1、機電學院 測控技術與儀器專業 測控系統原理 課程設計智能路燈控制系統設計專業班級：測控20132學生學號：學生姓名：指導老師：二一六年十一月課程設計任務書課程設計任務書一、總要求能夠獨立進行系統方案的設計及論證，設計合理的接口電路、控制電路、主機電路等，以及合理選擇有關元器件及正確使用相關工具與儀器設備，設計接口程序、控制算法程序以及主程序等，并且能結合實際調試與實驗進行有關精度分析與討論。二、總任務針對總要求進行原理及方案論證、系統設計、接口電路設計、焊接或插接與調試、控制與系統程序設計、精度分析以及撰寫報告等工作。三、 設計題目智能路燈控制系統設計（1人） 四、設計內容 能根據當前環境的亮

2、度對路燈的燈光進行調節，利用單片機進行控制。五、設計進度或計劃（1） 準備及查閱資料 （一天）（2） 方案設計及論證（總體方案、硬件及軟件方案） （二天）（3） 硬件電路設計、畫圖（PROTEL）及實驗室調試 （四天）（4） 軟件設計、編程及調試（三天）（5） 系統聯調及結果分析 （二天）（6） 整理報告及準備答辯 （二天）六、課設報告主要內容任務書（1） 目錄（2） 方案設計及論證（可先進行總體方案設計與論證；再分模塊進行方案設計與論證；各模塊設計中應包括適當的精度分析及選型等）（3） 硬件模塊（系統）設計與實現（4） 軟件模塊（系統）設計與實現（5） 實驗或系統調試（可包括實驗調試工具儀器

3、、實驗結果及適當的分析等）（6） 參考文獻（7） 附錄七、考核方法考核根據學生平時學習態度（含出勤率）30%、設計完成情況（樣機）40%、圖紙及說明書質量（含答辯）30%等確定。八、裝定要求裝入統一的資料袋中，報告裝定好，順序：封面，任務書，目錄，正文，參考文獻，附錄等。目錄目錄第一章 方案設計與論證11.1 方案設計11.2 方案論證11.2.1 控制芯片的確定11.2.2 A/D轉換芯片的確定21.2.3 LED調光控制方式確定21.2.4 方案的最終確定2第二章 硬件的設計與實現32.1 單片機最小系統32.1.1 單片機引腳說明32.1.2 時鐘電路42.1.3 復位電路52.1.4

4、ADC0832模數轉換5第三章 軟件的設計與實現73.1 程序流程圖73.2 AT89C51中斷技術概述7第四章 實物調試9參考文獻10附錄A 電路圖11附錄B 程序源代碼12附錄C 調試實物圖17方案設計與論證第一章 方案設計與論證1.1 方案設計智能路燈控制系統是基于AT系列的C51單片機和PWM調光的LED路燈以AT89C51作為主控芯片，設置五個調節檔位，由于PWM的輸出不同，所以其占空比對LED的電流控制也不同，根據不同環境亮度，從而實現對光度調節的控制。光敏電阻作為傳感器，通過ADC0832芯片進行模擬轉換和不斷測量光敏電阻的兩端電壓來間接測量感應的光強度，將檢測到的電壓和預設的工

5、作閾值進行對比，并且調整PWM的占空比對LED的電流進行控制，通過單片機的信號處理，以便實現對光度的自動調節。系統總體框圖如圖1-1。圖1-1 系統總體框圖LED路燈單片機AT89C51ADC0832光敏電阻1.2 方案論證1.2.1 控制芯片的確定選擇嵌入式型MCU的主要考慮因素有以下幾個方面： 所應用領域：一個產品的主要功能一旦限定下來，其所應用的領域也隨之確定。應用領域的確定將減少選型的考慮。 自身帶有的資源：芯片自帶資源越符合產品的需求，產品開發越相對便捷。，芯片屬于可擴展存儲器。 低功耗的特征：低功耗的產品節能環保，成本低，可以降低環境污染，還能增加使用的穩定性，所以選擇芯片時，低功

