自适应路灯控制器设计毕业论文设计Word文件下载.docx

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第一章前言

1.1课题研究的背景及意义

社会的城市化进程越来越快，路灯在城建中的重要性愈发显著。

路灯的作用已经不仅仅是为了照明，还成为了城市的一道靓丽的风景，但是路灯的不合理使用浪费了大量的电能。

我国的电能来源主要是火力发电，而发电的效率仅在44%左右。

利用火力发电的同时也消耗着煤炭资源和污染着环境，一座1000兆瓦的火力发电厂每天大约消耗10万吨的水资源，全国每年消耗标准煤约5000万吨，火力发电造成的污染很严重，全国每年排放SO2约140万吨和烟尘约1500万吨，直接燃烧煤炭排放的酸性气体不断增加，使中国很多地区酸雨量增加。

煤粉灰尘也严重污染着发电站附近的环境，影响人们的日常生活及植物的正常生长。

根据调查报告显示2021年社会消耗电量大约是5.5万亿度，而用于路灯的用电量大约占其中的12%[1]。

按市电0.7元每度计算，一年花费约460亿元，严重制约着国家的经济开展。

但是我国的路灯管理水平还比拟落后，根本上靠人工操作，花费了大量的人力本钱，而且路灯的开关控制不够准确及时，造成电能的大量浪费。

因此提高路灯控制技术，科学合理智能的控制路灯，在满足人们在路上出行平安的同时还能节约电能和减少人力本钱，减少市政开支，所以大力推广照明节能技术具有重大的意义。

1.2路灯照明技术开展状况及趋势

1.2.1路灯照明技术的现状

目前大多数城市的路灯照明控制技术比拟落后，根本上都是采用传统的控制方式，即使用人工操作，在规定的时间点统一翻开和关闭路灯，而且路灯的损坏情况全靠人工巡逻检查，并且各街道路灯没有主次之分，主干道与小街道路灯的亮度要么统一要么偏亮或偏暗，这些现象就造成了路灯开关的不准确不及时，路灯维修不及时，各道路路灯亮度不科学，这样的规划设计不仅浪费能源增加人力本钱，而且整体的照明效果也不好。

1.2.2路灯照明技术的开展趋势

电能是重要的二次能源，我国是发电大国，主要靠火力发电，当前世界能源危机越来越严重，节约能源越来越重要，其中节约电能被提上日程，随着科学技术的开展，城市路灯节能技术得到不断地进步，从传统的人工控制到由光照强度决定的智能控制，从高压钠灯到LED灯，从供电电源由市电到太阳能发电，路灯照明技术的开展对电能的节约都得到了较大的进步。

