【《基于AT89S51单片机的智能街灯控制系统设计与实现》8800字（论文）】

基于AT89S51单片机的智能街灯控制系统设计与实现摘要随着我国城市化进程的加速,电子产品的广泛生产和应用也加快了人们对于电力资源的浪费,使得我国的电力资源越来越短缺。现在人们已经习惯了这种方便快捷的生活，所以不能通过减少电子产品的生产和使用来减弱电力资源的消耗速度。另一个方法就是通过减少家用和电子器件的能源损失,来节约电力资源。街灯是城市照明和夜景美化的一部分，但国内很多大中型城市的街灯都是简单的开关，自身并不具备控制开关的能力。给平时的使用带来了很多不必要的损耗。我们是否能够设计出一种智能控制系统在不影响街灯照明功能的同时节约能源。本论文主要说明智能街灯控制系统的硬件结构图和软件编程图，论述智能街灯的控制使用方法，叙述如何切换操作、系统的代码表视的意义，在文章的最后进行软件的测试说明了测试的结果。关键词：自动控制；AT89S51单片机；分时段调压；光敏控制调压目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 I1绪论 11.1课题设计背景 21.2智能系统设计的意义 21.3论文的主体简介 32系统硬件设计 42.1按键模块 52.2液晶显示器模块设计 52.3计时模块的选用与设计 62.4光照强度检测 82.4.1ADC0832综述 82.4.2光敏电阻的介绍 92.4.3光照强度检测的硬件电路设计 102.5街灯控制模块 113软件程序设计 133.1程序模块分类及功能 134程序测试 164.1测试目的 164.2测试内容与结果 165结论 18参考文献 201绪论从工业革命至今，社会经过多年的发展，与从前比人们的生活质量已经有了质的飞越，以前人们出远门需要很长时间，但是现在交通发达，只需要很短的时间就能到达。随着城市化的不断发展，大部分人都进入了城市生活，人数的不断增加自然而然城市也就随之变大了，形成了巨大的交通系统，自然出现了许多可以走的路。为了确保人们的安全，也就产生了街灯。灯光的出现给城市给带来巨大的变化，自此夜间出来游玩变得特别方便和安全，同时也装饰着我们的城市点缀了夜景。从哪时起，人们就脱离黑暗的枷锁，城市有大量的街灯系统，给人们的生活带来了诸多好处。但与此同时，也会出现弊病。很多街灯装饰着城市，却发生了电力资源大量消耗等问题。众所周知，几乎所有的电力都是由发电站提供的，大部分电力资源是从几千英里甚至几万英里外输送的。传输过程中的损耗非常大。现在城市化进程很快，运距输电已经有点不足。即使城市街灯占城市用电量的很大一部分，我们也不能因为这样的一个缺点就关闭城市的照明系统。我们只能想方设法的减少街灯不必要时的使用，减少能源消耗。，从而节约用电。必要时让街灯降低能耗，必要时自动开启。随着我国现代工业技术的飞速发展，也带来了生产力的飞跃。越来越多的东西被大范围的工厂化生产，成本也降低了。随着智能电子产品的进一步发展，与以前相比，它们具有更多的功能。从上世纪80年代起，单片机技术发展进入了一个全新的领域，随着时代的进步和信息科技的发展，目前该技术的实践日益成熟，单片机广泛应用于各领域。现在，人们越来越重视单片机的智能电子技术的研究和开发。单片机步入了一个全新的时代。不管是自动检测还是智能化仪表的实际操作,都可以清晰地看到单片机技术的踪迹。因此，这次的设计采用了控制的核心。AT89S51单片机，是目前运用比较广泛的比较简单的单片机，十分符合本设计的要求，又因为其价格低廉可以大幅降低街灯控制系统的生产成本非常合适。本设计采用AT89S51单片机作为核心控制器，用作处理各种数据，协调和指挥整个智能街灯控制系统的操作。在大楼自动化设计、工业制造、工业设计、航空航天等自动化控制方向上有普遍应用。这些领域的推广应用也证明出AT89S51单片机的自动控制中的重要作用。AT89S51宏处理器的构造相对简单。即使是对于初次接触到它的人员来说来说,也只要稍微花点时间详细阅读一下AT89S51单片机的操作手册就可以开始操作，不会出现无奈的局面，在本次都市街灯设计使用中也很明显的表现出来。当街灯需要常亮时，街灯将一直亮着。当夜深人静时对街灯的亮度要求不是很高时，控制系统会调节街灯的功率，降低功率输出，降低能耗。