基于單片機的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計

1、 本科生畢業(yè)論文(設(shè)計) 題 目 室內(nèi)智能照明控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計 學生姓名 李 天 順 學 號 1 專業(yè)班級 建筑電氣與智能化10101班 指導(dǎo)老師 曾 進 輝 2013年11月 基于單片機的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，基于單片機的控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電力、電子、智能樓宇等行業(yè)，微型計算機作為嵌入式控制系統(tǒng)的主體與核心，代替了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的常規(guī)電子線路。樓宇智能化的發(fā)展與成熟，也為基于單片機的照明控制系統(tǒng)的普及與應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。本文介紹了基于單片機AT89C51的室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)及其原理，提出了有效的節(jié)能控制方法。該系統(tǒng)采用了當今比較成熟的傳感技術(shù)和

2、計算機控制技術(shù)，利用多參數(shù)來實現(xiàn)對學校教室室內(nèi)照明的控制。系統(tǒng)設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。該照明控制系統(tǒng)的主控制器、分控制器分別是以AT89C51和AT89C2051單片機為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了通信、信號采集、控制與顯示等功能。使用光電子鎮(zhèn)流器，使光源具備自動調(diào)節(jié)功能。文中詳細地描述了控制電路的設(shè)計過程，包括：光信號取樣電路、人體信號采集電路、鍵盤與LED顯示電路、RS485通信電路、照明燈控制電路、看門狗電路以及信號處理電路等。對于軟件設(shè)計主要有主控制器、分控制器的有線通信程序設(shè)計以及燈光控制、定時控制、鍵盤掃描與LED顯示等程序設(shè)計。工作時,光信號取樣電路采集光照強弱、人體信號采集電路采集室

3、內(nèi)是否有人、是否為工作時間等信息并將信號送到單片機,單片機根據(jù)這些信息通過控制電路對照明設(shè)備進行開關(guān)操作,從而實現(xiàn)照明控制,以達到節(jié)能的目的。關(guān)鍵詞：智能控制，主控制器，分控制器，單片機，定時控制The Control System for Intelligent Lighting Based on Singlechip MicrocomputerAuthor: Li GuozhongTutor: Sun ManAbstractWith the rapid development of electronic technology, the system of control based on

4、Single-chip Microcomputer is widely applied in industry, agriculture, electric power, electron, intelligent building and so on. Microcomputer, as the subject and core of the embedded system of control, replaces the traditional systemelectronic circuit. At the same time, the development and maturatio

5、n of the intelligent building have established the substantial foundation for the popularization and application of the control system for lighting based on single-chip microcomputer。In this paper,the Indoor Lighting Control System Based on AT89C51 and its principle are introduced. Some effective an

6、d energy saving control strategys of lighting system are brought forward. The current system uses a relatively mature sensor technology and computer control technology ，using multi-parameter to achieve the school classroom indoor lighting control. The system includes hardware and software design in

7、two parts. The host controller of the control system for lighting is based on AT89C51 single-chip microcomputer, and the auxiliary ones are based on AT89c2051. The system can do many jobs, such as wired communication, Signal Acquisition,wireless data transmitting, controlling and display.Use of elec

8、tonic ballasts;thelight sourcewith automatic adjustment function .The paper describes the designing process of the circuit at length, including: Optical signalsampling circuit, the bodysignal acquisitioncircuit, keyboard and LED display circuit, RS485 communication circuit, wireless transmitting cir

9、cuit, control circuit of lighting, watchdog circuit, etc. The designing of software mainly includes the several programming, such as wired communication, lamplight controlling, timed controlling, keyboard scanning ,LED displaying and signalprocessing circuit. The wired communication programming func

10、tion is that through Master-slave communication method based on RS485 the host controller sends orders to the all auxiliary controllers or each one, including: turning on lighting, turning off lighting, regulating brightness of lighting, controlling timed lighting, etc. Work,the optical signal sampl

11、ing circuit collecting lighting intensity,indoor collecting of human signal acquisition circuit if anyone,whether for work time and other information and signal to the microcontroller,MCUcontrol circuiti based on these information through the switching operation of lighting equipment in order to ach

12、ieve lightingcontrols to sava energy.Key Words: Intelligent control，Host controller, Auxiliary controller, Single-chip microcomputer, Timed controlling目 錄1 緒論11.1 課題研究背景11.2 智能照明控制系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀11.2.1 智能控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀11.2.2 國內(nèi)外智能照明發(fā)展概況11.2.3 智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)點21.2.4 智能照明控制系統(tǒng)的組成21.2.5 現(xiàn)有智能照明控制系統(tǒng)的分析21.3 系統(tǒng)設(shè)計31.3.1 系統(tǒng)設(shè)計

13、要點31.3.2 系統(tǒng)設(shè)計思路32 硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)72.1 系統(tǒng)硬件總述72.2 CPU性能介紹72.3 主控制器電路設(shè)計72.3.1 鍵盤的接口設(shè)計82.3.2 LED數(shù)碼顯示的接口設(shè)計92.3.3 看門狗監(jiān)控電路的設(shè)計92.4 分控制器的電路設(shè)計92.5 RS485通信電路的設(shè)計102.6 光信號取樣電路122.6.1 Microwire串行總線性能介紹132.6.2 TLC1549的接口設(shè)計142.6.3 TCL1549的數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計152.7 人體信號采集電路162.7.1 人體紅外探頭162.7.2 信號處理電路192.7.3 比較電路202.8 DS12887時鐘芯片接口電

