智能照明控制系统设计论文

本科毕业论文题 目：楼宇智能照明控制系统设计院 （部）： 信息与电气工程学院专 业： 电气工程与自动化班 级： 电本0705姓 名： 季田田学 号： 2007082315指导教师： 李全民 曹丽霞完成日期： 2011年6月5日目 录摘 要VABSTRACTVI1前 言- 1 -1.1选题背景和意义- 1 -1.2课题关键问题及难点- 2 -1.3调研综述- 2 -1.3.1目前国内、国外该项目的研究状况- 2 -目前项目的发展趋势- 3 -1.4主要研究内容- 3 -2 基于CAN总线的系统结构- 4 -2.1 CAN技术简介- 4 -2.2基于CAN总线的控制系统网络拓扑结构- 5 -2.3 CAN总线系统的通信方式- 5 -2.4 CAN总线的分层结构- 6 -2.5 CAN总线报文格式与类型- 7 -2.5.1 数据帧- 7 -2.5.2.远程帧- 8 -2.5.3 出错帧- 8 -超载帧- 8 -2.5.5 错误检测- 9 -2.6 本系统结构及特点- 9 -3智能照明系统的硬件设计- 12 -3.1 系统简介- 12 -3.2 CAN通信接口模块的设计- 12 -3.2.1 芯片介绍- 12 -3.2.2 SJA1000工作原理- 14 -3.2.3 基于SJA1000的CAN总线硬件接口电路设计- 15 -采用MAX232芯片接口机与单片机的连接- 16 -3.3控制面板模块的设计- 16 -3.3.1 74HC164芯片说明- 17 -显示部分设计- 18 -键盘部分设计- 19 -基于74HC164的中断串行键盘硬件设计- 20 -矩阵式键盘的按键识别方法- 21 -3.4智能继电器模块- 21 -电压-频率变换器LM331的介绍- 21 -继电器模块基本原理结构- 23 -整流模块设计- 23 -3.4.4 V/F转换器LM331模块- 24 -光电耦合器6N137- 25 -单片机AT89C51模块- 25 -3.5传感器模块- 27 -热释电传感器的工作原理- 27 -芯片介绍- 28 -热释电传感器原理- 30 -照度传感器的设计- 31 -3.5.5 A/D转换部分- 32 -3.6调光模块- 34 -电子镇流器调光功能的主要实现方法- 34 -基于IR2159的荧光灯可调光电子镇流器的电路设计- 35 -基于IR21592的调光电子镇流器- 37 -3.7远程控制模块- 38 -芯片介绍- 38 -3.7.2 工作原理- 40 -3.8看门狗电路- 42 -3.8.1 X5045芯片引脚及功能介绍- 43 -3.8.2 看门狗电路的工作原理- 44 -基于X5045的复位电路硬件设计- 44 -3.9 小结- 44 -4.智能照明系统的软件电路设计- 45 -4.1 CAN通信接口模块软件设计- 45 -4.2控制面板模块软件设计- 47 -4.3智能继电器模块软件设计- 49 -4.5调光模块软件设计- 51 -4.6 小结- 52 -5 结论- 53 -5.1主要结论- 53 -5.2不足与展望- 53 -谢 辞- 55 -参考文献- 56 -摘 要随着社会的进步,建筑设计也向着更舒适、安全和节省能源的方向发展。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建筑物内的各种照明器具有机的连接在一起，实现有效的管理和控制。智能照明系统正是智能家居的趋势之一。针对传统照明系统布线麻烦、节能效果差等缺点，我们设计开发了基于CAN总线技术的智能照明系统。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。本文主要介绍了智能调光系统及设计过程中的关键技术环节,包括CAN总线技术的应用，系统网络设计、智能继电器、控制面板、传感器和红外遥控技术,并描述了智能调光系统的主要应用。关键词：CAN总线；智能继电器；智能调光；红外遥控Design of Building Intelligent Lighting-Control SystemABSTRACTAlong with the social progress, the design of building towardsa morecomfortable, safe andenergy-savingdirection.To achieveeffective management and control of.building ,intelligent lighting system make full use of electronic technology, communication and computernetwork technology to a variety of lighting fixtures within the building together organically.Intelligent lightingsystem is just the trends of intelligent home.Wedesign and development of intelligent lighting systems .based onCANbus technology,taking into account that it troublefor wiring,and poorenergy efficiencydrawback in traditional lightingsystem.Intelligent nodein theintelligent lightingsystem can according to outsidelight levelsadaptive