1、编号： 毕业设计(论文)题 目： 基于51单片机的智能路灯 控制器的设计与实现 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 电气工程及其自动化系 姓 名： 职 称： 副教授 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 2页摘 要当今社会，是一个经济和科技高速发展的社会。随着经济和科技的高速发展，城市的建设也在快速发展。城市的基础设施也不断地与科技化、信息化、智能化和自动化接轨。城市照明系统是城市基础设施不可缺少的一部分。城市路灯照明系统能够发挥其作用，主要是靠路灯控
2、制器的控制。于是，各种各样的路灯控制器就应运而生了。目前，由于单片机具有集成度高，处理能力强，扩展能力强，可靠性高，结构简单和价格低廉等优点，它已被广泛应用到各行各业当中。近年来随着计算机在各个领域的广泛应用，单片机技术正在不断的进步。单片机技术在各个领域中起着无可替代的作用。尤其是在和控制有关的领域中，单片机技术提高了产品的智能化程度和技术水平，也降低了产品成本。现在市场上的很多智能化产品和控制类系统基本都是以单片机技术为核心的。因此，采用单片机技术来实现路灯的智能控制是一个非常可行的方法。本文介绍了一个采用MCS-51系列单片机，相关的光电检测设备以及继电设备设计的智能路灯控制器系统。本系
3、统实现了能根据实际光线的强度来通过单片机I/O口自动控制路灯开/关的功能。本系统还具有手动操作的功能。本系统采用NE555芯片和光敏电阻组成光电检测电路，实现对实际光照强度的检测，并传送电平信号到单片机。单片机通过对该电平信息进行运算，处理后，将输出信号传送给继电器执行电路，从而达到对路灯开关的自动控制。本系统结构简单，性能稳定，实用性强，实现了路灯的智能控制，非常具有可行性。关键词：路灯；光电检测；单片机AbstractTodays society, is a rapid development of economic and technologicals society. With the
4、 rapid developed of economic and technological, urban construction has also developed rapidly. The citys infrastructure has been with the science and technology, information, intelligence and automation standards. Urban lighting system is one indispensable part of urban infrastructure . City street
5、lighting system can play its role, is mainly controlled by the lamp controller. Thus, a variety of streetlight controller came into being.At present, due to the MCU has the advantages of high integration, processing capability, scalability, reliability and simple structure, low cost advantages etc,i
6、t has been widely applied to all walks of life .With the computer was applied in various fields in recent years, the MCU technology is constantly progress. The MCU technology plays a irreplaceable role in all fields . Especially in the areas of about control, the MCU technology not only improve the
7、intelligentize degree and technical level of the product, but also reduce product cost. Now the MCU technology basically as the core of many intelligent products on the market and control systems. Therefore, adopt the microcontroller technology to achieve intelligent control of streetlight is a very
8、 feasible method.This article presents a intelligent streetlight controller system which designed by single chip of MCS-51 series, related photoelectric detection equipment and the relay equipment. The system realizes the function of according to the actual intensity of light and through the MCU I /
9、 O port to control the streetlights on / off automatically. The system also has the function of manual operation.This system uses the NE555 chip and photoconductive resistance to composition the photoelectric detection circuit,which realizes the detection on actual light and send level signals to th
10、e MCU. After the MCU calculations and processing the level information, it transfers the output signal to the relay circuit, then achieve the control of the streetlights on / off automatically.Key words: Streetlight; Photoelectric detection;MCU 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 2页目 录引言11 绪论21.1 课题背景21.2
