基于单片机智能照明系统主控制器的设计 毕业论文.docx
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湖北省高等教育自学考试毕业论文
基于单片机智能
照明系统主控制器的设计
主考院校：
武汉大学
专业：
电子工程
指导老师：
考生姓名：
准考证号：
2017年2月28日
摘要
随着社会的进步,照明系统的人性化，智能化，节约化显得尤为重要，既适合了人类的需求，又响应了国家的绿色经济发展战略，随着国家提倡低碳经济的发展，公共场所照明系统的改进显得尤为重要，节能和智能科技变为主题，近年来，随着科技的进步，人们对照明灯具节能和科学化管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化领域的地位越来越重要，现在引入绿色照明的概念，所以更应营造一个舒适的视觉环境来减少光污染，照明已经成为直接影响工作效率的主要因素之一，因此，越来越引起人们的高度重视，做好照明设计，加强照明控制设计，智能照明系统充分利用电子技术、通信技术和计算机网络技术将各种照明器具有机的连接在一起，实现有效的管理和控制。
智能照明系统正是21世纪的趋势之一。
系统中的智能灯光节点能够根据外界光强自适应调整自身灯光亮度，周期性采集室内光强、有无人进出等环境信息，并及时响应用户的控制命令。
随着LED性能的不断改善和价格的不断降低，高亮度LED取代传统光源应用于通用照明是未来的发展趋势。
设计了一套基于单片机MCU控制的LED智能照明系统，LED采用恒流驱动，PWM调光方式。
其中光强度传感器使得LED能够根据环境需要自动调节自身亮度声控开关方便操作。
详细给出了各个部分的设计。
实验表明，系统长时间运行稳定，高效节能，白光质量好，适用于公共场所通用照明，针对传统照明系统布线麻烦、节能效果差等缺点。
本文设计的照明系统通过动态侍感器、照度传感器、通讯装置等使得照明变得更加智能、人性化：
有效节省了电费与管理费用。
关键词：
智能化人性化节能绿色高亮度LEDPWM调光
目录
摘要I
第1章绪论3
1.1课题研究背景意义3
1.2国内外发展现状3
1.3文本所作的工作3
1.3.1节能方面作的工作3
1.3.2改善工作环境与提高工作效率作的工作4
第2章系统设计5
2.1系统的功能和指标5
2.2核心器件的比较与选型5
2.2.1单片机选择5
2.2.2光照检测方式6
2.2.3声控开关检测方式7
2.2.4LED的调光控制8
第3章硬件设计11
3.1单片机中的各个小系统介绍11
3.1.1AT89C51引脚介绍11
3.1.2CPU时钟电路12
3.1.3复位电路13
3.2光信号取样电路设计13
3.2.1仪表放大器的结构及使用14
3.2.2OP07的介绍及应用15
3.2.3TLC3545的介绍及应用17
3.3声音信号采集电路19
3.3.1声音信号放大原理19
3.3.2CD4051的介绍及应用20
3.4LED驱动电路21
3.4.1LED供电电源21
3.4.2LED驱动电路21
3.5键盘电路设计22
3.5.1键盘的作用22
3.5.2键盘电路及其说明22
3.5.3键盘功能说明23
3.5.4键盘的机械抖动23
第4章软件设计25
4.1系统流程图25
4.2仿真环境介绍28
4.3.1Keil介绍28
第5章总结与展望29
参考文献31
谢辞32
第1章绪论
1.1课题研究背景意义
随着计算机网络、通信、控制等技术的发展,智能建筑的发展越来越迅猛。
现代化建筑中的楼宇自控设备和不同功能的系统越来越多,越来越复杂，目前，国内大多数智能建筑存在效率低、能耗高的现象。
就智能建筑的照明系统来说，许多地方的灯经常是从早到晚开着的，不管这些房间或楼道是否有人，也不管有多少人。
无论何种建筑,也不论该建筑的智能化程度有多高,照明控制一直在其楼宇自控系统中占据十分重要的位置。
我们用智能照明系统主控制器，实现照明的人性化，个性化，LED大大降低了系统的开发难度、组成成本,缩短了开发周期。
该系统投资少、功能强、可靠性高、便于扩展,特别适合大型的智能办公大厦对灯光设备的控制需要。
在市场上具有强劲的竞争力。
1.2国内外发展现状
目前，国内大多数智能建筑存在效率低、能耗高的现象。
就智能建筑的照明系统来说，许多地方的灯经常是从早到晚开着的，不管这些房间或楼道是否有人，也不管有多少人。
无论何种建筑,也不论该建筑的智能化程度有多高,照明控制一直在其楼宇自控系统中占据十分重要的位置。
现代照明除了满足人的基本生活、学习要求之外,将更注重能量的节省和使用上的便利，以及满足人类工程学的个性方面的要求。
特别是近年来大厦内利用计算机工作的人员比例上升，不同视觉要求的工作的数量和复杂程度大大增加。
所以要做到合理、经济、节能，首先应采用先进成熟的技术和产品，如电光源、灯具、照明控制系统。
因此，适应不同个人和工作需要，结合自动调节与手动调节的智能化照明系统已经成为必不可少了。
1.3文本所作的工作
1.3.1节能方面作的工作
照明领域的能源消耗在总的能源消耗中占了相当大的比例节约能源和提高照明质量是当务之急。
LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦），电光功率转换接近100%。
一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能80%以上。
1.3.2改善工作环境与提高工作效率作的工作
良好的工的环境是提高工作效率的很重要的条件，合理的利用智能照明系统的主控制器，可以提高照明系统的工作效率，智能照明系统是有开关和调节两种控制方法，可以有效的控制各种照明场所的智能照明，改善工作环境，从而提高工作效率，提高照明均匀性，同时系统能根据不同的照明强度，自动调节照明亮度。
第2章系统设计
2.1系统的功能和指标
