基于单片机的楼宇智能智能照明控制系统(共36页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上学校代码：10904 学 士 学 位 论 文智能照明控制系统的设计姓 名：×××学 号：×××××××指导教师：×××学 院：×××学院专 业：×××完成日期：××××年×月×日 学 士 学 位 论 文智能照明控制系统的设计姓 名：×××学 号：×××××××指导教师：×××学 院：×××学院专 业：×××完成日期：××××年×月×日摘 要随着电子科技和信息技术的飞速发展，单片机在控制领域有了广泛的应用。基于单片机的控制系统大量的用于工业、农业、电力、电子、航天等行业，单片机作为一种微型的计算机已经逐步成为嵌入式控制系统的主题与核心。并且成功的替代了传统的电子线路控制系统。此外，伴随着楼宇智能化的要求，基于单片机的照明控制系统得到了普及和发展。本文重点进行了AT89C51单片机在校园楼宇照明系统上的应用，研究了室内灯光的控制系统和控制原理，并且根据实际情况进行了节能控制的设计。该系统利用了较为成熟稳定的红外传感技术和计算机控制技术，利用多参数进行校园楼宇室内照明系统的控制。本系统包括两部分：硬件设计和软件设计。照明控制系统主要包括主控制器、分控器。这二者均是以AT89C51单片机作为基础进行的设计，最终实现了通信、控制和显示等功能。本文重点描述了控制电路的设计与实现，例如：显示器、RS485通信模块、电子狗以及照明控制模块。软件部分主要实现了主控器与分控器有线通信程序的设计以及灯光控制、定时控制和显示程序设计。【关键词】照明控制；AT89C51；单片机；控制电路AbstractWith the rapid development of electronic technology and information technology, SCM has been widely used in the field of control. The control system based on single chip computer is used in industry, agriculture, electric power, electronics, aerospace and so on. As a kind of micro computer, MCU has become the theme and core of embedded control system. And it successfully replaced the traditional electronic circuit control system. In addition, along with the requirements of intelligent building, lighting control system based on MCU has been popularized and developed.This paper focuses on the application of AT89C51 single chip microcomputer in the building lighting system, and studies the control system and control principle of indoor lighting. The system makes use of the more mature and stable infrared sensor technology and computer control, and uses the multi parameters to control the indoor lighting system. The system consists of two parts: hardware design and software design. The lighting control system mainly includes the main controller and the controller. These are based on the AT89C51 microcontroller as the basis for the design, and ultimately realize the communication, control