基于光電傳感器的路燈控制系統(tǒng)

1、2016屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)電鈴自動控制電路的設(shè)計(jì)姓 名： 高宇博 學(xué) 院： 物理與電氣信息學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 號： 140331011 指導(dǎo)教師： 鄭世旺 2016年5月5日歡迎下載目 錄摘要與關(guān)鍵詞II0 引言 11 工作原理 1 1.1 設(shè)計(jì)方案 11.2 設(shè)計(jì)方框圖和流程圖 12 測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22.1 單片機(jī) 22.2 打鈴電路 22.3 系統(tǒng)驅(qū)動電路 22.4 掉點(diǎn)存儲單元 32.5信號輸入電路 33 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4 3.1單片機(jī) 4 3.1.1AT89S51單片機(jī)的主要特性 5 3.2其他模塊 5 3.2.1顯示電路 5 3.2.2掉電存儲電路 54 結(jié)語6參考

2、文獻(xiàn)6致謝6附錄7歡迎下載 基于光電傳感器的路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路分析重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院 杜德銀 摘 要 城市市政建設(shè)日新月異，寬闊的街道，各種各樣的路燈給城市帶來了光明的同時(shí)也增添了城市的夜間魅力。但是由于道路、路燈眾多，傳統(tǒng)的人工管理模式已經(jīng)和快速、現(xiàn)代化的城市建設(shè)不相適應(yīng)。為解決城市路燈照明系統(tǒng)存在的燈光控制方法和管理手段落后，所用燈具科技含量低等問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬路燈控制系統(tǒng)。采用高效節(jié)能 LED 路燈作為光源，采用 AT89S52 單片機(jī)作為控制中心，利用傳感器模塊、光控路燈模塊、恒流源模塊來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)環(huán)境、交通等因素，單片機(jī)采集光敏電阻、聲敏電阻的信號控制路燈的亮滅，采用切換多種模式

3、方式設(shè)定并實(shí)現(xiàn)自動控制的功能，按照規(guī)定的時(shí)間自動管理路燈的功能。實(shí)現(xiàn)了路燈的智能化控制，節(jié)省了電力能源和人力資源。 關(guān)鍵詞 傳感器 光控 聲控 單片機(jī) 1. 元件的介紹 1.1 光電傳感器基本知識 光電傳感器最根本的原理是光電效應(yīng)，光電效應(yīng)又分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)：在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩類： (1) 光電導(dǎo)效應(yīng)。在光線作用下，對于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子 -空穴對，使載流子濃度

4、增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。 (2) 光生伏特效應(yīng)。在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池。常用的光電傳感器有光敏電阻、光電池、光敏二極管、光敏三極管等。利用這些傳感器各自的特點(diǎn)加上巧妙的設(shè)計(jì)，光電傳感器幾乎被應(yīng)用于生活的各個(gè)方面。 1.2 光電傳感器的原理和應(yīng)用光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實(shí)現(xiàn)控制的，它的基本結(jié)構(gòu)如圖 1-1，首先它把被測量的量光的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和

5、光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高，反應(yīng)快，非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器的檢測和控制的功能在生活中應(yīng)用非常廣泛。圖-1 光電傳感器的基本結(jié)構(gòu)光電傳感器是一種依靠被測物與光電元件和光源之間的關(guān)系，來達(dá)到測量目的的，因此光電傳感器的光源扮演著很重要的角色，光電傳感器的電源要是一個(gè)恒光源，電源穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，電源的穩(wěn)定性直接影響到測量的準(zhǔn)確性，常用光源有以下幾種： （1）光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)， 電阻減小， 入射光弱， 電阻增大。 （2）發(fā)光二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的

6、半導(dǎo)體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表和自動控制設(shè)備中。（3）光敏三極管在低照度入射光下工作時(shí)，或者希望得到較大的輸出功率時(shí)，也可以配以放大電路。這次設(shè)計(jì)我們主要用的是光敏電阻的特性和電阻串聯(lián)分壓的原理來完成這次設(shè)計(jì)的主要功能。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，同時(shí)產(chǎn)生空穴，電子 - 空穴對的出現(xiàn)使電阻率變小。光照愈強(qiáng)，光生電子 - 空穴對就越多，阻值就愈低。當(dāng)光敏電阻兩端加上電壓后，流過光敏電阻的電流隨光照增大而增大。

