基于STC89C52单片机的路灯控制系统设计

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1、毕业设计 (论文) 作 者 : 准考证号： 教 学 点 : 专 业 : 题 目 : 基于 STC89C52 单片机的路灯控制系统设计 指导者： (姓 名) (专业技术职务) 评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2013 年 5 月 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要 本系统采用模拟生活中道路两边路灯控制系统设计，通过利用STC89C52芯片 和相关的光电检测设备，设计路灯控制系统，实现了能根据实际光线等外部环境 因素，控制路灯开关的功能。 本系统设计可分为系统总体设计，系统硬件设计，系统软件设计和系统调试 等。其中系统硬件设计包括单片机最小系统设计，LED数码管模块

2、设计，时钟模 块设计，信号采集模块设计，故障检测模块设计，报警模块设计，电源控制模块 设计，通信模块设计和单元控制系统设计。软件设计主要采用系统结构模块化的 方法，分别对几个主要模块的工作流程进行分析、设计，绘制系统整体流程图。 本系统实现了根据环境、交通因素的影响来控制路灯的开关，并对路灯的工 作状况进行实时检测。系统具有可靠性高、成本低、实用性强的特色。 关键词 路灯 STC89C52 信号采集 控制系统 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要 Title The design of road lamp control system based on MCU Abstr

3、act This system simulates the design of road lamp control system on both sides of street in life, which designs road lamp control system by using STC89C52 chip and the related photoelectric detection device,realizing the function of controlling the switch of the street lamp according to the actual l

4、ight and other external environmental factors. The design of the system can be divided into the overall system design, hardware design, software design and system debugging. The hardware design includes the design of the minimum system of the one-chip computer, the module design of LED digital tube,

5、 the module design of clock , the module design of signal acquisition, the module design of fault detection, the module design of alarm, the module design of power supply control , the module design of communication and the design of unit control system. The design of the software mainly adopts the

6、system structure modularized method,which analysis and designs several main module work process respectively, drawing the overall flow chart of the system. This system has realized the switch to control the lamp according to the influence of the factors of environment and traffic, and makes the real

7、-time detection for the working conditions of the street lamps. The system has the characteristics of high reliability, low cost, strong practicability. Keywords road lamp STC89C52 signal acquisition control system 本科毕业设计说明书（论文） 第 I 页 共 II 页 目 录 1 引言 .1 1.1 课题概述 .1 1.1.1 课题背景 .1 1.1.2 国内路灯控制系统的发展现状

8、.1 1.2 主要研究内容 .2 2 系统设计方案 .3 2.1 总体设计 .3 2.2 系统设计要求 .3 2.2.1 控制系统设计基本要求 .3 2.2.2 单元控制系统设计基本要求 .3 3 系统硬件设计 .4 3.1 系统硬件电路总体设计分析 .4 3.2 单片机最小系统设计 .5 3.2.1 STC89C52 芯片介绍 .5 3.2.2 时钟电路 .6 3.2.3 复位电路 .6 3.3 LED 数码管模块设计 .6 3.4 时钟模块设计 .7 3.5 信号采集模块设计 .8 3.5.1 亮度检测模块介绍 .9 3.5.2 亮度检测模块工作原理 .9 3.5.3 物体检测模块介绍 .

9、10 3.5.4 物体检测模块工作原理 .10 3.6 故障检测模块设计 .11 3.7 声光报警模块设计 .12 3.8 电源控制模块设计 .12 3.9 通信模块设计 .13 3.10 单元控制系统设计 .14 4 系统软件设计 .15 4.1 时钟模块 .15 4.2 信号采集模块 .16 4.2.1 亮度检测模块 .16 4.2.2 物体检测模块 .16 4.3 故障检测模块 .17 44 系统流程图 .18 本科毕业设计说明书（论文） 第 II 页 共 II 页 5 系统调试及展望 .19 5.1 系统调试 .19 5.1.1 电源控制模块 .19 5.1.2 信号采集模块 .20

10、5.2 展望 .20 结论 .22 致谢 .23 参考文献 .24 附录 A 硬件电路图 .25 附录 B STC89C52 引脚分配表 .26 本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 26 页 1 引言 1.1 课题概述 1.1.1 课题背景 在道路上设置照明系统是为了在夜间给车辆和行人提供必要的能见度。路灯照明 可以改善交通条件，减轻驾驶员疲劳，并有利于提高道路通行能力和保证交通安全， 此外还可以美化市容 1。近年来，随着经济的高速发展和城市化进程的不断深入，对 相应的各项市政配套设施也提出了更高的要求。以城市路灯照明系统为例，传统的路 灯照明控制系统，基本只能实现按时开关灯的功能，仅

11、仅是根据设定的时间来对路灯 进行相关控制。随着机动车保有量的逐年上升和人口密集化发展，传统的城市路灯照 明系统显现出很多缺点和不足 2。据统计， 目前我国城市照明的年用电量约占全国 总发电量的7%8%，随着“十二五”规划及节能减排综合性工作方案等国家政策的出 台，照明节电已成为除动力节电外的另一重大节电项目。 实际上道路的照明水平大多是由外部环境因素决定的，如道路交通流量、周围环 境亮度和天气状况 3。例如：在深夜，车流人流稀少的时间段路灯照明存在着一定的 浪费现象；在突如其来的雨雪，大雾的能见度不高的天气时缺乏必要的道路照明；一 旦路灯出现故障，只能通过路灯巡查人员检查发现，不能及时的反映到

