基于89c52的教室灯光节能控制器的设计.docx
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基于89c52的教室灯光节能控制器的设计
南昌工程学院
课程设计（论文）
机械与电气工程学院08自动化专业
课程设计（论文）题目基于89C52的教室灯光节能控制设计
学生姓名胡跃华
班级08自动化
学号2008100247
指导教师谭理武
完成日期2011年12月20日
前言
现在的大学，由于学校开放型的管理模式，加之学生节能意识的淡薄，学校的很多教室在白天室内照度很高的情况下，仍然存在开灯现象；或者夜间许多教室，即使仅有几个学生在教室自习，但室内照明全部开启。
长明灯比比皆是，人走不熄灯的现象到处存在。
这种有意和无意的浪费，不仅是浪费了国家资源，而且给学校带来了沉重的负担。
本文介绍了基于单片机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，从而达到节能的目的。
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89C52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。
在本次课程设计中首先是硬件方案的确定，接下来是对系统整体电路中各子模块电路的设计，包括检测电路、A/D转换电路、微控制器的工作电路、显示电路测量电路的设计。
通过不断的摸索，最终实现了对灯光的控制。
第一章总体方案设计
教室灯光控制器可实现有效的教室灯光智能控制。
其输入参数主要是人体存在信号和环境光信号等的外界因素，环境光的强度达到一定值时不开灯，环境光强度在一定阀值以下且有人存在时开灯，理论和实验证明用这种方式来对教室灯进行智能控制可以实现上述目标。
教室灯光控制器一般安装在教室内避开电灯直射的位置，且人体传感器安置时应使人体活动方向与人体传感器中两个热释电元连线方向垂直，这样可使人体存在信号采集更加灵敏、可靠，同时还要尽可能避免外界风直接吹向人体传感器。
1.1硬件方案论证
对于灯光控制系统来说，硬件系统是它的最基本的框架，是系统的所有功能的基础。
系统的设计成功与否很大程度上取决于硬件系统的设计，硬件的选择和所选硬件的性能对系统的功能实现以及系统的精度都有直接的影响。
本系统硬件方案论证包括单片机、灯光控制系统的传感器、通信方式、总线接口及显示电路的选择。
1.1.1微处理器的选择
本系统的主控模块主要采用Atmel公司的AT89C52作为主控芯片，它是一种低功耗，8位CMOS工艺处理器，具有8K在线可编程Flash存储器，片内的Flash可多次编程，为在线编程提供了方便。
片内有128字节的RAM,4KB的EEPROM，由于合理的安排使用片内RAM空间，所以没有扩展的片外RAM，使电路结构简捷。
因为设备的设置参数是根据实际需要进行更改的，又要求是断电能够保存下来，所以本设备用一片EEPR0M来存储系统的设置参数。
1.1.2传感器的选择
根据本设计的要求，该控制系统需要两种传感器：
一种是人体信号采集传感器，另一种是光信号强度采集传感器。
用于人体信号采集的传感器和光信号强度采集的传感器有很多，这里根据设计的要求采用了以下传感器：
一、热释电红外传感器：
热释电红外传感器是一种基于热电效应原理的热电型红外传感器，它是上世纪80年代末期出现的一种新型传感器件，现在已得到越来越广泛的应用。
热释电红外传感器由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成。
二、光敏电阻式传感器：
光敏电阻会感应光照强度的变化，自己电阻随着光强度的增加而减小，进而通过电阻上的电压变化来反应光照强度的变化。
传感器输出变化的电压信号给控制器，控制器根据接收到的信号的变化来决定下一步将要执行的动作。
光敏电阻是一种非常常用的光电元件。
它可以十分快捷的反正出光照的变化，应用电路也十分的简单、实用。
1.1.3显示器的选择
LED数码管显示器动态显示方式下，将所有位的段选线并联在起，由位选线控制哪位接收字段码。
采用动态扫描显示，也就是在显示过中，轮流向各位送出字形码和相应的字位选择，同一时刻只有一位显示，其他各位熄灭。
利用显示器的余辉和人眼的视觉暂留现象，只要每一位显示足够短，则人看到的就是无为数码管同时显示。
在动态显示方式下电路设计简单，故采用此方式。
本系统采用了四位共阳极七段数码管，共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起，通常公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。
1.1.4通信方式和总线接口的选择
串行通信是指一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式。
串行通信的特点是：
数据位传送，按位顺序进行，最少只一需根传输线即可完成，成本低但传送速度慢。
串行通信的距离可以从几米到几千米。
由于串行通信方式具有使用线路少、成本低、特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用，因此本设计采用串行通信。
在串行通信时，要求通信双方都采用一个标准接口，是不同的设备可以方便地连接起来进行通信。
当前流行的接口有：
RS-232-C和RS-485。
RS-485总线，通信距离为几十米到上千米时，因此长距离要求时被广泛采用。
RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。
RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此发送电路须由使能信号加以控制。
RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。
应用RS一485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。
故本系统采用RS-485接口。
1.2系统总体设计
1.2.1系统的设计思路
本系统主要由三部分组成：
（1）上位机系统；
（2）下位机系统；（3）通信系统。
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1-1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1-1主控制器硬件电路结构