必要时，控制系统会自动提高功率输出，使街灯保持正常的照明效果。这种设计的优点是街灯在需要亮的时候总是亮的，不同的是街灯的自动控制系统控制输出功率，通过改变输出功率来控制耗电量，从而减少不必要的浪费，节省大量的电能。1.1课题设计背景近十年来，我国仍处在工业化、城市化的阶段，已面临着资源枯竭。为了交通安全和城市美观的缘由，我国大部分城市、乡镇已开始铺设大量景观设施，使其夜晚变的更加丰富多彩，使人们的日常生活更加多姿多彩。因此，地方政府在城市设计这方面投入了大量资金，但也带来了很多弊端，其中最重要的就是能源的消耗和浪费，因为照明系统过于庞大和繁杂，导致了许多的问题。这些问题也会造成地方街灯管理部门各方面的工作负担。当前，随着城市化程度的提高，人们的生活变得丰富多彩。与此同时，许多问题，特别是环境问题，给人们的健康生活带来了严重的影响。因此，越来越多的人们开始关注环保，开始提倡低碳环保的生活方式。传统控制系统的存在功率高，浪费大量电源，效率低等缺点。而随着城市化的发展街灯数量也在逐年增多，照明系统在使用中也逐渐暴露出缺陷，消耗了大量的电力资源。这个问题是最突出的问题之一。因此，迫切需要降低街灯系统的巨大耗电量。1.2智能系统设计的意义如今，人们的日常生活作息都以离不开照明。然而，都市众多的照明系统给人们带来光的同时，也消耗了巨额的电，这种巨大的浪费无疑是可以减小的。眼下，城市街灯的控制都是使用以往的定时控制方式。这些年来，控制的方法变化不大，定时控制本身也是存在着缺陷：1.传统的控制系统无法实现实时控制：系统控制方式单一、老旧只能依靠传统的人力来实现，各个区域照明设备都存在着控制不精确，造成大量不必要的消耗，致使资源不能得到合理的利用，造成了电力资源的大量浪费。2.不能及时开灯、熄灯：恶劣天气下系统控制方式不能自动开灯、熄灯。3.信息反馈缓慢：道路街灯相关的照明信息、数据不能及时反馈或反馈速度慢需要很长一段时间才能到达管理部门。在许多事故案列中，都是因为系统电压不稳定时，信息不能实时传递，导致许多管理部门都无法及时掌握照明的实际情况，并根据实际情况做出安排。4.大量浪费电力：用以往的街灯控制方式，每天必须有人按时控制开关，造成照明时间周期长，浪费人力资源。5.故障不能马上发现：当一些街灯出现故障、损坏时，信息不能及时、迅速地反馈给管理部门，造成了许多街灯故障，只能通过定期维修人员或群众拨打电话反馈才能发现，仅仅是浪费了时间和金钱也就罢了，同时还会造成许多意外的发生，对生活在城市中人们的产生影响。6.频繁调整开关时间：不同季节日出日落的时间都不一样，需要工作人员经常更改各控制点的开灯和熄灯时间。随着城市化的不断提高，街灯工人的工作量和工作压力也随之上涨。为此，本人想通过开发一种新型的智能街灯控制系统，来降低它们的工作量，同时缩减不必要的浪费，也对保护环境贡献出自己的一份力量1.3论文的主体简介该设计装置主要是通过光敏电阻采集外部光强度和电压信号，通过ADC0832转换芯片转换获得数字信号传递给控制器来控制街灯的自动开关和智能的调压，不仅能够有效地降低街灯的能耗。，而且可以提高街灯的功率效率。主要内容如下：（1）以AT89S51单片机为核心，系统地讲述了如何来设计硬件电路与软件编程的。（2）系统通过光敏电阻获得光强和电压信号等，为系统提供控制数据。（3）系统通过预保留键操作进行控制和调整。（4）当电源电压达不到标准电压时，系统会自动稳定电压。（5）在不太需要它照明时（午夜、人少），会调节减少街灯的功率，从而降低亮度，节约能源、保护环境。2系统硬件设计在系统硬件设计中，可以通过按钮模块配置计时模块所需的数据，并完成初始化系统。另外通过紫外线光敏电阻将检测到的光强度等模拟信号，通过ADC0832转换芯片转换为能被控制器接受的数字信号，发送到AT89S51单片机，完成相关控制。系统控制结构如图2.1所示；图2.1街灯智能控制系统结构图本此设计的系统为AT89S51单片机控制系统程序单元、DS1302计时程序单元、光敏电阻与ADC0832检测程序单元、按键程序单元各系统组件，如图2.2示：图2.2系统图2.1按键模块按键控制程序单元的四个插口模块F1、F2、F3、F4分别与AT89S51的p2.0、p2.1、p2.2、p2.3插口连接。