14、路設(shè)計212.8.1 DS12887的原理及管腳說明222.8.2 地址分配表及時間、日歷和鬧鐘的數(shù)據(jù)格式232.8.3 DS12887狀態(tài)控制寄存器232.8.4 DS12887初始化程序252.9 輸出驅(qū)動電路設(shè)計272.10 延時時間選擇電路282.11 零點檢測與可控硅控制電路的設(shè)計292.12 數(shù)字可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器303 系統(tǒng)軟件設(shè)計及實現(xiàn)313.1 人機交互程序設(shè)計323.1.1 鍵盤掃描程序設(shè)計323.1.2 LED數(shù)碼顯示程序設(shè)計333.2 照明啟?？刂瞥绦蛟O(shè)計343.2.1 全部啟?？刂瞥绦蛟O(shè)計353.2.2 單獨啟?？刂瞥绦蛟O(shè)計373.3 照明控制程序設(shè)計393.3.1 全

15、部定時控制程序設(shè)計403.3.2 單獨定時控制程序設(shè)計413.4 RS485通信程序設(shè)計423.4.1 主機部分通信程序設(shè)計443.4.2 從機部分通信程序設(shè)計454 系統(tǒng)可靠性設(shè)計484.1 干擾產(chǎn)生的后果484.2 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計494.3 軟件抗干擾技術(shù)524.3.1 數(shù)據(jù)采集誤差的軟件對策524.3.2 程序運行失控的軟件對策52總 結(jié)54致 謝55參考文獻56附 錄571 緒論1.1 課題研究背景隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和社會進步，教育在全社會愈加被關(guān)注和重視，校園規(guī)模也隨著受教育者的數(shù)量增加而不斷擴大。但由于學校開放型的管理模式，高校的教室在白天室內(nèi)照度很高的情況下，

16、仍然普遍存在開燈作業(yè)；即使室內(nèi)無人或人數(shù)很少的情況下，也是全部開啟室內(nèi)照明，絕不會有師生因為只有少數(shù)人而僅開幾盞燈。長明燈比比皆是，人走不熄燈的現(xiàn)象到處存在。這種有形和無形的浪費，給校方的水電支出帶來了沉重的負擔。學校的水電支出約占全校經(jīng)費支出的1415，電費支出占據(jù)較重比例。能源短缺是21世紀國際面臨的新課題。在尋找新的能源之外，節(jié)約能源，提高效益也就成為了我們研究的課題。所以學校如何來節(jié)省電力能源也成為了一個迫切需要解決的問題。從節(jié)約資源、對社會貢獻、節(jié)省高校經(jīng)費支出和學生的健康等多方面考慮，高校教室照明的節(jié)電問題不得不提到重要的議事日程上來。目前常用的節(jié)電方式為手工控制，聲控型，太陽能燈

17、等。手工方式操作起來不靈活，費時費力。聲控型往往判斷不準確，不需要的時候也也會經(jīng)常亮。太陽能設(shè)備投資比較大，且容易受光照強度的影響。因此市場上迫切需要一種操作方便、價格低廉、便于大面積推廣的新型節(jié)能方案。1.2 智能照明控制系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀1.2.1 智能控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀智能控制技術(shù)發(fā)展方向主要有基于人工智能技術(shù)的智能控制方向、智能控制的模糊控制方向和智能控制的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方向，在智能控制的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方向上，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯有機結(jié)合的神經(jīng)模糊技術(shù)，已成為近年來的一個熱門課題。1.2.2 國內(nèi)外智能照明發(fā)展概況“智能建筑”是綜合計算機、信息通信等方面最先進的技術(shù)，使建筑物內(nèi)

18、的電力、空調(diào)、照明、防災(zāi)、防盜、運輸設(shè)備等，實現(xiàn)建筑物綜合管理自動化、遠程通信和辦公自動化的有效運作，并使這三種功能結(jié)合起來的建筑。人工智能技術(shù)在建筑與照明中的應(yīng)用趨勢不斷擴大。正如英國的Glasgow市報指出：“Glasgow正在成為一個研究和發(fā)展太空時代智能建筑的國際組織的神經(jīng)中樞。在智能建筑中的智能照明、供熱、空調(diào)、通訊及辦公設(shè)備將全部由電子計算機進行控制與管理?！泵鎸@一發(fā)展趨勢，開發(fā)了不少智能照明設(shè)計，如智能燈具、智能照明控制與管理系統(tǒng)，包括在照明方面的計算機硬件和軟件。此外計算機在照明設(shè)計和測試方面也得到廣泛應(yīng)用。澳大利亞邦奇開發(fā)的Dynalie智能照明控制系統(tǒng)，美國的智能照明建筑

