895191602基于AT89C51的路灯控制系统设计论文.doc
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1、基于AT89C51的路灯控制系统设计【摘 要】本路灯控制系统是针对实际情况的需要而进行优化设计的。在设计中,采用开关按钮进行时间控制,显示是六位LED数码管和五个发光二极管,时间为正常24小时走时,可用按钮调节定时开关时间,达到控制的目的。发光二极管为显示调时状态及模拟路灯的控制,让本设计中更加的形象化。该设计系统通过对小时、分钟和秒钟的调整来控制路灯的开关状态,并且在23点后,路灯会自动熄灭一半,达到节能的效果。启动后进入计时显示,计时用六位数码管显示;当一天时间过去后可以循环继续控制,用发光二极管进行模拟显示。【关键字】单片机 路灯 节能 控制系统目 录引言41 系统总体设计51.1 设计
2、要求51.2 系统组成方框图52 方案论证52.1 复位模块52.2 主控模块62.3 按键输入模块62.4 显示模块63 系统硬件设计73.1 总体思路73.2 各模块电路图73.2.1 复位模块电路设计73.2.2 主控模块电路设计73.2.3 按键输入模块电路设计83.2.4 显示模块电路设计84 系统软件设计104.1 主程序设计104.2 计时程序设计114.3 中断程序设计125 系统调试135.1 软件调试135.2 硬件及总体电路调试135.3 系统改进方案136 结束语137 致谢14参考文献14附录一 系统总体原理图 16附录二 元器件清单 16附录三 源程序 17引言照明
3、工程迅猛发展,其路灯数量的增大,而且功耗和性能大大提高,因而对路灯定时器控制的要求比较精确. 目前,对路灯控制方法多为“人工控制”和“光控”。“人工控制”受恶劣天气的影响及其他干扰,并且巡视困难;“光控”容易受外部环境干扰,灵敏度低且可靠性较差,二者均不能实现控制开关灯的合理化、科学化,从而会出现:开灯早,关灯晚;或者开灯晚,关灯早的现象。前者会造成巨大的电能浪费,后者会损害城市形象、影响社会治安和交通安全,从而影响城市的投资环境。以上难点,将直接影响城市照明管理水平。而照明管理的高低又将直接影响到城市的市容、投资环境、交通安全和社会治安等,这些都是构建良好的城市环境的重要组成部份,对城市的建
4、设和发展有着重要的意义。总之,随着城市规模的不断扩大,现有的路灯管理的方式方法已远远不能满足城市路灯发展与管理的需要,必须依靠现代化的高科技管理手段。路灯管理工作需要一个以计算机为核心的、自动化的管理手段来替代传统的路灯监控系统。使整个城市照明监测,决策和管理工作建立在计算机信息网络平台之上。因此,建设现代化的“路灯监控管理系统”已迫在眉睫。单片机是在一块芯片上集成了一台微型计算机所需的CPU、存储器、输入/输出部件和时钟电路等。因此,它具有体积小、使用灵活、成本低、易于产品化、抗干扰能力强、可在各种恶劣环境下可靠地工作等特点。特别是它应用面广,控制能力强,使它在工业控制、智能仪表、外设控制、
5、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了广泛的应用。本设计中正是运用单片机的AT89C51作为主控芯片设计的路灯控制系统。AT89C51不但功能强大,而且使用方便、价格便宜,可以最大限度的降低成本、增加计时模式和提高计时精度。该控制系统体积小,适用与校园、街道、小区等各种场所的路灯控制,可以最大限度的满足人们的生活需要。1系统总体设计11设计要求当开机后,经过上电复位,时钟显示为12:00:00,这时可以调整时、分、秒按钮进行精确调整到当前时间,进行正常走时;开机后系统内部自定义开路灯时间为18:00:00,关路灯时间为6:00:00,如果不做调整的话,时间就是下午6点钟开灯,早晨6点钟关灯;春
6、、夏、秋、冬四季的昼夜并不相等,为了更好的节省电力资源,本设计中可以进行手动调整,根据四季的变化来调整开路灯和关路灯的时间,更有效的节省资源;本设计中另外的一大特点就是在23:00:00的时候,路灯会熄灭一半,这种设计也是为了节省资源,因为夜深人静的时候,并不需要太多的路灯照明整个路面,只需要点点灯光就行;到早晨六点钟或自己重新设定的时间的时候再关闭其它的路灯。本设计的最大优点在于不影响路灯照明的情况下,达到了节能的效果,在同样设备的路灯中,可以节约一半的电能,起到环保的作用。12系统组成方框图主控模块按键模块显示模块电源模块图1-1系统方框图2方案论证21复位模块方案一:基本RC复位电路,该
