基于51单片机的模拟路灯控制系统
中文摘要
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本作品是具有自动化程度高、运行可靠、使用维护方便的照明控制系统，为城市路灯现代化提供了一些参考方案。系统采用STC单片机为核心的最小系统板，设计了模拟路灯控制系统。控制系统采用定时器设定时钟功能，设定、显示开关灯时间；用了基于555为核心的红外传感器检测物体的定位。路灯单元控制系统采用恒流源供电，具有输出功率调整功能，并能定时调整功率。阐述了基于单片机模拟路灯控制系统实现的设计思想、方法及过程。该模拟控制系统，能有效的节约能源，减少照灯具的损耗。
城市亮化随之被政府所重视，既而大量的资金投入进行建设和改造中去，使得我们的城市夜晚变得灯火辉煌，绚丽多彩，但同时，诸多问题也随之而来：能耗的逐年攀升，产生的某些问题亦逐渐显露出来，如城市路灯的维护量增大，带来人员不足的问题，使得路灯故障时不能得到及时的修复以致造成人民生活的不便；维护费用也随之增加，社会成本过高，电费支出过多，财政承担相对困难，给政府带来了相对大的压力；光污染现象严重……这些问题的产生无疑给当地的路灯管理部门的各方面工作带来很大的压力，因此他们迫切的想解决此问题，故针对这种情况我们设计并制作了这一节能智能型的模拟路灯控制系统，其主要价值在于能更好的节能与监测，在很多方面给人们带来了方便，给维护人员降低了难度。
在白天模式的时候，还能根据环境明暗的变化控制路灯的开启和关闭路灯，在夜晚模式的情况下，根据交通路面情况自动开关灯。当灯出现故障不亮时，能够检测并且通过声光系统报警，显示器上显示故障灯的编号。自制的单元控制器中的LED灯恒流驱动电源，在多数情况下，具有系统稳定，功耗低等特点。
以STC89C51RC为核心，利用时钟控制LED灯的开关时间段，通过红外感应模块将物体运动的信号通过555的TTL高低电平输入单片机，并通过三红外线输入的情况判断物体运行方向，再控制LED灯的开关情况。并完成四方面的功能：时间设定功能，环境明暗判断，独立控制功能，交通条件控制功能。显示部分用LCD
液晶显示，要求能显示实时时间以及对路灯设置的开关灯时。
关键词：STC89C51单片机，红外传感器，1602液晶显示器，DS1302 NE555
ABSTRACT
This work has a high degree of automation, reliable operation, and easy maintenance of lighting control system; provide some references for the modernization of city lights. STC single-chip at the core of the system of minimum system board, design a simulated Street lamp control system. Control system uses a timer to set the clock function, settings, display switch lamp time; based on 555 as the core of the infrared sensor to detect the orientation of objects. Street lamp control system uses a constant current power source, with output power adjustment features, and adjust the power can be scheduled. Elaborate Street lamp control system based on single-chip computer to realize the design, methods and processes.
In the daytime mode, can also according to the environment of light and shade change control street lamp of opening and closing street lamp, in night mode according to the road traffic situation to be automatic open to turn off the lights. When the lamp fails is not bright, capable of detecting and alarm by sound and light system, fault lamp number displayed on the monitor. Homemade LED lamp constant current power supply in the unit controller, in most cases, system stability, and low power consumption characteristics.
The simulation control system can effectively save energy, reduce the loss as the lamps. With STC89C51RC as the core, using time clock control of LED lights switch, motion signals through the three infrared sensor modules by 555 TTL low level input single-chip, and judging by three infrared input object is running, control of LED lights switch. And complete the four functions: time setting function, environmental value judgments, the independent control functions, traffic control functions.
