【《基于单片机的智能路灯控制系统设计》7200字（论文）】

基于单片机的智能路灯控制系统设计目录TOC\o"1-2"\h\z\u55081绪论 1304142智能路灯控制系统方案 2304482.1系统设计原则 2274502.2方案选择 2200313元器件介绍 4193803.1光敏电阻介绍 4279603.2人体红外传感器介绍 4211744系统硬件设计 4156304.1主控电路设计 57004.2DS1302时钟模块电路设计 6256014.3LCD1602显示电路设计 7102284.4光照强度检测电路设计 7268244.5独立按键电路设计 8298074.6LED灯驱动电路设计 9190755控制系统软件设计 9294045.1程序设计语言及开发环境 9309835.2系统程序流程图设计 10112816系统调试与验证 14145296.1控制系统软件调试 14322436.2硬件焊接调试 1457696.3控制系统验证 1622134参考文献 20

摘要：智能路灯控制系统是基于STC89C52单片机为基础研究的，与控制时钟DS1302、人体红外传感器和电阻检测相结合，LCD1602液晶显示器在其中进行开发和设计的，通过独立的按键来实现三种路灯控制模式的转换。使用三种模式进行选择，其中一种模式使用一个按钮来控制智能路灯模式。自动模式，红外感应器和光敏感应器检测电路的两个工作原理，白天的光强时，控制LED路灯的单片机不会打开，即使红外感应器检测到有人在LED路灯也不会亮；附近没有光，当天黑或下雨的时候，有人走到路灯前，检测到人体红外LED灯被打开，一段时间后自动关闭。在手动模式下，其他模式出现问题时，可以选择这个方式作为应急；定时模式能够定时开关，通过时钟模块，你可以设定时间当LED灯打开。关键词：路灯；人体红外传感器；光敏传感器；单片机1绪论人类在高度发展的时代，对能源的需求越来越大，而我们在地球上等待开采的石油、石油、天然气这种有限物质能源继续减少，这是一个非常明显的矛盾，所以现在各国都在提倡节能减排。尽管得到了物质文明的高速发展，但也带来了世界能源危机的问题。面对这些问题，各国都在积极应对能源危机，并试图找到解决方案。发现这一问题后，我设计了路灯智能控制系统，帮助减少能源的消耗，尽量做到节约能量。智能路灯控制系统是一种复杂多样的技术系统，现在城市电力问题的原因，是因为大多数城市路灯都是使用电力作为直接的能源。路灯是城市最常见的能源消耗设备，所以说如何减少路灯的能源消耗，是直接影响到城市的能源效率的。智能路灯则利用智能系统，在不需要复杂改造的情况下，为照明提供更方便的能源，提高整个系统的效率，降低城市成本，也可以用于大面积农村道路照明。特别是农村道路缺少一些照明设备，也没有健全的基础设施，电力能源薄弱，可以大力推广安装智能路灯，帮助我国节省能源。近年来，中国一直在节能减排方面进行努力，评选绿色城市，人们也加强了一些环保理念，在日常的生活中也开始选择节能的电器。智能路灯作为一种节能、经济安全的照明装置，得到了认可和赞赏。具有节能和安全经济优势的智能照明设备将成为照明行业未来的新型技术之一。然而，虽然目前路灯普遍使用，但仍面临许多问题，路灯仍存在一些技术问题。因为有一些地方的实施技术还有点困难，所以国内许多城市的智能路灯都没有很好地使用。智能路灯控制系统的路还很长也需要继续前进，不断地去完善，利用资源，节约能源在照明中都发挥重要作用，也是响应国家的节源政策，尽量做到用较少的能源满足现在的路灯要求。2智能路灯控制系统方案2.1设计原则智能路灯控制系统结合了一个单片机和一个路灯。利用人体红外检测、光敏检测、信息处理和控制技术。智能路灯控制系统中51单片机是核心所在，自动模式，通过光敏能够检测到周围环境的光照强度，通过人体红外能够检测到周围的，是否会有车辆通过，根据不同情况驱动LED灯；手动模式可以手动地控制它是开还是关能够随机应变，其他模式出现问题时，可以选择这个方式作为应急；定时模式能够定时开关，在一段时间内设定它是开关的，不需要人为控制更为智能。在硬件设计中实现的功能划分了不同的板块，复位电路模块，晶振电路模块，DS1302时钟模块电路模块，LCD1602显示电路模块，光照强度检测电路模块，独立按键电路模块，LED灯驱动电路模块。通过按键控制三种模式，随意切换。