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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要：節(jié)約能源是如今普遍的社會(huì)意識(shí)，能源十分嚴(yán)峻的制約社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,而節(jié)約照明用電是我們每個(gè)人能做的。本文所介紹的基于單片機(jī)的智能照明控制系統(tǒng)主控制器以51單片機(jī)為中心，它的外圍電路模塊主要包括：電池模塊、時(shí)鐘模塊、看門狗電路模塊、人體信號(hào)采集模塊、光信號(hào)取樣模塊。本文具體介紹了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)主要包括對(duì)看門狗監(jiān)控模塊、信號(hào)采集模塊、時(shí)鐘模塊、通信模塊、鍵盤輸入與數(shù)碼顯示模塊的設(shè)計(jì)，完成對(duì)人體信號(hào)和環(huán)境光信號(hào)的采集傳輸以及狀態(tài)顯示等功能。并且通過軟件設(shè)計(jì)賦予其動(dòng)力，通過程序?qū)崿F(xiàn)鍵盤掃描、照明控制和定時(shí)控制以及數(shù)碼顯示。最后可以實(shí)現(xiàn)控制器所設(shè)定的各項(xiàng)功能，達(dá)到控制器自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合的室內(nèi)照明智能控制。智能照明控制系統(tǒng)較傳統(tǒng)照明系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，它不僅能通過精確設(shè)置和管理實(shí)現(xiàn)最大的節(jié)能效果，還可以有效延長(zhǎng)燈具壽命，明顯的改善照明質(zhì)量，提高照度的均勻性，而對(duì)于管理者來說，由于燈具壽命變長(zhǎng)，其管理維護(hù)的成本大大降低。 關(guān)鍵字：節(jié)能；自動(dòng)控制；照明 System Designing of Illumination Intelligence Control Abstract: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, Illumination i 目 錄 第1章 緒論 1 1.1課題研究背景及主要內(nèi)容 1 1.2 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢(shì) 1 1.2.1國(guó)外的研究現(xiàn)狀 1 1.2.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3課題的研究意義 2 1.4 本文的主要工作 3 第2章 設(shè)計(jì)方案論證 4 2.1系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 4 2.1.1 總體方案設(shè)計(jì) 4 2.1.2 硬件系統(tǒng)框圖 4 2.2 系統(tǒng)的主要功能 6 第3章 硬件設(shè)計(jì) 7 3.1微控制器概述 7 3.1.1 AT89C51單片機(jī)的主要功能 7 3.1.2 AT89C51芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 7 3.1.3 AT89C51芯片引腳說明 8 3.1.4 AT89C51的時(shí)鐘振蕩器 8 3.2主控制器電路設(shè)計(jì) 9 3.2.1鍵盤接口與LED數(shù)碼顯示設(shè)計(jì) 9 3.2.2 系統(tǒng)供電模塊設(shè)計(jì) 10 3.2.3超時(shí)報(bào)警電路設(shè)計(jì) 10 3.2.4看門狗模塊電路設(shè)計(jì) 10 3.3分控制器電路設(shè)計(jì) 11 3.4人體信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)及其優(yōu)缺點(diǎn) 12 3.4.1人體紅外傳感器 12 3.4.2比較電路 12 3.5光信號(hào)取樣模塊設(shè)計(jì) 13 3.5.1光敏三極管介紹 13 3.5.2光強(qiáng)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 14 3.6系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 15 3.6.1 DS1302芯片介紹 15 3.6.2時(shí)鐘電路 16 3.7輸出驅(qū)動(dòng)接口電路 16 3.8 通信電路設(shè)計(jì) 17 3.9本章小結(jié) 19 第四章 軟件設(shè)計(jì) 20 4.1系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊 20 4.1.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 21 4.1.2 定時(shí)中斷處理 21 4.2數(shù)據(jù)采集模塊子程序設(shè)計(jì) 22 4.3時(shí)鐘模塊子程序設(shè)計(jì) 23 4.4人機(jī)交互模塊子程序設(shè)計(jì) 25 4.4.1鍵盤掃描子程序設(shè)計(jì) 25 4.4.2數(shù)碼顯示子程序設(shè)計(jì) 27 4.5照明控制程序設(shè)計(jì) 28 4.5.1照明啟停控制設(shè)計(jì) 28 4.5.2照明定時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31 4.6 RS485通信系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 34 4.7本章小結(jié) 36 總 結(jié) 37 致 謝 38 參考文獻(xiàn) 39 附 錄 40 第1章 緒論 1.1課題研究背景及主要內(nèi)容 隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，能源消耗越來越大，節(jié)約能源成為了世界上一種普遍的社會(huì)共識(shí)，全球資源減少，我國(guó)作為最大的發(fā)展中國(guó)家，能源方面更是一個(gè)需要十分重視的問題，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源枯竭而引發(fā)的矛盾日益增生，由于我國(guó)人口眾多，能源將成為制約我國(guó)發(fā)展的重大問題，。當(dāng)前世界各國(guó)，對(duì)于燈光的智能控制，已經(jīng)有了很大的發(fā)展，在很多地方應(yīng)用了這項(xiàng)技術(shù)，但是對(duì)于日益增長(zhǎng)的室內(nèi)照明用電及其浪費(fèi)，卻很少有針對(duì)這個(gè)問題的智能照明系統(tǒng)，目前智能家居已經(jīng)在世界各國(guó)普及，并且有了長(zhǎng)足發(fā)展。今后的燈光智能控制會(huì)隨著計(jì)算機(jī)發(fā)揮能量的不斷強(qiáng)大而日漸成熟，為緩解室內(nèi)燈光浪費(fèi)現(xiàn)象作出應(yīng)有貢獻(xiàn)，在世界走向智能化和工業(yè)化的時(shí)代，深入發(fā)展智能照明控制系統(tǒng)已經(jīng)刻不容緩，對(duì)于其發(fā)展需要十分重視。 照明用電的規(guī)模越來越大，無論是室內(nèi)還是室外照明，每天都有大量的燈光浪費(fèi)，例如學(xué)校，教育當(dāng)前越來越社會(huì)所關(guān)注，由于受教育人群越來越多，學(xué)校的規(guī)模也越來越大，高校經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)白天照度很高卻仍舊開著燈上課作業(yè)，而且不會(huì)因?yàn)槿松俦闵匍_燈，會(huì)直接將全室燈光全打開，人走燈滅的現(xiàn)象也少之極少，長(zhǎng)亮燈現(xiàn)象屢見不鮮。