智能照明控制系统

毕 业 设 计（论 文）智能照明控制系统设计 装订线 智能照明控制系统设计摘要：节约能源是如今普遍的社会意识，能源十分严峻的制约社会的经济发展,而节约照明用电是我们每个人能做的。本文所介绍的基于单片机的智能照明控制系统主控制器以51单片机为中心，它的外围电路模块主要包括：电池模块、时钟模块、看门狗电路模块、人体信号采集模块、光信号取样模块。本文具体介绍了硬件设计和软件设计，硬件设计主要包括对看门狗监控模块、信号采集模块、时钟模块、通信模块、键盘输入与数码显示模块的设计，完成对人体信号和环境光信号的采集传输以及状态显示等功能。并且通过软件设计赋予其动力，通过程序实现键盘扫描、照明控制和定时控制以及数码显示。最后可以实现控制器所设定的各项功能，达到控制器自动与手动相结合的室内照明智能控制。智能照明控制系统较传统照明系统有许多优点，它不仅能通过精确设置和管理实现最大的节能效果，还可以有效延长灯具寿命，明显的改善照明质量，提高照度的均匀性，而对于管理者来说，由于灯具寿命变长，其管理维护的成本大大降低。关键字：节能；自动控制；照明System Designing of Illumination Intelligence ControlAbstract:Energy conservation is now widespread social awareness and energy very serious constraint on economic and social development, while saving electricity for lighting is that each of us can do. This article describes the microcontroller-based intelligent lighting control system master controller 51 microcontroller as the center, its peripheral circuit module comprising: a battery module, clock module, watchdog circuit module, the human signal acquisition module, an optical signal sampling module. This article describes the specific hardware and software design, hardware design, including design of the watchdog monitoring module, signal acquisition module, clock module ,communication module, keyboard input module with digital display, complete human signal and ambient light signals collection and transmission as well as the status display. Software design and by giving it the power to realize the keyboard scan, lighting control and timing control, and digital display by the program. Finally, the controller can set various functions, to control indoor lighting intelligent controller automatic and manual combination. Intelligent lighting control system than traditional lighting system has many advantages, it is not only through the precise setup and management to achieve maximum energy savings, but also effectively extend lamp life, significantly improved lighting quality, improve the uniformity of illumination, for managers due to longer lamp life, its management and maintenance costs are significantly reduced. Keywords：Energy saving, Automatic control, Illuminationi 目 录第1章 绪论11.1课题研究背景及主要内容11.2 国内外应用现状及趋势11.2.1国外的研究现状11.2.2 国内的发展现状21.3课题的研究意义21.4 本文的主要工作3第2章 