本系统是以单片机为控制器的核心，以AT89C51为基础，以光敏电阻为信号采集单元，再连接外围电路，通过单片机通信方式实现照明灯具的智能控制。
以下是各部分器件的选择与基本介绍。
2.2核心器件的比较与选型
2.2.1单片机选择
方案一MCS-51单片机
AT89C51是一种4k字节存储器，低电压，高性能的存储器，俗称单片机。
它与MCS-51兼容，寿命和数据保留时间长，两个16为定时器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗，它是MSC-51单片机中应用最广泛的型号，以它为代表进行参数介绍，它的组成部分是，微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。
通过片内单一总线连接而成，其基本结构是CPU加上外围芯片的传统结构模式。
但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。
其内部结构主要有以下几部分：
1，一个八位的中央处理器（CPU），是单片机的核心，2，128个字节的内部数据RAM，地址为00H~7FH，3，21特殊功能寄存器SFR，离散分布于地址80H~FFH中，4，程序计数器PC，是物理上独立的十六位专用寄存器，5,4k字节FLASH内部程序存储器，6,4个8位可编程I/O口，,7，1个UART串行通信口，8，2个16位定时器，9,5个中断源，两个中断优先级的中断控制系统，10，一个片内振荡器和时钟电路，11，用于扩展RAM,ROM等结构，地址总线，数据总线，控制总线，
方案二AVR单片机
精简指令集的高速8位单片机，简称AVR，相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片机。
选择AVR单片机的最主要原因，是进入AVR单片机开发的门槛非常低，只要会操作电脑就可以学习AVR单片机的开发。
单片机初学者只需一条ISP下载线，把编辑、调试通过的软件程序直接在线写入AVR单片机，即可以开发AVR单片机系列中的各种封装的器件。
AVR单片机的I/O口是真正的I/O口，能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。
工业级产品，具有大电流（灌电流）10～40mA,可直接驱动可控硅SCR或继电器，节省了外围驱动器件。
由于采用了高性能的MCU,省掉了大量的外围器件,如外扩RAM、ROM存储器等,使硬件结构大大简化,提高了系统的可靠性。
它与其他类型的单片机，AVR它有以下优点：
首先，AVR单片机是高速嵌入式单片机。
AVR单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行。
多累加器型，数据处理速度快。
AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行、中断响应速度快。
AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断。
其次，AVR单片机耗能低。
对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备。
有的器件最低1.8V即可工作。
再次，AVR单片机保密性能好。
它具有不可破解的位加密锁LockBit技术，保密位单元深藏于芯片内部，无法用电子显微镜看到。
第四，I/O口功能强,具有A/D转换等电路，有功能强大的定时器/计数器及通讯接口。
综上两种方案分析，除了以上两种单片机，还有许多种类其它结构的单片机，如果实现本系统，基本上以上两种类型的单片机都能实现，考虑到MCS-51单片机具有较强的代表性以及该系列单片机资料较多，本设计采用AT89C51来实现。
2.2.2光照检测方式
方案一、采用光敏二极管或三极管等光传感器件把环境亮度转换成相应的数字电平，然后直接接入单片机IO引脚。
方案二、采用光敏电阻利用桥式电路把环境亮度转换成相应的电压值，然后通过运放后给单片机输入一个标准的数字信号。
由于光敏电阻属于纯阻性器件，所以采用方案二。
在本次设计中选用了带串行控制模数转换器TLC3545，LC3545是一个家庭的高性能，14位，低功耗，微型CMOS模拟-数字转换（ADC）。
这种芯片只需要单一的+5V电源就能工作。
该芯片有单端输入，双端输入或单伪差分输入可选择。
该芯片有一个片选（CS），串行时钟（SCLK），串行数据输出（SDO），以及提供了一个最流行的串口直接的3线接口主机微处理器（SPI接口）。
当与DSP连接时，TLC3545ADC的连接只有通过引脚1到DSP（CS）。
TLC3545设计工作具有功耗低，以及自动电源关闭模式使节电功能进一步加强。
该产品系列具有一个高速串行链路与外部SCLK到现代的主机处理器15兆赫。
这种芯片使用一个内置的振荡器转换时钟，提供了2.67微秒最大转换时间。
为使电桥测得的微弱电信号与TLC3545级联，选取一片OP07搭建反向放大与PGA203进行级联放大。
其中PGA203其主要放大作用，而OP07起放大调节作用，从而实现微弱电信号与TLC3545的良好级联。
2.2.3声控开关检测方式
前期拾音器多采用高增益、内部频率补偿的双运算放大器：
3558，LM358，NE5532等，从而实现信号放大及降噪作用。
在此类拾音器中，由于只采用简单的RLC选频网络，会出现噪音去除不干净的现象。
高性能拾音器，产品内置数字降噪及浮点相位处理芯片，可以最大限度地降低噪音，还原人声，适合于性能要求高的环境。
声控开关，全称是声控延时开关，是一种内无接触点，在特定环境光线下采用声响效果激发拾音器进行声电转换
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