职业技术学院 毕 业 设 计（论文）
题 目：单片机光控路灯的设计
专 业： 电子信息工程
班 级：
姓 名：
学 号：
指导教师：
日 期：2011年12月
目录
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引言：........................................................................ 3 1 概况与现状分析.............................................................. 3 1.1 路灯发展的概况........................................................... 3 1.2 现状分析................................................................. 4 2 总体电路设计与方案论证...................................................... 4 2.1 总体电路设计与分析........................................................ 4 2.2 方案论证.................................................................. 4 2.2.1 传感电路部分............................................................ 5 2.2.2 执行电路部分............................................................ 5 3 单片机介绍.................................................................. 5 3.1 单片机概述............................................................... 5 3.2 单片机的主要功能与应用领域............................................... 5 3.3 单片机的发展趋势......................................................... 6 4 硬件电路设计................................................................ 7 4.1 AT89c51简介7
4.2 光敏电阻介绍............................................................. 8 4.3 LM324简介 ............................................................... 9 4.4 单片机最小系统电路....................................................... 9 4.5 路灯控制电路............................................................. 9 4.6 硬件电路原理图10
5 软件设计................................................................... 11 5.1 protues软件介绍 ........................................................ 11 5.2 keil c51简介12 5.3 主程序12
6 系统调试与仿真............................................................. 13 6.1 系统调试................................................................ 13 6.2 系统仿真................................................................ 13 7 总结与致................................................................... 13 参考文献..................................................................... 14
单片机光控路灯的设计
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摘要：随着社会进步，需求和单片机应用领域的不断扩展，各类智能产品、控制系统都是以单片机技术为核心来进行开发设计。本系统采用MSC-51系列单片机AT89C51和相关的光电检测设备设计智能路灯控制器，实现了能根据实际光线条件通过8051芯片的P1口控制路灯开关的功能。
关键词：路灯；单片机技术；控制
The design of the single chip microcomputer control street lamp
Abstract: along with the social progress and needs and microcomputer application field of expanding, all kinds of intelligent product, control system are based on single chip microcomputer as the core to develop design. The system USES the MSC-51 single-chip microcomputer AT89C51 series and related photoelectric detection equipment design intelligent street light controller, realized according to the actual conditions of light can through 8051 chip P1 ofthemouth of the switch control street lamps function.
Key word: lamp; MCU-technology; control
引言
当今，路灯已经是城市道路景观的一个重要部分，已经成为城市照明系统中不可缺少和不可分割的一部分，成为了市民出行和城市美化、亮化的一个基本要求。随着社会文明的不断发展，城市照明已不仅局限于街道的照明，而且发展成了了城市景观等装饰性照明的综合市政工程。社会对亮灯率、开关灯的准确率、故障检测的实时性和维修的与时性要求不断提高。
1 概况与现状分析
1.1 智能路灯发展的概况
我国目前大部分城市都采用全夜灯的方式进行照明，普遍存在的问题有两点：一方面因为后半夜行人稀少，采用全夜灯的方式浪费太大，因此，有的地方采取前半夜全亮，后半夜全灭的照明方式；有的地方在后半夜采用亮一隔一或亮一隔二的节能措施，此种方式虽然节约了电费支出，却带来了社会治安和交通安全问题，不利于城市安全问题。