對(duì)此類行為，學(xué)校不得不擔(dān)負(fù)一些本不應(yīng)該有的壓力，增加了不必要的開支。 由于各種能源浪費(fèi)，人們不得不將其朝著智能化和自動(dòng)化發(fā)展，因此市場(chǎng)上迫切需要一種操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，價(jià)格經(jīng)濟(jì)的智能節(jié)能照明系統(tǒng)。第二點(diǎn)就是隨著人民生活水平的提高，人們對(duì)視覺感官要求越來越高，生活場(chǎng)所的燈光效果影響著人們的生產(chǎn)生活，為了大力滿足人們?cè)谛睦砗蜕砩系男枨?。所有的生產(chǎn)生活方面的智能化是本世紀(jì)世界范圍內(nèi)的大趨勢(shì)，當(dāng)然在照明這方面，也會(huì)跟隨世界潮流，不斷的向?qū)τ谌祟惗愿雍?jiǎn)便舒適的智能化方向發(fā)展，而智能照明系統(tǒng)就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。人類會(huì)將其往帶有更多藝術(shù)感和美感的方向發(fā)展，當(dāng)然，首要的要求是能夠更好的為人類服務(wù)，幫助解決人類的能源問題。 1.2 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢(shì) 1.2.1國(guó)外的研究現(xiàn)狀 當(dāng)前國(guó)外在智能照明方面已經(jīng)有了穩(wěn)固的發(fā)展。國(guó)外智能照明系統(tǒng)比較著 第 0 頁 共 40 頁 名的品牌有霍尼韋爾，Control4，邦奇，路創(chuàng)。這些品牌在智能照明系統(tǒng)方面都有各自比較有特色的產(chǎn)品。例如說，澳大利亞的邦奇電子是首個(gè)將智能照明控制這個(gè)理念帶入中國(guó)的企業(yè)，其于上世紀(jì)90年代就已經(jīng)來華發(fā)展，憑借該公司對(duì)市場(chǎng)的洞察力和公司對(duì)服務(wù)的重視，在本土有了長(zhǎng)足發(fā)展?；裟犴f爾也對(duì)這方面有一定的造詣，其制造技術(shù)強(qiáng)大，在生產(chǎn)智能照明控制產(chǎn)品時(shí)一直以提高客戶的舒適感為標(biāo)準(zhǔn)，以節(jié)能環(huán)保和保障身體健康為目的。Control4將其產(chǎn)品進(jìn)行了整體模塊化，生產(chǎn)了一系列高端產(chǎn)品，用戶可根據(jù)個(gè)人需求，個(gè)性化定制Control4系統(tǒng)，有助于控制預(yù)算和方便在將來進(jìn)行功能擴(kuò)展。國(guó)外的智能照明系統(tǒng)，在技術(shù)上已經(jīng)相對(duì)成熟，在生產(chǎn)方面也已有相對(duì)較大的規(guī)模，有些大型外企不僅僅單方面發(fā)展智能照明系統(tǒng)透過智能集成設(shè)計(jì)提供全面的技術(shù)解決方案，還結(jié)合了其他的智能家居，形成一個(gè)智能控制平臺(tái)。 1.2.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)比較知名的智能照明企業(yè)有河?xùn)|電子和愛瑟菲等，在市場(chǎng)發(fā)展初級(jí)階段，雖然智能照明擁有廣闊的發(fā)展前景，不過仍舊受限于當(dāng)前市場(chǎng)大環(huán)境，無法得到較好的宣傳和大范圍推廣。人們普遍對(duì)此類產(chǎn)品沒有消費(fèi)意識(shí)，所以很難進(jìn)行宣傳，但是也證明了此類產(chǎn)品在市場(chǎng)依舊有很大潛力。還有一點(diǎn)，智能照明對(duì)于國(guó)內(nèi)民眾來說可能會(huì)感覺過于奢侈，照明產(chǎn)品價(jià)格昂貴，普通民眾幾乎無法承擔(dān)這種照明方式的基礎(chǔ)費(fèi)用，只有市場(chǎng)解決價(jià)格問題，制造適合民眾使用的產(chǎn)品，才能迎合市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)仍舊發(fā)展停滯不前，盡管行業(yè)整體在不斷向前發(fā)展，瑞郎、海爾等各大企業(yè)都還在努力研發(fā)追趕國(guó)際發(fā)展，但是由于人們的消費(fèi)觀念及國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，很難去拓寬更加廣闊的產(chǎn)品銷售渠道，對(duì)智能照明市場(chǎng)的發(fā)展極為不利。智能照明進(jìn)入初級(jí)發(fā)展階段。 1.3課題的研究意義 現(xiàn)如今，世界潮流在往智能化和全面工業(yè)化發(fā)展，消費(fèi)者的意識(shí)也在慢慢轉(zhuǎn)變，人們的消費(fèi)水平和對(duì)物質(zhì)文化的要求也越來越高，智能照明的市場(chǎng)潛力逐漸凸顯出來，智能照明不僅能讓人們?cè)谝曈X上更舒適，提供高質(zhì)量的照明效果，也有助于節(jié)能。以下便是其具體功能： 1、改造照明環(huán)境 智能照明控制系統(tǒng)可以自主根據(jù)環(huán)境的變化，在空間里表現(xiàn)出不同的照度，創(chuàng)造相對(duì)有美感的燈光體驗(yàn)，預(yù)設(shè)置不同的場(chǎng)景，讓環(huán)境更加充滿舒適感，讓人的眼睛感到最舒服的照度，在生理和心理上給予積極的感官體驗(yàn)。 2、環(huán)保經(jīng)濟(jì)節(jié)能 隨著社會(huì)不斷發(fā)展，照明用電在生活用電中已經(jīng)占了很大的比例，我們國(guó)家的照明用電占總發(fā)電量的幾近達(dá)到10%以上，因其而產(chǎn)生的溫室氣體排放量自然也高，智能照明控制系統(tǒng)則可使用最少的能源保證正常生產(chǎn)生活使用的照度，從而做到節(jié)約能源，并且減少溫室氣體排放，最終減輕大氣污染，單從這方面來說，智能照明控制系統(tǒng)研究意義重大。 3、提高生產(chǎn)效率，改善生產(chǎn)環(huán)境 智能照明控制系統(tǒng)能夠保證照度的均勻性，保證燈光照度值，不會(huì)出現(xiàn)光閃，從而保證工作人員的生產(chǎn)積極性，不會(huì)使其有疲勞暈眩感，保證了日常生產(chǎn)效率。 4、 對(duì)燈具進(jìn)行了自動(dòng)化、智能化控制 智能照明控制系統(tǒng)運(yùn)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)照明進(jìn)行了革命性的改造，并使其有了“大腦”，不再需要人為控制，只需由計(jì)算機(jī)自行計(jì)算控制。 5、使燈具使用壽命延長(zhǎng) 燈具在使用過程中危害最大的就是過電壓和欠電壓，其對(duì)光源的損害是很大的，導(dǎo)致燈具需要頻繁更換，而智能照明控制系統(tǒng)可以讓其避免出現(xiàn)這些情況，可抑制電網(wǎng)的浪涌電壓，亮度降低可延長(zhǎng)燈具壽命，讓其可以使用的更加長(zhǎng)久。燈光照度改變是漸變的，所以人眼能夠很好的適應(yīng)它的改變。 6、經(jīng)濟(jì)成本回收快 智能照明控制系統(tǒng)可以在兩個(gè)方面回收經(jīng)濟(jì)成本，一方面是在節(jié)電方面，它可以在電費(fèi)上給你回饋，省下一部分照明用電費(fèi)用；另一方面就是維護(hù)成本方面，由于維護(hù)方便，在維護(hù)方面人工成本可以大大降低。在這兩個(gè)方面的費(fèi)用回饋之下，經(jīng)濟(jì)成本會(huì)很快收回。 1.4 本文的主要工作 本文主要是對(duì)智能照明控制系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，對(duì)當(dāng)前的照明控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，AT89C51單片機(jī)為基礎(chǔ)，將其作為主控芯片，進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)。 