大楼电气照明以及防雷接地系统设计正文Word下载.docx
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此系统是通过控制电气照明亮的个数来进行简单的调节，这种方法相对简单易行，本钱较低，非常好控制，所以大楼电气照明以及防雷接地自动调节采用此方法来设计此次大楼电气照明以及防雷接地自动调光系统。
1方案比拟与论证
1.1调光方案选择
方案一：
调节电流大小
以这种方式调节，其线性度好、范围广，但其功耗较大，经常使用会使大楼电气照明以及防雷接地的寿命缩短。
方案二：
调节PWM
这种方法能使工作电压保持恒定，灵活性高，噪声小，动态响应好，但其对发光的效率会有影响，对使用寿命也有一定的减短。
方案三：
调节控制电气照明亮的个数
这种方法相对简单易行，本钱较低，非常好控制，而且灯可以不同时亮起，能起到保护灯的作用，延长了灯的使用寿命，功耗也相对较小，能更好的节约环保。
经比拟，方案三更加符合环保节能的要求，且易于控制，所以本设计选用此方案来设计这次的大楼电气照明以及防雷接地自动调光系统。
1.2主芯片选择
选用AT89S52
该芯片低功耗，高性能的8位微控制器，具有8位的存储空间，同时具有线编程可擦除技术，对于程序修改或新增程序的烧入时，芯片不需要拔插，简单方便，还能保护芯片，延长寿命。
选用STM32
此芯片低功耗，低本钱，高性能，具有16或32位的存储空间，同时，当时钟频率是72MHZ时，其功耗是在32位市场上最小的，能大大的提高能源利用率。
选用STC12C5A08S2
该芯片是51的增强型单片机，增加了EEPROM、看门狗等功能，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，外设更为丰富，保密性好，且具有支持掉电唤醒的管脚，本钱低、性价比高，使用起来更为放心方便。
经比拟，STC12C5A08S2更符合本设计的要求，其体积小，功耗超低，串口下载很方便，在功能上比AT89S52更丰富，而本钱上比STM32相对更低，性能适中，性价比更高。
STC12C5A08S2作为本设计的主控芯片，STC125A08S2具有128K字节的片内RAM数据存储器，芯片内EEPROM功能，擦写次数10万次以上，可满足程序的读写和屡次下载，并且STC12C5A08S2的芯片内部支持A/D转换，P1口可直接将红外模块采集到的信息转换为数字量工处理器识别，所以更符合本设计的要求。
1.3光敏传感器选择
光传感器是运用光电子技术，使光信号转换成电信号的装置。
光传感器具有非接触，响应快，性能可靠等优点，在各领域得到运用。
目前有三大类的光传感器：
光敏电阻，光敏二极管和光敏晶体管，以及光电池，其特点如下：
光敏电阻
特点是价格低廉，输出电流大、受温度的影响小，抗干扰能力强，可靠性高。
它的缺点是响应速度慢。
光敏二极管和光敏晶体管
特点是灵敏度高，响应时间快，但它受温度影响比拟大，受光面小，而且有非常强的方向性，抗干扰能力弱。
它的另一个特点是不同型号的管子对光谱响应有很大不同。
光电池
特点是灵敏度高，受光面积大，输出电流小，响应速度快，受温度影响小，光谱比拟宽，抗干扰能强。
经比拟，该系统设计综合考虑要求响应速度快，性价比相对高，简单方便的光传感器，因此选择最适中的光电二极管作为本系统的传感器装置。
2设计原理概述
2.1系统总体设计
总的目标是通过光敏传感器采集室内的亮度，STC12C5A08S2微处理器收集传感器的数据进行智能控制大楼电气照明以及防雷接地的发光和发光灯的数量。
此外系统还具有人性化的设计，设有手动和自动以及无线遥控三个档位，易于操作。
系统总体设计框图如图2.1所示。
图2.1系统总体设计框图
此系统主要包括以下系统:
〔1〕STC12C5A08S2微处理器系统模块，该模块是整个系统的主要核心局部，负责接受光敏传感器采集得到的信息，并对这些信息做出处理，根据设定参数值，将结果输出到电气照明以及防雷接地系统，调节照明灯的照亮个数，此局部还要包括手动和遥控调节的局部。
〔2〕光敏传感器模块，该模块主要是用于对外部光亮信息的采集，并将这些光亮信息转化为单片机能识别的电信息。
〔3〕电气照明以及防雷接地系统模块，该模块包括大楼电气照明以及防雷接地的驱动以及其照明局部，对单片机输出的信息进行处相应作出处理，亮起相应的灯的个数，到达电气照明的调控。
