原创智能照明系统的设计与实现40毕业论文41.docx
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原创智能照明系统的设计与实现40毕业论文41
毕业设计论文
论文题目智能照明系统的设计与实现（毕业设计）
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。
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。
本文介绍了基于单片机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和AT89C2051单片机为基础，实现了通信、信号采集、控制与显示等功能。
使用光电子镇流器，使光源具备自动调节功能。
文中详细地描述了控制电路的设计过程，包括：
光信号取样电路、人体信号采集电路、键盘与LED显示电路、RS485通信电路、照明灯控制电路、看门狗电路以及信号处理电路等。
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。
工作时,光信号取样电路采集光照强弱、人体信号采集电路采集室内是否有人、是否为工作时间等信息并将信号送到单片机,单片机根据这些信息通过控制电路对照明设备进行开关操作,从而实现照明控制,以达到节能的目的。
关键字智能控制，主控制器，分控制器，单片机，定时控制
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofelectronictechnology,thesystemofcontrolbasedonSingle-chipMicrocomputeriswidelyappliedinindustry,agriculture,electricpower,electron,intelligentbuildingandsoon.Microcomputer,asthesubjectandcoreoftheembeddedsystemofcontrol,replacesthetraditionalsystem—electroniccircuit.Atthesametime,thedevelopmentandmaturationoftheintelligentbuildingforthepopularizationandapplicationofthecontrolsystemforlightingbasedonsingle-chipmicrocomputer。
Inthispaper,theIndoorLightingControlSystemBasedonAT89C51anditsprincipleareintroduced.Someeffectiveandenergysavingcontrolstrategysoflightingsystemarebroughtforward.Thecurrentsystemusesarelativelymaturesensortechnologyandcomputercontroltechnology，usingmulti-parametertoachievetheschoolclassroomindoorlightingcontrol.Thesystemincludesintwoparts.TheAT89C51single-chipmicrocomputer,andtheauxiliaryonesarebasedonAT89c2051.Thesystemcandomanyjobs,suchaswiredcommunication,SignalAcquisition,wirelessdatatransmitting,controllinganddisplay.Useofelectonicballasts;thelightsourcewithautomaticadjustmentfunction.Thepaperdescribesthedesigningprocessofthecircuitatlength,including:
Opticalsignalsamplingcircuit,thebodysignalacquisitioncircuit,keyboardandLEDdisplaycircuit,RS485communicationcircuit,wirelesstransmittingcircuit,controlcircuitoflighting,watchdogcircuit,etc.Thedesigningofsoftwaremainlyincludestheseveralprogramming,suchaswiredcommunication,lamplightcontrolling,timedcontrolling,keyboardscanning,LEDdisplayingandsignalprocessingcircuit.ThewiredcommunicationprogrammingfunctionisthatthroughMaster-slavecommunicationmethodbasedonRS485thelighting,turningofflighting,regulatingbrightnessoflighting,controllingtimedlighting,etc.Work,theopticalsignalsamplingcircuitcollectinglightingintensity,indoorcollectingofsignalacquisitioncircuitifanyone,whetherforworktimeandotherinformationandsignaltothemicrocontroller,MCUcontrolcircuitibasedontheseinformationthroughtheswitchingoperationoflightingequipmentinordertoachievelightingcontrolstosavaenergy.
KeyWords:
Intelligentcontrol，Hostcontroller,Auxiliarycontroller,Single-chipmicrocomputer,Timedcontrolling
摘要I
ABSTRACTII
1绪论1
1．1课题研究背景1