第二章自适应路灯控制系统的方案设计

2.1控制系统的理论分析

本系统整体分为两局部又分为两段控制，光照控制模块和时钟控制模块[2]。

光照控制指在夜晚0点以后光照传感器开始工作，随着天渐渐变亮，光照强度逐渐增强。

主机接收从机收集的光照度，经过处理后向从机发出指令，从机根据指令执行关灯行为，直至路灯全关。

时钟控制指单片机在规定的时间点定时翻开路灯。

同时下午路灯翻开的时间点随着月份的变化而提前或延迟，例如夏季最晚翻开路灯时间为19点，冬季最早翻开路灯时间是17点，即每个月份增减20分钟[3]。

2.2控制系统的整体设计方案

所示。

图2.1控制系统整体设计框图

光感模块收集光照强度提供应单片机，时钟模块提供时间参考，单片机根据收集的数据处理后输出控制信息，通过控制模块对路灯的开关进行控制。

主机通过串口收集各个控制器的工作状态信息，然后通过显示模块显示各个控制器的信息[4]。

第三章硬件电路设计

3.1系统中的主要器件的介绍

3.1.1单片机AT89C51简介

单片机的特性概述：

AT89C51单片机提供的标准功能：

〔1〕8位CPU。

〔2〕片内带振荡器，振荡频率fosc范围在1.2～12MHz；

可有时钟输出。

〔3〕128B的片内数据存储器。

〔4〕4KB的片内程序存储器。

〔5〕程序存储器的寻址范围为64KB。

〔6〕具有寻址范围为64KB的片外数据存储器。

〔7〕21个字节特殊功能存放器。

〔8〕4个8位并行口：

P0，P1，P2，P3。

〔9〕1个全双工串行口，可用于多机通信。

〔10〕2个16位定时器/计数器。

〔11〕中断系统有5个中断源，可编程为2个优先级。

〔12〕片内采用单总线结构。

〔13〕用单一+5V电源[5]。

单片机的特点：

〔1〕高度集成，体积小，可靠性能高；

（1）控制功能强；

（2）电压低，功耗低，便于生产便携式电子产品；

（3）容易扩展；

（4）性价比拟高；

AT89C51单片机的局部引脚功能简介：

VCC接单一+5V电源，GND接地，P0～P3口为8位双向I/O口，其中P3口的第二功能是P3.0（RXD）串行输入口，P3.1（TXD）串行输出口，P3.2〔/INTO〕外部中断0，P3.3〔/INT1〕外部中断1，P3.4（T0）计时器0外部输入，P3.5（T1）计时器1外部输入，P3.6〔/WR〕外部数据存储器写选通，P3.7〔/RD〕外部数据存储器读选通。

AT89C51单片机引脚如图3.1所示。

图3.1AT89C51引脚图

3.1.2模数转换芯片简介

ADC0832是一种专门用来将模拟信号转换为便于计算操作的数字信号的芯片，与微处理器完全兼容，它具有价格较低、接口比拟简单、转换控制比拟容易等优点，在单片机系统开发中得到大量的使用[6]。

ADC0832的特点：

〔1〕8位分辨率，最高分辨可到达256级；

〔2〕输入输出电平与TTL/COMS相兼容；

〔3〕供电电源为+5V时输入电压在0-5V之间；

〔4〕工作频率为250KHz，转换时间在32us；

〔5〕功耗一般在15mW；

ADC0832的引脚功能表如表3-1所示，其引脚图如图3.2所示。

表3-1ADC0832引脚功能表

图3.2ADC0832引脚图

通信芯片简介

MAX485主要应用于RS-485总线上，其工作电源为+5V，通信方式为半双工，它的功能是将TTL形式的电平转换成为抗干扰能力更强的RS-485形式的电平[7]。

RS-485接口是一种新的接口标准，它具有的特点是：

1、RS-485的电气特性：

以A线和B线之间的电压差大于0表示高电平，小于0表示低电平。

2、RS-485接口的最大通信速率是10Mb/s，它的通信速率越快那么通信距离就越近。

3、RS-485接口使用差分接收器和平衡驱动器相结合的形式，其抵抗共模的干扰能力强。

4、RS-485接口最大通信距离大约是1200米，如果加上485中继器通信距离更远，并且在接口上允许最多连接128个从机，方便建立设备网络。

MAX485引脚功能简介：

RXD〔1引脚〕接收器输出；

/RE〔2引脚〕接收器输出使能，为0时允许接收器输出；

DE〔3引脚〕驱动器输出使能，为1时允许驱动器工作；

TXD〔4引脚〕驱动器输入；

A〔6引脚〕接受器非反相输入和驱动器非反向输出端；

B〔7引脚〕接受器反向输入和驱动器反向输出端；

GND〔5引脚〕和VCC〔8引脚〕分别是地和电源。

MAX485引脚如图3.3所示。

图3.3MAX485引脚图

时钟芯片简介

DS1302是一种实时时钟芯片，可以提供详细的时间信息，能对闰年自动校正，内部具有31字节的数据存储，工作电压在2.5V至5.5V之间，此外有2个电源输入端，一个为主电源输入端，另一个为备用电源输入端，备用电源可以使用电池或较大的电容，防止掉电的情况下芯片可以正常的工作[7]。