总体来说，建立一个自动大楼电气照明以及防雷接地调光照明系统，先通过光敏传感器系统收集室内当前的光亮信息，并经由STC12C5A08S2微处理器产生控制信号，对电气照明以及防雷接地系统加以控制，到达室内电气照明以及防雷接地系统的自动控制，在此根底上也可以通过手动和无线遥控来控制开关,更具有灵活性。
2.2电气照明以及防雷接地分析
随着新一代半导体材料ALGaAs（砷化铝镓）、AlInGaP（磷化铝铟镓）和AlInGaN（氮化铝铟镓）的出现和发光二极管封装等技术的突破，单晶片红、绿、蓝、白光大楼电气照明以及防雷接地的功率等级不断提高，高亮度的大楼电气照明以及防雷接地很有可能成为第四代光源。
大楼电气照明以及防雷接地是以半导体管芯为发光材料的一种电致发光器件，发光原理：
把电子移动到量子阱中，并有一定波长的光。
电气照明、防雷与接地是一种绿色光源，节能环保，可以促进低碳经济开展很好，由于其高效、节能、环保、响应速度快、寿命长等优点，被认为是最好的替代品取代传统的白炽灯灯和荧光灯。
近年来，随着新材料的开发应用和制造技术的不断进步，建筑电气照明和防雷接地的研究取得了突破性进展。
电气照明和防雷接地也被称为“固态照明〞，其发光效率高，从生产到几乎没有污染的环境，而耗电量又仅仅是传统灯泡的1/5，使用寿命更是达数十倍，所以近年来成为全球最具开展前景的高新技术之一。
2.2.1大楼电气照明以及防雷接地的工作原理
大楼电气照明以及防雷接地是有Ⅲ-Ⅴ族化合物，如GaAsP、GaAs、AlGaAs等半导体支撑，其核心是P-N结，所以它具有P-N结的伏安特性当有正向电压时，电子从N区注入P区，空穴相反。
进入双方区域的少数流子，其中一局部与多数载体化合物和光，如果这些都发生在P区，注入的电子和空穴在价带中直接复合发光，电子注入5月1日由发光中心俘获后，与空穴复合光。
有些电子被非发光中心所包围，然后与空穴结合，因为释放的能量不是很大，不会形成可见光。
发光量之比越大，发光量子效率越高。
大楼电气照明以及防雷接地全称为发光二极管，其是以半导体管芯作为发光材料的一种电致发光器件。
它的发光原理是：
在微观尺度上，通过将移动电子“掉进〞量子阱里，来产生一定波长的光。
因为这个过程几乎没有热能损耗，所以相比于荧光灯、白炽灯，其发光效率要高许多。
大楼电气照明以及防雷接地的心脏是一个半导体晶体，晶片的一端附在支架上，一端是负极，另一端连接店员的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来，平安可靠。
2.2.2大楼电气照明以及防雷接地的I-V特性分析
I-V特性是表征大楼电气照明以及防雷接地芯片PN结性能的主要参数。
其具有非线性和单向导电性。
当加在大楼电气照明以及防雷接地上的正向电压小于阀值的时候，通过大楼电气照明以及防雷接地的电流很小，大楼电气照明以及防雷接地不发光，当电压超过阀值的时候，正向电流随之增大，大楼电气照明以及防雷接地的亮度也会随之增亮。
当大楼电气照明以及防雷接地正常工作时，端电压的微小波动都会使电流发生较大的变化。
但大楼电气照明以及防雷接地的伏安特性不是一定的，当温度变化时，大楼电气照明以及防雷接地的电流也会发生拨动，这样电气照明的电流不稳定会影响到大楼电气照明以及防雷接地的寿命长短，所以系统采用大楼电气照明以及防雷接地恒流来驱动。
2.2.3大楼电气照明以及防雷接地的主要特点
表2.1给出了电气照明与其他的照明灯的性能比拟结果，从表中可以得出，电气照明以及防雷接地灯在发光效率、节能、环保、使用寿命等性能上都很明显的优于其他的节能灯。
表2.1电气照明以及防雷接地灯与其他照明灯性能的比拟
光源类型
发光效率〔Im/W〕
显色指数Ra
色温〔K〕
平均使用寿命〔h〕
节能
环保
白光电气照明以及防雷接地灯
50-200
75-85
5000-10000
10000-50000
好
白炽灯
12-24
100
2800
2000
差
较差
普通荧光灯
50-70
70
全系列
10000
较好
差〔含汞〕
三基色荧光灯
93
80-98
12000
小型荧光灯
60
85
8000
卤钨灯
65-92
3000-5600
6000-20000
高压汞灯
50
45
3300-4300
6000
高压钠灯
100-120
23-85
1950-2500