1．2课题研究的目的和意义1
1．3智能控制技术的研究现状2
1．4国内外智能照明发展状况2
1．5智能照明系统的优点3
1．6智能照明控制系统的组成3
1．7现有智能照明系统的分析3
2系统方案设计4
2．1系统设计要点4
2．2系统设计思路5
2．2．1通信系统5
2．2．2上位机系统5
2．2．3下位机系统6
3硬件电路设计8
3.1系统硬件总述8
3.2CPU性能介绍9
3.3主控室电路设计9
3.3.1键盘接口设计10
3.3.2数码显示设计10
3.3.3看门狗监控电路设计11
3.4分控制器的电路设计11
3.5光信号取样电路12
3.6人体信号采集模块13
3.6.1人体红外探头13
3.6.2信号处理电路14
3.6.3比较电路15
3.7输出驱动电路设计16
4系统软件设计及实现17
4.1人机交互程序设计18
4.1.1键盘扫描程序设计18
4.1.2数码显示程序设计21
4.2照明启停控制程序设计21
4.3通信程序设计24
4.3.1主机部分通信程序设计26
4.3.2从机部分通讯设计程序26
5系统的可靠性设计27
5.1干扰产生的后果27
5.2单片机应用系统的硬件抗干扰设计28
5.3软件抗干扰技术28
5.3.1数据采集误差的软件28
5.3.2程序运行失控的软件对策28
总结30
致谢31
参考文献32
附录33
1绪论
1．1课题研究背景
改革开放30年来，我国经济取得了突飞猛进的发展，人民生活水平质量也得到了巨大的提高，人们对照明的需求也越来越高。
从最初只提供亮度的基本功能到现在产了多方面的需求：
除了提供适宜的环境亮度以外，还要营造优雅舒适的氛围；用户方要求控制方式灵活方便，能实现按需配置，同时实现节能、降低运行费用；施工方要求安装简单、维护方便；设计方要求系统能提供满足用户多样性要求的各种技术手段。
需求的变化导致控制方式的改进：
从传统的机械式开关演变为电子技术的智能照明系统。
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、节省部门经费支出等多方面考虑，办公室、高校教室等公共场所照明的节电问题不得不提到重要的议事日程上来。
目前常用的节电方式为手工控制，声控型，太阳能灯等。
手工方式操作起来不灵活，费时费力。
声控型往往判断不准确，不需要的时候也也会经常亮。
太阳能设备投资比较大，且容易受光照强度的影响。
因此市场上迫切需要一种操作方便、价格低廉、便于大面积推广的新型节能方案。
1．2课题研究的目的和意义
随着经济的发展和科技的进步，人们对照明器具节能和科学管理提出了更高的求，使得照明控制在智能楼宇领域的地位越来越重要。
而在楼宇大厦建设热潮中各公司和企业也意识到了智能照明的重要性。
商业楼宇中大功率设备一般数量较少。
而照明器具则比较多。
使用照明控制系统更能体现在节能与管理方面的优势，提高建筑的科学管理水平。
传统楼宇公共区域的照明模式，只能是白天关灯、晚上开灯，而采用智能照明控制系统后，用户可以根据不同场合、不同的人流量，对时间段和工作模式进行划分，把不必要的照明灯具关掉，在需要时自动开启；同时，系统还能充分利用自然光，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。
虽然智能照明系统最基本的功能是开关作用，与传统的照明系统似乎并无差异，但前者以自动控制为主、人工控制为辅，在一般的情况下，不需要用户的参与，照明系统自动实现开关功能大大减少了人们的管理工作。
智能照明控制系统减少灯具使用时间，能有效节约能源，由于我国以前的粗放型经济增长方式已经导致资源匮乏，这种一味地靠资源和牺牲环境来换取GDP的增长的外延扩展方式已经走到尽头，所以调整产业结构。
在照明行业推广智能照明系统具有重要的意义。
1．3智能控制技术的研究现状
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。
1．4国内外智能照明发展状况
“智能建筑”是综合计算机、信息通信等方面最先进的技术，使建筑物内的电力、空调、照明、防灾、防盗、运输设备等，实现建筑物综合管理自动化、远程通信和办公自动化的有效运作，并使这三种功能结合起来的建筑。
人工智能技术在建筑与照明中的应用趋势不断扩大。
正如英国的Glasgow市报指出：
“Glasgow正在成为一个研究和发展太空时代智能建筑的国际组织的神经中枢。
在智能建筑中的智能照明、供热、空调、通讯及办公设备将全部由电子计算机进行控制与管理。
”
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都值得我们研究与借鉴。
1．5智能照明系统的优点
智能照明控制系统是指用计算机技术并辅助以其它手段，对电力照明实行自动控制，提供合适照明光环境的同时降低照明系统电能消耗和其它使用费用。
智能照明控制系统于手动照明控制系统相比有很多优点，包括创造环境气氛，改善工作环境、提高工作效率，良好的节能效果，延长光源寿命，管理维护方便等。
1．6智能照明控制系统的组成
智能照明控制系统主要由输入装置、处理器和执行器三个部分组成。
输入装置可以不断检测周围环境的照度水平，可以探测到某个区域是否有人移动，以及输入人们的控制指令，并把相应的信号传送给处理器。
输入装置包括传感器、定时装置和控制面板或遥控器。
处理器接受输入装置的信号，经过信息处理、判断、分析，输出控制信号。
执行器与灯具直接连接，控制灯光回路的闭合或断开和调节灯光到相应的水平，包括手动开关
1．7现有智能照明系统的分析
澳大利亚邦奇开发的Dynalite分布式智能照明控制系统的特点是模块化结构和分布式控制，各功能模块之间通过网络总线直接相互通信，当系统中某个模块出现故障时不会影响其它模块，可靠性高。
美国LC&D智能照明控制系统是一套由计算机微处理器控制的低压继电器配电盘组成，按照客户对室内外照明的具体要求，设定照明控制的时间、区域、方法来控制每一个独立的回路，也有手动开关直接控制。
国内生产的真善美智能照明系统具有集中控制、多点操作、集中显示、停电自锁、免打扰、遥控功能等智能功能，使家居生活更加方便和舒适。
但是，国内外智能照明系统的研究存在着如下问题：
（1）现有国外智能照明系统主要控制照度这个数量指标，国外的研究主要集中于办公室照明，以节能为主要目的，但据照明科技最新研究成果表明，非定量指标（如舒适性和艺术性等）对室内照明光环境质量影响更大。
（2）国内一些智能照明控制系统能够实现集中控制和集中显示，具有一定的智能性，但其只能控制房间中的一个灯或一组灯的开、关，不能实现场景控制，也不能对灯光的亮度进行调节，不能产生多种照明效果。
