前言 前 言 随着时代的发展， 城市现代化建设步伐不断加快， 对城市道路照明及城市亮化工 程需求也更大，而能源的供需问题矛盾也越来越突出。节能节电的要求越来越迫切， 越来越高。现在再采用那些传统的受控，钟控城市照明系统的方法已不能满足要求。 如何充分利用先进的科学技术解决上述矛盾 , 节约能源，提高路灯能源的利用率已成 为当前照明技术领域一个新的和紧要的课题。 城市道路照明自动化控制作为现代化的 标志之一， 它所带来的经济和社会效益是十分显著的。 目前一般的传统路灯一般采用 钠灯、水银灯、金卤灯等灯具，这类灯具有发光效率高、光色好、安装简便等优点被 广泛应用，但也存在功率因子低、对电量要求严格、耗电量大等缺点。我国大部分城 市街道都采用 “全夜灯”的方式进行照明， 这些街道在夜晚人流量和车流量都比较小， 即使没有人或车经过， 这些路灯也是长期点亮着的， 这时电能就被白白浪费掉了。 很 多路段真正有效的照明时间只占到整个照明时间的 20%－30%。因此有些地方采用 “半 夜灯”前半夜全亮后半夜全灭的方式， 此方法虽然节约了用电量， 却带来许多社会治 安和交通安全问题。 也有的采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的措施， 关闭部分光源。 因为，“亮一隔一”或“亮一隔二”不仅减小照度， 同时区别于不同的灯杆布置方式， 照度均匀度将不同程度、甚至是严重的下降，对交通、行人安全、对维护社会治安产 生不利影响。“在保证照明效果下点着灯节电”，这样的概念才是科学的，合理的， 这是发达国家道路照明系统的设计思想之一。 目前道路照明仍以高压钠灯或金卤灯光源为主， LED照明主要采用 LED作为发 光光源． LED路灯尚处于示范推广向大规模应用的过渡阶段．但是随着产品稳定性的 提升和产品价格的下降， LED路灯具有非常强的成长性．相对于传统路灯， LED照明 道路具有以下优势： 1) 扩大了照明范围， 2) 提高了照明均匀度， 3) 低能耗 ( 相同照度下能耗仅为高压 钠灯的 40％，节能 50％以上 ) ，一个 LED路灯，如果要达到和普通的高压钠灯和高压 水银灯那样的亮度，大约需要消耗的 40W 以上功耗，只有传统路灯的 25%－40%。因 此该设计应用光控制 LED灯的方法来管理路灯照明， 这节约了很大的资源。 4) 寿命长 ( 有效使用寿命长达 70 000h) ，5) 智能控制，免维护，环保无污染等． 第 1 页 （共 60 页） 节能路灯智能控制系统模块设计 智能控制型路灯是运用先进的通讯手段， 计算机网络技术、 自动控制技术、 新型 传感技术与自动检测技术等构成的监控系统， 快速准确地对道路照明、 城市灯饰工程、 广场照明、桥梁和隧道照明等系统进行智能监控，实现对远程路灯和电源实施遥控、 遥测、遥监、遥视、遥信等功能，便于了解路灯运行状况以及它的维修和保养，能提 高路灯运行质量和效率，为能源节约和创造节约型社会打下基础。 路灯智能控制系统一般由控制中心主站、 各点测控分站、通讯系统三大部分组成。 主站主要负责管理、 控制整个系统的运行， 其兼容性和容量大小可灵活配置； 通讯一 般采用有线或无线与的方式， 目前技术有利用单片机实现路灯控制器的 TCP／IP 协议 ( 实现自己数据的高速传输和实时控制 ) 等技术；无线技术有 GSM短信息网、 GPRS数 传电台、 CDPD公共无线数据网，或而各分站点通过安装单片机或新技术装备 ( 如 LONWORKS技术 ) 构成其控制器，从而达到与主站通讯、接受命令、执行开关、控制电 压、控制时间、反馈数据信息等功能。 智能控制型路灯实现过程可以是多种多样，一般都是：主站电脑控制中心 +合适 的通讯手段或方式 +各分站集中智能控制器 +路灯控制系统的模式。 随着科技和信息产 业的发展，任一个环节实现起来都可以采用多种方式或方法，在此不赘述。 采用本系统以后，全区范围的景观灯的开 / 关均可实现自动控制。同时，由于城 市照明监控系统具有自动报警和巡测、 选测功能， 同时结合显示界面维护人员可以在 故障发生后的数秒钟内及时了解故障的地点和状态， 为及时进行修复提供了有力的保 障。 1 绪论 1.1 题目来源 来源于生产 / 社会实际 1.2 研究目的和意义 1．目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机 的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输， 工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车 的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物 第 2 页 （共 60 页） 绪论 等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械 了。因此，单片机的学习、 开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、 工程师。 单片机是靠程序运行的，并且程序可以修改。通过不同的程序实现不同的功能， 尤其是特殊的独特的一些功能， 这是别的器件需要费很大力气才能做到的， 有些则是 花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国 50 年代开发的 74 系列， 或者 60 年代的 CD4000系列这些纯硬件来解决的话， 电路一定是一块大 PCB板！但是 如果要是用美国 70 年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为 单片机通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性的转变。 鉴于单片机的这些广泛用途及如此简便的使用方法， 作为本专业的学生我们更应 该好好学习单片机。 本次毕业设计的目的就是为了进一步熟悉单片机语言及单片机工 作原理， 煅炼单片机与信号检测的综合应用能力， 为以后在工作中解决各种问题打好 基础。 2．现代城市飞速发展对城市道路照明和管理提出了更高的要求， 城市路灯照明不 仅要确保足够的照度，保障城市人民正常的生产和生活，而且要亮化、美化城市。同 时，随着城市基础设施投资的不断加速， 路灯的数量也在逐年增加， 维护和检修的工 作量也随之加大。在这一新形势下，实施新的路灯监控系统——网络化、遥控化、精 确化的微机监控系统， 对提高城市路灯照明的现代化控制和管理水平， 显然十分必要。 根据现存照明事业管理的现状，本课题研究的路灯智能控制系统由 PC机、主机、电 力线载波通讯模块 （PLC）、从机等构成。 进行本课题研究的目的和意义在于以下几个 方面：（1）对公共照明管理者和使用者来说，本系统给他们带来了极大的方便，他们 只需在管理中心的微机上进行简单操作就可以对线路上的任意路灯节点进行控制以 及所有路灯的状态和相关信息的控制， 使用少量人力进行维修。 （2）对于政府管理部 门来说，也是一件一劳永逸的事情。 只要进行一次投入， 安装了必要的路灯设备和本 控制系统， 在以后的运行当中就不需要再投入较大的人力和物力， 因为本系统具有自 动检测和报警功能，并且可以落实到具体的一个灯，可以省去了大量的人力。 （3）对 于城市的美化和亮化工程来说，提高城市的形象和人民的满意度将有十分积极的作 用。提高市政硬件水平，与现代科技接轨，增强城市照明可靠性和可控性。 （4 ）结合 城市夜景设置，通过智能控制，创造城市新景观，根据不同季节合理利用电能资源， 第 3 页 （共 60 页） 节能路灯智能控制系统设计 杜绝电能浪费。 （5 ）及时发现线路故障和单个路灯故障，提高路灯系统工作质量。减 轻工人线路巡检工作量，提高工作效率。天气变化或有特殊事件，路灯可快速投切， 方便人民生活，消除不良影响。 1.3 国内外现状和发展趋势 目前，国内城市路灯运行的控制方式有专用控制线、带负荷控制线、时控、光控 以及模拟日照开关等。他们共同的缺点是 （1）只有控制功能，并且是对整条线路进 行控制，不能对具体的路灯节点进行控制。 （2 ）半夜使灯具的使用寿命大大缩减，维 修费用增大。 没有精确检测功能， 这对道路照明管理部门来说是无法做到随时掌握全 市路灯的运行状况， 管理部门只有通过不断派人派车巡回检查或群众报警才能知道路 灯大致故障情况。 （4）巡视工作被动且工作量大，人力成本高，效率很低，市民的满 意度不高。 根据以上对目前国内路灯监控系统实际现状的分析，可以发现，现存问题很多。 就路灯监控系统的功能实现而言， 虽然已经可以通过远程计算机控制整条路灯线路的 开和关，并将有关的状态返回给计算机，实现所谓的监控功能。但是，要将路灯监控 提升到路灯管理的层次， 并紧密的与节约能源及绿色照明结合起来， 还需要在技术上 有更高的进步。 