adjustment its light intensity, collectedindoorlight intensity periodically, testing if there has people in or out and timely response to usercontrolcommands.This paperdescribes thedesign ofintelligent lightsystem and key techniquesin the process, including theCAN-bustechnology, thedesign of network systemintelligentrelays, controlpanels, sensorsand infraredremote control technology,and describes the major intelligent light systemapplication.Key Words:CANbus;intelligent relay;intelligent light;infrared remote control1前 言1.1选题背景和意义随着信息控制技术的发展, 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。但无论何种建筑, 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。目前，我国照明用电占建筑用电的20%-30%，该项目是一种基于单片机89C51和CAN总线的智能照明系统硬、软件设计。该系统可根据对光强度的不同需求，均匀调节环境内光照强度， 实现室内照明的人性化、个性化。 传统的控制方法是将被控制的设备用连线引入控制室, 这样不仅造成电力电缆铺设过多, 增加了投资成本, 而且还大大增加了灯回路的辐射干扰, 对空间电磁环境造成了污染。智能照明控制系统为现代化建筑楼宇照明提供了新途径微机型灯光控制系统。它采用网络控制技术,使得照明灯的电力线路可以不再经过控制室,而直接引入顶棚或马道。这种控制方法不仅可以方便地控制灯光的亮度, 还减少了电力线路及相应设施投资,减少了灯回路的辐射干扰,而且可以使灯回路采用母线方式布线,线路规整,便于安装维修。但在目前使用的微机型灯光控制系统中,由于网络通信大多采用RS-232、RS-485、20mA 电流环等通信方式1,因而普遍存在通信距离短、数据传输速度慢、误码率高、可靠性差等问题2。CAN 总线是现场总线的一种,具有通信速率高、开放性好、报文短、纠错能力强以及控制简单、扩展能力强、系统成本低等技术特点和一系列优点。CAN是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1MBPS。其特点有：（1）CAN总线通信接口集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等工作。（2）CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。（3）CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线的微机灯光控制系统就是采用现场总线控制技术3,构成全分散式微机灯光控制系统,有效地解决了微机型灯光控制系统的不足。CAN总线所需的完善的通信协议4可由CAN控制器芯片和接口芯片实现, 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课题关键问题及难点该课题的关键技术是CAN总线技术。CAN（controller area network）是一种有效支持分布式实时控制的串行通信网络。CAN总线控制器可工作于多种方式，并采用无损结构逐位仲裁竞争方式向总线发布数据( 它废除了站地址编码，代之以对通信数据进行编码，这可使不同节点同时接收到相同的数据，使CAN总线构成的网络测控节点之间的数据通信实时性更强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和灵活性( 其次，CAN总线通过CAN控制器接口芯片PAC82C250的2个输出端CANH和CANL与物理总线相连( 当系统有错误出现多节点同时向总线发送数据时，系统将不会出现总线短路，损坏某些节点的问题，而且CAN节点在错误严重情况下具有自动关闭功能，保证不会出现RS485网络中因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。难点在于采用CAN总线技术组网，连接各种类型的照明控制装置，来实现能量管理，实现照明的定时控制和按需求控制等功能。1.3调研综述1.3.1目前国内、国外该项目的研究状况从20世纪60年代开发了白炽灯、荧光灯、高强度放电灯所使用的电子调光器5，到20世纪90年代以来，国外以计算机技术为基础开发出灯光自动调光系统、自动关停系统和自动补偿系统，也称“智能照明”的新型照明控制系统，并已有定型产品得以良好的推广和运用，使建筑照明由传统控制走向计算机控制或无人控制的新领域。自1984年美国建成第一座智能建筑以来的十几年中,在世界范围内,智能建筑以一种崭新的面貌和技术,迅速在各地展开。尤其是亚洲的日本、新加坡、台湾等国家和地区,为了适应智能建筑的发展,进行了大量的研究和实践,相继建成了一批具有智能化的建筑。