6、耗也是一個重要的指標。而AT89C51單片機是具有40個引腳的雙列直插式微型MCU,其價格低廉、兼容性強、超強抗干擾能力、超低功耗等優點。其工作電壓在3.3V5.5V之間，內集成4K字節ROM和128字節RAM，具有擴展內存的功能，兩個定時器和計數器中。基于51單片機的這些特點并考慮到該系統實現的復雜程度，還有路燈所處的環境，AT89C51單片機是比較理想的。其性能完全滿足于系統要求。1.2.2 A/D轉換芯片的確定 A/D模數轉換芯片在這個系統中就是執行從傳感器得到的模擬信號轉換為單片機可以識別的數字信號。在這個系統中，由環境的亮度引起光敏電阻的阻值變化，其變化過程比較緩慢，因而不需要采樣保

7、持器。ADC0832是可以滿足其要求的。ADC0832與常用的ADC0809的主要區別是ADC0809為8通道模數轉換器，可以對8路輸入信號進行模數轉換，而ADC0832是2通道模數轉換器。ADC0809是并行ADC，速度要比串行ADC0832快得多，不過外圍電路比較復雜，價格也貴。一般來說，串行ADC對于檢測變化緩慢的信號非常有利，電路簡單，價格也便宜，但壞處是速度非常受限，如果是對聲音進行采樣，必須考慮使用并行式的ADC，否則會丟失大量信息，造成失真。1.2.3 LED調光控制方式確定 LED的調光控制，傳統上LED的調光是利用一個DC信號或濾液PWM對LED中的正向電流進行調節來完成的。

8、減小LED電流將起到調節LED光輸出強度的作用，然而，正向電流的變化也會改變LED的彩色，因為LED的色度會隨著電流的變化而變化。許多應用（例如汽車和LCD 背光照明）都不能允許LED發生任何的色彩漂移。在這些應用中，由于周圍環境中存在不同的光線變化，而且人眼對于光強的微小變化都很敏感，因此寬范圍調光是必需的。通過施加一個PWM信號來控制LED亮度的做法允許不改變彩色的情況下完成LED的調光。 PWM是脈沖寬度調制信號，其中的“寬度”，就是脈沖的高電平的時間。PWM信號調節LED亮度時，信號頻率是不變的，改變的是脈沖的高電平的時間，即LED的導通時間。這種信號調節亮度相當于調節LED的平均電流

9、，所以電流會變化。1.2.4 方案的最終確定 控制芯片采用AT89C51單片機，A/D轉換器采用ADC0832，還需要一個光敏電阻。另外考慮到條件的限制和課程設計的實質性，在本系統中采用普通的發光二極管替代LED燈，而控制燈光的目的也是實現了。2硬件的設計與實現第二章 硬件的設計與實現2.1 單片機最小系統最小系統包括單片機及其所需的必要的電源、時鐘、復位等部件，能使單片機始終處于正常的運行狀態。電源、時鐘等電路是使單片機能運行的必備條件，可以將最小系統作為應用系統的核心部分，通過對其進行存儲器擴展、A/D擴展等，使單片機完成較復雜的功能。AT89C51是片內有ROM/EPROM的單片機，因此

10、，這種芯片構成的最小系統簡單且可靠。用AT89C51單片機構成最小應用系統時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，由于集成度的限制，最小應用系統只能用作一些小型的控制。2.1.1 單片機引腳說明單片機的引腳如圖2-1所示。VCC：供電電壓。GND：接地。 圖2-1 單片機引腳圖P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內部提

11、供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外

12、部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 INT0（外部中斷0） P3.3 INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入） P3.6 WR（外部數據存儲器寫選通） P3.7

13、 RD（外部數據存儲器讀選通）RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置

14、位無效。 PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現。 EA/VPP：當EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，EA將內部鎖定為RESET；當EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。2.1.2 時鐘電路圖2-2 時鐘電路圖AT89C51單片機的時鐘信號通

15、常有兩種方式產生：一是內部時鐘方式，二是外部時鐘方式。內部時鐘方式如圖2-2所示。在AT89C51單片機內部有一振蕩電路，只要在單片機的XTAL1(18)和XTAL2(19)引腳外接石英晶體(簡稱晶振)，就構成了自激振蕩器并在單片機內部產生時鐘脈沖信號。圖中電容C2和C3的作用是穩定頻率和快速起振，電容值在530pF，典型值為30pF。晶振的振蕩頻率范圍在1.212MHz間選擇，典型值為12MHz和6MHz。2.1.3 復位電路當在AT89C51單片機的RST引腳引入高電平并保持2個機器周期時，單片機內部就執行復位操作(若該引腳持續保持高電平，單片機就處于循環復位狀態)。復位電路的基本功能是：

