LED路灯控制器设计.doc

辽 宁 工 业 大 学单片机原理及接口技术 课程设计（论文）题目： LED路灯控制器设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间： 课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目LED路灯控制器设计课程设计（论文）任务该控制器可以根据环境亮度自动启动小区路灯点亮，并能按时间段调节亮度，路灯由200只3V/20mA发光二极管合并而成。 设计任务：1. CPU最小系统设计（包括CPU选择，晶振电路，复位电路）2. LED等串并联及脉宽亮度调节电路设计3. 开关量输出电路及环境亮度检测电路设计4 程序流程图设计机程序清单编写技术参数：1路灯由200只3V/20mA发光二极管合并而成2工作电源220V设计要求：1、分析系统功能，选择合适的单片机及传感器，开关输出电路及亮度检测电路设计等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。进度计划第1天 查阅收集资料第2天 总体设计方案的确定第3-4天 CPU最小系统设计第5天 LED等串并联及脉宽亮度调节电路设计第6天开关量输出电路及环境亮度检测电路设计第7天 程序流程图设计第8天 软件编写与调试第9天 设计说明书完成第10天 答辩指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要本文设计的是LED路灯控制器，通过该控制器可根据环境亮度自动启动小区路灯点亮，并能按时间段调节亮度，路灯由200只3V/20mA发光二极管合并而成。通过反复论证，本设计最终是一个以89C51单片机为核心，通过光敏电阻检测外部光强度，由于光强度不同光敏电阻呈现不同阻止从而决定输入口是高低电平，再由单片机通过事先编程好的软件程序实现控制LED路灯的亮灭，以及智能调整功能。本设计简单实用，LED路灯控制器结构简单，易于维修，经济实惠。LED路灯分为主道路灯、次道路灯、广告灯等多种形式，整个系统达到智能和节能的效果，稳定、安全，具有较高的应用价值 ，本控制器对智能化路灯管理有很大帮助，应用前景广阔。关键词：LED路灯；单片机；智能； 目 录第1章 绪论11.1 LED路灯控制器概况11.2 本文研究内容1第2章 CPU最小系统设计22.1 LED路灯控制器总体设计方案22.2 CPU的选择22.3 复位电路设计42.4 时钟电路设计52.5 CPU最小系统图6第3章 LED路灯控制器输入输出接口电路设计73.1 LED路灯控制器传感器的选择73.2 LED路灯控制器检测接口电路设计83.2.1 A/D转换器选择83.2.2 模拟量检测接口电路图93.3 LED路灯控制器输出接口电路设计9第4章 LED路灯控制器软件设计114.1 软件实现功能综述114.2 流程图设计114.2.1 主程序流程图设计114.2.2 模拟量检测流程图设计124.3 程序清单12第5章 系统设计与分析165.1 系统原理图165.2 系统原理综述17第6章 课程设计总结18参考文献19第1章 绪论1.1 LED路灯控制器概况当前巨量的能源消耗和由此引起的能源短缺、价格上涨等已使得节约能源成为一项十分迫切的任务。各国消耗的能源中很大一部分用于照明，其中城市公共照明（主要是道路照明和景观照明）在我国照明耗电中占30%.有资料显示，每年用于照明的电力在3 000 亿度以上，目前国内大部分城市的道路照明管理系统直至现在仍在沿用简单的光控、钟控等传统控制方式。这些系统普遍存在着难以反馈路灯运行状态信息、难以进行远程控制等局限，基本没有节电效果，并且采用传统的人工巡检，不仅使路灯管理部门的任务繁重，也增加了运行维护的费用。而LED具有功率低；寿命长；亮度大；环保等优点，若采用LED 照明，每年就可以节约1/3 的照明用电，基本上相当于三峡工程的全年发电量。综合以上优点，LED光源自然成为城市公共照明的首选。考虑到这些因素，本文针对LED 光源开发了智能路灯控制器。1.2 本文研究内容设计一个LED路灯控制器，该控制器可以根据环境亮度自动启动小区路灯点亮，并能按时间段调节亮度，路灯由200只3V/20mA发光二极管合并而成。本文主要针对控制器CPU最小系统的设计（CPU的选择，晶振电路等），LED等串并联及脉宽亮度调节电路设计以及开关量输出电路及环境亮度检测电路设计。对程序流程图进行讨论。第2章 CPU最小系统设计2.1 LED路灯控制器总体设计方案根据技术要求，控制器可根据周围环境光源的亮度自行启动或关闭路灯，并可根据不同时间段对亮度进行调整，路灯由200只3V/20mA发光二极管合并而成。依照要求给出流程图，如图2.1所示：图2.1 LED路灯控制器工作流程图根据工作流程图下面给出两种设计方案：方案一：利用模拟电路完成，使用继电器，放大器，光敏元件，LED灯，电源等元件构成模拟电路，继电器合上或断开决定灯是否亮，利用光敏元件判断光照强度，决定电路通断。