第 1 頁 共 40 頁 第2章 設(shè)計(jì)方案論證 2.1系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 2.1.1 總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案主要包括硬件部分和軟件部分，由于其功能各異，所以需將硬件和軟件分開設(shè)計(jì)，以實(shí)線各自的控制功能，以達(dá)到最終的控制目標(biāo)。系統(tǒng)主控以51單片機(jī)為中心，它的外圍電路模塊主要包括：電池模塊、時(shí)鐘模塊、看門狗電路模塊、人體信號(hào)采集模塊、光信號(hào)取樣模塊。硬件設(shè)計(jì)需要對(duì)Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)進(jìn)行深入了解，并且進(jìn)行電路原理圖的繪制，合理進(jìn)行布線，合理選擇元器件。硬件設(shè)計(jì)部分采取結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，硬件部分是整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)和大前提，是整個(gè)控制器運(yùn)行的平臺(tái)，所以硬件部分設(shè)計(jì)需要十分精密，不能出現(xiàn)大的差錯(cuò)。而軟件部分是對(duì)硬件部分所產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行精確地收集并且針對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析、最終對(duì)各類信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理。 軟件和硬件實(shí)現(xiàn)相互促進(jìn)，相互配合之后，各類功能便可一一實(shí)現(xiàn)，控制器可以用光的照度和人體的存在作為輸入?yún)?shù)，并且可以手動(dòng)和自動(dòng)交替使用，使設(shè)計(jì)更加人性化。利用光敏三極管檢測(cè)光的照度，并利用人體檢測(cè)模塊檢測(cè)是否有人，兩個(gè)模塊相互配合，完成控制系統(tǒng)的搭配。在光強(qiáng)度大時(shí)，足以正常作息時(shí)，無論有沒有人在，都保持不開燈狀態(tài)，當(dāng)光照度小時(shí)，由人體檢測(cè)模塊發(fā)揮作用，檢測(cè)到有人并且存在一段時(shí)間，根據(jù)環(huán)境光照度，按照照度設(shè)定值自動(dòng)打開燈光，并在人離開之后延時(shí)一段時(shí)間關(guān)閉，在夜晚設(shè)定時(shí)間之后，主動(dòng)關(guān)閉預(yù)設(shè)置的自動(dòng)控制系統(tǒng)，換之進(jìn)行人為控制 ，真正做到手動(dòng)和自動(dòng)可自由切換。 本控制器需實(shí)現(xiàn)以下指標(biāo)： （1）自動(dòng)手動(dòng)控制可切換。 （2）無人燈滅，自然光照度大燈滅功能。 （3）自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光照度，并始終維持在設(shè)定值上。 綜上所述，本文對(duì)智能照明控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案在硬件和軟件上都作出了詳細(xì)的說明，并結(jié)合實(shí)際內(nèi)容進(jìn)行了客觀分析，在理論論證上表達(dá)了本文的可行性，在接下去的內(nèi)容中本文將陸續(xù)詳細(xì)介紹軟硬件實(shí)施的具體方案并且做出詳細(xì)說明。 2.1.2 硬件系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是分為上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)，并且通過通信系統(tǒng)相互連接，互相發(fā)送接收信號(hào)，由主控制器和分控制器進(jìn)行信息交互，最終達(dá)到有效控制并且做到智能照明效果。 系統(tǒng)的主控制器主要用于發(fā)送執(zhí)行命令，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示： 圖2-2主控制器硬件電路結(jié)構(gòu)框圖 分控制器則用于接收主控制器發(fā)出的信號(hào)和命令，其硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2-3所示： 圖2-3分控制器硬件電路結(jié)構(gòu)框圖 2.2 系統(tǒng)的主要功能 采用智能照明控制系統(tǒng)，可以讓生活多一份簡(jiǎn)便，因?yàn)橹悄苷彰飨到y(tǒng)始終處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)在運(yùn)行前已經(jīng)預(yù)先設(shè)定了多種工作方式，其可以在各個(gè)運(yùn)行方式之間自動(dòng)切換，不需要人為操作，它也能做到手動(dòng)自動(dòng)切換，比如到半夜某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，它便會(huì)關(guān)閉自動(dòng)運(yùn)行功能，從而切換為手動(dòng)操作，通過使用機(jī)械開關(guān)來控制燈的開和關(guān)。在檢測(cè)到無人存在時(shí)，自動(dòng)保持關(guān)閉狀態(tài)，檢測(cè)到有人時(shí)，通過對(duì)環(huán)境光進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)預(yù)先的設(shè)定值進(jìn)行照度調(diào)節(jié)，保持人體感官最舒適的照度。智能照明系統(tǒng)表現(xiàn)出來的最大的功能便是節(jié)能環(huán)保，減少了大量的照明用電的浪費(fèi)。智能照明控制系靈活的運(yùn)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)照明進(jìn)行了革命性的改造，并使其有了“大腦”，不再需要人為控制，只需由計(jì)算機(jī)自行計(jì)算控制。 第3章 硬件設(shè)計(jì) 3.1微控制器概述 3.1.1 AT89C51單片機(jī)的主要功能 AT89C51單片機(jī)是Atmel公司生產(chǎn)的以8051為基礎(chǔ)核心進(jìn)一步開發(fā)出來的CHMOS工藝80C51系列單片機(jī)。CHMOS具有高速、密度大和CMOS低能耗的特點(diǎn)。AT89C51帶4K字節(jié)flash閃存，128字節(jié)的內(nèi)部RAM屬于總線型中的基本型，4個(gè)并口，1個(gè)串口，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，并且有5個(gè)中斷源。AT89C51單片機(jī)的CPU是一個(gè)高性能中央處理器，具有位尋址功能，能夠非常準(zhǔn)確寫入并且分析每一條指令，可以根據(jù)各種指令所表達(dá)的指定功能來控制其各個(gè)部件去執(zhí)行這些指定的操作。 3.1.2 AT89C51芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 圖3-1 AT89C51內(nèi)部框圖 3.1.3 AT89C51芯片引腳說明 圖3-2 AT89C51引腳圖 1. 4個(gè)電源及時(shí)鐘引腳：Vcc:接入電源引腳； Vss：接地引腳； XTAL1:晶體振蕩器接入的一個(gè)引腳； XTAL2:晶體振蕩器接入的另一個(gè)引腳。 2. 4個(gè)控制線引腳：RST：復(fù)位信號(hào)輸入引腳； ALE:地址鎖存允許信號(hào)輸出引腳； ：內(nèi)外存儲(chǔ)器選擇引腳； :外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)輸出引腳。 