【《基于TC89C52单片机的智能路灯控制系统设计》9400字（论文）】

基于TC89C52单片机的智能路灯控制系统设计摘要路灯现在已经成为人们日常生活中不可缺少的照明系统，对保障道路交通的正常运转起着至关重要的作用。最常见的路灯控制方式主要分为两种，即人工控制和光控制。前者具有很强的抗干扰能力，但缺乏对于不同环境的适应性，后者则相反。本文主要研究并设计出了一种智能化的路灯控制系统。该系统主控芯片使用STC89C52，结合人工控制和光控制两种方式，既可以通过光敏电阻检测周围光照强度自动点亮路灯，也可以通过红外遥控设置定时时间或直接手动点亮路灯。此外，该系统还增加了日期显示、温度检测和声控开关等功能，在兼具人工控制和光控制两者优势的同时，还拥有很强的实用性。关键词：智能路灯；STC89C52；光敏电阻目录22430绪论 绪论现如今随着国民经济的高速增长，人民的生活水平也随之呈现不断提升的状态，同时这也对城市基础设施的建设提出了相对的更高要求。对于目前有限的社会资源，如何进行合理分配和优化使用成为首要任务。其中，道路交通照明系统的完善作为城市基础设施建设的重要环节受到了相当的重视。根据报告显示，在中国路灯的总数量约为3000万盏，近些年每年新增的路灯数量约300万到600万盏，路灯的照明用电占全国总照明用电的30%，其耗电占国家总量的10%，即三峡水电站一年的发电总量，在这些照明耗电中被浪费的电量约占35%[1]。并且，随着我国城市道路建设的进一步发展，路灯的需求量不断增加，其耗电总量也将急剧上升，浪费的电能将对国家的经济建设带来不容忽视的损失。为了节约电力资源，避免能源浪费，积极响应国家经济建设中节能减排的号召，同时确保城市道路交通照明系统的合理性和稳定性，一种新型的智能化路灯受到了很大的需求。目前，市场上常见的路灯主要分为两种，分别是人工控制路灯和光控制路灯[2]。前者只在固定的时间内点亮，不受外界因素的干扰，但缺乏环境适应性，如果在设定点亮的时间段内路灯周围光照强度充足，可能会造成电能的浪费。与之相对，后者可以现场判断周围光照强度，根据判决结果决定是否点亮灯泡，减少能源的浪费，但感应装置容易受到外界因素干扰，如果感应装置损坏，路灯将报废。因此，在本文中研究的新型智能路灯控制系统是符合需要的，具有很好的实际意义和商品价值。本论文的主要研究方向是设计出一种实用型的智能路灯控制系统。该系统结合人工控制和光控制两种方式，当定时模式关闭时，根据周围光照强度控制灯泡点亮和熄灭；当定时模式开启时，在设定的时间段内点亮灯泡，在时间段外根据光照强度决定是否点亮灯泡。此外还增加了日期显示，温度检测和声控模式。电源打开后日期与温度会显示在LCD屏幕上。声控模式开启后，将由光照强度和声音大小共同决定是否点亮灯泡。模式的开启和关闭由红外遥控实现控制，通过遥控也可以直接点亮和熄灭灯泡。本文首先对课题的研究背景及其意义进行了简单的阐述。接着对系统硬件部分进行简单介绍，包括硬件方案选择、主控芯片和电路设计。随后对系统的软件部分进行介绍，即单片机的程序设计。最后进行系统测试，记录下测试结果并对其进行分析和探讨。1系统硬件方案的选择本章先对系统的硬件方案选择进行分析，然后对硬件电路中使用的STC89C52主控芯片及最小系统、显示模块、电源模块、时钟模块、光照检测模块、声音检测模块、灯泡控制模块、红外遥控模块、温度检测模块九个部分依次进行介绍。1.1系统总体方案通过比较与分析，选择STC89C52作为主控芯片，LCD1602作为显示模块，LM7805作为稳压芯片，DS1302作为时钟芯片，光敏电阻和LM393构成光照检测模块，ADC0832作为备选，声音传感器和LM393构成声音检测模块，HS0038用于人机交互以及DS18B20作为温度检测模块。