基于AT89C51的路灯控制系统设计

1基于AT89C51的路灯控制系统设计学院：物理与机电工程学院专业：电子信息工程专业学号：2005040202姓名：陈娟指导教师：张卫平【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2目录引言……………………………………………………………………………………41系统总体设计………………………………………………………………………51.1设计要求………………………………………………………………………………………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…………………………………………………………………………………143参考文献………………………………………………………………………………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………………………………………………………………………174引言照明工程迅猛发展，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、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。51系统总体设计1．1设计要求①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；②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；③春、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；④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；⑤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。1．2系统组成方框图图1-1系统方框图2方案论证2．1复位模块方案一：基本RC复位电路，该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，以使系主控模块按键模块显示模块电源模块6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高电平复位电路。2．2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。结合设计要求，我选择方案二2．3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。[2]2．4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，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。[4]73系统硬件设计3．1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。3．2各模块电路图3．2．1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3．2．2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。8图3-2AT89C51芯片管脚3．2．3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3．2．4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，9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