单片机控制智能灯光论文讲解Word格式.docx
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Thispaperintroducestheindoorlightingcontrolsystembasedonsinglechipmicrocomputeranditsprinciple,putsforwardtheeffectiveintelligentcontrolmethod,systemdesignincludinghardwaredesignandsoftwaredesigntwoparts:
hardwaredesignandsoftwaredesign.ThehardwaredesignbasedonSTC12C5A60S2singlechipmicrocomputerasmaincontroller,including:
lightingcontrolcircuit,thekeyboardandLCDdisplaycircuit,signalsamplingcircuit,Downloadcircuit.Softwaredesignincludestimingcontrol,lightingcontrol,keyboardscanninganddisplayprogramdesign.Whenworking,apredeterminedilluminationsystemworkingtime,andatanytimebycollectinglightintensity,lightpriorityalgorithmonlightingswitchoperation,soastorealizethelightingcontrol,toachievethepurposeofenergysaving.
Thedesignofeachmoduletest,thissystemisreliable,Performanceisgood,canmeetthedesignrequirements,andhascertainpracticalvalue.
KEYWORDS:
singlechipmicrocomputer,intelligentcontrol,alightsensoratimingcontrol
第1章绪论
1.1选题的意义
近些年来，随着国民经济的快速发展，特别是地产行业的高歌猛进，国内智能照明行业迅速发展，涌现出了各种技术类型的厂家，市场上也出现了各种类型，别具特色的智能开关产品，智能照明系统也应运而生。
智能照明系统其独特的特性，迎合了人们绿色、环保、节能，智能化生活的观念。
与核心控制器相结合，可实现如下几项功能：
1.全自动调光，2.自然光源的充分利用，3.照度的一致性，4.光环境场景智能转换，5.节能，6.延长光源寿命[1]。
设计出一种智能型灯的智能开关控制系统是相当重要的，它不仅要求能够节能而且对人们的出行和生活没有太大的影响。
它实现了路灯的定时开关，并且还根据天气情况、光照强度来决定路灯的开启。
近年来，单片机以其高可靠性，高性价比的优势，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用。
此控制系统使用了了单片机芯片作为控制器，所以智能型时间、照度控制开关可以大大节省了电力电能，具有可靠、使用寿命长、稳定性高、价格便宜的特点，能满足灯的智能控制的需要，且具有广泛的应用前景。
1.2国内外研究现状
智能控制技术发展方向主要有基于人工智能技术的智能控制方向、智能控制的模糊控制方向和智能控制的人工神经网络控制方向，在智能控制的人工神经网络控制方向上，基于人工神经网络和模糊逻辑有机结合的神经模糊技术，已成为近年来的一个热门课题。
面对这一发展趋势，开发了不少智能照明设计，如智能灯具、智能照明控制与管理系统，包括在照明方面的计算机硬件和软件。
此外计算机在照明设计和测试方面也得到广泛应用。
澳大利亚邦奇开发的Dynalie智能照明控制系统，美国的智能照明建筑，特别是现代化办公室的智能照明技术等[2]。
1.3本文所做的主要工作
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。
1.3.1设计要求
（1）按键对当前时间和夜灯时常的调节与设定
（2）光照控制（按照当前时间的光照强度对灯光的开关进行调节，优先级大于设定时间）
（3）定时器模块（利用单片机内部时钟进行时间模拟）
（4）液晶显示，能更直接的对时间和夜灯时常进行观察和调整
（5）软件编程，主程序流程及照度采集和控制程序。
1.3.2设计方法
采用了“时钟控制”和“光照控制”相结合的方法来控制路灯的开关。
利用单片机内部时钟芯片计时，根据当地天黑天亮的时间对单片机进行编程设定或按键设定，从而实现对路灯开关状态的时间控制；
由光敏传感器模块构成的光电检测电路对环境光照强度度的采集、转换为高低电平将信号送给单片机。
当白天天气恶劣光线暗时，光敏传感器模块输出高电平，光敏优先级高于设定时间，单片机打开灯光照明。
第2章智能灯光系统的方案选择与硬件设计
2.1方案的总体设计
为方便检修和维护硬件电路，设计时常常采用模块化的设计方法。
硬件的设计采用模块化设计，则既要满足模块本身功能又要能够和整个系统兼容。
