基于单片机的照明控制系统的硬件电路方案设计书.docx
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基于单片机的照明控制系统的硬件电路方案设计书
摘要···················································1
一.序言·······················································7
1.1单片机应用技术···················································7
1.2有线通信技术···················································8
1.3无线数传技术···················································8
1.4本章小结···················································9
二基于单片机的照明控制系统的设计框架和性能·····················10
2.1系统设计要点···················································10
2.2系统的结构···············································10
2.3系统性能指标与技术要求···········································12
2.4本章小结···················································13
三基于单片机的照明控制系统的硬件电路设计······················14
3.1主控制器的电路设计············································14
3.1.1键盘的接口设计··················································15
3.1.2LED数码显示的接口设计···········································15
3.1.3看门狗监控电路的设计·················································15
3.2分控制器的电路设计·················································16
3.2.1时钟芯片的接口设计··············································17
3.2.2零点检测与可控硅控制电路的设计·····························18
3.3RS485通信电路的设计···········································19
3.4无线数传电路的设计···············································21
3.4.1无线数传电路的连接···········································21
3.4.2SRWF-1模块的特性·······································22
3.5本章小结···················································23
四基于单片机的照明控制系统的软件设计······························25
4.1人机交互程序设计··········································25
4.1.1键盘扫描程序设计········································26
4.1.2LED数码显示程序设计·············································27
4.2照明启停控制程序设计·············································28
4.2.1全部启停控制程序设计············································29
4.2.2单独启停控制程序设计···············································31
4.3照明亮度控制程序设计···············································33
4.3.1全部亮度控制程序设计···············································34
4.3.2单独亮度控制程序设计···············································35
4.4照明定时控制程序设计···················································36
4.4.1全部定时控制程序设计···················································37
4.4.2单独定时控制程序设计···················································38
4.5RS485通信程序设计···················································39
4.5.1主机部分通信程序设计···················································41