3.32個(gè)并行I/O引腳分成4個(gè)8位口： P0.0-P0.7:一般為I/O引腳或數(shù)據(jù)； P1.0-P1.7：一般為I/O引腳； P2.0-P2.7：一般為I/O引腳或者為高位地址總線； P3.0-P3.7：一般I/O引腳或第二功能引腳。 3.1.4 AT89C51的時(shí)鐘振蕩器 AT89C51單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常由2種方式產(chǎn)生，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，二是外部時(shí)鐘方式。 內(nèi)部時(shí)鐘方式只需要在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2的引腳外接晶振即可；而外部時(shí)鐘方式則是將外部已經(jīng)存在的時(shí)鐘信號(hào)帶入到單片機(jī)中。實(shí)際操作時(shí)一般采用的是外接晶振的內(nèi)部時(shí)鐘方式。 3.1.5 AT89C51的復(fù)位電路 復(fù)位就是讓單片機(jī)始終處于某種已經(jīng)確定的初始狀態(tài)，復(fù)位操作能使其進(jìn)入初始狀態(tài)，其工作便是從復(fù)位開始的。 在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中，復(fù)位有上電復(fù)位和上電與按鍵都有效的復(fù)位兩種基本形式。AT89C51的復(fù)位電路如圖3-3所示： 圖3-3 AT89C51的復(fù)位電路 3.2主控制器電路設(shè)計(jì) AT89C51單片機(jī)的主要情況已于上一節(jié)詳細(xì)介紹，其是高性能的微處理器，根據(jù)其性能運(yùn)用于主控制器十分恰當(dāng)。主控制器連接著幾個(gè)關(guān)鍵模塊，如鍵盤模塊、通信模塊、看門狗模塊及數(shù)碼顯示模塊和驅(qū)動(dòng)模塊。 3.2.1鍵盤接口與LED數(shù)碼顯示設(shè)計(jì) 鍵盤有獨(dú)立式和矩陣式兩種結(jié)構(gòu)形式，而本文使用的是矩陣式鍵盤，，其采用行列式結(jié)構(gòu)，采用逐行掃描方式，所有的按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。因?yàn)橛?根口線，則可分別將4根定義為行線，4根定義為列線，從而形成44鍵盤，并且可以配置16個(gè)按鍵。行列線應(yīng)順次連接好，以便于單片機(jī)檢測(cè)信號(hào)。第一行從左到右分別是1、2、3、4，以此類推，第二行為5、6、7、8，第三行則是9、0、開和關(guān)，而第四行則是增、減、定時(shí)和確認(rèn)。鍵盤列線分別從左到右依次連AT89C51的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 口，而行線則依次從上到下連接AT89C51的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7口。 LED數(shù)碼顯示及其驅(qū)動(dòng)電路由7447芯片和74L138譯碼器，4個(gè)數(shù)碼管組成，用7447將四位BCD碼翻譯成字母段，并在LED數(shù)碼管上輸出顯示，4個(gè)數(shù)碼管形成共陽極方式。四個(gè)數(shù)碼管前兩位顯示人體信號(hào)，第一位H，第二位0或1表示無人和有人；后兩位則表示環(huán)境光是否充足，第三位顯示L，第四位0或1，分別表示否和是。 鍵盤電路與數(shù)碼顯示對(duì)于主控制器實(shí)現(xiàn)核心控制十分重要，鍵盤能實(shí)現(xiàn)定時(shí)和光強(qiáng)設(shè)置，數(shù)碼顯示能對(duì)單片機(jī)狀態(tài)以及信號(hào)進(jìn)行顯示。 3.2.2 系統(tǒng)供電模塊設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)應(yīng)用+5V的電壓供電，所以要選擇輸出為9V的變壓器，然后經(jīng)過二極管全波整流和電解電容的濾波，最后經(jīng)過穩(wěn)壓器，在輸出端另加電容，使其最終得到+5V電壓用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)主控制器及其外接模塊實(shí)施供電。供電電路圖如下所示： 圖3-4系統(tǒng)供電電路 3.2.3超時(shí)報(bào)警電路設(shè)計(jì) 將一個(gè)10K的電阻加在本系統(tǒng)單片機(jī)的P3.4端口，之后串如一個(gè)100歐姆的用于限流的電阻，并將其接在三極管的基極，當(dāng)該單片機(jī)端口，也就是這個(gè)三極管的基極出現(xiàn)低電平時(shí)，三極管便導(dǎo)通了，然后連接在電路的蜂鳴器響起，用于表示系統(tǒng)工作超時(shí)，需停止工作。反之。若其顯示為高電平，則三極管不導(dǎo)通，蜂鳴器靜音，系統(tǒng)正常工作。這個(gè)電路極大的保證了對(duì)本系統(tǒng)的科學(xué)管理，可以讓維護(hù)管理人員更加有規(guī)律輕松的對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行管理。該超時(shí)報(bào)警系統(tǒng)如下圖所示： 圖3-5超時(shí)報(bào)警電路 3.2.4看門狗模塊電路設(shè)計(jì) 圖3-6 MAX813L 單片機(jī)在運(yùn)行過程中，會(huì)有很多無法預(yù)測(cè)的外界干擾對(duì)程序進(jìn)行擾亂，導(dǎo)致一些運(yùn)行中的失誤，例如程序跑飛，嚴(yán)重者可導(dǎo)致單片機(jī)整體癱瘓，也就是我們常說的“死機(jī)”，當(dāng)這些情況出現(xiàn)時(shí)，為了系統(tǒng)能繼續(xù)運(yùn)行，只有使單片機(jī)重新復(fù)位，才能解決此類問題，而此時(shí)能解決問題的方法就是在硬件電路設(shè)計(jì)中加裝看門狗電路，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，如若系統(tǒng)進(jìn)入死機(jī)狀態(tài)時(shí)，可以發(fā)送信號(hào)給單片機(jī)，使其進(jìn)行復(fù)位操作。本系統(tǒng)采用的是低成本微處理器MAX813L芯片組成監(jiān)控電路，形成看門狗。這個(gè)監(jiān)控電路的功能主要是當(dāng)電源電壓超過設(shè)定值時(shí)，使RESET端輸出復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)復(fù)位。 圖3-6 MAX813L芯片及其引腳 3.3分控制器電路設(shè)計(jì) 圖3-7分控制器電路 從控制器對(duì)于本系統(tǒng)而言，也有一定的必要性，因?yàn)槠湄?fù)責(zé)的是采集各種模塊的數(shù)據(jù)，并且實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制。分控制器需要配合主控制器完成系統(tǒng)的運(yùn)行，作為一個(gè)中間環(huán)節(jié)，更加直接的控制基礎(chǔ)模塊。本系統(tǒng)的分控制器為了方便起見，也由AT89C51單片機(jī)承擔(dān)，這樣可以與主機(jī)單片機(jī)完全兼容，更加直接的實(shí)現(xiàn)控制，因此可以很好的配合主機(jī)的AT89C51單片機(jī)完成系統(tǒng)運(yùn)行。分控制器電路圖如圖3-7所示： 3.4人體信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)及其優(yōu)缺點(diǎn) 3.4.1人體紅外傳感器 由于本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能之一就是在無人時(shí)，無論環(huán)境光照度多大都不開燈，所以人體信號(hào)采集模塊很關(guān)鍵，這個(gè)模塊由兩個(gè)部分組成，紅外傳感器和比較電路，當(dāng)人體通過時(shí)，紅外線被遮擋，紅外檢測(cè)探頭檢測(cè)到有人存在，會(huì)把環(huán)境發(fā)生的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，隨后將發(fā)送信號(hào)給單片機(jī)，使其控制燈保持不亮。