我国在20世纪(以下同)80年代末着手编制建设部的民用建筑电气设计规范JGJ/T16-92时,也开始涉及到智能建筑的理念,并提到了楼宇自动化和办公自动化,直到90年代初智能建筑这一概念才逐渐被越来越多的人们所认识和接受,尤其是在1993-1995年期间, 全国上下许多大中城市的房地产商都将自己开发兴建的建筑标以“智能建筑”, “全智慧型建筑”“3A 型智能建筑”, “5A 型智能建筑”等等, 一时间智能建筑成了房地产商开发销售的热点。近几年，我国高层建筑迅猛发展，这种智能型照明控制系统也已悄然进入了我国建筑行业。目前，上海金茂大厦，山东世界贸易中心等建筑已应用了这种智能型照明控制系统。1.3.2目前项目的发展趋势本世纪80 年代以来, 随着计算机技术和网络技术的发展, 带来了信息科学技术的革命, 尤其是信息高速公路热引发了一场新的革命, 使人们突破了时间、空间及计算技术的束缚, 实现了多个对象间的直接信息交流。信息成为社会经济、科技等赖以发展的一项重要资源, 信息化成为一个城市现代化程度的最高标志之一。在国内一些经济发达的大城市如上海、深圳、大连等, 纷纷开展自己的信息化建设, 建立起集语言、数据、视频图像为一体的多媒体宽带综合业务数字网, 并将光纤入户作为远期目标, 故纷纷要求各建筑物或建筑群应建立交换间, 进行 、数据、电视信息分配, 并规定今后新建灭火系统, 大楼一律采用综合布线系统, 以避免重建或多次反复布线设计与施工。在这种趋势下照明控制系统也越来越趋向于智能化。现场总线技术被广泛应用到照明系统中，其控制的系统结构也越来越多样化，从最早的集中式，集散式向分散式发展，各控制单元的工作独立性不断提高，系统的可靠性和经济性也不断提高。无线传感网络近几年也被应用到该领域，实现无线控制。1.4主要研究内容智能照明控制系统是一个由中央控制器、主通信干线、分支、信息接口及控制终端等部分构成，是一个对各区域实施相同的控制和信号采样的网络系统。智能照明的控制终端由调光模块、控制面板、照度动态检测器及动静探测器等单元构成，主控制器和终端之间通过信息接口等元件来连接，实现控制信息的传输。研究的主要内容如下:1）通过阅读中英文文献资料、现场调研，深入了解国内外有关网络技术的发展现状、产品现状和该项技术在智能照明领域的应用情况。2）研究网络组网的关键技术，掌握其工作原理和设计方法；3）研究智能照明的控制方法和节能技术；4）设计基于嵌入式系统的智能照明控制系统的硬件电路。设计和开发基于51单片机的智能照明控制器；包括：智能继电器、智能调光器、控制面板等。5)设计并开发基于无线传感器网络的硬件系统；6)设计系统的网络架构。2 基于CAN总线的系统结构智能照明系统一般由传感器(如光线感应器、面板开关等)、执行器(如调光电子镇流器)、网络通讯单元(路由器、中继器等)以及辅助单元(如电源)等组成，遵循统一的网络协议，借助各种不同的“预设置”控制方式和控制元件，对不同时间不同环境的光亮度进行精确设置和合理管理。此外智能照明系统中还可对荧光灯进行调光控制，由于荧光灯采用了有源滤波技术的可调光电子镇流器，降低了谐波的含量，提高了功率因数，降低了低压无功损耗。因此，在灯具制造工艺相同水平的情况下，在建筑物中采用智能照明系统不仅能操作简单，管理维护方便，还可以满足工作/生活多样性需求，并且可以有效地达到节能的目的。本系统主要可以划分为硬件设计部分和软件设计部分。其中硬件设计部分有：CAN接口控制器模块，控制面板（键盘和显示）模块，智能继电器模块，传感器模块，调光模块，远程控制模块。2.1 CAN技术简介CAN（Control Area Networker）即控制器区域网，是主要用于各种设备检测及控制的一种网络。CAN最初是由德国Bosch公司为汽车的检测、控制系统而设计的。由于CAN具有独特的设计思想，良好的功能特性和极高的可靠性，现场抗干扰能力强。由于CAN总线具有以上的一些特点，为工业控制系统中高可靠性的数据传送提供了一种新的解决方案。其在国外工业控制领域已经有了广泛的应用，现国内的许多工业控制领域也开始基于CAN的现场控制总线。CAN总线已成为最有发展前途的现场总线之一。CAN的技术特征：(1)数据信号采用差分电压传输,两条信号线“CAN_H”和“CAN_L”,它们在静态均2.5V,此时为逻辑状态“1”,也称作“隐性”；“CAN_H”比“CAN_L”高,一般为CAN_H=3.5V、CAN_L=1.5V,表示逻辑“0”,称为“显性”。(2)CAN总线传输介质可用双绞线、同铀电线或光纤,具有较强的抗干扰能力,同时可满足本安防爆要求等。直接通信距离最大可达l0km(速率小于5kbps),最高通信速率可达1Mbps(此时距离最长为40m)。(3)CAN可以以多主方式工作,网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息,而不分主从,通信方式灵活。(4)CAN可以点对点、点对多点及全局广播方式传送接收数据。(5)CAN网络上的节点信息可分成不同的优先级,可以满足不同的实时要求。(6)CAN采用非破坏性总线仲裁技术。(7)CAN采用短帧结构,每一帧为8个字节,保证了数据出错率极低。数据帧从一个发送节点传送数据以一个或多个接收节点,一个数据帧由七个不同的位场组成:帧起始、仲裁场、控制场、循环冗余校验(CRC)场、应答场、帧结束。它被公认为最有发展前途的现场总线之一。(8)CAN总线有一个公开的、全世界都遵从的国际标准,因而具有很好的开放性。CAN系统具有很好的数据兼容性。2.2基于CAN总线的控制系统网络拓扑结构网络拓扑结构设计是构建计算机网络的第一步，也是实现各种网络协议的基础，它对网络的性能、可靠性和通信费用等都有很大影响。网络拓扑结构按照几何图形形状可分为4种类型:总线拓扑、环形拓扑、星型拓扑和网状拓扑，这些形状也可以混合构成混合拓扑结构。按照CAN总线协议，CAN总线可以是任意拓扑结构的，但一般来说，CAN总线主要有总线拓扑、环形拓扑、星型拓扑和网状拓扑这4种常见的拓扑结构。