（3）针对住宅照明光环境研制的智能照明控制系统产品很少，还有很大的开发前景。
2系统方案设计
本章根据论文课题要求的性能指标进行方案论证，给出课题要求的性能指标，根据系统实现功能，完成系统方案设计。
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。
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。
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。
2．2．1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。
如图2-1所示
2．2．2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2-2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
2．2．3下位机系统
分控制器硬件电路结构如图2-3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。
室内灯光控制系统可以根据气候、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。
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），从而达到节电目的。
根据上述要求，可以画出如表2-1所示控制系统逻辑功能表。
关系如果假设：
室内光线强度为A：
光线强时A=1，光线弱时A=0；
人体信号为B：
有人时B=1，无人时B=0；
电灯开关状态为D：
合时D=1，断开时D=0。
由真值表可得出系统逻辑函数表达式为：
D=A非·B
表2-1系统逻辑（真值表）
3硬件电路设计
3.1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：
STC89C52RC芯片、光信号采集电路、人体信号采集电路、时钟控制电路DS1302、输出控制电路、定时监视器电路，如图3-1所示
3.2CPU性能介绍
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位IO口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位。
最高运作频率35Mhz，6T12T可选。
3.3主控室电路设计
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3-2所示。
3.3.1键盘接口设计
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、取消、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P1.4、P1.5、P1.6、P1.7相连，矩阵键盘的行线从上到下分别与P1.0、P1.1、P1.2、P1.3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。
3.3.2数码显示设计
显示模块采用点阵字符液晶显示器LCD1602，LCD1602专门用来显示数字、字母、常见图形符号。
显示器把LCD控制器、点阵驱动器、字符存储器集成在一起，字符型液晶显示模块由内置192个字符，所以使用起来非常的方便，而且显示界面非常清晰，能较好的显示当前的年、月、日、时、分、秒及相关信息。
3.3.3看门狗监控电路设计
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STC89C52RC的接口电路如图3-2所示。
MR与WDO经过一个二极管连接起来，WDI接单片机的P3.3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。
3.4分控制器的电路设计
由于条件限制，分控制器仍采用采用STC89C52单片机作为微处理器。
3.5光信号取样电路
光信号取样电路如图3-7所示，图中主要由光信号采集电路和比较输出电路组成。
信号经过采集送入MAX485同相输入端，通过芯片处理后，最终由Ro脚输出相应高电平或低电平，送入单片机P2.1口，由单片机接收并作为开关等的依据。
电路中电位器可调节B端的输入电压，从而调节在不同光强下设置开关灯门限。
在此电路中，光敏电阻在不同光强下呈现不同阻值，当光照强度变小时，其阻值变大，使得加在光敏电阻上的电压变大，经过82K电阻再次分压后，如达到导通三极管电压，即加在MAX485的A脚的电压随之变化，达到比较效果。
3.6人体信号采集模块
人体信号采集由人体红外检测探头和比较电路组成，本设计中直接使用够买的成品人体红外感应报警模块。
3.6.1人体红外探头
热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线,并将其转变为电压信号。
热释电传感器具有成本低、不需要用红外线或电磁波等发射源、灵敏度高、可流动安装等特点。
实际使用时,在热释电传感器前需安装菲涅尔透镜,这样可大大提高接收灵敏度,增加检测距离及范围。
实验证明,热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜,则其检测距离仅为2m左右;而配上菲涅尔透镜后,其检测距离可增加到10m以上。
静态情况下空间存在红外光线，由于双源式探头采用互补技术，不会产生电信号输出。
动态情况下，人体经过探头先后被A源或被B源感应，SaSb产生差值，双源失去互补平衡作用而很敏感地产生信号输出。
3.6.2信号处理电路
本设计采用BIS0001来完成对热释电传感器输出信号的处理。
BIS0001是一款具有较高性能的热释电传感器信号处理集成电路,它主要由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成。
图3-10中,热释电传感器S极输出信号送入BIS0001的14脚,经内部第一级运算放大器放大后,由C3耦合从12脚输入至内部第二级运算放大器放大,再经电压比较器构成的鉴幅器处理后,检
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