声光控路灯照明系统设计

摘 要在公共场所（例如学校、机关、居民区、厂矿企业等）的楼道中和车流量较小的偏远地区，长明灯现象十分普遍，从而造成了极大的能源浪费。在今天电力能源供应比较紧张的情况下，在没有人员活动的深夜让这些灯关掉一些，不仅可以节约能源，也能够节约一些开支。本设计采用MCS-51单片机作为主控端与各路灯的控制核心。声音传感器、键盘模块、光敏电阻等作为系统的辅助电路。分别实现了对开关灯时间的控制，不同环境明暗与不同交通情况下的路灯智能控制。该系统可以设定每只路灯的开关灯时间，还可以通过传感器来识别外部环境的明暗变化和有无车辆与人员通过，是一种实用的路灯控制系统。该控制系统有十分明显的节电效果，同时维修量也大大减少了，从而节约了资金，有良好地使用效果。白天光照强度高，不管过路者发出声音多大，灯泡都不会发亮。夜晚光线变暗，光敏电阻检测到信号，传达至声音检测电路，使其开始工作。当检测到声响时，它就将声音信号传送给单片机，控制路灯打开。几秒钟后，如果没有声响，则再通过单片机来控制路灯熄灭，达到节能节电的目的。研究该系统的重要性在于利用单片机来控制路灯的亮灭，不仅实现了节能节电的目的，同时提高了对外界环境变化检测的灵敏度，使整个路灯控制系统变得更加智能化。【关键词】 MCS-51单片机；智能控制；键盘模块；声音传感器；光敏电阻AbstractIn schools, residentials, organs, mines and other public places of public corridor and few cars in a remote area, the ever-burning lamps phenomena are very common, caused a tremendous waste of energy. Today, electric energy supply becomes more nervous. However, no personnel activities turn some lights off in the late night, which can not only save energy, but also can save some spending. This design uses the MCS-51 as the master and as the core control of the street lamp. We use the keyboard module, sound sensors, and photoconductive resistance as the auxiliary circuit of this system.They respectively realized the control of the time to turn off the lights , the intelligent control of the street lamp in different environment and different traffic conditions . The system can not only set the open time and turn-off time of each street lamp , but also can identify the brightness changes of external environment and sense if there are objects or people passed by . It is a kind of practical control system of the street lamps. Its power saving effect is obvious. At the same time,it helps reduce the maintenance quantity greatly, and save the money. The use effect is good. During the day, no matter how loud a pedestrian voice is, it will still not make the light bulb shine. When the night light is dimmed, the sound detection circuit will work. As long as there is a voice detected, the detected sound will be transmitted to the microprocessor, then control the lights to open. A few seconds later, the microprocessor will control the lights off, to achieve the purpose of energy saving and electricity saving.The importance of studying the system is to use microprocessor to control the lights, not only to achieve the purpose of energy saving, but also to improve the sensitivity of the detection of changes in the external environment. It will help the entire street lighting system to be more intelligent.