24000
低压钠灯
200
1750
28000
2.2.4大楼电气照明以及防雷接地光源的优点
〔1〕光线质量高。
大楼电气照明以及防雷接地是基于半导体中载流子的复合而发光的，光谱几乎全部集中于可见光频率，不包含紫外线和红外线，故无热量、无辐射，效率可以到达80℅-90℅。
〔2〕能耗小，寿命长。
在同样亮度下，大楼电气照明以及防雷接地电能的消耗仅为白炽灯的1/10，而寿命那么是白炽灯的100倍。
〔3〕响应速度快。
大楼电气照明以及防雷接地本身的的工作原理使得其发光对电流响应极快，所以很适合在频繁使用的场所。
〔4〕应用灵活。
大楼电气照明以及防雷接地体积较小，封装较灵活，能做成各种形式的产品。
〔5〕平安环保。
大楼电气照明以及防雷接地单位工作电压在1.5-5V之间，现在功率最大的单个大楼电气照明以及防雷接地工作电流也只是几个安培，对人体没有伤害。
并且大楼电气照明以及防雷接地被弃用后，是可以回收的，没有有害物质，对环境没有污染。
2.3STC12C5A08S2单片机介绍
2.3.1芯片简介
STC12C5A60S2/AD/PWM系列的单片机是低功耗/高速/抗干扰的新一代8051单片机，指令代码也完全兼容传统的8051,而且速度快8-12倍。
内部集成了MAX810专用复位电路,8路高速的10位A/D转换，2路PWM,是针对电机控制，强干扰等场合。
STC12C5A08S2的特点：
〔1〕增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容了传统的8051。
〔2〕工作电压：
STC12LE5A60S2系列的工作电压为：
3.6V-2.2V〔3V单片机〕；
STC12C5A60S2系列的工作电压为：
5.5V-3.5V〔5V单片机〕〔3〕用户应用程序空间可以为8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节等等。
〔4〕通用I/O口〔36/40/44个〕，复位后为：
准双向口/弱上拉〔普通8051传统I/O口〕，可以设置四种模式：
强推挽/强上拉，准双向口/弱上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口的驱动能力均能到达20mA，但是整个芯片也不能太大，最大不要超过120mA。
〔5〕ISP/IAP，不需要专用编程器和专用仿真器，可以通过串口，直接下载用户程序，数秒之内即可完成一片。
〔6〕时钟源有外部晶体/时钟和内部R/C振荡器，用户在下载程序时，可选择任意一种。
〔7〕有3个时钟的输出口，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,而独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟〔8〕外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或者是低电平中断,并新增了支持上升沿中断的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、CCP1/P1.4。
〔9〕A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可以到达250k/s（每秒钟25万次）。
〔10〕工作的温度范围为：
-40~+85℃（工业级）/0~75℃（商业级）。
2.3.2STC12C5A系列单片机的内部结构
STC12C5A60S2单片机的内部结构如图2.2所示，其包含有中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗和片内R/C振荡器等模块。
STC12C5A60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所要用到的所有单元模块，可以称得上是一个片上系统。
图2.2STC12C5A60S2系列内部结构框图
2.3.3STC12C5A08S2功能结构
电源监控：
1.上电复位
2.掉电复位
3.外部可调复位
4.门槛电压复位
5.外部掉电检测
WDT
硬件看门狗
内部大容量
EEPROM
数据RAM
1280字节
图2.3STC12C5A08S2结构框图
