路燈控制器的設計

1、阜陽職業(yè)技術學院阜陽職業(yè)技術學院 路燈控制器的設計與實現(xiàn)路燈控制器的設計與實現(xiàn) 專業(yè)：應用電子專業(yè)：應用電子 級別：大三級別：大三 姓名：陳江好姓名：陳江好 指導老師：盧獻法指導老師：盧獻法 時間：時間：2011.05.20 目 錄 前言1 1、硬件系統(tǒng)設計1 1.1 總體框圖設計1 1.2 單片機選型1 1.3 獨立式按鍵控制電路2 1.4 LED 動態(tài)顯示電路6 1.5 時鐘芯片 DS13028 1.6 路燈控制電路9 1.7 電路原理10 1.8 直流穩(wěn)壓電源10 2、軟件設計11 3.1 設計思想11 3.2 主程序模塊11 3.3 顯示程序模塊13 3.4 按鍵程序模塊14 3.5

2、定時器程序模塊15 3、系統(tǒng)調試18 結論19 致謝20 參考文獻21 摘 要 本設計是利用單片機芯片為主體和附屬電路共同構成的路燈控制器。 正文中首先簡單描述了硬件系統(tǒng)工作原理，并附有硬件系統(tǒng)設計框圖。論述了本次 畢業(yè)設計所應用各種硬件接口技術和各個接口模塊功能及工作過程并具體描述了外接電 路接口的軟硬件調試。 本文寫的主導思想是軟硬相結合，以硬件為基礎來進行各功能模塊描寫。 關鍵詞： 單片機 位碼 段碼顯示 路燈控制電路 前 言 隨著大中城市規(guī)模的不斷擴大，城市市容的改善，照明路燈的數(shù)量越來越多，其用 電量占城市的總用電量的比例不斷增加，以往的路燈照明大多采用直接供電方式，人工 送電人工關

3、閉，這種方式有許多不足：在不需要亮燈有時沒及時關燈，在需要開燈時有 時又不及時開燈。利用人工送電，增加人員開資，有時又不能及時開閉，既 影響正常照明又浪費電能。因而有必要針對上述問題開發(fā)出一種使用方便又節(jié)能的裝置， 這種裝置具有以下功能。 （1）顯示功能：可顯示輸入電壓、輸出電壓、三相電流、功率因素、有功、無功等 參數(shù)。 （2）定時啟停：不同地區(qū)不同季節(jié)，晝夜交替時間是不同的，系統(tǒng)能根據(jù)地區(qū)和季 節(jié)自動調節(jié)開閉路燈時間。 （3）調時功能：定時時間出現(xiàn)誤差，可以進行調時。 （4）去抖動：可去除前沿抖動，使 CPU 對鍵控制時一次性成功。 我所設計的這個自動開燈滅燈系統(tǒng)簡單，實用性強，成本低，使用

4、維護方便，軟件 功能強，運行穩(wěn)定等優(yōu)點。 1、硬件系統(tǒng)設計 1.11.1 總體框圖設計總體框圖設計 我所設計的路燈控制器，自動開關燈系統(tǒng)用到的單片機芯片是 AT89C51、獨立式按鍵 控制電路、動態(tài)顯示電路、路燈控制電路、除此之外還包括：晶振電路和復位電路構成 的單片機最小應用系統(tǒng)幾部分構成等。總體設計框圖如圖 2.1 所示。 1.21.2 單片選型單片選型 1.2.11.2.1 AT89C51AT89C51 的特點的特點： AT89C51 是帶 4K 字節(jié)可編程可擦出的只讀存儲器的低電壓，高性能，CMOS，8 位單 片機。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造。AT89C51