【Key words】 MCS-51 microprocessor; Intelligent control; Keyboard module; Voice sensor; Photoconductive resistance目 录第1章 绪论11.1前言11.2选题背景11.3课题研究的目的和意义1第2章 方案设计与论证32.1主控系统的选择32.2电源模块的选择42.3键盘输入控制模块的选择42.4环境明暗-路灯控制模块选择4第3章 系统设计53.1硬件设计5AT89C51简介5光敏电阻介绍5声控电路原理6延时电路7继电器介绍83.2部分单元电路8键盘模块8自制可调稳压电源模块83.3软件设计9第4章 结论与展望114.1结 论114.2展 望11参考文献12附 录13主要 C 程序13致 谢18第1章 绪论1.1 前言整个路灯控制系统由电源转换电路、光控电路、声音传感器及单片机控制系统等几个部分组成。电源转换电路用于为后面的电路系统提供稳定的电压，光控电路任致程.半导体敏感元件及其典型应用实例M.北京:机械工业出版社,1989.34-37.用于对外界的光照强度进行检测，继而输出与光照强度对应的电压，从而控制灯泡在白天不能被点亮，而到了晚上，光控电路控制后继电路，使其在遇到声响时，声控电路则控制路灯使其自动点亮。声控电路主要负责将声音信号转变为相应的电信号而输出以实现其自动控制功能，延时电路则帮助该控制系统在声音消失后自动延长一段光照时间，达到既能起到照明作用又节能环保。如有必要，可另加一个手动开关来增强电路的实用性 姜富宽.一种新型的节能路灯控制器J.大众科技,2009,(6):162-163.。声光控路灯照明系统具有许多实际意义 李锦宁,周培.智能控制在道路、桥梁照明节能中的应用J. 建筑电气, 2009,(1):26-27.：一是省电，灯泡不会很长时间亮着，所以节电效率较高；二是便利，不需要接触，全自动智能控制 胡守松.自动控制原理M.北京:科学出版社,2001.102-110.；另外，线路简单，安装便利，是公共场所照明的首选。1.2 选题背景随着全国经济发展的快速增长，城市化进程的不断加快，照明数量和质量都有了很大的提高。但我国的照明控制和管理仍采用比较传统的模式 赵志敏,等.教室照明区域化智能控制器的设计J.低压电器,2008,(12):25-28.，照明的开关由每台箱变或配电柜独立控制。单个时钟控制，开、关灯时间无法做到随季节变化而变化，无法对特殊情况进行开、关灯控制，不能准确开、关灯，从而造成“东方不亮西方亮”的现象以及电力浪费。我国目前大部分城市都采用全夜灯的照明方式，普遍存在以下问题：因后半夜行人稀少，采用全夜灯的方式浪费太大，因此，有的地方在后半夜采用隔一亮一或隔二亮一的节能措施；有的地方采用前半夜全亮，后半夜全灭的照明方式，此种方式虽然节约了电费支出，却带来了社会治安以及交通安全问题。很难达到建设部、国家发改委对照明亮灯率的要求。为了实现白天自动熄灭夜间自动打开节省了人为控制，我选择了这个课题，希望从课题研究中找到答案。1.3 课题研究的目的和意义研究目的：通过这次课题研究我更深层次的熟悉单片机的编程以及传感器 刘华.道路照明节能技术探讨J.照明工程学报. 2010,21(3):109-111.的使用，将平时所学习的知识运用到实验探索上，这对提高创新意识和动手能力，以及及锻炼思维活动是一种莫大的帮助。同时也希望通过这次的研究能让人们进一步地了解声光控路灯的应用前景。由浅入深，由路灯照明系统这一实际情况来掌握科技知识，实现理论与实践的结合,进而为现代科学事业尽一份力量！研究意义：用声光控智能开关 谢子殿,等. 基于单片机控制的智能化路灯节能装置的设计J.黑龙江科技学院, 2005,21(3):80-82.来控制路灯的亮灭，只有在天黑以后，当有人或车路过马路，发出脚步声或其它声音时，路灯会自动点亮，提供照明，当行人或者过路车经过以后，路灯延时几分钟后会自动熄灭。在白天，无论声音多大，路灯都不会亮，从而达到节能目的。随着人们能源危机意识的提高，使用智能照明控制系统，已成为人们的首选。按照我们国情，可以估计在相当长的一段时间内，声光控路灯 安双利,等. 基于单片机智能控制的路灯节能系统的研制J.上海第二工业大学学报, 2011.28(1):49-53.将是首选的产品。但是以“人来灯亮, 人离灯熄”为特色的声光控照明开关 , 由于其在工作稳定性和寿命方面存在缺陷, 严重影响了其推广使用。所以，对这一课题的研究是必要的。