另一方面，在后半夜因行人稀少，而应该降低路灯的亮度，以避免光源污染，影响居民的晚间的休息。但由于后半夜是用电低谷期，电力系统电压升高，路灯反而比白天更亮了。这不仅造成了能源浪费，还大大影响了设备和灯具的使用寿命。而且，我国绝大多数地区的路灯关开灯都是采用人工控制或者定时控制，这样也有许多不利之处：若采用人工控制，则路灯开关存在着一定的不确定性，同时也占用了一定的人力资源；定时控制则存在着夏冬季白黑昼时间不同的情况，使得天还没黑路灯就开，天还没亮路灯就灭的情况，大大影响了人们的日常出生
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活。
1.2 现状分析
随着社会经济的不断发展，能源短缺已经日益制约着经济发展的严重障碍，其中电力短缺已成为制约国民经济的突出矛盾。我国目前的市场上有多种路灯节能控制产品，能达到一定的节能效果，但就功能和效果上还不能尽如人意，主要有以下几种情况：第一种，采用自耦变压器与磁饱和电抗器的降压技术。其不足是由于反应速度较慢，用电高峰时电压降到非稳定区容易造成灯光闪灭，不能自动调节，同时如果电压突然升高，则会对灯具造成损坏，相对来说稳压效果较差；第二种是采用电子器件构成的可控硅式设备。该设备主要采取简单的相控技术，不足之处是元器件较容易发热损坏。而为了更好的达到控制的目的，现在国外都开始采用智能控制方式，如光控、声控、时控等，国外甚至开始采用太阳能供能光控方式来控制路灯，基本可以达到完全自给自足的效果。而本文中研究的就是光控路灯的控制器设计。
2 总体电路设计与方案论证
2.1 总体电路设计与分析
本次毕业设计课题是《基于单片机的光控路灯的设计》。此课题要求以路灯控制器为对象，完成硬件系统和软件程序的设计，实现以光线强弱和延时两种方式来控制路灯的亮灭功能，属于软硬件相结合的题目。其中硬件电路部分主要包括以下几个部分：单片机最小系统、路灯控制电路部分、光电检测电路部分；软件部分主要包括二个电子软件Protues、 Keil-C51软件和路灯控制、光电检测两个程序模块。工作原理如下图所示：
外部光线强度光电检测单片机路灯控制 图2-1 工作原理图
2.2方案论证
光控路灯控制系统分为光线检测和执行控制命令（开路灯、关路灯），在光线满足设定条件的情况下，光线检测电路将检测到的情况传送给控制器并由控制
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器发出指令控制相应的电路执行。 2.2.1传感电路部分：
方案一：使用光敏电阻直接提供给51单片机输入信号，并进行相应的后续程序操作；
方案二：使用光敏电阻和三极管联合驱动的方式，提供给单片机输入传感信号。
由于方案一提供的输入信号相对来说对环境的要求较高，难以实现且不符合系统在现实生活中的实用性等原则，故选取方案二。 2.2.2执行电路部分：
方案一：由单片机端口对相应电路进行操作；
方案二：由单片机对后续的执行元件进行操作，如继电器等相关的执行元件。 由于方案二使用继电器等相关的执行元件，使系统的设计更加接近实际应用，在实际应用中，系统是由电子电路→电气电路的控制，使用继电器等可使系统的现实性大大增强。
3 单片机介绍
3.1 单片机概述
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，存，并行总线，还有和硬盘作用一样的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可......用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！......它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。
3.2 单片机的主要功能与应用领域
现在的单片机功能越来越强大，集成度越来越高，有很多曾经的外围器件都已经在部集成。
它的功能很多：比较器；模数/数模转换器；PWM；多种多样的接口；LCD驱动；存储器等等。同时它也是计算机—单片微型计算机。部分单片机的计算能力已经比早期PC的CPU强大，速度也越来越快。甚至也有类似双核CPU的设计出现。因为能够运行程序，所以可以做很多的事情。几乎您上网用的计算机能做的
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事情，它都同样能做。只是能力没那么强大。比如：可以读写硬盘、可以接受按键输入、可以显示输出、可以驱动打印、您甚至可以给它接个鼠标。当然这可能涉与一些接口的问题，但是CPU也不是直接做这些事情的。
它的输入输出，如前面所说，也是多种多样的。可以是模拟量，也可以是数字量，标准的USB接口也已经集成在了单片机部。
此外，单片机的体积小、价格低、可靠性高、适用面宽、有着其本身的指令系统等诸多优势，在各行各业都得到广泛应用。单片机的应用领域可归纳为几个方面：
1) 在智能仪器仪表上的应用:单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
2）在工业控制中的应用：用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
3） 在家用电器中的应用:可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
4) 在计算机网络和通信领域中的应用:现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动，集群移动通信，无线电对讲机等。 5)单片机在医用设备领域中的应用:单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备与病床呼叫系统等等。
3.3 单片机的发展趋势
现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：
① 低功耗CMOS化:MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
② 微型单片化:现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成
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在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。
此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
③ 主流与多品种共存:现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。
4 硬件电路设计
4.1 AT89c51简介
MCS-51系列单片机是由美国的Intel公司开发研制，并于1980年推出的产品。与MCS-48系列单片机相比，其以典型的体系结构和完善的专用寄存器集中管理方式，方便的逻辑位操作功能与丰富的指令系统，堪称一代“名机”，为之后的其他单片机的发展奠定了基础。因此，MCS-51系列单片机结构先进，功能强大，增加了更多的电路单元和功能模块，指令数达111条。其中的代表作便是AT89C5x系列单片机，而本文所用的便是AT89C51单片机。现简要介绍如下：
1. 中断系统
8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
2. 时钟电路
8051置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。
3. 8051的引脚说明