7、入射光消失，電子 - 空穴對逐漸復(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)原值，電流也逐漸減小。根據(jù)光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器：紫外光敏電阻器：對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線。紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信等國防、科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。 可見光光敏電阻器：包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動開關(guān)門戶，航標(biāo)燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機(jī)械上的自動保護(hù)裝置和“位置檢測器

8、”，極薄零件的厚度檢測器，照相機(jī)自動曝光裝置，光電計(jì)數(shù)器，煙霧報(bào)警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。溫度系數(shù)：在一定光照下，溫度每變化 1，光敏電阻阻值的平均變化率，硫化鎘光敏電阻的溫度特性。 1.3 AT89S52 1.3.1 功能特性描述 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度、非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌

9、入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k 字節(jié) Flash，256 字節(jié) RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，T89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash A

10、T89S52 。 1.3.2 引腳結(jié)構(gòu)圖 1-2 AT89S52 的引腳結(jié)構(gòu) 1.3.3 管腳說明P0 口：P0 口是一個(gè) 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個(gè)TTL邏輯電平。 對P0端口寫 “1” 時(shí)， 引腳用作高阻抗輸入，當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時(shí)， P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0 不具有內(nèi)部上拉電阻。在 flash 編程時(shí)，P0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。P1 口：P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對 P1 端口

11、寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外， P1.0和P1.1分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入 （P1.0/T2）和定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）。具體如下表所示。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口接收低 8 位地址字節(jié)。引腳號第二功能 P1.0 T2（定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 T2 的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出 P1.1 T2EX（定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 T2 的捕捉 / 重載觸發(fā)信號和方向控制），P1.5MOSI（在系統(tǒng)編程用），P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用），P1.

12、7 SCK（在系統(tǒng)編程用）。P2 口：P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對 P2 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 P3 口：P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，p3 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對 P3 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3 口亦作為AT89S52 特殊功能

13、（第二功能）使用，如下表所示。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)，P3 口也接收一些控制信號。端口引腳第二功能： P3.0 RXD( 串行輸入口 ) P3.1 TXD( 串行輸出口 ) P3.2 INTO( 外中斷 0) P3.3 INT1( 外中斷 1) P3.4 TO( 定時(shí) / 計(jì)數(shù)器 0) P3.5 T1( 定時(shí) / 計(jì)數(shù)器 1) P3.6 WR( 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) P3.7 RD( 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 )此外， P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗(yàn)的控制信號。RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG當(dāng)訪問

14、外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。一般情況下，ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。 對FLASH存儲器編程期間， 該引腳還用于輸入編程脈沖 （PROG） 。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0位置位，可禁止 ALE 操作。該位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令才能將 ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置 ALE 禁止位無效。PSEN程序儲存允許（PS

15、EN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng) AT89S52 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次 PSEN 信號。EA/VPP外部訪問允許，欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000H-FFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程， 復(fù)位時(shí)內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。 如EA端為高電平 （接VCC 端），CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。FLASH 存儲器編程時(shí)，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V編程電壓 VPP。 X

16、TAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 2. 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電路分析 2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng) 2.1.1 電源電路 電源電路：向單片機(jī)供電。 單片機(jī)電源： AT89S52 單片機(jī)的工作電壓范圍：4.0V-5.5V，所以通常給單片機(jī)外接5V直流電源。 連接方式為VCC(40腳） ：接電源+5V端， VSS(20腳） ：接電源地端。 2.1.2 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路：單片機(jī)工作的時(shí)間基準(zhǔn)，決定單片機(jī)工作速度。時(shí)鐘電路就是振蕩電路，向單片機(jī)提供一個(gè)正弦波信號作為基準(zhǔn)，決定單片機(jī)的執(zhí)行速度。 AT89S52 單片機(jī)時(shí)鐘頻率范圍：0-33MHz。時(shí)

17、鐘電路連接方式為圖 2-1 時(shí)鐘電路 2.1.3 復(fù)位電路 復(fù)位電路：確定單片機(jī)工作的起始狀態(tài)，完成單片機(jī)的啟動過程。圖 2-2 復(fù)位電路單片機(jī)接通電源時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號，完成單片機(jī)啟動，確定單片機(jī)起始工作狀態(tài)。手動按鍵產(chǎn)生復(fù)位信號，完成單片機(jī)啟動，確定單片機(jī)的初始狀態(tài)。通常在單片機(jī)工作出現(xiàn)混亂或“死機(jī)”時(shí)，使用手動復(fù)位可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)“重啟”使其恢復(fù)正常工作狀態(tài)。 2.2 電源模塊 AT89S52 的工作電壓 4.0-5.5V，電源電路采用線性穩(wěn)壓電源，電源電路如圖所示。交流電源由變壓器 T1 將 220V 的交流電壓轉(zhuǎn)換成 10V 左右的低壓交流電。由于此脈沖的直流含有較大的交流分量，必須通過濾波