12、照明控制系统 中，给相应的维护工作带来不便。 因此在原有的路灯控制系统下与现代自动化管理的结合是当前路灯控制系统的必 然趋势。是对路灯照明系统的节能研究，对实现国家节能减排目标、推动城市现代化 建设有着重大意义。 1.1.2 国内路灯控制系统的发展现状 国内的路灯控制系统从上世纪八十年代末至今，已走过了二十几年 4。我国目前 大部分城市都采用全夜灯的方式进行照明，普遍都存在着一定的问题，比如后半夜车 辆、行人稀少，采用全夜灯的方式浪费太大。虽然，有的地方根据这种情况采取前半 夜全亮，后半夜全灭的照明方式，这种方式也节约了电费支出，但是，却带来了相应 的社会治安和交通安全问题。 我国绝大多数地区

13、的路灯关开控制方式都是采用人工控制或者定时控制，这样也 存在着许多不利之处：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；定时控制则存在着四季昼夜时间不同的情况，使得经常出现 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 26 页 天还没暗路灯就开，天还没亮路灯就灭的情况，大大影响了人们的日常生活。 近年来，随着科技的不断发展，各种路灯控制系统也被不断的研究出来。其中， 美国和日本主要集中在紧凑型荧光灯和镇流器荧光灯两个方面的研究。我国目前的市 场上有多种路灯节能控制产品的出现。路灯控制系统采用的电子元部件也随着微电子 技术不断的进步发展，从分离元部件、晶体管到现

14、在集成度很高的大规模集成电路， 体积越来越小，功能越来越强大，稳定性越来越高 5。 综上所述，未来的路灯控制系统必定向着更安全、更环保、更节能、更高效率的 方向发展。 1.2 主要研究内容 根据路灯控制系统要求，通过模拟生活中道路两边路灯对控制系统进行设计，在 定时方式的基础上，利用外界光照强度作为控制系统的起始点，对外界光照亮度进行 检测，实现路灯的开关控制；当检测到道路上人流、车流稀少的时间段时，使控制系 统能自动调节路灯亮度；当检测到路灯出现故障，故障信息将立即向到路灯控制系统 发送，并显示故障路灯编号，给路灯检修和维护工作带来了一定的方便。本次路灯控 制系统设计主要研究内容如下： (1

15、)根据路灯控制系统的特点，进行路灯控制系统的整体分析。 (2)查找相关资料，对路灯控制系统进行整体设计。 (3)进行相关实验论证，对实验数据进行整理，得出结论。 (4)通过对相关参数值的设置，实现对不同时间段进行不同的开灯模式。 (5)对路灯控制系统进行相关调试。 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 26 页 2 系统设计方案 2.1 总体设计 本系统是模拟生活中两边路灯的控制系统，如图 2.1 所示，将系统分成显示设备、 控制系统和 2 个单元控制系统。对于显示设备来说，显示设备必须能够显示控制系统 相关控制信息。控制系统控制 2 个单元控制系统的 LED 灯 1 和 LED 灯 2

16、 的电源输入和 输出。根据系统的组成，分别对控制系统、显示设备和单元控制系统进行设计。 显示设备 控制系统 单元控制系统 1 单元控制系统 2 L E D 灯 1 L E D 灯 2 图 2.1 模拟路灯控制示意图 2.2 系统设计要求 2.2.1 控制系统设计基本要求 （1）控制系统必须具有通信模块，能够完成控制器和 PC 机之间的信号传递。 （2）控制系统必须具有时钟模块，能够显示和设定开关路灯的时间，并能控制 整条支路按时开灯和关灯。 （3）控制系统具有信号采集模块，其中信号采集包括亮度检测模块和物体检测 模块，能够根据外界光线亮度的变化和夜间交通情况自动调节路灯开关及亮度状态。 （4）

17、控制系统具有分别独立控制支路上每只路灯的开灯和关灯时间。 （5）控制系统具有声光报警模块，当路灯出现故障时（灯不亮） ，能够发出声光 报警信号，并能显示有故障路灯的编号。 2.2.2 单元控制系统设计基本要求 （1）单元控制系统具有灯光亮度调节功能，路灯驱动电源输出功率能在规定时 间按设定要求自动减小，该功率应能在 20%100%范围内设定并调节。 （2）单元控制系统必须性价比高，工作稳定。 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 26 页 3 系统硬件设计 3.1 系统硬件电路总体设计分析 本系统设计路灯控制方面可实现的功能为:路灯可工作在三种模式，分别为人工 方式,定时方式,光控方式

18、6。人工方式是对路灯控制系统进行人工开关控制。定时方 式是根据一年四季的昼夜长短不同，对系统设定不同的开关路灯时间。光控方式是对 道路上的信号采集，在经过系统分析判定达到对路灯开关的控制作用。在本次系统设 计中，我们采用定时方式和光控方式结合的工作模式。 为了实现上述功能，本系统设计在定时工作方式的基础上，利用光照强度作为路 灯的起控点，当光照强度较亮时，实现路灯的自动关闭；当光照强度较暗时，实现路 灯自动开启；当夜间检测到行人，车辆时，实现对路灯的亮度进行自动调整的控制。 通过对常用路灯控制的各种方法，及各自的优缺点的了解，并通过他们之间的相互比 较，确定设计方案，并对所用传感器进行选型，同

19、时加以电路的设计与分析。对于系 统的总体模块设计，我们将系统硬件结构模块化，就是把整个硬件电路分为几个模块， 这样使设计更加明确，也有利于以后对各模块的调试的检测。如图 3.1 所示，整个路 灯控制系统的模块包含：单片机最小系统，LED 数码管模块，时钟模块，信号采集模 块，故障检测模块和声光报警模块，电源控制模块，通信模块，单元控制系统。 通信模块 L E D 数码管 时钟模块 信号采集模块 故障检测模块 声光报警模块 单片机 S T C 8 9 C 5 2 电源控制模块 单元控制系统 图 3.1 路灯控制系统组成示意图 在路灯控制系统模块中，单片机最小系统，采用STC89C52单片机实现；