8051系列单片机中的8031、8051与8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：
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U119XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD39383736353433322122232425262728101112131415161718XTAL29RST293031PSENALEEA12345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51 图4-1 AT89C51引脚
4.2 光敏电阻介绍
光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
4.3光敏电阻工作原理
光敏电阻的工作原理是基于光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻与梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带载流子数目的多少。
4.4 单片机最小系统电路
单片机最小系统是单片机系统的核心，其他的外围电路都是在最小系统的基础上实现的。单片机最小系统是由单片机、复位电路、时钟电路、电源和地端组
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成，一般情况下，单片机系统采用外接石英晶体与部运放组成时钟振荡器作为系统时钟源，而在多机系统中，单片机只作为一个功能模块使用，为节省硬件和统一系统的时钟信号，常采用外时钟源。单片机最小系统是单片机控制电路的核心
[11]
。
在整个系统中，单片机控制电路是整个系统的核心，负责对光电检测电路采
集到光信号进行处理和加工，并按照之前设定好的指令进行执行、运算，并将结果传送给相应的执行电路。
单片机控制电路相关的电路原理图如下图所示：
图4-4 单片机最小系统电路
4.5 路灯控制电路
路灯控制电路是智能路化灯控制器电路的发光部分，也是整个硬件电路的基本组成部分之一，这一部分电路相对来说比较简单，起控制作用的元件是单片机
[12]
，其控制功能主要通过指令系统的指令来实现。
这一部分电路主要有8个LED灯、8个470欧姆的电阻、电源和单片机组成。
该部分电路如下图所示：
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图4-5路灯控制电路
4.6 硬件电路原理图
经过长时间的设计，仿真，才得出了本次毕业设计的硬件电路部分。通过前面的分析，我们可以发现本次设计课题的硬件电路部可分为以下四个组成部分：单片机控制电路部分、路灯控制电路部分、光电检测与执行电路部分和两位一体的数码显示电路电路部分。
将前面介绍的电路加以分析和组合，就可以得到整个硬件电路部分的相关原理图，现将硬件原理图表示如下：
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图4-6 总体电路图
5 软件设计
5.1 protues软件介绍
Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件[13]。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机与外围器件。它是目前最好的仿真单片机与外围器件的工具。虽然目前国推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 其功能特点如下: Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：原理布图；PCB自动或人工布线；SPICE电路仿真。
其功能特点如下：Protues软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功
能是：（1）原理布图（2）PCB自动或人工布线 （3）SPICE电路仿真
革命性的特点： （1）互动的电路仿真。用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 （2）仿真处理器与其外围电路。可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示与输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Protues建立了完备的电子设计开发环境。
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5.2 keil c51简介
Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统[14]，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 5.3 主程序
AT89C51单片机的各路接口有高低电平之分，各路接口与外围电路之间连接起来，通过导入单片机部程序来控制接口的电平高低从而达到控制外部电路的目的。而本文中的控制系统则是通过导入文中的程序完成的，见附录中程序。路灯开关控制流程图如下图：
开始初始化guang=0?NY延时10秒P1=0Yguang=0?N延时10秒Yguang=0?NP1=~0
6 系统调试与仿真
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6.1 系统调试
系统调试包括两部分：硬件调试部分与软件调试部分。
硬件调试指做成实物后，通过调试发现电路中的短路、虚焊、过焊等问题并加以解决。由于本次论文设计并未做成实物，故这一步省去。
软件调试主要是程序的调试，指硬件图设计好以后，通过向单片机烧入程序进行仿真，根据仿真的结果来判定程序的正确与否，从而达到调试的目的。 6.2 系统仿真
系统的硬件与软件都已经调试完成，然后利用protues进行系统仿真。在仿真中，利用光敏电阻模拟天黑天亮，用滑动变阻器来调整光亮的强度。
仿真图如下所示：
7 总结与致
本次毕业设计是以基于单片机的智能光控路灯控制器为研究对象，通过对控制系统所要完成的功能进行分析，从而确定所要用到的元器件，然后根据其工作原理将各个功能部分进行组合连接，完成其硬件图。然后利用C51编程软件根据系统的功能要求进行编程，导入单片机中，最后进行调试与仿真。
总而言之，本次毕业设计我收获颇多。不仅学会了两款新的软件protues和KEIL C51，也了解了单片机的一些工作原理与常见的用途。
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考文献
[1] 单片机中级教程-----------航空航天大学 俊谟编著 [2] 雷丽文 等.微机原理与接口技术[M].：电子工业，1997.2
[3] 微型计算机原理与应用-----------电子科技大学 伯成
侯伯亨 毅坤 编著.
[4] 常玉燕, 吕光译. 日本电子电路精选[M]. : 电子工业, 1990. [5] 毅坤. 单片微型计算机原理与应用，电子科技大学 1998 [6] 余锡存 .单片机原理与接口技术[M].
:电子科技大学,2000.7
[7] 21ic.部分资料。
[8] .mcustudy.-------单片机学习网部分资料
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