本系統(tǒng)將采用HP-208-N-L人體感應(yīng)模塊，該紅外感應(yīng)器功耗小，價(jià)格低廉，隱蔽性很好，最主要是靈敏度高，普遍在各種需要人體自動(dòng)感應(yīng)模塊的系統(tǒng)中，其對(duì)于智能照明系統(tǒng)的運(yùn)用有著很大實(shí)際幫助。HP-208-N-L模塊有三個(gè)具有不同功能的引腳，第一個(gè)引腳為電源VCC引腳，第二個(gè)則收到的信號(hào)輸出端，即為OUT端，第三個(gè)是接地GND端。其功能特點(diǎn)是具有可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)兩種觸發(fā)方式，并且有全自動(dòng)感應(yīng)的功能，還有感應(yīng)封鎖時(shí)間，可有效抑制各種外來干擾。 圖3-8人體存在信號(hào)采集電路 3.4.2比較電路 表3-1探頭采集信號(hào)輸出狀態(tài)表 比較電路是由兩個(gè)運(yùn)算放大器組成的電路，紅外傳感器收到的信號(hào)作為輸入信號(hào)，它有兩個(gè)獨(dú)立的分壓電路，作為其基準(zhǔn)電壓，用于比較如圖3-9。采用比較電路，能夠有效防止因干擾而產(chǎn)生的誤動(dòng)作，解決人體紅外信號(hào)的采集，適用于本系統(tǒng)。從HP-208-N-L人體感應(yīng)模塊所收集到的信號(hào)之后，經(jīng)過比較電路，根據(jù)運(yùn)算放大器所測(cè)得電壓高低進(jìn)行分析，探頭采集輸出狀態(tài)如表3-1所示。 圖3-9 比較電路 3.5光信號(hào)取樣模塊設(shè)計(jì) 光信號(hào)在本系統(tǒng)中是主要的輸入?yún)?shù)，所以采集光信號(hào)尤為重要，要有預(yù)先的設(shè)定值，讓環(huán)境光亮到一定照度時(shí)燈就保持關(guān)閉狀態(tài)，而環(huán)境光暗在什么照度都要有想對(duì)應(yīng)設(shè)定值保持光的均勻性，能讓人感到舒適感，所以光信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)必須達(dá)到一定的精度。 3.5.1光敏三極管介紹 光敏三極管又稱為光電三極管，其與普通三極管有許多相似之處，結(jié)構(gòu)類似，同樣有電流放大作用，但是它的集電極電流不僅僅受基極控制，同時(shí)也受光輻射強(qiáng)度的控制，所以可以用它來進(jìn)行光強(qiáng)度檢測(cè)。它的基本原理是當(dāng)光照到PN結(jié)上的時(shí)候，可以將光能轉(zhuǎn)化為電能，在電路中展現(xiàn)出來，在光敏三極管加反向電流時(shí)，反向電流會(huì)隨著光強(qiáng)度而增大。與光敏二極管相比，由于其光電流放大作用，它的靈敏度顯然更高。 光敏三極管有一個(gè)對(duì)光極其敏感的PN結(jié)，將其作為感光面。而集電結(jié)一般會(huì)作為受光結(jié)，所以光敏三極管實(shí)質(zhì)上是在普通三極管上加一個(gè)光敏二極管。光敏三極管，也是采用半導(dǎo)體制作工藝制成，這一點(diǎn)與普通半導(dǎo)體三極管，光敏三極管一般只有兩個(gè)或三個(gè)。光敏三極管的基區(qū)面積做得較大，吸收大部分入射光，并且用于光電轉(zhuǎn)換，而發(fā)射區(qū)面積做得較小。光敏二極管一樣，管的芯片圖3-10光敏三極管典型應(yīng)用電路 安裝位置跟也是金屬管內(nèi)，這個(gè)金屬管內(nèi)裝有玻璃透鏡，用于集中光照在芯片上。從而進(jìn)行光照強(qiáng)度的檢測(cè)，并且將檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)過A/D轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)由單片機(jī)進(jìn)行判斷。 光敏三極管通常與發(fā)光二極管配合使用，作為信號(hào)接收器，用于測(cè)量光的亮度，它的功能不僅僅有測(cè)光亮度，而且有光耦合和光電隔離功能。故將光敏三極管運(yùn)用于本系統(tǒng)測(cè)光強(qiáng)度十分適合，有光照時(shí)，電阻減小，隨著光照強(qiáng)度的減弱，電阻逐漸增大，其可以準(zhǔn)確的反映光的照度。其典型應(yīng)用電路如3-9所示： 圖3-10光敏三極管原理圖 3.5.2光強(qiáng)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 光強(qiáng)檢測(cè)電路原理下圖3-10所示。當(dāng)光的照度超過一定的程度時(shí)，，光敏三極管D6呈現(xiàn)出低阻狀態(tài)并且≤1KΩ，當(dāng)三極管Q12的基極電壓升高，Q12管飽和導(dǎo)通，集電極輸出低電平。當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)度小于一定程度時(shí)，光敏三極管D6則呈現(xiàn)高阻狀態(tài)≥100KΩ，使三極管Q12截止，集電極輸出高電平。如果調(diào)節(jié)R26阻值，可以讓三極管Q12隨著環(huán)境光強(qiáng)度增加而在適當(dāng)?shù)牧炼认聦?dǎo)通。在導(dǎo)通之后將光強(qiáng)信號(hào)通過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再傳遞給單片機(jī)，本系統(tǒng)使用ADC0809芯片進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，其為10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，十分精確，適用于本系統(tǒng)。 圖3-11光強(qiáng)檢測(cè)電路 3.6系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 3.6.1 DS1302芯片介紹 由于本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)到一定時(shí)段便自由切換控制，從自動(dòng)控制切換為手動(dòng)控制，所以需要設(shè)置一定的時(shí)鐘電路，才能真正達(dá)到智能化的控制。時(shí)鐘電路必須保證在系統(tǒng)停電時(shí)不斷電，所以要選擇具有充電能力的時(shí)鐘芯片DS1302，這個(gè)芯片由美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)，采用串行通信方式，低功耗、價(jià)格便宜、使用方便并可以用于RAM臨時(shí)存放數(shù)據(jù)的寄存器，還可以為其提供充電功能，也可以對(duì)功能進(jìn)行關(guān)閉。其時(shí)鐘精度高，可以對(duì)年、月、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，能進(jìn)行閏年調(diào)整，31字節(jié)RAM，引腳與TTL兼容。DS1302的工作電壓為2.5V-5.5V，工作電流小于300nA，有備份電源和涓流充電能力。DS1302需要三根線與單片機(jī)通信，體積很小且精度很高，與單片機(jī)之間采用3線同步串行方式進(jìn)行通信。廣泛用于各種便攜式儀器以及電池供電的儀器儀表等產(chǎn)品領(lǐng)域，完全滿足本系統(tǒng)的要求。 DS1302芯片相比于D1202，增加了許多功能，其相互兼容，但是增加了兩個(gè)電源引腳，提供后備電源充電的能力。