此外还增加了AT24C02来保存设置的数据，以及蜂鸣器用作提示音。本系统的系统方案如图1所示：图1系统方案1.2系统硬件方案选择设计一个完整的系统首先要明确系统需要实现的功能，并对各个功能模块分别进行程序设计，各模块的方案选择要具有合理性和可靠性。1.2.1主控芯片选择方案一：选择STC89C52作为该系统的主控芯片。STC89C52是使用传统的8051内核的单片机，时钟频率最高可达到80MHz，片内含有512字节的RAM数据存储器和8K字节的ROM程序存储器，8位CPU处理器，共有32个IO输入输出引脚，3个定时计数器，2个外部中断，抗干扰能力强，功耗低，烧录程序容易且便利，比较容易进行调试[3]，最重要的是价格便宜。方案二：选择STM32F103RCT6作为该系统主控芯片。STM32F103RCT6是具有ARMCortex-M3内核的单片机，最高主频可达72MHz，片内含有48K字节的RAM数据存储器和256K字节的ROM程序存储器，32位CPU处理器，共有51个输入输出引脚，芯片内部还集成了定时器Timer，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多种外设。性能比STC89C52更为强大，但价格较高。以上两种方案都可以实现系统需求，但考虑到成本的问题，故选取性价比高的STC89C52作为主控芯片。1.2.2显示模块选择方案一：选择八位数码管进行动态显示。数码管动态显示是单片机中应用最为广泛的一种显示方式，将所有的数码管段选线并联在一起，并通过74HC537对数码管进行片选，轮流显示所需的字符。价格低廉，但动态显示需要不断刷新，一个数码管只能显示一个字符，当系统中需要显示多位字符时，所需数码管数量增加，成本增大，刷新时间变长。方案二：选择LCD1602液晶显示器进行显示。LCD1602是一种常用的点阵型液晶显示模块，可以显示2*16个字符，每个字符位由5*7（5*10）的点阵组成且显示清晰，不需要一直刷新，体积小，功耗较低，控制简单且性价比高[4]。综合以上两种方案，采用LCD1602作为显示模块。1.2.3稳压芯片选择方案一：选择LM2596S作为该系统的稳压芯片。LM2596系列是TI生产的降压开关型稳压芯片，最大负载电流为3A，片内含有基准稳压器和频率振荡器起到保护电路、限流电路等作用。价格低，外接元件较少。方案二：选择LM7805作为该系统的稳压芯片。LM7805是电子产品中经常使用稳压芯片，其内部集成了保护电路用来防止芯片过热和过载。最大负载电流1.5A可以基本满足系统需求,相较于LM2596S价格更为低廉，具有良好的温度系数，性能上具有稳定性[5]，外接元件更少。综合以上两种方案，选择LM7805作为稳压芯片。1.2.4时钟芯片选择直接选择DS1302作为该系统的时钟芯片。DS1302是电子产品中常用的一款低功耗的实时时钟芯片[6]，价格便宜，功耗低，可以计时年日月日时分秒和周，并拥有双电源供电，系统掉电后仍能通过后备电源继续工作，符合系统需求。1.2.5光照检测模块选择方案一：由光敏电阻和ADC0832一起进行检测。光敏电阻的阻值会随着周围环境的光照强度大小的变化进而发生变化，进而其电压发生变化。由ADC0832对其电压进行检测，由软件判断周围光照强度大小。方案二：由光敏电阻和运算放大器LM393一起进行检测。环境光照发生变化导致光敏电阻电压发生变化，光敏电阻的电压通过运算放大器进行比较，最终输出高低电平，并由单片机读取。此方案由硬件电路直接对周围光照强度进行判决，相较于方案一更为简洁方便，同时成本更低。综合考虑以上两种方案，最终两个都选。1.2.6声音检测模块选择方案一：由声音传感器和ADC0832一起进行检测。