基于單片機的智能路燈控制系統設計TOC\o"1-2"\h\u85921緒論 1198181.1引言 1308551.2城市路燈控制的現狀 2136041.2.1傳統的路燈控制方式 2101471.2.2存在的問題 3288161.3智能型路燈自動控制器的必須性及其可行性 3103021.4智能控制器的組成及功能 3119742智能控制器的設計方案及原則 491272.1智能控制器的設計方案 4143462.2智能路燈控制器的設計原則 5154852.3智能路燈控制器的特點 523107圖2.3智能路燈控制器拓補圖 5286143智能路燈控制器的硬件電路設計 6210383.1單片機STC89C51 6132673.2時鐘芯片DS1302 7243783.3鍵盤環節 10274443.4顯示環節 11243643.5看門狗芯片X25045 13133763.6控制開關的開關量輸出部分 14307183.7上位機通信芯片MAX232 1687113.8控制器供電電源的設計 17188364智能路燈控制器的軟件設計 1945164.1仿真軟件Proteus的簡介 19118364.2keilUVision5編程開發工具的簡介 19100574.3日出日落時間的確定 1920724.4程序流程圖 206264結論 221緒論1.1引言隨著中國經濟的快速發展，中國城市建設進入了快速發展階段。一個城市道路照明的情況對于一個大型城市來說是一個非常重要的指標,它與其人們生活和工作休戚相關,更是直觀地反映了一個大型城市的建設水平及其風貌。這些年來,隨著我國城市建設規模不斷的壯大和發展,城市道路上的交通照明燈光數量也在不斷地增加，管理水平更要跟上時代的步伐路燈的控制水平能否實施現代化,直接地反映了一個城市在發展中的地位如何。現在對城市路燈的控制越來越迫切地需要一種更加科學高效的方法，來對開關燈的時效性提出一個更加嚴格的要求。智能化的路燈控制裝置儼然已經成為了各個城市建設的必要方向。城市的照明燈光系統使用的是高壓輸電線或者地下電纜里的一些電力資源，從這些方式中獲取電力，然后通過各種方式輸送到燈光系統使用可在變壓器的二次側。因為我們以前的技術方法過于傳統化，如手動控制、光敏式控制器的自動化控制等,不能充分地滿足現代城市路燈控制的需求。隨著我國城市建設的不斷推進,現有的道路路燈管理控制技術方法己經遠遠達到了人們的需求。這些技術方法不僅浪費了大量的時間和人力物力,而且不能滿足準確及時控制的要求,已遠遠落后于現代都市的所需。所以，怎么樣做出一個方便高效的操作方式，是非常重要的一件事。1.2城市路燈控制的現狀城市燈光在行使它照明的使命的同時，反映了一個大型城市的建設水平及其風貌。因此，讓路燈保持一個良好的運作和智能的亮熄是十分重要的。無論什么季節亮燈時間相同，并且亮燈時間固定，在一些偏遠的街道和很少有人行走的街道，在亮燈方面和繁華的街道亮燈時間相同，然后對照明燈具產生損耗，且對電力也是一種極大的浪費。因為控制不夠現代化，趨向于傳統化，也增加了很大的人工管理成本，管理起來也較為麻煩。長久發展以來,城市路燈早已從簡單的照明系統發展成為了美化城市的一種裝扮，同時人民和政府也對路燈控制提出了越來越高的要求。1.2.1傳統的路燈控制方式我國城市路燈照明控制的方式一般為以下幾種：（1）人工控制：人工制定時間表，到時人工進行開關。（2）時控方式：預設特定的時間點進行開關，可人工調整具體時間。（3）光控方式:通過光線強弱判斷開關時間，但是容易受到外界因素如車燈陰天等的干擾，從而發生誤判。1.2.2存在的問題傳統的方式已經不能滿足人們日常生活的需要，不能及時開關，容易出現故障，也浪費了人力資源。同時，傳統的控制方式需要隨時進行控制，這會由于人為失誤造成大量的功率浪費。采用定時器控制，由于一年四季的切換時間不同，還需要人工調整，這些控制方法占用了部分人力資源。1.3智能型路燈自動控制器的必須性及其可行性必須性：燈光是現代社會必不可少的公共設施，路燈管理的自動化程度高、可靠性高、使用舒適性強是必不可少的。