这种方法简单易懂，元件便宜，但电路较为庞大，且器件过多，维护难度较大。方案二：采用89C51单片机作为控制器，利用光敏电阻判断环境光强度，将光信号转化成电信号传输到单片机管脚，使之在外部光强度弱时，自动控制LED路灯的开关和亮度。此方法较方法一更为智能，且电路简单，维修也比较方便。综上所述，本设计采用方案二设计。2.2 CPU的选择根据方案二内容，本设计采用89C51单片机作为控制器，89C51一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器。该器件价格低廉且易使用，技术方面已经相当成熟，使用89C51完全可以达到设计要求。其管脚说明如图2.2所示：图 2.2  89C51单片机引脚图引脚说明：VCC：电源端。正常操作及对Flash ROM编程和验证时接+5V电源。XTAL1：接外部晶体和微调电容的一端。它是振荡电路反向放大器的输入端及内部时钟发生器的输入端，当采用外部振荡器时，此引脚输入外部时钟脉冲。XTAL2：接外部晶体和微调电容的另一端。它是振荡电路反向放大器的输出端，采用外部振荡器时，此脚应悬浮。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/PROG：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用于定时目的。然而要注意的是：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指令是ALE才起作用。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。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间为外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器读取外部ROM数据。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，单片机读取内部程序存储器。（扩展有外部ROM时读取完内部ROM后自动读取外部ROM）。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1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/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，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，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。GND：接地2.3 复位电路设计复位电路在整个工作系统中，起到着不可替代的作用，单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。复位电路如下图：图2.4 单片机的复位电路单片机在启动时都需要进行复位，使CPU以及各部件处于初始状态，并从初始状态开始工作。89C51的复位信号是由复位引脚RST输入到芯片内部的施密特触发器中的。在机器处于正常工作状态时，在次引脚上出现两个机器周期以上的高电平，就可以使单片机复位。2.4 时钟电路设计时钟电路用于生产单片机工作所需的时钟信号，如果没有时钟信号单片机就不能正常工作，由此可见，一个系统中，单片机的时钟电路也是不可或缺的一个重要组成部分，时钟信号可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。单片机的时钟电路如图2.5所示： 本设计采用89C51型号单片机，该单片机是经过l2个时钟周期后，执行一条指令。也就是说单片机运行一条指令，必须要用12个时钟周期。时钟电路是微型计算机的心脏，控制着计算机的运行节奏。图 2.5 单片机时钟电路2.5 CPU最小系统图单片机最小系统是CPU工作的核心部分，最小系统即是由复位电路，时钟电路以及单片机组成的，通过复位时钟电路完成对CPU的驱动和复位工作。如下图所示:图 2.6 CPU最小系统第3章 LED路灯控制器输入输出接口电路设计3.1 LED路灯控制器传感器的选择光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。其原理是由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射到光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关。图 3.1 光敏电阻传感电路本次设计采用光敏电阻来完成，通过光敏电阻将光照强度转化成电压。白天光线强时，光敏电阻阻值远小于R，此时输入P0.4为低电平。