设计方案论证42.1系统总体方案的设计42.1.1 总体方案设计42.1.2 硬件系统框图42.2 系统的主要功能6第3章 硬件设计73.1微控制器概述73.1.1 AT89C51单片机的主要功能73.1.2 AT89C51芯片的内部结构框图73.1.3 AT89C51芯片引脚说明83.1.4 AT89C51的时钟振荡器83.2主控制器电路设计93.2.1键盘接口与LED数码显示设计93.2.2 系统供电模块设计103.2.3超时报警电路设计103.2.4看门狗模块电路设计103.3分控制器电路设计113.4人体信号采集模块设计及其优缺点123.4.1人体红外传感器123.4.2比较电路123.5光信号取样模块设计133.5.1光敏三极管介绍133.5.2光强检测电路的设计143.6系统时钟电路设计153.6.1 DS1302芯片介绍153.6.2时钟电路163.7输出驱动接口电路163.8 通信电路设计173.9本章小结19第四章 软件设计204.1系统监控主程序模块204.1.1 系统主程序设计21 4.1.2 定时中断处理21 4.2数据采集模块子程序设计224.3时钟模块子程序设计234.4人机交互模块子程序设计254.4.1键盘扫描子程序设计254.4.2数码显示子程序设计274.5照明控制程序设计284.5.1照明启停控制设计284.5.2照明定时控制系统设计314.6 RS485通信系统程序设计344.7本章小结36总 结37致 谢38参考文献39附 录40 第1章 绪论1.1课题研究背景及主要内容随着社会的不断发展，能源消耗越来越大，节约能源成为了世界上一种普遍的社会共识，全球资源减少，我国作为最大的发展中国家，能源方面更是一个需要十分重视的问题，经济发展与能源枯竭而引发的矛盾日益增生，由于我国人口众多，能源将成为制约我国发展的重大问题，。当前世界各国，对于灯光的智能控制，已经有了很大的发展，在很多地方应用了这项技术，但是对于日益增长的室内照明用电及其浪费，却很少有针对这个问题的智能照明系统，目前智能家居已经在世界各国普及，并且有了长足发展。今后的灯光智能控制会随着计算机发挥能量的不断强大而日渐成熟，为缓解室内灯光浪费现象作出应有贡献，在世界走向智能化和工业化的时代，深入发展智能照明控制系统已经刻不容缓，对于其发展需要十分重视。照明用电的规模越来越大，无论是室内还是室外照明，每天都有大量的灯光浪费，例如学校，教育当前越来越社会所关注，由于受教育人群越来越多，学校的规模也越来越大，高校经常会出现白天照度很高却仍旧开着灯上课作业，而且不会因为人少便少开灯，会直接将全室灯光全打开，人走灯灭的现象也少之极少，长亮灯现象屡见不鲜。对此类行为，学校不得不担负一些本不应该有的压力，增加了不必要的开支。由于各种能源浪费，人们不得不将其朝着智能化和自动化发展，因此市场上迫切需要一种操作简单，维护方便，价格经济的智能节能照明系统。第二点就是随着人民生活水平的提高，人们对视觉感官要求越来越高，生活场所的灯光效果影响着人们的生产生活，为了大力满足人们在心理和生理上的需求。所有的生产生活方面的智能化是本世纪世界范围内的大趋势，当然在照明这方面，也会跟随世界潮流，不断的向对于人类而言更加简便舒适的智能化方向发展，而智能照明系统就是在这样的背景下产生的。人类会将其往带有更多艺术感和美感的方向发展，当然，首要的要求是能够更好的为人类服务，帮助解决人类的能源问题。1.2 国内外应用现状及趋势1.2.1国外的研究现状当前国外在智能照明方面已经有了稳固的发展。国外智能照明系统比较著第 0 页 共 40 页 名的品牌有霍尼韦尔，Control4，邦奇，路创。这些品牌在智能照明系统方面都有各自比较有特色的产品。例如说，澳大利亚的邦奇电子是首个将智能照明控制这个理念带入中国的企业，其于上世纪90年代就已经来华发展，凭借该公司对市场的洞察力和公司对服务的重视，在本土有了长足发展。霍尼韦尔也对这方面有一定的造诣，其制造技术强大，在生产智能照明控制产品时一直以提高客户的舒适感为标准，以节能环保和保障身体健康为目的。Control4将其产品进行了整体模块化，生产了一系列高端产品，用户可根据个人需求，个性化定制Control4系统，有助于控制预算和方便在将来进行功能扩展。国外的智能照明系统，在技术上已经相对成熟，在生产方面也已有相对较大的规模，有些大型外企不仅仅单方面发展智能照明系统透过智能集成设计提供全面的技术解决方案，还结合了其他的智能家居，形成一个智能控制平台。1.2.2 国内的发展现状我国比较知名的智能照明企业有河东电子和爱瑟菲等，在市场发展初级阶段，虽然智能照明拥有广阔的发展前景，不过仍旧受限于当前市场大环境，无法得到较好的宣传和大范围推广。人们普遍对此类产品没有消费意识，所以很难进行宣传，但是也证明了此类产品在市场依旧有很大潜力。还有一点，智能照明对于国内民众来说可能会感觉过于奢侈，照明产品价格昂贵，普通民众几乎无法承担这种照明方式的基础费用，只有市场解决价格问题，制造适合民众使用的产品，才能迎合市场。国内仍旧发展停滞不前，尽管行业整体在不断向前发展，瑞郎、海尔等各大企业都还在努力研发追赶国际发展，但是由于人们的消费观念及国内市场，很难去拓宽更加广阔的产品销售渠道，对智能照明市场的发展极为不利。