论文总字数：18690字

摘 要

近年来，社会经济因科技快速发展，迫切地需要更为节能的资源作为经济发展的保障。而公共照明在城市耗能上占比率不可忽视，每年我国在路灯照明上所消耗的电能资源极其巨大，所以在照明这方面方面需要投入研究。目前我国已经主要采用LED（Light Emitting Diode）路灯进行照明，但在节能控制上还存在耗能的问题。

从节能控制和性价比的角度出发，本文提出了以AT89C52单片机为主控制器的LED节能路灯系统方案来实现模拟路灯的节能控制。本系统设计主要由硬件系统设计和软件系统调试组成，其中硬件系统设计包括单片机最小系统，时钟模块，电路控制模块，LCD显示模块，键盘控制模块，按键提示音模块，传感器模块等。软件系统调试主要根据硬件系统，采用系统结构模块化的方法，分析各个模块的作用，绘制出整体流程图，编写出相应的程序。使得路灯能根据外界环境，交通因素等因素，自动调节路灯亮灭，实现智能控制。

关键词： LED路灯 节能 AT89C52单片机 模拟控制

Design of Street LED Lamps Energy-saving Control Facility

Abstract

For years, boom of society owing to the rapid of technological and scientific progress, it is urgently to need more energy-saving resources as a guarantee to support economic development. The rate of consumption of lighting in the city cannot be ignored. Every year, the energy consumption of the electric energy consumed by the street lamps in our country is enormous. Thereby we must be dedicated to investment research in this part. At present, though our country has already mainly used street LED lamps for lighting, there is also some problem of energy consumption in the energy-saving control.

From both of the perspective of energy-saving control and cost performance, the paper proposes a kind of street LED lamps energy-saving system based on AT89C52 single-chip as the main controller to realize the energy-saving simulation control of street lamps. The design of system mainly is made of hardware designing and software debug, the hardware system design includes MCU minimum system, clock module, the circuit control module, LCD display module, keyboard control module, key tone module, sensor module. And the software system mainly according to hardware system use structure method to analysis the function of each module, to draw the whole process graph and to write out the corresponding program. To achieve street lamps can automatically adjust according to external environment and traffic factor, and realize intelligent control.

Key Words：street LED lamps；energy saving；AT89C52 single-chip；simulation control

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题简介 1

1.2 研究背景及发展现状 1

1.3 研究目的及意义 3

第二章 系统总体设计 4

2.1 设计思路 4

2.2 系统框架 4

2.3 控制功能实现要求 5

2.4 方案论证与确认 6

2.4.1 控制器的选取 6

2.4.2 时钟模块的选择 6

2.4.3 传感器的选取 7

2.4.4 液晶模块的选取 7

2.4.5 按键模块的选取 7

2.4 本章小结 8

第三章 系统硬件设计 9

3.1 硬件设计概述 9

3.2 关键单元电路的设计 9

3.2.1 控制核心AT89C52电路设计 9

3.2.2 DS1302电路的设计 11

3.2.3 液晶电路的设计 12

3.3.4 模数转换电路设计 13

3.3.5 按键键盘的设计 15

3.3 本章小结 16

4.1 软件流程设计 17

4.2 各模块程序设计 18

4.2.1 时钟子程序 18

4.2.2 液晶显示子程序 19

4.2.3 调时子程序 20

4.2.4 按键扫描子程序 22

4.2.5 A/D转换子程序 24

4.2.6 行车亮灯子程序 27

4.3 本章小结 27

第五章 软硬件仿真实现 28

5.1 仿真实现 28

5.2 本章小结 30

结语 31

致谢 32

附录 35

第一章 绪论

1.1 课题简介

能源是作为社会和经济发展的最重要的支柱。目前，我国绝大部分城市的照明管理控制仍然采用的是时钟控制的传统控制模式，这种控制模式，道路上路灯的亮灭仅仅是通过简单的时间控制，不能起到很好的照明节能需求，导致城市路灯用电量分布的极不均衡。虽然少部分城市采用了“隔一亮一”等节能控制模式，可以进一步在路灯节能控制上得到改进，但是路灯之间的光照分不均，又造成了用电的不合理。本课题采用的是基于AT89C52微处理器控制的LED路灯节能控制装置设计，同时添加合理的外围电路，能够克服市场上LED路灯不能随着季节、昼夜时间变化。同时选取在照明领域中功率因数优质的节能LED灯，使得路灯照明符合当前社会发展绿色照明、微型环保的节能思想。