按F1、F2、F3、F4中的任意一个键，连接到系统的插口电压变低。在这个按键程序单元设计中，我们可以在时间调整模式下把F2插口设定为+1的功能键，则F3插口设定为-1的功能键。在手动控制模式下，如果F2插口设置为“ON”功能键，则F3插口设置为“OFF”功能键。四个插口中的F4是功能切换键。只需按此键即可切换系统操作、时间调整、退出模式等功能。按功能键F5在自动和手动控制之间切换。2.2液晶显示器模块设计采用点阵式液晶显示器显示。以其优异的性能价格比而入选,可显示不同的字体图像，还可以自定义显示内容，同时自带显示驱动电路，只要通过向其写入相应的命令和显示数据即可完成显示功能。同时配3个独立按键更便于工作人员操作。2.3计时模块的选用与设计我们选取的是DS1302时钟芯片为主体来设计我们的计时程序单元，DS1302时钟芯片可以很好的与单片机进行数据的交换，DS1302时钟芯片可以进行精确的时间设定，不仅可以设定日期，甚至可以精确到第二次设定。这对整个系统的时间精度度非常有用。它不仅可以保证系统的准确性，还可以更换小时制在12和24切换。在与单片机的通信接口中，只需三个端口即可实现非常有效的通信要求，并可实现肩带的同步串行通信。如图2.3所示。。图2.3DS1302引脚图X1X232.768KHz——晶振管脚GND——地RST——复位脚I/O——数据输入/输出SCLK——串行时钟Vcc1，Vcc2——电源供电管脚与DS1202时钟芯片相比，DS1302时钟芯片有了很大的进步，整体性能有了进一步的提高，电源也有了大幅度的提高，可以更好地支持芯片的正常动作。设置时间可以设置更多的时间格式，还能辨别本年是否是润年从而得到正确的日期。具体如图2.4所示。图2.4DS1302时钟芯片时序图详细硬件电路图2.5所示，这个电路配有3V电池组，可作为DS1302时钟芯片的备用电源。它能更有效地保证芯片的正常供电和定时精度。DS1302时钟芯片的这三个端口5、6、7分别与AT89S51的p2.1、p2.2、p2.3相连。为了确保操作和通信的精度，在其电路中设置了一个电阻值为10K的上拉电阻器。图2.5DS1302实时时钟电路图2.4光照强度检测2.4.1ADC0832时钟芯片简介ADC0832是一家美国的半导体制造商生产的A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高，在国内很受欢迎。它的工作频率为250KHZ，数据处理速度非常快，只有32μ，且一般情况下工作时消耗仅仅只有15mW。该芯片可以同时对这些数据进行处理，也可以对其他数据进行校验，并对输出的数据进行重新检查，有效地保证了数据的精确性，提高了整个系统的工作水准，提高了系统的整体效率。十分符合本设计的要求，且在操作上，此芯片的程序输入也非常简单。当需要切换信道功能时，可以快速有效地进行切换。图2.6ADC0832操作时序图AT89S51单片机对ADC0832转换芯片的控制原理如下正常情况下ADC0832转换芯片与AT89S51单片机的插口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI这四个。但由于数字输入/输出端口在通信时不同时使用，且与单片机的插口是双向的，因此在I/O端口不够使用的情况下，使用时可以将数字输入/输出端口并联在一根数据线上使用。当转换芯片未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁止工作，时钟信号和数字输入/输出端口的电平可任意。当要进行模拟量转换为数字量时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟信号，数字输入/输出端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟信号的下沉之前DI端必须是高电平，表示起始信号。在第2、3个时钟信号下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能.2.4.2光敏电阻的介绍（1）光敏电阻（VSR）简介目前在国际市场上比较流行的各种光敏稳压电阻通常都主要是用硫化镉材料生产而非制成。