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摘要:智能路灯系统以AT89C51单片机为控制核心，系统采用线路简单、体积小的专用时钟芯片DS1302，使用DS1302不但使电路功耗降低，而且节省IO口资源。采用光敏电阻检测环境的明暗变化，根据外界亮度的不同自动调节路灯亮灭。同时具有定时模式，在定时模式下系统点亮一半路灯。配有时间设定键盘和手动控制按键，采用常用的七段数码管作为显示器件。该系统可以通过TLC2543模数转换器和光敏电阻来获取外界亮度，定时模式时间段设定等功能，通过内部的控制逻辑实现路灯的亮灭控制。具有较好的实用价值。关键词：AT89C51DS1302智能路灯光敏电阻第一章绪论城市路灯管理工作是城市市政工程管理的重要任务之一，飞速发展的现代化城市需要具有自动化程度高，运行可靠，使用维护方便的照明控制系统。特别是在能源急剧消耗的今天，节能已经成为不可逃避的问题。利用89系列单片机，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在时间精度方面也能达到日常使用的要求。路灯控制系统分为两大类：一类是用使用光敏电阻的感光性产生电信号控制，一类是使用DS1302时钟芯片控制。设计特点各不相同，因而用途也不同。我通过简单的合成可以使路灯系统同时具有以上两种特性，在51系列单片机的逻辑控制下完成对路灯开关的任务。通过I/O口的按键可以调整实时时间，点亮路灯时间，熄灭路灯时间。本设计硬件电路简单成本低，性能可靠，操作简单，实现了51单片机在在智能控制当中的应用。具体要求：（1）支路控制器有时钟功能，能设定、显示进入定时模式的时间（2）支路控制器应能根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。（3）支路控制器能分别独立控制每只路灯的开灯和关灯时间。按照系统要求，可以将整个系统分为四个模块来设计：（1）单片机最小系统，其中包括相应按键设计；（2）七段数码管显示模块；（3）DS1302时钟模块设计；（4）TLC2543模数转换模块和光敏电阻采样电路设计。第二章方案设计【方案一】：采用数字电路实现。数字电路结构简单，响应速度快。但处理能力有限，本文要求控制器需实现的功能很多，数字电路不易实现。【方案二】：采用AT89C51作为主控制单片机。该芯片功能强大，具有足够快的速度；有各种同步串行接口、足够的内部ROM和RAM，以减小控制系统的物理尺寸，具有看门狗功能和稳定的电源，可以很方便的实现我所需功能，利用其强大的功能不仅可以简化硬件电路而且还可以大幅度提高系统运行速度。【方案三】：应用ARM，ARM是一种功耗很低的高性能处理器，技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。方便、安全、高效。但ARM编程较复杂，我很难掌握，且开发板价格较高。综合第一章要求和性价比我选择方案二为本系统的最终方案，根据设计要求并综合各方面因素，决定用动态扫描法实现LED数字显示，使用DS1302时钟芯片完成定时计算，用TLC2543模数转换器完成光强信号的采集。整体框图如下图所示：单片机时间设定路灯手动控制外界光强信号显示设定时间显示手自动状态控制路灯状态2.1单片机电路设计本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器，而且以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。再则由于系统没有其它高标准的要求，又考虑到本设计中程序部分比较大，根据总体方案设计的分析，设计这样一个简单的的系统，由于系统的采样精度较高，因此选用片外AD芯片，拟采用12位AD芯片，由于应用程序不大，应用程序直接存储存片内，不用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。AT89C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)、并行I/O口(4个8位I/O口)、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是微处理器（CPU）加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式，以实现不同的功能。具有以下主要特性：•与MCS-51兼容•4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年•全静态工作：0Hz-24Hz•三级程序存储器锁定•128*8位内部RAM•32可编程I/O线•两个16位定时器/计数器•5个中断源•可编程串行通道•低功耗的闲置和掉电模式•片内振荡器和时钟电路2.1.1微处理器（CPU）AT89C51单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以位变量的处理。2.1.2数据存储器(RAM)数据存储器空间分为片内与片外两部分。当AT89C51单片机的片内RAM不够用时，又给用户提供了在片外可扩展至64KBRAM的能力，以供用户的需求。片内为128个字节，字节地址为00H～7FH。片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。