在该系统的设计中我们采用总线式结构,总线拓扑结构是单根电缆组成，该电缆连接网络中所有节点。单根电缆称为总线，它仅仅只能支持一个通道，所有节点共享总线的全部带宽。在总线网络中，当一个节点向另外一个节点发送数据时，所有节点都将侦听数据，只有目标节点接收并处理发给它的数据后，其他节点才能忽略该数据。基于总线拓扑结构的网络很容易实现，且组建成本低，但其拓展性较差。当网络中节点增加时，网络性能将下降。此外，总线网络的容错能力较差，总线上的某个中断或故障将会影响整个网络的数据传输。因此，很少CAN总线网络采用一个单纯的总线拓扑结构的。 2.3 CAN总线系统的通信方式CAN总线系统根据节点的不同，可以采取不同的通信方式以适应不同的工作环境和效率。它可以分为多主式(Multi一masetr)结构和主从式 (Infra-structure)结构两种。(1)多主式结构网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上地其他节点发送信息，而不分主从，不需占地址节点信息，通信方式灵活。在这种工作方式下，CAN网络支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收、发送数据。为避免总线冲突，CAN总线采用非破坏性总线仲裁技术，根据需要将各个节点设定为不同的优先级，并以标识符(ID)标定，其值越小，优先级越高，在发生冲突的情况下，优先级低的节点会主动停止发送，从而解决了总线冲突的问题。这是CAN总线的基本协议所支持的工作方式，无需上层协议的支持。(2)主从式结构CAN总线在主从式通信方式下工作时，其网络各节点的功能是区分的，节点间无法像多主式结构那样进行平等的点对点信息发送。在主从式结构系统的通信方式下，整个系统的通信活动要依靠主站中的调度器来安排。如果系统调度策略设计不当，系统的实时性、可靠性就会很差，而且容易引起瓶颈向题，妨碍正常有效的通信。所以采取主从式结构的网络都需要采取必要的措施去解决瓶颈问题。目前的CAN网络一般采用多主式和主从式结合的结构，这种结构比较灵活又具有较高的实时性和可靠性。在该系统的设计中我们将这两种通信方式综合起来使用,来方便控制各个节点的工作,并适时的接受各节点传送的数据。2.4 CAN总线的分层结构CAN总线遵循IS0/0SI标准模型，分为数据链路层和物理链路层。（1） 数据链路层数据链路层包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC。逻辑链路子层LCC的作用范围如下:为数据传送和远程数据提供请求服务。确认由LLC子层接受的报文实际已被接收。为恢复管理和通知超载提供信息。介质访问控制子层MAC的作用主要是传送的规则，也就是控制帧的结构，执行仲裁，错误检测，出错的标定，故障界定。MAC也要确定为新一次的发送，总线是否开放或者是否马上结束。定时特性也是MAC子层的一部分。（2）物理层物理层分为物理信号、物理媒体连接与介质从属接口三部分，完成电气连接，实现驱动器/接收器特性、定时、同步、位编码解码功能。物理层规定了CAN总线电平的两种状态：“显性(Dominant)，和“隐性(Ressive)。“显性”数值表示逻辑“0”，“隐性”数值表示逻辑“1”。 VCAN-H和VCAN-L为总线收发器与总线之间两接口引脚，信号以两线之间的差分电压形式出现。在隐性状态，VCAN-H和VCAN-L被固定在平均电压电平附近，Vdiff近似于0。在总线空闲或隐性位期间，发送隐性位，显性位以大于最小阀值的差分电压表示。2.5 CAN总线报文格式与类型CAN报文有两种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同，含有11位标识符的帧称之为标准帧，含有29位标识符的帧为扩展帧。但无论是哪种帧格式，都含有以下4种不同类型的帧:（1）数据帧(Data Frame):数据帧将数据从发送器传输到接收器。（2）远程帧(Remote Frame):总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧。（3）错误帧(Error Frame):任何单元检测到总线错误就发出错误帧。（4）过载帧(Overioad Frame):过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时。2.5.1 数据帧数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。l)帧起始:它标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个显性位构成。只在总线处于空闲状态时，才允许节点开始发送。所有节点都必须同步于首先开始发送的那个节点的帧起始前沿。2)仲裁场:在标准格式中，仲裁场由11位标识符和远程发送请求位RTR组成，标识符为ID.28-ID.18。在扩展格式中，由29位标识符、替代远程请求SRR位、帧结构标识位IDE和RTR组成，标识符为ID.28-ID.0。标识符的最高位ID.28最先被发送RTR位在数据帧中必须是显位，而在远程帧中必须为隐位。SRR位为隐位，在扩展格式中，它在标准格式的RTR位上被发送并替代标准格式中的RTR位。IDE位在标准格式中以显性电平发送，而在扩展格式中为隐性电平。3)控制场:包括4位数据长度码DLC和两个保留位。两个保留位必须发送显性位，但接收器认可显位与隐位的全部组合。数据长度码DLC指出数据场的字节数目。一个数据帧允许发送的数据字节数目为0-8，不能使用其他数值。4)数据场:由数据帧中被发送的数据组成，它可包括0-8个字节，每个字节8位。首先发送的是第一个字节的最高位。