19、，特別是現(xiàn)代化辦公室的智能照明技術(shù)等都值得我們研究與借鑒。1.2.3 智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)點智能照明控制系統(tǒng)是指用計算機技術(shù)并輔助以其它手段，對電力照明實行自動控制，提供合適照明光環(huán)境的同時降低照明系統(tǒng)電能消耗和其它使用費用。智能照明控制系統(tǒng)于手動照明控制系統(tǒng)相比有很多優(yōu)點，包括創(chuàng)造環(huán)境氣氛，改善工作環(huán)境、提高工作效率，良好的節(jié)能效果，延長光源壽命，管理維護方便等。1.2.4 智能照明控制系統(tǒng)的組成智能照明控制系統(tǒng)主要由輸入裝置、處理器和執(zhí)行器三個部分組成。輸入裝置可以不斷檢測周圍環(huán)境的照度水平，可以探測到某個區(qū)域是否有人移動，以及輸入人們的控制指令，并把相應(yīng)的信號傳送給處理器。輸入裝置包括傳

20、感器、定時裝置和控制面板或遙控器。處理器接受輸入裝置的信號，經(jīng)過信息處理、判斷、分析，輸出控制信號。執(zhí)行器與燈具直接連接，控制燈光回路的閉合或斷開和調(diào)節(jié)燈光到相應(yīng)的水平，包括手動開關(guān)。1.2.5 現(xiàn)有智能照明控制系統(tǒng)的分析澳大利亞邦奇開發(fā)的Dynalite分布式智能照明控制系統(tǒng)的特點是模塊化結(jié)構(gòu)和分布式控制，各功能模塊之間通過網(wǎng)絡(luò)總線直接相互通信，當系統(tǒng)中某個模塊出現(xiàn)故障時不會影響其它模塊，可靠性高。美國LC&D智能照明控制系統(tǒng)是一套由計算機微處理器控制的低壓繼電器配電盤組成，按照客戶對室內(nèi)外照明的具體要求，設(shè)定照明控制的時間、區(qū)域、方法來控制每一個獨立的回路，也有手動開關(guān)直接控制。國內(nèi)生產(chǎn)的

21、真善美智能照明系統(tǒng)具有集中控制、多點操作、集中顯示、停電自鎖、免打擾、遙控功能等智能功能，使家居生活更加方便和舒適。但是，國內(nèi)外智能照明系統(tǒng)的研究存在著如下問題：（1）現(xiàn)有國外智能照明系統(tǒng)主要控制照度這個數(shù)量指標，國外的研究主要集中于辦公室照明，以節(jié)能為主要目的，但據(jù)照明科技最新研究成果表明，非定量指標（如舒適性和藝術(shù)性等）對室內(nèi)照明光環(huán)境質(zhì)量影響更大。（2）國內(nèi)一些智能照明控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)集中控制和集中顯示，具有一定的智能性，但其只能控制房間中的一個燈或一組燈的開、關(guān)，不能實現(xiàn)場景控制，也不能對燈光的亮度進行調(diào)節(jié)，不能產(chǎn)生多種照明效果。（3）針對住宅照明光環(huán)境研制的智能照明控制系統(tǒng)產(chǎn)品很少，

22、還有很大的開發(fā)前景。1.3 系統(tǒng)設(shè)計1.3.1 系統(tǒng)設(shè)計要點系統(tǒng)設(shè)計主要包括硬件和軟件兩大部分，依據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)性能，將硬件和軟件分開設(shè)計。硬件設(shè)計部分包括電路原理圖、合理選擇元器件、繪制線路圖，然后對硬件進行調(diào)試、測試，以達到設(shè)計要求。硬件電路是采用結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設(shè)計方法，該方法保證設(shè)計電路的標準化、模塊化。硬件電路的設(shè)計最重要的選擇用于控制的單片機，并確定與之配套的外圍芯片，使所設(shè)計的系統(tǒng)既經(jīng)濟又高性能。硬件電路設(shè)計還包括輸入輸出接口設(shè)計，畫出詳細電路圖，標出芯片的型號、器件參數(shù)值，根據(jù)電路圖在仿真機上進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)設(shè)計不當及時修改，最終達到設(shè)計目的。軟件設(shè)計部分，首先在總體設(shè)計中

23、完成系統(tǒng)總框圖和各模塊的功能設(shè)計，擬定詳細的工作計劃；然后進行具體設(shè)計，包括各模塊的流程圖，選擇合適的編程語言和工具，進行代碼設(shè)計等；最后是對軟件進行調(diào)試、測試，達到所需功能要求。本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化系統(tǒng)設(shè)計方法，先編寫各個功能模塊子程序，然后進行組合與調(diào)整，經(jīng)過調(diào)試后，達到設(shè)計功能要求。1.3.2 系統(tǒng)設(shè)計思路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：（1）上位機系統(tǒng)；（2）下位機系統(tǒng)；（3）通信系統(tǒng)。這三部分共同完成了主控制器通過有線通信方式與分控制器進行信息交換，達到控制照明燈具的目的。1.3.2.1 通信系統(tǒng)該多機通信系統(tǒng)采用RS-485半雙工主從式通信系統(tǒng)，主機可以發(fā)送數(shù)據(jù)或命令到從機，從機主