5、 管腳圖如圖 2.2 所 示。 圖 2.2AT89C51 管腳圖 主要特性： 1 與 MOS-51 兼容 2 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 3 數(shù)據(jù)保留時間：10 年 4 全靜態(tài)工作：0HZ-24HZ 5 128*8 的 RAM 6 32 可編程 I/0 口線 7 兩個 16 位的定時計數(shù)器 8 5 個中斷源 9 可編程串行通道 10 低功耗的閑置和掉電模式 11 片內振蕩器和時鐘電路 2.2.22.2.2 單片機附屬電路單片機附屬電路 單片機附屬電路主要有晶體振蕩電路和復位電路。 一晶體振蕩電路 1.晶體振蕩器的作用：石英晶體振蕩器也稱石英晶體諧振器，它用來選擇頻率和穩(wěn) 定頻率，是 一種可以取

6、代 LC 諧振回路的諧振元件。 2 本設計所用的晶體振蕩電路如圖 2.3 所示。 圖 2.3晶體振蕩電路 此晶振電路所選用的石英晶振頻率為 12MHZ。 二復位電路 單片機復位是使 CPU 和系統(tǒng)的其它功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個 狀態(tài)開始工作，例如復位后 CP=0000H，是單片機從第一個單元取指令。無論是在單片機 剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復位，所以我們必須弄清楚 MCS-51 型單片機復位的條件，復位電路和復位后的狀態(tài)。 單片機復位的條件是：必須使 RST/Vpd 或 RST 引腳上加上持續(xù)兩個機器周期的高電 平。例如，若時鐘頻率為 12MHZ，機器周期

7、為 1us，則只需 2us 以上的高電平，在 RST 引 腳出現(xiàn)高電平后的第二個機器周期執(zhí)行復位。單片機常用的復位電路如圖 2.4（a）和圖 2.4（b）所示。 圖 2.4（a）復位電路圖 2.4（b）與單片機相連的復位電路 圖 2.4（a）復位電路，其電阻阻值的選擇和電容容量的選擇都是經(jīng)過計算的，而最 后計算的結果時間常數(shù)可以滿足我們的需求。其計算過程如下： t=0.7RC=0.7*1000*10*10-6=0.7ms 此值遠遠大于 2us,所以此復位電路用。 圖 2.4（b）是我們設計中用到的復位電路，為按鍵復位路，該電路除具有上電復位 功能外，若要復位只需按圖中 RESET 鍵，此時電源

8、 Vcc 經(jīng)過 R1,R2 分壓在 RESET 端產(chǎn)生 復位高電平。 2.32.3 獨立式按鍵控制電路獨立式按鍵控制電路 獨立式鍵盤的接口電路：在單片機應用系統(tǒng)中，有時只需要幾個簡單的按鍵向系統(tǒng) 輸入信息。這時可將每個按鍵直接接在一根 I/O 接口線上，這種連接方式的鍵盤稱為獨 立式鍵盤。如圖 2.5 所示，每個獨立按鍵單獨占有一根 I/O 接口線，每根 I/O 接口線的工 作狀態(tài)不會影響到其他 I/O 接口線。這種按鍵接口電路配置靈活，硬件結構簡單，但每個 案件必須占有一根 I/O，I/O 接口線浪費較大。故只在按鍵數(shù)量不多時采用這種按鍵電路。 在此電路中，按鍵輸入都采用低電平有效。上拉電阻

9、保證了按鍵開時，I/O 接口線 有確定的高電平。當 I/O 接口內部有上拉電阻時，外電路可以不配置上拉電阻。獨立式 按鍵具體在自動報時系統(tǒng)中的應用，在 2.3.1 中有詳細介紹。 圖 2.5獨立式鍵盤電路 2.3.12.3.1 自動定時系統(tǒng)的按鍵接口及功能工作原理自動定時系統(tǒng)的按鍵接口及功能工作原理 在自動報時系統(tǒng)中采用 4 個獨立的鍵盤，其中一個為功能鍵：一個為數(shù)字調整鍵： 一個為取消設置鍵，用來設定時間：一個為 ALM 鍵，用來設定定時時間。按鍵的接口由 P1.7、P1.6、P1.5、P1.4 來完成。 1. 時間調整：按下功能鍵，系統(tǒng)停止計時顯示，進入時間設定狀態(tài)，系統(tǒng)只顯示小 時的內容