本设计主要采用光敏传感器模块，实现对光照
强度的识别，从而实现利用光感强度的方法判断当前当前灯光的开和关。
按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统以单片机控制模块为核心，外围电路由键盘模块、光敏传感器模块、显示模块、电源模块、下载电路共6个模块组成。
智能灯光控制系统硬件框图如图2-1所示。
图2-1智能灯光控制系统硬件框图
2.1.1单片机的选择
STC12C5A60S2是8051系列单片机，与普通51单片机相比在同样晶振的情况下，速度是普通51的8-12倍，有8路10位AD，多了两个定时器，自导PWM功能，有1K的内部拓展RAM，比51多了一个串口IO扣可以定义，中断限级有四种状态可定义。
2.1.2时钟显示的选择
（1）Nokia5110液晶屏采用串行接口与单片机进行通信，接口信号线数量大幅减少，支持多种串行通信协议（如AVR的单片机的SPI），传输速率高，可全速写入显示数据，无等待时间；
接口简单，仅四根I/O线即可驱动，5110的工作做电压位3.3V正常显示是工作电路在200uA一下，具有掉电模式，设和电池供电的便携式移动设备。
（2）本设计采用的是单片机的内部时钟来实现计时、定时功能，与DS1302时钟芯片相比，本设计省去了DS1302的外加电路和多个电源，使硬件更简单，焊接起来更容易。
2.1.3光敏模块的选择
本设计采用的是光敏传感器模块，采用灵敏型光敏电阻传感器；
比较器输出，信号干净，波型号，驱动能力强，超过15mA；
工作电压为3.3V-5V；
输出形式为数字开关量输出（0和1），使用的是宽电压LM393比较器。
2.2单片机控制部分
2.2.1主控芯片STC12C5A60S2的介绍
STC12C5A60S2单片机是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合，中断限级有四种状态可定义，有1K的内部扩展RAM，通用I/O口，复位后为：
准双向口/弱上拉可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA，3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟，外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3，CCP0/P1.313、PWM2路，A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S15、通用全双工异步串行口（UART），双串口，RxD2/P1.2，TxD2/P1.317、工作范围：
-40~85，封装：
LQFP-48，LQFP-44，PDIP-40，PLCC，该单片机的ADC是逐次比较型ADC。
主次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位（MSB）开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。
逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点，STC12C5A60S2如图2-2所示。
图2-2STC12C5A60S2引脚功能图
3.1.2STC12C5A60S2单片机引脚功能
（1）电源引脚
Vcc（40）：
正电源的引脚，接5V工作电压。
GND（20）：
接地端。
（2）时钟电路的引脚XTAL1（19）和XTAL2（18）
为了产生时钟信号，在单片机的芯片内部已经设置了一个反相放大器，其中XTAL1端口就是片内反相放大器的输入端，XTAL2端则是片内振荡器反相放大器的输出端。
单片机使用的工作方式是自激振荡的方式，XTAL1和XTAL2外接的是12MHz的石英晶振，使内部振荡器按照石英晶振的频率频率进行振荡，从而就可以产生时钟信号。
（3）复位引脚RST（9）
当振荡器运行时，只要有有两个机器周期即24个振荡周期以上的高电平在这个引脚出现时，那么就将会使单片机复位，如果将这个引脚保持高电平，那么51单片机芯片就会循环不断地进行复位。
复位后的P0口至P3口均置于高电平，这时程序计数器和特殊功能寄存器将全部清零。
（4）输入输出口（I/O口）引脚
P0口（39～32）是一个三态的双向口，既可以作为数据和地址的分时复用口，又可以作为通用输入输出口。
P0口在有外部扩展存储器时将会被作为地址/数据总线口，此时P0口就是一个真正的双向口；
而在没有外部扩展存储器时，P0口也可以作为通用的I/O接口使用，但此时只是一个准双向口；
另外，P0口的输出级具有驱动8个LSTTL负载的能力即输出电流不小于800μA。
P1口（1～8）是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，而P1口只有通用I/O接口一种功能，而且P1口能驱动4个LSTTL负载；
在使用时通常不需要外接上拉电阻就能够直接驱动发光二极管；
在端口置1时，其内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入端口用。