不难发现，上述问题存在一些共同点（即造成上述问题的共同因素） ，主要是不 能够对单个路灯的功率等重要参数进行有效的控制， 单个路灯之间没有信息通道， 不 能及时反映灯的状态， 以及系统的稳定性问题。 要解决这些问题， 不仅需要计算机网 无线通信网络等技术的应用，更需要新的电力电子技术和信息技术的应用。 路灯照明系统是城市建设中不可缺少的功用设施， 设计自动化程度高、 运行可靠、 高效节电、 使用维护方便的监控系统， 是路灯控制与管理现代化的必然要求。 传统的 路灯开 / 关控制完全依赖光电控制或操作人员根据时钟定时控制，不但亮灯与关灯的 时刻不准确， 而且很可能会由于人为或其他因素 （如某处控制线断）造成大面积路灯 不亮，造成不良影响，给人民的生活带来不便。 微机监控系统通过监控中心的实时监控，检测各分控点的工作情况、运行状态， 包括实时电压、 电流以及开关状态等。 当路灯站点出现故障的时候， 报警信息能够及 时反馈给监控中心进行处理， 保证路灯处于良性状态， 方便人民生活， 减少交通事故， 第 4 页 （共 60 页） 绪论 遏制夜间作案， 改善投资环境， 促进经济腾飞， 提高城市道路照明的现代化控制和管 理水平，社会效益也非同一般。 随着城市市政建设的发展， 传统的路灯控制与维护手段已远远不能适应城市现代 化发展的速度。 城市市政建设日新月异， 宽阔的街道， 各种各样的路灯给城市带来了 光明的同时也增添了城市夜间的魅力。 但是由于道路、 路灯众多， 传统的人工管理模 式已经和快速、 现代化的城市建设不相适应。 现代计算机集控技术的发展给城市市政 管理带来了福音。 城市路灯智能控制系统是现代计算机技术运用于城市市政建设中有 效、必然的产物，实现了城市路灯系统的计算机集中控制、检测和管理。操作人员只 需通过计算机即可了解整个系统路灯的工作状态， 并可通过计算机人工或自动控制所 有路灯的开关。 即使是在全无人过问的情况下， 系统也将严谨有序的工作。 在各种管 理自动化的大潮下， 加上我国各个城市的大规模建设， 路灯只能控制系统必然有着广 阔的市场空间！ 据测算，一个城市的街道数量大于 100 条就很有必要由一套信息管理 系统与之相配套来实现管理和系统维护， 而中国一定规模的市级城市非常多， 因此可 以肯定的是国内需求会很旺盛！ 2 系统硬件设计 2. 1 系统总体结构设计 根据题目要求和单片机的工作原理，以 AT89C51作为主控制器，进行主要的信息 处理，包括路灯控制模块，检测模块，时钟模块。本系统的总体框架图如图 1 所示。 时钟 L 光检测 单 E 片 路灯控制 D 机 驱 动 显示 图 1 系统总体结构框图 第 5 页 （共 60 页） 节能路灯智能控制系统设计 2.2 各模块器件选择 2.2.1 单片机的选择 【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，题目要求支路控制器需实现的功能很多，数字电路不易实现。 【方案二】：采用 STC89C51作为主控制单片机。单片机算术运算功能强，软件 编程灵活、 自由度大， 可用软件编程实现各种算法和逻辑控制， 并且由于其功耗低、 体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。 综合题目要求和性价比我们选择方案二为本系统的最终方案， 用 STC89C51制作 的最小系统板，结构紧凑，工作稳定，性价比很高。 2.2.2 时钟的选择 【方案一】：采用软件编程实现时钟。利用单片机定时器中断，产生 1 秒信号， 实现时钟。此方案不需硬件，但占用太多程序存储器、中断源等单片机资源。 【方案二】：利用 DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信 仅需用到三个口线 所示） RES（复位）、I/O （数据线）、SCLK（串 行时钟）。SCLK/RAM的读/ 写数据以一个字节或多达 31 个字节的字符组方式通信。 DS1302 工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于 1mW。DS1302芯片体积小、 占用空间小，引脚也很少，操作起来非常方便，因此我采用此方案。 2.2.3 检测光源的选择 检测光源模块是用来判断光线明暗变化。 为了确保路灯在工作过程中光线明暗变 化，自动开灯和关灯，系统需要利用感光元件来检测出光线明暗，充分节能。对于感 光元件的选择有以下几种方案。 【方案一】：采用线性光敏传感器。其对光线的强弱呈线性变化、灵敏度高、高 可靠性、高稳定性，其价格相对较贵 。 【方案二】：方案二：采用光敏电阻。灵敏度较低，价格低。在本设计中，选用 方案二，通过相应电路设计计算，能够完成环境明暗变化判断要求。 2.2.4 显示方案的选择 【方案一】：采用 LED数码管显示。该方案控制简单，且 LED数码管亮度高，醒 第 6 页 （共 60 页） 系统硬件设计 目，但是数码管只能显示有限的数字和符号， 占用资源较多且信息量较少， 为了方便 观察，因此我们不采用此方案 。 【方案二】：采用诺基亚 5110 LCD 显示。完成参数与状态显示要求有较大的显示 容量，因此选用诺基亚 5110 LCD显示模块，它可显示汉字及图形，方便好用。 2.3 AT89C51 简介及其工作原理 2.3.1 AT89C51 主要特性 与 MCS-51单片机产品兼容 4K 字节可编程闪存储器 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 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 片内振荡和时钟电路 2.3.2 AT89C51 管脚说明 AT 89C51管脚如图 2 ： 第 7 页 （共 60 页） 节能路灯智能控制系统设计 P1.0 1 40 VCC P1.1 2 39 P0.0 P1.2 3 38 P0.1 P1.3 4 37 P0.2 P1.4 5 36 P0.3 P1.5 6 35 P0.4 P1.6 7 34 P0.5 P1.7 8 33 P0.6 RESET/VPD 9 32 P0.7 RXD 、 P3.0 10 31 EA/VPP TXD 、 P3.1 11 30 ALE/PROG INT0 、 P3.2 12 29 PSEN INT1 、 P3.3 13 28 P2.7 T0 、 P3.4 14 27 P2.6 T1 、 P3.5 15 26 P2.5 WR 、 P3.6 16 25 P2.4 RD 、 P3.7 17 24 P2.3 XTAL2 18 23 P2.2 XTAL1 19 22 P2.1 GND 20 21 P2.0 图2-1 AT89S51 引脚图 图 2 AT89C51 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器， 它可以被定义为数据 / 地址的第八位。在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH进行校验时， P0输出原码，此时 P0外部必须被拉高。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接 收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外 部下拉为低电平时， 将输出电流， 这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“ 1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘 故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出 地址的高八位。在给出地址“ 1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据 存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH编程和校验 时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 第 8 页 （共 60 页） 系统硬件设计 门电流。