and display functions. This paper describes the design and implementation of the control circuit, such as display, RS485 communication module, electronic dog and lighting control module. The software part mainly realizes the design of the program of the main controller and the controller, and the lighting control, timing control and display program design.Key Words: lighting control system; AT89C51; Single-chip microcomputer; acquisition of signal目 录专心-专注-专业第1章 绪论1.1 研究背景伴随着计算机网络科学技术、通信及控制系统的不断发展和建筑业的不断进步，绿色节能的智能化建筑层出不穷，但是目前国内大多数的智能建筑存在能源使用效率低、能耗高的现象。针对智能建筑的照明系统来看，许多地方的灯经常是从早到晚开着的，不管这些房间或楼道是否有人，也不管有多少人。或者，当自然光照度很好时，灯不能及时关闭；反之，当自然光照度难以满足人的需求时，又不能及时打开灯光。这种照明方式，不仅造成能源的浪费，而且不能满足人对照明的基本需求，同时也给人的视力造成了很大的影响。现代照明除了满足人的基本生活、学习要求之外，将更注重能量的节省和使用上的便利，以及满足人类工程学的个性方面的要求。特别是近年来大厦内利用计算机工作的人员比例上升，不同视觉要求的工作的数量和复杂程度大大增加。所以要做到合理、经济、节能，首先应采用先进成熟的技术和产品，如电光源、灯具、照明控制系统。因此，适应不同个人和工作需要，结合自动调节与手动调节的智能化照明系统已经成为必不可少了。而在大学校园的建设热潮中，各大高校和他们的建设者也意识到了智能照明的重要性。相对商业楼宇而言，大学校园里的大功率动力和制冷设备比重较少，照明灯具则相对比重更多，所以控制教室照明是节能的关键。使用照明控制系统，更能体现其在节能与管理方面的优势，提高学校的科学管理水平，而且还能节省开支。1.2 国内外研究现状当前，国内许多厂商也开始了新型照明控制系统的研究开发。参照国际趋势，国内厂商的关注重点主要是根据市场导向，分析消费者对智能家居照明系统的需求，这既包含照明设备功能完善需求，也包含消费者对其他诸如艺术性等方面的需求。然后依据市场需求分析结果，调整企业自身的经营方法、设计理念，从而使得自身产品既在功能上更加符合国际惯例，满足电气安全标准，又在其他方面满足消费群体对非电器参数的功能需求13。但是，整体来说，国内智能照明控制系统研发存在诸多问题：1.国内智能照明控制研究目前仍然停留在照度控制这个参数上，基本尚未引入非定量参数指标的研究。2.国内智能照明控制系统目前仅仅能够实现特定区域的集中显示与控制，还没有办法实现照明设备的场景控制、亮度调节、照明效果调节。3.虽然国内企业照明产品在稳定性、功能定位等方面已经取得了长足进步，且新型产品也在不断的开发、研制、推广，但是，无论是照明设备行业，还是智能家居领域，整体基础较为薄弱46。当前，国外智能照明控制系统的研究主要集中于以节能为前提、以照度为参数指标的办公室照明，而且，随着更高要求的提出，当前加入了诸如舒适性、艺术性等非定量参数指标对照明系统的需求研究7。国外的许多知名企业，诸如西门子、施耐德、飞利浦和欧司朗等，在 20世纪80年代就已经开展了智能家居照明系统的研制。施耐德采用澳大利亚奇胜电器公司在1994年初开发的C-Bus系统作为智能照明的核心系统，其设计流程、产品工艺满足欧洲电气安全和电磁兼容性标准。C-Bus目前在世界各国都有广泛的应用8。西门子、飞利浦等知名企业更多的则是选择关注、开发新型照明光源，比如LED灯。还有一些企业则是关注、开发采用电气安装总线（EIB）技术实现的 EIB智能照明系统9。此外，澳大利亚邦奇开发了基于模块化结构与分布式控制功能的Dynalite 分布式智能照明控制系统，此类系统既能够实现模块相互之间的总线互联，又在故障状态下具备很高的运行可靠性。美国 LC&D智能照明控制系统根据用户需求，兼具手动控制与自动控制两个功能。