20、时钟模块， 主要采用DS1302时钟芯片实现；LED数码管模块是本系统的显示模块，由4个LED数码 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 26 页 管组成，用来显示故障路灯的编号；信号采集模块可分为亮度检测模块和物体检测模 块，亮度检测模块采用光敏电阻实现对周围环境光照度的采样，物体检测模块采用红 外线收发传感等设备对经过的车辆进行检测计数；故障检测模块，主要采用光敏二极 管通断进行路灯设备故障的检测；声光报警模块，实现路灯出现故障时的声光提示， 电源控制模块，不仅给整个硬件系统提供电源，还给硬件系统提供中断信号；通信模 块，用于传输来自上位机的指令；单元控制系统，主要能够根据路灯控制系

21、统输出的 信号，对路灯的亮度进行调节。 3.2 单片机最小系统设计 路灯系统控制模块主要采用STC89C52单片机作为控制核心，其外围电路比较简单， 具有高速、高可靠性、低功耗、超强抗干扰、价格低等优点，应用广泛 7。应用 STC89C52芯片，构成单片机最小系统，如图3.2所示为STC89C52单片机的最小系统图， 主要包括时钟电路，复位电路等。 V C C P 1 . 0 / T 2 V C C P 1 . 1 / T 2 E X A D 0 / P 0 . 0 P 1 . 2 A D 1 / P 0 . 1 P 1 . 3 A D 2 / P 0 . 2 P 1 . 4 A D 3 /

22、P 0 . 3 P 1 . 5 A D 4 / P 0 . 4 P 1 . 6 A D 5 / P 0 . 5 P 1 . 7 A D 6 / P 0 . 6 R S T A D 7 / P 0 . 7 P 3 . 0 / R X D E A / V P P P 3 . 1 / T X D A L E / P R O G P 3 . 2 / I N T 0 P S E N P 3 . 3 / I N T 1 P 2 . 7 P 3 . 4 / T 0 P 2 . 6 P 3 . 5 / T 1 P 2 . 5 P 3 . 6 / W R P 2 . 4 P 3 . 7 / R D P 2 .

23、3 T X A L 2 P 2 . 2 T X A L 1 P 2 . 1 G N D P 2 . 0 S T C 8 9 C 5 2 C 2 3 0 p F G N D 晶振 C 3 3 0 p F G N D R 2 1 0 K G N D V C C R 1 2 0 0 C 1 1 0 u F S 图3.2 STC89C52单片机最小系统图 3.2.1 STC89C52 芯片介绍 STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在 系统可编程 Flash 存储器。STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，但做了很多的改进使 得芯片具

24、有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系 统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 26 页 解决方案。 STC89C52 芯片其主要功能如下： （1）兼容 MCS51 指令系统； （2）8K 字节程序存储空间； （3）512 字节数据存储空间； （4）内带 2K 字节 EEPROM 存储空间； （5）可直接使用串口下载。 3.2.2 时钟电路 在单片机系统中，由于单片机内部有一个用于构成振荡器的单级反相放大器，引 脚 XTAL1 为反相器输入端，XTAL2 为

25、反相器输入端。当在放大器两个引脚上外接一个 晶振一个晶振和两个电容（典型取值 30pF）组成的并联谐振电路作为反馈元件，便 构成了一个自激振荡器。由此振荡器的 XTAL1 端向内部时钟提供一定的频率时钟脉冲 信号，并且此振荡器的频率由外接晶振决定的。 3.2.3 复位电路 在单片机系统中，一般需要一个硬件复位电路，用于手动复位，RST 引脚是复位 信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续 24 个振荡周期(即二个机 器周期)以上。该按键复位电路由两个电阻（R1=200，R2=10K） ，一个电容（10uF）和 一个按键组成，接通电源后自动实现复位操作。 3.3 LED 数码管模块设

26、计 本系统设计需要正常的时钟显示模式控制, 而且可以设定和调整时间, 当出现故 障时地址编号也可显示出来。根据实际显示内容可采用液晶显示模块或LED数码管。 液晶显示比数码管更能够节省单片机的I/O口,并且能够直观地显示时间、出现故障的 地址编号以及一些必备的字符 10。而LED数码管功耗更低，并且性价比较高，但显示 内容有所限制。根据要求我们选用LED数码管作为显示模块设计的主要元件。 如图3.3所示，我们利用人眼的“视觉暂留”特性，采用动态扫描态显示LED数码 管。在每隔一段时间循环点亮每个LED数码管，每次只有一个LED数码管被点亮。根据 人眼的视觉暂留效应，当循环点亮的速度很快的时候，

27、可以认为各个LED数码管的显 示是稳定的。 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 26 页 S 0 S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 7 a b c d e f g h R 3 0 2 0 0 R 3 1 2 0 0 R 3 2 2 0 0 R 3 3 2 0 0 R 3 4 2 0 0 R 3 5 2 0 0 R 3 6 2 0 0 R 3 7 2 0 0 Q 3 P N P Q 4 P N P Q 5 P N P P N P Q 8 P N P P N P V C C S 0 S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 7 P 1 . 0 P 1 . 1 P

28、 1 . 2 P 1 . 3 P 1 . 4 P 1 . 5 P 1 . 6 P 1 . 7 Q 6 P N P Q 7 Q 9 P N P Q 1 0 W 2 W 1 a W 3 W 4 a a b c d e f g d p a bf c g d e D P Y d p a bf c g d e D P Y a b c d e f g d p d p a b c d e f g g f b e d W 1 c h e d W 2 c h e d W 3 c h e d W 4 c h g f a b g f a b g f b f f a b c g d e D P Y a b c d e