11、课题研究的目的与意义21.3 设计的主要任务与要求21.4 单片机概述21.5 本文内容安排32 设计方案论证与元器件选取42.1 光电检测电路部分设计方案论证42.2 路灯控制执行电路部分设计方案论证42.3 系统的总设计思路42.4 元器件选取52.4.1 ATC89C51芯片介绍52.4.2 NE555芯片介绍92.4.3 光敏电阻介绍112.4.4 继电器介绍142.5 本章小结163 系统的硬件设计173.1 光电检测电路的设计173.2 单片机控制电路的设计183.3 继电器执行电路的设计193.4 系统的仿真原理图203.5 系统的总电路原理图213.6 系统仿真原理图和电气原理
12、图的绘制223.7 本章小结244 系统的软件设计264.1 系统程序的设计264.2 系统的程序编写274.3 本章小结285 系统硬件的制作及系统的调试295.1 系统硬件的制作295.2 系统硬件部分的调试295.3 系统软件部分的调试305.3 本章小结306 结论31谢 辞32参考文献33附 录34 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 38 页 共37页引言自从我国加入世贸组织（WTO）之后，为了创造一个良好的投资环境，建设一个美好的国际化现代化城市，更好的与国际接轨，全国各大城市都加快了市政建设的脚步，交通也蓬勃发展，因此装饰城市美丽夜景的路灯工程也正在快速发展。城市的路
13、灯照明系统是城市基础设施不可缺少更是无可替代的一个重要的部分，它起到装饰城市夜景，照亮道路和街道，减少交通事故和一些街头犯罪等作用。路灯照明系统能够正常的发挥作用，靠的就是路灯自动控制系统。路灯的控制方式有很多，传统的控制方式是靠管理人员手动控制路灯的开启和关闭。这会导致很多不稳定因素，而且大量浪费人力资源，增加维护和管理成本，有时还造成能量浪费。本文介绍的智能路灯控制系统是采用MCS-51系列单片机和相关的光电检测设备以及继电器设备来设计的。本系统能根据实际光线强度来自动控制路灯的开/关，并能够在特殊情况下手动操作。随着城市对亮灯率、开关灯的准确率、故障检测和维修的实时性要求的不断提高，可以
14、通过51系列单片机的可编程来控制I/O口实现路灯控制系统的智能化，达到节能，自动控制的目的。避免了传统路灯控制系统电路对能源的浪费，路灯的自动控制更方便了维护人员的管理。本系统操作简单，实用性强，扩展功能也强，具有很好的发展前景。1 绪论1.1课题背景在我国加入国际贸易组织（WTO）以后，随着我国经济和科技的不断发展，与世界上其他国家的交流和贸易越来越频繁。为了更好的与国际接轨，并吸引更多的外资企业的投资，我国各大城市都在想法设法地把它建设成一个现代化的大都市。于是，各城市的基础设施都在不断地进步和发展。城市的路灯照明系统是城市基础设施非常重要的一部分，它直接体现了该城市现代化程度和智能化水平
15、。随着市民生活水平的不断提高，他们对生活水平的要求也不断提高。夜晚时分，人们在结束一天的工作之后，喜欢在城市的街道漫步，欣赏城市的美丽夜景。城市的路灯照明系统起到了装饰城市夜景的作用。如此庞大的路灯照明系统，需要一个即实用，成本又低的控制系统来控制。于是，一个智能路灯控制系统就应运而生。1.2 课题研究的目的与意义 利用单片机、光电检测设备和继电器设备来设计一个能够根据实际光照强度来自动控制路灯开/关的智能路灯控制器，并具有手动控制的功能。该控制器具有结构简单、操作方便、实用性强、成本低廉等优点，具有很大的研究和发展空间。1.3 设计的主要任务与要求本毕业设计题目为基于51单片机的智能路灯控制
16、器的设计与实现。本设计的任务是以路灯作为控制对象，完成硬件系统和程序模块的设计，实现能根据实际光强度来通过单片机控制继电器执行电路来控制路灯的开/关，并能进行手动控制，属于软硬件结合的设计。其中硬件部分包括以下几个部分：单片机控制电路，光电检测电路，继电器执行电路。软件部分主要包括光电检测、路灯控制和执行三个程序模块。1.4 单片机概述单片机又称单片微控制器，其基本结构是将微型计算机的基本功能部件：中央处理机（CPU）、存储器输入接口、输出接口、定时器/计数器、终端系统等全部集成在一个半导体芯片上。单片机子在机构上的设计，在硬件、指令系统及I/O能力等方面都有独到之处，具有较强而有效的控制功能
17、。一块单片机就是具有一定规模的微型计算机，再加上必要的外围器件，再赋予它特定的程序，它便可构成一个最小的、完整的微型计算机硬件系统。单片机的使用要求用户熟悉其芯片的内部结构和相应的指令系统以及其他一些集成电路设计技术和系统设计所需要的理论知识。在不同的程序控制下，就能使该芯片实现不同的功能。1单片机的功能有很多，如比较器；模数/数模转换器；PWM；各种各样的接口；LCD驱动；存储器等等。它具有以下几个应用特点：具有较高的性能价格比体积小，可靠性高；控制功能强；使用方便、容易产品化。由于单片机的以上特点，它的应用领域不断扩大，除了在工业控制、智能化仪器仪表、通信、家用电器等领域应用外，在智能化、
18、高档电子玩具产品中也大量采用单片机作为核心控制部件。可以毫不夸张地说，凡是想得到的地方，单片机都可以用得上。单片机经过1、2、3、代的发展，目前正朝着高集成度、低功耗、低电压、多功能和多品种方向发展。MCS-51系列单片是多种单片机中的一种，由于它们都是基于8051内核发展起来的，所以统称51单片机，而本次设计就是基于51单片机完成的。1.5 本文内容安排本文共分为六章，内容分别为第一章绪论、第二章设计方案论证与元器件选取、第三章系统的硬件设计、第四章系统的软件设计、第五章系统硬件的制作及系统的调试、第六章结论。 第一章绪论部分主要介绍了本次毕业设计的课题背景、课题研究的目的与意义、概述了单片
19、机系统的基本原理知识。 第二章介绍了光电检测电路部分和路灯控制执行电路的设计方案论证以及元器件的选取。 第三章系统硬件设计部分就各个功能部分的设计原理和电路进行了分析，最后对本章内容进行了小结。 第四章对软件部分的设计进行了分析并画出了程序流程图，编写了系统的程序部分，最后小结了本章内容。 第五章介绍了系统硬件的制作过程、硬件部分调试和软件部分的调试，最后对本章内容进行了小结。第六章是结论部分，对本文内容进行一个总结。2 设计方案论证与元器件选取2.1 光电检测电路部分设计方案论证方案一：使用光敏电阻与电源相连，通过上拉电阻给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
20、NE555外加电阻电容组成施密特触发器，提供给单片机输入传感信号。由于方案一提供的输入信号对环境的要求相对来说较高，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 路灯控制执行电路部分设计方案论证 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执行元件元件，使系统的设计更接近于实际应用。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加。2.3 系统的总设计思路为了达到基于51单片机的智能路灯控制器的设计和实现的目的，经过了多次的尝试和分析，得到了以下