其中，自动控制系统则是采用微处理器控制低压配电系统实现楼宇照明设备在既定时间、既定空间、既定方式下的室内、外照明的色度、亮度、节能等方面的要求。1.3 研究的目的与意义研究的教室灯光控制系统能用于现有教室照明系统的改造，实现对照明系统的人性化智能管理，提高用电效率;实现自动、手动灯光控制相兼容，以降低成本;通过反复试验和改进，最终达到可靠性、实用性、推广性较好的目标。1.4 系统设计1.4.1 系统设计要点系统设计主要包括两大重要模块：硬件电路和软件设计，根据单片机控制电路的原理和相关元器件的性能进行设计。硬件电路先绘制电路原理图、选择合适的电器元件、并绘制PCB布线图，最后进行调试、测试，以求满足设计要求。硬件电路采用模块化设计，保证设计思路的清晰和标准化，这样及经济有保证了性能，测试中故障排除也容易，并且还可以通过Keil和Protus平台进行仿真。软件设计主要是根据主系统流程图和各模块功能进行设计，并且拟定好计划；最后进行具体的设计，选择合适的编程语言进行代码设计。最后利用各平台进行仿真调试，解决系统的Bug。本系统采用模块化设计，逐个编写各个功能模块子程序，最后进行堆砌调试。1.4.2 系统设计思想本系统的结构主要分为三部分：上位机、下位机以及通信系统。也就是主控制模块、分控制模块以及RS485通信模块，这三部通过有线连接的方式实现信息交换实现控制灯光照明的目的。1）通信系统本系统采用RS-485通信，上位机可以发指令或者数据给下位机，下位机主要实现照明灯具的控制，通过电流的启停实现指令和做出回应，具体见图1-1。图1-1 上位机下位机通信结构框图2）上位机系统上位机主要是指AT89C51单片机，主要是将指令发送给下位机控制器，或者将信息传送给数码显示装置，并且利用监控程序进行有效监视，具体结构见图1-2。图1-2 下位机硬件电路框图3）下位机系统下位机控制电路图1-3所示，在协助上位机系统完成通信、显示后，同时控制照明器具，该硬件电路系统是上位机的实施工具，大部分工作由软件实现，使系统保证功能和完整性的重要组件。图1-3 下位机电路框图第2章 硬件电路的设计与实现2.1 系统概述以单片机作为核心的控制电路外加各种接口电路实现了整个控制系统，该系统主要包括六个部分：AT89C51单片机、光信号采集电路、热释红外信号采集电路、时钟电路、看门狗和输出控制电路，见图2-1。图2-1 系统硬件结构图2.2 AT89C51单片机性能本系统采用了ATMEL公司MCS-51系列单片机中的AT89C51芯片，它是低压高性能CMOS 8位微处理器，带有4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15个IO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 主控制电路的设计主控制电路采用AT89C51作为微处理器，外围接口电路主要包括键盘、数码显示、监控、时钟、输出控制以及晶振电路组成，主控制电路及接口电路图见2-1所示。图2-1 主控制电路图2.3.1 按键接口设计键盘结构主要有独立式和矩阵式两种，本系统则采用后一种也就是4x4矩阵式。第一行从左到右1、2、3、4；第二行5、6、7、8，第三行9、0、ON、OFF，第四行增、减、定时、确认。系统采用逐行扫描方式识别按键，键盘列线分别从左至右与P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 P1.4、P1.5、P1.6、P1.7连接，行线分别上下与相连，通过扫描方式识别按键行列。2.3.2 LED显示设计数码驱动电路包括74LS138译码器、7447 TTL BCD-7段译码器、数码管以及A1015三极管组成。微处理器AT89C51 P0.0P0.3口输出的四位BCD码，7447后，译成7段数码管a、b、c、d、e、f、g相应的段，并点亮数码管相应的段。AT89C51微处理器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，进行数码管的宣统。其中四个7段数码管采用共阳极连接方式。2.3.3 监控电路设计系统电路采用MAX813L搭建硬件狗，通过单片机的接口连接形成图3-2所连接的带你路，其中引脚MR与WDO利用二极管连接，WDI接单片机的P2.7引脚，将RESET接口接入单片机RESET接口，MR通过接地进行复位，监控电路最终可实现以下功能：系统复位上电；对高电平电位监控；定时器清零；手动复位。