LED路灯节能控制装置是一种绿色节能照明的控制的智能化系统装置，该装置设计部分涉及了软件设计和硬件设计，其目的是致力于寻找出极具性价比而不损失照明要求的节能控制系统。

1.2 研究背景及发展现状

目前，各个国家的城镇道路上的公共照明装置和设施质量随着当前社会经济的发展和用户需求在不断地优化和改善。这也就说明了，路灯照明不仅仅只是追求能够照明的简单功能，而是追求更高效的照明，表现在节能、环保上，即绿色照明。特别要提出的是社会经济仍不断发展，巨大能耗的问题已经极其突出。而路灯在公共照明方面上消耗的资源，使得人们进一步去研究该领域。

据调查显示，我国路灯公共照明装置绝大多数都是采用时钟控制的。一般都是根据人们的作息时间进行节能控制，表现为：设置好时间段，根据交通情况，进行开关灯。而实际上，在深夜或凌晨的时候，道路交通人烟稀少，而小规模的城市更是会出现空无一人的状况，这时路灯的亮灯还有的从当日夜里维持到次日早晨，才开始熄灯。在道路不紧张的情况下，有的路灯照度还比较小，浪费的电能资源还较小；而大城市因交通量大的情况，设计的灯具照度较高，这样亮灯控制除了给人们造成不便之外，更是造成能源的巨大浪费。有资料显示，当前公共照明在我国电力仍然紧张的状态下，其照明耗电仍然占据30%的比例城市用电量，以中小型城市为例，耗电约439亿千瓦时，以平均电价0.65元/度计算，一年开支达到285亿元。不仅仅是电力资源造成了极大的浪费，而且我国主要采用的是气体放电灯为主的路灯由于长时间亮灯，进一步缩短了灯具的使用寿命，以时钟控制的路灯系统仍然是我国主要的路灯节能控制模式的弊端极为突出。

LED产业自20世纪末得到迅猛发展，归功于各国在LED照明方面的投入研究。欧美、日本都把LED作为今后很长一段时间的主要照明技术。根据LED当前的发展技术实施相对应的节能照明计划和政策，都想要抓住照明节能的最新技术。与普通的高压气体发电灯相比，一方面，由于LED灯属于一种固态照明，光源比普通气体灯要很多，性能相对稳定，主要体现在电源驱动上。另一方面，LED使用寿命极大地延长，节省了必要的换灯具费用。21世纪初始，在发达国家中，以美国、欧盟、日本、韩国等首先开始将LED灯具工具大规模应用于公共照明，同时在推广LED的同时，开始禁止气体放电灯，逐年改造白炽灯的照明设备，其它欧洲国家也紧跟其后，陆续在2010~2012年开始效仿 。

上世纪末世界能源消耗问题就已经突显，各国在公共照明的能耗问题都十分严重。为了应对路灯照明在电能使用上的浪费，欧盟、美国、日本、韩国等发达国家都推出了自己的节能计划。美国自2016年2月就宣布加速早已制定的“总统户外照明”计划，预计2020年实现全国户外路灯灯具改造为LED灯具，仅以西海岸洛杉矶为例，全州经过改造后的15万盏LED路灯，全年可以节省约800万美元。日本也在其2016~2020年第五期科技基本计划，将继续在LED（发光二极管）领域发力，投入大量的资源，打造“超智能社会”。德国制定了“智慧路灯”计划，智能移动设备即可控制交通路灯。