4.5.2从机部分通信程序设计···················································42
4.6无线数传通信程序设计···················································43
4.7本章小结···················································44
五实验及总结···················································45
参考文献···························································47
单片机灯光自动控制系统设计
摘要：
本文阐述了照明的有线、无线控制方式设计原理与实现方法。
以设计过程为主线，分别从硬件和软件两个方面描述设计过程，即从硬件电路的设计方法到实现所要求功能的软件技术。
该照明控制系统的主控制器、分控制器分别是以AT89C51与AT89C2051单片机为基础，实现了有线通信、无线数传、控制与显示等功能。
文中详细地描述了控制电路的设计过程，包括：
键盘与LED显示电路、RS485通信电路、无线数传电路、照明灯控制电路以及看门狗电路等。
对于软件设计主要有主控制器、分控制器的有线通信程序设计与无线数字传输程序设计以及灯光控制、定时控制、键盘扫描与LED显示等程序设计。
有线通信程序的功能是：
通过RS485主从通信方式，由主控制器发出命令对全部或单个分控制器所控制的照明灯实现开启、关闭、灯光亮度调节、定时控制等功能。
无线数传程序设计的功能是：
通过无线数传模块实现照明灯的无线遥控，同样实现有线方式控制的功能。
关键词：
主控制器，分控制器，单片机，有线通信，无线数传，灯光亮度控制，定时控制
一序言
近十几年来，随着我国城市建设的快速发展，楼宇照明也相应飞速发展。
在楼宇的照明数量与质量两个方面均有显著的变化与提高，特别是随着人民生活水平进入小康水平，楼宇照明水平提高很快，追求人工照明光环境的舒适性、个性化、安全、节能等方面日见突出。
楼宇中人工光环境对于满足人们的生活、学习、娱乐以及工作方面有着重要的意义。
照明控制系统传统是以照明配电箱通过手动开关来控制照明灯具的通断，或通过回路中串入接触器，实现远距离控制。
而今出现的楼宇自控系统，是以电气触点来实现区域控制、定时通断、中央监控等功能。
由于照明控制系统在楼宇自控系统中并非独立，同时控制功能简单，因此使用上有一定的局限性。
故当楼宇自控系统出现故障时，照明系统亦受到影响。
随着微电子技术与数字化技术的发展，开发出了智能化水平更高的专业照明控制的独立系统，从而能节约能源、延长灯具寿命、提高照明质量。
根据使用客户的经验，不仅使照明管理与设备维修简单及降低费用外，还对环境改善、提高工作效率都有着显著的效果。
本系统是以单片机为控制器的核心，其中上位机是以AT89C51为基础，下位机是以AT89C2051为基础，再连接外围电路，通过现场总线RS485通信方式实现照明灯具的智能控制，也可以通过无线数传模块实现无线通信，从而达到照明灯具的智能控制。
1.1单片机的应用技术
电子技术和微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机（单片微型计算机）的应用已经渗透到国民经济的各个部门和领域，它起到了越来越重要的作用。
单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。
因此一块芯片就构成了一台计算机。
它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。
单片机由硬件系统与软件系统组成。
硬件系统是指构成微机系统的实体与装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。
其中运算器和控制器一般做在一个集成芯片上，统称中央处理单元（CentralProcessingUnit），简称CPU，是微机的核心部件。
CPU配上存放程序和数据的存储器、输入/输出（Input/Output，
简称I/O）接口电路以及外部设备即构成单片机的硬件系统。
软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称，人们通过它对微机进行控制并与微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。
软件系统与硬件系统共同构成完整的单片微型计算机系统，两者相辅相成，缺一不可。
1．2有线通信技术
在数据通信、计算机网络以及工业上的分布式控制系统中，经常需要采用串行通信来达到远程信息交换的目的。
目前，有多种接口标准可用于串行通信，最常用的接口有RS-232、RS-422、RS-485。
RS232是最早的串行接口标准，在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛应用。
其后发展起来的RS-422、RS-485是平衡传送的电气标准，比起RS-232非平衡的传送方式在电气指标上有了大幅度的提高。
但总的来说，RS-232、RS-422与RS-485最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，EIA于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。
RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。
正因为RS-485的远距离、多节点（32个）、可以自行定义协议以及传输线成本低的特性，使得EIARS-485成为工业应用中数据传输的首选标准。
1.3无线数传技术