声音传感器的电压会随着周围环境的声音大小发生变化，进而其电压发生变化。由ADC0832对其电压进行检测，由软件判断周围声音强度大小。方案二：由声音传感器和运算放大器LM393一起进行检测。环境声音大小发生变化导致声音电压发生变化，声音传感器的电压通过运算放大器进行比较，最终输出高低电平，并由单片机读取。此方案由硬件电路直接对周围声音强度进行判决，相较于方案一更为简洁方便，同时成本更低。综合考虑以上两种方案，最终两个都选。1.2.7人机交互模块选择方案一：由矩阵键盘来实现人机交互。矩阵键盘是单片机外部设备中所使用的成矩阵排布的键盘组。按键识别相较于单个按键更为复杂，但在一定程度上节约了单片机IO引脚的占用。通常使用行列扫描方式进行读取。方案二：由红外探头HS0038和红外遥控一起实现人机交互。HS0038是一款红外接收探头，自带磁屏蔽功能，外侧使用黑色环氧树脂进行封装，可以阻挡日光等光源，具有低功耗，强抗干扰能力，价格便宜等优点。更为重要的是它只需要占用一个IO引脚，从而大大节省了单片机资源。综合考虑以上两种方案，最终选择方案二。1.2.8温度检测模块选择直接选择DS18B20进行温度检测。DS18B20是一款自带传感元件和转换电路的数字温度传感器，其所有的电路都集成在塑料壳内，无需外加元件。性价比高，灵敏度高，抗干扰能力强，符合系统需要，更重要的是它只需要占用一个IO引脚，大大节省了单片机资源。2硬件电路设计本设计的硬件电路包括单片机最小系统、显示模块、电源模块、时钟模块、光照检测模块、声音检测模块、灯泡控制模块、红外遥控模块和温度检测模块。2.1STC89C52及最小系统STC89C52是STC公司出品的使用8051核的新型51单片机，其指令系统与传统的8051单片机兼容，它在工作中的时钟频率最高可达到80MHz，芯片内含有8KB大小的具有在系统可编程（ISP）特性的Flash存储器，可进行1000次的反复擦写，结合内部的8位中央处理器，通过PC端的下载软件即可将编写好的代码烧录进单片机内部，速度更快。此外，STC89C52还具有抗干扰能力强、功耗较低等特点[7]。STC89C52的最小系统如图2所示：图2STC89C52最小系统电路图STC89C52使用外接12MHz的晶振作为时钟源，复位端RST经R2接地表示不需要复位。JP1为程序烧录端口，通过外接51下载器对芯片进行烧录。P3.3至P3.7为未使用的IO端口，经JP6对外引出，结合JP7引出的5V电源线和地线，可外接模块对系统进行扩展。2.2显示模块显示模块使用LCD1602液晶显示器，如图3所示：图3显示模块电路图LCD1602是一种常见的点阵型液晶显示模块，可以对字母、数字和符号进行显示。其显示屏上排列着一些5x7（5x10）的点阵字符位，每个位之间相隔一个点的距离，行与行之间也用间隔隔开，用来作为字符间距和行间距。一个字符可以用一个点阵字符位来显示[8]。其中，RP5为5k的电位器，用来调整LCD1602的亮度。2.3电源模块电源模块使用LM7805作为稳压芯片，如图4所示：图4电源模块电路图三端稳压集成电路LM7805是电子产品中经常会使用稳压芯片，其内部集成了保护电路用来防止芯片过热和过载。LM7805的应用电路非常简单，只需外加少量的元件，具有可靠性高、性价比高等优点。在电路中，LM7805外侧加装了散热片，防止芯片性能受到高温影响，甚至损坏。LM7805的输入端与输出端各并联了一个470uF的电解电容，用来防止继电器的线圈对电源产生影响。JP2为接线端子，外接4节串联的18650锂电池对电路进行供电，S1为电路的电源开关。在LM7805的输出端添加了1A的保险丝，防止电流过大损坏电路。