29、 f g d p d p a bf c g d e D P Y a b c d e f g d p d p f R 3 8 2 K G N D R 4 0 2 K G N D R 4 1 2 K G N D P 0 . 0 P 0 . 2 P 0 . 3 W 1 W 3 W 4 Q 1 2 P N P Q 1 4 P N P Q 1 5 P N P R 3 9 2 K P 0 . 1 W 2 Q 1 3 P N P G N D 图3.3 LED数码管模块原理图 3.4 时钟模块设计 时钟模块提供路灯控制系统定时开关灯操作时所需的时钟信号，且时钟数据可通 过控制模块进行调整。根据系统需求，时钟模

30、块必要功能： (1)时钟模块为 24h 制或 12h 制，并且能够自动计时，能够分别显示时、分、秒； (2)时钟模块具备手动校准功能，可直接设置当前时间和定时时间； (3)时钟模块的时间误差一天应不能超过 1s。 根据上述要求，为了实现精确的时钟控制并节省单片机I/O口资源，本时钟模块 主要以DS1302为核心设计。 如图3.4所示，DS1302 具备主电源/后备电源双电源引脚， 主电源断电后仍能工作，以保证时钟的准确性，同时提供了对后备电源进行涓细电流 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 26 页 充电的能力。DS1302线路简单、体积小、功耗低且价格低廉，它不仅可以提供时、分、 秒

31、以及日期数据，计时格式可以是24h制和12h制任选，还可以将每月的天数和闰年的 天数可自动修正且不存在“千年虫”等问题优点。所以选用DS1302为本模块设计的核 心芯片是较为科学的。DS1302的各引脚功能如表3.1所示。 表3.1 DS1302的各引脚功能表 V C C 2 V C C 1 X 2 S C K L X 1 I / O G N D R S T V C C 1 0 0 0 u F D S 1 3 0 2 G N D P 3 . 5 P 3 . 6 P 3 . 7 G N D 图3.4 时钟模块原理图 3.5 信号采集模块设计 街道路面信息数据的采集与处理是系统的主要任务之一，要高

32、效的完成信号的采 集与处理首先必须解决以下两个问题: (1)信号采集与处理首先必须处理好标度变换问题。由于系统采集的各种参数都 有不同的量纲和数值，被测信号转换成数字量之后，往往还要转换成操作人缘所熟悉 的工程量。 (2)在信号采集模块中，会存在大量的现场干扰，采集的数据都有着存在不同程 度的信号干扰。因此应根据信号受干扰性质和干扰后果，分别采取相应的软件和硬件 措施消除干扰。 引脚号 引脚名称 功能 1 VCC2 主电源 2、3 X1、X2 振荡源，外接 32768Hz 晶振 4 GND 地线 5 RST 复位/片选线 6 I/O 串行数据输入/输出端（双向） 7 SCLK 串行时钟输入端

33、8 VCC1 后备电源 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 26 页 为了满足上述要求，对信号采集模块主要可分为亮度检测模块和物体检测模块， 亮度检测模块采用光敏电阻实现对周围环境光照度的采样，物体检测模块采用红外线 收发传感器等设备对经过的车辆进行检测计数等。 3.5.1 亮度检测模块介绍 亮度检测模块主要是为了对外界环境的光照强度进行采样，将采样得的信号传递 给单片机，再由单片机进行分析做出相应的工作。对于检测环境光线的明暗，利用光 敏电阻当入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大的特性。将光电进行转换，是本 模块能够根据环境光的明暗变化来自动控制路灯的开关 1112。对于亮度检测模

34、块， 我们以光敏电阻为主导核心设计了两个可行方案，在这两个方案中进行对比，选择出 最满足系统要求的方案。 方案一：用一个简单的电阻和一个光敏电阻，串联起来，通过遮光和不遮光来采 集中间电压的变化，然后传给单片机，由单片机来进行信号外理，完成信号传递。 方案二：用一个电阻与光敏电阻串联，先把信号传给比较器，再送入单片机内， 完成信号传输。这里把光敏产生的信号送给比较器，主要是用它来整形，在比较器的 反向输入端，用电阻分压，作为基准电压，使得经过比较器后的电压，只有两种状态， 即高电平和低电平。如此一来，单片机便可以有效的识别信号了，提高了准确性。 从理论上来说，方案一还是是不错的，结构十分简单，

35、但在实际操作当中，往往 有些不尽如人意，主要是传出来的信号电平，不是突变的，也就是说光线照在光敏电 阻强度不是跳变的，造成信号的不稳定，所以此种方案不适用。而方案二传送到单片 机的只有高电平和低电平，相对来说提高了对信号的识别和准确性。综上所述，我们 采用方案二较为科学。 3.5.2 亮度检测模块工作原理 如图 3.5 所示，将一个电阻与光敏电阻串联，先把信号传给比较器，再送入单片 机内，完成信号传输。其中光敏电阻分得的电压经电压比较器与用户设置的参数进行 比较，进行整形处理。再把电平信号输入给路灯控制系统，让控制系统做出相应的工 作处理。 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 26

36、页 R 1 2 1 0 K R 1 3 3 3 0 K L M 3 9 3 R 1 4 1 0 0 K R 1 5 1 5 0 K R 1 6 L I G H T - R E S V C C G N D L E D P 2 . 4 图 3.5 亮度检测模块原理图 当光照亮度下降时，光敏电阻的阻值会上升，电压比较器反向输入端电压升高， 到设定的值时 LM393 的输出由低电平转变为高电平。将这个高电平送到单片机内部与 程序设定的初值比较，判断是否打开光控电路。如果亮度检测模块检测的信号达到开 启电平值那个点，将启动亮度检测模块监测判定是否达到一定暗度，如果达到一定暗 度，将开启路灯，否则说明路上