系統(tǒng)所采用的DS1302引腳如下圖所示： 圖3-12 DS1302引腳圖 各引腳的功能為： Vcc1：工作電源引腳； Vcc2：備份電源引腳； 注：當(dāng) Vcc1大于Vcc2時(shí)，由主電源Vcc1向DS1302供電，當(dāng)Vcc1主電源關(guān)閉時(shí)，則由Vcc2供電。 X1、X2：晶振接入管腳。晶振頻率為32.768kHz； SCLK：串行時(shí)鐘輸入引腳，用于時(shí)鐘控制； I/O：數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳； ：復(fù)位引腳。高電平啟動(dòng)輸入/輸出，低電平結(jié)束輸入/輸出。 3.6.2時(shí)鐘電路 DS1302芯片與單片機(jī)連接電路如下所示，Vcc1主電源外接穩(wěn)定輸出電壓+5V的電源模塊，Vcc2可用3.6V可充電的鋰電池作為后備電源。兩個(gè)電源電壓比較之后，較大者用于供電，以保證系統(tǒng)時(shí)鐘電路能夠正常連續(xù)運(yùn)行。振蕩源需要外接32.768KHz的晶振，以保證其正常運(yùn)行。將置高電平即可用于啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，并且能夠與AT89C51的復(fù)位信號(hào)相連。 圖3-13時(shí)鐘電路 3.7輸出驅(qū)動(dòng)接口電路 單片機(jī)的輸出信號(hào)控制十分關(guān)鍵，其直接關(guān)系到照明系統(tǒng)的燈光控制，所以這個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)接口電路也十分重要，該電路由AT89C51單片機(jī)的P2.0和2.1口實(shí)際控制照明系統(tǒng)中燈光的開關(guān)。 單片機(jī)的P2.0口的信號(hào)電平是“0”時(shí)，兩個(gè)NPN三極管Q1、Q2組成的放大電路便會(huì)截止，從而導(dǎo)致后續(xù)電路回路中無電流通過，導(dǎo)致繼電器無法導(dǎo)通，繼電器線圈無法運(yùn)行，繼電器觸點(diǎn)斷開，燈光不亮，而相反，如果P2.0的電平信號(hào)為“1”時(shí)，兩個(gè)NPN三極管Q1、Q2組成的放大電路就會(huì)導(dǎo)通，從而發(fā)生與之前完全相反的結(jié)果，繼電器的線圈會(huì)正常工作，繼電器開關(guān)觸點(diǎn)閉合，工作回路導(dǎo)通，燈光打開。 圖3-14輸出驅(qū)動(dòng)接口電路 對(duì)于另一個(gè)口P2.1而言，當(dāng)電平信號(hào)為“0”時(shí)，第三個(gè)NPN三極管Q3會(huì)截止，用于警示作用的LED顯示燈不亮，系統(tǒng)能正常運(yùn)行，并關(guān)閉當(dāng)前運(yùn)行的照明，相反，如果電平信號(hào)為“1”，那么LED顯示燈會(huì)亮，表示打開照明，如果燈常保持不亮狀態(tài)或亮的狀態(tài)，也就是說?！?”或者?！?”，那么系統(tǒng)是正常的，并且能夠正常運(yùn)行，但是如果系0統(tǒng)LED顯示燈忽亮忽暗，一直閃爍，電平信號(hào)“0”、“1”交替，那么說明系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入故障狀態(tài)，已經(jīng)無法正常運(yùn)行，并且其閃爍間隔時(shí)間不同，也代表著不同含義。輸出驅(qū)動(dòng)接口電路如圖3-14所示： P2.1 P2.0 圖3-14輸出驅(qū)動(dòng)電路 3.8 通信電路設(shè)計(jì) 由于本系統(tǒng)有主控制器與從控制器，屬于分布式集散控制系統(tǒng)，由一臺(tái)單片機(jī)作為主機(jī)，控制其他從機(jī)，所以本系統(tǒng)需要由通信電路來完成主從關(guān)系之間的控制。主機(jī)控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，發(fā)出各種命令，而從機(jī)則是與主機(jī)互動(dòng)，采集信號(hào)然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制。主機(jī)和從機(jī)之前需要同總線連接，主機(jī)通過串行輸出口TXD進(jìn)行向從機(jī)發(fā)送命令，只有主機(jī)能向從機(jī)發(fā)送命令，而從機(jī)和從機(jī)之間不能進(jìn)行通信，必須由主機(jī)送達(dá)。單片機(jī)多機(jī)通信連線圖如下所示： 圖3-15單片機(jī)多機(jī)通信連線圖 主機(jī) RXD TXD RXD TXD 從機(jī)1 RXD TXD RXD TXD 從機(jī)n …… 本智能照明控制系統(tǒng)使用RS485通信總線進(jìn)行，其通信效率高，傳輸速率大，最大輸送速率達(dá)10Mbps，RS485支持半雙工標(biāo)準(zhǔn)，三根線便可實(shí)現(xiàn)通信，做到數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送功能，抗噪聲干擾性極強(qiáng)，可運(yùn)用于本系統(tǒng)的主從控制模式的通信電路，即主從通信模式。主機(jī)處于掌控全局的地位，可以向所有的從機(jī)或者指定某個(gè)從機(jī)發(fā)送信號(hào)或命令，從機(jī)可以發(fā)送信息和接收命令，由從機(jī)發(fā)送的信息只能由主機(jī)接收，但其不能進(jìn)行從機(jī)之間通信。主機(jī)從機(jī)通信電路如圖3-16和3-17所示。 本系統(tǒng)RS485通信總線使用的接收發(fā)送芯片為MAXIM公司生產(chǎn)的MAX485，其采用半雙工通信方式，它可以將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS485電平，其RO端與單片機(jī)的RXD端相連，為接收器的輸出端，DI端與單片機(jī)的TXD端相連，為驅(qū)動(dòng)器的輸入端。單片機(jī)的一個(gè)管腳可以控制兩個(gè)引腳，主機(jī)由P2.6控制，從機(jī)由P1.0控制,故MAX485對(duì)于本系統(tǒng)來說十分合適。 圖3-16主機(jī)通信電路圖 由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)受到不同程度的干擾，所以需要加裝一個(gè)抗干擾的儀器，本系統(tǒng)準(zhǔn)備用光電耦合器TLP521來做到抗干擾作用，用其對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)作光電隔離，使其保持抗干擾能力。從機(jī)通信采用單片機(jī)的P1.0口，用P1.0口來控制MAX485的工作狀態(tài)，也就是說，將其置低電平或者置高電平都能改變MAX485的工作狀態(tài)。 圖3-17 從機(jī)通信電路圖 3.9本章小結(jié) 本章主要介紹了智能照明系統(tǒng)的硬件部分，并且分別對(duì)各個(gè)模塊的電路進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，例如：主控制器的看門狗模塊、供電模塊、鍵盤模塊和超時(shí)報(bào)警電路模塊，還有分控制器的人體檢測(cè)模塊、環(huán)境光模塊，以及時(shí)鐘電路模塊。各個(gè)模塊擔(dān)負(fù)著整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的不同功能，本章已經(jīng)對(duì)其功能進(jìn)行了詳盡的描述，并且將其電路圖或芯片引腳一一描繪。硬件部分對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來說起到至關(guān)重要的作用，硬件部分如果出現(xiàn)問題，電路出現(xiàn)某一處短路或短路，某一個(gè)芯片出現(xiàn)特殊情況沒有響應(yīng)，那么就極有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，經(jīng)過方案論證，我認(rèn)為本章的硬件設(shè)計(jì)可以作為本系統(tǒng)的硬件部分，并且通過設(shè)置必要程序，完成之前所需要的技術(shù)要求。 