2.4时钟模块时钟模块使用DS1302时钟芯片，如图5所示：图5时钟模块电路图DS1302是一种带有闰年补偿功能的实时时钟电路，其内部集成了一个31×8的RAM寄存器，可以用来计时年月日时分秒和周，具有功耗低，性能高等优点。DS1302通过SCLK、IO、CE三个引脚与单片机进行通讯，可以通过设置为突发方式将多个字节的RAM数据进行一次性传送[9]。相较于DS1202，前者增加了后备电源接入端，当芯片主电源上电时，可以通过涓细电流对后备电源进行充电。电路中使用32.768KHz的晶振作为DS1302的外部时钟源，并用CR2032锂锰电池作为其后备电源，使DS1302在电路电源断开时仍能持续工作。2.5光照检测模块光照检测模块如图6所示：图6光照检测模块电路图ADC0832是一种被广泛应用于A/D转换的芯片，分辨率为8位，自身带有两个采样通道，具有价格便宜、适配性强等特点。通过ADC0832检测光敏电阻的电压变化可以精确地反映出系统周围的光照强度变化。光敏电阻RL1与R6串联，当光照强度高于阈值时，光敏电阻阻值较小，分压较小，即放大器正极输入电压小于负极输入电压，放大器输出低电平，红色指示灯LED2点亮，表示系统周围光照充足。当环境周围光照强度减弱，RL1阻值增大，分压增大，放大器正极输入电压增大，直至光照强度低于阈值时，放大器正极电压大于负极电压，放大器输出高电平，红色指示灯LED2熄灭，表示系统周围光照不足。单片机P2.1脚与放大器输出端相连，通过检测其高低电平即可对系统周围光照强度进行判断。光照强度的阈值还可以通过电位器RP6进行调节。光照检测模块中设计了两种检测光照强度的方式，一种是用ADC0832读取光敏电阻的电压，另一种是通过放大器LM393进行比较，直接判断周围光照强度是否低于阈值。两种方式可根据实际需求来进行选取。2.6声音检测模块声音检测模块如图7所示：图7声音检测模块电路图MIC1为声音传感器，声音内自带有一个特殊的电容器，该特殊电容器由垫片、振膜和极板三部分组成。振膜是一个塑料膜，上面带有固定电荷，当振膜检测到声音时，空气振动带着膜片振动，振膜与极板之间的距离发生改变（即电容器极板的间距发生改变），导致电容大小改变，声音两端的电压也发生相应变化[10]。无声音输入时，三极管Q2基极输入高电平，三极管导通，三极管集电极电压（即放大器负极电压）小于正极电压，放大器输出高电平，黄灯LED3熄灭，表示系统周围未检测到声音。当输入声音不断增高，声音电压变化幅度增大，导致三极管Q2的基极电流和集电极电压（即放大器负极电压）变化幅度增大。当声音大小超过阈值时，放大器的负极电压大于正极电压，放大器输出低电平，黄灯LED3点亮，表示系统周围检测到声音。单片机P2.0脚与放大器输出端相连，通过检测其高低电平即可对系统周围声音强度进行判断。声音强度的阈值还可以通过电位器RP7进行调节。2.7路灯驱动模块灯泡控制模块如图8所示：图8灯泡控制模块电路图JP3为LED灯泡的正负极的接入端。继电器JK1的3脚与电源开关的输出端相连，灯泡的点亮与熄灭通过继电器JK1来进行控制。单片机的P1.7脚输出高电平时，三极管处于导通状态，继电器开关吸合（3脚和4脚短接），锂电池直接通过JP3对灯泡进行供电，从而点亮灯泡。当P1.7脚输出低电平时，三极管处于截止状态，继电器开关断开（3脚和4脚断开），灯泡熄灭。2.8红外遥控模块红外遥控模块使用HS0038探头，如图9所示：图9红外接收模块电路图HS0038是一款红外接收探头，自带磁屏蔽功能，外侧使用黑色环氧树脂进行封装，可以阻挡日光等光源，具有低功耗，强抗干扰能力等优点。HS0038采用38kHz的红外信号，接收到信号时可以直接对它进行放大、检波和整形，并将编码信号以TTL电平的形式进行输出。