37、的光照依然很强烈不需要打开路灯。 3.5.3 物体检测模块介绍 物体检测模块主要用于夜间凌晨车流量减少，检测汽车的移动，并根据汽车的移 动进行路灯亮度的自动控制。根据上述要求，当传感器检测到汽车时，传感器给控制 器发送信号，对路灯亮度进行控制。对此我们所选的传感器必须灵敏性高还具有一定 的稳定性。对于传感器的选择下面有两个方案： 方案：用发光二极管与光敏三极管组成的发射，接收电路。这种方案的缺点在 于其他环境光源（比如闪电等）会对光敏三极管的工作产生很大干扰，一旦外界光亮 条件改变，很可能造成误判和漏判。取超高亮发光管可以降低一定的干扰，但这又将 增加额外的功率损耗。 方案二：使用红外发光二极

38、管和接收管组合。由于红外光波长比可见光长，因此 受可见光的影响较小。同时红外系统还具以下优点：尺寸小，质量轻，能有效的抗可 见光波段的伪装，对辅助装置要求最少，对人眼无伤害。该传感器不但价格便宜，容 易购买，而且处理电路简单易行，实际使用效果很好，能很顺利地感应到物体。 通过对比，本次设计模块中由于是近距离探测，采用方案二。 3.5.4 物体检测模块工作原理 采用红外收发传感器，一个发射管发射红外线和一个接收头接收红外线信号。如 图3.6所示，为红外收发传感器判断交通情况电路。红外发射管和接收管对射式安装， 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 26 页 当有障碍物到达红外发射管和接收

39、管中间时，通过LM393电压比较器把红外接收管与 用户通过滑动变阻器设置的阈值电压相比较，得到高低电平信号，单片机STC 89C52 采集到此信号，控制路灯的亮度状态。红外发射管和接收管可以采用屏蔽的方式来消 除外界的干扰。 5 V R 7 3 3 0 红外 发射管 G N D 5 V R 8 1 0 0 K R 9 1 0 K G N D G N D G N D L M 3 9 3 R 1 0 1 0 K R 1 1 1 K L E D 输出指示灯 红外 接收管 P 2 . 5 图3.6 物体检测原理图 3.6 故障检测模块设计 故障检测也是由电压比较器 LM393 和光敏电阻组成，与上述信

40、号采集模块中的亮 度检测模块原理图类似，如图 3.7 所示，利用电压 LM393 对已经设定好的阈值电压和 光敏的电阻分得的电压进行比较，通过 P2.1 和 P2.3 端口将输出高低电平信息传送给 STC89C52 单片机，让单片机进行相应工作的判定。 本模块主要是利用光敏电阻的光感特性，通过观察 LED 路灯的好坏来检测电路。 通电后如果路灯正常工作，说明该部分电路工作正常。如果路灯不正常工作，则电路 出现故障。把故障信息传递给 STC89C52 单片机，单片机对此信息进行处理，发出报 警并显示故障路灯编号。 R 1 7 1 0 K R 1 8 3 3 0 K L M 3 9 3 R 1 9

41、 1 0 0 K R 2 0 1 5 0 K R 2 1 L I G H T - R E S V C C G N D L E D P 2 . 1 图 3.7 故障检测模块原理图 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 26 页 3.7 声光报警模块设计 在本系统中，当系统出现故障，或被监控的参数超出允许值，例如温度超限、压 力不足、电压过高等，这时需要发出报警信号，常用的报警方式有灯光报警和声响报 警 13。根据系统要求，采用灯光报警和声响报警相结合的声光报警。声光报警模块 是为了使在系统出现故障时，蜂鸣器会发出警报声，在此同时报警指示灯也会亮起来 14。以便让操作者及时采取措施。 在本

42、模块设计中，如图3.8所示我们采用蜂鸣器和发光二极管并联的形式组成电 路，通过NPN三极管对电路进行开关控制。当系统出现故障时，STC 89C52单片机给三 极管基极发送一个高电平信号。声光报警模块收到该信号，电路导通，蜂鸣器发出报 警声，同时发光二极管也会亮起来发出警示。 L S 1 N P N R 5 2 K 5 V R 6 1 K G N D P 3 . 4 L E D 图3.8 声光报警模块原理图 3.8 电源控制模块设计 STC89C52 单片机的工作电压在 4.0V5.5V，电源电路采用线性稳压电源，交流电 源由变压器将 220V 的交流电压转换成 10V 左右的低压交流电。由于此

43、脉动的直流电 压含有较大的交流分量，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压，所 以在电路中加了电容，滤出交流分量。在滤除交流分量之前，我们可以利用 a 点的脉 动直流给路灯控制系统提供中断信号。通过三端稳压管进行稳压，输出+5V 的直流电 压。 在三端稳压管的选择上，我们选择 LM7805 稳压管。LM7805 稳压管是一种三端稳 压好集成模块，它有三个端即输入端、公共端、输出端。它内部有调整管、基准电压 源、取样电路、比较放大器、过流保护、芯片过热保护及调整管安全工作区保护电路 组成。三端集成稳压电源具有使用方便、安全可靠、性能稳定、价格低廉等优点是一 种较为理想的低电压供电模型。