10、加 1，按動取消鍵后又重新回到原來的時間顯示狀態(tài)：若再按動功能鍵則用來調 整分鐘，此時小時和秒的的 4 位 LED 指示全暗，秒顯示當前的秒數(shù)，暗數(shù)字調整鍵可以 對秒進行增 1 調整，按動取消鍵后又回到原來的時間顯示狀態(tài)，按動功能鍵后系統(tǒng)將自 動由設定后的時間開始計時顯示。 2. 開關設置/啟燈：定時時間到開關閉合接通電路使路燈亮，到下一個定時時間開關 斷開使路燈滅。 2.3.22.3.2 按鍵開關的去除抖動功能按鍵開關的去除抖動功能 目前， MCS-51 單片機應用系統(tǒng)上的按鍵常用機械觸點式按鍵，它在斷開、閉合 時輸入電壓波形如圖 2.6 所示?？梢钥闯鰴C械觸點在閉合即斷開瞬間均有抖動過程，

11、時間 長短與開關的機械性有關，一般為 510ms。由于抖動，會造成被查詢的開關狀態(tài)無法準 確讀出。例如，一次按鍵產(chǎn)生的正確開關狀態(tài)，由于鍵的抖動，CPU 多次采集到底電平 信號，會被誤認為按鍵被多次按下，就會多次進行鍵輸入操作，這不允許的。為了保證 CPU 對鍵的一次閉合僅在按鍵穩(wěn)定時作一次鍵輸入處理，必須消除產(chǎn)生的前沿抖動影響。 所以在軟件設計中作了相應設計。 圖 2.6按鍵過程 2.42.4 LEDLED 動態(tài)顯示電路動態(tài)顯示電路 2.4.12.4.1 數(shù)碼管簡介數(shù)碼管簡介 1. 數(shù)碼管結構 數(shù)碼管由 8 個發(fā)光二極管構成，通過不同的組合可用來顯示數(shù)字 09 、字符 AF 及小數(shù)點“”。數(shù)

12、碼管的外形結構如圖 2.7（a）所示。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極 兩種結構，分別如圖 2.7（b）和圖 2.7（c）所示。 （a）外型結構；（b）共陰極；（c）共陽極 圖 2.7數(shù)碼管結構圖 2 我們這個設計所使用的顯示屬于動態(tài)顯示，其顯示電路圖如圖 2.8 所示： 圖 2.8 動態(tài)顯示電路 顯示器由 6 個共陰極數(shù)碼管組成。同時采用動態(tài)掃描方式依次循環(huán)點亮數(shù)碼管，即 構成多位動態(tài)顯示電路。圖中 6 位數(shù)碼管均采用共陰極 LED，P0 接口外接 8 路反相三 態(tài)緩沖器 74LS240 作 LED 動態(tài)掃描的斷碼控制驅動信號，用 P1 接口的 PI.0-P1.3 外接 一片集電極開路反相門電路

13、74LS07 作為 8 位 LED 的位選信號驅動口，LED 共陰極端與 74LS06 的輸出相連。 74LS240 的功能 74LS240 是原碼三態(tài)輸出的 8 緩沖數(shù)碼驅動器，其管腳分布圖如圖 2.9 所示，G 為 控制端，又稱為使能端其工作原理如下： 當 G=0 時，A 輸入為低電平時，Y 輸出也為低電平。 當 G=0 時，A 輸入為高電平時，Y 輸出為高電平。 當 G=1 時，A 不論輸入高電平還是低電平 Y 為高阻狀態(tài)。 圖 2.9 74LS240 管腳圖 2.52.5 時鐘芯片時鐘芯片 DS1302DS1302 圖 2.10 DS1302 引腳圖 2.5.12.5.1 DS1302