当 P3 口写入“ 1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入， 由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL ）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD （串行输出口） P3.2 /INT0 （外部中断 0） P3.3 /INT1 （外部中断 1） P3.4 T0 （记时器0 外部输入） P3.5 T1 （记时器 1 外部输入） P3.6 /WR （外部数据存储器写选通） P3.7 /RD （外部数据存储器读选通） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。 当振荡器复位器件时， 要保持 RST脚两个机器周期的高电平 时间。 ALE/PROG ：当访问外部存储器时， 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位 字节。在 FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ALE端以不变的频率 周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6 。因此它可用作对外部输出的脉冲 或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH地址上置 0 。此时， ALE 只有在执行 MOVX， MOVC指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状 态 ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。 在由外部程序存储器取指期间， 每个机 器周期两次 /PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN信号将不 出现。 /EA/VPP ： 当 /EA 保 持 低 电 平 时 ， 则 在 此 期 间 外 部 程 序 存 储 器 （0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁 定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH编程期间，此 引脚也用于施加 12V编程电源（ VPP）。 第 9 页 （共 60 页） 节能路灯智能控制系统设计 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 2.3.3 振荡器特性 XTAL1和 XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可以配置为片内 振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。 如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2应不接。 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器， 因此对外部时钟信号的脉宽无任 何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 2.3.4 芯片擦除 整个 PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合， 并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“ 1”且在任何非 空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外， AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种 软件可选的掉电模式。在闲置模式下， CPU停止工作。但 RAM，定时器，计数器，串 口和中断系统仍在工作。 在掉电模式下， 保存 RAM的内容并且冻结振荡器， 禁止所用 其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 2.3.5 单片机的 CPU MCS-51单片机的 CPU由运算器、控制器和若干个特殊功能寄存器组成，运算器 可以加、 减以及各种逻辑运算， 还可以进行乘除运算。 控制器在单片机内部协调各功 能部件之间的数据传送、数据运算等操作，并对单片机外部发出若干控制信息。 CPU中使用的特殊功能寄存器 ACC、B、PSW、SP和 DPTR。ACC就是累加器，在指 令中一般写为 A。在做乘除运算时， B 寄存器用来存放一个操作数，也用来存放运算 后的一部分结果；若不作乘除操作时，则 B可用做通用寄存器。 程序状态字寄存器 PSW相当于一般微处理器中的状态寄存器， 其中各位的定义如 表 1 所示。 表 1 PSW 状态寄存器 位地址 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 符号 CY AC F0 RS1 RS0 OV － P 其中各位的意义如下： 第 10 页 （共 60 页） 系统硬件设计 CY （PSW.7）：高位进位标志位。常用“ C”表示。 AC （PSW.6）：辅助进位标志。 F0 （PSW.5）：用户标志位。 RS1 （PSW.4）、RS0 （PSW.3）：寄存器组选择控制位。 8051 共有 4 个 8 位工作寄 存器，分别命名为 R0～R7。用户通过改变 RS1和 RS0 的状态可以方便地决定 R0～R7 的实际物理地址。 RS1和 RS0 与寄存器区的对应关系如表 2 所示。 表 2 RS1 、RS2与工作寄存器组的关系 RS1 RS0 寄存器组 RAM中的地址 0 0 0 00H-07H 0 1 1 08H-0FH 1 0 2 10H-17H 1 1 3 18H-1FH OV （PSW.2）：溢出标志位。 －（PSW.1）：保留位，无定义。 P （PSW.0）：奇偶校验位，在每一个指令周期中，若累加器（ A）中的“ 1”的位 个数是奇数个则 P＝1，偶数个则 P＝0。 3.AT89C51 内存空间 从物理地址空间看， 89C51有 4 个存储器地址空间，片内程序存储器、片外程序 存储器、片内数据存储器和片外数据存储器，其存储情况如下： （1）内部程序存储器（ ROM）4K 字节。 （2 ）外部程序存储器（ ROM）64K 字节。 （3 ）内部数据存储器（ RAM）256 字节。 （4 ）外部数据存储器（ RAM）64K 字节。 表 3 9C51 单片机的特殊功能寄存器一览表 寄存器符号 名称 字节地址 *ACC 累加器 E0H 第 11 页 （共 60 页） 节能路灯智能控制系统设计 *B B 寄存器 F0H *PSW 程序状态字 D0HH SP 堆栈指针 81H DPTR 数据指针（ DPH、DPL） 83H（高）、82H（低） *P0 P0 口锁存器 80H *P1 P1 口锁存器 90H *P2 P2 口锁存器 A0H *P3 P3 口锁存器 B0H *IP 中断优先级控制寄存器 B8H *IE 中的允许控制寄存器 A8H TMOD 定时器 / 计数器方式控制寄存器 C8H *TCON 定时器 / 计数器控制寄存器 88H TH0 定时器 / 计数器 0 （高字节） 8CH TL0 定时器 / 计数器 0 （低字节） 8AH TH1 定时器 / 计数器 1 （高字节） 8DH TL1 定时器 / 计数器 1 （低字节） 8BH *SCON 串行控制寄存器 98H SBUF 串行数据缓冲器 99H PCON 电源控制寄存器 97H 89C51 单片机的片内 RAM虽然字节数虽然不很多，但却起着很重要的作用。 256 个字节被分为两个区域： 11～7FH是真正的 RAM区，可以读写各种数据； 80～FFH是 专用寄存器（ SFR）区。对于 51 系列单片机安排里 21 个特殊功能寄存器。每个寄存 器均为 8 位 （一个字节），所以实际上这 128 个字节并未全部利用。 表 3 所示为 89C51 单片机特殊功能寄存器地址及符号表。表中带 * 号的为可位寻址的特殊功能寄存器。 2.3.6 单片机的中断系统 单片机与外部设备交换信息一般都会采用两种方式， 即查询方式和中断方式。 由于中 断方式具有 CPU效率高，适合于实时控制系统等优点，因而更为常用。 89C51单片机的中断系统从面向用户的角度来看，就是若干搁特殊功能寄存器： 第 12 页 （共 60 页） 系统硬件设计 定时器控制寄存器 TCON、中断允许寄存器 IE 、中断优先级寄存器 IP 、串行口控制器 SCON。 89C51单片机是一个多中断源系统。有 5 个中断源，即两个外部中断，两个外部 中断、两个定时器 / 计数器中断和一个串行口中断。 （1）方式控制寄存器 TMOD的控制字格式如下： 表 4 TMOD 控制字 位地址 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 符号 GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 低 4 位为 T0 的控制字，高 4 位为 T1 的控制字。 GATE为门控位，对定时器 / 计数 器的启动起辅助控制作用。 GATE=1时，定时器 / 计数器的计数受外部引脚输入电平的 控制，此时只有 P3 口的 P3.2 （或P3.3 ）引脚即 INT0 （或INT1）为 1 才启动计数； GATE=0时，定时器 / 计数器的运行不受外部输入引脚的控制。 C/T 为方式选择位。 C/T=0 为定时器方式， 采用单片机内部振荡脉冲的 12 分频信 号人作为时钟计数脉冲，若采用 12MHz的振荡器，则定时器的计数频率为 1MHz，从 定时器的计数值便可得定时时间。 （2）M1、M0二位的状态确定定时器的工作方式，详见下表： 表 5 M1 、M0功能说明 M1 M0 功能说明 0 0 方式 0，为 13 位定时器 / 计数器 0 1 方式 1，为 16 位定时器 / 计数器 1 0 方式 2，为常数自动重新装入的 8 位定时器 / 计数器 1 1 方式 3，仅适用于 T0，分为二个 8 位计数器 （3）TCON定时/ 计数器工作方式控制寄存器 表 6 TCON 控制字 位地址 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H 符号 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 TF1（TCON.7）：计时器 1 溢出标志，当计时溢出时， 由硬件设定为 1 ，在执行 相 对的中断服务程序后则自动清 0 。 第 13 页 （共 60 页） 节能路灯智能控制系统设计 TR1 （TCON.6）：计时器 1 启动控制位，可以由软件来设定或清除。 TR1时启动计 时器工作， TRl=0 时关闭。 TF0 （TCON.5）：计时器 0 溢出标志，当计时溢出时，由硬件设定为 1 ，在执行 相对的中断服务程序后则自动清 0 。 TR0 （TCON.4）：计时器 0 启动控制位，可以由软件来设定或清除。 TR0=1时，启 动计时器工作， TR0=时关闭。 IE1 （TCON.3）：外部中断 1 工作标志，当外部中断被检查出来时，硬件自动设 定此位，在执行中断服务程序后，则清 0 。 IT1 （TCON.2）：外部中断 1 工作形式选择， IT1=1 时，由下降缘产生外部中断， IT1=0 时，则为低电位产生中断。 IE0 （TCON.1）：外部中断 0 工作标志，当外部中断被检查出来时，硬件自动设 定此位，在执行中断服务程序后，则清 0 。 IT0 （TCON.0）：外部中断 0 工作形式选择， IT1=1 时，由下降缘产生外部中断， IT1=0 时，则为低电位产生中断。 （4） SCON串行口控制寄存器 SM0（SCON.7）：串行通讯工作方式设定位 0 。 SM1（SCON.6）：串行通讯工作方式设定位 1 。 表 7 SCON 控制字 位地址 9FH 9EH 9DH 9CH 9BH 9AH 99H 98H 符号 SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI SM2 （SCON.5）：允许方式 2 或方式 3 多机通讯控制位。在方式 2 或方式 3 时， 如 SM2=1，REN=1，则从机处于只有接收到 RB8=1( 地址帧 ) 才激发中断请求标志 RI=1， 向主机请求中断处理。被确认为寻址的从机复位 SM2=0，才能接收 RB8=0 的数据帧； 在方式 1 时，如 SM2=l ，则只有在接收到有效停止位时才置位中断请求标志位 RI=1； 在方式 0 时， SM2应为 0 。 REN （SCON.4）：REN，允许/ 禁止串行接收控制位。由软件置位 REN=1为允许串 第 14 页 （共 60 页） 系统硬件设计 行接收状态， 可启动串行接收器 RXD，开始接收信息。 软件复位 REN＝0，则禁止接收。 TB8 （SCON.3）：在方式 2 或方式 3，它为要发送的第 9 位数据，按需要由软件置 位。 （5）IE 中断允许寄存器 表 8 IE 控制字 位地址 AF － AD AC AB AA A9 A8 符号 EA － ET2 ES ET1 EX1 ET0 EX0 EA （IE.7 ）：EA＝0 时，所有中断停用（禁止中断） 。EA＝1 时，各中断的产生由 个别的允许位决定。 －（ IE.6 ）：保留位，无定义。 ET2 （IE.5 ）：允许计时器 2 溢出的中断（ 8052 使用）。 ES （IE.4 ）：允许串行端口的中断（ ES＝1 允许， ES＝0 禁止）。 ET1 （IE.3 ）：允许计时器 1 中断（ ET1＝1 允许， ET1＝0 禁止）。 EX1 （IE.2 ）：允许外部中断 INT1 的中断（ EX1＝1 允许， EX1＝0 禁止）。 ET0 （IE.1 ）：允许计时器 0 中断（ ET0＝1 允许， ET0＝0 禁止）。 EX0 （IE.0 ）：允许外部中断 INT0 的中断（ EX0＝1 允许， EX0＝0 禁止）。 （6 ）IP 中断优先级寄存器 表 9 IP 控制字 位地址 － － BD BC BB BA B9 B8 符号 － － PT2 PS PT1 PX1 PT0 PX0 －（ IP.7 ）：保留位，无定义。 －（ IP.6 ）：保留位，无定义。 PT2 （IP.5 ）：设定计时器 2 的优先次序（ 8052 使用）。 PS （IP.4 ）：设定串行端口的中断优先次序。 PT1 （IP.3 ）：设定时／计时器 1 的优先次序。 第 15 页 （共 60 页） 节能路灯智能控制系统设计 PX1 （IP.2 ）：设定外部中断 INT1 的优先次序。 PT0 （IP.1 ）：设定计时器 0 的优先次序。 PX0 （IP.0 ）：设定外部中断 INT0 的优先次序。 上述每位 IP.* ＝1 时，则定义为高优先级中断， IP.* ＝0 时，则定义为低优先级 中断。如果同时有两个或两个以上优先级相同的中断请求时， 则由内部按查询优先顺 序来。 2.3.7 单片机最小系统 一块单片机芯片不是一拿来就可以用的， 那么单片能正常工作的基本要求有哪些 呢？下面就说一下最小系统。 （1） 振荡电路 单片机是一种时序电路， 必须提供脉冲信号才能正常工作， 在单片机内部已集成 了振荡器，使用晶体振荡器，接 18、19 脚。如图 3 所示，外部时钟振荡电路由晶体 振荡器和电容 C1、C2构成并联谐振电路，连接在 XTAL1、XTAL2脚两端。对外部 C1、 C2 的取值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器 的稳定性、起振的快速性。 C1、C2通常取值 C1=C2=30— 30PF；8051 的晶振最高振荡 频率为 12M，AT89C51的外部晶振最高频率可到 24M。典型的晶振取 11.0592MHz(因为 可以准确地得到 9600 波特率和 19200 波特率，用于有串口通讯的场合 )/12MHz( 产生 精确的 us 级时歇，方便定时操作 ) 。 （2）电源电路 这当然是必不可少的了。 单片机使用的是 5V 电源，其中正极接 40 引脚，负极（地） 接 20 引脚。 （3） 复位电路 由电容串联电阻构成，由图并结合“电容电压不能突变”的性质，可以知道，当 系统一上电， RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的 RC值 来决定。 典型的 51 单片机当 RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位， 所以， 适当组合 RC的取值就可以保证可靠的复位。一般教科书推荐 C 取 10u，R取 10K。 第 16 页 （共 60 页） 系统硬件设计 当然也有其他取法的，原则就是要让 RC组合可以在 RST脚上产生不少于 2 个机周期 的高电平。至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。 （4） EA 访问程序存储器控制信号，当 EA为低电平时，对 ROM的读操作限制在外部程序 存储器；当 EA为高电平时，则对 ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至 外部程序存储器。高电平就是选用内部 ROM，低电平就是不选用内部 ROM，8031 内部 根本没有 ROM，需接外接 ROM，所以要低电平。 至此，一个单片机就接好，通上电，单片机就开始工作了。 