5)CRC场:包括CRC(循环冗余码校验)序列，后跟随CRC界定符(l个隐性位)。6)应答场(ACK):为两位，包括应答间隙和应答界定符。在应答场中发送节点送出两个隐性位。一个正确接收到有效报文的接收器，在应答间隙，将此信息通过发送一个显性位报告给发送器，此时发送器发出的隐性位被改写为显性位，表明至少有一个接收器已经正确接收。后续的应答界定符为一个隐性位。因此，应答间隙被两个隐性位(CRC界定符和应答界定符)包围。7)帧结束:由7个隐性位组成的标志序列界定。2.5.2.远程帧当一个节点希望接收某些信息时，可以借助于传送一个远程帧启动信息源节点数据的发送。远程帧由6个不同的位场组成:帧起始、仲裁场、控制场、CRC场和帧结束。不同于数据帧，远程帧的RTR位是隐性位，也不存在数据场。DLC的数据值是独立的，它可以是0-8中的任何数值，这一数值为对应数据帧的DLC。2.5.3 出错帧出错帧由两个不同场组成，第一个场由来自各节点的错误标志叠加得到，随后的第二个场是出错界定符。错误标志具有两种形式，一种是活动错误标志(active error flag)，一种是认可错误标志(Passive error flag)。活动错误标志由6个连续的显性位组成，而认可错误标志由6个连续的隐性位组成，除非被来自其他节点的显性位冲掉重写。一个检测到出错条件的“错误激活”节点通过发送一个活动错误标志进行标注。这一出错标注形式违背了适用于由帧起始至CRC界定符所有场的填充规则，或者破坏了应答场或帧结束场的固定形式。因而，其他节点将检测到出错条件并发送出错标志。这样，在总线上被监视到的显性位序列是由各个节点单独发送的出错标志叠加而成的。该序列的总长度在6到12之间变化。一个检测到出错条件的“错误认可”节点试图发送一个错误认可标志进行标注。该错误认可节点自认可错误标志为起点，等待6个相同极性的连续位。当检测到6个相同极性的连续位后，认可错误标志即告完成。出错界定符包括8个隐性位。错误标志发送后，每个节点都送出隐性位，并监视总线，直到检测到隐性位。此后开始发送剩余的7个隐性位。2.5.4超载帧超载帧包括两个位场:超载标志和超载界定符。存在两种导致发送超载标志的超载条件:一个是接收器未准备好;另一个是在间歇场检测到显性位。由前一个超载条件引起的超载帧在检测到显性位的后一位开始。在大多数情况下，为延迟下一个数据帧或远程帧，两种超载帧均可产生。超载标志由6个显性位组成。全部形式对应于活动错误标志形式。超载标志形式破坏了间歇场的固定格式，因而，所有其他节点都将检测到一个超载条件，并且由它们开始发送超载标志。第6个显性位违背了引起出错条件的位填充规则。超载界定符由8个隐性位组成。超载界定符与错误界定符具有相同的形式。发送超载标志后，节点监视总线直到检测到由显性位到隐性位的发送。在此节点上，总线上的每一个节点均完成送出其超载标志，并且所有节点一致地开始发送剩余的7个隐性位。2.5.5 错误检测CAN为了提高抗干扰能力和数据的可靠性，采用了多种错误检测手段。(l)发送监视。发送站时刻监测它发送的每一位数值，如监视到的总线数值与送出的数值不同时，则为位错误。(2)填充错误。在应用位填充方法进行编码的报文字段中，出现第6个连续相同的位电平。(3)CRC错误。接收站计算得出的CRC序列与接收到的不同。(4)格式错。固定格式的位场与规定不同。(5)应答错误。在应答位期间，发送站未检测到主控位。发现错误时，接收站将发送活动出错标志，而发送站将发送认可出错标志。2.6 本系统结构及特点设计本系统的原则，是在保证系统可靠工作的条件下，力图降低成本。分析本系统的特点是数据传输较低，且各节点间的通讯规律性较强。如图2.1所示，网络拓扑结构采用总线式结构。通讯的主要方式是控制台向各控制器发送控制数据，各控制器向控制台发回应答信号和检测信息。各控制器之间没有数据传送要求；信息吞吐率较低，为降低系统成本提供了有利的条件。根据这个特点，总体上作如下选择：图2.1基于CAN总线的总线式结构（1）网络拓扑结构采用总线式结构。这种结构信息吞吐率低，结构简单且成本低，可靠性高。（2）由于CAN总线采用多主站仲裁结构，（分地址优先级，非破坏方式仲裁），支持主从或广播方式，经过扩展可支持95*8个节点，最高通讯速率1MBPS，最远通讯距离可达10公里（若接专用CAN中继器，传输距离会更远，但通讯速率将下降）。同时CAN控制器内部设有接收和发送缓冲区，通讯以帧为单位，最多8个字节的数据，硬件自动进行16位CRC检验，具有极强的总线和通讯错误的管理能力。(3)CAN遵循ISO标准模式。具体定义了数据链路层和物理层,在工程上,这两层通常由CAN控制器和收发器实现。CAN总线控制器通常有两类:一类是在片内的CAN微控制器,采用这种器件可以方便用户制作印刷板,电路图也比较紧凑;另一类是独立的CAN控制器,可以使开发人员根据需要选用比较实用的单片机。本系统选择独立的CAN控制器。(4)该系统的上位机是PC机。由于PC机有多条扩展槽,利用局域网通信卡,使得该系统很容易与其他部门连网,便于统一调度和管理。另外,选用PC机还可以充分利用现有的软件工具和开发系统,方便快捷地设计功能丰富的计算机软件。该系统的控制台由PC机、PC总线适配卡和相应的软件组成。(5)传输介质采用双绞线。为了进一步提高系统的抗干扰能力,在控制器与传输介质之间采取光电隔离。 (6)信息传输采用CAN通信协议。该系统的主要通信方式是控制台向各个控制器发送控制数据以及各控制器向控制台发回各种检测信息。3智能照明系统的硬件设计3.1 系统简介智能照明控制系统是一个由中央控制器、主通信干线、分支、信息接口及控制终端等部分构成，是一个对各区域实施相同的控制和信号采样的网络系统。智能照明的控制终端由调光模块、控制面板、照度动态检测器及动静探测器等单元构成，主控制器和终端之间通过信息接口等元件来连接，实现控制信息的传输。