当然,其他的一些磁性金属材料也都同样可以用来做光敏度和电阻。它的主要工作原理是基于内部的光电效应；在光线的照射下物体内的电子吸收能量而形成电流。随着光照强度的增大,电阻迅速降低,亮电阻可小到1KΩ跟随。光敏电阻是一种极为敏感的电子元件。当无光时,处于较高的低透光阻抗数值,暗限一般最大的阻值可以达到1.5mω。光敏度的电阻通常被广泛应用于光度的测量,光源的控制以及其他光电荷的转换(把光的能量改变的电转换成称为光的电)。光敏度的电阻值我们对光的直接灵敏度(也就是我们光谱物理学的光敏特性)和我们人眼对于某种可见光的直接灵敏度(0.4~0.76)μm的直接响应极为非常接近,只要我们是人类眼睛能够直接感觉得到光,就都可以直接引起它们光敏电阻阻值的巨大改变，十分适合运用在环境监测程序单元作为监测原件。（2）基本特性及主要参数1.伏安特性：在一定光照下，光敏电阻两端所加的电压与电流之间的关系如图2.7所示➢在给定的电压不变时，光照强度越大，光敏电阻中的光电流也就越大;➢光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。图2.72.温度特性：光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。3.光谱特性：光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长有关联。对不同的入射波长，它的灵敏度也是是不同的如图2.8所示图2.82.4.3光照强度检测的硬件电路设计在本设计中，我们是通过利用硫化镉材质制作的紫外线光敏电阻两端的电压与光照的关系，来检测环境亮度并使其与ADC0832模数转换器连接。并通过各方面的测试得出数据进行比较，最终选用阻值为5k的电阻R9，并将R8电阻与光敏电阻串联形成分压电路以确保系统的正常运行。环境亮度检测原理：当紫外线光敏电阻上的光强度发出变化时，光敏电阻的电阻也随着变化。变化趋势是光变弱，电阻增大。相反，ADC0832转换芯片获得的电压值随着光强的增加而减小。同时，利用ADC0832转换芯片将紫外线光敏电阻上的电压信号转换成数字信号，再以一定的方式送入AT89S51单片机进行分析处理。这样就可以将环境亮度信号由模拟信号转换成数字信号，然后系统对环境亮度信号进行判断和处理，如图2.9所示。图2.9光照强度检测模拟块电路图对于模数转换器的选择：在设计中，我们选用ADC0832作为模数转换器。这是由于ADC0832是一种拥有8位分辨率的模数转换芯片。其最高分辨率可达256级，可以满足本次设计下模拟量转换的要求。其内部电源输入与参考电压的复用，提高了它的模拟电压输入增加其适用范围。芯片转换时间十分迅速。双数据输出，可作为数据校验，减少数据误差。独立芯片设计使输入更方便，便于多设备连接和处理器控制。通过DI数据输入终端，可以方便地选择通道功能。2.5街灯控制模块如图2.10所示，Q1是PNP型三极管9015；U2为继电器，型号为jqc-3f；H5为端子排；D2为续流二极管，型号为in4001；D3是发光二极管。图2.10控制模块电路设计思路：PNP型三极管9015的底座通过4.7K的电阻与AT89S51单片机的P1.0相连。在该系统中，当位置设置为“1”时，在5V高电平下，三极管的发射极1和基极2之间将没有电压差。此时，9015底座的状态将变为关闭。此时，电路中没有电流可以从集电极3通过，因此发光二极管D3和继电器线圈不能正常工作。然而，当电势被拉到“0”时，在三极管的发射极1和基极2这两个负载端的电位差约为3.6V。同时，产生的电流将受到4.7K电阻值的限制，因此电流通过P1.0端口（基极电流）后将变得非常小。经过一系列处理后，基极电流将会被9015底座放大，使三极管1号和3号引脚的常开朱啊哟触点闭合。同时，9015底座处于饱和状态，发射极和集电极会产生约0.2V的电压降，此时集电极3的电压值为4.8V，发光二极管只能用1K的电阻串联来限制电流，这样可以使其在通过5m电流时亮起。由于电磁感应的存在，当线圈关断时，反向电压会远大于原来的电压值。为了保证系统和原件的安全，添加一个电压大于5V的续流二极管。它是用来保护元器件不被电路中的感应电压击穿或烧坏，维持住它原本的性能和属性。