16、系統上電時提供復位信號，直至系統電源穩定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩定后還要經一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分合過程中引起的抖動而影響復位。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。圖2-3 上電復位電路最簡單的上電自動復位電路中上電自動復位是通過外部復位電路的電容充放電來實現的。只要Vcc的上升時間不超過1ms,就可以實現自動上電復位。時鐘頻率用11.0592MHZ時C取10uF,R取10k，如圖2-3所示。2.1.4 ADC0832模數轉換ADC0832是美國國家半導體公司生產的一種 8 位分辨率、雙通道A/D轉換芯片。由于它體積小，兼容性強，性價比高。AD

17、C0832具有以下特點：8位分辨率；雙通道A/D轉換；輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容； 5V 電源供電時輸入電壓在05V之間；工作頻率為250KHZ，轉換時間為32s，一般功耗僅為15mW；8P、14PDIP（雙列直插）、PICC多種封裝ADC0832各端口的接線如圖2-4所示。CLK為芯片時鐘輸。時鐘信號通過單片機P1.1口利用定時器中斷輸出圖2-4 ADC0832轉換接線圖CS為片選使能，低電平芯片使能。GND為芯片參考0電位（地）。Vcc/REF為電源輸入及參考電壓輸入。CH0為模擬輸入通道 0，或作為 IN+/-使用。CH1模擬輸入通道 1，或作為 IN+/-使用。這里只使用CH

18、0作為輸入端接光敏電阻。DI為數據信號輸入，選擇通道控制。DO為數據信號輸出，轉換數據輸。正常情況下ADC0832與單片機的接口應為4條數據線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將DO和DI并聯在一根數據線上使用。當ADC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意。當要進行A/D轉換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數據信號。在第1個

19、時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號。在第2、3個脈沖下沉之前DI端應輸入2位數據用于選擇通道功能。硬件設計的電路總圖在附錄A。6軟件的設計與實現第三章 軟件的設計與實現3.1 程序流程圖 在編寫程序之前，對系統的軟件要實現的功能進行流程圖的編寫能大大提高程序形象直觀性，使得各種操作一目了然，不會產生“歧義性”，便于理解，算法出錯時容易發現。該系統的程序流程圖如圖3-1所示。開始 系統初始化讀取AD值判斷當前環境亮度調節LED燈光亮度結束圖3-1 程序流程圖3.2 AT89C51中斷技術概述中斷技術主要用于實時監測與控制，要求單片機能及時地響應中斷請求源提出的服務請求，并作出快速

20、響應、及時處理。這是由片內的中斷系統來實現的。當中斷請求源發出中斷請求時，如果中斷請求被允許，單片機暫時中止當前正在執行的主程序，轉到中斷服務處理程序處理中斷服務請求。中斷服務處理程序處理完中斷服務請求后，再回到原來被中止的程序之處（斷點），繼續執行被中斷的主程序。中斷技術是如何產生的呢？當CPU與外部設備交換信息的時候，如果用查詢的方式，那么CPU就會浪費很多時間去等待外部設備。這樣就存在快速的CPU與慢速的外部設備之間的矛盾，當CPU與外設工作不同步時，很難確保CPU在對外設進行讀寫操作時，外設一定是準備好的。為保證數據的正確傳送，可采用查詢方式。但是在查詢方式下，CPU主動地查詢所有外設

21、以確定其是否準備好，是否需要進行數據傳送，會使CPU的效率降低，特別是與低速外設進行數據交換時，CPU需要等待更多的時間。另外在對多個外設進行I/O操作時，如果有些外設的實時性要求較高，CPU有可能因來不及響應而造成數據丟失。這也是計算機在發展過程中面臨的嚴重問題之一。為了解決這個問題，一方面要提高外部設備的工作速度；另一方面，就應運而生了中斷技術。如果單片機沒有中斷系統，單片機的主程序中斷服務程序大量時間可能會浪費在查詢是否有服務請求發生的定時查詢操作上。采用中斷技術斷點繼續執行主程序完全消除了單片機在查詢方式中的等待現象，大大地提高了單片機的工作效率和實時性整個中斷響應和處理過程如圖3-2