24、要負責對分布的照明燈具進行控制，用中斷的方式接收主機發(fā)來的命令或數(shù)據(jù)并做出回應(yīng)。如圖1-1所示圖1-1 有線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.3.2.2 上位機系統(tǒng)系統(tǒng)的主控制器通過RS-485總線將數(shù)據(jù)或命令發(fā)送給分控制器，同時將信息送給數(shù)碼顯示單元進行顯示，并有看門狗電路對運行程序進行有效監(jiān)視。主控制器硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。分控制器接收主控制器的發(fā)來的數(shù)據(jù)和命令，通過可控硅電路對照明燈具進行開關(guān)控制，并且利用實時時鐘芯片對照明燈具進行定時開關(guān)控制。圖1-2 主控制器硬件電路結(jié)構(gòu)框圖1.3.2.3 下位機系統(tǒng)分控制器硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。系統(tǒng)在單片機的控制之下完成數(shù)據(jù)的通信、顯示，同時能夠控制

25、照明燈具，其硬件電路只是系統(tǒng)的實施工具，大量的工作是由軟件來完成的。這些程序是系統(tǒng)的靈魂，是負責完成硬件電路實現(xiàn)功能和與用戶交互的橋梁，是維護系統(tǒng)正常工作的工具。圖1-3 分控制器硬件電路結(jié)構(gòu)框圖室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)可以根據(jù)作息時間、氣候、人體等因素全天候自動模糊控制室內(nèi)照明電器的開和關(guān)。做到光線暗時開燈，雨天陰天時開燈，無人時關(guān)燈，光線亮時關(guān)燈，晴天時關(guān)燈，休息時間關(guān)燈。在確保室內(nèi)正常照明同時，可有效防止無人燈（無人時開燈）無效燈（光線亮時開燈）、無限燈（休息時間開燈），從而達到節(jié)電目的。根據(jù)上述要求，可以畫出控制系統(tǒng)邏輯功能表，如表1-1所示。關(guān)系如果假設(shè)：室內(nèi)光線強度為A：光線強時A=1，光

26、線弱時A=0；人體信號為B：有人時B=1，無人時B=0；作息時間為C：上課時C=1，休息時C=0；電燈開關(guān)狀態(tài)為D：合時D=1，斷開時D=0。則表1-1可以轉(zhuǎn)化為表1-2。由真值表可得出系統(tǒng)邏輯函數(shù)表達式為：D=ABC信號室內(nèi)光信號人體信號時鐘信號電燈的開關(guān)狀態(tài)參數(shù)自然光照度人體作息時間邏輯狀態(tài)強無休息斷強無上課斷強有休息斷強有上課斷弱無休息斷弱無上課斷弱有休息斷弱有上課合表1-1 系統(tǒng)邏輯表1-2 系統(tǒng)邏輯真值表信號室內(nèi)光信號人體信號時鐘信號電燈的開光狀況參數(shù)自然光信號人體作息時間符號ABCD邏輯狀態(tài)100010101100111000000010010001112 硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)2.1

27、 系統(tǒng)硬件總述系統(tǒng)以單片微型計算機為核心外加多種接口電路組成，共有六個主要部分：AT89C51芯片、光信號采集電路、人體信號采集電路、時鐘控制電路DS12887、輸出控制電路、定時監(jiān)視器電路，如圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)硬件總述圖2.2 CPU性能介紹本系統(tǒng)采用了ATMEL公司MCS-51系列單片機中的AT89C51芯片，它是低壓高性能CMOS 8位微處理器，帶有4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，15個IO口線，兩個16位定時計數(shù)器，個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口。2.3 主控制器電路設(shè)計主控制器采用AT89C51單片機作為微處理器，AT89C51是美國ATME

28、L公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4K bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash 存儲單元。主控制器系統(tǒng)的外圍接口電路由鍵盤、數(shù)碼顯示及驅(qū)動電路、晶振、看門狗電路、通信接口電路等幾部分組成。主控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖如圖2-2所示。圖2-2 主控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖2.3.1 鍵盤的接口設(shè)計鍵盤的結(jié)構(gòu)形式有兩種，即獨立式按鍵和矩陣式鍵盤。本系統(tǒng)使用的是44矩陣式鍵盤，第一行從左到右

29、為1、2、3、4，第二行為5、6、7、8，第三行為9、0、開、關(guān)，第四行為增值、減值、定時、確認。該形式的鍵盤，每個按鍵開關(guān)位于行列的交叉處，采用逐行掃描的方法識別鍵碼。矩陣鍵盤的列線從左到右分別與單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3相連，矩陣鍵盤的行線從上到下分別與P1.4、P1.5、P1.6、P1.7相連。每當按下一個鍵時，對應(yīng)的行線與列線就會連通，這樣單片機就能檢測出信號，并通過鍵盤掃描程序?qū)︽I盤進行掃描，以識別被按鍵的行、列位置。2.3.2 LED數(shù)碼顯示的接口設(shè)計數(shù)碼顯示與驅(qū)動電路由74LS138譯碼器、7447 TTL BCD-7段高有效譯碼器/驅(qū)動器、4個數(shù)碼管以及5個