44、LM7805 是一种输出电流为 1.5A 的低电流稳压模块， 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 26 页 能有效的为整个电路提供稳定的工作电压，因此在本设计过程中充分的考虑到节能的 设计理念运用以稳压模块为电路提供能量。 电源控制系统中硬件电路的制作过程中，如图 3.9 所示，我们特地加上了一个发 光二极管，如果通电后该二极管正常工作，则说明该电路部分正常工作。如果发光二 极管不正常工作，则说明该电路部分出现故障。 C 1 0 1 0 4 I N 4 0 0 7 V i n V o u t G N D U 1 2 2 0 V 1 2 3 4 U 2 9 V R 4 2 1 K C

45、1 1 1 0 4 C 1 2 1 0 0 0 u F / 2 5 V C 1 3 2 2 0 0 u F / 2 5 V C 1 4 1 0 4 R 4 3 1 K R 4 4 3 3 0 L E D L M 7 8 0 5 G N D 5 V a 图 3.9 电源控制原理图 3.9 通信模块设计 计算机与外部设备的信息信息交换称为通信，通信方式可分为两种：并行方式和 串行方式。 并行通信通过并行输入/输出接口进行，所有的数据位同时传送。其特点是传送 速度快，效率高；但由于传送多少位就需要多少跟数据线，所以传送成本较高。计算 机与外界进行信息交换时，传送距离应小于30m。由于成本较高及传送距

46、离较短，本 模块设计不采用并行方式。 串行通信数据时各位按规定的顺序依次传送，通过串行输入/输出接口实现，只 要一条传输线。其特点就是成本低，但传送速度慢，效率低。传输距离可大至几千米。 所以本模块采用串行方式较为科学 8。 在本通信模块设计中，根据系统的结构特点与实际运用领域，在进行串口通信时， 由于PC机的串口电平为RS232电平，单片机的串口电平为TTL电平。这两者之间必须要 有一个电平转换电路。由于本系统所要求的实时性并不是很强，并且根据电力网的线 路特点，其指令信号传输线只用两根 9，另外RS232的应用也较为广泛，在现代的计 算机中已经是一种标准的串行接口，几乎每一台计算机都有一个

47、或多个RS232端口， 我们选用RS232进行电平转换，使之实现单片机与PC机的信息交换。但是由于RS232的 信息传输速率太低，我们就在设计RS232和单片机之间添加RS485。由RS485转RS232再 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 26 页 转至串口电路，如图3.10所示，将所要传递的信号由T1in端口送入，R1out端口输出。 从而实现路灯控制系统与PC机之间的信息传递的方便、快捷特性。 S T C 8 9 C 5 2 M A X 4 8 5 G N D D I A D E B R E V C C R 0 P 1 . 0 / T 2 V C C P 1 . 1 / T

48、2 E X A D 0 / P 0 . 0 P 1 . 2 A D 1 / P 0 . 1 P 1 . 3 A D 2 / P 0 . 2 P 1 . 4 A D 3 / P 0 . 3 P 1 . 5 A D 4 / P 0 . 4 P 1 . 6 A D 5 / P 0 . 5 P 1 . 7 A D 6 / P 0 . 6 R S T A D 7 / P 0 . 7 P 3 . 0 / R X D E A / V P P P 3 . 1 / T X D A L E / P R O G P 3 . 2 / I N T 0 P S E N P 3 . 3 / I N T 1 P 2 . 7

49、P 3 . 4 / T 0 P 2 . 6 P 3 . 5 / T 1 P 2 . 5 P 3 . 6 / W R P 2 . 4 P 3 . 7 / R D P 2 . 3 T X A L 2 P 2 . 2 T X A L 1 P 2 . 1 G N D P 2 . 0 C 8 1 . 0 u F G N D C 6 1 . 0 u F C 7 1 . 0 u F C 9 1 . 0 u F C 5 0 . 1 u F G N D D B 9 1 6 2 7 3 8 4 9 5 C 1 + V C C V + G N D C 1 - T 1 o u t C 2 + R 1 i n C 2

50、- R 1 o u t V - T 1 i n T 2 o u t T 2 i n R 2 i n R 2 o u M A X 2 3 2 V C C G N D V C C V C C G N D V C C 图 3.10 通信模块原理图 3.10 单元控制系统设计 按照系统要求，单元控制系统必须具有一定的稳定性，能够对路灯亮度进行一定 的调节。对于单元控制器，我们利用三端双向可控硅 BTA08 与光电耦合器相结合的方 式组成单元控制电路。 如图 3.11 所示，光电耦合器在本单元控制器中，在输入端加电信号使发光源发 光，光的强度则取决于激励电流的大小，此光照射到光电耦合器封装在一起的受光器

51、 上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，实现了把电路中电光 电的转换。通过 STC89C52 单片机中的中断，改变可控硅的导通角，进而来实现对路 灯亮度的调节。 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 26 页 2 2 0 V C 1 5 1 0 3 R 4 5 1 0 0 B T A 0 8 R 4 6 3 3 0 L A M P L D E R 4 7 3 3 0 V C C 2 1 P 2 . 1 图 3.11 单元控制器原理图 4 系统软件设计 本设计的路灯控制系统运用STC89S52作为控制系统核心，采用系统结构模块化的 方式，分别对整个系统几个重要模块的工作流程

52、进行分析，设计流程图。达到易于对 相关工作模块程序编写的目的。 4.1 时钟模块 时钟模块提供路灯控制系统定时开关灯操作时所需的时钟信号，根据系统要求， 要对时钟模块进行相应时钟和定时的预置。采用了DS1302专门的时钟芯片, 可对时钟 及定时进行设置。时间设置如表4.1所示。 表4.1 时钟模块时间设置表 时间 季节 开灯 关灯 春季 18:30 6:30 夏季 19:00 5:30 秋季 18:30 6:30 冬季 18:00 7:30 这个时段可以动态修改，修改操作在上位机完成，通过通信模块将所需指令写入 STC 89C52芯片内，随即就可以改变时控开关灯的工作时段。根据本模块所需要求，