以并联的方式接到产生感应电动势的元器件（继电器）两端，并与其形成回路，使其产生的高电动势以续电流方式在回路中消耗，从而起到保证电路中的元器件的性能和属性不会发生改变的作用。经过这样的处理，整个系统将变得更加可靠。3软件程序设计在此次设计中，我们选用Keil-C51软件开发工具，它是美国KeilSoftware公司（ARM公司之一）出品的主要运行于51内核的单片机平台。拥有产业标准的KeilC编译器(compiler)、宏汇编器(MASM)、调试器（DeBugger）、实时内核（Core）、单板计算机（SBC）和仿真器(emulator)，即使是新人使用也能够快速的上手。3.1程序模块及其功能主程序部分：完成各功能模块的调试和系统资源的分配，并用于处理外部反馈信息。（1）LCD1602液晶显示器操作程序：用于接收系统信号、控制状态等信息并显示在液晶屏上面。（2）ADC0832转换芯片模块程序：光照强度被紫外线光敏电阻收集并通过ADC0832转换芯片转换成电信号，便于控制器的执行。（3）DS1302时钟芯片模块程序：通过DS1302时钟芯片来修改时间、运行来控制街灯的智能启闭，（4）定时器中断程序：通过时间计数来控制的，当到达计时时间时停止当前的程序的执行，转去处理特定的程序，处理完毕后又返回原程序被中断的位置继续执行，从而实现系统的各项变化。（5）外部中断程序：在发生中断的情况下，标志字节的改变完成，使得随后的操作可以通过确定标志字节的状态来确定是否执行对应的操作。整个软件程序由上述的五个小程序组组合而成。主程序的任务是初始化运行环境，并能很好地调整各种子程序，实现硬件资源的高效配置，使智能街灯控制系统能够按照即定要求正常运行，完成设定的工作程序。中断程序可以用来完成一些特定的功能。如图3.1所示，这是系统的主程序图，其中S2、S3、S4和S5是功能键。在定时状态下，S2为+1，S3为-1；在手动模式下，S2为打开街灯，S3为关闭街灯。图3.1系统软件设计整体流程图如图3.2所示，这是外部中断的系统流程图。S4是外部中断0的输入，也是功能切换键。按flag+1一次；当标志为1时，按一次S5可在手动和自动操作模式之间切换。当标志为0时，退出并确认参数和功能设置。。图3.2a外部中断程序流程图b计时器流程图当flag设置为1时，此时S5切换模式，系统显示器显示auto或manu；当flag设置为2或3时，系统显示x或y，然后按S2或S3可调整具体年份；当标志为4时，显示器显示M，然后我们依旧按S2和S3来调整具体月份；以此类推我们就能十分轻松的完成对整个系统的时间设置。 4软件测试4.1测试目的在软件程序投入生产运行前我们必须对它进行软件测试，这是一项非常必要的工作。其整体目的是验证功能的实现和完整性，确认程序的错误。通过软件测试，可以使我们提早发现测试软件程序中存在的不足和缺陷，从而更好地进行改进，避免在正常工作中出现。本次软件测试的主要目的是观察显示模块是否工作到预期水平，以及在街灯智能控制系统正常工作时是否能有效地切换控制。4.2测试内容与结果本次测试系统主要是对于各个功能模块能否为智能街灯系统提供它应有的作用。同时，在正常操作过程中不会出现乱码。街灯是否按预定要求自动控制街灯的熄灭和亮度调节。测试自动和手动控制模块是否能有效控制街灯。通过测试，可以判断系统各部分是否能正常工作。本系统主要进行表4.1所示的功能测试。实验对象街灯电路两端的电压值案例一反映街灯亮度的变化实验采取的方法预测实际结果通过调整节能工作模式和正常工作模式的方法，来记录电压的变化街灯在节能模式的变化实验得到的数据与预测大致相符合表4.1实验测试例表首先对节能模式进行测试，调试后显示如图4.1所示的结果。图4.1节能模式测试此时，模拟街灯的电压为2.2V。然后将程序调试到正常工作，结果如图4.2所示。图4.2正常工作下的测试此时，模拟街灯的电压为4.4V，已经获得预期的实验数据。最后测试关机模式，测试结果如图4.3所示。图4.3关机模式测试。在本次实验中的各系统可以正常地工作。实验的数据和预想的大致一样。5结论在当今社会，能源的枯竭日益明显，问题也日益突出。现代人们在城市中的生活水准正在迅速提高的同时，也造成了社会能源危机和