基于51单片机的路灯控制系统设计开题报告

一、本课题的内容及研究意义

1、论文研究的目的和意义

如今，照明电路的数量越来越多，使得城市街道、小区内的路灯的用电量占城市用电量的比重越来越大，在用电高峰期时，电网超负荷运行，电网电压都低于额定值，在用电低谷期供电电压又高于额定值，当电压高时不但影响照明设备的使用寿命，而且耗电量也大幅增加，当低谷时，照明设备有不能正常工作。

所以，对城市的路灯的设计已经成为了当务之急，特别是午夜之后车流量急剧减少时，应该适当的关闭路灯，节约用电。但是我国的既节能又能延长路灯寿命的技术相比国外却是落后了，因此智能节能路灯控制系统的设计对于城市的发展至关重要。本论文旨在设计一套对外界光线和电压信号的采集来控制路灯的自动启停以及智能调压的控

制系统，它能对路灯进行稳压、调压、自启动并延长路灯寿命的作用。

2、论文研究内容

本设计可以通过对外界光线和电压信号的采集来控制路灯的自动启停以及智能调压从而减少城市路灯照明耗电量，又对输入电压进行稳压调节来提高用电效率。要求独立选择芯片、设计电路、编制程序、调试、完成整个系统功能。

主要内容如下：

(1) 根据控制技术的特点，进行路灯系统设计的整体研究与设计。

(2) 针对光线和电压信号的采集，采用数据采集技术。

(3) 通过按键可对相关的参数值进行设置，从而实现对不同时间进行不同的开灯模式。

(4) 当电压符合额定电压时，系统自动进行稳压。

(5) 在午夜之后降低电压以调节路灯亮度，实现调压。

二、本课题的研究现状和发展趋势

目前，路灯系统一般采用钠灯、水银灯、金卤灯等灯具。这类灯具有发光效率高、光色好、安装简易等优点，被广泛使用，但同时也存在着诸如：功率因子低、对电压要求严格、耗电量大等缺点。

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。目前，路灯照明广泛采用高压钠灯，其设计寿命在12000小时以上，在正常情况下至少可用3年，但是由于超压使用，现在路灯的使用寿命仅仅只有1年左右，有的甚至只有几个月，造成

维护和材料的极大浪费。较高的电压不仅不能让负载设备更好的工作，而且还会造成发热及过早损坏，还会造成不必要的电费开支。

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活。本设计通过使用AT89C51单片机对系统进行智能控制，使系统达到自动启停及智能调压。

近年来，随着科技的不断发展，各种路灯控制器也被不断的研究出来。其中，美国和日本主要集中在研究紧凑型荧光灯和镇流器荧光灯两个方面。而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，采用自耦变压器及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，现在国内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。

综上所述，未来的智能路灯控制必将向着更安全、更环保、更节能、更高效率的方向发展。

三、本课题的研究方案及工作计划

1、设计方案

本次课程设计是由传感器通过外界光信号的强弱来产生电压信号，再由单片机控制实现路灯的自动启停及智能稳压。本设计通过使用AT89C51单片机芯片来设计电路，编制程序，仿真，调试，完成整个系统的功能。整个控制系统主要包括四个模块：信号采集模块、数据处理模块、稳压模块和控制模块。

2、技术路线

设计要求采集输入电压信号，通过A/D转换后输入控制器，当外界光信号的强度低于一定数值时，通过软启动开启路灯。当光信号强度高于一定数值时，通过软启动关闭路灯，并将采集输入电压信号，与已设定的标准电压值进行比较，并对输入电压进行稳压，再通过时钟电路对路灯亮度进行调节，在午夜之后对路灯亮度进行降低，最后达到节电稳压。技术方案如下图：

3、关键问题

(1)信号采集电路设计

该模块需要检测环境光的变化，根据环境光的明暗进行路灯开关的自动控制。基于此要求采用由光敏电阻组成的分压电路进行检测。光敏电阻器又称光导管，特性是在特定光的照射下，其阻值迅速减小，可用于检测可见光。在不同的光强下，光敏电阻的电阻值会发生明显变化，光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光通过检测不同光强下电阻值的变化量来控制路灯的开和关。 (2)稳压模块设计

通过采集三端稳压器输出的电压并将该电压与设定电压进行比较，进而调整输出电压的大小，达到稳压的目的。本设计使用美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路LM317。 (3)时钟电路设计

为实现路灯对电压进行智能补偿，从而达到智能调压，本设计采用美国DALLAS 公司的实时时钟电路DS1302，该芯片一种高性能、低功耗、带RAM 的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V ～5.5V 。采用三线接口与CPU 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM 数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM 寄存器。另外该芯片有备份电源引脚，可以在断电后仍能工作，以保证时钟的准确性。

3、时间安排

(1) 2012.2.20—2012.2.29 查阅相关资料，理解设计任务书。 (2) 2012.3.1 —2012.4.1 搜索资料，完成开题报告。

(3) 2012.4.1 —2012.4.20 硬件调试，排除故障直至满足设计要求。 (4) 2012.4.20—2012.5.10 软件调试，排除故障直至满足设计要求。 (5) 2012.5.10—2012.5.30 整理资料，按要求撰写论文，完成初稿。 (6) 2012.6.1—2012.6.20 论文整定，最终定稿，准备答辩。