2.2方案选择2.2.1单片机选择方案方案1：选择Atmega128a单片机芯片该芯片是AVR系列研发的单片机，该结构使用haffer结构，有独立的数据和总线程序。它有64个引脚，作为路灯控制系统的单片机芯片功能完全足够，它是一个高级控制芯片。它的工作电压是5V，时间频率是16MZ，外部存储空间是64KB，支持JTAG接口编程，非常的智能，但是价格偏高不适用于智能路灯这种大量生产的器件中。方案2：选择STC89C52单片机芯片该芯片是宏晶公司开发和设计的单片机51系列，不仅符合McS-51低能耗、高性能。而且有很强的抗干扰能力。它拥有40个引脚可以在多个领域灵活地使用，8K字节的应用程序存储和512个RAM字节的集成。在日常学习中也是经常接触这种芯片，比较熟悉，容易上手。从经济角度出发，容易启动，本人更为熟悉STC89C52，所以选择方案2作为控制系统的中心是更合适的。2.2.2光敏检测方案为了使路灯能自动区分白天和晚上，判断依据就是光照强度，所以检测亮度是中心的关键电路之一，其检测结果的结果可以控制地在白天和晚上路灯开关的情况。在设计中，考虑了两种解决方案，第一种解决方案是：光敏电阻+ADC08032模块组装组件，通过转换模块收集相同的光信号，在屏幕上直观显示，更直观，但是程序设计代码偏复杂化。方案二：光敏电阻+LM393电压比较+电阻，这样来电路检测，通过同向和反向电压比较，输出高低电平来控制路灯的开关情况。考虑到两种解决方案的可行性，我选择了第二种方案，程序设计代码比较简单，也可以实现系统功能，而焊接电路比较简单，设计开发时间比较短。2.2.3人体红外检测方案在自动模式下，光线过暗时，当有人经过时，路灯立刻开启，增加了人体检测的红外传感器。我获取了相关信息，了解到有一些红外传感器，通过比较，最终选择了HC-SR501人体红外传感器模块。它的核心是一个热释光探测器，基于热释电红外传感原理，利用温度变化的特征来探测人体的红外辐射。它的形状是半球的型，这样只能够使它拥有更大更敏感的视角。有两个调整按钮，可以调整触摸时间，调整触摸距离，更加智能，能够满足该设计的需求。2.2.4显示方案屏幕显示上有，时间显示，包含了年月日和路灯的开启时间和结束时间；路灯亮灭状态显示和模式选择显示。基于自己的学科知识和资料我有两种选择方案。第一个选择LCD1602，即使它用英文字母表示，但是基础要求都是能够满足的。第二个选择LCD12864液晶屏，它可以满足多种显示要求，看起来更好，但是设计代码更为复杂，而且价格相对于LCD1602来说价格更高，不是很划算，而且，该设计几乎不需要信息显示，只需要具有能够响应功能，因此经济型LCD1602已被选作该系统的显示输出部分。2.2.5时钟方案本系统设计需要显示时间，而且还有定时模式，控制路灯一段时间内开启。对于时间功能，我设计了有两种控制时间方案，一种是单片机芯片内置的定间器，虽然是成本高，但是时间的误差太大了，所以我没有选择第一种方案；第二种是DS1302时钟芯片，它的拥有简单的接口和自带电池，功率很低，而且能够提供准确的时间，对于时间的把控更准确，所以我最后选择DS1302时钟芯片作为时钟模块的核心芯片。3元器件介绍3.1光敏电阻介绍光敏电阻在电路设计中经常使用，是因为一种廉价的半导体产品，适应性很强，能够灵活使用。光敏电阻对光照是非常敏感的。因为光线越强，它的电阻就越小，所以当外界光线增强时，电阻阻值就会迅速下降，通过电阻阻值的上升和下降来控制路灯的开关。光敏电阻是由各种半导体材料制成的，表面也都是涂有防潮树脂，这样的电阻都能够具有光电效应，能够检测出光强和光弱的时候。电阻的设计是基于内部的光电效应，将导线连接到半导体的两端，将其密封在一个管中，把两个电极按照梳子形状排列，能够来增加灵敏度，基本上都是这样构成的。实物图如图3.1所示。图3.1光敏电阻3.2人体红外传感器介绍热释红外传感器经常用于自动控制领域，自动控制报警门就是其中之一，而且随着信号处理的不断发展，一系列的传感器现阶段都被大量使用。热释电红外传感器的原理是在热电效应的基础上的，它是由探测元、干扰滤光片和场效应管一起构成的，缺一不可。它特别对红外敏感，因为人体温度基本都是在37度，比较稳定，能够产生一个特定的红外线波长，探测器会探测到这个波长，在滤光片把波长增强后，源传感器会失去电荷平衡，释放电荷，所以能够很敏感的检测到。人体红外传感器实物如图3.2所示。