智能照明进入初级发展阶段。1.3课题的研究意义现如今，世界潮流在往智能化和全面工业化发展，消费者的意识也在慢慢转变，人们的消费水平和对物质文化的要求也越来越高，智能照明的市场潜力逐渐凸显出来，智能照明不仅能让人们在视觉上更舒适，提供高质量的照明效果，也有助于节能。以下便是其具体功能：1、改造照明环境 智能照明控制系统可以自主根据环境的变化，在空间里表现出不同的照度，创造相对有美感的灯光体验，预设置不同的场景，让环境更加充满舒适感，让人的眼睛感到最舒服的照度，在生理和心理上给予积极的感官体验。 2、环保经济节能随着社会不断发展，照明用电在生活用电中已经占了很大的比例，我们国家的照明用电占总发电量的几近达到10%以上，因其而产生的温室气体排放量自然也高，智能照明控制系统则可使用最少的能源保证正常生产生活使用的照度，从而做到节约能源，并且减少温室气体排放，最终减轻大气污染，单从这方面来说，智能照明控制系统研究意义重大。3、提高生产效率，改善生产环境智能照明控制系统能够保证照度的均匀性，保证灯光照度值，不会出现光闪，从而保证工作人员的生产积极性，不会使其有疲劳晕眩感，保证了日常生产效率。 4、 对灯具进行了自动化、智能化控制智能照明控制系统运用了计算机技术、通信技术、单片机技术及自动控制技术对传统照明进行了革命性的改造，并使其有了“大脑”，不再需要人为控制，只需由计算机自行计算控制。 5、使灯具使用寿命延长灯具在使用过程中危害最大的就是过电压和欠电压，其对光源的损害是很大的，导致灯具需要频繁更换，而智能照明控制系统可以让其避免出现这些情况，可抑制电网的浪涌电压，亮度降低可延长灯具寿命，让其可以使用的更加长久。灯光照度改变是渐变的，所以人眼能够很好的适应它的改变。6、经济成本回收快智能照明控制系统可以在两个方面回收经济成本，一方面是在节电方面，它可以在电费上给你回馈，省下一部分照明用电费用；另一方面就是维护成本方面，由于维护方便，在维护方面人工成本可以大大降低。在这两个方面的费用回馈之下，经济成本会很快收回。1.4 本文的主要工作本文主要是对智能照明控制系统进行结构化设计，对当前的照明控制系统进行改造，AT89C51单片机为基础，将其作为主控芯片，进行硬件和软件设计。第 1 页 共 40 页 第2章 设计方案论证2.1系统总体方案的设计2.1.1 总体方案设计系统总体设计方案主要包括硬件部分和软件部分，由于其功能各异，所以需将硬件和软件分开设计，以实线各自的控制功能，以达到最终的控制目标。系统主控以51单片机为中心，它的外围电路模块主要包括：电池模块、时钟模块、看门狗电路模块、人体信号采集模块、光信号取样模块。硬件设计需要对Atmel公司生产的AT89C51单片机进行深入了解，并且进行电路原理图的绘制，合理进行布线，合理选择元器件。硬件设计部分采取结构化设计方法，硬件部分是整个系统执行的基础和大前提，是整个控制器运行的平台，所以硬件部分设计需要十分精密，不能出现大的差错。而软件部分是对硬件部分所产生的信号进行精确地收集并且针对这些信号进行分析、最终对各类信号进行相应处理。软件和硬件实现相互促进，相互配合之后，各类功能便可一一实现，控制器可以用光的照度和人体的存在作为输入参数，并且可以手动和自动交替使用，使设计更加人性化。利用光敏三极管检测光的照度，并利用人体检测模块检测是否有人，两个模块相互配合，完成控制系统的搭配。在光强度大时，足以正常作息时，无论有没有人在，都保持不开灯状态，当光照度小时，由人体检测模块发挥作用，检测到有人并且存在一段时间，根据环境光照度，按照照度设定值自动打开灯光，并在人离开之后延时一段时间关闭，在夜晚设定时间之后，主动关闭预设置的自动控制系统，换之进行人为控制 ，真正做到手动和自动可自由切换。本控制器需实现以下指标：（1）自动手动控制可切换。（2）无人灯灭，自然光照度大灯灭功能。（3）自动调节灯光照度，并始终维持在设定值上。综上所述，本文对智能照明控制系统的总体设计方案在硬件和软件上都作出了详细的说明，并结合实际内容进行了客观分析，在理论论证上表达了本文的可行性，在接下去的内容中本文将陆续详细介绍软硬件实施的具体方案并且做出详细说明。 2.1.2 硬件系统框图本系统采用的结构设计是分为上位机系统和下位机系统，并且通过通信系统相互连接，互相发送接收信号，由主控制器和分控制器进行信息交互，最终达到有效控制并且做到智能照明效果。系统的主控制器主要用于发送执行命令，其结构框图如图2-2所示：图2-2主控制器硬件电路结构框图分控制器则用于接收主控制器发出的信号和命令，其硬件电路结构如图2-3所示：图2-3分控制器硬件电路结构框图2.2 系统的主要功能采用智能照明控制系统，可以让生活多一份简便，因为智能照明系统始终处于自动运行状态，系统在运行前已经预先设定了多种工作方式，其可以在各个运行方式之间自动切换，不需要人为操作，它也能做到手动自动切换，比如到半夜某个时间点，它便会关闭自动运行功能，从而切换为手动操作，通过使用机械开关来控制灯的开和关。在检测到无人存在时，自动保持关闭状态，检测到有人时，通过对环境光进行检测，根据预先的设定值进行照度调节，保持人体感官最舒适的照度。智能照明系统表现出来的最大的功能便是节能环保，减少了大量的照明用电的浪费。