图 3 单片机最小系统 2.4 DS1302 的电路设计 2.4.1 时钟芯片 DS1302的简介 DS1302 是 DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片， 内含有一个实时时钟 / 日历和 第 17 页 （共 60 页） 节能路灯智能控制系统设计 31 字节静态 RAM， 通过简单的串行接口与单片机进行通信。 实时时钟 / 日历电路提供 秒, 分, 时, 日, 日期, 月, 年的信息 , 每月的天数和闰年的天数可自动调整。时钟操作可 通过AM/PM指示决定采用 24 或 12 小时格式， DS1302 与单片机之间能简单地采用同 步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线 I/O 数据线 SCLK 串行时钟。时钟 RAM的读/ 写数据以一个字节或多达 31 个字节的字符组方式通信。 DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于 1m，WDS1302是由 DS1202 改 进而来，增加了以下的特性：双电源管脚用于主电源和备份电源供应， Vcc1 为可编 程涓流充电电源，附加七个字节存储器。它大范围的应用于电话，传真，便携式仪器以及 电池供电的仪器仪表等。 产品领域下面将主要的性能指标作一综合： 实时时钟具有能计算 2100 年之前的秒分时日日期星期月年的能力还有闰年 调整的能力 31 8 位暂存数据存储 RAM 串行 I/O 口方式使得管脚数量最少 宽范围工作电压 2.0 5.5V 工作电流 2.0V 时, 小于 300nA 读/ 写时钟或 RAM数据有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式 8 脚 DIP 封装或可选的 8 脚 SOIC 封装根据表面装配 简单 3 线接口 与 TTL 兼容Vcc=5V 可选工业级温度范围 -40 +85 与 DS1202 兼容 在 DS1202 基础上增加的特性 对Vcc1 有可选的涓流充电能力 双电源管用于主电源和备份电源供应 第 18 页 （共 60 页） 系统硬件设计 备份电源管脚可由电池或大容量电容输入 附加的 7 字节暂存存储器 2.4.2 DS1302 的基本组成和应用 1. DS1302 的管脚排列如图 4 所示 图 4 DS1302 管脚图 管脚描述 1) X1 X2 32.768KHz 晶振管脚 2) GND地 3) RST 复位脚 4) I/O 数据输入 / 输出引脚 5) SCLK 串行时钟 6) Vcc1,Vcc2 电源供电管脚 DS1302的引脚排列 , 其中 Vcc1 为后备电源， VCC2为主电源。在主电源关闭的情 况下，也能保持时钟的连续运行。 DS1302由 Vcc1 或 Vcc2 两者中的较大者供电。当 Vcc2 大于 Vcc1＋0.2V 时，Vcc2 给 DS1302供电。当 Vcc2 小于 Vcc1 时，DS1302由 Vcc1 供电。 X1 和 X2 是振荡源，外接 32.768kHz 晶振。 RST是复位/ 片选线，通过把 RST 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。 RST输入有两种功能：首先， RST接通控 制逻辑，允许地址 / 命令序列送入移位寄存器；其次， RST提供终止单字节或多字节 第 19 页 （共 60 页） 节能路灯智能控制系统设计 数据的传送手段。当 RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对 DS1302进 行操作。如果在传送过程中 RST置为低电平，则会终止此次数据传送， I/O 引脚变为 高阻态。上电运行时，在 Vcc≥2.5V 之前， RST必须保持低电平。只有在 SCLK为低 电平时，才能将 RST置为高电平。 I/O 为串行数据输入输出端 ( 双向 ) ，后面有详细说 明。SCLK始终是输入端。 2. DS1302 内部寄存器 CH: 时钟停止位寄存器 2 的第7 位 12/24 小时标志 CH=0 振荡器工作允许 bit7=1,12 小时模式 CH=1 振荡器停止 bit7=0,24 小时模式 WP: 写保护位寄存器 2 的第5 位 :AM/PM 定义 WP=0寄存器数据能够写入 AP=1 下午模式 WP=1寄存器数据不能写入 AP=0 上午模式 TCS: 涓流充电选择 DS: 二极管选择位 TCS=1010使能涓流充电 DS=01 选择一个二极管 TCS=其它 禁止涓流充电 DS=10 选择两个二极管 DS=00 或 11, 即使 TCS=1010, 充电功能也被禁止 3. DS1302的控制字节 表 10 DS1302 字节控制位 DS1302 的控制字如表 1 所示。控制字节的最高有效位 ( 位 7) 必须是逻辑 1，如果 它为 0，则不能把数据写入 DS1302中，位 6 如果为 0，则表示存取日历时钟数据，为 1 表示存取 RAM数据 ; 位 5 至位 1 指示操作单元的地址 ; 最低有效位 ( 位 0) 如为 0 表示 要进行写操作，为 1 表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。 第 20 页 （共 60 页） 系统硬件设计 4. 数据输入输出 (I/O) 在控制指令字输入后的下一个 SCLK时钟的上升沿时，数据被写入 DS1302，数据 输入从低位即位 0 开始。同样，在紧跟 8 位的控制指令字后的下一个 SCLK脉冲的下 降沿读出 DS1302的数据，读出数据时从低位 0 位到高位 7。 5. DS1302的寄存器 DS1302有 12 个寄存器，其中有 7 个寄存器与日历、时钟相关。 此外， DS1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及 与 RAM相关的寄存器等。 时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄 存器内容。 DS1302 与 RAM相关的寄存器分为两类：一类是单个 RAM单元，共 31 个， 每个单元组态为一个 8 位的字节，其命令控制字为 C0H～ FDH，其中奇数为读操作， 偶数为写操作；另一类为突发方式下的 RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的 RAM的 31 个字节，命令控制字为 FEH(写) 、FFH(读 ) 。 2.4.3 DS1302 的工作原理 DS1302 时钟芯片内主要包括移位寄存器、控制逻辑电路、振荡器、实时时钟电 路以及用于高速暂存的 31 字节 RAM。 读/ 写时间或 RAM数据过程：首先将 CE置高， 选通 DS1302，将命令、数据从低位开始送到 6 脚 I/O ，然后给 7 脚 SCLK送脉冲，连 续不断的操作，将数据读出 / 写入，操作结束时将 CE置低。其工作电路如图 5 所示： 图 5 DS1302 的工作电路 2.4.4 DS1302 和单片机的连接图 第 21 页 （共 60 页） 节能路灯智能控制系统设计 DS1302与单片机系统的数据传送依靠 RST，I/O ，SCLK三根端线即可完成。设计 控制端口如下： RST: P1.5 SCLK: P1.1 ，时钟输入 I/O: P1.4, 数据输入 / 输出 2.5 光敏电阻 光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅 和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下， 其阻值迅速减小的特性。 这是由于光照产生的载流子都参与导电， 在外加电场的作用下作漂移运动， 电子奔向 电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。 通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的 照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中 电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一 定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。一般光敏电阻器通常由 光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。光敏电阻器在电路中用字 母“ R”或“ RL”、“RG”表示。 