图3.2人体红外传感器4系统硬件设计智能路灯控制系统的主要功能是通过STC89C52芯片作为控制中心，采集人体的红外传感器、光传感器和时钟等信号，然后控制路灯，来实现智能路灯控制系统，三种模式的切换。控制系统硬件如图4.1所示。智能路灯控制系统一共有三种模式，相互切换，以达到智能控制路灯的效果：第1种模式是自动模式，这个时候路灯是不需要人为控制的，它自动感应到外界，如果外界光线较强，光明电阻的阻值就会变小，LED路灯不亮，如果外界光线较弱，这个时候看电释热红外感应器，如果有人经过，电释电红外感应器感应到有人，LED路灯亮。第2种模式是手动模式，这个时候可以作为应急措施或者辅助检查电路的时候，通过简单的开关按钮来控制路灯开关。第3种模式是定时模式，通过时钟模块可以设置路灯的定时开关。可以设置18:30~6:30，晚上的时间段为开灯，到时候路灯就是到点自动开启，到点自动关闭，夜晚全时段都是由路灯来控制的。图4.1控制系统硬件框图4.1主控电路设计4.1.1复位电路设计复位电路就是在电路运行中可能会遇到一些问题，为了能够快速解决这种问题，所以设定了复位电路，通过系统的复位来时控制程序，回到原始状态，使程序的问题得到解决。复位电路原则是RST引脚当接收到电容的放电时间一个大于2us的电平信号时，系统立马回到初始状态，所以可以通过改变电容值来实现电路的复位。复位电路原始图如图4.2所示，设置了一个复位键K20，当按下这个键钮时，电容处于短路的电路中，会释放出所有的电能，这个时候电压电阻电压增加，会使系统回到初始状态，重新启动。图4.2复位电路原理图4.1.2晶振电路设计如图4.3所示，晶振电路能够产生单片机所必需的时钟晶振频率，所以在单片机系统中有着非常大的作用。晶振提供的时钟频率越高则单片机运行速度更快，单片机运行得更快，说明系统的反应速度更快，切换模式和进行时间操作的时候，系统能够立马作出反应，并且显示在显示屏，能够直观感受到。图4.3晶振电路4.2DS1302时钟模块电路设计如图4.4所示，DS1302时钟模块由电池、电容、时钟芯片和振荡器组成。能够提供准确的时间显示，能够达到定时模式下，路灯的定时开关设置，是必不可少的模块。图4.4DS1302时钟模块电路原理图4.3LCD1602显示电路设计LCD1602显示电路原理图如图4.5所示，LCD1602显示屏连接到单片机P0接口，RS引脚连接到P2.5，RW引脚连接到P2.6，E引脚连接到P2.7。VSS，VDD，VEE引脚连接到可变电阻上，屏幕对比度调整。P0单片机芯片和显示数据的显示盘是连接的，目的是防止电压过高，液晶显示器显示的液晶显示太亮，起到保护作用。图4.5LCD1602显示电路原理图4.4光照强度检测电路设计光照强度检测电路是通过光敏电阻对光的敏感为基础设计的，是咱们的第1种模式，自动模式的关键模块。当检测到路灯的周围环境的光照较强时，电阻值就会变小，这个时候电压比较器输出低电平，控制路灯关闭。当路灯周围的环境光照较弱时，光敏电阻的阻值会变大，这个时候会根据，人体红外传感器模块，来控制路灯的亮灭情况。光敏检测电路图如图4.6所示。图4.6光敏检测电路原理图4.5独立按键电路设计如图4.7所示，独立按键S1,S2,S3,S4分别接在单片机P1.3,P1.4,P1.5,P1.6引脚上。S1为设置时间按键，用来移动光标选择年月日时分的设置以及对开始时间结束时间的设置；S2位模式选择按键，用来控制显示屏显示的模式，如路灯自动开关模式、人为选择路灯开关模式、通过定时器定时路灯开关模式。S2与S3按键分别控制路灯的亮灭以及时间定时设置的增加与减少。图4.7按键电路原理图4.6LED灯驱动电路设计如图4.8，路灯使用12个高亮度LED灯，因为一个单片机不能控制LED灯，所以又添加使用两个三极管驱动。正如图中所示，在放大两倍半径后，可以做一个LED控制芯片，只有当P20电池电量较低时，LED灯才会亮，否则它就会因高电平而关闭。图4.8LED灯驱动原理图5控制系统软件设计5.1程序设计语言及开发环境C语言是一名理工科学生，必须学习计算机编程语言，我也是专门进行了学习。C语言是用于基础设计和开发的，特别是在单片机和嵌入式系统开发中尤为重要。它是在1972年推出的，由美国的贝尔实验室开发和开发，许多系统的底部都是用C语言开发的，最适合移植和开发硬件系统。本系统是在Keil4开发环境下运行的，Keil4不仅可以在线编译，还可以调试，最终达到理想效果。运行断点，运行步骤都是可以简单操作的，还可以查看记录状态，非常符合51系列SCM软件开发的编译要求。