智能照明控制系灵活的运用了计算机技术、通信技术、单片机技术及自动控制技术对传统照明进行了革命性的改造，并使其有了“大脑”，不再需要人为控制，只需由计算机自行计算控制。第3章 硬件设计3.1微控制器概述3.1.1 AT89C51单片机的主要功能 AT89C51单片机是Atmel公司生产的以8051为基础核心进一步开发出来的CHMOS工艺80C51系列单片机。CHMOS具有高速、密度大和CMOS低能耗的特点。AT89C51带4K字节flash闪存，128字节的内部RAM属于总线型中的基本型，4个并口，1个串口，2个16位定时/计数器，并且有5个中断源。AT89C51单片机的CPU是一个高性能中央处理器，具有位寻址功能，能够非常准确写入并且分析每一条指令，可以根据各种指令所表达的指定功能来控制其各个部件去执行这些指定的操作。3.1.2 AT89C51芯片的内部结构框图 图3-1 AT89C51内部框图3.1.3 AT89C51芯片引脚说明 图3-2 AT89C51引脚图1. 4个电源及时钟引脚：Vcc:接入电源引脚； Vss：接地引脚； XTAL1:晶体振荡器接入的一个引脚； XTAL2:晶体振荡器接入的另一个引脚。 2. 4个控制线引脚：RST：复位信号输入引脚； ALE:地址锁存允许信号输出引脚； ：内外存储器选择引脚； :外部程序存储器选通信号输出引脚。3.32个并行I/O引脚分成4个8位口： P0.0-P0.7:一般为I/O引脚或数据； P1.0-P1.7：一般为I/O引脚； P2.0-P2.7：一般为I/O引脚或者为高位地址总线； P3.0-P3.7：一般I/O引脚或第二功能引脚。3.1.4 AT89C51的时钟振荡器AT89C51单片机的时钟信号通常由2种方式产生，一种是内部时钟方式，二是外部时钟方式。内部时钟方式只需要在单片机的XTAL1和XTAL2的引脚外接晶振即可；而外部时钟方式则是将外部已经存在的时钟信号带入到单片机中。实际操作时一般采用的是外接晶振的内部时钟方式。3.1.5 AT89C51的复位电路复位就是让单片机始终处于某种已经确定的初始状态，复位操作能使其进入初始状态，其工作便是从复位开始的。在现实的应用中，复位有上电复位和上电与按键都有效的复位两种基本形式。AT89C51的复位电路如图3-3所示： 图3-3 AT89C51的复位电路3.2主控制器电路设计AT89C51单片机的主要情况已于上一节详细介绍，其是高性能的微处理器，根据其性能运用于主控制器十分恰当。主控制器连接着几个关键模块，如键盘模块、通信模块、看门狗模块及数码显示模块和驱动模块。3.2.1键盘接口与LED数码显示设计键盘有独立式和矩阵式两种结构形式，而本文使用的是矩阵式键盘，其采用行列式结构，采用逐行扫描方式，所有的按键设置在行列的交点上。因为有8根口线，则可分别将4根定义为行线，4根定义为列线，从而形成44键盘，并且可以配置16个按键。行列线应顺次连接好，以便于单片机检测信号。第一行从左到右分别是1、2、3、4，以此类推，第二行为5、6、7、8，第三行则是9、0、开和关，而第四行则是增、减、定时和确认。键盘列线分别从左到右依次连AT89C51的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 口，而行线则依次从上到下连接AT89C51的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7口。LED数码显示及其驱动电路由7447芯片和74L138译码器，4个数码管组成，用7447将四位BCD码翻译成字母段，并在LED数码管上输出显示，4个数码管形成共阳极方式。四个数码管前两位显示人体信号，第一位H，第二位0或1表示无人和有人；后两位则表示环境光是否充足，第三位显示L，第四位0或1，分别表示否和是。键盘电路与数码显示对于主控制器实现核心控制十分重要，键盘能实现定时和光强设置，数码显示能对单片机状态以及信号进行显示。3.2.2 系统供电模块设计本设计应用+5V的电压供电，所以要选择输出为9V的变压器，然后经过二极管全波整流和电解电容的滤波，最后经过稳压器，在输出端另加电容，使其最终得到+5V电压用于对整个系统主控制器及其外接模块实施供电。供电电路图如下所示：图3-4系统供电电路 3.2.3超时报警电路设计 将一个10K的电阻加在本系统单片机的P3.4端口，之后串如一个100欧姆的用于限流的电阻，并将其接在三极管的基极，当该单片机端口，也就是这个三极管的基极出现低电平时，三极管便导通了，然后连接在电路的蜂鸣器响起，用于表示系统工作超时，需停止工作。反之。若其显示为高电平，则三极管不导通，蜂鸣器静音，系统正常工作。这个电路极大的保证了对本系统的科学管理，可以让维护管理人员更加有规律轻松的对本系统进行管理。该超时报警系统如下图所示：图3-5超时报警电路3.2.4看门狗模块电路设计图3-6 MAX813L单片机在运行过程中，会有很多无法预测的外界干扰对程序进行扰乱，导致一些运行中的失误，例如程序跑飞，严重者可导致单片机整体瘫痪，也就是我们常说的“死机”，当这些情况出现时，为了系统能继续运行，只有使单片机重新复位，才能解决此类问题，而此时能解决问题的方法就是在硬件电路设计中加装看门狗电路，对系统进行监控，如若系统进入死机状态时，可以发送信号给单片机，使其进行复位操作。