我国也在本世纪初，国家制定了一系列相关的计划并且提出要求更好地在LED节能照明，主要在以下两个方面继续发力：

(1)规范和管理照明材料， 并继续出台相关的政策和计划，推动LED绿色照明的普及率，提高照明质量。

(2)投入资源优化灯具的功率器件，提升电源驱动的镇流器装置技术，改善照明设备的功率因数。

目前，发达国家和部分发展中国家的照明设备能够在使得LED照明设备在正常工作时稳定其电流，已经在节能方面提升到一定的效果。而且根据现有的路况，照明已经能满足多数人的身心健康，带来巨大的便利。由于现在通信能力的大幅度提升，建立各个不同的路灯网络的要求已经日臻成熟，根据城镇的不同需求，实现无线通信也成为主流。同时继续发展更优质的传感器技术，将路灯的不同网络组建为大型的智能路灯控制网，并利用高效的传感器技术，在追求节能控制的基础上，真正实现有益身心、健康的绿色照明。

1.3 研究目的及意义

现象表明，我国绝大部分城市特别是中小城市路灯节能控制自动化水平还不是很高，控制的装置和设施也不尽完善。其装置基本不能随着季节、天气、昼夜变化时及时改变开关的状态，从而不能充分利用路灯的用电资源，给广大城市路灯照明带来相应的不便和困扰。社会经济的高速增长，路灯的数量也将会急剧增长，对于提高节能控制的要求也越来越急迫。本设计内容的单片机LED路灯节能控制装置可以是解决相应的难题的一种可靠方案。

一方面，引入单片机作为LED路灯节能控制装置的核心控制部分，能够实现各个单元路灯的时钟控制，而且能根据外界环境明暗的改变，自动改变路灯的开关状态。且加入相应的时钟计时芯片能够对时间控制达到相对精确的控制，且在掉电的同时，不需要另外重置和设置时间。同时，路灯的开关的具体状态可以通过液晶显示模块将其显示出来，这样直观明了路灯的状态，解决了以前人力控制的不足与不便。

另一方面，我国可持续发展的经济模式下，人们自发提倡环保节能的同时，还需要对照明要求进行改善，即满足照明要求，还要防止光污染。使用单片机控制的LED路灯节能装置，通过光明电阻的自适应调节，增添行人检测模块，按照其外界光线的明暗变化以及多路旋转开关，智能调节路灯的开关状态，节省了照明使用的电力资源，是符合当前国家绿色环保照明的要求，同时也能够为国家电力电网资源减轻一部分压力。

第二章 系统总体设计

2.1 设计思路

在进行设计之前，需要整理好设计思路，参考当前主流硬件和软件等因素，另外还需要考虑到仿真的便利性和可行性，大致绘制出设计的模块结构如图2-1，这样在设计过程中就不会出现遗漏某个模块。而且在设计的过程中，思维清晰，按照设计功能，可以根据不同模块进行设计，添加不同的功能，分工十分明确。要体现路灯的节能控制，就要选取一个合适的微控制器，然后根据控制器的性能，看是否需要添加其他的设计电路。整个LED路灯控制装置因设计需要，路灯能够随着外界光线的强度进行调节，所以整个控制过程，必须要加入光电检测的模块。再依据实际道路控制要求，可以加入行人检测模块。微处理器采集到这些信号之后，进行分析和处理这些数据，最终传输到外围路灯控制的电路上。路灯工作工程简而言之就是微控制器结合各个检测单元，通过这些各主要单元模块检测的信息，微控制器将这些信息处理后，实现各单元的控制。

图2-1 路灯设计思路框图

2.2 系统框架

路灯的设计思路确立好之后，就可以分析整个设计的系统框架，具体到整个装置设计中需要哪些装置。将设计思路具体化，以LED路灯控制器为主控制对象，辅助合适的其他电路设计，实现能够根据外界光线的明暗和行人检测，自动而协调地进行控制路灯的亮灭的功能。

图2-2系统结构图

将设计思路细化后如图2-2所示，本系统包含了单片机必要的最小系统及控制单元，在微处理控制器的基础上，增加了必要的复位电路模块，按键键盘模块，时钟显示和调节模块，D/A数模转换模块，电源驱动模块，LCD1602液晶显示，光照传感器模块等。