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极 引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两 电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲 化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光 敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免 受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光 子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可 跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子— 空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻 值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴 第 22 页 （共 60 页） 系统硬件设计 对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电 压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大， 从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加 直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目 的多少。 1．基本特性及其主要参数 （1）光电流、亮电阻 光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流， 外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“ 100LX”表示。 （2 ）暗电流、暗电阻 光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗 电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“ 0LX”表示。 （3 ）光照特性 光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的 光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下 降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多 数情况下，该特性为非线 ）灵敏度 灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电 阻值（亮电阻）的相对变化值。 （5 ）光谱响应 光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的 灵 敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线， 就可以得到光谱响应的曲线 ） 伏安特性曲线 伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器 件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。 第 23 页 （共 60 页） 节能路灯智能控制系统设计 （7 ）温度系数 光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏 较高，而在高温下的灵敏度则较低。 （8 ）额定功率 额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率， 当温度升高时， 其消耗的功率就降低。 2.6 继电器的工作原理 1. 继电器（ relay ）的工作原理和特性 当输入量 ( 如电压、电流、温度等 ) 达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断 开的电器。可分为电气量 ( 如电流、电压、频率、功率等 ) 继电器及非电量 ( 如温度、 压力、速度等 ) 继电器两大类。具有动作快、工作稳定、常规使用的寿命长、体积小等优点。 广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。 继电器是一种 电子控制器件，它具有控制管理系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路） ， 通常应用于自动控制电路中， 它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种 “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。 2. 电磁继电器的工作原理和特性 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加 上一定的电压， 线圈中就会流过一定的电流， 从而产生电磁效应， 衔铁就会在电磁力 吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯， 从而带动衔铁的动触点与静触点 （常开 触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返 回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而 达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样 来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点” ；处于接通 状态的静触点称为“常闭触点” 。 3 . 热敏干簧继电器的工作原理和特性 热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。 它由 第 24 页 （共 60 页） 系统硬件设计 感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。热敏干簧 继电器不用线圈励磁， 而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。 恒磁环能否向干簧管提 供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。 4 . 固态继电器（ SSR）的工作原理和特性 固态继电器是一种两个接线端为输入端， 另两个接线端为输出端的四端器件， 中 间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。 固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。 按开关型式可分为常开型和 常闭型。 按隔离型式可分为混合型、 变压器隔离型和光电隔离型， 以光电隔离型为最 多。 5 . 继电器主要产品技术参数 （1）额定工作电压 是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交 流电压，也可以是直流电压。 （2 ）直流电阻 是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。 （3 ）吸合电流 是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略 大于吸合电流， 这样继电器才能稳定地工作。 而对于线圈所加的工作电压， 一般不要 超过额定工作电压的 1.5 倍，否则会产生较大的电流而把线 ）释放电流 是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程 度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。 （5 ）触点切换电压和电流 是指继电器允许加载的电压和电流。 它决定了继电器能控制电压和电流的大小， 使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。 第 25 页 （共 60 页） 节能路灯智能控制系统模块设计 6、继电器测试 （1）测触点电阻 用万能表的电阻档，测量常闭触点与动点电阻，其阻值应为 0，( 用更加精确方 式可测得触点阻值在 100 毫欧以内 ) ；而常开触点与动点的阻值就为无穷大。