.2引脚产生一个负跳变，从而触发外中断INT0，唤醒单片机，控制继电器电路动作，点亮路灯。当然，路灯能否点亮首先取决于P30的状态（即环境照度）。光耦合器TLP521-2是一个光电耦合器件，它是把发光把发光器件(如发光二极管)和光敏器件(如光敏三极管)组装在一起，通过光线实

39、现耦合构成电一光和光一电的转换器件。TLP521-2芯片的内部结构图如下图2.6所示。当电信号送入光电耦合器的输入端时,发光二极管通过电流而发光,光敏器件受到光照后产生电流导通,当输入无信号时,发光二极管不两,光敏电阻截止。使用光电耦合器时，输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，如果两端共用一个电源，则光电耦合器件的隔离将失去意义。图2.6 TLP521-2 内部结构图 光电耦合器主要是用来隔离输入输出的，主要是隔离输入信号。因为在各种应用电路中，往往有一些信号需要传输到控制器，但如果将这些信号接到单片机上，会有以下问题：信号不匹配，输入信号可能是交流信号、高压信号、按键等干接点信号；比较

40、长的接连线路容易引进干扰、雷电、感应电磁等。不经常过隔离不可靠，所以信号需要光耦进行隔离接入单片机。选用TLP521-2的原因是因为这芯片便宜而且功能达到我们设计的要求。图2.7 路灯按钮电路设计图 2.5 环境照明电路的设计如果用户在任何情况按下按钮都会启动路灯的话，这样会造成不必要的电能消耗，同时也加重了用户的经济负担，所以最好设置个环境亮度感应电路。此环境感应电路必须能让用户在打开路灯按钮并且周围环境昏暗的时候才启动路灯照明。同时也避免了一些淘气顽皮的孩子随便启动路灯照明造成不必要的电能浪费。环境照明度检测电路采用双电源比较器LM393实现。图2.8中 的R*为光敏电阻，当环境照明度变低

41、，使得该电阻的阻值>100K时，比较器LM393翻转，1脚输出为低电平送入单片机引脚P3.0。单片机根据此引脚电平状态决定是否可以使用路灯11。图2.8 环境照明电路设计LM393是有两个独立的、高精度电压比较器组成的集成电路，失调电压低，最大为2.0mV。它专为获得宽电压范围、单电源供电而设计，也可以以双电源供电；而无论电源电压大小，电源消耗的电流都很低。它还有一个特征：即使是单电源供电，比较器的共模输入电压范围接近地电平。主要应用于限幅器、简单的模/数转换器、脉冲发生器、方波发生器、延时发生器、宽电频压控振荡器、MOS时钟计时器、多频振荡器和高电平数字逻辑门电路。393被设计成能连接

42、TTL和COMS；当用双电源供电时，它能兼容MOS逻辑电路,这是低功耗的393相较于标准比较器的独特优势。 LM393的引脚图2.9及引脚功能表2.2如下所示 电源电压范围宽：IN B-INB+OUTBOUTAINA-INA+GNDVcc图2.9 LM393引脚图 单电源：2.0V to 36V 双电源±1.0V to 18V 电源电流消耗很低(0.4mA)： 输入偏置电流低：25nA 输入失调电流低：±5nA 输入失调电压：±3mA 输入共模电压范围接近地电平： 差模输入电压范围等于电源电压： 输出饱和电压低：250mV to 4mA 输出电平兼容TTL，DTL

43、，ECL，MOS和COMS逻辑系统。表2.2 LM393引脚功能表 引出端序号 符号 功能 1 OUT A 输出 A 2 IN A- 反向输入A 3 INA+ 同向输入A 4 GND 接地端 5 INB- 同向输入B 6 INB+ 反向输入B 7 OUT B 输出 B 8 Vcc 电源电压2.6 执行分配的继电器电路的设计本装置设计的楼道住户为12户，符合国内大多数住宅楼每个楼道12户（6×2）的要求；因此，分别由12路继电器担当个住户分时供电的切换功能。继电器线圈分别由US1US12驱动，继电器动合触电的一端接每个住户的用户侧相线L1L12，另一侧并接作为路灯的相线LINE16。设