本系统采用的是低成本微处理器MAX813L芯片组成监控电路，形成看门狗。这个监控电路的功能主要是当电源电压超过设定值时，使RESET端输出复位信号，使系统复位。图3-6 MAX813L芯片及其引脚3.3分控制器电路设计 图3-7分控制器电路从控制器对于本系统而言，也有一定的必要性，因为其负责的是采集各种模块的数据，并且实现现场控制。分控制器需要配合主控制器完成系统的运行，作为一个中间环节，更加直接的控制基础模块。本系统的分控制器为了方便起见，也由AT89C51单片机承担，这样可以与主机单片机完全兼容，更加直接的实现控制，因此可以很好的配合主机的AT89C51单片机完成系统运行。分控制器电路图如图3-7所示：3.4人体信号采集模块设计及其优缺点3.4.1人体红外传感器由于本系统要实现的功能之一就是在无人时，无论环境光照度多大都不开灯，所以人体信号采集模块很关键，这个模块由两个部分组成，红外传感器和比较电路，当人体通过时，红外线被遮挡，红外检测探头检测到有人存在，会把环境发生的变化转化为电压信号，随后将发送信号给单片机，使其控制灯保持不亮。本系统将采用HP-208-N-L人体感应模块，该红外感应器功耗小，价格低廉，隐蔽性很好，最主要是灵敏度高，普遍在各种需要人体自动感应模块的系统中，其对于智能照明系统的运用有着很大实际帮助。HP-208-N-L模块有三个具有不同功能的引脚，第一个引脚为电源VCC引脚，第二个则收到的信号输出端，即为OUT端，第三个是接地GND端。其功能特点是具有可重复触发和不可重复触发两种触发方式，并且有全自动感应的功能，还有感应封锁时间，可有效抑制各种外来干扰。 图3-8人体存在信号采集电路3.4.2比较电路表3-1探头采集信号输出状态表比较电路是由两个运算放大器组成的电路，红外传感器收到的信号作为输入信号，它有两个独立的分压电路，作为其基准电压，用于比较如图3-9。采用比较电路，能够有效防止因干扰而产生的误动作，解决人体红外信号的采集，适用于本系统。从HP-208-N-L人体感应模块所收集到的信号之后，经过比较电路，根据运算放大器所测得电压高低进行分析，探头采集输出状态如表3-1所示。图3-9 比较电路3.5光信号取样模块设计光信号在本系统中是主要的输入参数，所以采集光信号尤为重要，要有预先的设定值，让环境光亮到一定照度时灯就保持关闭状态，而环境光暗在什么照度都要有想对应设定值保持光的均匀性，能让人感到舒适感，所以光信号采集模块的设计必须达到一定的精度。3.5.1光敏三极管介绍光敏三极管又称为光电三极管，其与普通三极管有许多相似之处，结构类似，同样有电流放大作用，但是它的集电极电流不仅仅受基极控制，同时也受光辐射强度的控制，所以可以用它来进行光强度检测。它的基本原理是当光照到PN结上的时候，可以将光能转化为电能，在电路中展现出来，在光敏三极管加反向电流时，反向电流会随着光强度而增大。与光敏二极管相比，由于其光电流放大作用，它的灵敏度显然更高。光敏三极管有一个对光极其敏感的PN结，将其作为感光面。而集电结一般会作为受光结，所以光敏三极管实质上是在普通三极管上加一个光敏二极管。光敏三极管，也是采用半导体制作工艺制成，这一点与普通半导体三极管，光敏三极管一般只有两个或三个。光敏三极管的基区面积做得较大，吸收大部分入射光，并且用于光电转换，而发射区面积做得较小。光敏二极管一样，管的芯片图3-10光敏三极管典型应用电路安装位置跟也是金属管内，这个金属管内装有玻璃透镜，用于集中光照在芯片上。从而进行光照强度的检测，并且将检测到的信号进过A/D转换变成电信号由单片机进行判断。光敏三极管通常与发光二极管配合使用，作为信号接收器，用于测量光的亮度，它的功能不仅仅有测光亮度，而且有光耦合和光电隔离功能。故将光敏三极管运用于本系统测光强度十分适合，有光照时，电阻减小，随着光照强度的减弱，电阻逐渐增大，其可以准确的反映光的照度。其典型应用电路如3-9所示：图3-10光敏三极管原理图3.5.2光强检测电路的设计光强检测电路原理下图3-10所示。当光的照度超过一定的程度时，光敏三极管D6呈现出低阻状态并且1K，当三极管Q12的基极电压升高，Q12管饱和导通，集电极输出低电平。当环境光强度小于一定程度时，光敏三极管D6则呈现高阻状态100K，使三极管Q12截止，集电极输出高电平。如果调节R26阻值，可以让三极管Q12随着环境光强度增加而在适当的亮度下导通。在导通之后将光强信号通过AD转换器转换为电信号再传递给单片机，本系统使用ADC0809芯片进行AD转换，其为10位数模转换器，十分精确，适用于本系统。图3-11光强检测电路 3.6系统时钟电路设计3.6.1 DS1302芯片介绍由于本系统要实现到一定时段便自由切换控制，从自动控制切换为手动控制，所以需要设置一定的时钟电路，才能真正达到智能化的控制。时钟电路必须保证在系统停电时不断电，所以要选择具有充电能力的时钟芯片DS1302，这个芯片由美国DALLAS公司生产，采用串行通信方式，低功耗、价格便宜、使用方便并可以用于RAM临时存放数据的寄存器，还可以为其提供充电功能，也可以对功能进行关闭。