傳統的開關主要依賴于光電的控制或操作者對光電設備進行人為的控制,不僅光電設備開關的時間和位置不夠正確,還很有可能因為人為失誤而導致的不良影響,給廣大人們的工作和生活造成了帶來不便。智能控制器主要是通過對時鐘和芯片的準確控制,實現了自動化的控制,并隨著不同地區日出和天氣日落的不同而自動調節開關電源和時間,方便了工業和人們的日常生活,減少道路事故促進經濟發展。可行性：智能控制器是通過單片機技術，編程技術精確控制的設備，能夠滿足路燈控制器長期的穩定可靠運行的需求。并且隨著芯片技術的發展，其性能和可靠性都將大大提高，以后的前景也越來越廣闊。1.4智能控制器的組成及功能組成：控制器由單片機，日歷時鐘，繼電器驅動電路，看門狗電路，鍵盤，顯示等組成。功能：進行沒有人參與的自發控制，對日出日落時間進行準確控制，根據時間的改變，根據位置的改變，修正切換時間，實現智能控制。2智能控制器的設計方案及原則2.1智能控制器的設計方案城市的燈光照明系統從高壓電線獲取電力，經低壓電線將電力送到所有路燈。開關的選擇及位置直接影響到了日后的使用情況,因此不能將其設置在一次側,既會浪費大量的電力,又會因為維護麻煩而浪費大量財力,只能直接采將一次開關連接在一次式變壓器的二次側來對其進行一次開關的控制,由自動化的控制設備來實現一次式接觸器的開關控制,通過一次式接觸器的開關控制由一次式自動化的控制設備來實現,從而可以實現一次式路燈的開關控制。接線圖如2.1所示圖2.1電氣接線圖由于現在芯片技術的發展，時鐘芯片的精度也越來越高，通過其精確的計時，可以實現每天準確的對燈光系統進行控制。伴隨著科技和電子技術單片機的快速發展，我們步入了高度智能化的現代社會，也給我們的生活帶來了巨大的改變。單片機的不斷發展，也把現代科技推進了一步，由它組成的儀器有非常高的穩定性，價格優惠性價比高，還易操作，比以往的體積也更加微小，給人們更好的用戶體驗，反之，單片機也因此被應用在生活中的各個部分，走向深入。輸出開關電平，控制繼電器，實現路燈的開關控制。2.2智能路燈控制器的設計原則設計需要考慮以下四點：(1)具有高可靠度。可靠度是對路燈進行控制的一個重要指標。燈光控制必須設置在室外,但外面的環境很嚴峻。(2)方便人們進行操作和維護。操作裝置操作簡單，容易熟練和操作。(3)實效性強。控制系統對于時效性要求很高，為了不耽誤人們的日常需求，必須要有足夠快的反應速度。通過系統芯片的內部變化準確判斷出故障范圍，及時做出應對。(4)通用性強，經濟效益好。該產品是一種通用設備，要適應不同地方的環境以及經濟狀況，性價比要高，適應性要強。2.3智能路燈控制器的特點智能控制器可以精準快速的計算出一個地點的日出日落時間。因此可以通過時間修正，進而實現無人看守的自動控制，以單片機89C51為核心，內置可充電電源,因此停電之后也可以繼續維持時鐘芯片的工作，真正的實現無人自動化。智能路燈控制器拓補圖如圖2.3所示。圖2.3智能路燈控制器拓補圖3智能路燈控制器的硬件電路設計3.1單片機STC89C51這是一個完全可編程4k只讀存儲器,它具有低電壓和優越性能的特征。它也給我們帶來了許多比較便宜的選擇,即嵌入式監視器。STC89C51單片機作為主控芯片作為本次設計選擇。單片機最小系統，顧名思義，它就是利用最少的元件與單片機組成最小應用系統，可以利用它進行一定的工作，它也是所有其他系統拓展的基礎半導體硅片上的集成電路。其中包括中央處理器，是接收處理信息的最終執行單元；存儲器，主要是對各類數據在任何情況下能夠進行存儲；并串行I/O，單片機輸入輸出口，即進行信息交換的橋梁；定時器/計數器，單片機進行時間計時的地方；中斷系統，包含中斷裝置和中斷處理程序，在系統發生故障或者有錯誤時，可以終止程序運行；系統時鐘電路及系統總線。從掌握知識方面來說，在大學四年學習過一段時間的單片機課程，自信還能對涉及51單片機方面的問題有些了解，同時還有老師和同學能夠給予在這方面的補充。單片機的發展進程從最開始的雙片8位單片機，一直在8位單片機上豐富其他功能，到后面的16位及更多位的單片機誕生。