本智能路灯控制系统的语言可以用汇编语言和KeilC语言编写，但是我不是很擅长汇编语言，软件的设计和开发很困难，所以用通用的C语言开发编写，在Keil4软件下运行，能够完成符合设计的要求。5.2系统程序流程图设计5.2.1系统总体流程图设计系统流程图如图5.1所示，单片机进行初始化，读取DS1302数据在LCD1602液晶显示屏显示，判断是否按键1按下，如果按下，则进行年月日时分时间的设置以及定时时间的开始与结束，在按键1操作过程中，即时间的设置，当按键3按下为时间往上加，按下按键4位时间减操作。当按下按键2时，切换到功能切换模式，如果显示为自动模式，先判断光照强度，后判断是否有行人通过，只有当光照强度弱以及检测有行人，路灯才会亮，否则其他情况下路灯都不亮；当前模式为手动模式，当按键3按下路灯打开，按键4按下路灯关闭；当前模式为定时模式，可以根据设定好的定时时间段路灯自动亮灭。图5.1控制系统主程序流程图设计5.2.2液晶显示程序设计智能路灯显示使用的LCD1602液晶显示屏，其流程是这样的，LCD1602启动，设置不同功能的LCD1602，如果设置清晰显示，切换显示，不显示光标，切换显示，功能不闪烁字符；延时一段时间，写LCD1602指令，写行地址，收到第一个地址，写每个数据字节，评估是否写了16次，如果写够了，写到下一行，显示收集和控制的信息，给用户看。流程图如图5.2所示。图5.2液晶显示控制流程图5.2.3时钟定时程序设计控制系统定时功能采用DS1302时钟芯片控制，流程图如图5.3所示，对时钟进行初始化，对时间进行设置年月日时分时间判断，如果设置时间，则写入相应地址与数据到时钟芯片，单片机则读取时钟芯片当前时间值，再一次判断是否需要调整时间，如果是则重新循环。图5.3定时程序流程图5.2.4按键驱动程序设计按键程序流程图如图5.4所示，程序初始化后，对按键扫描，返回人为设置的相应按键值，如按下KEY1按键，则返回设置的返回值状态，如返回设置时间年月日时分秒以及定时开始与结束的十个相应的状态值。运用switch语句对相应按键进行状态值判断，进而达到按键控制的作用。图5.4按键驱动程序流程图6系统调试与验证6.1控制系统软件调试在KeiluVision4软件上调试，刚开始出现一些常见的问题，如一些单片机引脚不区分字段的情况，句号不进入英语状态，不定义相关变量。后来通过翻译器提示很快解决。因为代码数量过于庞大，我把常见问题解决后在进行调试还是没有通过。我把错误地提示放在百度上进行搜索，想得到解决的方法。后来发现是代码数量超过了2K字节，没有办法进行翻译，需要运用到解码软件。最终在不断试错，在解决问题这个过程中，花了接近五天的时间来，来不断的试错调整，再修改程序，再去调试。经过多次尝试，最终修改成功，并且调试通过了。如图6.1所示。图6.1程序编译成功6.2硬件焊接调试反正通过之后我就开始焊接电路，在焊接电路之前，我充分的去了解了电路图，熟悉了各个元件的摆放位置，准备了充足的元件，并且将一些鹰角的连接方式进行标注，这样子更能够方便电路的焊接，也不容易出错。在焊接过程中遇到了一些问题，比如焊点过高影响导电和整体美观。所以说我先从最小的单片机系统开始焊接调试单片机能不能正常工作，如果单片机能够正常工作了再去，将其他模块一一焊接好。我在保证功能正常的情况下，去设置了电线和电缆的布置。尽量地保证美观和功能完美。焊接成功之后，我立马用万用表检查每一个模块是否有短路的现象，然后及时做出调整。第1次焊接过程中，因为不小心将错误地引脚焊接在了一起，导致整个电路突然短路，有拿起了备用的万用板进行的焊接，经过不断的电焊和调试，最终完成了，其结果如图6.2所示。图6.2硬件焊接实物6.3控制系统验证1.自动模式下，LCD1602显示屏显示的模式为M：Auto，第一个红色指示灯亮起，当遮住光敏电阻传感器代表此时在光线比较暗或者晚上，检测到人体信号，黄色指示灯亮起，显示屏显示信息为LED:ON，即LED亮起，表示路灯打开，如图6.3所示。图6.3自动模式2.手动模式下，LCD1602显示屏显示的模式信息为M：Manual，第二个红色指示灯亮起，当按键3按下，LED的状态为ON，此时路灯亮，如果当按键4按下，LED的状态为OFF，路灯不亮。如图6.4，按下按键4，LED路灯不亮。图6.4手动模式下灯的状态3.定时模式下，通过按键1设置好当前时间，如图6