14、DS1302 芯片具有以下特點芯片具有以下特點 1、實時時鐘：提供秒、分、時。 2、31 字節(jié)的靜態(tài) RAM:用于存儲數(shù)據(jù)。 實時時鐘功能表： 實時時鐘工作原理： （1）DS1302 的組成：串行時鐘芯片主要由移位寄存器、控制邏輯、振蕩器、實時 時鐘、RAM、電源電路，如圖 2.11 所示。 （2）復位時鐘：為了初始化數(shù)據(jù)傳送，通過把 RST 輸入驅至高電平來啟動數(shù)據(jù)傳 送。 （3）操作方式：芯片的操作受地址/命令字節(jié)控制，每一組數(shù)據(jù)的傳送由命令字節(jié) 初始化。 （4）當命令字節(jié)為不同命令時，數(shù)據(jù)也從不同位輸入。 2.62.6 路燈控制電路路燈控制電路 路燈控制電路由開關電路與變壓器控制電路組成

15、。KM4 接在母線上能接通和關閉路 燈，原理如圖 2 所示。 圖 2.12L1相檔位切換電路圖 在控制電路前加上一個下降沿觸發(fā)器（JK）它接到單片機的 P1.3 口當定時時間到時 輸出一個觸發(fā)信號用它來控制 KM4 開關的閉合還是斷開，例如想讓開關閉合就使 J=1,K=1 取反就可以閉合，要是保持這個狀態(tài)就讓 J=0,K=0。這樣就可以控制開關的狀 態(tài)。 JK 觸發(fā)器原理圖 2.72.7 電路原理電路原理 電路的核心是 89C51 單片機，其內部帶有 4KB 的 FlashROM,無需擴展程序存儲器; 電腦沒有大量的運算和暫存數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的 128B 片內 RAM 已能滿足要求，也不必擴展片 外

16、 RAM。系統(tǒng)配備 6 位 LED 顯示和 4 個單接口鍵盤，采用 P0 接口外接 8 路反相三態(tài)緩 沖器 74LS240 作 LED 動態(tài)掃描的段碼控制驅動信號，用 P2 接口的 P2.0-P2.5 外接一片 集電極電路開路反相門電路 74LS06 做為 6 位 LED 的位選信號驅動口，6 個數(shù)碼管的 8 根段選線分別與 74LS06 的輸出端相連；LED 共陰極端與 74LS06 的輸出端相連；按鍵 接口由 P1.7、P1.6、P1.5、P1.4 來完成。DS1302 實時時鐘芯片接口由 P1.0、P1.1、P1.2 來控 P1.3 口接（路燈控制器）。其硬件原理總圖見附錄 A 2.82

17、.8 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源 2.8.1 直流電源的設計直流電源的設計 2.8.1 直流電源的圖解直流電源的圖解 本課題可采用集成三端穩(wěn)壓器，只要加上一些外圍元件即可實現(xiàn)。其框圖和電路分 別如下圖： 圖 6直流穩(wěn)壓電源框圖 2.8.3 方案論證方案論證 該電路由四個部分組成，它們的功能分述如下： （1）電源變壓器 它的任務是把電源電壓變壓到合適的大小。如果 u2的值太大，會造成集成三端 穩(wěn)壓器 7805 的功耗太大，溫度升高，且浪費電能。反之，三端穩(wěn)壓器不能正常工作，失 去穩(wěn)壓作用 。因此 u2的值應大小合適，這個值應該使三端穩(wěn)壓器在交流電網(wǎng)電壓最低和 輸出電流最大時能正常工作。而且在正常穩(wěn)