由此可 以区别出那个是常闭触点，那个是常开触点。 （2 ）测线圈电阻 可用万能表 R×10 Ω档测量继电器线圈的阻值，从而判断该线圈是否存在着开 路现象。 （3 ）测量吸合电压和吸合电流 找来可调稳压电源和电流表，给继电器输入一组电压，且在供电回路中串入电 流表进行监测。 慢慢调高电源电压， 听到继电器吸合声时， 记下该吸合电压和吸合电 流。为求准确，可以试多几次而求平均值。 （4 ）测量释放电压和释放电流 也是像上述那样连接测试，当继电器发生吸合后，再逐渐降低供电电压，当听 到继电器再次发生释放声音时， 记下此时的电压和电流， 亦可尝试多几次而取得平均 的释放电压和释放电流。一般情况下，继电器的释放电压约在吸合电压的 10～50 ％， 如果释放电压太小 （小于1/10 的吸合电压），则不能正常使用了， 这样会对电路的稳 定性造成威胁，工作不可靠。 （5 ）继电器的电符号和触点形式 继电器线圈在电路中用一个长方框符号表示，如果继电器有两个线圈，就画两 个并列的长方框。 同时在长方框内或长方框旁标上继电器的文字符号 “J ”。继电器的 触点有两种表示方法： 一种是把它们直接画在长方框一侧， 这种表示法较为直观。 另 一种是按照电路连接的需要， 把各个触点分别画到各自的控制电路中， 通常在同一继 电器的触点与线圈旁分别标注上相同的文字符号，并将触点组编上号码，以示区别。 继电器的触点有三种基本形式： 动合型（ H 型）：线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。以 第 26 页 （共 60 页） 系统硬件设计 合字的拼音字头“ H”表示。 动断型（ D 型）：线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。用断 字的拼音字头“ D”表示。 转换型（ Z 型）：这是触点组型。这种触点组共有三个触点，即中间是动触点， 上下各一个静触点。 线圈不通电时， 动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合， 线 圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状态，达到转换 的目的。这样的触点组称为转换触点。用“转”字的拼音字头“ z ”表示。 6. 继电器的作用 继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控 制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。 继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压 力、速度、光等）的感应机构（输入部分） ；有能对被控电路实现“通”、“断”控 制的执行机构（输出部分） ；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进 行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分） 。 作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用： （1）扩大控制范围。例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点 组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。 （2 ）放大。例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以 控制很大功率的电路。 （3 ）综合信号。例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过 比较综合，达到预定的控制效果。 （4 ）控、监测。例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制 线路，从而实现自动化运行。 2.7 系统的各模块硬件设计 2.7.1 时钟部分 本系统的时钟电路是由时钟芯片 DS1302来实现的，电路图如图 6 所示。 第 27 页 （共 60 页） 节能路灯智能控制管理系统设计 图 6 时钟电路 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。 2.7.2 光检测部分 本系统对坏境光线。通过一个光敏电阻与一个电阻分压来控制 NPN型三极管是否导通。 当有光时，光敏电阻 R 的阻值很小， 变阻器分到一部分电压， 从而使三极管 B极和 E极间的电压大于 0.7V 而导通，GM检测点是低电平； 当无光时， 光敏电阻的阻值变的很大， 比变阻器的阻值大很多倍， 变阻器上分到的几乎可以忽略， 三极管 B极和 E极间的电压小于 0.7V 而截至。此时检测点 GM的电压为高电平。 变阻 器调节阻值的大小从而可以调节感光的灵敏度。 第 28 页 （共 60 页） 系统硬件设计 图 7 光敏电阻检测环境电路 2.7.3 继电器控制部分 本系统的亮灯控制电路则是由微处理器直接控制继电器来实现的，每一个灯都 配备了一个继电器作为控制。 微处理器可以分别控制每一个灯的亮灭， 方便好用， 线 路简单， 操作控制方便。 电路如图 8 所示。单片机通过对 PNP型三极管 B极和 E极间 的电压的控制来三极管是否导通， 从而控制了继电器。 因为继电器在动作时会产生高 电压脉冲干扰信号。 为了消除这种影响， 在继电器线圈的的两端并联一个蓄流二极管 1N4148，二极管的正极接在线圈的负极， 二极管的负极接在线圈的正极， 当继电器失 电时电流从线圈的负极流向二极管的正极， 然后再从正极流到二极管的负极， 之后再 次流到线圈的正极， 这样使线圈上存储的能量最终消耗在线圈的内部， 达到保护其它 部分电路的目的。 第 29 页 （共 60 页） 节能路灯智能控制系统设计 图 8 继电器控制电路 2.7.4 显示部分 本系统的显示模块则是用的诺基亚 5110 液晶显示器，价格低廉，显示分辨率高。 这是一块低功耗的 CMOS LCD 控制驱动器，设计为驱动为 48 行 84 列的图形显示。 所有必须的显示功能集成在一块芯片上，包括 LCD 电压及偏置电压发生器，只须很 少外部元件且功耗小。与微控制器的接口使用串行总线 页） 系统硬件设计 图 9 显示电路 2.7.5 LED 灯具电源 图 10 LED 灯具电源 由于 LED灯泡的导电电压约为 1.7V ，导通电流大约为 20mA。所以计算可得 20V-5*1.7 20mA= R R大约为 575V 第 31 页 （共 60 页） 系统软件设计 3 系统软件设计 3 ．1 VB 与串口通信 3.1.1 RS232 协议 RS232C标准是美国 EIA( 电子工业联合会 ) 与 BELL等公司一起开发的 1969年公 布的通信协议。它适合于数据传输速率在 0~20000b/s 范围内的通信。这个标准对串 行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备 厂商都生产与 RS232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机 通信接口中广泛采用。 RS232C标准 ( 协议 ) 的全称是 EIA-RS232C标准，其中 EIA 代表 美国电子工业协会， RS(Recommendedtandard) 代表推荐标准， 232 是标识号， C代表 RS232 的最新一次修改 (1969) ，在这之前，有 RS232B、RS232A。RS232采取不平衡 传输方式，即所谓单端通讯。 RS232C总线 条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数况 下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送 线、一条接收线-C 标准规定的数据传输速率为每秒 50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200 波特。 RS232C标准规定了 一个 25 个脚的 DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信 号的电平加以规定。 DB25的串口一般用到的管脚只有 2(RXD)、3(TXD)、7(GND)这三 个，随着设备的不断改进，现在 DB25针很少看到了，代替他的是 DB9 的接口， DB9 所用到的管脚比 DB25有所变化，是 2(RXD)、3(TXD)、5(GND)这三个。