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基于单片机的照明控制系统设计与实现
KC021-1
CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY
毕业设计说明书
题目：
基于单片机的照明控制系统设计与实现
二级学院（直属学部）：
计算机信息工程学院
专业：
计算机科学与技术
班级：
03计三
学生姓名：
朱彬
学号：
01030535
指导教师姓名：
韩雁
职称：
副教授
评阅教师姓名：
职称：
2008年6月
基于单片机的照明控制系统设计与实现
摘要
随着电子技术的飞速发展，基于单片机的控制系统已广泛应用于工业、农业、电力、电子、智能楼宇等行业，微型计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心，代替了传统的控制系统的常规电子线路。
同时楼宇智能化的发展与成熟，也为基于单片机的照明控制系统的普及与应用奠定了坚实的基础。
本文介绍了基于AT89C51的室内灯光控制系统及其原理，提出了有效的节能控制方法。
该系统采用了当今比较成熟的传感技术和计算机控制技术，利用多参数来实现对学校教室室内照明的控制。
系统设计包括硬件设计和软件设计两部分。
该照明控制系统的主控制器、分控制器分别是以AT89C51单片机为基础，实现了通信、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、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以及灯光控制、定时控制、键盘扫描与LED显示等程序设计。
关键词：
灯光控制系统；AT89C51；单片机；节能；采集电路
TheControlSystemforLightingBasedonSingle–chipMicrocomputer
Abstract
Withtherapiddevelopmentofelectronictechnology,thesystemofcontrolbasedonSingle-chipMicrocomputeriswidelyappliedinindustry,agriculture,electricpower,electron,intelligentbuildingandsoon.Microcomputer,asthesubjectandcoreoftheembeddedsystemofcontrol,replacesthetraditionalsystem—electroniccircuit.Atthesametime,thedevelopmentandmaturationoftheintelligentbuildinghaveestablishedthesubstantialfoundationforthepopularizationandapplicationofthecontrolsystemforlightingbasedonsingle-chipmicrocomputer。
Inthispaper,theIndoorLightingControlSystemBasedonAT89C51anditsprincipleareintroduced.Someeffectiveandenergysavingcontrolstrategysoflightingsystemarebroughtforward.Thecurrentsystemusesarelativelymaturesensortechnologyandcomputercontroltechnology，usingmulti-parametertoachievetheschoolclassroomindoorlightingcontrol.
Thesystemincludeshardwareandsoftwaredesignintwoparts.ThehostcontrollerofthecontrolsystemforlightingisbasedonAT89C51single-chipmicrocomputer,andtheauxiliaryonesarebasedonAT89c51.Thesystemcandomanyjobs,suchaswiredcommunication,wirelessdatatransmitting,controllinganddisplay.Thepaperdescribesthedesigningprocessofthecircuitatlength,including:
keyboardandLEDdisplaycircuit,RS485communicationcircuit,wirelesstransmittingcircuit,controlcircuitoflighting,watchdogcircuit,etc.Thedesigningofsoftwaremainlyincludestheseveralprogramming,suchaswiredcommunication,lamplightcontrolling,timedcontrolling,keyboardscanningandLEDdisplaying.ThewiredcommunicationprogrammingfunctionisthatthroughMaster-slavecommunicationmethodbasedonRS485thehostcontrollersendsorderstotheallauxiliarycontrollersoreachone,including:
turning
onlighting,turningofflighting,regulatingbrightnessoflighting,controllingtimedlighting,etc.