Keywords:STC89C51、single-chip、infrared sensors、1602 LCD DS1302 NE555
目录
中文摘要........................................................... I 英文摘要.......................................................... II 第一章绪论 . (1)
1.1概述 (1)
1.2 系统的性能要求及特点 (2)
第二章模拟路灯控制系统总体设计 (3)
2.1 模拟路灯各个系统的作用 (3)
2.2 模拟路灯总体设计 (3)
第三章系统分析及硬件设计 (5)
3.1 系统设计思路与方案比较论证 (5)
3.1.1方案论证与确立 (5)
3.2 各个模块的硬件电路设计 (6)
3.2.1 物体感应模块设计 (6)
3.2.2 时钟模块设计 (8)
3.2.3 中央控制模块设计 (10)
3.2.4 显示模块设计 (11)
3.2.5 硬件系统原理图 (14)
第四章软件设计与调试 (15)
4.1系统设计思路 (15)
4.2系统各部分子程序设计 (15)
4.2.1 主程序设计 (15)
4.2.2 红外中断与查询子程序设计 (15)
4.2.3按键设定程序设计 (17)
4.3整体系统的软件调试 (18)
总结 (19)
致谢 (20)
参考文献 (21)
第一章绪论
1.1概述
城市照明工程作为城市公共设施的重要组成部分，对完善城市功能，改善城市人居环境，提高人民生活水平发挥着重要作用。近年来，随着城区总面积的不断扩大，道路照明设施也随着变化。为方便广大市民夜间出行，美化城市环境，市路灯管理如果管理不当，那将会浪费多少能源。路灯管理的方便性和路灯节能对一个城市而言非常重要。
通过对路灯等照明设备的控制，可以减少一些不必要的电力损耗，延长路灯的使用寿命，以适应现代化的需求。随着人们对节能环保的诉求越来越高，以及十城万盏半导体照明工程的启动，我国基本确定了以LED室外照明为主攻方向。其中，LED路灯备受瞩目，被政府视为推动照明应用市场的重要切入点。
模拟路灯控制系统是生产生活和城市道路建设中必备的系统之一。根据设计题目要求，我们以单片机为中心，通过AT89C51单片机实现对路灯定时开关及时间显示的控制。红外传感器部分电路通过可根据外界环境明暗的变化，能够自动进行开灯和关灯。红外传感器可以接收物体在一定范围内发出的红外线，因此，将红外传感器置于适当位置，便可实现灯依次点亮的控制。通过对AT89C51单片机进行编程，使用单片机的两个端口分别对两只路灯进行控制，并设定不同的开灯和关灯时间。最终，达到所要求设计的各项指标。
目前，国内外都在致力于研究LED相关的技术，并且一部分的产品已经面向了市场，与同类产品相比更节能、更环保，适应了现代化的发展方向。但是，在城市路灯上面的LED产品应用还比较少，时间是一个问题，而且替换的成本和价格还不确定。因此，我所设计的LED路灯也是靠近时代前沿的产品，至于它的实用性还有待进一步的提高。
1.2 系统的性能要求及特点
模拟路灯控制统应能达到以下功能要求：
（1）系统有时钟功能，能设定、显示开关灯时间。
（2）系统应能根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。（3）系统应能根据交通情况自动调节亮灯状态。
（4）系统能控制两盏路灯的开灯和关灯时间。
图1-1 路灯布置示意图（单位：cm）
第二章模拟路灯控制系统总体设计
2.1 模拟路灯各个系统的作用
本方案要实现的主要是在不同天气，环境条件下，通过系统和各个设备来控制路灯的亮灭以及灯光的强弱情况。
设计中采用的方法是：
1.通过红外感应器，提前发现感应到即将通过的人或其他物体，并将信号传送到中央控制模块，然后开启路灯。
2.用一个光照感应器，感应光照强度，用来改变灯光的强弱程度。在光照过弱时，光照感应器接通，并将信号传送到555的红外感应器上，如果有人通过，则路灯通过红外线将信号传给中央控制模块，然后控制路灯接通点亮。
3.时钟模块主要作用是用来计时和控制不同季节，年份路灯的开关时间长短。每次亮的时间通过时钟模块来起定时作用，还可以显示现在的日期、时间。
4.显示模块，是对各个系统传递回来的数据进行信号转换和处理后，显示在显示器上。
5.按键控制模块，是对程序的编译控制，可以输入信息，改变信息。
6.中央控制系统是对整体运行的控制，是模拟路灯控制系统中最重要的部分，并且可以对其他的各个系统进行有效地调节和控制。
2.2 模拟路灯总体设计
光照感应器，感应光照强度，将信号传给红外感应器，只有当光照强度低到一定的规定值时，在红外感应器感应到有物体经过后路灯才会点亮，否则则不会点亮。通过按键控制，改变路灯的的状态，也可以使路灯无条件的亮灭，这是人为的控制。
根据题目要求，经过仔细分析，参考硬件软件因素，大致可以将本系统分为：物体感应模块，时钟模块，中央控制模块，按键控制模块，显示模块，光照感应模块。如图2-1所示
图2-1 系统整体框图
第三章系统分析及硬件设计
3.1 系统设计思路与方案比较论证
3.1.1方案论证与确立
1、央控制模块
方案一：采用单片机控制，利用利用以C51系列为核心的单片机系统控制两盏LED开关灯时间，利用单片机的内部时钟与外部中断能够满足系统设计要求，且成本较低，适合路灯系统的大规模建设。
方案二：采用FPGA和单片机相结和的方式路灯的控制，由于本系统只需要实现对两盏LED灯的控制，不需要大规模的FPGA。
方案三：全部采用模拟电路模块时间。由于本系统设计要求时间判断，环境判断，独立控制等逻辑功能，使用模拟电路导致电路的庞大复杂。