当晚上光线弱时，则光敏电阻阻值远大于R,此时输入P0.4为高电平，单片机接受到高电平，就能够控制灯点亮。如图3.1所示：此次设计采用光敏电阻型号为LXD3548，该电阻可达到审计要求，且抗干扰能力强，工作温度为30+70，可适应绝大部分气候，而且该电阻价格便宜。3.2 LED路灯控制器检测接口电路设计A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位、14位和16位等。A/D转换器的工作原理，主要介绍以下三种方法：逐次逼近法、双积分法、电压频率转换法。 A/D转换四步骤：采样、保持、量化、编码。3.2.1 A/D转换器选择根据设计参数以及要求，本设计采用型号为TLV2548A/D转换器。TLV2548是美国TI公司生产的多通道、12位数据采集芯片。芯片为单电源2.75.5V供电，转换时间为3.86微秒，是一款高性能、低功耗、CMOS工艺、串行接口的A/D转换器。其特性如下所示：1. 12位分辨率，微分/积分非线性误差±1LSB2. 单电源2.75.5V范围供电电源，内置参考电源3. 内置转换时钟源及8FIFO4. 8路模拟输入，模拟输入范围为0到电源电压，500KHz带宽5. SPI（CPOL=0，CPHA=0）/DSP兼容串行接口，SCLK可高达20MHz6. 200kHzSPS采样速率，3.86微秒转换时间7. 低工作电流（1mA，3.3V时；1.1mA，5.5V，外供参考源时）8. 软/硬件控制采样周期及掉电方式9. 可编程自动通道扫描3.2.2 模拟量检测接口电路图在自动控制和测量系统中，被控制和被测量的对象往往是一些连续变化的物理量。如：温度、压力、流量、速度、电流、电压等。这些随着时间连续变化的物理量成为模拟量。计算机参与测量和控制时，模拟量不能直接送入计算机，必须先把他们转换成数字量。能够将模拟量转换成数字量的器件成为模拟数字转换器，简称ADC。同样，计算机输出的是数字量，不能直接用于使用模拟量的控制执行部件，必须将这些数字且转换成模拟量。能够将数字量转换成模拟量的器件称为数字/模拟转换器，简称DAC。因此，我们常把ADC和DAC器件以及相关电路称为模拟接口电路。LED路灯控制器的模拟量检测口由最小系统和传感器组成，如图3.2所示，传感器是光敏电阻，当光照较强时，输入点的电压为高电平，P0.4口为高电平；否则，P0.4为低电平。图3.2 模拟量检测接口电路图3.3  LED路灯控制器输出接口电路设计由于路灯是由LED组成，而输入电压为220V，所以，需要用开关稳压电源，将交流变直流，并且降电压降至LED的工作电压范围之内,输出接口电路如图3.3。输入电压220V经输入口输入电路，220V交流整流器，得到直流电，两个开关管Q1和Q2的通过PWM的控制，交替导通，经过逆变之后，通过两个二极管，将交流电变为直流电输出，供给LED作为电源，当单片机的P1.0管脚输出为高电平时，Q3导通，LED灯开启；当单片机的P1.0管脚输出为低电平时，Q3关闭，LED灯关闭。当LED灯开启时，可以用软件，通过PWM控制小灯亮度的强弱。图3.3输出接口电路图第4章 LED路灯控制器软件设计4.1 软件实现功能综述设计要求中，对于LED路灯的控制要求较高，要求路灯根据周围环境的亮度，来控制路灯的开启和关断，通过时间来决定路灯的亮度。 本次设计中的软件程序，已经完全达到设计要求，通过光敏电阻产生的电平，来控制单片机P1.0的电平，从而控制了LED路灯的开关；由程序中的时钟，来实现LED路灯能按时间段调节亮度。4.2 流程图设计4.2.1 主程序流程图设计主程序主要完成的功能是控制LED路灯的开启和关断，当路灯开启时，计时器工作记录时间，每经过一个时间段，便会调用该时间段的PWM占空比，从而改变路灯的亮度，流程图如图4.1所示。图4.1主程序流程图4.2.2 模拟量检测流程图设计光敏电阻作为传感器收集路灯周围环境的光照亮度，当光照强度越弱，光敏电阻的阻值越大，直到P0.4有高电平输入时，经过程序控制，使P1.0管脚输出高电平，从而控制输出电路，模拟量流程图如图4.2所示。图 4.2 模拟量流程图4.3 程序清单（1） 主程序 ORG 0000H LJMP MAIN； 转主程序ORG 0003H LJMP INT0 ； 转INT0中断ORG 000BH LJMP CLOCK； 转定时器T0中断 ORG 0013H LJMP INT1 ； 转INT1中断主程序: MAIN：MOV A , # 03H MOV R0 ， # 20H MOVX R0 ,A MOV SP , # 5AH MOV 2BH , # 60H MOV 2CH , # 60H MOV 2DH , # 24H MOV TMOD , # 01H MOV TL0 , # 0B0H MOV TH0 , # 3CH MOV IE , # 87H SETB TR0 LOOP :LCALL DSUP LJMP LOOP（2） 子程序 T0中断服务程序: ORG 0050H T0 : CLR EX0 JNB P3. 