其中MCS-51系列單片機至今應用依然很廣泛。STC89C51的原理圖，如圖3.1所示。圖3.1STC89C51原理圖針對上圖標示進行如下解釋：PSEN：此為外程序讀取選通，程序來源為外部存儲。XTAL1、XTAL2：分別是系統內晶振時鐘電路的反相輸入、反相輸出。VCC、GND：分別接+5V電源正端、地端。ALE：地址鎖存（鎖存器即是通過此引腳觸發，然后作用到P0傳送的低八位的地址數據。除此之外，ALE觸發存儲地址時，脈沖信號也可以由此引腳修復。其中的脈沖信號來自輸出1/6的時鐘振蕩。）PROG：輸入編程脈沖，作用于閃存編程。EA/VPP:該引腳可以連接12V編程電源(VPP)。并且進行加密編程時，EA端會在執行rst時鎖存于此。P0.0~P0.7：漏極行雙向輸出入I/O口。8位依次對應P0口的端口。其可以用做輸入端口，此時，8位在輸入周期中或者表示數據總線或者或者表示地址總線。這是P0口不同于其他I/O口，而所特有的電路結構。P2.0~P2.7：帶內部升壓電路的雙向I/O端口，一組8位。P2端口即可輸入也可輸出。其電流能夠驅動的TTL負載數為4。用P2端口進行輸出時，輸出內容為8位P2鎖存器內容、存儲器地址。若P2端口設置為1，即可進行輸入，此時信號為高電平狀態。除此之外，針對外部數據存儲器，不管是8位地址還是16位地址，P2端口都有自己的訪問機制。3.2時鐘芯片DS13023.2.1DS1302概述芯片有實時時鐘和靜態RAM連接到一個串行接口，其內部時間信息可自動調整，無需人為管理，進一步實現了本設備的自動化。3.2.2DS1302的基本構造及其工作原理本次設計采用的是按鍵復位。復位電路通過復位引腳與單片機連接，復位電路的作用就是當系統運行出現錯誤時，可以按下復位按鈕對系統進行復位從而使系統恢復正常運轉。按下按鍵后，連通電阻進行分壓，使單片機的復位端處于比較高的電位下，復位時間被按鍵時間決定。一般來說，輸入輸出口的復位速度趕不上單片機的速度。在實際情況的考慮下，盡可能讓初始化程序處于后面，先讓其他部位的復位完成，所以需要在其中設置一個時間。引腳說明：如圖3-1圖3.2.2DS1302的基本組成X1，X2:X1和X2是外部晶體振蕩器引腳。在所有部件中，有兩個最為重要的引腳--時鐘電路51單片機上的XTAL1~2引腳。中央處理器工作頻率是振蕩電路決定的，并且振蕩電路還決定了脈沖信號的生成頻率。然而振蕩電路的形成，這兩個引腳的連接、電容的并聯都是是必不可少的。其中，一個引腳輸入振蕩電路，另外一個引腳輸出內部振蕩電路。除此之外，電容的聯需要用到兩個20pf左右的電容。其作用是在晶振器件單獨使用時無法產生穩定的脈沖信號時，進行輔助。在保證精度的前提下，建議選用32.768KHz晶體振蕩器頻率。外部電源為芯片供電，斷電時對內部數據保存牢固。GND：公共接地引腳：芯片的復位接口引腳。I/O：數據輸入/輸出引腳Vcc1，Vcc2：確定的電源工作引腳。表3.2.2DS1302的控制字數據輸入和輸出：輸入指令，當芯片處于上升沿時寫入數據。下降沿時讀取數據。應急模式：讀寫地址1FH（A1到AO都是1）。3.2.3DS1302與單片機的連接電路如圖3.2.3（1）所示，由一個32KHZ的晶振和三個0.1μF的電容、三個10K的電阻組成，與AT89C51單片機的P10、P11、P12連接。圖3.2.3（1）連接電路3.3鍵盤環節鍵盤是設備的關鍵部分，它可以實現對時鐘芯片的調時和設定，同時也是設備操作的唯一方式。鍵盤與單片機的連接電路如下圖3.3圖3.3連接電路各鍵作用：K5確認輸入值；K1左向選擇被控制屏幕；K2右向選擇被控制屏幕；K3增加數值；K4減小數值。需要設定經緯度值的時候，采用正確的延時方法，即芯片的延時顯示，否則可能會使時鐘對時不準確。3.4顯示環節采用六個LED管進行顯示，顯示數據為經緯度坐標和照明系統的開關時間。單片機的P0口連接到反向驅動器上，然后在輸出引腳上加一個負載，此時輸入電壓和輸出電壓為一對相反的值，即低電壓對高電壓，高電壓對低電壓。