22、所示。圖3-2 中斷響應和處理過程8實物調試第四章 實物調試在面包板上連接完實物且把程序燒入到單片機中后，對實物進行了調試。通過改變照射在光敏電阻上的光強，觀察LED燈發出的光亮度的變化，并記錄當前LED燈的亮度是否達到照明的效果，最后在程序上進行占空比的調節使得LED燈能達到當前光敏電阻所在的光強的環境所需要的照明亮度。經過不斷地測試與修改，最終會得出一系列適合該LED路燈的占空比值。由于系統采用了普通二極管替代了LED路燈，而且也因為條件的限制，無法測量出當前的環境的光強。因而本課程設計中自行設定了五個檔位并對應一系列的占空比值。 具體數值在如下面表4-1中所示。其中，只需要五個檔位能根據

23、光敏電阻在不同光強下顯示出來，并能看到普通二極管的亮度的變化，即可認為該設計的目的已經達到。該系統的實物調試結果在后面的附錄C中的圖2至圖7。其中圖2、圖3、圖4、圖5的結果都是在燈光下測試得到的，圖2為0級調光，即在光強很高的環境下，二極管不發光。這就模擬了路燈在晴天的時候的情景。圖3為1級調光,用手擋住部分照射在光敏二極管上的光線，這是二極管是發出微弱的光。這在模擬凌晨時將要天亮的情景。圖4為2級調光，這是手靠得更近，光敏電阻能接收的光更少。圖5是3級調光，這需要一張紙片將光敏電阻隔離起來，這是模擬將要進入夜晚的情景。圖6和圖7是在燈關閉后測試得到的結果。圖6為4級調光，圖7為5級調光，它

24、們都是在模擬晚上的情景。在這次測試中，二極管的發光亮度變化得不太大，需要連續環境亮度才很明顯地看出二極管的發光情況。表4-1 光敏電阻阻值與調光級別和占空比的關系光敏電阻阻值調光級別占空比0.7K以下0級02.4K4K1級1004K7K2級10007K12K3級250012K26K4級350026K以上5級45009參考文獻參考文獻1.周明珠. 無觸點開關在控制中的應用J. 現代電子技術, 2002.2.趙玉安. 人體熱釋電紅外傳感器介紹J. 中國電子制作, 2006.3.俞海珍, 李憲章, 馮浩. 熱釋電紅外傳感器及其應用J.電子照明技術, 2006.4.曹巧媛. 單片機原理及應用M. 北京

25、：北京: 電子工業出版社, 1997. 5.謝曉軍. 紅外遙控技術在付費率電度表中應用J. 電測與儀表, 1996.6.吳可久. 8031單片機在遙控解碼方面的應用J. 電子技術, 1993. 10f附錄A附錄A 電路圖圖1 電路總圖11f附錄B附錄B 程序源代碼#include<reg51.h>#include<intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define led P0 sbit cs=P10; sbit clk=P11; sbit dio=P12; sbit yellow=

26、P25; uchar code display11=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff;/數碼管驅動信號0-9,共陽uchar buf=10; uchar adc_dat=0; uint time15=100,1000,2500,3500,4500; /占空比調節uint time25=4900,4000,2500,1500,500; bit flag=1; uchar k; /= =定時器初始化=void time0_init()TMOD=0x01;TL0=(65535-5000)%256;TH0=(65535-5000)/256; ET0=EA=TR0=1;/=讀出ADC轉換的結果函數=uchar read_adc_convert()uchar i;uchar dat=0; uchar dat1=0; clk=0;cs=1;dio=0; cs=0; dio=1; clk=1; _nop_();clk=0; dio=1;clk=1; _nop_();clk=0; dio=0; clk=1;_nop_();clk=0;dio=1; clk=1; _nop_();for(i=0;i<8;i+)clk=1;_nop_();clk=0; dat<<=1;if(dio)dat|=0x01;els