Keywords:
lightingcontrolsystem;AT89C51;Single-chipmicrocomputer；energysaving;acquisitionofsignal
前言
随着国民经济的快速发展和社会进步，教育在全社会愈加被关注和重视，校园规模也随着受教育者的数量增加而不断扩大，教室的数量也大幅度增加。
为使师生有舒适的教学和学习的环境，无论是教室的面积、设施和照度，校方在力所能及的范围内，都付出了十分的努力。
但由于学校开放型的管理模式，以及全员的节能意识的淡薄，高校的教室在白天室内照度很高的情况下，仍然普遍存在开灯作业；即使室内无人或人数很少的情况下，也是全部开启室内照明。
夜间许多教室，即使仅有几个学生在教室自习，但室内照明全部开启，绝不会有师生因为只有少数人而仅开几盏灯。
长明灯比比皆是，人走不熄灯的现象到处存在。
这种有形和无形的浪费，给校方的水电支出带来了沉重的负担。
学校的水电支出约占全校经费支出的1／4—1／5，电费支出占据较重比例。
其中主要能耗浪费较大的是：
教室照明和空调的使用。
而教室照明的浪费源自予长明灯、白天亮灯、不合理使用照明以及旧灯管的不及时更换。
能源短缺是21世纪国际面临的新课题。
在寻找新的能源之外，节约能源，提高效益也就成为了我们研究的课题。
所以学校如何来节省电力能源也成为了一个迫切需要解决的问题。
从节约资源、对社会贡献、节省高校经费支出和学生的健康等多方面考虑，高校教室照明的节电问题不得不提到重要的议事日程上来。
单片机的出现至今已经有30多年的历史了。
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）的应用已经渗透到广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且也深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，并掀起了一场数字化技术革命。
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。
本篇论文介绍了就是基于单片机AT89C51的室内灯光控制系统的研究和开发。
本系统是以单片机为控制器的核心，其中上位机和下位机都是以AT89C51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。
系统通过人体信号采集电路对人体信号采集和光信号采集电路对光信号采集以及相应的处理并输入给单片机，单片机对输入信号判断并输出信号来控制学校教室内灯光的开关和亮度。
第一章概述
1.1课题研究背景
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。
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。
或者，当自然光照度很好时，灯不能及时关闭；反之，当自然光照度难以满足人的需求时，又不能及时打开灯光。
这种照明方式，不仅造成能源的浪费，而且不能满足人对照明的基本需求，同时也给人的视力造成了很大的影响。
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。
而在大学校园的建设热潮中，各大高校和他们的建设者也意识到了智能照明的重要性。
相对商业楼宇而言，大学校园里的大功率动力和制冷设备比重较少，照明灯具则相对比重更多，所以控制教室照明是节能的关键。
使用照明控制系统，更能体现其在节能与管理方面的优势，提高学校的科学管理水平，而且还能节省开支。
1.2课题研究的目的与意义
1.2.1良好的节能效果和延长灯具寿命
节能是照明控制系统的最大优势。
传统的楼宇公共区域照明工作模式，只能是白天关灯，晚上开灯。
而采用了智能照明控制系统后，可以根据不同场合、不同的人流量，进行时间段、工作模式的细分，把不必要的照明关掉，在需要时自动开启。
同时，系统还能充分利用自然光，自动调节室内照度。
控制系统实现了不同工作场合的多种照明工作模式，在保证必要照明的同时，有效减少了灯具的工作时间，节省了不必要的能源开支，也延长了灯具的寿命。
1.2.2改善工作环境，提高工作效率
良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。
合理地选用光源、灯具及性能优越的照明控制系统，都能提高照明质量。
智能照明控制系统具有开关和调光两种控制方法，可以有效地控制各种照明场所的平均照度值，从而提高照度均匀性。
同时，系统能根据不同的时间段，人们的不同需要，自动调节照度。
1.2.3提高管理水平
智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。
在一般的情况下，不需要有人的参与，照明系统自动实现开关和调光功能，既大大减少了管理人员的数量，也排除了由于人为因素而出现的不定时开关，影响学校的正常教学、生活秩序的情况。
1.2.4较好的投资收益效果
智能照明控制系统在节能和节省灯具使用的同时，有效节省了电费与管理费用的支出。
根据一般的办公大楼运营的经验来看，节能效果能达到40％以上，一般的商场、酒店、地铁站等节能效果也能达到25％～30％。
1.3系统设计
1.3.1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。
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。
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。
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。
1.3.2系统设计思路
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。
1．通信系统
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1-1有线通信系统结构框图
2．上位机系统
系统的主控制器通过RS-485总线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。
图1-2主控制器硬件电路结构框图
3.下位机系统
分控制器硬件电路结构如图2.4所示。