2.4 分控电路设计分控制电路采用的微处理器与主控器不一样，采用的是较为低档次的AT89C2051，但是该单片机具有25KB的FLASH只读程序存储器和128B的RAM能够兼容MCS-51指令系统，15线I/O，高性价比足以满足本系统的需要，分控制电路原理图见图2-3图2-3 分控制电路原理图2.5 RS485通信模块设计RS485通信电路以单片机作为主机，多个单片机作为从机，上位机通过TXD向下位机点对点传递或者向多个从机传递信息，但是下位机之间不能自由通信，必须通过主机实现。多机通信时候，为保证可靠性采用寻址技术，但是单片机只能通过串口通信的模式2和3，单片机收发信息均是11Bit，其中1位起始位、9位数据位、1位停止位，第9位通过TB8或者RB8实现。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。主机通信电路见图2-4，从机通信电路见图2-5。图2-4 主机通信电路图2-5 从机通信电路2.6 光信号取样电路的设计光信号取样电路原理见图2-6所示。该模块将采集到的电信号通过A/D转换器，并通过单片机处理后最后作为判断信号进入下位机，模数转换器位数是根据测量范围和精度来选择，要有足够的数据长度才能保证设计误差，本系统的测量精度为0.01V。并选用德州仪器生产的10位TLC1549模数转换器，因为其接口电路简单，占用的I/O口少，方便灵活。图2-6 光信号取样电路2.7 热释红外信号采集电路热释红外信号是由红外探头和比较电路组成，红外探头则是由菲涅尔透镜和红外传感器P2228组成。比较电路则是由两个运算放大器组成，输入信号来自于红外传感器的输出，比较电路中的基准电压由两个独立的分压电路获得，具体见图2-7，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2-7 热释红外信号采集电路1）探头工作正常 “1脚”的电压恒定为2.0V，“2脚”的电压有1V或是3.0V两种状态，“6脚”的电压恒定为0.45V，“5脚”的电压与“2脚”的电压保持一致。探头将会根据有无人体信号在“2脚”产生1.0V或3.0V两种电压信号。2）探头工作不正常（由于故障或没有安装探头）“1脚”的电压恒定为2.0V，“2脚”的电压为0V，“6脚”的电压恒定为0.45V，“5脚”的电压为0V。探头将只会产生一种电压信号0V。2.8 输出驱动电路设计本系统采用具有4个控制寄存器的时钟DS12887，可以在任何时间进行访问，即便是更新周期也不例外，具体参数可见说明书，其中时钟电路见图2-8。图2-8 时钟电路图初始程序如下：#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#include <reg52.h>#include <stdio.h>#include <absacc.h>#include <math.h>#include <string.h>#include <ctype.h>#include <stdlib.h>#define P XBYTE0x4000#define P XBYTE0x4001#define P XBYTE0x4002#define P XBYTE0x4003#define P XBYTE0x4004#define P XBYTE0x4005#define P XBYTE0x4006#define P XBYTE0x4007#define P XBYTE0x4008#define P XBYTE0x4009#define P12887a XBYTE0x400a#define P12887b XBYTE0x400b#define P12887c XBYTE0x400c#define P12887d XBYTE0x400d#define P12887e XBYTE0x400e#define P12887f XBYTE0x400fvoid setup12887(uchar *p);void read12887(uchar *p);void start12887(void);void setup12887(uchar *p) /设置系统时间uchar i;i=P12887d;P12887a=0x70; P12887b=0xa2; P=*p+; P=0xff; P=*p+;P=0xff; P=*p+; P=0xff; P=*p+; P=*p+;P=*p+; P=*p+; P12887b=0x22; P12887a=0x20;i=P12887c;void read12887(uchar *p) /读取系统时间uchar a;do a=P12887a; while(a&0x80)=0x80);*p+=P; *p+=P; *p+=P; *p+=P;*p+=P; *p+=P; *p+=P;void start12887(void) /启动时钟uchar i;i=P12887d;P12887a=0x70; P12887b=0xa2; P=0xff; P=0xff; P=0xff;P12887b=0x22; P12887a=0x20;i=P12887c;void Stop_calendar(void) REG_A=0x70;而系统的输出接口电路如图2-9所示。图2-9 驱动电路图该驱动电路即可实现教室灯光的控制。当P2.0口输出的是“0”电平时，信号放大电路截止，继电器断开，点灯回路不同，灯不亮；反之当P2.0口输出的是“1”信号时，灯亮。当P2.1口输出的是“0“电平时，LED亮，“1时”教室灯亮，“0”时关闭。间隙1秒“0”、“1”信号交替（故障）：系统密码不对，重新输入密码。间隙2秒“0”、“1”信号交替（故障）：控制器硬件有故障，请更换控制器。第3章 系统软件设计软件部分的设计主要包括三部分：主程序设计、子程序设计以及中断程序设计，软件是上位机的灵魂；在智能照明系统中，硬件设备的功能是由软件进行定义的，主要通过控制分布的照明灯具与串行通信程序来完成控制功能，最终定义按键功能，通过编程实现LED显示等等。照明系统采取的是“自顶向下、自动求取”的基本原则，总体程序结构见图3-1。图3-1 总程序结构示意图3.1 人机交互程序的设计3.1.1 按键扫描程序的设计系统采用4x4矩阵按键，主要由行线和列线组成，按键位于交叉点少，矩阵式键盘能够较独立式键盘节省很多I/O口。行线和列线分别接到按键开关的两端，扫描时列线的第一根线置高，再一次检查是否在行线中存在高电平，若有则证明改线与第一根列线相交处按下，其他一次类推。由于按键扫描块，人按键时间有持续，因此单片机会存在等待，另外人在按键时候会有抖动，因此需要进行消抖处理。根据硬件电路所定义的基本数字和其他六个按键功能，控制的功能如下：（1） 通过数字键、确认键输入分控制器的地址以及定时功能的时间设置。（2） 利用开、关键控制照明灯具的启停。（3） 利用增值、减值键控制照明灯具的亮度。（4） 通过定时键来对照明灯具进行定时控制的设置。具体按键扫描程序见图3-2。图3-2 按键扫描流程图3.1.2 数码显示程序的设计本系统采用了4只共阳极数码管，每个由8个数码发光二极管连接成的，阳极为高电平。某一段输出口为低电平时，该二极管导通，最终可组合形成不同的数字，7447芯片是从BCD码到SEG7段码的转换器，而74LS138是一个地址译码器，通过74LS138选通某个数码管，然后根据7447传送过来的SEG7段码的数据进行显示。数码管显示程序如下：图3-3 数码管显示程序3.2 照明系统控制程序的设计3.2.1 全部启停程序的设计全部启停系统利用的是主控制器的启停开关来控制所有灯具电源的通断，操作指令通过串口通信传到分控制器，最后向P3.7口输出高低电平控制主电路通断。该系统采用的主从通信方式。系统是广播式命令，主机为AT89C51，丛机则是AT89C2051，串口通信，定时器T1为波特发生器，数据传送格式为1位起始位，8位数据位，1位停止位，1位可编程位（TB8）。工作方式：定时器T1设置为方式2，串口设置为工作方式3。系统通信时：从机全部置1高电平，随时监听线路状态，手法主机信号，广播地址为00H，从机接收后清除SM2高电平，随后向P3.7口输出高电平，也就点亮了灯泡，关闭时也是一样。该系统主机和从机的控制流程图见3-3和3-4。图3-3 主控制流程图图3-4 从机控制流程图3.2.2 部分启停程序的设计单独照明启停控制系统是通过上位机发送给指定的下位机指令，实现照明灯的启停控制。具体的工作如下：所有的下位机通信之前将SM2位置1，处于侦听状态。当主机发送从机的地址信息时，每帧数据的第9位都为1，所有从机都接收到地址信息，然后判断主机是否呼叫本机。如果呼叫本机则进入正式通信状态，清除SM2，并把本机地址号发送给主机作为应答，然后才开始接收主机发送来的信息。而其它从机由于地址号不符，他们的SM2位仍然为1，仍处于侦听状态，无法接收主机发送来的数据信息。主机收到从机发送来的回应信息后，比较主机已发送的地址号与刚接收的地址号是否相符，如果不符，则发出错误信息；如果相符，则正式发送数据信息，这时发送的每帧的第9位都为0。