30、A1015三極管組成。由單片機的P0.0P0.3口輸出的四位BCD碼，經(jīng)7447芯片后，翻譯成7段數(shù)碼管a、b、c、d、e、f、g相應(yīng)的段，并輸出點亮數(shù)碼管相應(yīng)的段。單片機的P0.4、P0.5口輸出的信號經(jīng)74LS138譯碼器后產(chǎn)生的高電平信號加在A1015三極管的基極，控制三極管的導(dǎo)通，從而起到對相應(yīng)數(shù)碼管的選通作用。4個7段數(shù)碼管都被接成共陽極方式。2.3.3 看門狗監(jiān)控電路的設(shè)計本系統(tǒng)采用MAXIM公司的低成本微處理器監(jiān)控芯片MAX813L構(gòu)成硬件狗，與AT89C51的接口電路如圖2-2所示。MR與WDO經(jīng)過一個二極管連接起來，WDI接單片機的P2.7口，RESET接單片機的復(fù)位輸入腳R

31、ESET，MR經(jīng)過一個復(fù)位按鈕接地。該監(jiān)控電路的主要功能如下：（1）系統(tǒng)正常上電復(fù)位：電源上電時，當電源電壓超過復(fù)位門限電壓4.65V，RESET端輸出200ms的復(fù)位信號，使系統(tǒng)復(fù)位。 （2）對+5V電源進行監(jiān)視：當+5V電源正常時，RESET為低電平，單片機正常工作；當+5V電源電壓降至+4.65V以下時，RESET輸出高電平，對單片機進行復(fù)位。 （3）看門狗定時器被清零，WDO維持高電平；當程序跑飛或死機時，CPU不能在16s內(nèi)給出“喂狗”信號，WDO跳變?yōu)榈碗娖?，由于MR端有一個內(nèi)部250mA的上拉電流，D導(dǎo)通MR獲得有效低電平，RESET端輸出復(fù)位脈沖，單片機復(fù)位，看門狗定時器清零，

32、WDO又恢復(fù)成高電平。（4）手動復(fù)位：如果需要對系統(tǒng)進行手動復(fù)位，只要按下手動復(fù)位按鈕，就能對系統(tǒng)進行有效的復(fù)位。2.4 分控制器的電路設(shè)計分控制器采用低檔型的AT89C2051單片機作為微處理器，AT89C2051也是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含2K bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，具有15線可編程I/O口，該單片機具有體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、性價比較高等特點。圖2-3 分控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖2.5 RS485通信電路的設(shè)計在各種分布式集散控制系統(tǒng)中

33、，往往采用一臺單片機作為主機，多個單片機作為從機，主機控制整個系統(tǒng)的運行；從機采集信號，實現(xiàn)現(xiàn)場控制；主機和從機之間通過總線相連，如圖2-4所示。主機通過TXD向各個從機（點到點）或多個從機（廣播）發(fā)送信息，而各個從機也可以向主機發(fā)送信息，但從機之間不能自由通信，其必須通過主機進行信息傳遞。主機RXD TXDRXD TXD從機1RXD TXDRXD TXD從機n圖2-4 單片機多機通信連線圖本系統(tǒng)的有線通信方式采用RS485總線進行通信，RS485標準支持半雙工通信，只需三根線就可以進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，同時具有抑制共模干擾的能力，接收靈敏度可達200mV，大大提高了通信距離，在100K bp

34、s速率下通信距離可達1200m，如果通信距離縮短，最大速率可達10M bps。在這里使用的是主從式通信方式，主機由主控制器充當，從機為分控制器。主機處于主導(dǎo)和支配地位，從機以中斷方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，主機發(fā)送的信息可以傳送到所有的從機或指定的從機，從機發(fā)送的信息只能為主機接收，從機之間不能直接通信。主機與從機的通信電路圖分別如圖2-5與圖2-6所示。圖2-5 主機通信電路圖圖2-6 從機通信電路圖主機與從機選用的RS485通信收發(fā)器芯片為MAX485，它是MAXIM公司生產(chǎn)的用于RS 485通信的低功率收發(fā)器件，采用單一電源+5 V工作，額定電流為300 A，采用半雙工通信方式。它完成將TTL電

35、平轉(zhuǎn)換為RS485電平的功能。MAX485芯片內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可；RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當RE端為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)；當DE端為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可，主機與從機分別使用P2.6與P1.0腳進行控制；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端,當A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當A的電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在進行通信時只需要一個信號控制MAX485的接收和發(fā)送

36、即可。同時將A和B端之間加匹配電阻，這里選用120的電阻。 為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，采用光電耦合器TLP521對通信系統(tǒng)進行光電隔離。從機使用單片機的P1.0控制通信收發(fā)器MAX485的工作狀態(tài)，平時置P1.0為低電平，使從機串行口處于偵聽狀態(tài)。當有串行中斷產(chǎn)生時判別是否是本機號，若為本機地址則置P1.0為高電平，發(fā)送應(yīng)答信息，然后再置P1.0為低電平接收控制指令，繼續(xù)保持P1.0為低電平，使串行收發(fā)器處于接收狀態(tài)；若不是本機地址，使P1.0為低電平，使串行收發(fā)器處于接收偵聽狀態(tài)。2.6 光信號取樣電路光信號取樣電路如圖2-7所示，圖中主要由光信號采集電路和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成，其中模數(shù)轉(zhuǎn)