四、主要参考文献

[1]查兵，崔浩.单片机原理[J].中国高新技术,2011年1期

[2]李健，蒋全胜，任灵芝.智能路灯控制系统设计[J].工业控制计算机,2010年6期

[3]金仁贵.单片机应用系统的开发方法[J].电脑知识与技术：学术交流,2006年12期

[4]严怀龙.基于单片机的数据采集系统[J].广西轻工业,2006年6期

[5]王虎城，周晋军，皮依标，叶振华.基于光传感器和单片机的校园路灯控制系统设计[J].科技广场,2011年1期

[6]王立红.基于单片机的智能路灯控制系统[J].网络财富,2010年6期

[7]王皑，佘丹妮.基于单片机的模拟路灯控制系统设计[J].仪表技术,2011年11期

[8]张毅刚.单片机原理及应用[M].高等教育出版社,2003

[9]阎石.数字电子技术基础[M].高等教育出版社,2006

[10]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社,2006

[11]程德福，林君.智能仪器[M].机械工业出版社,2009

[12]刁鸣.常用电路模块分析与设计指导[M].清华大学出版社,2008

AT89C51的介绍

描述

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机带有4K字节的可反复擦写的程序存储器（PENROM）。这种器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丢失存储技术生产，并且能够与MCS-51系列的单片机兼容。片内含有8位中央处理器和闪烁存储单元，有较强的功能的AT89C51单片机能够被应用到控制领域中。

功能特性

AT89C51提供以下的功能标准：4K字节闪烁存储器，128字节随机存取数据存储器，32个I/O口，2个16位定时/计数器，1个5向量两级中断结构，1个串行通信口，片内震荡器和时钟电路。另外，AT89C51还可以进行0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。闲散方式停止中央处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。

引脚描述

VCC：电源电压

GND：地

P0口

P0口是一组8位漏极开路双向I/O口，即地址/数据总线复用口。作为输出口时，每一个管脚都能够驱动8个TTL电路。当“1”被写入P0口时，每个管脚都能够作为高阻抗输入端。P0口还能够在访问外部数据存储器或程序存储器时，转换地址和数据总线复用，并在这时激活内部的上拉电阻。P0口在闪烁编程时，P0口接收指令，在程序校验时，输出指令，需要接电阻。

P1口

P1口一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流。闪烁编程时和程序校验时，P1口接收低8位地址。

P2口

P2口是一个内部带有上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL 电路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时，可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容在整个运行期间不变。闪烁编程或校验时，P2口接收高位地址和其它控制信号。

P3口

P3口是一组带有内部电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲故可驱动4个TTL电路。对P3口写如“1”时，它们被内部电阻拉到高电平并可作为输入端时，被外部拉低的P3口将用电阻输出电流。

P3口除了作为一般的I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：

P3口还接收一些用于闪烁存储器编程和程序校验的控制信号。

RST

复位输入。当震荡器工作时，RET引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE以时钟震荡频率的1/16输出固定的正脉冲信号，因此它可对输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲时，闪烁存储器编程时，这个引脚还用于输入编程脉冲。如果必要，可对

特殊寄存器区中的8EH单元的D0位置禁止ALE操作。这个位置后只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被应用。此外，这个引脚会微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

PSEN

程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器读取指令时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN 信号不出现。

EA/VPP

外部访问允许。欲使中央处理器仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平。需要注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平，CPU则执行内部程序存储器中的指令。闪烁存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电压VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。

XTAL1：震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：震荡器反相放大器的输出端。

时钟震荡器

AT89C51中有一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自然震荡器。外接石英晶体及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联震荡电路。对外接电容C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30PF±10PF，而如果使用陶瓷振荡器建议选择40PF±10PF。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空

比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。

内部振荡电路

外部振荡电路

闲散节电模式

AT89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是闲散模式和掉电工作模式。这两种方式是控制专用寄存器PCON中的PD和IDL位来实现的。PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL是闲散等待方式，当IDL=1，激活闲散工作状态，单片机进入睡眠状态。如需要同时进入两种工作模式，即PD和IDL 同时为1，则先激活掉电模式。在闲散工作模式状态，中央处理器CPU保持睡眠状态，

而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内随机存取数据存储器和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。闲散模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。终止闲散工作模式的方法有两种，一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL被硬件清除，即刻终止闲散工作模式。程序会首先影响中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序，并紧随RETI指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入闲散工作模式，那条指令后面的一条指令。二是通过硬件复位也可将闲散工作模式终止。需要注意的是：当由硬件复位来终止闲散工作模式时，中央处理器CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期有效，在这种情况下，内部禁止中央处理器CPU访问片内RAM，而允许访问其他端口，为了避免可能对端口产生的意外写入：激活闲散模式的那条指令后面的一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。

掉电模式

在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在中指掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将从新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC 恢复到正常工作电平前，复位应无效切必须保持一定时间以使振荡器从新启动并稳定工作。

闲散和掉电模式外部引脚状态。

程序存储器的加密

AT89C51可使用对芯片上的三个加密位LB1，LB2，LB3进行编程（P）或不编程（U）得到如下表所示的功能：

当LB1被编程时，在复位期间，EA端的电平被锁存，如果单片机上电后一直没有复位，锁存起来的初始值是一个不确定数，这个不确定数会一直保存到真正复位位置。为了使单片机正常工作，被锁存的EA电平与这个引脚当前辑电平一致。机密位只能通过整片擦除的方法清除。