18、壓的前提下，它的壓降盡可能小，以減少功 耗。U0 的輸出電壓為了統(tǒng)一我都設計為 5V 電壓，這個輸出電壓給各個要電源的電路提 供外電壓，以保證電路的正常運行。內部電源都為電池。 （2）整流電路 它的任務是將正弦波變換成直流電壓。這里一般采用橋式整流電路來實現(xiàn)。 （3）濾波電路 它的任務是將全濾波形通過 RC 濾波網(wǎng)絡以后變成更平坦的直流電壓，減小脈動， 提高整流的效果。 （4）穩(wěn)壓電路 要求輸出恒定的直流電壓，且要達到提出的要求， 3、軟件設計 3.13.1 設計思想設計思想 我做的是路燈控制器，它需要準時開燈（滅燈）調時，定時等功能。 所以我們考慮到用單片機語言來做我們的設計。對于程序我們的

19、設計思路是： 1.在此設計中用定時器來完成動態(tài)掃描顯示。用定時器 T0 定 2ms 的時間間隔，每次 定時時間到時就輸出一個 LED 信號，即顯示一位。定時器每中斷 6 次后循環(huán)到第一位 LED 顯示。這樣提高了 CPU 的工作效率。 2.要有主程序程序。 3.本設計使用按鍵來對 DS1302 寫入時間校時，對時，設定時間的，所以要有 DS1302 的寫時鐘程序。 4.系統(tǒng)資源分配： 1）定時器：定時器 T0 用顯示定時，按方式 1 工作，每隔 2ms 溢出中斷一次。 2) 片內 RAM 及標志位的分配：a)顯示緩沖區(qū) b)時間緩沖區(qū) c)定時緩沖區(qū)。 3.23.2 主程序模塊主程序模塊 主程

20、序與按鍵控制，讀時間并對定時時間進行判斷。主程序初始化后，就開始進行 對 DS1302 的讀時間；讀完后送顯示緩沖區(qū)，同時并對定時時間進行判斷比較；然后開始 依次掃描 4 個按鍵來判斷是否進入相應的按鍵子程序中；再對 DS1302 讀時間完成主循 環(huán)程序。流程圖如下： 圖 3.1 主程序流程圖 LCALL KEY-SET LCALL ALM-SET LCALL ALM MOV ADDR-1302, #85H LCALL READ-CLOCK MOV A, DATA-1302 ANL A, #10H MOV 36H, A MOV A, DATA-1302 ANL A,#0FH MOV 37H,

21、A MOV ADDR-1302, #83H LCALL READ-CLOCK MOV A,DATA-1302 ANL A, #0F0H MOV 38H, A MOV A, DATA-1302 ANL A, #0FH MOV 39H, A MOV ADDR-1302, #81H LCALL READ-CLOCK MOV A,DATA-1302 ANL A, #70H MOV 3AH, A MOV A, DATA-1302 ANL A, #OFH MOV 3BH, A MOV R4, #6 3.33.3 顯示程序模塊顯示程序模塊 顯示程序采用動態(tài)顯示，由位碼控制那一個數(shù)碼管顯示，由段碼控制數(shù)碼管顯

22、示什 么數(shù)值，根據(jù)中斷程序顯示時間來查表顯示數(shù)值，從第一位到第六位逐個點亮，同時每 顯示一位判斷一次六位顯示完了嗎？沒顯示完進行下一位，顯示完了從頭開始在循環(huán)。 顯示子程序的流程圖如圖 3.2 所示： 圖 3.2 顯示子程序流程圖 KEY: LCALL KS JNZ K1 ACALL DL6ms AJMP KEY K1: ACALL DL6ms 3.43.4 按鍵程序模塊按鍵程序模塊 進入按鍵程序，判斷有鍵按下嗎？沒有，則調用 延時重新判斷，如果到了，調用延 時去抖程序，再次判斷有鍵按下沒，沒有則返回延時程序，如果有按鍵，則判斷鍵號， 堆棧，判斷鍵是否釋放，沒有，繼續(xù)判斷，釋放了，則輸入鍵號送