第2章 方案设计与论证本声光控路灯照明系统是一种新型的电子智能控制系统 于书敏,贾存良.路灯节能智能控制器的设计J.照明工程学报.2009, 20(4):78-82.，该系统的设计是将声音控制张奕欢.声光控自动报层装置.中国专利,G08B3/10,CN102222398A,2011.10.、光线控制和时间控制三者结合在一起实现对路灯亮灭的控制，从而形成一个节能、高效的路灯控制系统刘建成.路灯智能化控制系统的设计J.中国新技术新产品,2009,(3):8.。系统总体由声音传感器、光控电路、键盘模块、继电器等组成，系统组成如图 21所示。图 21 系统框图为了较好的实现系统各个模块的功能和彼此之间的配合衔接，并且考虑到性价比，我们对系统各部分做了几个方案并对其进行了设计对比论证，具体论证如下：2.1 主控系统的选择方案一：采用凌阳公司的SPCE061A单片机王晓静.声光延时控制电路的制作J.电子测试,2009,(4):90-94.。凌阳61单片机RAM，ROM空间大、指令周期短、运算速度快、低功耗、低电压、且具有DSP功能，具有10位A/D转换和两路D/A转换器童诗白.模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社,2006.141-150.，有强大的数模转换功能。方案二：可编程逻辑器件CPLD任晓东.CPLD/FPGA高级应用开发指南M.北京:电子工业出版社,2003.41-43.,它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、标准产品无需测试等特点，可实现较大规模的电路设计。但是，该器件主要依赖于软件设计，缺少硬件的配合，致使程序设计复杂，难以使用，运算速度太快。CPLD同样难以满足本设计的需要。方案三：采用通用的51单片机作为主控制器。51单片机通用灵活、价格低廉、使用方便，程序易于编写和调试，支持在线仿真。开发更加容易，使整个系统变得更加简单，性价比较高，C语言谭浩强.C语言程序设计(第二版)M.北京:清华大学出版社,1999.89-92.与汇编语言武华.智能稳压电源在路灯照明中的应用J.电气工程应用,2010,(2):44-47.可以互相调用。通过分析比较之后，为了是系统结构简单，基于51单片机简单易学且性价比高等特点，我们采用方案三。2.2 电源模块的选择方案一：采用1.5伏干电池。体积小，重量轻，使用灵活方便。但是不满足长时间的持续供电。方案二：采用直流稳压电源。输出精度高，0到32V可调，调节范围大，使用简单，但是体积重量较大，不方便携带。方案三：自制0到24V直流稳压电源。体积小，重量轻，携带方便，输出电压可调。为避免单片机与外围模块电源之间的干扰、本着轻便节约的思路，单片机供电我们采用方案一，其外围模块供电我们采用方案三。2.3 键盘输入控制模块的选择方案一：采用触摸屏液晶显示按键输入控制。采用触摸屏液晶，精度可调，美观大方，时尚前卫。但其价格昂贵，易损坏，维护量工作大。方案二：采用专门的键盘芯片CH452。CH452内置时钟振荡电路，可驱动8位数码管或64只LED，具有BCD译码、闪烁、移位段们寻址等功能。但连接线路麻烦，占用单片机空间太大。方案三：采用自制的4*4矩阵式键盘输入控制，4*4矩阵式键盘充分利用单片机的I/O端口，节省硬件的同时，扩增了按键数。同时，自己制作的矩阵式键盘，方便耐用，原理简单，检修容易。基于减少开支和方便控制的考虑，选择方案三。2.4 环境明暗-路灯控制模块选择方案一：在电子城购买光敏传感器。采购光敏传感器，使用方便，节省时间。但市面上的传感器质量参差不齐，质量好的传感器又价格不低，价格低的传感器测量准确度没有保证。方案二：采用自己制作的光敏传感电路。该光敏电路以光敏电阻为主要元件，利用其在环境明暗不同情况下的分压不同，给单片机以不同反馈，实现开关灯控制，本方案对路灯实时控制，控制灵活，体现人性化设计。综上分析，我们选用方案二。第3章 系统设计3.1 硬件设计整个系统由AT89C51单片机控制，利用声音传感器与光敏控制电路对外界信号进行采集曾兴雯.高频电子线路M.北京:高等教育出版社,2004. 114-116.，将采集到的信号传给单片机，单片机对信号进行判断，将结果输出，通过继电器来控制路灯的亮灭。实现根据外界环境的变换来控制路灯的亮灭。系统的整体电路原理图如图 31。图 31整体电路原理图3.1.1 AT89C51简介AT89C51是MCS-51的一种。MCS-51系列单片机是由美国的Intel公司开发研制，并于1980年推出的产品。与MCS-48系列单片机相比，其以典型的体系结构和完善的专用寄存器集中管理方式以及方便的逻辑位操作功能和丰富的指令系统，为之后的其他单片机的发展奠定了基础。因此，MCS-51系列单片机以其强大的功能和先进的结构，增加了更多的功能模块和电路单元，指令数可高达111条。具有非常好的中断功能，包括一个串行中断、两个定时/计数器中断和两个外中断，可通过这些功能来实现不同的控制要求，并有二级优先级别选择。内置时钟电路的频率最高可达12MHz。MCS-51单片机存储器在物理结构上分为两种，即数据存储器空间和程序存储器空间。