有线传输的方式虽然使用非常广泛且可靠性较高，但由于各方面的局限性，已经在众多方面被无线传输方式所取代。
无线数字传输技术日益完善，其重要性也被人们所认识，相应的基于无线数字传输的产品也随处可见。
无线数字传输系统安装简便、使用效率高，可应用于各个领域，例如，无线数据传输、无线数据采集、无线抄表、工业遥控、楼宇自动化、高档玩具等等。
无线数传技术是通过单片机的串口与无线数传模块连接，将要发送的数据由无线数传模块向空中发出，然后由另一个终端设备的无线数传模块从空中接收数据，这样就实现了预期的任务。
1．4本章小结
本章介绍了照明控制系统在智能楼宇中的应用、发展以及所使用的主要专业技术。
它从传统的方式逐步发展到能够实现智能化控制，使用户使用起来更加方便、舒适。
本文所研究的照明控制系统主要使用了单片机应用技术、有线通信技术和无线数传技术。
在这里主要对这三种技术的组成、功能、发展以及使用领域等方面进行了简要的阐述。
二基于单片机的照明控制系统的设计框架与性能
2．1系统设计要点
系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。
硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。
软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。
在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。
硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。
硬件电路的设计最重要的选择用于控制的单片机，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。
硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。
软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用51系列单片机，因此使用KeilC语言进行开发。
此编程工具相比汇编语言具有结构化、适用范围大、可移植性好等特点。
本系统软件设计采用模块化系统设计方法，先编写各个功能模块子程序，然后进行组合与调整，经过调试后，达到设计功能要求。
2．2系统的结构
系统的结构主要由三部分组成：
（1）上位机系统；
（2）下位机系统；（3）通信系统。
这三部分共同完成了主控制器通过有线、无线通信方式与分控制器进行信息交换，达到控制照明灯具的目的。
有线通信系统的结构框图如图2.1所示。
该多机通信系统采用RS-485半双工主从式通信系统，主机可以发送数据或命令到从机，从机主要负责对分布的照明灯具进行控制，用中断的方式接收主机发来的命令或数据并做出回应。
图2.1有线通信系统结构框图
无线数据传输系统也是由主控制器和分控制器两部分组成，系统结构框图如图2.2所示。
主控制器是发送遥控指令、发送数据信息、接收应答信息等，分控制器接收数据与遥控指令，完成对照明灯具的控制。
图2.2无线数传系统结构框图
系统的主控制器通过RS-485总线或无线数传模块将数据或命令发送给分控制器，同时将信息送给数码显示单元进行显示，并有看门狗电路对运行程序进行有效监视。
主控制器硬件电路结构如图2.3所示。
分控制器接收主控制器的发来的数据和命令，通过可控硅电路对照明灯具进行开关、亮度控制，并且利用实时时钟芯片对照明灯具进行定时开关控制。
分控制器硬件电路结构如图2.4所示。
图2.3主控制器硬件电路结构框图
图2.4分控制器硬件电路结构框图
系统在单片机的控制之下完成数据的通信、显示，同时能够控制照明灯具，其硬件电路只是系统的实施工具，大量的工作是由软件来完成的。
这些程序是系统的灵魂，是负责完成硬件电路实现功能和与用户交互的桥梁，是维护系统正常工作的工具。
2.3系统性能指标及技术要求
（1）照明启停控制系统
①全开
②全关
③单独开
④单独关
（2）照明亮度控制系统
①全部亮度调节
②单独亮度调节
（3）定时控制系统
①对全部照明灯进行定时控制
②对每个照明灯进行定时控制
2．4本章小结
本章主要从系统设计要点、系统的结构、系统性能指标及技术要求三方面对所研究的照明控制系统的设计框架和性能进行了阐述，该系统由一个主控制器与若干个分控制器组成，
系统的设计首先要从硬件方面着手，在绘制出正确的电路图后，再按功能要求编制出相应的软件程序，最终要达到所要求的性能指标。
三基于单片机的照明控制系统的硬件电路设计
3.1主控制器的电路设计[1]
主控制器采用AT89C51单片机作为微处理器，AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。
主控制器系统的外围接口电路由键盘、数码显示及驱动电路、晶振、看门狗电路、通信接口电路等几部分组成。
主控制器系统的硬件电路原理图如图3.1所示。
图3.1主控制器系统的硬件电路原理图
3.1.1键盘的接口设计
键盘的结构形式有两种，即独立式按键和矩阵式键盘。
本系统使用的是4×4矩阵式键盘，第一行从左到右为1、2、3、4，第二行为5、6、7、8，第三行为9、0、开、关，第四行为增值、减值、定时、确认。
该形式的键盘，每个按键开关位于行列的交叉处，采用逐行扫描的方法识别键码。
矩阵键盘的列线从左到右分别与单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3相连，矩阵键盘的行线从上到下分别与P1.4、P1.5、P1.6、P1.7相连。
每当按下一个键时，对应的行线与列线就会连通，这样单片机就能检测出信号，并通过键盘扫描程序对键盘进行扫描，以识别被按键的行、列位置。
3.1.2LED数码显示的接口设计
数码显示与驱动电路由74LS138译码器、7447TTLBCD-7段高有效译码器/驱动器、4个数码管以及5个A1015三极管组成。