电路中使用单片机的P3.2脚进行接收。24C02为EEPROM，用于保存红外遥控设置的内容，单片机重启后会自动读取上一次的设置信息。当单片机成功接收到红外信号时，会将P1.6脚置为高电平，三极管Q3导通，有源蜂鸣器LS1发出鸣叫声，并持续0.1s作为提示。2.9温度检测模块温度检测模块使用DS18B20传感器，如图10所示：图10温度检测模块电路图DS18B20是一款自带传感元件和转换电路的数字温度传感器，其所有的电路都集成在塑料壳内，无需外加元件。它可以设置9~12位的分辨率，并检测-55℃到+125℃之间的温度。具有性价比高，灵敏度高，抗干扰能力强等优点。3系统软件设计本章简要介绍了STC89C52的开发环境，重点介绍了单片机的程序设计，最后给出整个智能路灯控制系统的测试结果。3.1单片机开发环境简介为了完成系统并实现其功能，需要选择一个合适的开发环境。此处采用KeilC51对STC89C52芯片进行开发调试，并用C语言编程。KeilC51是一款适用于51系列的软件开发系统，兼容单片机C语言，由美国KeilSoftware公司出品。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，并通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。3.2单片机程序设计单片机的系统主流程图如图11所示：图11系统主流程图3.2.1系统初始化程序设计其中系统初始化的流程图如图12所示：图12系统初始化子流程图单片机复位时先进行系统初始化，首先将P1.6和P1.7引脚拉低，熄灭灯泡和蜂鸣器，然后初始化LCD1602显示屏，接着通过P1.3和P1.4引脚从EEPROM中读取复位前红外遥控器设置的信息并对系统进行重新设置，最后初始化红外，即开启红外遥控模块所使用的INT0外部中断。3.2.2时间检测程序设计其中时间检测的流程图如图13所示：图13时间检测子流程图DS1302时钟芯片的初始时间之前已经单独通过程序设置好，并且增加后备电源供电，无论系统是否通电，它都会一直进行计时工作，故使用时只需读取时间数据即可。单片机通过P1.0、P1.1、P1.2引脚与DS1302时钟芯片进行通信，每次会按照秒分时日月周年的顺序读取数据。3.2.3温度检测程序设计其中温度检测的流程图如图14所示：图14温度检测子流程图单片机通过P1.5引脚与DS18B20进行通信，首先发送开启温度转换的命令，这时DS18B20会检测周围温度并将采样值储存在其寄存器中，接着单片机发送读取温度采样值的命令，然后DS18B20会先将采样值的低字节数据一位一位的传过来，再将高字节数据传过来，单片机将读取的数据保存在静态RAM中。3.2.4显示更新程序设计其中显示更新的流程图如图15所示：图15显示更新子流程图在之前的时间检测流程中，读取的时间值为BCD码的形式，为了能够显示，需要将其转换为相应的字符数值，故首先对时间值进行转换。同样的，之前获取的温度采样值也不是需要的形式，故接着对温度采样值进行转换。转换之后，将二者与之前LCD显示的字符串进行对比，最后将显示屏上不同的字符位进行替换，即校正显示数据。不一次性全部更新显示数据，是为了避免刷新过快，LCD屏会出现闪烁的情况。3.2.5环境检测程序设计其中环境检测的流程图如图16所示：图16环境检测子流程图在硬件电路中，光照检测模块和声音检测模块的输出值为高电平或低电平，单片机分别通过P2.1和P2.0引脚进行读取。这里首先读取光照检测模块的输出电平并保存数据，然后查询是否开启声音检测，如开启则接着读取声音检测模块的输出电平并保存数据，若没开启则跳过。