只有SM2=0的从机才能接收到主机发送的信息。从机根据命令执行相应的动作，如果为打开命令，则输出高电平驱动可控硅动作，开启照明灯；如果为关闭命令，则输出低电平使可控硅截止，停掉照明灯。该系统的主机和从机控制程序流程图分别如图3-5与3-6所示。图3-5 主机部分启停流程图图3-6 丛机部分启停系统流程图3.2.3 全部定时控制程序的设计全部定时控制系统是通过上位机向所有的下位机发送广播地址，分控制器在收到广播地址后，使自己处于接收数据状态，然后主控制器向网络中发送时间数据信息，分控制器在收到时间数据后写入DS12887芯片，等到设定时间到达后，单片机发出命令关闭照明灯。流程见图3-7。图3-7 全部定时控制流程3.2.4 单独定时控制程序的设计上位机利用矩阵式按键输入进行分控器的地址寻找，并利用网络向分控制器传送，最后通过呼叫地址和本机地址对比，判断是否缓交自己，是则将本机地址传送给上位机，到达设定时间则关闭照明命令，具体流程见图3-8。图3-8 单独定时从机控制流程3.3 RS485通信程序的设计技术资料显示：RS485是异步半双工通信总线，在任意时刻只能呈现一种状态。适用于主机对于从动机的查阅。主从机之间的通信必须对个从机识别，然后利用串口通信寄存器SM2位识别实现。主机进行数据传送时，按表3-X进行在程序中，第9位发送数据位SCON中的TB8位，第9位接收数据位为SCON的RB8位，因此，发送数据前，可以通过对TB8位置1或0来确定要发送的是地址帧还是数据帧。而接收数据时，对地址帧的判断则是通过读取RB8位来获得的，RB8=1，当前帧为地址帧，RB8=0，当前帧为数据帧。3.3.1 主机通信程序的设计智能照明控制系统主机通信程序主要有四大模块：预定义、全局变量部分、初始化部分已经数据通信和发送数据部分，基本通信流程如下：图3-9 主机数据通信流程3.3.2 从机部分通信程序的设计从机通信也分为四大模块：预定义、全局变量部分、初始化部分已经数据通信和发送数据部分。但是丛机通信受到主机通信的控制，基本流程见3-10。图3-10 丛机数据通信流程第4章 结论本文研究了基于单片机AT89C51的智能照明控制系统的设计与实现，主要进行了系统电路的硬件设计以及驱动软件的设计。设计设计要求并利用Protus进行电路设计模块的绘制，并且选择了合适的电器元件。本文重点研究了主控机与从控制机的通信、热释红外信号采集与控制、总定时控制与部分定时控制以及总启停与部分启停控制。并且对着相应的电路控制模块进行了软件的设计。采用Keil编程工具进行了模块化分，并设计了相关流程图和细化了功能模块，最后根据各模块流程图进行具体的程序设计。最后，利用Keil平台进行测试，实现最基本的功能，比如定时功能和分部控制定时功能等，在此基础上进行了主程序的堆砌，最终实现各模块的联调、系统调节以及全部功能的调试。本设计能够比较好的实现教学楼各教室的照明设备的智能化控制，但是仍然存在有不少需要改进的地方，例如热释红外功能和报警功能的联合使用及控制，另外还有一个重要的进步空间是，增加无线控制模块，借以实现对于任意一个传感器模块的无线手动控制。附录照明控制系统设计电路图：参考文献1 李长命. 基于 Zig Bee技术的无线网络研究J. 信息安全与技术, 2012,(06): 76-78.2 RAN PENG, SUN MAO-HENG, ZOU YOU-Min. 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IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies，2008:63-6626 陈涛. 照明控制与自动化系统的完美结合智能照明控制系统的再认识J照明工程学报,2003,(4):89-91致 谢值此论文完成之际，首先感谢导师XX教授的悉心指导。X老师在宽广的胸怀、高尚的处事风格、渊博的专业知识、灵活的学术思想以及严谨的治学态度和求实的工作作风是我一生学习的榜样，也激励着我刻苦钻研、紧急进去。从论文的开题、系统实现到论文的撰写，无处不浸透着老师的汗水。同时感谢老师在生活上给予的无私关怀、精神的鼓励和慰藉。感谢XXX、XXX等同学在论文撰写和系统开发中给予的各种帮助和支持，特别是XXX同学，同时感谢本课题组XXX等老师给出的指导和帮助。最后，向一直以来默默支持我的家人说声感谢，正是你们无私的奉献和无悔的付出才使得我顺利完成研究生课题。寥寥数语，并不能表达我此刻的心情，在此谨向每一位相知、相知、伸出援助之手的人致以最衷心的感谢与祝福。