以下将对各模块（CAN通信接口模块，控制面板（键盘和显示）模块，智能继电器模块，传感器模块，调光模块，远程控制模块）做详细介绍。3.2 CAN通信接口模块的设计3.2.1 芯片介绍(1)SJA1000芯片图3.1 SJA1000引角图引脚说明：AD7-AD0：多路地址/数据总线线。ALE/AS：ALE输入信号(INTEL模式)，AS输入信号(MOTOROLA模式)。CS：片选输入，低电平允许访问SJAI00000。RDE：微控制器的/RD信号(INTEL模式)或E使能信号(MOTOROLA模式)。WR：微控制器的/WR信写(INTEL模式)或RD/(/WR)信号(MOTOROLA模式)。CLKOUT:SJAIO00产生的提供给微控制器的时钟输出信号,时钟信号来源于内部振荡器通过编程驱动，时钟控制寄存器的时钟关闭位可禁止该引脚脚。VSS1:接地。XTAL1:输入到振荡器放人电路,外部振荡信号输入。注:XTAL1引脚必须通过15pF的电容连到VSS1。XTAL2:振荡放人电路输出,使用外部振荡信号时开路输出。注:XTAL2引脚必须通过15pF的电容连到VSS1。MODE：模式选择输入，1-INTEL模式，0-MOTOROLA模式。VDD3：输出驱动的5V电压源。TXO：从CAN输出驱动器0输出到物理线路上。TX1：从CAN输出驱动器1输出到物理线路上。VSS3：输出驱动器接地。INT：中断输出，用于中断微控制器，INT在内部中断寄存器各位都被置位时低电平有效;此引脚上的低电平可以把IC从睡眠模式中激活。RST：复位输入，用于复位CAN接口(低电平有效),把RST引脚通过电容连到VSS,通过电阻连到VDD可自动上电复位。VDD:输入到比较器的5V电压源。RXO：从物理的CAN总线输入到SJA1000的输入比较器，支配(控制)电平将会唤醒SJA1000睡眠模式，如果RX1比RX0电平高就读支配(控制)电平，反之读弱势电平;如果时钟分频寄存器的CBP被置位就忽略CAN输入比较器以减少内部延时(此时连有外部收发电路);这种情况下只有RXO是激活的，弱势电平被认为是高而支配电平被认为是低。VSS2：输入比较器的接地端。VDD1：逻辑电路的5V电压源。SJA1000是一种CAN的独立控制器,用于移动目标和一般工业环境中的局域网控制。它是PHILIPS公司早期CAN控制器PCA82C200的替代产品,并且增加了一种新的工作模式PELICAN,这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议,因此功能更加强大。它具有如下特点：(1)完全兼容PCA82C250及其工作模式,即BASICCAN模式。(2)具有扩展的接收缓冲器为64字节,先进先出(FIFO)。(3)与CAN2.0B协议兼容；支持11bit和29bit识别码。(4)位速率可达1Mbps；24MHz的时钟频率。(5)支持PELICAN模式及其扩展功能。(6)支持与不同微处理器的接口。(7)可编程的CAN输出驱动器配置。(8)增强了温度范围(-40125)。(2)82C250芯片介绍图3.2 82C250引脚图引脚说明：TXD：发送数据输入。GND：接地。VCC：提供电压。RXD：接收数据输出。Vref:参考电压输出。CANL：低电平CAN电压输入/输出。CANH：高电平CAN电压输入/输出。Rs:Slope电阻输入。3.2.2 SJA1000工作原理CAN总线控制器主要包含:接口管理逻辑IML、发送缓冲器TXB、接收缓冲器TXB.RXFIFO、验收滤波器ACF、错误管理逻辑EML、位时序逻辑BTL、位流处理器BSF几个部分。CAN核心模块负责CAN信息帧的收发和CAN协议的实现。接口管理逻辑负责同外部主控制器的接口,该单元中的每一个寄存器都可由主控制器通过SJA1000的地址/数据总线访问。主控制器可直接将标识符和数据送入发送缓冲区然后置位命令寄存器CMR中的发送请求位TR启动CAN核心模块读取发送缓冲区中的数据,按CAN协议封装成一完整CAN信息帧通过收发器发往总线,验收滤波器单元完成接收信息的滤波,只有验收滤波通过且无差错才把接收的信息帧送入接收FIFO缓冲区且置位接收缓冲区状态标志SR.0表明接收缓冲区中已有成功接收的信息帧。3.2.3 基于SJA1000的CAN总线硬件接口电路设计89C51具有64 KB的寻址空间。本身不带CAN控制器,所以要实现与CAN总线之间的通信需外加CAN控制器和CAN驱动器。在本设计中采用SJA1000型CAN总线通信控制器和AT82C250型总线驱动器。由于MB89P857不具备CAN控制器，本设计中采用SJA1000型CAN总线通信控制器。CAN控制器SJA1000的数据线AD0AD7连接到MB89P857单片机的P56P49口，CS连接到端口P48， MB89P857的P48作为外部存储器的片选信号。SJA1000的RD、WR、ALE分别与MB89P857对应的引脚相连，INT接MB89P857的INT0使MB89P857可以通过中断方式访问SJA1000。图3.3 CAN控制原理图CAN总线控制硬件电路如图3.3所示。从图3.3可以看出,硬件电路主要由微控制器89C51、SJA1000、CAN总线收发器和高速光电耦合器6N137组成。微控制器89C51负责SJA1000的初始化，通过控制SJA1000，实现数据的接收和发送等通信任务。为了增强总线节点的抗干扰能力,SJA1000的TX0和RX0并不直接与PCA82C250的TXD和RXD相接,而是通过6N137与PCA82C250相接,这样,很好地实现了总线上各节点间的电气隔离。不过,光耦合电路用的2个电源VCC和VDD必须隔离。