37、換是電路的核心。信號經(jīng)過采集送入A/D轉(zhuǎn)換電路，通過單片機處理后，最終作為系統(tǒng)應(yīng)用程序進行開關(guān)燈判斷的依據(jù)。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)應(yīng)根據(jù)信號的測量范圍和精度來選擇，使其有足夠的數(shù)據(jù)長度，保證最大量化誤差在設(shè)計要求的精度范圍內(nèi)。本系統(tǒng)中，信號的測量范圍的電壓：0.009.99V，精度0.01V。在本次設(shè)計中選用了帶串行控制的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC1549，它是由德州儀器（Texas Instruments簡寫為TI）公司生產(chǎn)的，它采用CMOS工藝，具有自動采樣和保持，采用差分基準電壓高阻抗輸入，抗干擾性能好，可按比例量程校準轉(zhuǎn)換范圍，總不可調(diào)整誤差達到()1LSB Max，芯片體積小等特點。同時它采

38、用了Microwire串行接口方式，故引腳少，接口方便靈活。與傳統(tǒng)的并行方式接口A/D轉(zhuǎn)換器（例ADC0809/0808）相比，其單片機的接口電路簡單，占用I/O口資源少。圖2-7 光信號取樣電路2.6.1 Microwire串行總線性能介紹Microwire總線是美國國家半導(dǎo)體（NS）公司推出的三線同步串行總線。這種總線由一根數(shù)據(jù)輸出線（SO）、一根數(shù)據(jù)輸入線（SI）和一根時鐘線（SK）組成 （但每個器件還要接一根片選線）。原始的Microwire總線上只能連接一片單片機作為主機，總線上的其它設(shè)備都是從機。此后，NS公司推出了8位的COP800單片機系列，仍采用原來的Microwire總線，

39、但單片機上的總線接口改成既可由自身發(fā)出時鐘，也可由外部輸入時鐘信號，也就是說，連接到總線上的單片機既可以是主機，也可以是從機。為了區(qū)別于原有的Microwire總線，稱這種新產(chǎn)品為增強型的MicrowirePLUS總線。增強型的MicrowirePLUS總線上允許連接多片單片機和外圍器件，因此，總線具有更大的靈活性和可變性，非常適用于分布式、多處理器的單片機測控系統(tǒng)。要改變一個系統(tǒng)，只需改變連接到總線上的單片機及外圍器件的數(shù)量和型號。Microwire總線系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖2-8所示。圖 2-8 Microwire總線系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)2.6.2 TLC1549的接口設(shè)計2-9 TLC1549引腳及

40、與A/D接口電路TLC1549采用了Microwire串行接口方式，其接口時序如圖2-9所示，在芯片選擇（CS）無效情況下，I/O CLOCK最初被禁止且DATA OUT處于高阻狀態(tài)。當串行接口把CS拉至有效時，轉(zhuǎn)換時序開始允許I/O CLOCK工作并使DATA OUT脫離高阻狀態(tài)。串行接口然后把I/O CLOCK序列提供給I/O CLOCK并從DATA OUT接收前次轉(zhuǎn)換結(jié)果。I/O CLOCK從主機串行接口接收長度在10和16個時鐘之間的輸入序列。開始10個I/O 時鐘提供采樣模擬輸入的控制時序。在CS的下降沿，前次轉(zhuǎn)換的MSB出現(xiàn)在DATA OUT端。10位數(shù)據(jù)通過DATA OUT 被發(fā)

41、送到主機串行接口。為了開始轉(zhuǎn)換，最少需要10個時鐘脈沖。如果I/O CLOCK 傳送大于10個時鐘長度，那么在的10個時鐘的下降沿，內(nèi)部邏輯把DATA OUT拉至低電平以確保其余位的值為零。在正常進行的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，規(guī)定時間內(nèi)CS端高電平至低電平的跳變可終止該周期，器件返回初始狀態(tài)（輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容保持為前次轉(zhuǎn)換結(jié)果）。由于可能破壞輸出數(shù)據(jù)，所以在接近轉(zhuǎn)換完成時要小心防止CS被拉至低電平。時序圖如圖2-10。圖2-10 TLC1549方式1時序圖2.6.3 TCL1549的數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計/*- AetAD()TLC1549數(shù)據(jù)采集-*/sbit ADCLK=P10;sbit ADOUT=P

42、11;sbit ADCS=P12;/*-*/Void AetAD()uchar i=1,w,PickCount;uint vol;for(w=1;w=PickCount;w+)ADCLK=ADOUT=0;vol=0;ADCS=0;/開啟控制電路，使能DATA OUT和I/O CLOCKfor(i=1;i=10;i+)/采集10位串行數(shù)據(jù)/給一個脈沖ADCLK=1;vol=1;if(ADOUT)vol|=0x01;ADCLK=0;ADCS=1;delay(21);/兩次轉(zhuǎn)換間隔大于21usP0=0xff;/P0口置初始輸入狀態(tài)2.7 人體信號采集電路人體信號采集由人體紅外檢測探頭和比較電路組成。