下位机系统：
分控制器硬件电路结构如图1-2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。
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1-2分控制器硬件电路结构
1.3系统逻辑算法的设计
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：
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
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：
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。
第二章系统硬件单路的设计
本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、AT89C2051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。
2.1主控制器的电路设计
主控制器采用AT89C52单片机作为微处理器，AT89C52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-52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2-1所示：
图2-1主控制器系统的硬件电路原理图
2.1.1系统供电电路的设计
1.电源变压器：
变压器的功能是将220V的交流电变换成整流电路所需要的低压交流电。
2.整流电路：
整流电路的任务是将交流电变换成直流电。
完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用！
将变压器的次级电压变换成单向脉动直流。
因此二极管是构成整流电路的关键元件。
我们现在用到的是桥式整流电路。
在稳压电源中一般用四个IN4007二极管组成桥式整流电路，整流电路的作
用是将交流电压
变换成脉动的直流电压
。
滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压
中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压
。
与交流电压的有效值
的关系为：
=
在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：
=
流过每只二极管的平均电流为：
=
=
其中：
R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：
>
3.滤波电路：
滤波电路的作用是平波，将脉动直流变换成比较平滑的直流。
滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或在整流电路输出端与负载间串联电感器L，以及由电容，电感组合而成的各种复式滤波电路。
我们现在采用的是在负载两端并联电容器C的方法。
由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把电场能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用。
4.稳压电路：
滤波电路的输出电压还是有一定的波动，对要求较高的电子设备，还要稳压电路，通过稳压电路的输出电压几乎就是恒定电压。
稳压电源的技术指标分为两种：
一种是特性指标，包括允许的输入电压。
输出电压，输出电流及输出电压的调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程
度，包括稳压系数，电压调整率，电流调整率，输出电阻，温度系数及纹波电压。
常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。
常用可调式正压集成稳压器有CW317（LM317）系列，它们的输出电压从1.25V－37伏可调，最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。
其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护，最大输出电流为1.5A。
其中电阻R1与电位器R2组成输出电压调节器，输出电压Uo的表达式为：
=
式中R1一般取120－240欧姆，输出端与调整端的压差为稳压器的基准电压。
图2-2LM317系列电路图
图2-2为LM317稳压器这部分的电路图，该部分电路就可以起到稳压作用。
电路左边的两个电容分别为1000µ和10µ。
这两个电容可以很好的起到滤波作用,
而电路右边的两个电阻,一个是240Ω的固定电阻器,另一个为6.8KΩ的电位器。
通过调节电位器的电阻,可以调节输出的电压。
这样,就可以达到我们所预期的目
标,实现输出电压可调。
如图2-3，即为直流稳压电源的稳压过程。
图2-3稳压过程
要取得+5V电压，若选用12V的变压器，整流滤波后输出往往大于12V，会使稳压器功耗大，自身温度较高。
故不选用输出电压为12V的变压器，而选用输出电压为9V的变压器。
系统接通220V交流电源后，将220V交流电变压到9V，经过二极管全波整流、电解电容Cl，C2滤波，再经一只正输出稳压器LM317，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用了电容C3、C4，最后得到+5V的直流工作电源，用于给控制系统中单片机系统及其它外围电路的Vcc+端供电。
供电原理图2-4如下：
供电原理图2-4
2.1.2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。
如图2-5：
图2-5键盘的硬件电路原理图
2.1.3LED数码显示接口设计
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。
如图2-6：
图2-6数码显示与驱动电路原理图
2.1.4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。
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。
如图2-7
图2-7看门狗电路原理图
2.2分控制器电路的设计