其时钟精度高，可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，能进行闰年调整，31字节RAM，引脚与TTL兼容。DS1302的工作电压为2.5V-5.5V，工作电流小于300nA，有备份电源和涓流充电能力。DS1302需要三根线与单片机通信，体积很小且精度很高，与单片机之间采用3线同步串行方式进行通信。广泛用于各种便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域，完全满足本系统的要求。DS1302芯片相比于D1202，增加了许多功能，其相互兼容，但是增加了两个电源引脚，提供后备电源充电的能力。系统所采用的DS1302引脚如下图所示：图3-12 DS1302引脚图 各引脚的功能为：Vcc1：工作电源引脚；Vcc2：备份电源引脚；注：当 Vcc1大于Vcc2时，由主电源Vcc1向DS1302供电，当Vcc1主电源关闭时，则由Vcc2供电。X1、X2：晶振接入管脚。晶振频率为32.768kHz；SCLK：串行时钟输入引脚，用于时钟控制；I/O：数据输入/输出引脚；：复位引脚。高电平启动输入/输出，低电平结束输入/输出。3.6.2时钟电路DS1302芯片与单片机连接电路如下所示，Vcc1主电源外接稳定输出电压+5V的电源模块，Vcc2可用3.6V可充电的锂电池作为后备电源。两个电源电压比较之后，较大者用于供电，以保证系统时钟电路能够正常连续运行。振荡源需要外接32.768KHz的晶振，以保证其正常运行。将置高电平即可用于启动数据传输，并且能够与AT89C51的复位信号相连。图3-13时钟电路3.7输出驱动接口电路单片机的输出信号控制十分关键，其直接关系到照明系统的灯光控制，所以这个输出驱动接口电路也十分重要，该电路由AT89C51单片机的P2.0和2.1口实际控制照明系统中灯光的开关。单片机的P2.0口的信号电平是“0”时，两个NPN三极管Q1、Q2组成的放大电路便会截止，从而导致后续电路回路中无电流通过，导致继电器无法导通，继电器线圈无法运行，继电器触点断开，灯光不亮，而相反，如果P2.0的电平信号为“1”时，两个NPN三极管Q1、Q2组成的放大电路就会导通，从而发生与之前完全相反的结果，继电器的线圈会正常工作，继电器开关触点闭合，工作回路导通，灯光打开。图3-14输出驱动接口电路 对于另一个口P2.1而言，当电平信号为“0”时，第三个NPN三极管Q3会截止，用于警示作用的LED显示灯不亮，系统能正常运行，并关闭当前运行的照明，相反，如果电平信号为“1”，那么LED显示灯会亮，表示打开照明，如果灯常保持不亮状态或亮的状态，也就是说常“0”或者常“1”，那么系统是正常的，并且能够正常运行，但是如果系0统LED显示灯忽亮忽暗，一直闪烁，电平信号“0”、“1”交替，那么说明系统已经进入故障状态，已经无法正常运行，并且其闪烁间隔时间不同，也代表着不同含义。输出驱动接口电路如图3-14所示：P2.1P2.0图3-14输出驱动电路 3.8 通信电路设计由于本系统有主控制器与从控制器，属于分布式集散控制系统，由一台单片机作为主机，控制其他从机，所以本系统需要由通信电路来完成主从关系之间的控制。主机控制着整个系统的运行，发出各种命令，而从机则是与主机互动，采集信号然后进行现场控制。主机和从机之前需要同总线连接，主机通过串行输出口TXD进行向从机发送命令，只有主机能向从机发送命令，而从机和从机之间不能进行通信，必须由主机送达。单片机多机通信连线图如下所示：图3-15单片机多机通信连线图主机RXD TXDRXD TXD从机1RXD TXDRXD TXD从机n本智能照明控制系统使用RS485通信总线进行，其通信效率高，传输速率大，最大输送速率达10Mbps，RS485支持半双工标准，三根线便可实现通信，做到数据的接受和发送功能，抗噪声干扰性极强，可运用于本系统的主从控制模式的通信电路，即主从通信模式。主机处于掌控全局的地位，可以向所有的从机或者指定某个从机发送信号或命令，从机可以发送信息和接收命令，由从机发送的信息只能由主机接收，但其不能进行从机之间通信。主机从机通信电路如图3-16和3-17所示。 本系统RS485通信总线使用的接收发送芯片为MAXIM公司生产的MAX485，其采用半双工通信方式，它可以将TTL电平转换成RS485电平，其RO端与单片机的RXD端相连，为接收器的输出端，DI端与单片机的TXD端相连，为驱动器的输入端。单片机的一个管脚可以控制两个引脚，主机由P2.6控制，从机由P1.0控制,故MAX485对于本系统来说十分合适。图3-16主机通信电路图 由于系统运行时会受到不同程度的干扰，所以需要加装一个抗干扰的仪器，本系统准备用光电耦合器TLP521来做到抗干扰作用，用其对整个通信系统作光电隔离，使其保持抗干扰能力。从机通信采用单片机的P1.0口，用P1.0口来控制MAX485的工作状态，也就是说，将其置低电平或者置高电平都能改变MAX485的工作状态。图3-17 从机通信电路图 3.9本章小结本章主要介绍了智能照明系统的硬件部分，并且分别对各个模块的电路进行了详细的介绍，例如：主控制器的看门狗模块、供电模块、键盘模块和超时报警电路模块，还有分控制器的人体检测模块、环境光模块，以及时钟电路模块。