43、2.7.1 人體紅外探頭熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線,并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。熱釋電傳感器具有成本低、不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源、靈敏度高、可流動安裝等特點。實際使用時,在熱釋電傳感器前需安裝菲涅爾透鏡,這樣可大大提高接收靈敏度,增加檢測距離及范圍。實驗證明,熱釋電紅外傳感器若不加菲涅爾透鏡,則其檢測距離僅為2 m 左右;而配上菲涅爾透鏡后,其檢測距離可增加到10 m 以上2.7.1.1 熱釋紅外傳感器熱釋電人體紅外線傳感器是上世紀80年代末期出現(xiàn)的一種新型傳感器件，現(xiàn)在已得到越來越廣泛的應(yīng)用，從原理上分析，它主要有主動式和被動式兩類。圖2-11 傳感器頂圖2-12

44、傳感器低圖2-13 傳感器側(cè)熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基與熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。熱釋電紅外傳感器（以下簡稱：傳感器）由敏感單元、阻抗變換器和濾光窗等三大部分組成。圖2-11為它們的頂視圖，其中較大的矩形部分為濾光窗，圖2-12為底視圖，圖2-13為側(cè)視圖， P1、P2為兩個敏感單元，面積約21mm2，間距1mm。 （1）敏感單元當傳感器沒有檢測到人體輻射出的紅外線信號時，由于P1、P2自身產(chǎn)生極化，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反、電量相等的正、負電荷，而這兩個電容的極性是相反串聯(lián)的，所以，正、負電荷相互抵消，回路中無電流，傳感器無輸出。當人體靜止在傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)時，照射到P1、P2上

45、的紅外線光能能量相等，且達到平衡，極性相反、能量相等的光電流在回路中相互抵消。傳感器仍然沒有信號輸出。同理，在燈光或陽光下，因陽光移動的速度非常緩慢，P1、P2上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的，且在回路中相互抵消；再加上傳感器的響 應(yīng)頻率很低（一般為0.110Hz），即傳感器對紅外光的波長的敏感范圍很窄（一般為515um），因此，傳感器對它們不敏感。從原理上講，任何發(fā)熱體都會產(chǎn)生紅外線，熱釋電人體紅外線傳感器對紅外線的敏感程度主要表現(xiàn)在傳感器敏感單元的溫度所發(fā)生的變化，而溫度的變化導(dǎo)致電信號的產(chǎn)生。環(huán)境與自身的溫度變化由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它不向外輸出信號；而傳感器的低頻響應(yīng)（一般為0.11

46、0Hz）和對特定波長紅外線（一般為 515um）的響應(yīng)決定了傳感器只對外界的紅外線的輻射而引起傳感器的溫度的變化而敏感，而這種變化對人體而言就是移動。所以，傳感器對人體的移動或運動敏感，對靜止或移動很緩慢的人體不敏感；它可以抗可見光和大部分紅外線的干擾。（2）濾光窗 制造熱釋電紅外探測元的高熱電材料是一種廣譜材料，它的探測波長范圍為0.220m。為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，通常在傳感器上加裝了一塊干涉濾光窗。濾光窗是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，濾光窗能有效地濾除7.014um波長以外的紅外線。例如，SCA02-1對 7.514um波長的紅外線的穿透量為70%，在6.

47、5um處時下降為65%，而在5.0um處時陡降為0.1%；P2288的響應(yīng)波長為 614um，中心波長為10um。物體發(fā)射出的紅外線輻射能，最強波長和溫度的關(guān)系滿足m*T=2989（um.k）（其中m為最大波長，T為絕對溫度）。人體的正常體溫為 3637.5，即309310.5K，其輻射的最強的紅外線的波長為m=2989/（309310.5）=9.679.64um，中心波長為9.65um。因此，人體輻射的最強的紅外線的波長正好落在濾光窗的響應(yīng)波長（714um）的中心。所以，濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過，而最大限度地阻止陽 光、燈光等可見光中的紅外線的通過，以免引起干擾。 2.7.1.2

48、 菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在PIR上，第二個作用是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號。 當人進入感應(yīng)范圍，人體釋放的紅外光透過鏡片被聚集在遠距離A區(qū)或中距離B區(qū)或近距離C區(qū)的某個段的同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭有一個適當?shù)慕咕?，紅外光正好被探頭接收，探頭將光信號變成電信號送入電子電路驅(qū)動負載工作。整個接收人體紅外光的方式也被稱為被動式紅外活動目標探測器。鏡片主要有三種顏色，一、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易變形。二、白色主要用于適配外殼顏色。三、黑色用于防強光干擾。

49、鏡片還可以結(jié)合產(chǎn)品外觀注色，使產(chǎn)品整體更美觀。每一種鏡片有一型號（以年號+系列號命名），鏡片主要參數(shù)：一、外觀描述外觀形狀（長、方、圓）、尺寸（直徑）。以毫米為單位。二、探測范圍指鏡片能探測的有效距離（米）和角度。三、焦距指鏡片與探頭窗口的距離，精確度以毫米的小數(shù)點為單位。長形和方形鏡片要呈弧形以焦距為單位對準探頭窗口。鏡片與探頭的配合應(yīng)用我們常用的是雙源式探頭，揭開濾光玻璃片，其內(nèi)部有兩點對714um的紅外波長特別敏感的TO5材料連接著場效管。圖2-14 信號產(chǎn)生輸出示意圖靜態(tài)情況下空間存在紅外光線，由于雙源式探頭采用互補技術(shù)，不會產(chǎn)生電信號輸出。動態(tài)情況下，人體經(jīng)過探頭先后被A源或被B源感