53、 设计模块流程图，流程图如图4.1所示。 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 26 页 开 、 关路灯 时间预设 开始 初始化 时间是否在开灯 范围内 控制路灯状态 Y N 图4.1 时钟模块流程图 4.2 信号采集模块 对街道路面信息数据的采集与处理是本系统的主要任务之一，在设计中必须要高 效的完成信号的采集与处理。对于这个模块，我在设计的过程中分为两个部分来设计， 分别是亮度检测模块和物体检测模块。 4.2.1 亮度检测模块 亮度检测模块主要是为了对外界环境的光照强度进行采样，将采样得的信号传递 给STC89C52单片机，再由单片机进行分析做出相应的工作。对此我们根据本模块想要

54、达到功能设计流程图。流程图如图4.2所示。 开始 初始化 亮度检测 光照亮度 X ? 控制路灯状态 Y N 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 26 页 图4.2 亮度检测模块流程图 4.2.2 物体检测模块 物体检测模块主要用于夜间凌晨车流量减少，检测汽车的移动，并根据汽车的移 动进行路灯亮度的自动调节，达到节约能源的目的。根据本模块所要达到的功能，分 析工作流程，设计流程图。物体检测模块流程图如图 4.3 所示。 开始 初始化 是否晚上 结束 物体检测 是否有车辆 路灯亮度 1 0 0 % 路灯亮度 8 0 % 等待 K 秒 N Y Y N 图 4.3 物体检测模块流程图 4.3

55、 故障检测模块 声光报警模块是为了检测路灯控制系统是否出现故障，若出现故障则显示故障路 灯编号，以便让操作者及时采取措施。根据本模块所要达到的功能，分析工作流程， 设计流程图。故障检测模块流程图如图 4.4 所示。 本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 26 页 开始 初始化 路灯故障检测 是否故障 显示故障路灯 编号 N Y 结束 图 4.4 故障检测模块流程图 44 系统流程图 在本设计的路灯控制系统中，根据系统要求，首先要在程序开始时，初始化单片 机，然后判断定时开灯时间是否到，若时间到了则行进物体检测，若时间未到就行进 亮度检测，最后检测电路有无故障，当电路中LED灯出现故障的

56、时候，蜂鸣器就会报 警，并且会在LED上显示出现故障灯的编号 15。系统流程图如图4.5所示。 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 26 页 开始 初始化 时间预设 路灯故障检测 声光报警 显示故障路灯编号 是否出现 故障 是否在开灯 时间范围 控制灯亮 物体检测 是否有车辆 亮度检测 光照亮度 X 路灯亮度 1 0 0 % 等待 K 秒 路灯亮度 8 0 % 控制灯亮 Y N N Y N Y Y N 图4.5 系统流程图 5 系统调试及展望 5.1 系统调试 本路灯控制系统采用数字万用表 DT9021、稳压电源和 PC 机等测试设备对各单元 模块先分别调试，调通后再进行整机调试的方

57、法，以提高调试效率。 5.1.1 电源控制模块 在变压器一端输入 220V 交流电，观察 LED 指示灯发光正常。测量经过变压器后 本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 26 页 输出为 9V、 左右交流电。经过桥式整流电路，LM7805 三端稳压电路后的电压，输出电压为 5V 直流电压，给单片机供电和整个电路供电。其中经过桥式整流电路的脉动直流电 通过 P3.2 端口给单片机提供中断信号。 其中桥式整流电路是将交流电转为含有直流电成分的脉动直流电。桥式整流电路 输出电压波形与全波整流的输出电压波形是相同的。每个二极管承受的最高反向电压 是输入电压最大值的 倍。桥式整流电路的原理图及波

58、形图如图 5.1 所示。2 U d U 1 2 2 0 V 1 2 3 4 U 2 9 V R L U 2 0 T w t U d 0 T w t 9 2 V 9 2 V 图 5.1 桥式整流电路的原理图及波形图 5.1.2 信号采集模块 信号采集模块主要分为两个部分组成，分别为亮度检测模块和物体检测模块。在 电路通电后相应模块的 LED 指示灯能正常发光则说明硬件电路正常。 这两个模块都用到了 LM393 电压比较器。都是通过 LM393 电压比较器设置的阈值 电压与相应传感器电压的比较产生高低电平来传递信息。对于电压比较器的阈值电压 的设置就比较重要。 本科毕业设计说明书（论文） 第 21

59、 页 共 26 页 亮度检测模块中，所用的传感器是光敏电阻，在对不同光照度的情况下对光敏电 阻的电压进行测试，得到实验数据如表 5.1 所示。 表 5.1 光敏电阻光电特性 光照度（Lx） 100 200 300 400 500 600 700 800 900 电压/V 5 4.29 3.87 3.59 3.36 3.19 3.02 2.91 2.78 根据实际情况，在白天的光照度一般在 500Lx 左右，所以根据光敏电阻的光电特 性我们将亮度检测模块的阈值电压设为 3.36V 左右。 物体检测模块中，所用的传感器是红外收发传感器，由于红外线是不可见光，在 红外收发传感器的对焦会会比较麻烦。

60、我们借用带摄像头的手机来获取红外光， 从而 能顺利完成对红外收发传感器的对焦。 对 于 物 体 检 测 中 的 阈 值 电 压 ， 我 们 通 过在红外发射 管与红外接收管之间有无物体遮挡进行电压测试，得出结论，设置阈值电压。测得的 实验数据如表 5.2 所示。 表 5.2 红外收发器有无物体遮挡电压表 无物体遮挡 有物体遮挡 电压/V 4.91 1.79 根据红外收发器有无物体遮挡电压表的实验数据，我们将物体检测模块的阈值电 压设为 1.79V 左右。 5.2 展望 由于城市区域及道路的拓展,路灯的数量也急剧增长,对于路灯现代化管理的要求 也日趋迫切,过去的人工控制的方式已不适应城市发展的需