21、设计思路。首先是采用光敏电阻和NE555组成施密特触发器，当光照很强时，施密特触发器输出一个高电平到单片机，然后单片机输出一个电平驱动继电器执行电路，控制继电器的动作使路灯关闭。这里采用一盏220V的台灯模拟路灯。反之，当光照很弱时，施密特触发器输出一个低电平到单片机，然后单片机输出一个相反的电平驱动继电器执行电路，控制继电器动作使路灯开启。还包括手动控制继电器来控制路灯的开关。总设计思路原理框图如图2.1所示。图2.1 总设计思路原理框图2.4 元器件选取 为了完成本系统的设计，考虑到使用施密特触发器来实现对实际光照强度的检测，然后发送电平信号到单片机，再经过单片机运算、处理后输出电平信号控
22、制继电器来实现对路灯的自动控制。此设计方法主要用到了AT89C51单片机、NE555芯片、光敏电阻和继电器，下面分别对各元器件进行介绍。2.4.1 ATC89C51芯片介绍AT89C51是一种带4KB FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该单片机采用ATMEL高密度非易丢失存储器制造技术制造，与具有工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将一个多功能8位CPU和闪烁存储器集成在单个芯片中，ATM
23、EL的AT89C51是一种高效的微控制器。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性很高且价格低廉的方案。11（1）AT89C51的主要特性与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器 5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别是反向放大器的输入和输出。这个反向放大器可以配置为片内振荡器。也可以采用石晶振荡和陶瓷振荡。如果采用外部时钟源驱动器件，XTAL
24、2应不接。有余输入到内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽没有任何要求，但必须保证脉冲的高低电平在所要求的宽度。芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可以通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作过程中，代码阵列全被写“1”并且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。（2）ATC89C51引脚说明ATC89C51单片机采用40脚双列直插式封装，其引脚图如图2.2所示：图2.2 AT89C51引脚图下面我们对各引脚分别加以说明：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可
25、以吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0口输出原码，此时P0外部必须加上拉电阻。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能够接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉电阻拉高，可以用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉电阻的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口就作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可以接收，
26、输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉电阻的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可以接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，
27、P3口将输出电流（ILL）这是由于内部上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表2.1所示： 表2.1 P3口管脚功能口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH
28、编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或者用于定时目的。然而需要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如果想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才会起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 ：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期有两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不会出现。 /VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（
29、0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。（3）ATC89C51的低功耗模式 时钟停止模式静态设计使时钟频率可以降至0MHz（停止）。当振荡器停止振荡时，RAM和SFR的值保持不变。该模式允许逐步应用并可以将时钟频率降至任意值以实现系统功耗的降低。如果要实现最低功耗则建议使用掉电模式。空闲模式空闲模式即CPU进入睡眠状态，但片内的外围电路仍然保持工
30、作状态。正常操作模式的最后一条指令执行进入空闲模式。在空闲模式下，CPU内容、片内RAM和所有SFR保持原来的值。任何被使能的中断（此时，程序从中断服务器处恢复并继续执行）或硬件复位(与上电复位使用相同的方式启动处理器)均可终止空先模式。掉电模式为了进一步的降低功耗，通过软件可实现掉电模式。该模式中，振荡器停振并且在最后一条指令进入掉电模式。降到2.0V时，片内RAM和SFR保持原值，在退出掉电模式之前VCC必须升至规定的最低操作电压。硬件复位或外部中断均可结束掉电模式。硬件复位使所有的SFR重新设置，但不改变片内RAM的值。外部中断允许SFR和片内RAM都保持原来的值。WUPD使能或禁止通过外部中断唤醒掉电。要正确退出掉电模式。在VCC恢复到正常操作电压范围之后，复位或外部中断开始执行并且要保持足够长的时间按（通常小于10ms）以使振荡器重新启动并
