基于51单片机的模拟路灯控制系统设计

诚信声明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计文本和成果，是本人在指导老师的 指导下，独立进行研究所取得的成果。成果不存在知识产权争议，本毕业 设计不含任何其他个人或集体已经发表过的作品和成果。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计者签名: 目录 目录 2 摘要 1 引言 1 第一章绪论 2 第二章方案设计与论证 3 2. 1外部环境明暗的检测单元 3 2. 2路况的检测单元 3 2. 3处理器的选择 3 第三章 硬件设计 4 3. 1 80C51单片机硬件结构 4 3.2最小应用系统设计 5 3.2. 1时钟电路 5 3. 2. 2复位电路 6 3. 2. 3通用的晶振电路 6 3. 3显示电路 7 3.4 LED灯电路构成 9 3.5蜂鸣器发生及LED指示灯电路 10 3.6直流稳压电路 10 第四章软件设计 11 4.1主程序设计 11 4. 2延时子程序设计 14 4.3按键扫描子程序设计 15 4. 4中断子程序设计 15 4. 5显示子程序 17 4. 6声光报警子程序 22 4. 7交通情况检测子程序 24 4. 8路灯控制子程序设计 24 4.9“看门狗”技术 25 总结 26 致谢 27 参考文献 27 附录 28 附1：元器件明细表： 28 附2：仪器设备清单 28 29 附4：程序清单 摘要 STC89C52RC单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。本系 统以毕业设计的题目要求为目的，采用8051单片机为控制核心，利用光电传感器出检测环境的明暗 变化以及路灯的工作状态，利用对射式红外线检测交通的情况，通过在硬件的基础上进行编程，利 用软件达到路灯模拟系统的支路控制器有时钟功能，能设定、显示开关灯时间，并控制整条支路按 时开灯和关灯；支路控制器能根据环境明暗变化，自动开灯和关灯；支路控制器能根据交通情况自 动调节亮灯状态；支路控制器能分别独立控制每只路灯的开灯和关灯时间；当路灯出现故障时(灯 不亮)，支路控制器发出声光报警信号，并显示有故障路灯的地址编号。整个系统的电路结构简单, 可靠性能高。实验测试结果满足要求。 采用的技术主要有： (1) 通过编程来路灯的状态。 (2) 传感器的有效应用； (3) 新型显示芯片的采用. 关键词：单片机，时钟电路，路 引言 随着全球经济的高速发展，在高速发展的背后却是不可再生能源消耗的加剧。面对 着能源危机，节能减排、低碳生活成了人们的主流。电力资源日益紧张，这是的设计 出一款智能控制软件显得尤为重要。随着经济的发展，国力的提高，城市的形象越来越 重要，因此，路灯照明系统发展迅速。每当夜晚的降临，华灯初上，忙碌了一天的人们 漫步于城市的街道，欣赏这城市的夜景，消除一天的疲劳。路灯成了城市照明系统中不 可或缺的一部分。 现今，单片机的应用也进入到了环保节能领域中，使其应用发展更上一层楼。其中 最为显著的就是装扮美丽城市夜景的路灯照明工程。我们都知道，路灯的用电是一个城 市公共用电的突出问题，尤其是在深夜期间，车少人少的情况下，如何降低路灯用电， 减少能耗，提高用电效率。智能路灯监控系统以单片机为核心，主要由现场系统、通讯 系统、监护中心3部分组成。在引进此系统后，城市的公共用电得到的明显的改善 第一章绪论 随着交通行业的迅速发展，与之相关的一系列智能设备的研究也就越来越受人关 注。本设计就是以这样的形势为背景提出来的，以此以它作为自己的毕业设计，具有很 现实的实用意义。此次的毕业设计结合现在社会的实际需要，从而达到学以致用，服务 于人民的效果！根据实际需要，设计的路灯模拟控制系统应该具有支路控制器有时钟功 能，能设定、显示开关灯时间，并控制整条支路按时开灯和关灯；支路控制器能根据环 境明暗变化，自动开灯和关灯；支路控制器能根据交通情况自动调节亮灯状态；支路控 制器能分别独立控制每只路灯的开灯和关灯时间；当路灯出现故障时（灯不亮），支路 控制器发出声光报警信号，并显示有故障路灯的地址编号。 根据毕业设计的题目要求，现确定如下方案：以单片机最小系统为控制核心；然后 加装光电传感器、红外传感、实现对路灯的控制以及交通情况的信息采集，并将测量数 据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对路灯的智能控 制。 这种方案能实现对路灯状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系 统的各项要求。本设计采用MCS-51系列中的STC89C52RC单片机。STC89C52RC是一款 八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。它是第三代单片机的代 表。 第三代单片机包括了 Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品，如8xC152、 80C51FA/FB, 80C51GA/GB, 8 x C451, 8 x C452,还包括了 Philips, Siemens, ADM, Fujutsu, OKI, Harria-Metra, ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色、与 80C51兼容的单片机。新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以 实现Microcomputer完善的控制功能为己任，将一些外部接口功能单元如A/D、PWM, PCA （可编程计数器阵列）、WDT （监视定时器）、高速I/O 口、计数器的捕获/比较逻辑等。 这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单 片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。Philips公司还为这一代单片机80C51系列 8 x C592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线——CAN （Controller Area Network BUS）. 本设计就采用了比较先进的80C51为控制核心，80C51采用CH0MS工艺，功耗很低。 该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。尤其是在足球 机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。 所以本设计与实际相结合，现实意义很强。 第二章方案设计与论证 根据题目的要求，确定如下方案：利用光电传感器和红外传感器进行外部路灯状 态和交通状态的信息收集，然后将收集的数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根 据所检测的各种数据实现对路灯的智能控制。 