电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块实现。这虽然增加了接口电路的复杂性,但却提高了节点的稳定性和安全性。82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施，82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个5的电阻与CAN总线连接，电阻可起到一定的限流作用，保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个30PF的小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。另外，两根CAN总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管，当CAN总线有较高的负电压时，通过二极管的短路可起到一定的保护作用，82C250的RS脚上接有一个斜率电阻，电阻的大小可根据总线的通讯速度适当调整，一般在16K-140K之间。CAN接口电路负责各节点的串行通信，两只125欧姆的电阻作为CAN线路的匹配电阻。3.2.4采用MAX232芯片接口机与单片机的连接图 3.4 PC机通过MAX232与单片机的电路连接MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。3.3控制面板模块的设计控制面板它相当于传统照明系统中的照明开关,安装于便于操作的地方,人们可以通过操作控制面板中的某个按钮,来起动照明系统中的某个灯光控制回路的组合,从而调用某个灯光场景。它有一般场景调用面板、可编程场景调用面板、时序场景调用面板和区域联接场景调用面板等。所谓灯光场景,即系统中由不同的照明回路不同的亮暗搭配而组成的一种灯光效果。这种灯场景可以预设置和记忆在调光模块和开关模块中用户可以从控制面板或液晶显示触摸屏上,调动种灯光场景以达到某个照明效果。控制面板是人机信息交互的界面.用户通过视觉、听觉等途径,了解各智能节点的工作状态,同时通过按键等输入器件控制电器的工作。控制面板主要包括单片机、键盘和显示这几部分。智能照明的显示电路是由单片机来控制的，如显示的内容、显示的方式等。单片机在智能照明的控制电路中担任着重要的角色,它的选型决定了控制电路的实现方案。我们利用74HC164芯片的串入并出的功能,和单片机进行串行通讯,并行输出口直接驱动显示器件.这个方案可以扩展单片机的I/O口,降低单片机的资源需求,而且,芯片的安装方法非常灵活,可以减少显示面板的连接导线的数量,提高系统的可靠性,成本方面也具有较大的优势,在按键和显示驱动电路中得到广泛应用。3.3.1 74HC164芯片说明74HC164为8位移位寄存器,串行输入,并行输出.74HC164的引脚分布如图(1)所示.兼容TTL电平,最高工作时钟频率20MHz,扇出系数10,散耗功率为500mW,输出电流Io(每端)25mA,可以直接驱动LED显示器件.图3.1 74HC164引脚图图3.2 功能图引脚说明：符号引脚说明DSA1数据输入DSB2数据输入Q0-Q33-6输出GND7地 (0 V)CP8时钟输入（低电平到高电平边沿触发）/M/R9中央复位输入（低电平有效）Q4-Q710-13输出VCC14正电源数据通过两个输入端（DSA或DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。时钟 (CP) 每次由低变高时，数据右移一位，输入到Q0，Q0是两个数据输入端（DSA和DSB）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。主复位 (MR) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。3.3.2显示部分设计单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器,简称LED(Light Emitting Diode);液晶显示器,简称LCD(Liquid crystal Display);近几年也有配置CRT显示器的。前者廉价，配置灵活，与单片机接口方便；后者可进行图像显示，但接口复杂，成本也较高。在本设计中我们采用发光二极管显示器。LED显示器结构原理：单片机中通常用七段LED构成字型“8”，另外，还有一个小数点发光二极管，以显示数字、符号及小数点。在这种显示共有共阳极和共阴极两种，发光二极管的阳极连接在一起的（公共端K0）成为共阳极显示器，发光二极管的阴极连接在一起的（公共端K0）成为共阴极显示器。为了保护各段LED不被损坏，须外加限流电阻。LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。静态显示就是当显示器显示某个字符时，相应的段恒定的导通或截止，直到显示另一个字符为止。LED工作于静态显示方式时，各位的共阴极接地；若为共阳极，则接+5V电源。每位的段选线分别与一个八位锁存器的输出口连接，显示器中的各位相互独立，而且各位的显示字符一经确定，相应锁存的输出将维持不变。动态显示就是将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制。而共阴（或共阳）极公共端K0分别由相应的I/O线控制，实现各位的分时选通。在本次设计中我们采用静态显示。电路原理图如图3.3所示：图3.3 LED显示原理图3.3.3键盘部分设计传统矩阵键盘的结构和存在问题：作为微机系统、单片机系统最常用的输入设备,键盘的作用极其重要。键盘按结构可以分为线性键盘和矩阵键盘两种。