由单片机的P0.0～P0.3口输出的四位BCD码，经7447芯片后，翻译成7段数码管a、b、c、d、e、f、g相应的段，并输出点亮数码管相应的段。
单片机的P0.4、P0.5口输出的信号经74LS138译码器后产生的高电平信号加在A1015三极管的基极，控制三极管的导通，从而起到对相应数码管的选通作用。
4个7段数码管都被接成共阳极方式。
3.1.3看门狗监控电路的设计
本系统采用MAXIM公司的低成本微处理器监控芯片MAX813L构成硬件狗，与AT89C51的接口电路如图3.1所示。
MR与WDO经过一个二极管连接起来，WDI接单片机的P2.7口，RESET接单片机的复位输入脚RESET，MR经过一个复位按钮接地。
该监控电路的主要功能如下：
[2]
（1）系统正常上电复位：
电源上电时，当电源电压超过复位门限电压4.65V，RESET端输出200ms的复位信号，使系统复位。
（2）对+5V电源进行监视：
当+5V电源正常时，RESET为低电平，单片机正常工作；当+5V电源电压降至+4.65V以下时，RESET输出高电平，对单片机进行复位。
（3）看门狗定时器被清零，WDO维持高电平；当程序跑飞或死机时，CPU不能在1．6s内给出“喂狗”信号，WDO跳变为低电平，由于MR端有一个内部250mA的上拉电流，D导通MR获得有效低电平，RESET端输出复位脉冲，单片机复位，看门狗定时器清零，WDO又恢复成高电平。
（4）手动复位：
如果需要对系统进行手动复位，只要按下手动复位按钮，就能对系统进行有效的复位。
3.2分控制器的电路设计
分控制器采用低档型的AT89C2051单片机作为微处理器，AT89C2051也是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含2Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），兼容标准MCS-51指令系统，具有15线可编程I/O口，该单片机具有体积小、成本低、结构简单、性价比较高等特点。
分控制器系统的外围接口电路由晶振、实时时钟芯片、可控硅控制电路、零点检测电路、看门狗电路、通信接口电路等组成。
分控制器系统的硬件电路原理图如图3.2所示。
图3.2分控制器系统的硬件电路原理图
3.2.1时钟芯片的接口设计
本系统利用单片机89C2051和时钟芯片DS1302进行串行数据通信，读取和写入实时数据，用于定时控制照明灯具的启停。
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或RAM数据。
实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于31日时可自动调整。
DS1302与单片机的连接仅需要3根线，即SCLK、I/O、RST。
RST接在P1.7上，此引脚为高电平时，选中该芯片，可对其进行操作。
串行数据线I/O与串行时钟线SCLK分别接在P1.5和P1.6上，所有的单片机地址、命令及数据均通过这两条线传输。
在本系统中，89C2051为主器件，DS1302为从器件，主器件在总线上产生时钟脉冲、寻址信号、数据信号等，而从器件则相应接收数据、送出数据。
对DS1302的每一次读写需16个时钟脉冲，前8个脉冲输入操作地址和读写命令。
其中位7必须为1；位0为0时向芯片写入数据，为1时从芯片读出数据；位6～位1选定芯片中的地址。
后8个脉冲写入或读出数据。
DS1302采用双电源系统供电，VCC1在双电源系统中提供主电源，在这种运用方式下VCC2连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。
DS1302由两者中的较大者供电。
当VCC1大于VCC2+0.2V时，VCC1给DS1302供电。
当VCC1小于VCC2时，DS1302由VCC2供电。
3.2.2零点检测与可控硅控制电路的设计
这部分电路的设计采用单片机的I/O口灌电流的方法控制可控硅实现开关与调光控制，用光电耦合器M0C3021作为可控硅的驱动器，同时实现强、弱电的隔离。
光电耦合器M0C3021通过一个非门与89C2051的P3.7口连接，当此脚输出高电平时，将会封锁住MOC3021，使双向可控硅BT131不导通，这样就会使照明灯关闭；当P3.7脚输出低电平时，使光电耦合器MOC3021打开驱动双向可控硅，从而将双向可控硅触发导通，这样就开启了所要控制的照明灯。
对于照明灯的亮度调节，这里采用PWM（PulseWidthModulation）方式,即脉冲宽度调制的简称，PWM是一种周期一定而高低电平的占空比可以调制的方波信号，当输出脉冲周期一定时，输出脉冲的占空比越大相对应的输出有效电压越大。
在一个周期内的脉冲宽度（导通时间）为T1，周期为T，波形如图3.3所示。
[3]
图3.3脉冲波形图
则输出电压的平均值为：
U=VCC×T1/T=αVCC
其中α=T1/T（正脉冲的持续时间与脉冲周期的比值）称为占空比，α的变化范围为
0≤α≤1，VCC为电源电压。
当电源电压VCC不变的情况下，输出电压的平均值U取决与占空比α的大小，改变α的大小就可以改变输出电压的平均值，这就是PWM的工作原理。
灯泡的亮度与加在灯泡两端的电压成比例，而灯泡两端的电压与可控硅的导通角成比例，这样通过调节PWM信号的占空比来控制可控硅的导通角。
因此占空比越大，灯泡就越亮，当占空比α=1时，灯泡的亮度最高。
由于89C2051单片机没有PWM信号输出功能，所以在这里采用单片机定时器配合软件的方法来实现PWM信号的输出。
使用PWM方法进行可控硅控制时，调制频率不能低于市电频率，因为当频率低
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