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基于单片机的智能照明控制系统设计毕业设计论文
毕业设计论文
基于单片机的智能照明控制系统设计
系别
自动化工程系
专业
机械工程与自动化
班级
姓名
指导教师
2011年6月15日
基于单片机的智能照明控制系统设计
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。
关键词：
智能控制，主控制器，分控制器，单片机，定时控制
TheControlSystemforIntelligentLightingBasedon
Single–chipMicrocomputer
Author:
LiGuozhong
Tutor:
SunMan
Abstract
Withtherapiddevelopmentofelectronictechnology,thesystemofcontrolbasedonSingle-chipMicrocomputeriswidelyappliedinindustry,agriculture,electricpower,electron,intelligentbuildingandsoon.Microcomputer,asthesubjectandcoreoftheembeddedsystemofcontrol,replacesthetraditionalsystem—electroniccircuit.Atthesametime,thedevelopmentandmaturationoftheintelligentbuildinghaveestablishedthesubstantialfoundationforthepopularizationandapplicationofthecontrolsystemforlightingbasedonsingle-chipmicrocomputer。
Inthispaper,theIndoorLightingControlSystemBasedonAT89C51anditsprincipleareintroduced.Someeffectiveandenergysavingcontrolstrategysoflightingsystemarebroughtforward.Thecurrentsystemusesarelativelymaturesensortechnologyandcomputercontroltechnology，usingmulti-parametertoachievetheschoolclassroomindoorlightingcontrol.
Thesystemincludeshardwareandsoftwaredesignintwoparts.ThehostcontrollerofthecontrolsystemforlightingisbasedonAT89C51single-chipmicrocomputer,andtheauxiliaryonesarebasedonAT89c2051.Thesystemcandomanyjobs,suchaswiredcommunication,SignalAcquisition,wirelessdatatransmitting,
controllinganddisplay.Useofelectonicballasts;the lightsource withautomaticadjustmentfunction.Thepaperdescribesthedesigningprocessofthecircuitatlength,including:
Opticalsignal samplingcircuit,thebody signalacquisition circuit,keyboardandLEDdisplaycircuit,RS485communicationcircuit,wirelesstransmittingcircuit,controlcircuitoflighting,watchdogcircuit,etc.Thedesigningofsoftwaremainlyincludestheseveralprogramming,suchaswiredcommunication,lamplightcontrolling,timedcontrolling,keyboardscanning,LEDdisplayingandsignal processingcircuit.ThewiredcommunicationprogrammingfunctionisthatthroughMaster-slavecommunicationmethodbasedonRS485thehostcontrollersendsorderstotheallauxiliarycontrollersoreachone,including:
turningonlighting,turningofflighting,regulatingbrightnessoflighting,controllingtimedlighting,etc.
Work,theopticalsignalsamplingcircuitcollectinglightingintensity,indoorcollectingofhumansignalacquisitioncircuitifanyone,whetherforworktimeandotherinformationandsignaltothemicrocontroller,MCUcontrolcircuitibasedontheseinformationthroughtheswitchingoperationoflightingequipmentinordertoachievelightingcontrolstosavaenergy.
KeyWords:
Intelligentcontrol，Hostcontroller,Auxiliarycontroller,Single-chipmicrocomputer,Timedcontrolling
1绪论
1.1课题研究背景
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。
但由于学校开放型的管理模式，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，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。
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。
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智能照明控制系统的发展与现状
1.2.1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。
1.2.2国内外智能照明发展概况
“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。
1.2.3智能照明控制系统的优点
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。
1.2.4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。
1.2.5现有智能照明控制系统的分析
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。
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。
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。
1.3.2.1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1-1所示
图1-1有线通信系统结构框图
1.3.2.2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1-2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。
图1-2主控制器硬件电路结构框图
1.3.2.3下位机系统
分控制器硬件电路结构如图1-3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。
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。
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；
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。
由真值表可得出系统逻辑函数表达式为：
D=A·B·C
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
表1-1系统逻辑
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
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
1
2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主控制器电路设计
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2-2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
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。
图2-3分控制器系统的硬件电路原理图
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
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，主机发送的信息可以传送到所有的从机或指定的从机，从机发送的信息只能为主机接收，从机之间不能直接通信。
主机与从机的通信电路图分别如图2-5与图2-6所示。
图2-5主机通信电路图
图2-6从机通信电路图
主机与从机选用的RS485通信收发器芯片为MAX485，它是MAXIM公司生产的用于RS485通信的低功率收发器件，采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，采用半双工通信方式。
它完成将TTL电平转换为RS485电平的功能。
MAX485芯片内部含有一个驱动器和接收器。
RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当RE端为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE端为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可，主机与从机分别使用P2.6与P1.0脚进行控制；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送
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