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。
图1-3分控制器硬件电路结构框图
室内灯光控制系统可以根据作息时间、气候、人体等因素全天候自动模糊控制室内照明电器的开和关。
做到光线暗时开灯，雨天阴天时开灯，无人时关灯，光线亮时关灯，晴天时关灯，休息时间关灯。
在确保室内正常照明同时，可有效防止无人灯（无人时开灯）﹑无效灯（光线亮时开灯）、无限灯（休息时间开灯），从而达到节电目的。
根据上述要求，可以画出控制系统逻辑功能表，如表1-1所示。
表1-1系统逻辑关系表
信号
室内光信号
人体信号
时钟信号
电灯的开关状态
参数
自然光照度
人体
作息时间
逻
辑
状
态
强
无
休息
断
强
无
上课
断
强
有
休息
断
强
有
上课
断
弱
无
休息
断
弱
无
上课
断
弱
有
休息
断
弱
有
上课
合
如果假设：
室内光线强度为A：
光线弱时A=1，光线强时A=0；
人体信号为B：
有人时B=1，无人时B=0；
作息时间为C：
上课时C=1，休息时C=0；
电灯开关状态为D：
合时D=1，断开时D=0。
则表1-1可以转化为表1-2。
表1-2系统逻辑真值表
信号
室内光信号
人体信号
时钟信号
电灯的开光状况
参数
自然光信号
人体
作息时间
符号
A
B
C
D
逻
辑
状
态
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
由上述的真值表可得出系统逻辑函数表达式为：
D=A·B·C
第二章硬件电路设计与实现
2.1系统硬件总述
系统以单片微型计算机为核心外加多种接口电路组成，共有六个主要部分：
AT89C51芯片、光信号采集电路、人体信号采集电路、时钟控制电路DS12887、输出控制电路、定时监视器电路，如图2-1所示。
图2-1系统硬件总述图
2.2CPU性能介绍
本系统采用了ATMEL公司MCS-51系列单片机中的AT89C51芯片，它是低压高性能CMOS8位微处理器，带有4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15个I／O口线，两个16位定时／计数器，—个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口。
2.3主控制机电路设计
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2-2所示。
图2-2主控制器系统的硬件电路原理图
2.3.1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。
2.3.2LED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。
2.3.3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：
（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。
2.4分控制器的电路设计
图2-3分控制器系统的硬件电路原理图
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。
2.5RS485通信电路的设计
在各种分布式集散控制系统中，往往采用一台单片机作为主机，多个单片机作为从机，主机控制整个系统的运行；从机采集信号，实现现场控制；主机和从机之间通过总线相连，如图2-4所示。
主机通过TXD向各个从机（点到点）或多个从机（广播）发送信息，而各个从机也可以向主机发送信息，但从机之间不能自由通信，其必须通过主机进行信息传递。
图2-4单片机多机通信连线图
多机通信时，为了保证通信的可靠性，在点到点通信时，采用了寻址技术，即主机先发送一帧地址信息给各个从机，各从机接收到主机发来的地址信息后，便与本机的地址号相比较。
若相同，则开始与主机的通信；若不同，则不理睬主机发送的数据信息，也不向主机发送信息。
多机通信时，单片机的串行口只能工作在方式2、3。
此时单片机发送或接收的一帧信息都是11位，1位起始位、9位数据位、1位停止位，其中第9位数据发送或接收是通过TB8或RB8实现的。
当主机发送地址信息时，使TB8=1，所有SM2=1的从机都将产生中断，接收此地址信息进行比较，其中被主机呼叫的从机的SM2位被清“0”；主机发送数据信息时，使TB8=0，仅有SM2=0的从机才将产生中断，接收主机发来的命令或数据信息，其余从机不予理睬。
针对RS232的不足，出现了新的串行数据接口标准RS-422，它采用平衡驱动和差分接收的方法，从根本上消除了地波和共模电磁波的干扰。
发送端相当于两个单端驱动器，发送同一个信号时，其中一个驱动器的输出永远是另一个驱动器的反相信号。
于是两条线上传送的信号电平，当一条表示逻辑“1”时，另一条为逻辑“0”。
在干扰信号作为共模信号出现时，接收器接收差分输入电压，只要接收器有足够的抗共模电压工作范围，就能从地线的干扰中分离出有效信号，正确接收传送的信息，其最小可区分0.20V的电位差值。
由于平衡双绞线的长度与传输速率成反比，RS422在1200米距离内能把速率提高到100Kb/s；在较短距离内，其传输速率可高达10Mb/s，实现了长距离、高速率下传输数据。
采用RS-422实现两点之间远程通信时，需要两对平衡差分电路形成全双工传输电路。
在实际应用系统中，往往有多点互连而不是两点直连，而且大多数情况下，在任一时刻只有一个主控模块（点）发送数据，其他模块（点）处在接收数据的状态，于是便产生了主从结构形式的RS-485标准。
RS485只能按半双工方式工作，因此发送电路必须由使能信号加以控制，但它只需要一对双绞线即可实现多点半双工通讯。
本系统的有线通信方式采用RS485总线进行通信，RS485标准支持半双工通信，只需三根线就可以进行数据的发送和接收，同时具有抑制共模干扰的能力，接收灵敏度可达±200mV，大大提高了通信距离，在100Kbps速率下通信距离可达1200m，如果通信距离缩短，最大速率可达10Mbps。
在这里使用的是主从式通信方式，主机由主控制器充当，从机为分控制器。
主机处于主导和支配地位，从机以中断方式接收和发送数据，主机发送的
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