3.2.6路灯状态更新程序设计其中路灯状态更新的流程图如图17所示：图17灯泡状态更新子流程图在路灯状态更新中，首先读取路灯当前状态，然后进行三级判断。第一级判断是否关闭自动模式，若关闭则跳过路灯状态更新流程，若开启自动模式，则进入第二级判断。第二级判断是否关闭定时模式，若关闭则跳过第三级判断，进入环境检测判决，若开启则进入第三级判断。第三级判断是否在定时时间内，若是则强制点亮路灯，若不是则进入环境检测判决。在环境检测判决中，会根据之前在环境检测子流程中得到的数据判断是否点亮或熄灭路灯，最后设置路灯状态。3.2.7红外数据处理程序设计其中红外数据处理的流程图如图18所示：图18红外数据处理子流程图在红外数据处理程序中，首先读取保存在静态RAM的红外数据，然后对其进行判决，若为有效信息则进行二级判决，若不是有效信息则跳过并返回主流程。二级判决会判断是否进行自动模式设置，如果不是则表示进行的是手动模式设置，如果是则进入自动模式设置。在手动模式设置中，可以随时关闭或开启自动模式，并强制翻转灯泡的状态。在自动模式设置中，可以设置定时的开启与关闭、声控的开启与关闭以及定时的时间段，并将设置的数据保存在EEPROM中，同时LCD显示屏会显示当前的设置信息。3.2.8红外接收中断程序设计红外数据的接收是在单片机外部中断INT0的中断程序中进行处理的。如果中断程序对接收到的红外数据校验成功，则会对红外接收标志进行设置，然后将数据保存在静态RAM中等待红外数据处理程序进行读取，同时开启蜂鸣器并持续100ms作为提示音。其程序流程图如图19所示：图19：红外接收中断子流程图3.2.9红外按键分析图20红外按键分析3.3实验结果与分析完成后的硬件电路如图21所示：图21智能路灯控制系统实物图红外遥控器面板如下：图22红外遥控器面板图1.打开电源，周围光照充足，设置定时关闭，声控关闭，此时灯泡熄灭，LCD显示屏上显示当前时间和当前温度。用手挡住光敏电阻然后移开，灯泡点亮约7s后熄灭。用手挡住光敏电阻不移动，灯泡持续点亮。2.按两下Mode键进入声控显示面板，再按下播放键进入声控开启/关闭面板，当设置声控开启，此时用手挡住光敏电阻灯泡不点亮。用手挡住光敏电阻，同时对着电路板上的声音发声，灯泡点亮约7s后熄灭。不挡住光敏电阻，对着声音发声，灯泡不点亮。3.按一下Mode键进入定时显示面板，再按下播放键进入定时开启/关闭面板，设置定时开启，再按下两下Mode键进入定时时间段显示面板，按一下播放键进入定时时间段设置面板，定时时间TimeSet1为13:41，TimeSet2为13:42。灯泡在13:41时点亮持续到13:42时熄灭，在其他时间段（声控未开启），用手挡住光敏电阻，灯泡点亮直至手从光敏电阻上移开后熄灭。在其他时间段（声控开启），用手挡住光敏电阻，同时对着电路板上的声音发声，灯泡点亮约7s后熄灭。4.按键顺序同3，设置定时开启，定时时间TimeSet1为13:44，TimeSet2为13:43。灯泡在13:43之前点亮，14:43熄灭，到14:44时再次持续点亮。在13:43到13:44之间（声控未开启），用手挡住光敏电阻，灯泡点亮直至手从光敏电阻上移开后熄灭。在13:43到13:44之间（声控开启），用手挡住光敏电阻，同时对着电路板上的声音发声，灯泡点亮约7s后熄灭。5.灯泡熄灭/点亮，按下红外遥控上的电源键，灯泡点亮/熄灭，再次按下电源键，灯泡状态翻转。此时设置定时、用手挡住光敏电阻、对着声音发声都无法改变灯泡状态。按下红外遥控的“EQ”键后，灯泡回归系统的控制。由以上测试结果得出，完成的智能路灯控制系统可以按照要求实现对灯泡的控制。结论本文首先介绍了课题的研究背景及意义，接着分别对系统的硬件部分和软