若系統輸入為低電平,則系統不能正常工作,當輸入信號轉換為高電平時，系統開始工作。控制電路基本結構描述如下圖3.4（1）。圖3.4（1）反向驅器與單片機的連接電路P2.5、P2.6、P2.7引腳借助三八段數字串聯電路譯碼器對LED管之間進行連接位置上挑選,發光二極管之間可以使用一根共陽極與發光二極管進行聯系,電路有八個10k的電阻和UIN2803組成，連接位置可以選擇為PNP三極器與管導通連接方式如下圖3.4(2)。圖3.4（2）連接電路顯示環節與單片機的連接如圖3.4（3）。圖3.4（3）顯示環節的連接電路3.5看門狗芯片X250453.5.1X25045的介紹微處理器可以被看門狗定時器單獨看護。若發生的故障時間大于事先設計的時間時，看門狗定時器將響應。看門狗芯片具有檢測功能，可以在系統即將處于低電壓狀態時檢測出來。當輸入電源電壓較低時，系統復位，等輸入電壓達到標定值時，恢復正常功能。3.5.2X25045的工作原理X25045有一個8位的指令寄存器,數據由SCK上升沿的時鐘進行同步輸入。整個操作時間,必須始終保持低電平,同時同時輸入必須是高電平。看門狗芯片能夠對總線進行監測,并且能夠在總線出現故障情況下提供復位信號的輸出。芯片的指令和操作碼如表3.5.2所示。表3.5.2指令集3.5.3X25045與單片機的連接電路X25045工作地點穩定，一般不會頻繁更換內部的經緯度值，所以要求其有穩定的方式應對停電，故障等的影響，因此一般將初始的經緯度值寄存在芯片中，以避免發生數據丟失的情況，導致需要頻繁的人為維修，以免增加人力成本。X25045與單片機的連接電路如下圖3.5.3所示。圖3.5.3時鐘芯片與單片機的連接3.6控制開關的開關量輸出部分3.6.1開關量輸出電路的結構89C51其中有五個輸出口用以輸出按鍵信息。繼電器同時也需要反向器和驅動芯片進行控制。所以有如下連接方式。結構如圖3.6.1所示。圖3.6.1開關量輸出電路結構單片機在一個高電平下的上電時,每個進入輸出中的端口都是一個高電平,因此在這個高電平上電應增加74HC14逆向器,并且應該采用一個新的低電平電路控制,防止整個單片機在電平上電時對整個輸出中高電平的信號閃爍而產生影響而達到電路控制。3.6.2MC1416的功能和工作原理該芯片的負載性能強,可以直接作為繼電器工作。負載電壓通常可以連接至5~30v。性能特點：·輸出電壓可達100V·有輸出鉗位的保護二極管·特別適用于驅動繼電器單片機與反向器連接電路如圖3.6.2所示。圖3.6.2單片機于反向器連接電路3.6.3繼電器的選擇經過參數挑選，最終確定固態繼電器，工作原理圖如下圖3.6.3所示。圖3.6.3固態繼電器JGX-10F的工作原理耦合電路以光耦合器作為輸入/輸出間的通道，為了防止內部干擾，使其完全隔離電路。當輸入信號的值為零時可以觸發開關器件，以使其完成通斷動作，減少干擾。所謂的過零電壓不僅僅僅只是我們用來表示指的零伏,而在正負10V—正負20V的電壓范圍內。該系列繼電器的最大電源輸入輸出電壓控制范圍一般為3.2~14v。3.7上位機通信芯片MAX232MAXIN公司生產和研發的單片機，采用正五伏單電源供電，功耗低。它是一種同時具有兩個接收器和一個驅動器的集成電路芯片,可以用于RS232C通信接口。MAX232與開關單片機的相互控制聯系開關連接器的電路結構如下圖3.7所示。然后控制器通過MAX232進行電平的轉換，通信，同時對控制器進行仿真與調試。圖3.7MAX232與單片機的連接電路該芯片有變換電壓的功能。因此我們一般采用正五伏的電源，就可以實現其功能。3.8控制器供電電源的設計電子設備中所需要采用的交流電源絕大多數都只能是一個直流電源,而交流電網中所提供的直流電源則大多是一個交流電源,因此,有必要把一個交流電直接轉化成成為一個直流電。該控制功能主要采用直流輸出方式輸入運行。具體轉換方法一般是用一臺直流變壓器從交流電網中直接取得某種固定大小的高頻交流輸出電壓。