各个模块担负着整个系统运行的不同功能，本章已经对其功能进行了详尽的描述，并且将其电路图或芯片引脚一一描绘。硬件部分对于一个系统来说起到至关重要的作用，硬件部分如果出现问题，电路出现某一处短路或短路，某一个芯片出现特殊情况没有响应，那么就极有可能导致整个系统的瘫痪，经过方案论证，我认为本章的硬件设计可以作为本系统的硬件部分，并且通过设置必要程序，完成之前所需要的技术要求。本章硬件部分详细运行原理就是，利用上位机系统也就是主控制器系统控制整个系统的运转，并且配有看门狗监控电路对整个系统程序运行进行监控，接收并发送系统运行命令，然后由下位机系统硬件电路也就是分控制器的硬件电路包含多个模块，主要是用来接收由主控制器发来的信号和命令，并且对现场的人体红外信号、环境光强度信号进行数据收集，并且发送给主控制器进行信号的分析和比较。主控制器与分控制器的通信系统则使用RS485总线进行通信，RS485运用普遍，半双工主从式通信，且其具有抑制共模干扰的能力，用于本系统十分适合。硬件系统在上位机系统、下位机系统与通信系统的配合作用下运行，完成控制智能照明的技术要求，实现对灯具的智能控制。第四章 软件设计软件是一个系统的发动机，硬件做了完整的设计，软件给予动力，赋予其灵魂，让整个系统能够有序运行，并且通过不同的程序实现不同的功能，所以，软件设计对于整个系统而言是至关重要的。只有软件设计完善，才能让整个系统达到各项技术指标。比如本系统，要实现智能照明控制，需要由软件程序来控制照明用的灯具，并且通过程序完成定时，进行串行通信，定义矩阵键盘功能，并且通过程序完成LED数码管显示，软件设计主要包括主程序设计、子程序设计以及中断程序设计。本系统采用传统的结构化系统设计，系统框图如下所示：图4-1系统软件总结构图4.1系统监控主程序模块监控程序是一个系统运行的关键部分，所有外围模块都需要经过监控电路。只有监控主程序到位，对键盘所传达的命令进行分析，并且交由相应子程序处理，在系统运行中起到一个“向导”作用。监控程序根据模块划分，大致也就分为以上所述，由监控主程序与相应处理子程序组成。51单片机的资源有限，主程序是一个无限反复调用子程序的过程。智能照明控制系统的监控主程序主要是对外围电路的一些输入输出数据进行初始化自检，还有对一些模块的程序调用及中断处理，最主要的是激活看门狗。在设计时，只要将所有模块都设计成子程序，这样主程序就可以方便调用这些功能子程序。除此之外，监控主程序还能将其余部分串联起来，并且形成无限循环，让所有功能都能在这个循环中不断执行。系统监控主程序流程图如图4-2所示： 图4-2 监控主程序流程图4.1.1 系统主程序设计 系统自检初始化是系统在运行前要进行的关键，是系统能够正常运行的前提，在系统上电之后，自检初始化程序会启动，对系统进行自检及其初始化。初始化过程会对一些用于控制的寄存器或者如本系统中时钟电路DS1302之类的外部芯片进行初始化，比如参数设定之类的初始化过程。若系统某些芯片连接没有到位，或者说有硬件故障，便会导致系统无法正常运行，所以，需要在运行前进行系统自检，要针对这些进行检查。例如需要检测各个芯片是否已经进入准备就绪状态，时钟芯片DS1302是否处于起振状态，而有关于数据采集的人体采集信号和环境光采集信号是否能够进行正常采集。在自检过后，一切处于正常待运行状态，那么便可以开始运行系统。4.1.2 定时中断处理定时中断是利用的是单片机本身的定时器进行定时，并且当计数值到达限制或者时间到达设定值而引起的中断。单片机的内部定时器的计数器可以通过两种方式计时，一种是通过内部时钟；另一种则是从外部T0或T1输入的外部脉冲。定时中断是一种周期性中断，每隔一段时间就自动中断一次，本系统需要运用这种中断来运行，它可以对任务时间进行划分，启动相应操作，使其进入就绪状态。除此之外本系统还采用了外部中断方式，这个外部中断是用来判断是否有外部信号出现，如果有可以对其进行收集并且分析；如果没有，就继续执行无限循环。本系统的定时中断方式如下图所示： 图4-3定时中断方式4.2数据采集模块子程序设计对于软件设计，主要任务是对环境光检测电路，以及人体传感器的收集处理电路输出的环境光和人体信号进行采集分析，并且将这两个信号放入软件设计中的实施多任务模块定时采集。对于本系统来说，要求环境光强度大无论是否有人存在都保持关灯状态；而环境光小时，则当人体传感器模块检测到有人便开灯，无人便保持关灯状态。故本系统的逻辑状态是：当人体存在时传感器采集电路输出状态为“1”，不存在为“0”；环境光亮时采集电路输出逻辑状态为“1”，暗时为“0”；灯具开为“1”，关为“0”。所以，综上所述，本系统逻辑关系表可以如表4-1表示： 表4-1 系统逻辑关系表除了光强信号和人体存在信号，还有一个信号需要可以列入逻辑表，那就是时钟信号，在设置好定时之后，工作时间逻辑状态为“1”，如果到了休息时间，便为“0”，此时控制器电灯状态会始终保持关闭状态，自动控制器会切换为机械开关控制，如果此时有人需要开灯，就可以用机械开关自行打开，这样就可以做到手动自动切换，加入时钟信号之后的系统逻辑关系表如表4-2所示： 表4-2 系统逻辑关系表4.3时钟模块子程序设计对于时钟芯片DS1302，我们需要先检查它的运行状态，当确认它处于启动状态时，再对系统进行自检初始化，对DS1302进行程序设计的核心是遵循它的时序要求，DS1302的自检初始化流程图如图4-4所示： 图4-4 DS1302自检初始化流程图在进行操作时，对DS1302初始化之后,把复位引脚置高电平，这样数据才能正常传输，如果不是高电平，所有的I/O口都会中止，引脚变为高阻抗状态。