44、计电路如图2.10所示。图2.10 执行分配的继电器电路设计图继电器电路动作设计的关键是继电器触电合、断的延时时间，必须考虑继电器的动作有一定时滞；否则，会出现上个继电器尚未彻底断开，下一个继电器已经动合的现象，使得系统分配精度出现较大的误差，甚至不能正常分配。继电器中的线圈为感性负载，在电路分断时，电感存储的能量会使电路分断困难，所产生的电火花的剧烈变化向空间辐射电磁波，从而可能改变单片机的I/O口电平，造成单片机输出的不正常变化。为此，本设计在继电器的常开触头并联了阻容吸收电路，以减少触头间电火花能量，减少误动作的概率。2.7 系统供电电源电路设计 总系统供电电源电路的设计分为主系统电源设

45、计与继电器工作电源设计两部分。2.7.1 主系统电源电路设计主系统采用+5V电源。为了降低成本，采用“变压器降压整流滤波稳压”的线形电源。这里选用了78M05三端稳压器。78M05集成稳压器是将功率调整管、取样电阻以及基准稳压、误差放大、启动和保护电路等全部集成在一个芯片上而形成的一种稳压集成电路。由于78M系列三端集成稳压器内部有过热、过流保护电路，外围元件少，性能优良，体积小、价格低，所以在很多电路中广泛应用。它的工作原理与一般的分立件组成的串联调整式稳压电源相似，区别在于增加了启动电路、恒压源以及保护电路。为了使稳压器能在比较大的电压范围内正常工作，在基准电压形成和误差放大部分设置了恒流

46、源电路，启动电路的作用就是为恒流源建立工作点。实际电路是由一个电阻网络构成，在输出不同电压稳压器中，采用不同的串并联接法，形成不同的分压比，通过误差放大之后去控制调整管的工作状态，以形成和稳定一系列的输出电压。虽然三端稳压器有很多优点，但因目前功率集成技术水平的限制，它的最大电流只能达到1.5A。然而本次设计需要的是电压，可以不考虑电流部分。使用三端集成稳压器时一定要注意：输入电压与输出电压差不能过大，一般选择在610V为宜，压差过小，输出电压纹波大，起不到稳压作用，压差过大，稳压器本身消耗的功率就随之增大，容易损害稳压器13。变压器尽管与继电器工作电源需要的变压器为同一变压器，但绕组副边独立

47、，减小相互影响。2.7.2 继电器工作电源设计 继电器工作电压为+12V，这里采用和主电源设计类似的“继电器变压器降压整流”的方式，再通过78M12三端稳压器稳定输出电压。上述电源中所用的电源变压器功率为10W。必须选用空载功耗小的变压器；否则，功耗大大增加，而且变压器自身发热严重，根本无法适合长期运行。主要设计如图2.11所示。图2.11 总电源电路设计图2.8 系统可靠性问题的设计该系统用在长期连续工作且无人监控的状态下,因此必须十分重视系统的可靠性问题。在本设计中，主要考虑了系统死机后的自恢复问题和系统能不能保持长年累月的运行。为了解决这些问题，设计中是通过系统的监视定时器（即看门狗电路

48、“WDT”）以及元器件的合理选用等方面来实现的。2.8.1 看门狗电路设计看门狗电路主要选用了MAX813L。这种电源监视器件的功耗很低，主要功能有3个：复位；电源电压监视；看门狗定时器17。设计原理如图2.12所示图2.12 看门狗电路设计图MAX813L实质上是一个可使微处理器复位或者产生中断请求的定时器，使其输出端与单片机的复位端（RESET）相连。这样就形成了硬件的看门狗技术。看门狗的设计使用目的是作为微处理器的一个监控者。微处理器在运行中会受到各种各样的干扰，如电源及空间电磁干扰，当它们超过抗干扰极限的时候，就有可能引起微处理器死机。尤其在单片机的应用环境中，更容易受到复杂干扰源的干

49、扰影响。有了看门狗这个监控，就能够在单片机死机后，重新使它复位恢复运行。 手操作允许通过手动按钮开关产生一个负脉冲去触发复位信号发生器产生复位信号RESET。对TTL/COMS兼容，因此，它可以由外部的逻辑电路去驱动。在MAX813L中，可以利用接到看门狗定时器的输出脉冲端来产生复位脉冲，因此将与简单的接在一起就行。当单片机经过1.6秒仍然没有二次触发开门狗电路输入端WDI，那么WDO就会输出一个负脉冲，这个负脉冲作用于，通过复位信号强制产生RESET信号。为了实现上述看门狗信号要求,在关键的延时子程序模块的适当地方加入了“喂狗”指令,以免干扰程序正常运行。实现指令为：CLR P3.3NOPN