2.1.3程序存储器(ROM)AT89C51单片机的片内程序存储器为4KB的FLASH存储器，地址范围为0000H～0FFFH。有16位地址线，可外扩的程序存储器空间最大为64KB，地址范围为0000H～FFFFH。由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。2.1.4中断系统具有5个中断源，2级中断优先权。2.1.5定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式（方式0、方式1、方式2、方式3）。2.1.6串行口1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。2.1.7特殊功能寄存器（SFR）AT89C51单片机共有21个特殊功能寄存器，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。由上可见，AT89C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个1位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个突破，这也是MCS-51单片机在设计的精美之处，得以在实际生活中得到了广泛的应用。2.2智能控制方式对于路灯系统，其本质工作是为了在光照强度不足时，为行人及行车提供足够的光照。现在的路灯控制系统多采用的是人工定时开关的控制方式，即在某一个时间段如晚六点到早上六点之间路灯处于全开状态，其他时间路灯全关。这显然是不合理的。当突然遇到天气不好需要路灯补充照明的时候，上述控制方式不能达到系统的要求。因此，本文按照前面的要求设计了如下控制方式。该路灯控制系统包括光线控制和定时控制两种方式。其中在正常运行情况下，系统处于光线控制状态。此时路灯的亮灭主要由外界光线强度控制。为了更好的节能省电，本文设计的控制器设计了三个光线控制档位，分别对应着路灯全开，路灯半开和路灯全关。由于路灯系统的特殊性，在午夜也不能关闭，但是此时路上车流量很小，没有必要路灯全开。因此，在定时控制下，可以设定一个控制区间，在该区间内路灯一直处于半开状态。为了保护路灯系统，光线控制半开路灯主要是控制路灯左半边而定时控制主要控制右半边。3光敏控制电路光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。光敏电阻的信号主要由AD芯片采集，本文选用的AD芯片为TLC2543.TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。TLC2543的特点（1）12位分辩率A/D转换器；（2）在工作温度范围内10μs转换时间；（3）11个模拟输入通道；（4）3路内置自测试方式；（5）采样率为66kbps；（6）线性误差±1LSBmax；（7）有转换结束输出EOC；（8）具有单、双极性输出；（9）可编程的MSB或LSB前导；（10）可编程输出数据长度。TLC2543是一款集成度很高的高精度AD芯片，因此在应用中并不需要增加过多的外围电路，仅需要提供可靠的参考电压即可。其电路连接如图7所示。图7AD采样电路TLC2543可以用四种传输方法使TLC2543得到全12位分辩率，每次转换和数据传递可以使用12或16个时钟周期。一个片选脉冲要插到每次转换的开始处，或是在转换时序的开始处变化一次后保持为低，直到时序结束。图8显示每次转换和数据传递使用16个时钟周期和在每次传递周期之间插入的时序，图9显示每次转换和数据传递使用16个时钟周期，仅在每次转换序列开始处插入一次时序。图816时钟传送时序图图916时钟传送时序图4时钟芯片DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.5～5.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。正是因为DS1302的这些种种优点，所以选用了它为本系统提供时钟功能，而且还用它做了定时的功能，为系统提供了一种定时开关路灯的功能。第5显示模块设计数码管是一类价格便宜使用简单，通过对其不同的管脚输入相对的电流，使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数的器件。在电器特别是家电领域应用极为广泛，如显示屏、空调、热水器、冰箱等等。绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏。七段数码管是数码管的一种是半导体发光器件，数码管可分为七段数码管和八段数码管,区别在于八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元，其基本单元是发光二极管。七段数码管有两种显示方式，一种是直流驱动，这是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多。还有一种是动态显示驱动，是将所有数码管通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示。将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。由于AT89C51单片机本身IO口的驱动电流并不能满足数码