本章硬件部分詳細(xì)運(yùn)行原理就是，利用上位機(jī)系統(tǒng)也就是主控制器系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，并且配有看門狗監(jiān)控電路對(duì)整個(gè)系統(tǒng)程序運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，接收并發(fā)送系統(tǒng)運(yùn)行命令，然后由下位機(jī)系統(tǒng)硬件電路也就是分控制器的硬件電路包含多個(gè)模塊，主要是用來接收由主控制器發(fā)來的信號(hào)和命令，并且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的人體紅外信號(hào)、環(huán)境光強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并且發(fā)送給主控制器進(jìn)行信號(hào)的分析和比較。主控制器與分控制器的通信系統(tǒng)則使用RS485總線進(jìn)行通信，RS485運(yùn)用普遍，半雙工主從式通信，且其具有抑制共模干擾的能力，用于本系統(tǒng)十分適合。硬件系統(tǒng)在上位機(jī)系統(tǒng)、下位機(jī)系統(tǒng)與通信系統(tǒng)的配合作用下運(yùn)行，完成控制智能照明的技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具的智能控制。 第四章 軟件設(shè)計(jì) 軟件是一個(gè)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，硬件做了完整的設(shè)計(jì)，軟件給予動(dòng)力，賦予其靈魂，讓整個(gè)系統(tǒng)能夠有序運(yùn)行，并且通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，所以，軟件設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言是至關(guān)重要的。只有軟件設(shè)計(jì)完善，才能讓整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。比如本系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)智能照明控制，需要由軟件程序來控制照明用的燈具，并且通過程序完成定時(shí)，進(jìn)行串行通信，定義矩陣鍵盤功能，并且通過程序完成LED數(shù)碼管顯示，軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)、子程序設(shè)計(jì)以及中斷程序設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)框圖如下所示： 圖4-1系統(tǒng)軟件總結(jié)構(gòu)圖 4.1系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊 監(jiān)控程序是一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵部分，所有外圍模塊都需要經(jīng)過監(jiān)控電路。只有監(jiān)控主程序到位，對(duì)鍵盤所傳達(dá)的命令進(jìn)行分析，并且交由相應(yīng)子程序處理，在系統(tǒng)運(yùn)行中起到一個(gè)“向?qū)А弊饔?。監(jiān)控程序根據(jù)模塊劃分，大致也就分為以上所述，由監(jiān)控主程序與相應(yīng)處理子程序組成。51單片機(jī)的資源有限，主程序是一個(gè)無限反復(fù)調(diào)用子程序的過程。 智能照明控制系統(tǒng)的監(jiān)控主程序主要是對(duì)外圍電路的一些輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化自檢，還有對(duì)一些模塊的程序調(diào)用及中斷處理，最主要的是激活看門狗。在設(shè)計(jì)時(shí)，只要將所有模塊都設(shè)計(jì)成子程序，這樣主程序就可以方便調(diào)用這些功能子程序。除此之外，監(jiān)控主程序還能將其余部分串聯(lián)起來，并且形成無限循環(huán)，讓所有功能都能在這個(gè)循環(huán)中不斷執(zhí)行。系統(tǒng)監(jiān)控主程序流程圖如圖4-2所示： 圖4-2 監(jiān)控主程序流程圖 4.1.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)自檢初始化是系統(tǒng)在運(yùn)行前要進(jìn)行的關(guān)鍵，是系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的前提，在系統(tǒng)上電之后，自檢初始化程序會(huì)啟動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢及其初始化。初始化過程會(huì)對(duì)一些用于控制的寄存器或者如本系統(tǒng)中時(shí)鐘電路DS1302之類的外部芯片進(jìn)行初始化，比如參數(shù)設(shè)定之類的初始化過程。 若系統(tǒng)某些芯片連接沒有到位，或者說有硬件故障，便會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，所以，需要在運(yùn)行前進(jìn)行系統(tǒng)自檢，要針對(duì)這些進(jìn)行檢查。例如需要檢測(cè)各個(gè)芯片是否已經(jīng)進(jìn)入準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，時(shí)鐘芯片DS1302是否處于起振狀態(tài)，而有關(guān)于數(shù)據(jù)采集的人體采集信號(hào)和環(huán)境光采集信號(hào)是否能夠進(jìn)行正常采集。在自檢過后，一切處于正常待運(yùn)行狀態(tài)，那么便可以開始運(yùn)行系統(tǒng)。 4.1.2 定時(shí)中斷處理 定時(shí)中斷是利用的是單片機(jī)本身的定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)，并且當(dāng)計(jì)數(shù)值到達(dá)限制或者時(shí)間到達(dá)設(shè)定值而引起的中斷。單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)數(shù)器可以通過兩種方式計(jì)時(shí)，一種是通過內(nèi)部時(shí)鐘；另一種則是從外部T0或T1輸入的外部脈沖。 定時(shí)中斷是一種周期性中斷，每隔一段時(shí)間就自動(dòng)中斷一次，本系統(tǒng)需要運(yùn)用這種中斷來運(yùn)行，它可以對(duì)任務(wù)時(shí)間進(jìn)行劃分，啟動(dòng)相應(yīng)操作，使其進(jìn)入就緒狀態(tài)。除此之外本系統(tǒng)還采用了外部中斷方式，這個(gè)外部中斷是用來判斷是否有外部信號(hào)出現(xiàn)，如果有可以對(duì)其進(jìn)行收集并且分析；如果沒有，就繼續(xù)執(zhí)行無限循環(huán)。本系統(tǒng)的定時(shí)中斷方式如下圖所示： 圖4-3定時(shí)中斷方式 4.2數(shù)據(jù)采集模塊子程序設(shè)計(jì) 對(duì)于軟件設(shè)計(jì)，主要任務(wù)是對(duì)環(huán)境光檢測(cè)電路，以及人體傳感器的收集處理電路輸出的環(huán)境光和人體信號(hào)進(jìn)行采集分析，并且將這兩個(gè)信號(hào)放入軟件設(shè)計(jì)中的實(shí)施多任務(wù)模塊定時(shí)采集。 對(duì)于本系統(tǒng)來說，要求環(huán)境光強(qiáng)度大無論是否有人存在都保持關(guān)燈狀態(tài)；而環(huán)境光小時(shí)，則當(dāng)人體傳感器模塊檢測(cè)到有人便開燈，無人便保持關(guān)燈狀態(tài)。