STC12C5A08S2结构框图如图2.3所示，其主要由CPU、Flash程序存储器、数据RAM、内部大容量EEPROM、WDT硬件看门狗、电源监控。
片内R/C振荡、2-3个独立波特率发生器ISP/IAP、8通道高速的10位A/D、2路PWM\CCP\PCA捕获\比拟单元、两个定时器，高速SPI，还有P0/P1/P2/P3可配置I/O口。
2.3.4STC12C5A60S2的参考电压源
STC12C5A60S2的参考电压源为输入工作电压Vcc，所以一般用不到外接的参考电压源。
比方7805的输出电压为5V，但实际电压那么又可能为4.88V至4.96V，但如果用户需要精度比拟高的时候，那么可以在出厂的时候，将实际测得的工作电压的值记录在单片机内部的EEPROM里面，到使用时以供计算。
而假设有些用户的Vcc不是很固定，比方电池供电，电池电压一般在5.3V-4.2V之间漂移，那么Vcc就不固定，这时就需要在8路的A/D转换的一个通道外接一个比拟稳定的参考电压源来计算出当时的工作电压Vcc，然后再计算出其他几路A/D转换通道的电压。
2.4触摸按键介绍
2.4.1触摸按键的功能
触摸按键起到keypad的作用，但与keypad不一样的是，keypad是通过开关或者是metaldome的通断发挥按键的作用，而触摸按键是通过电容的变化，经过触摸按键集成为芯片处理之后，控制开关的通关。
传统的机械式按键易脏、易磨损、寿命短，而电容式触摸技术其电路简单，其工艺本钱低、易于触摸检测、无需硬件维护、灵敏度可调、精度高、外观时尚美观，很适合推广到各个家用电器、等。
在任何两个导电的物体之间都是存在电容的，而电容的大小和介质的导电性质、极板的导电性质及大小、极板周围是否存在导电物质等有关。
电容式感应按键的原理是利用感应电容来检测是否有人的手指，手指按压时没有，因为密钥的分布电容的存在，所以在手的静态电容，当人们接近或触摸身体上的按钮，寄生电容耦合到静态电容的关键的电容变化，改变电容器的电容的输入给单片机，单片机将价值转变成电信号的变化，然后检测尺寸的变化一定的算法后，它超过一个阈值时，就认为是有手指按下。
2.4.3触摸按键的材质选择
在选择触摸按键的材料的时候，要注意以下这几个方面：
〔1〕与感应直接接触的外部材料，防止是有金属及含碳等带电的材料〔2〕覆盖版的厚度大小会直接影响触摸灵敏度的大小，覆盖版的厚度越大时，其灵敏度越小，信噪比也会越低，所以其越薄越好。
〔3〕触摸接触面板不能承载太多的电荷数。
〔4〕材料的介电常数要适中，介电常数太大，就会太灵敏，比拟容易引起误动作，介电常数过小，就又会导致灵敏度太差。
2.4.4电容式触摸按键的电源选择
电容式触摸按键的电源有限选择线性电源，因为开关电源会产生纹波，其会对触摸芯片产生影响。
当采用开关电源的时候，尽量控制纹波的幅度和噪声，空利用LDO经行转换。
在使用的时候，可以利用星形接法等把电容式触摸按键的电源应尽量和其他电源分开，并同时做好滤波处理。
2.4.5制作触摸按键的注意问题
〔1〕形状：
原那么上是可以做成任何的形状的，并且在其中间可以镂空或者留空，但我们一般都做成边缘圆滑的形状〔比方六边形或者圆形等〕，这样可以防止尖端放电效应。
〔2〕大小：
其大小原那么是最小可以是4mmX4mm，最大可以是30mmX30mm,但建议是不要超过15mmX15mm，因为太大的话，外界的干扰也会多一些。
〔3〕按键的间距：
在制作的时候，各个按键之间的距离最好尽可能的大一些，这样能减少它们形成的电场之间的相互干扰。
2.5无线遥控简介
2.5.1无线遥控的原理
一个完整的遥控电路是有发射和接收两局部组成。
其发射局部，一般包括一个能产生等幅振荡的高频载频振荡器和一个产生低频调制信号的低频振荡器。
有低频振荡器产生的低频调制波，一般是宽度一定的。
如果多个控制，可以用每一条路的宽度以不同的方式，或者用频率的方法与调频载波的频率不一样，最后组合成一组调制波，发射到空中作为控制信号。
从工作模式看，接收电路可分为超再生接收模式和超外差接收模式。
事实上，超级再生电路是一个控制间歇振荡高频振荡器，它使用一个电容，但电视振荡器，振荡频率和发射机频率。
间歇振荡是在高频振荡过程中产生的，反过来又可以控制的间歇性和高频振荡器振荡。
间歇振荡的频率由电路参数决定。
频率较低，电路抗干扰性能好，灵敏度较低，反之亦然。