23、然后返回主程序。 按鍵程序流程圖 3.53.5 定時器程序模塊定時器程序模塊 為定時器 T0 中斷服務子程序，主要是完成循環(huán)顯示。 定時器 T0 每隔 2ms 溢出中斷一次，則循環(huán)中斷 6 次，循環(huán)點亮 6 個 LED 數(shù)碼管各 一次。系統(tǒng)使用 12MHZ 的晶振，定時器 0 工作方式 1，則 2ms 定時對應的定時器初值可 由下式計算得到： 定時時間=（216-定時器 T0 初值）*（12/振蕩周期） 因此，定時器 T0 初值=0F830H，即 TH0=0F8H,TL0=30H,當系統(tǒng)使用其他頻率的晶 振時，也可以有以上式計算相應的定時器 T0 計算。 如單片機的主脈沖頻率為 12MHZ，經(jīng)

24、過 12 分頻 方式 0 定時時間=213 *1 微秒=8.192 毫秒 方式 1 定時時間=216 *1 微秒=65.536 毫秒 秒鐘已經(jīng)超過了計數(shù)器的最大定時時間，所以我們只采用定時器和軟件相結合的辦 法才能解決這個問題，定時器需要定時 50 毫秒，故 T0 工作與方式 1，定時 20 次，就可 定一秒。我定時 12 小時。 定時器程序：系統(tǒng)晶振是 12MHZ，在 P1.0 輸出 50ms。 計算： 初值=2N計數(shù)值 =216 5000/1us =65536-50000 =15536 THO=3BH TL0=11H 用十進制方便所以 TH0=60 TL0=176 ORG 0000H LJ

25、MP SETUP ORG 000BH LJMP INETP ORG 0000H SETUP: MOV TMOD, #01 MOV TH0, #60 MOV TL0, #176 SETB TR0 SETB ET0 SETB EA MOV 70#, #0 MOV 71#, #0 MOV 72#, #0 MOV 73#, #0 MOV 74#, #0 MOV 75#， #0 MOV R2, #0 MAIN: LCALL DIS SJMP MAIN DIS: MOV DPTR, #TAB MOV A, 70H MOVC A, A+DPTR MOV P0, A CLR P2.0 LCALL DEL SE

26、TB P2.0 MOV A, 75H MOVC A, A+DPTR MOV P0, A CLR P2.5 LCALL DEL SETB P2.3 RET TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H DB 0F8H,80H,90H; DEL: MOV R7, #0 DJNZ R7, $ RET END INETP: MOV THO, #60 MOV TL0, #176 INC R2 CJNE R2, #20 PP MOV R2 #0 INC 70H MOV R3, 70H CJNE R3, #20, PP MOV 70H, #0 INC 71H MOV R3,

27、 71H CJNE R3, #3, PP MOV 71H, #0 INC 72H MOV R3, 72H CJNE R3, #20, PP MOV 72H, #0 INC 73H MOV R3, 73H CJNE R3, #3, PP MOV 73H, #0 INC 74H MOV R3, 74H CJNE R3, #2, PP MOV 74H, #0 INC 75H MOV R3, 75H CJNE R3, #6, PP MOV 75H, #0 INC 76H PP: RETI END 4、系統(tǒng)調試 完成了硬件的設計、制作和軟件編程之后，要使系統(tǒng)能夠按設計意圖正常運行，必 須進行系統(tǒng)調試。系統(tǒng)調試包括硬件調試和軟件調試兩個部分。不過，作為一個控制系 統(tǒng)，其運行時軟硬件相結合的，因此，軟硬件的調試也是絕對不可能分開的。 程序的調試應一個模塊一個模塊地進行，單獨調試各功能子程序，檢驗程序是否能 夠實現(xiàn)預期的功能，接口電路的控制是否正常等；最后逐步將各個子程序連接起來總調。 聯(lián)調需要注意的是，各程序模塊間能否正確傳遞參數(shù)，注意各子程序的現(xiàn)場保護與恢復。 結 論 經(jīng)過這段時間的設計，終于完成了我的設