2、物体感应模块
方案一：利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。
方案二：采用超声波感应，超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。
方案三：利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。
3、显示模块
方案一：数码管显示，由于本题要求实时显示系统时间、状态、和故障LED 灯编号等，而数码管不能显示字符。
方案二：LED点阵显示，LED点阵显示虽然能显示字符和数字，但显示效果不好，且不易编程。
方案三：LCD液晶显示，LCD液晶不但能显示字符和数字，而且显示效果较好，容易编程实现。
4、时钟模块
方案一：专用时钟芯片，直接将时钟信息存储在时钟芯片中，利用时钟芯片自带的定时器定时，中央控制模块读取该时钟芯片时钟信息，节省其系统资源提高时间精度。
方案二：利用机械定时器件，
方案三：利用555定时器组建定时模块555，555定时器具有成本低，性能可靠等优势，虽然能够做到精确定时但不具备储存时间信息的能力。
5、按键控制模块
方案一：均采用轻触按键。
6、综合以上方案最后确立了各个模块所使用的方案为
3.2 各个模块的硬件电路设计
3.2.1 物体感应模块设计
1. NE555概述
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。
NE555的特点有：
1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
2.它的操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。
3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
NE555的极限参数，不同的封装形式及不同的生产厂商的器件这些参数不尽相同，极限参数是指在不损坏器件的情况下，厂商保证的界限，并非可以工作的条件，如果超过某一环境下使用，其间的安全性将不会得到保证，这使用中应加以注意。
2. 555定时器的电路结构与功能
555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等。由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。555的电路结构如图：
图3-3 555内部电路结构图
555的引脚功能如下：
1脚， (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。
2 脚，(触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/
3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。
3脚， (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。
4脚， (复位) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。
5 脚，(控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
6脚， (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。
7脚， (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
8 脚，(V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。
参数功能特性：
?供应电压4.5-18V ?输出电流225mA (max)
?上升/下降时间100 ns ?供应电流3-6 mA
3. 基于NE555的红外感应设计
红外对管原理：直流驱动红外探测器电路的设计与参数计算电路如下图所示（图3-4）。W1和R1及D1成简单直流发光二极管驱动电路，调节W1改变发光管的发光光强，从而节探测距离，NE555及其外围原件构成施密特触发器,其触发电平可通过W2调制，接收管D2 和电阻R2构成光电检测电路。通过NE555第3脚输出的TTL平可以直接驱动单片机I/O口。由于NE555输出信号为TTL 电平,单片机检测方便。
图 3-4直流驱动红外探测器电路
3.2.2 时钟模块设计
时钟模块主要功能是时间设置，主要由DS1302芯片实现，它通过串行方式与单片机进行数据传送，能够向单片机提供包括秒、分、时、日、月、年等在内的实时时间信息，并可对月末日期、闰年天数自动进行调整；它还拥有用于主电源和备份电源的双电源引脚，在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。另外，它还能提供31字节的用于高速数据暂存的RAM。鉴于上述特点，DS1302已在许多单片机系统中得到应用，为系统提供所需的实时时钟信息。
1. DS1302芯片概述
DS1302慢速充电时钟芯片包括实时时钟/日历和31字节的静态RAM，它经过一个简单的串行接口与微处理器通信，实时时钟/日历提供秒、分、时、日、周、月和年等信息，对于小于31天的月，月末的日期自动进行调整，还包括了闰年校正的功能。时钟的运行可以采用24小时或带AM（上午）/PM（下午）的12小时格式。使用同步串行通信，简化了DS1302与微处理器的通信。与时钟/RAM通信仅需