超外差原理是将局部产生的冲击波与输入信号混合。
它的优点是：
具有较好的频率特性与较高的选择性；
容易调整；
比拟容易得到足够大并且稳定的放大量。
而其缺点那么是电路显得比拟复杂，且同时会存在有一些特殊干扰，比方组合频干扰、频率干扰等。
2.5.2PT2262/2272芯片简介
最常用的无线遥控芯片是PT2262/2272编解码集成电路，其是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺的低价位低功耗的通用编码加码电路。
它最多可以有12位三态地址端的管脚，如果任意组合的话可以提供531441个地址码，PT2262最多可以有6位的数据段管脚，设定的数据码和地址码是从17脚串行输出，可以用来无线遥控的发射电路。
编码芯片PT2262发出的编码信号是由数据码、地址码及同步码组成的一个完整的码字，当解码芯片PT2272接收到这个信号之后，地址码经过两次的比拟核对之后，VT脚输出高电平，并且同时相应的数据脚也会出输出该电平，如果一直按住发送端的按键，编码芯片也会相应的连续发射。
当发射机的按键没有被按下的时候，PT2262不接通电源，它的17脚那么是低电平，因此315MHz的高频发射电路不工作，按键一旦再按下的时候，PT2262就会工作，它的17脚输出调制后的串行数据信号，而当17脚是高电平的时候，315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，17脚为低电平的时候，315MHz的高频发射电路停止振荡，因此说，高频发射电路完全是受控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控〔ASK调制〕跟调制度为100%的条幅相当。
2.6光敏二极管
2.6.1光敏二极管的结构特点
光敏二极管和普通二极管相比，虽然都是属于单项的非线性半导体器件，但是在结构上，二极管有其特殊的地方。
光敏二极管在使用时是需要反向的接到电路之中，即把负极接到电源的正极，而正极那么要接到电源的负极。
2.6.2光敏二极管的光电转换原理
依据PN结的反向特性，在一定的反向电压范围之内，反向电流很小并处在饱和状态。
此时，如果没有光照射到PN结，那么会因本征激发产生的电子-空穴对数量是有限的，而反向饱和电流那么是保持不变的，这就称为暗电流。
当有光照射PN结的时候，会产生大量的电子-空穴对〔光生载流子〕，这样就会使流经PN结的电流随着光照强度的增加而增大，这时的反向电流称为光电流。
在光敏二极管不同的区域，不同波长的光〔如蓝、红、红外光等〕是会被吸收而形成光电流。
蓝色是光电二极管外表P型扩散层的吸收在这一地区，一旦被光生载流子漂移产生的耗尽层界面的光，将节点的电场作用下，N区的流动形成的光电流局部。
相对较长的红光波长将在损耗层的P层中激发电子-空穴对，而且在电场的交界处，电子和空穴流向N区和P区，然后局部光电流。
红外线的波长最长，通过P层和耗尽层，直接向N区吸收。
因为光照产生的光生载流子在N区，一旦漂移到耗尽区，就会在结电场的作用之下，被拉向P区，形成光电流。
所以，当光照射时，最后流过PN结的光电流应该是三局部的光电流的总和。
3硬件电路设计
3.1主控电路局部
本设计主要是STC12C5A08S2单片机，而STC12C5A系列单片机系统电路设计和一般51单片机系统原理图一样，要使单片机工作需要设计电源模块、下载模块等电路图。
因为本系统采用的STCSTC12C5A系列单片机是5V电压供电，所以电源模块直接用USB供电，只需加上旁路，滤波电容就可以了。
STC单片机下载接口是采用串口USART形式下载，只需将串口接口引出就行。
具体电路如图3.1所示。
图3.1主控电路图
3.2大楼电气照明以及防雷接地驱动电路
该模块包括电路的驱动局部和电气照明的照明，在照明局部，我们采用了由四个电气照明组成，本钱相对是较低的。
在电路局部使用SW-SPST位状态开关，当其闭合的时候，是低电平，即其在编程时，i=1时为自动状态；
i=0时为手动和遥控状态，在手动和遥控状态时，SW-PB为复位开关，按一下两个灯亮，再按一下四个灯亮，继续按一下灯就全灭，并可以不断循环按下，重复此状
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