因此现在都把 RS232 接口叫做 DB9。在后面的叙述中，所有的 RS232 接口指的都是 DB9。典型的 RS232 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在 +5~+15V，负电平在 -5~-15V 电平。当无数据传输时，线上为 TTL，从开始传送数据 到结束，线上电平从 TTL 电平到 RS232电平再返回 TTL 电平。 接收器的典型的工作电平在 +3~+12V 与-3~-12V 。RS232-C标准规定，驱动器允许有 2500PF 的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用 150PF/m 的通信电缆 时，最大通信距离为 15m;若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离 短的另一原因是 RS232属单端信号传送，发送电平与接收电平的差仅为 2V 至 3V 左 右，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于 20m 以内的通信。同 第 32 页 （共 60 页） 系统软件设计 时 RS232 是为点对点 ( 即只用一对收、发设备 ) 通讯而设计的，其驱动器负载为 3~7K。所以 RS232适合本地设备之间的通信。 DB9的结构及各引脚定义如图 11 所示。在连接 2 个 RS232C的 9 针接口时，只要 保证 A 接口的 RXD和 B接口的 TXD相连， A 接口的 TXD和 B接口的 RXD相连以及 A、B 接口的 GND相连，就可以进行 RS232C串口通信了。所以常用的引脚只有 2 脚 RXD、3 脚 TXD和 5 脚 GND。 EIA-RS232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定： 图 11 9 针接口图 在 TXD 和 RXD上：逻辑 1(MARK)=-3V～-15V ，逻辑 0(SPACE)=+3～＋ 15V；在 RTS、CTS、DSR、DTR和 DCD等控制线上：信号有效 （接通，ON状态，正电压）＝+3V～ +15V，信号无效（断开， OFF状态，负电压 )=-3V ～-15V 。 EIA-RS232C与 TTL 转换： EIA-RS232C是用正负电压来表示逻辑状态，与 TTL 以 高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的 TTL 器 件连接，必须在 EIA-RS232C与 TTL 电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种 变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转 换器件，如 MC1488、SN75150芯片可完成 TTL 电平到 EIA 电平的转换，而 MC1489、 SN75154可实现 EIA 电平到 TTL 电平的转换。 MAX232芯片可完成 TTL←→ EIA 双向电 平转换。电路如图 12 所示： 第 33 页 （共 60 页） 节能路灯智能控制系统设计 图 12 串口通信 3.1.2 串口通信 串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议 ( 不要与通用串行总线 Universal Serial Bus或者 USB混淆 ) 。大多数计算机包含两个基于 RS232的串口。串口同时也 是仪器仪表设备通用的通信协议；很多 GPIB兼容的设备也带有 RS232口。同时，串 口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。 串口通信的概念非常简单，串口按位 (bit) 发送和接收字节。尽管比按字节 (byte) 的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收 数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如 IEEE488 定义并行通行状态时，规 定设备线 米，并且任意两个设备间的长度不的超过 2 米；而对于串 口而言，长度可达 1200 米。 典型地，串口用于 ASCII 码字符的传输。通信使用 3 根线) 地线) 接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一 根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波 特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配 : 1. 波特率 第 34 页 （共 60 页） 系统软件设计 这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的 bit 的个数。例如 300波特 表示每秒钟发送 300 个 bit 。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率例如如果协 议需要 4800 波特率，那么时钟是 4800Hz。这意味着串口通信在数据线Hz。通常电线。波特率可以远远大于这些 值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典 型的例子就是 GPIB设备的通信。 2. 数据位 这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不 会是 8 位的，标准的值是 5、7 和 8 位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标 准的 ASCII 码是 0～127(7 位) 。扩展的 ASCII 码是 0～255(8 位) 。如果数据使用简单 的文本 ( 标准 ASCII 码 ) ，那么每个数据包使用 7 位数据。每个包是指一个字节，包 括开始 / 停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术 语 “包”指任何通信的情况。 3. 停止位 用于表示单个包的最后一位。典型的值为 1，1.5 和 2 位。由于数据是在传输线 上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小 小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步 的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输 率同时也越慢。 4. 奇偶校验位 在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式 : 偶、奇、高和低。当然没 有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位 ( 数据位后面的一 位) ，用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是 011，那 么对于偶校验， 校验位为 0，保证逻辑高的位数是偶数个。 如果是奇校验， 校验位位 1， 这样就有 3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低 校验。这样使的接收设备能够知道一个位的状态， 有机会判断是否有噪声干扰了通信 第 35 页 （共 60 页） 节能路灯智能控制系统设计 或者是否传输和接收数据是否不同步。 3.1.3 VB 与串口通信部分 VB 与串口通信部分的过程：首先按（用 VB编的）窗口界面上开启或关闭的按钮 发送命令， 通过串口通信， 单片机执行对路灯开启或关闭的命令， 进而达到远程控制 路灯的作用。同时单片机把所采集的路灯状态信号通过串口通信在上位机上显示出 来。主程序流程图如图 13 所示： 上位机 N 判 断 路 灯 是否开启 向单片机发送关闭路灯命令 向单片机发送闭合路灯命令 单片机接收关闭路灯命令 单片机接收闭合路灯命令 继电器断开路灯关闭 继电器断开路灯开启 图 13 VB 与串口通信流程图 第 36 页 （共 60 页） 系统软件设计 3 ．2 节能路灯系统主流程图 本设计以 89C51为中心来控制其他模块功能的实现，主流程图如图 14： 开始 系统初始化，进入主页面

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