50、應(yīng)，SaSb產(chǎn)生差值，雙源失去互補平衡作用而很敏感地產(chǎn)生信號輸出，見圖2-14。當人對著探頭呈垂直狀態(tài)運動，Sa=Sb不產(chǎn)生差值，雙源很難產(chǎn)生信號輸出。因此，探測器安裝的位置與人行走方向呈平行為宜。由于熱釋電傳感器輸出的信號變化緩慢、幅值小(小于1 mV) ,不能直接作為照明系統(tǒng)的控制信號,因此傳感器的輸出信號必須經(jīng)過一個專門的信號處理電路,使得傳感器輸出信號的不規(guī)則波形轉(zhuǎn)變成適合于單片機處理的數(shù)字信號。根據(jù)以上要求,人體熱釋電檢測電路組成框圖如圖2-15所示。2-15 熱釋電檢測電路組成框圖2.7.2 信號處理電路本設(shè)計采用BIS0001 來完成對熱釋電傳感器輸出信號的處理。BIS0001

51、是一款具有較高性能的熱釋電傳感器信號處理集成電路,它主要由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成。由BIS0001 構(gòu)成的信號處理電路如圖4所示。圖2-16 中,熱釋電傳感器S 極輸出信號送入BIS0001的14 腳,經(jīng)內(nèi)部第一級運算放大器放大后,由C3 耦合從12 腳輸入至內(nèi)部第二級運算放大器放大,再經(jīng)電壓比較器構(gòu)成的鑒幅器處理后,檢出有效觸發(fā)信號去啟動延遲時間定時器,最后從12 腳輸出信號(Vo ) 送入單片機進行照明控制。實驗所得,當傳感器檢測室內(nèi)有人時,Vo 4 V ;無人時Vo 0. 4 V。BIS0001 的1 腳接高電平,使芯片處于可重復(fù)觸發(fā)工

52、作方式。輸出Vo (高電平) 的延遲時間Tx 由外部R8和C7 的大小調(diào)整;觸發(fā)封鎖時間Ti 由外部R9 和C6 的大小調(diào)整。 圖2-16 熱釋電傳感器信號處理電路圖2.7.3 比較電路比較電路如圖2-17所示，由兩個運算放大器組成，輸入信號來自于紅外人體探頭輸出。比較電路中的基準電壓分別由兩個獨立的分壓電路得到，供電路比較所用。即運算放大器D1的6腳和D2的1腳電壓分別為0.45V和2.0V。圖2-17 人體信號比較電路通過比較電路將相應(yīng)的電壓比較結(jié)果以數(shù)字信號輸出。當被動紅外探頭在有效范圍內(nèi)感應(yīng)到人體信號后，運算放大器的“2腳”或“5腳”的電壓降為3.0V；當被動紅外探頭在有效范圍內(nèi)沒有感

53、應(yīng)人體紅外信號時，“2腳”或“5腳”的電壓降為1.0V。探頭故障斷路時，則“2腳”或“5腳”的電壓降為0V。1.探頭工作正常 “1腳”的電壓恒定為2.0V，“2腳”的電壓有1V或是3.0V兩種狀態(tài)，“6腳”的電壓恒定為0.45V，“5腳”的電壓與“2腳”的電壓保持一致。探頭將會根據(jù)有無人體信號在“2腳”產(chǎn)生1.0V或3.0V兩種電壓信號。2.探頭工作不正常（由于故障或沒有安裝探頭）“1腳”的電壓恒定為2.0V，“2腳”的電壓為0V，“6腳”的電壓恒定為0.45V，“5腳”的電壓為0V。探頭將只會產(chǎn)生一種電壓信號0V。具體的比較結(jié)果如下表2-1所示。表2-1 探頭采集信號輸出狀態(tài)表探頭工作狀態(tài)“

54、1腳”電壓“2腳”或“5腳”電壓“6腳”電壓P2.6P2.5正常工作無人狀態(tài)2.0V1.0V0.45V11有人狀態(tài)2.0V3.0V0.45V01斷路或故障2.0V0V0.45V10通過比較電路，不僅解決了不同工作狀態(tài)時被動紅外探頭的對外界人體紅外信號的采集，而且也實現(xiàn)了僅通過被動紅外探頭的兩根電源線同時也傳輸了所采集的周圍環(huán)境的紅外信號，一舉兩得。2.8 DS12887時鐘芯片接口電路設(shè)計本次系統(tǒng)設(shè)計中，燈光設(shè)計有以時間作為基準信號，故采用了DALLAS公司的DS12887芯片。DS12887為DALLAS公司生產(chǎn)的實時時鐘芯片，除具有實時鐘功能外，它還具有114字節(jié)的通用RAM，采用CMOS技術(shù)制成，具有內(nèi)部晶振和時鐘芯片備份鋰電池，而且它與目