线性键盘由若干个独立的按键组成,每个按键的一端与微机的一个I/O端口相连,有多少个按键就要有多少根连线与CPU的I/O端口相连。因此,线性键盘只适用于按键少的场合,在系统日益复杂的今天,这种键盘的应用逐渐减少。矩阵键盘的按键按N行M列排列,每个按键占据行列的一个交点,需要的I/O端口数目是N+M,容纳的最大按键数为NM。显然,矩阵键盘可以减少与CPU的连接引脚,因此也成为微机系统、单片机系统最常用的键盘结构。矩阵键盘,并通过行列扫描法、反转法等技术实现。图3.4矩阵式键盘连接图图3.4所示的矩阵键盘为单片机系统最常用的键盘。但是,这样的矩阵键盘存在两个问题。第一,占用过多的单片机I/O端口。由于AT89C51的P3口有重要的复用功能,因此,真正能作为I/O端口的只有24个引脚。现在,仅仅一个矩阵键盘就占用了8个引脚,造成很大浪费。第二,执行效率不高。传统矩阵键盘往往只能采用定期扫描的方式,也就是每隔一段时间扫描一次键盘。扫描的间隔时间不能太长,否则无法正确识别是否有按键按下。在键盘扫描期间,单片机无法再执行其他程序,造成系统执行效率低下。因此,应该采用中断技术节省CPU资源,提高系统效率。3.3.4基于74HC164的中断串行键盘硬件设计根据74HC164的并行输出原理,单片机可以用一根数据线与74HC164的DSA、DSB相接,而用8个按键与74HC164的数据输出端Q0-Q7相接,构成一个串行键盘。此外,每个按键同时接到单片机的中断INT0,提高系统执行效率、加快键盘扫描速度。每当有按键按下时,INT0低电平触发,系统进入键盘扫描程序。串行键盘的键盘扫描原理和传统矩阵键盘类似,只是由于单片机和74HC164的串行通信方式,因此,单片机需要依次发送若干次按键检测数据才能判断出是哪个按键被按下。矩阵式键盘的结构与工作原理：如图3.5所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。行线通过电阻接正电源，并将列线所接的74HC164的I/O口作为输出端，而行线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。列线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。图3.5基于74HC164的矩阵式键盘电路原理图矩阵式键盘的按键识别方法确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。行扫描法又称为逐行(或列)扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下:判断键盘中有无键按下时先将全部列线74HC164的输出口Q0Q3全置为低电平，然后检测行线的状态。只要有一行的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平行线与4根列线相交叉的4个按键之中。若所有行线均为高电平，则键盘中无键按下。判断闭合键所在的位置，在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将列线置为低电平，即在置某根列线为低电平时，其它列线全为高电平。在确定某根行线被置为低电平后，再逐列检测各行线的电平状态。若某行为低，则该行线与被置为低电平的列线交叉处的按键就是闭合的按键。3.4智能继电器模块继电器的关断与吸合是依靠单片机来实现的。用单片机控制继电器,对继电器发出命令,让其动作或不动,完成其过电压继电器功能。这就需要将电压的值与整定值进行比较。整定值是人为设定的,不同情况用按键修改,并存放在单片机内。在本次设计中我们利用电压/频率转换器LM331测量交流电压的有效值.3.4.1电压-频率变换器LM331的介绍LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。LM331为双列直插式8脚芯片，其引脚为:图3.6 LM331 引脚图引脚功能:引脚1（PIN1）:为电流源输出端，在f（PIN3）输出逻辑低电平时，电流源输出对电容CL充电。引脚2（PIN2）:为增益调整，改变的值可调节电路转换增益的大小。引脚3（PIN3）:为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由t和t决定。引脚4（PIN4）:为电源地。引脚5（PIN5）:为定时比较器正相输入端。引脚6（PIN6）:为输入比较器反相输入端。引脚7（PIN7）:为输入比较器正相输入端。引脚8（PIN8）:为电源正端。如图3.7所示：LM331 内部有（1）输入比较电路、（2）定时比较电路、（3）R-S 触发电路、（4）复零晶体管、（5）输出驱动管、（6）能隙基准电路、（7）精密电流源电路、（8）电流开关、（9）输出保护点路等部分。输出管采用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应TTL、DTL 和CMOS等不同的逻辑电路。此外，LM331 可采用单/双电源供电，电压范围为440V，输出也高达40V。图3.7 LM331 V/F转换图3.4.2继电器模块基本原理结构电网电压经单相整流后转换为直流电压信号，通过V/F转换器把传感器输出的电压信号转换成相对应的频率信号，采用光电耦合器将频率信号传输到单片机，利用单片机内部的定时计数器测量信号频率，采用单片机强运算功能，根据电压与频率的线性关系计算电压值。图3.8为该系统结构图。图3.8智能继电器的系统框图3.4.3整流模块设计在线路保护中,单片机要知道被保护线路的电压值才能判断继电器是否需要动作。LM331并不能直接将交流电压转换为脉冲输出,故电压为交流时,要先