50、OPSETB P3.3MAX813L引脚图如图2.13所示：GNDMAX813L12534678WDLRSTPFIVcc图 2.13 MAX813L 引脚图手动复位输入端（）：当该端输入低电平保持140ms以上时，MAX813L就输出复位信号。该输入端的最小输入脉宽要求可以有效地消除开关的抖动。 和TTL/COMS兼容。工作电源（VCC）：接+5V电源。电源接地端（GND）：接地。电源故障输入端（PFI）：当该端输入低于1.25V时，5号引脚输出端的信号由高电平变为低电平。电源故障输出端（PFO）：电源正常时，保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。看门狗信号输入端（WDL）

51、：程序正常运行时，必须在小于1.6s的时间间隔内向该输入端发送一个脉冲信号,以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过1.6s该输入端收不到脉冲信号,则内部定时器溢出。复位信号输出端（RST）：上电时，自动产生200ms的复位脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出。看门狗信号输出端（）：正常工作时输出保持高电平，看门狗输出时，该端输出信号由高电平变为低电平。2.8.2长期运行需要考虑的安全性问题由于该装置长期运行状况，因此必须考虑装置本身的安全性问题和装置安全性引发的其它诸如人身安全性、住宅楼安全性等问题。这里的关键是要保证装置本身的安全性。以下从几个方面进行简要阐述。装置的功耗和散热

52、问题是连在一起的，只有降低功耗，才能减少装置的发热，也才能从根本上解决散热问题。关于功耗问题，前面已经作了专门讨论，这里只说明一点：三端稳压器和变压器均紧贴在装置的金属外壳上，以金属外壳作为一个大散热体。由于此装置一般安装在配电箱内，而配电箱一般又是金属外壳，这样又可促进散热，从外界解决了散热问题。由于装置本身的元件失效导致系统过流，引发电力火灾等，这个问题比较容易解决。只要在装置的电源进线上串接快速熔断器，就足以保证避免此类现象的发生。有些时候市电的波动会比较大，可能因为电压过高而造成器件的损坏，如果在器件外面添加过电压保护电路，就能使器件得到保护。本装置采用了过电压保护电路来实现对器件的保

53、护，具体设计图如下2.14所示。在正常的情况下，通过互感器L1和L2的电流大小相等，方向相反，合成磁场为0。所以L3上无感生电流，晶闸管上没有触发电流而截止；如果过压或者发生漏电，L1与L2之间的电流就不平衡，于是合磁场就不为0，L3就产生感生电流。产生的感生电流经过电阻Rw流入晶闸管而使其导通，接触器线圈得电使其常闭触点断开，达到过压保护。即保护了器件的目的，也可以保障人身的安全。图2.14 过电压保护电路的设计第3章 软件设计 本文的软件设计包括主程序的设计以及INT0中断子程序设计2部分。3.1 主程序流程图及分析在本系统中，软件的功能主要是实现继电器电路的切换。为了降低功耗，继电器组的

54、切换是由单片机外中断INT0来实现，切换的前提是环境光的照明度。图3.1是系统分配装置的主程序流程图。跳转到主程序入口软复位系统初始化定义外中断0为边沿高优先中断开放中断关闭所有继电器延时以等待唤醒稳定设置成IDLE运行方式通过设定PCON的最低位为1实现 开始图3.1 主程序框图系统的初始化包含了以下的内容：设置堆栈指针，设置中断优先级控制器，开放中断，延时，关闭继电器和设置PCON。编写实现初始化内容的程序如下：MOV IE， #00H ；禁止所有中断，以设置SPMOV SP， #60HMOV P1， #0FFH ；关闭User5-User12继电器SETB P3.1 ；关闭User1继电

55、器SETB P3.4 ；关闭User2继电器SETB P3.5 ；关闭User3继电器SETB P3.7 ；关闭User4继电器LCALL DL15MS ；延时，以保证关闭MOV IP， #01H ；定义 为高优先级MOV TCON， #01H ；为下跳沿触发SETB EX0 ；允许 中断SETB EA ；开放中断MOV PCON， #01H ；进入IDLE（空闲）方式，以降低功耗3.2 中断子程序流程图及分析 当系统检测到外部有路灯启动按键按下时，进入外部中断0并且关闭所有中断。经过延时15ms去抖后判断P3.2是否为低电平,如果为低则进入下一步；如果为高则退出中断子程序。当P3.2为低电平时再判