18、電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓，所以在電路中加了 C1、濾出交流分量。通過三端穩(wěn)壓管 L7805 穩(wěn)壓，輸出 +5V 的直流電壓。 L7805 是一種三端穩(wěn)壓集成模塊，它有三個(gè)端即輸出端、公共端、輸出端。它內(nèi)部由調(diào)整管、基準(zhǔn)電壓源、取樣電路、比較放大器、過流保護(hù)、芯片過熱保護(hù)及調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)電路組成。三端集成穩(wěn)壓電源具有使用方便、安全可靠、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)是一種較為理想的低電壓供電模型。L7805 是一種輸出電源為 1.5A 的低電流穩(wěn)壓模塊，能有效的為整個(gè)電路提供穩(wěn)定的工作電壓，因此在本設(shè)計(jì)過程中充分的考慮到節(jié)能的設(shè)計(jì)理念運(yùn)用一 7800 系列的穩(wěn)壓模塊為電路提供能量。圖

19、 2-3 電源電路 2.3 光線采集模塊設(shè)計(jì) 光線采集模塊通過光敏電阻 R1 對外部光線進(jìn)行采樣，將采集到的模擬信號通過單片進(jìn)行處理，執(zhí)行相應(yīng)的控制命令，其電路設(shè)計(jì)如圖 2-4所示。光敏電阻，受到適當(dāng)波長的光線照射時(shí)，AT89S52 按照預(yù)設(shè)的方案實(shí)現(xiàn)如下光控路燈開關(guān)功能： （1）自動測光，白天（或光線強(qiáng)時(shí)）路燈熄滅，夜晚（或光線暗時(shí)）路燈自動點(diǎn)亮； （2）感光度可調(diào)，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)在任意光線下工作； （3）為防止瞬間強(qiáng)光的干擾， 特設(shè)延時(shí)關(guān)閉功能 （光線達(dá)到強(qiáng)光時(shí)，開關(guān)延時(shí) 30 秒左右才自動關(guān)閉）。圖 2-4 光敏電阻的接線電路 2.4 時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì) 在本系統(tǒng)中，時(shí)鐘采用一種高性能、低功耗

20、、帶 RAM 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片 DS1302，它可以對年、月、周、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，并具有閏年補(bǔ)償功能。DS1302 與 CPU 同步串行通訊，接口只需三根線：RST、I/0、SCLK 控制方式，主控電路利用時(shí)鐘模塊電路產(chǎn)生時(shí)鐘及定時(shí)等功能，從而實(shí)現(xiàn)分路路燈開關(guān)進(jìn)行定時(shí)控制。AT89S52 單片機(jī)根據(jù)時(shí)鐘芯片 DS1302 提供時(shí)鐘信號，根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓庹斩?，按照下列時(shí)段實(shí)現(xiàn)時(shí)控開關(guān)燈： （1）冬季時(shí)間：傍晚 18：30 開燈，次日凌晨 6：00 關(guān)燈； （2）春秋季時(shí)間：傍晚 19：00 開燈，次日早晨 6：00 關(guān)燈； （3）夏季時(shí)間：傍晚 19：30 開燈，次日早晨 6：00 關(guān)燈； （4）每天凌晨 2：00 以后聲敏傳感器才會啟動，早晨 6：00 停止；這個(gè)時(shí)段可動態(tài)修改，修改操作在上位機(jī)上獨(dú)立完成，通過通信模塊將指令寫入 AT89S52 芯片內(nèi)，即可改變時(shí)控開關(guān)燈的工作時(shí)段。2.5 聲敏傳感器的放大整形電路(1) 信號放大整形電路由聲敏傳感器、三極管、電容和電阻構(gòu)成，其中三極管起信號放大作用。電路原理圖如下圖所示：圖 2-5 聲控電路圖 （2）三極管的工作原理 三極管是一種控制元件，主要用來控制電流的大小，以共發(fā)射極接法為例（信號從基極輸入，從集電極輸出，發(fā)射極接地）