DS1302的引脚图如图3.4所示，其引脚功能描述为

X1，X2

RST使能引脚

I/O数据输入输出引脚

SCLK串行时钟引脚

Vcc1,Vcc2电源供电引脚

GND接地引脚

图3.4DS1302引脚图

3.1.5显示模块简介

1602液晶也被称为1602字符型液晶，能够同时显示16*2即32个字符。

它通常用来显示字符。

它由5*7个点组成的一个字符共组成32个字符，两个字符之间有一个点的间隔，在两行之间也有一个点的间隔，这种情况照成图像的显示效果不是很好。

LCD1602的引脚图如图3.5所示，其引脚功能如表3-2所示。

表3-2引脚功能表

图3.51602引脚图

光传感器简介

光传感器是利用对光照度较敏感的元件将不易检测的光信号量转化为容易检测的电信号量的一种传感器，光传感器的类别很多，在大多数的系统应用中被使用。

由光敏电阻器及其外围电路组本钱设计使用的光传感器[8][9]。

光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻，它的阻值根据接收到的光线的强弱而变化。

光线增强，阻值变小，光线减弱，阻值变大。

光敏电阻的特性：

（1）亮电阻：

在有光照线照射时的电阻值。

（2）暗电阻：

在没有光线照射时的电阻值。

（3）灵敏度：

亮电阻与暗电阻的相对变化值。

本设计使用的光敏电阻参数如下表3-3所示，光敏电阻实物如图3.6所示。

表3-3光敏电阻参数表

图3.6光敏电阻实物图

3.1.7继电器简介

继电器是一种把两个电路衔接在一起的中间器件，在输入端输入的电量到达一定的要求时继电器工作，常开触点〔常闭触点〕关闭〔断开〕，被控电路接通或断开，它通常被用在用弱电控制强电的电路中。

所以在电路中起到保护的作用。

4098型电磁继电器通常由弹簧、线圈、铁芯、衔铁和触点组成。

工作原理是当线圈上电后，线圈中的铁芯产生较大的磁力吸动衔铁带动弹簧，使触点闭合，被控电路接通。

当线圈断电后，铁芯的磁力消失由于弹簧的作用衔铁被复位，触点断开[10]。

继电器原理图如图3.7所示。

图3.7继电器原理图

3.2主要模块电路设计

3.2.1单片机最小系统电路

单片机最小应用系统是用最少的器件构成能够正常工作的最根本的单片机应用电路，其包括晶振电路、复位电路和电源电路组成。

晶振电路由一个11.0592MHz的晶振和两个30pf的电容组成，为单片机系统提供基准时钟信号。

单片机复位一般有三种方式，即单片机上电复位、手动按动按钮复位和软件编程复位。

上电复位是单片机在上电后从初始状态开始运行，手动复位即单片机在运行的过程中按下复位按键使单片机回到初始状态重新运行[11]。

单片机最小电路如图3.8所示。

图3.8单片机最小系统电路

3.2.2光照采集电路

光照采集电路是系统的重要主要组成局部，主要是对光照强度的采集，将光的强弱变化转换成电压的大小变化，通过ADC0832处理后将信息输入到控制中心。

光照强度信息采集电路如图3.9所示。

图3.9光照强度信息采集电路

信息采集电路采用光敏电阻RG0和RG1，接收光线，其中RG0采集太阳光强RG1采集路灯光强，通过测量电阻R0和R1上的电压，经过ADC0832将测量的模拟量转换为数字量传送给控制中心经过转换操作间接得到光照强度。

因为光敏电阻对光的敏感度很高，所以对光照的检测只需在0～150Lx范围内就行，根据路灯安装地点适当调整光控量。

同时为了对路灯的照明情况能够实时了解，就用一个光敏电阻RG1检测路灯是否工作正常，当路灯灯泡损坏时RG1检测不到光照，在R1上检测到的电压非常小，以此值表示路灯损坏。

3.2.3时钟电路

DS1302时钟电路RST引脚接单片机的P1.4控制芯片的复位，SCLK为时序信号输入端由单片机的P1.5提供，I/O为数据输入输出端接单片机的P1.6，X1和X2之间接32.768KHz晶振，为了防止电源对芯片的冲击，在主电源引脚上串联一个电阻值为1K的电阻R。

DS13020所示。

有关电源的2个引脚，1是主电源，8是备用电源，在Vcc2掉电的情况下，由Vcc1供电，使芯片正常工作。

为DS1302供电是选用较大的供电，当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2供电，当Vcc2小于Vcc1时，Vcc1供电。