当数据传输完毕，再把引脚置低电平，用来抑制外来干扰。为防止外来干扰，还需在主电源引脚电压为达到2.5V时，的逻辑状态一定要为0。DS1302时钟芯片在实际运用中使用频繁，并且读写操作简单，所以应用广泛。在本系统的软件设计中，以DS1302芯片为中心的时钟模块起到了很大的作用，对数据传输，定时计数都发挥了很大的作用。综上所述，数据输出输入流程图和读写程序流程图分别如图4-5和图4-6所示:图4-5数据输入输出流程图 图4-6 读写程序流程图4.4人机交互模块子程序设计本系统的人机交互主要体现在键盘输入和数码显示两部分，解决键盘的按键扫描还有数码显示屏对各类信息的显示，可以让管理维护人员更加方便更加灵活的对系统进行控制。由键盘键入某些需要的指令，然后由数码显示屏显示当前单片机的状态，形成一个人机交互平台。4.4.1键盘扫描子程序设计键盘扫描是这个模块中值得关注的地方，本系统采用了由行线和列线组成的44矩阵式键盘，而所有的按键就在行列线的交点处，由于是44键盘，所以有16个按键，每个按键均代表着不同功能，键入都会输出不同结果。矩阵式键盘通过检测行列线的高低电平来扫描是否按键被按下。键盘的扫描速度很快，只要人在按键的时候不出现特殊情况，单片机处于等待输入状态，一般情况都能将键盘扫描输入的按键信号收录。由于人会在按键时出现一些不可控因素，所以我们必须在这期间加入一个防干扰的程序，最主要是防止因为人手抖动而引发的误动作，误按键，所以这个程序是判断按键信号是否真的是确实存在的信号，将误动作的信号去除。其工作原理是当检测到一个脉冲信号时，能够不直接判定其为按键信号，等待延时之后再次检测，多次检测之后例如检测三次确定有此按键信号，那么便可以继续传输了，这个程序对于其运行很重要，能够很好的防止一切不可控因素。系统的16个按键均有自己的功能，前面硬件设计部分已经大致介绍过了，首先定义的是09这10个数字键，然后分别是开和关、增和减、定时和确认。他们的基本功能是通过10个数字键来进行定时设定还有对分控制器的地址输入并用确认键进行确认。通过软件设计赋予这些按键功能，开和关用于开灯和关灯，增和减用于调整灯光的亮度。扫描获得按键信息之后，执行相应程序，并实现需要实现的相关功能。 图4-7键盘扫描程序流程图在本系统中，矩阵式键盘与典型键盘一样，行线通过电阻接+5V。键盘上有某一键闭合或者没有键闭合时，只需判断行线和列线是否短接，并且呈现什么电平状态。矩阵键盘的键识别过程要完成以下3项工作： 判有无键按下。将行线接单片机输入口，列线接单片机输出口。通过置列线为低电平观察行线的状态来判断键位是否有被按下。先让CO列线为低电平，其余列线为高电平，读行线状态，如行线状态不全为“1”，则说明所按键在该列；否则所按键不在该列，再使C1列线为低电平，其他列为高电平，判断C1列有无按键按下。其余类推，这样就可以找到所按键的行列位置；进入相应程序。根据行列位置可以推出所按下键的键号，再根据键号进入相应的功能程序。4.4.2数码显示子程序设计图4-8 LED数码显示程序流程图 本系统中的数码显示由4个共阳极数码管来完成，根据输出端的高低电平来决定是否亮暗，各个驱动电路使各个字段发亮，而发亮的字段组合用于显示单片机的状态。本系统选用了7447芯片和74LS138译码器用于选通数码管，7447将BCD码转换成SEG7段码，而74LS138则起到地址译码的作用。第 41 页 共 40 页 4.5照明控制程序设计本系统是智能照明控制系统，所以照明控制程序在本系统中十分重要，直接关系到系统运行的现场情况。在本文中照明控制系统的照明控制主要由单片机AT89C51全面控制，配合时钟芯片DS1302读取数据并且将其写入。最终主机和从机之间进行通信，对定时时间做出调整，利用从机对预设定的程序进行照明控制。4.5.1照明启停控制设计照明启停程序是用来启动和停止灯具运行的系统程序，由主控制器发出命令，然后通过通信系统RS485总线进行传输，最后由分控制器进行现场控制，实现照明灯具的启停动作。所以，根据实际需要，在本系统中这个启停程序由全部启停与单独启停两部分组成。全部启停控制比较简便直接，可以直接根据键盘的“开”、“关”按钮来决定，“开”和“关”可以直接全面启停所有的照明用具。 图4-9全部启停控制主控制器程序流程图本系统是主从式通信方式的系统，主控制器掌控着整个系统，处于核心地位，经过通信系统后由分控制器接收并发送信息，当主控制器发出“开”时，从机接收命令，并由驱动电路向P3.7口输出高电平，此时点亮照明用具，反之，发出“关”时，从机将使P3.7口输出低电平，此时照明灯具关闭。在全部启停程序中主控制器的程序流程图如4-9所示，而分控制器的程序流程图则如4-10所示： 图4-10全部启停控制分控制器程序流程图单独启停程序则是通过主控制器发送指定的命令给分控制器，不再跟全面启停一样，进行全面控制，二是单独指定某一个照明灯具关闭或打开。其工作方式与之