这种方案能实现对路灯的工作进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对 系统的各项要求。 2. 1外部环境明暗的检测单元 方案一：采用光敏二极管感受外届光照变化，无光照时,有很小的饱和反向漏电流, 二极管截止；光照时反向电流增大，形成光电流。 方案二：采用光敏电阻对光源的感应改变自身电阻，由电压比较器提取之间电压， 考虑到电阻变化的灵敏度，采用两个光敏电阻串联的方式，通过改变与光敏电阻串联的 电位器的值可以调节光敏电阻的感光范围。 考虑到现实中声光控制技术的运用已经证明了光敏电阻完全可以达到要求，且价格 便宜，电路简单。综合考虑以上方案采用光敏电阻。 2. 2路况的检测单元 方案一、采用摄像头或探测头收集路面上信息。用这种方法，对路面信息处理准 确，但是成本过高，数据处理量大，对硬、软件的要求都非常高，短时间内难以实现。 方案二：使用反射式红外二极管和接收管组成发射-接收器。由于红外光波长比可 见光长，因此受可见光的影响比较小，同时，红外对管还具有以下优点：质量轻，灵敏 度高，线性好，接口电路比较简单，安装方便，足够满足对本系统中物体检测的要求。 基于以上原因，选用了成本较低的方案二。 2. 3处理器的选择 单片机STC89C52RC作为模拟路灯控制系统的核心。STC89C52RC具有许多优点： RAM, ROM空间大、指令周期短、运算速度快、低功耗、低电压、可编程音频处理，易于 编程和调试。本题要求支路控制器有声光报警功能，由此看来单片机STC89C52RC更具 有优越性。 第三章硬件设计 一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片 机内部的功能单元，如ROM, RAM, I/O 口、定时/记数器、中断系统等能量不能满足应 用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统 配置,既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器、打印机、A/D、D/A转换器等, 要设计合适的接口电路。 3. 1 80C51单片机硬件结构 80C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集 成电路芯片上［2］。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储 器、程序存储器、并行I/O 口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。 它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构 模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。 1微处理器 该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算 器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行 位变量的处理。 2数据存储器 片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作 变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。 3程序存储器 由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量 不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。 4中断系统 具有5个中断源，2级中断优先权。 5定时器/计数器 片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。 6串行口 1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O 口， 甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。 7特殊功能寄存器 共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控 制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。 由上可见，80C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值 得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个 一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O 口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电 路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。 MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机 技术上的一个突破，这也是MCS-51单片机在设计的精美之处。 3. 2最小应用系统设计 80C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单、可靠。 用80C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如 图3. 1 80C51单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小 型的控制单元。 其应用特点： (1) 有可供用户使用的大量I/O 口线。 (2) 内部存储器容量有限。 (3) 应用系统开发具有特殊性。 图1 80C51单片机最小系统 3.2. 1时钟电路 80C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。80C51单片机的 时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。 本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外 接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即 用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1. 2MHZ到12MHZ之间选择。电 容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少 许影响，CX1、CX2可在20pF到lOOpF之间取值，但在60pF到70pF时振荡器有较高的 频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择6MHZ,电容选择6