然后充分利用該光電二極管的單向交流導電驅動特點,將單向交流脈動電壓將其轉化轉變為單向性的脈動直流電壓,濾波控制電路將其轉化轉變為相對穩定的直流脈動電壓。這個濾波工作處理過程被我們稱為輸入整流和穩壓濾波,然后通過一個輸入穩壓電壓回路,即使其一個輸出的輸入電壓也基本上都不會直接伴隨著進入電網的一個輸入輸出電壓。單相全波橋式整流電路的結構及輸出波形如圖3.8（1）所示。圖3.8（1）電路原理圖整流濾波后的電壓即可在本裝置中使用。但其中的輸出電壓常常伴隨著交流電源的輸入電壓及負載輸出電壓的變化而發生波動,因此當需求量相對較大的情況下,宜在整流式濾波電路之后再添加一種穩壓保護措施,以便獲得更穩定的交流電源負載。本次設計中的穩壓環節采用了三端集成穩壓器，該系統結構見圖3.8(2)所示。圖中C2主要起到一個抗擊和抵消電感的功能,用來預防該電路在工作時會發生一定量的自激振蕩。C3用來去除輸出電壓變化中的高頻噪音。圖3.8(2)三端集成穩壓器4智能路燈控制器的軟件設計4.1仿真軟件Proteus的簡介Proteus是一款進行仿真測試的軟件，它是我們在學校進行仿真學習時經常用到的軟件。它的功能非常強大，是目前單片機的愛好者和教學工作者使用范圍最廣的一款軟件。proteus軟件首先會把原理圖畫好,然后再把這個原理圖放到軟件上進行模擬仿真。利用軟件進行仿真,為接下來的設計和制造實物提供了非常好的鋪墊。只要我們的仿真成功,后期依靠仿真方法來制造實物也許會一氣呵成。proteus可以將抽象的理論知識在軟件上形象地表示出來。4.2keilUVision5編程開發工具的簡介keiluvision5是一款用來進行編程的仿真程序編寫軟件。與匯編語言相比C語言更適合使用者讀取，所以本設計所使用的編程語言都是C語言，將編寫好的C語言的源程序文件進行保存并重新添加到自己的項目中。然后再檢查文件的準確性確認完全無誤后才允許它對其進行編譯、連接、調試等操作，并且確認它可以生成可執行文件hex，最后把正確的hex文件導入仿真軟件中中。單片機就可以完全按照我們自己所需要編寫的操作過程和其內容來完成這個動作。4.3日出日落時間的確定因為日地形態原因，在地球上不同的地區，每天的日出日落時間也相差很大，要想使系統做出最合適的反應，在太陽升起和太陽落山時計算相應的坐標，用來改變時間的標準。太陽升起和太陽落山時間就是指人們在能夠允許天空中的大氣對地球進行折射作用的條件下,將地球看成一個正常的球體,太陽的上緣剛好升起接近地平線的一段時間。以觀測者的地表平面為測量基準,太陽光照射點位于-0.833度的正確位置。需要設定一些具體的值，把日出日落的一個循環看作三百六十度，則每12h為一百八十度。以下開始介紹具體算法。具體算法：(1)首先通過計算可以得出為2000年1月1日至這個計算日的一個數字為days;(2)計算時間為2000年1月1日至計算日的第一個世紀數t，則t=（days+/360）/36525(3)計算太陽的平黃徑L=280.460+36000.770×t(4)計算太陽的平近點角G=357.528+35999.050×t(5)計算太陽的黃道經度=L+1.915+0.020×(6)計算地球的傾角=23.4393-0.0130×t(7)計算太陽的偏差=(8)計算格林威治時間的太陽時間角GHA=-180-1.915(9)計算修正值(10)計算新的日出日落時間=；其中“十”表示計算日出時間，“一”表示計算日落時間；上述用于計算全球地表天文日出和地球天文日入時間的標準測量方法,分別廣泛適用在北緯60度以下和南緯60度以下的發達國家和偏遠地區。如果我們所需要計算的地球位置在一個西半球,經度上的long為一個負數。4.4程序流程圖系統的軟件設計是根據系統的硬件設計的基礎上設計的，也就是說，根據硬件設計的要求，我們將它用編程的方式表現出來，再進行調試，修改，最后實現了所要求的功能，這就是就是系統的軟件設計。軟件設計包括很多部分，比如主控制程序，按鍵程序，顯示程序，復位程序等等，所以采用模塊化結構，將主程序與各個子程序和條件程序通過接口連接。在進行單片機系統的設計時要合理的分配功能給軟硬件