DS1302的充电电路可以对后备电源充电，后备电源可以使可充电电池〔3.6V〕或较大电容，并选择串入的二极管数目以调节电池充电电压[12]。

涓流充电电流为

（3-1）

其中n=0、1、2...,Vd是二极管压降一般是0.6～0.7，R由程序设定RS存放器为2K、4K、8K。

0时钟电路图

3.2.4路灯开关电路

1所示。

1路灯开关控制电路

NPN型开关电路的工作原理：

三极管有三种工作区域，分别是截止区、线性区和饱和区，B极IB作为输入，控制三极管的工作状态。

在截止区IB接近于0，CE不导通。

在线性区IB在一定的范围内CE成比例放大导通。

在饱和区，IB再增大CE导通但不再放大[13]。

电阻R为470欧姆，二极管1N4148并联线圈的作用是在三极管突然不导通时与继电器线圈组成回路防止产生的反电势对元器件照成损坏。

3.2.5串口通信电路

通过单片机串口通信，使多个路灯的控制器连接在一起，组成一主多从的模式，电路中使用MAX485芯片驱动，提高信息传递的距离。

在RS-485电路中，MAX485的RXD是数据输出口接单片机的RXD,MAX485的TXD为数据输入口接单片机的TXD，/RE和DE是方向控制口接单片机的P2.7，A和B接从机的A和B。

在A和B之间接一个100～300欧姆的电阻，能有效提高电路对干扰的抵抗能力。

RS-2所示。

2RS485电路图

第四章软件设计

4.1系统控制程序的设计流程

基于单片机控制系统的自适应路灯控制器的软件设计采用KEIL开发环境开发，根据系统的实现功能划分成各个模块，根据系统的设计流程图及各个模块的流程图按顺序逐个编写程序，最后用PROTUES仿真系统。

在程序设计中参加了对光照度求平均值的优化设计和时间调整设计使整个系统运行更合理。

系统的总流程图如图。

图4.1控制系统设计流程图

系统控制流程：

首先系统初始化，然后读取时间，如果读取的时间小于关灯设定值〔假设是早上7点〕这说明是在凌晨，此时系统处于光照控制时段，光传感器检测光照强度经过处理后根据设定的关灯步骤逐步关闭路灯至路灯全部关闭。

此后系统处于时钟控制阶段，系统读取的时间如果大于开灯设定值〔假设是17点〕那么控制路灯翻开。

4.2功能模块程序设计

4.2.1模数转换程序设计

ADC0832模数转换程序流程图如图。

图4.2ADC0832模数转换程序流程图

当ADC0832没有转换时CS端应置为“1〞，这个时候器件无法使用，CLK和DO/DI的电平不要求。

当要进行模数转换时就要先将CS端置为“0〞，直到转换完成。

芯片开始工作时，在第一个CLK下降之前DI端必须是“1〞，表示开始信号。

在第二、三个CLK下降沿之前DI输入端要输入2位数据，用于选择转换通道，输入数据为“1〞“0〞时表示只对CH0进行单通道模数转换，在第三个CLK下降之后DI端失去作用，此后开始从DO端读取转换后的数据，第四个CLK下降沿开始由DO端输出转换后的数据，从最高位开始随后每一个CLK下降沿DO端输出下一位数据，直到第11个CLK时输出最低位DATA0，记录此字节数据，接着再记录下一个字节数据，然后2个数据比拟，相同就输出，否那么重新读取[14]。

4.2.2读取时间程序设计

图4.3DS1302数据读取流程图

DS1302芯片的工作原理：

芯片工作时首先进行初始化，首先将RST引脚置“1〞并且把8位地址数据与命令信息写入移位存放器中。

数据在时钟信号SCLK的上升沿时以串行方式输入数据，前8位是要访问的地址，命令字写入移位存放器后，在以后的时钟周期内，输出数据时就进行读操作，输入数据时就进行写操作[15]。

DS1302数据读取流程图如图4.3所示。

DS1302的控制字的第7位必须是“1〞，如果为“0〞，那么存放器进入写保护状态，第6位为“0〞，那么表示存放或读取的数据是日历时钟数据，为“1〞表示存取存储的数据，第5位至第1位是地址指示要操作的单元，第0位为“0〞那么表示写操作，为“1〞表示读操作，控制字节总是从第“0〞位开始输出。

DS1302的控制字如表4-1所示。

表4-1DS1302控制字

4.2.3显示程序设计

LCD的初始化过程，显示流程图如图。

图4.4LCD显示流程图

LCD显示程序流程

LCD管脚，包括RS，R/W，E。

2.显示初始化，设置显示方式，延时，清理显示缓存，设置显示模式。

3.设置显示地址。

4.写显示字符的数据。

4.3系统控制程序设计

4.3.1控制继电器程序设计

通过单片机口控制电磁继电器工作，P1.7口为“1〞时那么继电器闭合，被控电路断开，路灯不工作，P1.7口为“0〞时继电器断开，路灯工作。

if（AD_val>

=120）

{

delayms（60000）;