3.1.2 光敏电阻介绍光敏电阻是一种特殊的电阻，光线强度发生变化，其阻值也会随之变化。将电极引线装在光敏材料两端，然后用透明窗的管壳将其封装起来，这样就构成了光敏电阻。为增加其灵敏度可将两电极做成梳状。某些金属的碲化物、硒化物、硫化物等均可作为半导体光敏电阻的材料。若在光敏电阻两端的电极之间加上适当的电压，便会有电流从光敏电阻通过。通常都将光敏电阻器制成薄片结构，以使其吸收的光能更多，从而提高其灵敏度。当有光照射到光敏电阻上时，光敏层就激发出电子空穴对，激发出的电子参与导电，从而增强了电路中的电流。光敏电阻仅仅是一个电阻器件，没有极性，因此直流电压和交流电压均可使用。由半导体材料制成的光敏电阻，是一种利用其内光电效应进行工作的光电元件。其阻值随光照的作用而变小，这种现象称为光导效应任晓东.CPLD/FPGA高级应用开发指南M.北京:电子工业出版社,2003.56-58.。因此，光敏电阻又称光导管。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压后，就会有电流通过光敏电阻，当有光线射到光敏电阻时，电流就会随光照强度的增加而增大，光电转换就是通过这一原理实现。光控电路利用三极管的正向导通，反向截止的原理来设计。其电路原理如图 32。图 32 光控电路原理图3.1.3 声控电路原理它主要利用电子学和声学原理，即将声音信号通过声音传感器转换成电信号，电路导通工作是通过触发器的引发来实现的。要想使声控照明电路智能化，则其应具有以下特点：1响应时间短。2能通过声音控制来实现对电路导通与截止的实时控制。3声音传感器应该能检测到多方面的声响，如脚步声、车辆鸣笛等。为此，灵敏度较高的声音传感器是电路元器件的首选，将其作为声控路灯照明系统控制电路的前端，同时传感器的传感条件也要作相应设置，如响应时的最小声响须在20 DB以上。由触发器构成中间端，利用触发器一触即发的特点来控制照明电路工作，在选择触发器时应具有灵敏度高、响应时间短等优点，常见的有JK触发器、D触发器等。声控电路原理如图 33。图 33 声控电路原理3.1.4 延时电路电子计数器的出现，使得功能多变的定时、计数器层出不穷，其形式也变得多种多样。由于在电子电路中应用了定时、计数功能，智能化电路的设计也随之变得更加名副其实。现就延时电路作如下两方面的分析结果如下：(1)电路原理：其定时功能通过电子计数器原理实现。(2)延时电路的构成方案有三种：软件构成；硬件构成； 软硬相结合构成。对于由硬件构成的定时器来说，其定时作用一般是通过改变电阻、电容元件的阻值来控制，其效率较高，但其通用性、灵活性都较差，如555定时器WU Yue. Design of new intelligent street light control systemJ.2009,(9):40-42.等；而由软件构成的定时器是用一段特定的程序来实现定时的，其灵活性、通用性较高，但效率较差，且占用CPU。故现在设计定时器一般都是采用软硬相结合的方法集两者之长，通过编程设定不同的延时常数，再由硬件来控制定时过程，其效率和灵活性都得到了较大的提高。如可编程定时计数器8253或者51单片机通过编程构成的计数器等。在一个实际的电路当中延时并不是最主要的目的，其主要目的是为了完善电路功能。因此作为一个延时电路，在整个电路中应能实现在延时结束后发出一个结束信号，传送到控制电路。3.1.5 继电器介绍电器是一种电控制器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。用很小的电力和电流，驱动一个设备（电动机或电磁铁）带动一个负载部件（比如电闸或接触片）让这个接触片去承载大电流。本设计利用继电器的小电流控制大电流的特点，来实现将单片机输出的小电流来控制路灯需要的大电流。实现对路灯的控制。3.2 部分单元电路3.2.1 键盘模块4*4键盘通常采用线选法。先送高电平扫描行线，另外四根线（列线）作为接收线，数据 keyfirst即从接收线那里得到，然后把接收线当做扫描线，并都送高电平，把扫描线作为接收线，并从接收线那里取得另一个数据 keylast，通过处理这两个数据即可得知是哪个键按下。其电路原理图 34。图 34 4*4键盘原理图3.2.2 自制可调稳压电源模块所需元器件：变压器（220/24V）、二极管IN4007、稳压芯片LM317等。电路经过220/24V变压器将市电转换为可以利用的24V电压，再经过电桥的整流，电容滤波，LM317稳压，最终达到基本稳定的电压将其输出。改变输出电压可以通过调节变阻器R2的阻值来实现，选择需要的电压值。稳压电源电路如图 35。图 35 稳压电源电路3.3 软件设计程序主要包括各传感器将对外界环境检测得到的数据传送给单片机，单片机对外界传过来的数据进行处理，发出相应的控制信号，实现对路灯的定时控制，控制路灯的开关灯时间。整个程序J M Alonso.J Ribas. Development of a distributive control scheme for fluorescent lighting based on lon works technologyJ. 2000,(6):89-91.