三根线：（1）RST(复位)、（2）I/O（数据线）、和（3）SCLK（串行时钟）。数据
可以以每次一个字节或多达31字节的多字节形式传送至时钟/RAM或从其中送出。DS1302设计成为能在非常低的功耗下工作，消耗小于1微瓦的功率便能保存数据和时钟信息。
DS1302是DS1202的升级产品，除了DS1202基本的慢速充电功能外，DS1302具有的其它特点包括：用于主电源和备份电源的双电源的双电源引脚，可编程的VCC1慢速充电器以及7个附加字节的高速暂存存储器。
2. DS1302工作原理
串行时钟芯片的主要组成部分：移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟以
及RAM。为了初始化任何的数据传送，把RST置为高电平且把提供地址和命令的8
位装入到移位寄存器，数据在SCLK的上升沿串行输入，无论是读周期还是写周期发生，也无论传送方式是单字节传送还是多字节传送，开始8位指定40个字节中的哪个将被访问。在开始8个时钟周期把命令字装入移位寄存器之后，另外的时钟在读操作时输出数据，在写操作时输入数据。时钟脉冲的个数在单字节方式下为8加8，在多字节方式下为8加最大可达248的数。如图3-5，引脚排列：
图3-5 DS1302引脚排列
引脚说明：
X1,X2：32，768kHz晶振引脚；GND:接地；RST：复位；I/O数据输入输出；SCLK:串行时钟；VCC1,VCC2:电源引脚。
实时时钟具有能计算2100 年之前的秒分时日日期星期月年的能力还有闰年调整的能力;
1. 31 8 位暂存数据存储RAM;
2. 串行I/O 口方式使得管脚数量最少;
3. 宽范围工作电压2.0 5.5V;
4. 工作电流2.0V 时,小于300nA;
5. 读/写时钟或RAM 数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式;
6. 8 脚DIP 封装或可选的8 脚SOIC 封装根据表面装配;
7. 简单3 线接口;
8. 与TTL 兼容Vcc=5V;
9.可选工业级温度范围-40 +85;
10. 与DS1202 兼容;
11. 在DS1202 基础上增加的特性;
3. DS1302的电路设计
如图3-6所示，VCC1接3V电压，VCC2接+5V电源，X1,X2接晶振，I/O串行口输出，RST复位端。
图3-6 DS1302电路图
3.2.3 中央控制模块设计
1. STC89C52单片机概述
与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、 1000次擦写周期、全静态操作：0Hz～33Hz 、三级加密程序存储器、 32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。
2. STC89C52功能特性描述
STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K字节在系统可编程Flash。
3. C51单片机最小系统介绍
单片机最小系统由晶振电路和复位电路构成
图 3-7单片机最小系统
3.2.4 显示模块设计
1．LCD1602液晶概述
液晶是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性，被广泛应用于轻薄显示器上。本系统显示模块采用了LCD1602液晶显示器每行能够显示16个字符，可以显示两行。主要实现系统时间设定，灯的开关时间的功能，系统状态显示。
1、读操作时序
图3-8 2、写操作时序
图3-9
3、时序相关参数
图3-10 4.与单片机连接图
图3-11
3.2.5 硬件系统原理图
图3-12
第四章软件设计与调试
4.1系统设计思路
本软件系统共包括主程序部分，物体感应部分，按键设定部分，显示部分。通过DS1302时钟芯片将实时时钟信息输入到单片机，单片机将从时钟芯片所读信息与单片机中所设定的亮灭灯时间相对比，再参考外部总控制端确定路灯功能的开启与否。在确定路灯功能开启的前提下，外部中断0、外部中断1与查询端口确定交通状态。再由单片机控制两盏路灯的亮灭状态。
4.2系统各部分子程序设计
4.2.1 主程序设计
主程序设计主要包括函数初始化部分，红外感应部分和按键扫描部分。其中红外感应部分采用了两个外部中断和一个查询。程序流程图如图4-1。
图4-1
4.2.2 红外中断与查询子程序设计
1红外中断子程序
中断子程序主要包括读取DS1302的时钟信息和设置的时钟信息相对比和对的灯方向上的判断两个方面。程序流程图如图4-2。
图4-2
void INT_1() interrupt 2
{H2++; //H2红外线2标志位
if(H2==2)
H2=0;
if(H2==1)/
{IR_LED1=0;
IR_LED2=1;
}
else
{IR_LED1=1;
IR_LED2=0;
};
LED1=time&IR_LED1;//时间控制&红外控制
LED2=time&IR_LED2;
}
2 红外查询部分子程序
void IR_Inquiry() 查询部分
{ if(H3==1)
{
delay1(5); 延时5ms
if(H3==1) 红外查询3
{IR_LED2=~IR_LED2; 控制LED灯2发生电平偏转
}
}
LED2=time&IR_LED2; 时间控制&红外控制
}
4.2.3按键设定程序设计
按键设定程序是整个系统的核心，其中包括了对系统时间的设定，开关灯设定，总控制端设定等。流程图如4-3。
图4-3