//延时1分钟

if（AD_val>

P1_7=1;

}

else

P1_7=0;

delayms（250）;

AD_val是采集的光照强度转换后的值，120是设定值可根据需要改变，通过和设定值比拟，判断光照强度，由此控制继电器改变路灯的工作状态。

其中判断过程参加了延时，通过延时一分钟排除意外因素造成路灯闪烁，保证路灯的寿命和切换状态的正确性[16]。

4.3.2关灯方式程序设计

路灯在早晨的关灯方式采用光照控制，各路灯通过光传感器采集光照强度，然后将采集到的数据传给主机，因为整个路段路灯所处的环境不同，采集到的光照强度可能差异较大，所以主机处理数据时将去掉一个最高值和最低值将剩下的求平均值，保证关灯的合理性。

假设设置在光照强度为100Lx时路灯要全灭，所以根据系统要求设置3个步骤逐步关灯，即在光照强度到达30Lx时启用步骤1关掉一局部，到达60Lx时启用步骤2再关掉一局部，到100Lx时全部关掉。

图4.5为道路路灯分布图。

步骤1关掉的路灯：

1、6、11、16、21…

步骤2光掉的路灯：

4、7、10、13、18…

图4.5道路路灯分布

4.3.3时间调整程序设计

随着季节的变化，白天光照时间随之延长或缩短，所以下午开路灯的时间如果固定就造成电能的大量浪费，所以合理的调节翻开路灯的时间就显得很重要。

本设计假设夏季最晚开灯时间为19点，冬季最早开灯时间为15点，即时间的调整为从12月到次年6月逐月增加20分钟，从6月到12月逐月减少20分钟。

uchargetTime;

ucharPM,AM;

//PM下午开灯时间，AM早上关灯时间

getTime=DateTime[2]*100+DateTime[1];

if（mon>

0&

&

mon<

=6）

AM=CLOCK[mon]-1200;

PM=CLOCK[mon];

else

AM=CLOCK[12-mon]-1200;

PM=CLOCK[12-mon];

将分钟和小时重新组成一个四位数，小时作为高2位，分钟作为低2位，从12月、1月到6月各个月的开灯时间点组成数组，例如12月下午5点开灯，通过芯片读出来的数是24进制，也就是17点，和分钟组成的新数就是1700，通过这种方式就能得到所有时间点相对应的数字，通过查询法就能得到各个月的开灯时间点[17]。

4.4串口通信程序设计

51单片机的串口能进行全双工通信，即能同时进行数据的发送和接收。

在单片机上接一个MAX485芯片构成一个半双工通信接口，从机开始处于接收状态，只有在主机主动发送数据时从机才对接收的数据作出响应，主机通过发送地址数据，从机接收后检查是否与自己的地址相符，如果是自己的地址就响应，不是就不响应[4]。

采用这种查询的方式主机使所有的从机作出响应。

基于本系统的功能要求，主机向从机发送数据，从机接收数据后将自己的状态信息〔地址、路灯正常工作标志、光照度〕发送到主机，主机收到数据后，检查数据中的路灯正常工作标志，如果出现路灯不正常工作的标志，那么将该标志的地址显示，同时将所有从机的光照度求平均值，以此来控制从机网络上路灯的关灯方式[18]。

51单片机可实现一台主机与多台从机的通信。

在多机通信时从机不主动发送数据，只有在从机接收到主机发送的命令后，从机才做出相应的响应。

多机通信的过程如下：

（1）系统启动后全部从机初始化SM2位均置“1〞，使之只能接收地址帧。

（2）主机在发送地址之前先将TB8=1，然后给所有从机发送地址数据。

（3）从机先判断接收到的数据的第九位，如果是“1〞那么说明是地址帧，如果是“0〞那么是数据帧，从机接收到地址帧后，先与自己的地址号比照，如果地址相符就把SM2=0，脱离多机状态，之后就构成双机通信。

（4）地址不符的从机由于SM2位等于1只能响应TB8=1的数据，对于收到TB8=0的数据，那么不作响应，这样就实现了主机与从机之间的双机通信。

（5）作出响应的从机通信完毕后将SM2置1，恢复系统原有的状态，等待再次响应。

（6）主机发送下一个地址，相应的从机作出响应，直到全部从机作出响应。

第五章仿真测试