61、要。 本系统设计了基于单片机技术的路灯控制系统,与传统路灯控制系统相比,单片机 路灯控制系统功能强、自动化程度高。但是为了越来越满足当今的道路发展的实际要 求。我们必须把整个路灯系统基于网络化。也就是用一台位于路灯控制中心主控制器 对每条道路上的控制器分别发送数据信息，及接受那些每条道路上的控制器所反馈的 信息，并对那些信息进行统计汇总，得出结论。这里我们可以通过当今越来越发达的 通信系统达到主控制器对其他控制器的信息传输、反馈。这样的网络动化管理的路灯,可 以最大程度上降低用户的运行维护费用。路灯网络控制原理图如图5.2所示。 GPRS是通用分组无线服务，它是GMS移动电话用户可用的一种移动

62、数据业务。由 于GPRS是基于IP的，因此在传统的远程监控应用上，不仅可以提供GMS可以提供的数 据拨号SMS通讯方式，而且可以让用户开发基于Interent的应用系统，从而彻底克 本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 26 页 服了数据拨号价格高、SMS延时长的缺点。用户开发的系统整体性能和可靠性得到了 很大的提高，系统运行成本也大幅下降 18。所以我们可以利用GPRS这些优点把GPRS 通信用于主控制器对各路控制器上的控制上。 图 5.2 路灯网络控制原理图 19 结 论 本系统设计的创新点在于详细设计了基于单片机（STC89C52）的模拟路灯控制系 支路控制器 支路控制器控制中心

63、主控制器 路灯 1 路灯 n 路灯 1 路灯 n GSM/GPRS 本科毕业设计说明书（论文） 第 23 页 共 26 页 统。使系统能够根据控制设定定时开关路灯；还能够自动根据光线强弱自动开关路灯； 并且能自动检测故障路灯，显示故障位置。可以多种控制方式相互交替使用，使系 统起到应有的自动控制作用，其主要研究内容如下： (1)根据路灯控制系统的特点，进行路灯控制系统的整体分析。 (2)查找相关资料，对路灯控制系统进行整体设计。 (3)进行相关实验论证，对实验数据进行整理，得出结论。 (4)通过对相关参数值的设置，实现对不同时间段进行不同的开灯模式。 (5)对路灯控制系统进行相关调试。 本系统

64、设计同样详细讲述了系统设计方案, 并给出了相关程序流程。本系统设计 模拟的路灯控制系统, 具有可用性,性价比高,可用于各种路灯控制场所,使用范围广, 可推广性强 20。可以将其设计思路和方法应用在小区路灯、校园路灯和景区亮化工 程等。应用本系统设计可以最大幅的节约能源消耗, 降低成本, 实现路灯自动化的控 制。 本科毕业设计说明书（论文） 第 24 页 共 26 页 致 谢 时光冉冉，岁月如梭。转眼间，大学就这么快结束了，我们也快要毕业了。我怀 着激动又伤感的情怀写下这份致谢词。 从论文的选题到搜集资料，从开始写的初稿到最后经过反复修改的成稿。在此期 间我经历了喜悦、枯燥、痛苦和彷徨。如今，伴

65、随着这篇毕业论文的最终成稿，复杂 的心情烟消云散，自己甚至还有一点成就感。 毕业论文是在刘建峰老师的悉心指导下完成的，他为人随和热情，治学严谨细心。 毕业论文题材到完成毕业论文都浸透了恩师的大量心血和精力。在论文的写作和措辞 等方面他总会以“专业标准”严格要求你。从选题、定题开始，一直到论文的反复修 改、润色，刘老师始终认真负责地给予我深刻而细致地指导，帮助我开拓研究思路， 精心点拨、热忱鼓励。刘老师渊博的知识，严谨的治学态度，务真求实的精神，忘我 的工作作风，是我毕生学习的榜样。在此毕业论文完成之际，特向刘老师致以诚挚的 感激和无尽的敬意！ 在毕业论文的写作过程中，我也得到了宿舍姐妹们的关心

66、和帮助。与她们进行了 多次有益的探讨和课题分析交流，得到了许多启发。对于她们支持和帮助表示诚挚的 谢意！ 最后，向所有给予我关心和帮助的领导、老师、亲人、同学和朋友再次表示衷心 的感谢！ 参 考 文 献 本科毕业设计说明书（论文） 第 25 页 共 26 页 1 方海明，肖旭光编.LED 照明设计及工程案例.北京：化学工业出版社， 2012.8 2 查兵，崔浩.全天候嵌入式智能路灯控制系统的设计与实现.中国高新技术 企业.2011(01) 3 李琪.城市路灯照明存在的问题及节能对策J.科技信息.2011（17）： 64,102 4 胡家尚.路灯监控系统的发展.城市照明J.2006NO3:28-31 5 王海韬.城市路灯远程监控系统的研究.江苏大学硕士学位论文.2010.6.12 6 王玉巧，胡玉玺.基于单片机的路灯智能控制系统.山东轻工业学院学报. 2010.10 7 陈春艳.模拟路灯控制系统的设计与实现J.电子设计工程.2010(8):162 8 唐英杰.单片机应用技术J.北京：清华大学出版社.2011.2 9 罗小青.基于单片机控制的道路照明节电控制系统.电脑知识与技术.2009.