2.3 控制功能实现要求

针对目前市场上大多数LED路灯节能控制装置在节能上只使用时间控制来进行节能控制的单一功能，本文提出了相应的解决方法，克服了LED路灯亮灭时间固定不变，不能随着昼夜环境变化而自动调节等缺点。同时添加了模拟红外检测功能，判断行人是否经过，自动调整路灯亮灭状态。

所设计的LED路灯节能控制装置要实现的主要功能分解为以下五个部分：

1. 具有时钟显示模块，且时钟可调。
2. 根据季节，昼夜环境明暗的变化，自动调节亮灭。
3. 为符合国家提出的绿色照明思想，采用功率因数较好的，能保证电流稳定的LED照明器件，并利用现有的电源驱动LED路灯。
4. 整个控制装置具有复位功能，方便检修。
5. 在特定时间内，能判别交通情况，智能调节亮灯的状态。

以上功能的实现，单片机作为控制装置的核心，添加部分相应的外围电路，利用所选取的单片机能够实现的运算和逻辑功能，使得上述功能能够圆满实现。下面就根据上述要实现的五个部分，使用结构模块化的思想进行设计。

2.4 方案论证与确认

2.4.1 控制器的选取

方案一：选择AT89C52单片机，单片机内置的存储器与传统存储器烧写不同处在于内置的ROM而且还是可反复擦写的Flash。可以编写复杂程序，性价比高，较长使用；但功能单一，使用中需要添加外围电路的额外设计和成本。

方案二：选择ARM S3C2440微处理器，这种微处理器作为控制器使用时，自身还有更好的液晶显示，A/D数模转换，PWM脉冲宽度调制等功能，减少了外围电路设计，编写程序与单片机相比更加灵活，可靠，但其价格高昂，编程调试相对复杂。

因为AT89C52单片机的性能能够满足所需，而且单片机和嵌入式微处理器的价格相差很大，尽管微处理器有许多单片机没有的功能，但是单片机能提供给用户很多自由设置的外围接口，故本设计使用单片机。

2.4.2 时钟模块的选择

方案一：采用AT89C52内置时钟，可以直接通过单片机定时器的中断和定时，实现时钟的功能，但不具有闰年补偿等功能，且内置的定时器与单片机的晶振有关，长时间的计时，产生的误差偏高。

方案二 采用DS1302时钟，此芯片具有体积小，引脚少，带有闰年补偿功能等特点；但需要外围电路单独供电，消耗IO口资源。它可以给用户提供对具体到时间的各个部分计时功能，同时自身带有闰年补偿，只需提供2.2~5.5V的电压即可。采用三线接口和微处理器进行串口同步通信，与DS1202相兼容，能够为许多时钟计时提供低廉且灵活的方案。

根据实际要求，路灯需要计时的时间很广，时钟电路可调范围较大，且能够保持在系统断电的情况下，时间不能复位，正好串行的时钟芯片可以提供这项功能，而单片机内置的时钟定时，当断电后，需要重新设置当前时间，不能满足要求，所以选择方案二较为合理。

2.4.3 传感器的选取

方案一：使用PIR（被动红外）传感器，适用范围广，且价格低廉。红外传感器可以将光能量信号转化为其它各种不同形式的能量，转化相对灵活可靠，但是由于信号因为很容易受到外界光源的干扰，所以精度要求很难得到保障。

方案二：使用工业上的光电传感器，精度高，输出开关量，信号转化相比红外要复杂且需要增加不同的光电元件，不管之间能量信号为何种方式，最终的能量信号必须转为电信号，价格极其昂贵。

考虑到控制路灯所需要的成本要低廉，若采用光电传感器，需要处理大量的光电信号，这些信号的转化，需要增加不同的转换器，设计成本太高，而且路灯检测的精度要求不是太高，普通红外传感器就可以满足。本设计采用红外传感器，后面的仿真运行，考虑到I/O口输出的占用，将仿真LDR替换为旋转开关。

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