分控制器采用低档型的AT89C2052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。
分控制器系统的硬件电路原理图如图2-8所示：
图2-8分控制器系统的硬件电路原理图
AT89C2052单片机共有二十个引脚。
P1口8个引角，准双向端口。
P3口7个引角，准双向端口，并且每个端口都可复用，P3.0、P3.1的串行通迅功能，P3.2、P3.3的中断输入功能，P3.4、P3.5的定时器输入功能。
根据各引角功能及本设计要求，将其接口电路设计如下2-9：
图2-989C52的接口电路设计
2.3RS485通信电路设计
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。
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。
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。
本系统的有线通信方式采用RS485总线进行通信。
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。
2.4信号采集电路的设计
信号采集电路设计包括光信号取样电路的设计和人体信号采集电路的设计。
2.4.1光信号取样电路设计
光信号取样电路如图2-11所示，图中主要由光信号采集电路和A/D模数转换电路组成，其中模数转换是电路的核心。
信号经过采集送入A/D转换电路，通过单片机处理后，最终作为系统应用程序进行开关灯判断的依据。
在本次设计中选用了带串行控制的10位模数转换器TLC1549，它是由德州仪器（TexasInstruments简写为TI）公司生产的，它采用CMOS工艺，具有自动采样和保持，采用差分基准电压高阻抗输入，抗干扰性能好，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到（±）1LSBMax，芯片体积小等特点。
同时它采用了Microwire串行接口方式，故引脚少，接口方便灵活。
与传统的并行方式接口A/D转换器（例ADC0809/0808）相比，其单片机的接口电路简单，占用I/O口资源少。
图2-11光信号取样电路
2.4.2人体信号采集电路设计
人体信号采集由人体红外检测探头和比较电路组成。
一、人体红外检测探头
人体红外检测探头由菲涅尔透镜、热释红外传感器P2288组成。
菲涅尔透镜作用有两个：
一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。
热释电红外传感器和热电偶都是基与热电效应原理的热电型红外传感器。
热释电红外传感器（以下简称：
传感器）由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成。
二、比较电路
比较电路如图2-12所示，由两个运算放大器组成，输入信号来自于红外人体探头输出。
比较电路中的基准电压分别由两个独立的分压电路得到，供电路比较所用。
即运算放大器D1的6脚和D2的1脚电压分别为0.45V和2.0V。
图2-12人体信号比较电路
通过比较电路将相应的电压比较结果以数字信号输出。
当被动红外探头在有效范围内感应到人体信号后，运算放大器的“2脚”或“5脚”的电压降为3.0V；当被动红外探头在有效范围内没有感应人体红外信号时，“2脚”或“5脚”的电压降为1.0V。
探头故障断路时，则“2脚”或“5脚”的电压降为0V。
2.5DS12887时钟芯片接口电路设计
本次系统设计中，灯光设计有以时间作为基准信号，故采用了DALLAS公司的DS12887芯片。
DS12887为DALLAS公司生产的实时时钟芯片，除具有实时钟功能外，它还具有114字节的通用RAM，采用CMOS技术制成，具有内部晶振和时钟芯片备份锂电池，而且它与目前应用广泛的时钟芯片MC146818B和DS1287管脚兼容。
采用DS12887芯片设计的时钟电路无需任何外围电路和器件，并具有良好的微机接口。
DS12887芯片具有微功耗，外围接口简单，精度高，工作稳定可靠等优点，可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟系统中。
DS12887接口设计原理图如图2-13：
图2-13DS12887接口设计原理图
2.6输出驱动电路设计
单片机输出控制信号电路由P2.0和P2.1口输出的控制信号来实现室内灯光的控制功能。
当P2.0口输出的是“0”电平时，则由Q1、Q2两个三极管组成的信号放大电路就被截止，则继电器回路中无电流，所以，继电器线圈无法工作，使得继电器开关触点断开，电灯回路不通，电灯不亮。
当P2.1口输出的是“0“电平时，三极管Q3截止，发光LED管电路不导通，发光LED管不亮，反之，发光LED管则亮。
该发光LED管作为系统的故障提示灯来使用。
该P2.1口有四种信号状态并对应不同的用户提示信息，即常“1”（正常）：
开启室内照明电器。
常“0”（正常）：
关闭室内照明电器。
第三章系统的软件设计
本灯光控制系统的软件设计包括照明启停控制程序、照明亮度控制程序、照明定时控制程序、人机交互程序以及串行通行等。
3.1人机交互程序设计
系统的人机交互程序设计，主要是解决按键的扫描与信息的显示，让操作者能够灵活地控制系统工作。
3.1.1键盘扫描程序设计
键盘扫描程序的流程图如图3-1所示：
图3-1键盘扫描程序的流程图
本系统的键盘采用的是4×4矩阵式键盘，矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上。
3.1.2LED数码显示程序设计
LED数码显示程序的流程图如图3-2所示：
图3-2LED数码显示程序的流程图
3.2照明启停控制程序设计
照明的启停控制主要是由主控制器发出指令，通过RS485通信方式或无线数传方式控制全部或部分分控制器所控制照明灯具的启停，因此照明启停控制程序由两部分组成，即全部启停控制与单独启停控制两部分。
3.2.1全部启停控制程序设计
全部照明启停控制系统是利用主控制器上的开、关按键来控制全部照明灯的启停，控制命令是通过串口通信方式传达到分控制器，分控制器再依据命令向P3.7口输出高低电平，来达到控制灯泡亮和灭的目的。
系统的主机和从机的控制程序流程图如图3-3和图3-4所示：
图3-4全部启停控制从机程序流程图
3.2.2单独启停控
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