7、复位方式为手动复位,可分为高电平复位和低电平复位,电容可避免高频谐波对电路的干扰。该复位电路简单易行,但缺点是在遇到较强干扰或瞬间断电时,复位端电容充放电特性变化,往往电源低至RAM区数据不能保持时,复位端上仍储有相当的电荷,致使电源电压恢复时复位端不能产生复位信号而出现“死机”或“程序跑飞”。该复位电路用在复位精度不是很高的设计中。1方案二:看门狗复位电路,在“死机”或“程序跑飞”时,对系统进行重新置位或者复位,以使系统恢复正常运行的一种专门电路。进一步提高了单片机系统的稳定性和抗干扰性的能力。用于复位精度要求较高的设计中。1本设计中对复位电路的要求精度不需要很高,所以选择的是方案一的RC高
8、电平复位电路。22主控模块方案一:采用AT89C2051芯片,它体积小,管脚少,没有提供外部扩展存储器与I/O设备所需的地址、数据、控制信号,因此利用AT89C2051构成的单片机应用系统不能在AT89C2051之外扩展存储器或I/O设备。无法满足设计所需。方案二:采用AT89C51芯片,具有AT89C2051的所有功能,管脚充足,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下,CPU停止工作。但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。结合
9、设计要求,我选择方案二23按键输入模块对按键处理的重要环节是去抖动,即去除按下和抬起瞬间的抖动。而消除抖动后面临的更大问题就是解决按键的响应问题,包括按键的一次响应,一键多功能等。3可以采用硬件消抖和软件消抖两种方式,在本设计中采用的是软件的延迟法来对按键消抖。224显示模块方案一:采用LCD液晶显示器显示。它可视面积大,画面好,抗干扰能力强,可以节省软件中断资源,其缺点是显示内容需要存储字模信息,需要一定存储空间。方案二:采用LED数码管显示。用发光二极管(简称LED)组成的字形来显示数字,七个条形发光二极管排列成七段组合字型,便构成了半导体数码管。半导体数码光分共阳极数码管和共阴极数码管,
10、此次设计采用了共阴极数码管显示,即七个发光二极管的阴极连在一起接地。当共阴极数码管的某一阳极接高电平时,相应的二极管发光,根据字形使某几段二极管发光,所以共阴极数码管需要输出高电平有效的译码器来驱动。5 图2-1共阴极数码管内部结构图基于以上所述,本设计采用方案二。LED数码显示器有两种控制方式,即静态数据锁存方式和动态扫描显示。静态数据锁存方式每个数码管用一个8位并行锁存器存储数据并驱动,所以硬件复杂,故障率高。动态扫描显示,就是让各位数码管按照一定顺序轮流显示,其主要优点是能显著降低显示器的功耗,并能大大减少显示器的外部接线。所以在本设计中采用动态扫描方式控制数码管的显示。43系统硬件设计
11、31总体思路在设计路灯系统控制器之前,先了解系统所要实现的各个功能情况。在设计的过程中,除了要让硬件电路简洁外,还要兼顾软件不能过于复杂。这样才能达到设计的实际要求,硬件支持软件,软件带动硬件。本电路设计的主要思路是:对路灯实现实时控制,并且可以进行单路控制和总控制。最基本的程序是时钟显示程序,之后的设定开灯和关灯时间并能对路灯进行实时控制以及对路灯的点控都是在基本程序上扩展而得到的。时钟显示程序中最关健是否对数码管进行动态扫描的子程序放在哪里,本设计中把动态扫描程序放在T0中断里,中断的时间是否2MS,也就是说每2MS扫描一次,扫描频率非常快,利用了人眼的视觉残留特性,使程序更加简洁.调时程
12、序和对路灯的单路控制程序都是按键进行控制的。所以对对按键的控制显得尤为重要了。本设计主程序中一直在对所有的按键进行扫描,当按键一有动作,在第一时间就执行相应的程序,达到实时控制的目的。其中在按键扫描时要进行去抖动控制,这一功能在软件中进行实现。电路的总体设计图见附录一,元器件清单见附录二。32各模块电路图321复位模块电路设计单片机的复位都是靠外部电路来实现的。在时钟电路工作后 ,只要在单片机的复位 (RST)脚上出现24个时钟振荡脉冲 (也就是2个机器周期)以上的高电平单片机便实现初始化状态复位。因此,要想保证单片机能够可靠的复位 ,在应用系统的电路设计中 ,就要使RST引脚保持10ns以上
13、的高电平 ,使AT89C51能循环到复位状态。在设计中采用RC高电平复位电路如图3-1示。图3-1复位电路322主控模块电路设计采用的AT89C51芯片对整个系统进行控制,其中P0口控制数码管的7段的亮暗情况,P2口控制选择数码管的位数,P3口用于控制调时指示灯,P1口用于按键输入的控制及路灯开关控制。AT89C51的芯片管脚图如图3-2示。图3-2 AT89C51芯片管脚323按键输入模块电路设计整个按键输入模块集中在对时间的调节和手动开关灯上,设计图如图3-3示。图中第一个按键为调整时间位,可以通过改按键调整时、分、秒的切换;第二个按键为增加时间位;第三个按键为减少时间位;第四个按键为手动