的流程包括对光敏电阻、声音传感器的检测结果的处理，对定时时间的路灯处理情况等功能。流程图如图 36。图 36 整体流程图第4章 结论与展望4.1 结 论利用声控电路与光控电路来检测外界环境的变换，将检测到的结果送给单片机，单片机对其进行处理，处理后根据实际情况发送出相应的信号通过继电器来控制路灯的亮灭，不仅可以实现对路况的实时、高精度控制，实现路灯随外界环境变化而做出适当处理的结果。而且利用对单片机编程实现各种功能，易于批量生产，适合全国路灯的改进。可以在现有基础上增加一些功能，使路灯的控制实现智能化。4.2 展 望随着全球性环保意识的增强。世界各国，尤其是发达同家和地区，对绿色照明的应用将更加普遍，现代化绿色照明系统，对于保护环境、维护生态平衡、保护人类健康都具有重大意义。随着绿色照明工程的推进和科学技术的进步具备高效节能和无污染为特性的新光源产品和节电设备，在国际绿色照明推广中将会颇受最视，前景可观。在实现声光控的基础上还可以加上更多其它的检测电路，可以检测车辆是否超速，检测路灯的明暗状况等信息，再将检测到的信号传送到主控端，实现路灯的实时、智能控制。参考文献附 录主要 C 程序#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit s1=P33; /功能选择sbit s2=P32; /模拟时间小时加1sbit s3=P31; /模拟时间小时减1sbit s4=P30; /模拟时间分钟加1sbit gm=P34; /光敏开关 1为无光，0为有光sbit dg=P00;sbit ss1=P01;sbit ss2=P02;sbit ss3=P03;sbit ss4=P04;void delay(int del) /1ms延时函数int x,y;for(x=del;x0;x-)for(y=123;y0;y-);uchar code table = 0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x40;/0，1，2，3，4, 5，6，7，8，9 uchar code table_wei = 0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20; void display(uchar i,uchar xx);uchar aa,bb,cc,dd,ee,ff,tt,tt1,tt0;char s,min,h;int sj;bit flag;void main()P0=0xff;TMOD=0X11;TH0=(65535-50000)/256;TL0=(65535-50000)%256; TH1=(65535-20000)/256;TL1=(65535-20000)%256; EA=1;ET0=1; TR0=1; ET1=1;TR1=1; while(1)if(s1=0)while(s1=0)delay(1);flag=flag;if(s2=0)while(s2=0)delay(1);h+;if(h=24)h=0;if(s3=0)while(s3=0)delay(1);h-;if(h=60)min=0;void dingshi50ms( ) interrupt 1TH0=(65535-50000)/256;TL0=(65535-50000)%256; /定时50ms。tt+;if(tt=1)tt=0;s+;if(s=60)s=0;min+;if(min=60)h+;min=0;if(h=24)h=0;if(flag=1) /默认时间自动模式if(sj=600&sj=1800)dg=1;elsedg=0; if(flag=0)if(gm=0)dg=0;elsedg=1;gm=0;void dingshi20ms( ) interrupt 3TH1=(65535-20000)/256;TL1=(65535-20000)%256; /定时50ms。cc=min/10;dd=min%10;aa=h/10;bb=h%10;sj=h*100+min;display(0,aa);display(1,bb);display(2,10);display(3,cc);display(4,dd);bb=h%10;void display(uchar i,uchar xx)P1=table_weii;P2=tablexx;delay(3);P2=0;致 谢在整个设计过程中，我遇到了大量的问题。但是在老师与同学们的无私帮助下，这些问题都得到了及时的解决。我要特别感谢我的论文指导老师*老师，她从论文选题到论文完成对我进行坚持不懈的指导。帮我剖析论文的结构与设计思路，给予我大量的参考资料。同时不断检查我的论文进度，督促我更好更快的完成。当我遇到问题时，也会给予我及时、到位的指导帮我排忧解难。在此，向*老师表示最诚挚的谢意。总而言之，本次毕业设计我收获颇多。不仅了解了单片机的一些工作原理与常见用途，还学会了KEIL C51等软件的使用。最重要的是，本次设计教会了我一种解决问题的方法，这对我以后的学习与工作有很大的帮助。滴水之恩，当涌泉相报。再次衷心感谢教育、指导我的老师与帮助我的同学们。