对于输出功能，在单片机工作的时候，可以通过用程序指令控制单片机引脚输出高电平或低电平。
P2口（21～28）是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，而且P2口具有驱动4个LSTTL负载的能力。
P2端口置1时，内部上拉电阻将端口的电位拉到高电平，作为输入口使用；
在对内部的Flash程序存储器编程时，P2口接收高8位地址和控制信息，而在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口就送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器时，P2引脚上的内容在此期间不会改变。
P3口（10～17）也是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口能驱动4个LSTTL负载，这8个引脚还用于专门的第二功能。
P3口作为通用I/O口接口时，第二功能输出线为高电平。
P3口置1时，内部上拉电阻将端口电位拉到高电平，作输入口使用；
在对内部Flash程序存储器编程时，此端接控制信息。
P3口的第二功能，如表2.1所示。
表2-1P3各口线与专用功能表
I/O功能
第二功能
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（定时/计数器0的外部输入）
P3.5
T1（定时/计数器1的外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
（5）其它控制或复用引脚
ALE（30）：
地址锁存有效信号输出端。
在访问片外存储器时，ALE（地址锁存允许）以每机器周期两次进行信号输出，其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址；
在不访问片外存储器的时候，ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号（此频率是振荡器频率的1/6）,而在访问片外数据存储器时，ALE脉冲会跳空一个,此时是不可以做为时钟输出。
（29）：
片外程序存储器读选通信号输出端，低电平时有效。
当单片机从外部程序存储器取指令或常数时，每个机器周期内输出2个脉冲即两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。
但在访问片外数据存储器时，
将不会有脉冲输出。
/Vpp（31）：
为片外程序存储器访选用端。
当该引脚访问片外程序存储器时，应该输入的是低电平，要使单片机只访问片外程序存储器,这时该引脚必须保持低电平；
而在对Flash存储器编程时，用于施加Vpp编程电压。
3.1.3单片机最小系统
单片机最小系统电路图如图2-3所示。
STC12C5A60S2主要由复位电路和时钟电路两部分组成。
为确保单片机系统稳定且可靠地工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路可分为上电复位和手动复位，本设计为考虑周全，采用上电复位和手动复位两种方式。
由于单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚为XTAL1和XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端，在这两个端口跨接晶体（或陶瓷）振荡器和两个电容就构成了一个稳定的自激振荡电路。
一般外接晶体时，电容选为30pF左右。
图2-3单片机最小系统电路图
2.2.2复位电路的设计
STC12C5A60S2系列单片机与其他微处理器一样，在启动时都需要复位，是CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始开始工作。
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
复位电路的设计如图2-4所示。
图2-4复位电路
复位电路：
主要由按键、电解电容、和电阻构成。
本课题采用上电复位与按键复位相结合的方式；
复位原理是单片机RST引脚接收2μs以上的高电平。
当键按下，电容放电（充放电时间大于2μs），电阻R2两端电压增加,即可实现复位[2]。
2.2.3晶振电路的设计
51系列内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器。
晶振电路：
主要由12MHZ的晶振和电容（C=30pf）组成，单片机工作时能产生固定的时钟振荡频率。
晶体振荡频率越高，则系统的时钟频率越高，单片机运行速度也就快。
晶振电路如图2-5所示。
图2-5晶振电路
根据硬件电路不同，单片机的时钟连接方式可分为内部时钟方式和外部时钟方式，本课题采取内部时钟方式。
内部振荡方式：
MCS-51单片机内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL和XTAL分别是此放大器的输入和输出端。
把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷振荡器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