14、开关路灯位,可以关一路或两路一起关。图3-3 按键输入电路324显示模块电路设计(1)数码管显示电路设计设计中采用两个四位数码管并排来显示6位时间,通过单片机的P0、P2口同时控制数码管的工作,并在PO口与数码管间接上拉电阻对数码管进行保护,同时也增加了数码管的亮度,电路如图3-4所示。图3-4 数码管显示电路(2)发光二极管显示电路设计设计中采用了5个发光二极管,其中三个发光二极管作为调节时间显示灯,采用下拉示串电阻是为了保护发光二极管,如图3-5所示。另外两个发光二极管是路灯指示灯,分别代表两路路灯,如图3-6示。图3-5 调节时间显示灯图3-6 路灯显示灯4系统软件设计41主程序设计初始
15、化是否进行时间调整?是否进行定时开关灯时间调整?是否进行定时关灯时间调整?判断是否开灯时间到?判断是否到23点?判断是否关灯时间到?判断是否需要路灯键控?调用调整时、分子程序调用调整时、分子程序调用时间调整子程序点灯灯熄一半关灯YYYYYYYNNNNNN图4-1 主程序流程图本软件设计的程序设计包括判断各个按钮按下之后能够实现什么功能,判断开灯关灯的时间和手动控制路灯。其中,动态显示是在中断子程序中进行的,每一次中断的时间为2MS,每中断一次扫描一次,实现动态显示。正常走时的动态显示是在T0中断中进行动态扫描的,设置开灯关灯的时间是在T1中断中进行动态扫描的。主程序流程图如图4-1示。42 计
16、时程序设计计时程序的设计主要用到定时器的知识。下面我简述一下定时器的一些基础知识。MCS-51单片机内部有两个16位可编程的定时器/计数器,即定时器T0和定时器T1。它们既可用作定时器方式,又可用作计数器方式。定时器/计数器的基本部件是两个8位的计数器(其中TH1,TL1是T1的计数器,TH0,TL0是T0的计数器)拼装而成。在作定时器使用时,输入的时钟脉冲是由晶体振荡器的输出经12分频后得到的,所以定时器也可看作是对计算机机器周期的计数器(因为每个机器周期包含12个振荡周期,故每一个机器周期定时器加1,可以把输入的时钟脉冲看成机器周期信号)。故其频率为晶振频率的1/12。如果晶振频率为12M
17、HZ,则定时器每接收一个输入脉冲的时间为1us。置定时器1初值,打开定时器11秒钟定时到,秒加1秒数到60秒?秒数为0,分钟数加1分钟数到60?分钟数为0,小时数加1小时数到24,小时、分钟、秒都清零返回YNNNYY图4-2 定时器流程图定时器/计数器有四种工作方式(方式0,方式1,方式2,方式3),其工作方式的选择及控制都由两个特殊功能寄存器(TMOD和TCON)的内容来决定。用指令改变TMOD或TCON的内容后,则在下一条指令的第一个机器周期的S1P1时起作用。当为计数工作方式时,计数值的范围是:1256(28)当为定时工作方式时,定时时间计算公式为:(28-计数初值)x晶振周期x12或
18、(28-计数初值)x机器周期本次设计中用到了T0和T1进行中断控制,T0和T1用的都是方式一。在中断子程序中放进了显示程序,中断时间为2MS,可以实现数码管的动态扫描且无闪烁感。定时器流程图如图4-2示。43 中断程序设计所谓中断,是指在计算机执行程序过程中,当出现某种情况,如发生停电和其他情况时,由服务对象向CPU发出中断请求信号,要求CPU暂时中断当前程序的执行,而转去执行相应的处理程序,待处理程序执行完毕后,再继续处理执行原来被中断的程序中断子程序能实现时钟自动走时功能,从而实现倒计时的运行,在程序设计的过程中有着重要的作用。中断程序流程图如图4-3示:中断定时时间到片选端flash_c
19、s=0片选端flash_cs=1片选端flash_cs=2片选端flash_cs=3片选端flash_cs=4片选端flash_cs=5数码管1显示所需数据数码管2显示所需数据数码管3显示所需数据数码管4显示所需数据数码管5显示所需数据数码管6显示所需数据YYYYYYNNNNNN图4-3 中断程序流程图5系统调试51软件调试本设计采用的是C语言的编程方式,根据设计要求编写程序,并在Keil uVision2软件中进行程序编写的调试,确定编写上没有错误后,利用ISIS 7 Professional配合所设计的硬件电路进行系统的调试。C语言编写的程序有许多优越性:(1)不懂得单片机的指令集,也能够
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