2 , $ INC 28H MOV A ,28H ADD A , # 00H DA A MOV 28H ,A SUBB A , # 60H JC DSUP2 MOV 28H , # 00H DSUP2 :LCALL DSUP SETB EX0 RETI DSUP :MOV R0 , # 4FH MOV A ,27H ACALL PTDS MOV A,28H ACALL PTDS MOV A ,29H ACALL PTDS MOV R0 , # 4AH MOV R2 , # 0DFH MOV DPTR , # SEGPT DSUP1 :MOV A , # 00H MOV R1 , # 21H MOVX R1 ,A MOV A , R0 MOVC A , A + DPTR MOVX R1 ,A MOV A ,R2 MOV R1 , # 22H MOVX R1 ,A MOV R3 , # 00H DSUP4 :DJNZ R3 ,DSUP4 INC R0 CLR C MOV A ,R2 RR A MOV R2 ,A JB ACC. 7 ,DSUP1 RET PTDS:MOV R1 ,A ACALL PTDS1 MOV A ,R1 SWAP A PTDS1 :ANL A , # OFH MOV R0 ,A DEC R（3） 计数子程序 T0 中断服务程序: CLOCK:PUSH PSW PUSH ACC SETB RS0 MOV TL0 , # 0B7H MOV TH0 , # 3CH INC 26H MOV A ,26H CJNE A , # 0AH ,DONE MOV 26H , # 00H MOV R0 , # 27H MOV R1 , # 28H MOV R3 , # 03H LOOP0 :MOV A , R0 ADD A , # 01H DA A MOV R0 ,A MOV 38H , R1 CJNE A ,38H ,DONE0 MOV R0 , # 00H INC R0 INC R1 DJNZ R3 ,LOOP0 DONE0 :ACALL LOOP1 DONE:POP ACC POP PSW RETI 第5章 系统设计与分析5.1 系统原理图图 5.1 系统原理图5.2 系统原理综述本设计通过利用光敏电阻作为传感器，对环境中的光强度进行检测，将光强度转换成电压。白天时，环境中光强度较大，光敏电阻远远小于R，此时单片机输入P0.4为低电平。当夜间光强度小于一定值时，光敏电阻增大，远大于R，此时单片机输入口P0.4为高电平，单片机接收到P0.4口的高电平，通过程序控制使P0.1为高电平，并且输入电压220V经输入口输入电路，220V交流整流器，得到直流电，两个开关管Q1和Q2的通过PWM的控制，交替导通，经过逆变之后，通过两个二极管，将交流电变为直流电输出，供给LED作为电源。LED开始工作后，单片机定时器开始工作计时，每达到一段时间，程序自动调整控制LED亮度的PWM的占空比，改变路灯亮度，满足环境需求。当环境光强度再次大于一定值时，光敏电阻又远远小于R值，P0.4变为低电平，使整个电路断开，LED熄灭。第6章 课程设计总结随着现代化的发展，传统的路灯控制与维护手段已不能适应城市现代化的要求。单片机、IC芯片等技术的大力发展给智能路灯控制发展提供了前提和基础。本次设计是利用单片机来控制LED路灯的智能亮灭，使LED路灯可根据当时环境的光强度强弱自动调整亮度，调整亮灭。路灯是由200只3V/20mA发光二极管合并组成。经过反复论证，选择了较为经济，维修方便，电路比较简单的设计方案。方案利用单片机作为核心控制，利用光敏电阻在不同光环境下阻值的变化对环境光强进行检测，将光信号变成电信号，再通过软件控制路等的开启和关闭。再由逆变系统将220V 50Hz交流电通过逆变转化成LED使用的直流电。通过单片机内部的定时计数器，记录时间，并随时调用程序中储存的PWM占空比，来实现调节路灯的亮度。本设计可满足绝大部分环境的需求，来控制LED路灯亮灭以及亮度的调整，具有电路简单，易于操作，投资较少等优点。参考文献1 梅丽凤等，编著 单片机原理及接口技术 清华大学出版社2009年07月2 赵晶，主编 Prote199高级应用 人民邮电出版社，2000 年月3 于海生，编著 微型计算机控制技术 清华大学出版社2003年04月4 张道德，编著 单片机接口技术 中国水利水电出版社 2007年03月5 王化祥，编著 传感器原理及应用 天津大学出版社 2007年02月6 王振宏，智能路灯控制器.信息产品与节能.2000年，第2期：14-16 7 朱裕良.路灯控制用智能定时器.电器时代.2001年，第4期：418 李中年.控制电器及应用.清华大学出版社.2006年 9 何立民.单片机应用技术选编.北京航空航天大学出版社.1997年 10 关德新，冯文全.单片机外围器件实用手册电源器件分册.北京航空航天大学出版社.1998年 11 李朝春.单片机DSP外围数字IC技术手册（第二版）. 北京航空航天大学出版社.2005年