2.3按键电路的设计
由于是时间、照度综合控制开关，所以需要按键调时。
如图2-6所示为按键电路。
此电路图采用独立式按键，每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。
4个按键达到设时的目的。
Key1为功能键，Key2为选择键，Key为加键，Key为减键。
显示为小时、分钟、秒，K1按第一下转换到设置当前时间模式、K1按第二下转换到显示进入夜灯时常调整字样、K1按第三下跳转到夜灯时常调整模式，当跳转到设置当前时间模式时K2按第一下设置当前时间的小时、K2按第二下时设置当前时间的分钟，当跳转到设置夜灯时常模式时，K2按第一下设置起始时间的分钟、K2按第二下时设置起始时间的小时、K2按第三下时设置终止时间的分钟、K2按第四下是设置终止时间的小时，调时完毕，最后按K1键即为确定。
图2-6按键电路
2.4光敏传感器模块的介绍
光敏电阻模块对环境光线最敏感，一般用来检测周围环境的光线的亮度，触发单片机或继电器模块等；
模块在环境光线亮度达不到设定阈值时，DO端输出高电平，当外界环境光线亮度超过设定阈值时，DO端输出低电平；
DO输出端可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环境的光线亮度改变；
DO输出端可以直接驱动本店继电器模块，由此可以组成一个光控开关，如表2-2为光敏传感器的原件简介。
表2-2光敏传感器的原件简介
规格
型号
最大电压
最大功耗
环境温度
光谱峰值
亮电阻
暗电阻
100γ10
响应时间
照度电阻特性
VDC
mW
℃
nm
10Lux
mS
KΩ
MΩ
上升
下降
Φ5系列
GL5537
150
100
-30～+70
540
20-30
2
0.6
20
30
4
2.4.1光敏传感器的实物图
图2-7光敏传感器实物图
2.4.2光敏传感器的原件表
表2-3光敏传感器原件表
元件编号
标称值
数量
R1
1K
1
R2
R3
R4
1M
R5
47K
R6
22K
RP1
D1
IN5819
C1
104
RG1
光敏电阻
LED1
LED红
P1
3P插针
C2
100UF/10V
Q1
8050
U1
LM358
2.4.3光敏传感器的原理图
图2-8光敏传感器原理图
2.4.4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。
本课题选用的是灵敏度较好的硫化镉光敏电阻（LXD5637D）。
LXD5637D亮阻范围15-50K，暗阻上限5.0M。
硫化镉光敏电阻封装如图2-9所示。
图2-9光敏电阻封装图
光敏电阻的工作原理：
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。
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—空穴对增加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，也可以加交流电压。
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。
硫化镉光敏电阻的特性：
（1）温度特性
硫化镉光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大，当温度升高时，它的暗阻会下降。
因此，有时为了提高灵敏度，或为了能接受远红外光而采取降温措施。
其温度温度特性如图2-10所示。
图2-10温度特性
（2）伏安特性
伏安特性在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。
图2-11为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。
由图可见，光敏硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线电阻在一定的电压范围内,其I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关,而与电压、电流无关。
图2-11硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线图
2.5电源模块的设计
单片机的供电方式有交流电供电、变压器供电、USB供电和蓄电池供电。
本设计的电源是由6V的蓄电池所提供，而单片机和外围电路所需的电压是5V,所以电源模块的作用是将蓄电池的电压6V降低到单片机和外围电路所需要的5V,给单片机和外围电路提供合适的电压。
电源模块的原理图如图2-12。
电源模块的主芯片是LM7805。
LM7805是用来稳压的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
由其组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
图2-12电源模块电路图
2.6整机电路原理
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