故本系統(tǒng)的邏輯狀態(tài)是：當(dāng)人體存在時(shí)傳感器采集電路輸出狀態(tài)為“1”，不存在為“0”；環(huán)境光亮?xí)r采集電路輸出邏輯狀態(tài)為“1”，暗時(shí)為“0”；燈具開為“1”，關(guān)為“0”。所以，綜上所述，本系統(tǒng)邏輯關(guān)系表可以如表4-1表示： 表4-1 系統(tǒng)邏輯關(guān)系表 除了光強(qiáng)信號(hào)和人體存在信號(hào)，還有一個(gè)信號(hào)需要可以列入邏輯表，那就是時(shí)鐘信號(hào)，在設(shè)置好定時(shí)之后，工作時(shí)間邏輯狀態(tài)為“1”，如果到了休息時(shí)間，便為“0”，此時(shí)控制器電燈狀態(tài)會(huì)始終保持關(guān)閉狀態(tài)，自動(dòng)控制器會(huì)切換為機(jī)械開關(guān)控制，如果此時(shí)有人需要開燈，就可以用機(jī)械開關(guān)自行打開，這樣就可以做到手動(dòng)自動(dòng)切換，加入時(shí)鐘信號(hào)之后的系統(tǒng)邏輯關(guān)系表如表4-2所示： 表4-2 系統(tǒng)邏輯關(guān)系表 4.3時(shí)鐘模塊子程序設(shè)計(jì) 對(duì)于時(shí)鐘芯片DS1302，我們需要先檢查它的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)確認(rèn)它處于啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢初始化，對(duì)DS1302進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的核心是遵循它的時(shí)序要求，DS1302的自檢初始化流程圖如圖4-4所示： 圖4-4 DS1302自檢初始化流程圖 在進(jìn)行操作時(shí)，對(duì)DS1302初始化之后,把復(fù)位引腳置高電平，這樣數(shù)據(jù)才能正常傳輸，如果不是高電平，所有的I/O口都會(huì)中止，引腳變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢，再把引腳置低電平，用來抑制外來干擾。為防止外來干擾，還需在主電源引腳電壓為達(dá)到2.5V時(shí)，的邏輯狀態(tài)一定要為0。 DS1302時(shí)鐘芯片在實(shí)際運(yùn)用中使用頻繁，并且讀寫操作簡(jiǎn)單，所以應(yīng)用廣泛。在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，以DS1302芯片為中心的時(shí)鐘模塊起到了很大的作用，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸，定時(shí)計(jì)數(shù)都發(fā)揮了很大的作用。綜上所述，數(shù)據(jù)輸出輸入流程圖和讀寫程序流程圖分別如圖4-5和圖4-6所示: 圖4-5數(shù)據(jù)輸入輸出流程圖 圖4-6 讀寫程序流程圖 4.4人機(jī)交互模塊子程序設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的人機(jī)交互主要體現(xiàn)在鍵盤輸入和數(shù)碼顯示兩部分，解決鍵盤的按鍵掃描還有數(shù)碼顯示屏對(duì)各類信息的顯示，可以讓管理維護(hù)人員更加方便更加靈活的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。由鍵盤鍵入某些需要的指令，然后由數(shù)碼顯示屏顯示當(dāng)前單片機(jī)的狀態(tài)，形成一個(gè)人機(jī)交互平臺(tái)。 4.4.1鍵盤掃描子程序設(shè)計(jì) 鍵盤掃描是這個(gè)模塊中值得關(guān)注的地方，本系統(tǒng)采用了由行線和列線組成的44矩陣式鍵盤，而所有的按鍵就在行列線的交點(diǎn)處，由于是44鍵盤，所以有16個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵均代表著不同功能，鍵入都會(huì)輸出不同結(jié)果。 矩陣式鍵盤通過檢測(cè)行列線的高低電平來掃描是否按鍵被按下。鍵盤的掃描速度很快，只要人在按鍵的時(shí)候不出現(xiàn)特殊情況，單片機(jī)處于等待輸入狀態(tài)，一般情況都能將鍵盤掃描輸入的按鍵信號(hào)收錄。由于人會(huì)在按鍵時(shí)出現(xiàn)一些不可控因素，所以我們必須在這期間加入一個(gè)防干擾的程序，最主要是防止因?yàn)槿耸侄秳?dòng)而引發(fā)的誤動(dòng)作，誤按鍵，所以這個(gè)程序是判斷按鍵信號(hào)是否真的是確實(shí)存在的信號(hào)，將誤動(dòng)作的信號(hào)去除。其工作原理是當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，能夠不直接判定其為按鍵信號(hào)，等待延時(shí)之后再次檢測(cè)，多次檢測(cè)之后例如檢測(cè)三次確定有此按鍵信號(hào)，那么便可以繼續(xù)傳輸了，這個(gè)程序?qū)τ谄溥\(yùn)行很重要，能夠很好的防止一切不可控因素。 系統(tǒng)的16個(gè)按鍵均有自己的功能，前面硬件設(shè)計(jì)部分已經(jīng)大致介紹過了，首先定義的是0～9這10個(gè)數(shù)字鍵，然后分別是開和關(guān)、增和減、定時(shí)和確認(rèn)。他們的基本功能是通過10個(gè)數(shù)字鍵來進(jìn)行定時(shí)設(shè)定還有對(duì)分控制器的地址輸入并用確認(rèn)鍵進(jìn)行確認(rèn)。通過軟件設(shè)計(jì)賦予這些按鍵功能，開和關(guān)用于開燈和關(guān)燈，增和減用于調(diào)整燈光的亮度。掃描獲得按鍵信息之后，執(zhí)行相應(yīng)程序，并實(shí)現(xiàn)需要實(shí)現(xiàn)的相關(guān)功能。 圖4-7鍵盤掃描程序流程圖 在本系統(tǒng)中，矩陣式鍵盤與典型鍵盤一樣，行線通過電阻接+5V。鍵盤上有某一鍵閉合或者沒有鍵閉合時(shí)，只需判斷行線和列線是否短接，并且呈現(xiàn)什么電平狀態(tài)。矩陣鍵盤的鍵識(shí)別過程要完成以下3項(xiàng)工作： 判有無鍵按下。將行線接單片機(jī)輸入口，列線接單片機(jī)輸出口。通過置列線為低電平觀察行線的狀態(tài)來判斷鍵位是否有被按下。先讓CO列線為低電平，其余列線為高電平，讀行線狀態(tài)，如行線狀態(tài)不全為“1”，則說明所按鍵在該列；否則所按鍵不在該列，再使C1列線為低電平，其他列為高電平，判斷C1列有無按鍵按下。其余類推，這樣就可以找到所按鍵的行列位置；進(jìn)入相應(yīng)程序。根據(jù)行列位置可以推出所按下鍵的鍵號(hào)，再根據(jù)鍵號(hào)進(jìn)入相應(yīng)的功能程序。 4.4.2數(shù)碼顯示子程序設(shè)計(jì) 圖4-8 LED數(shù)碼顯示程序流程圖 本系統(tǒng)中的數(shù)碼顯示由4個(gè)共陽極數(shù)碼管來完成，根據(jù)輸出端的高低電平來決定是否亮暗，各個(gè)驅(qū)動(dòng)電路使各個(gè)字段發(fā)亮，而發(fā)亮的字段組合用于顯示單片機(jī)的狀態(tài)。本系統(tǒng)選用了7447芯片和74LS138譯碼器用于選通數(shù)碼管，7447將BCD碼轉(zhuǎn)換成SEG7段碼，而74LS138則起到地址譯碼的作用。 第 41 頁 共 40 頁 4.5照明控制程序設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)是智能照明控制系統(tǒng)，所以照明控制程序在本系統(tǒng)中十分重要，直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)情況。在本文中照明控制系統(tǒng)的照明控制主要由單片機(jī)AT89C51全面控制，配合時(shí)鐘芯片DS1302讀取數(shù)據(jù)并且將其寫入。最終主機(jī)和從機(jī)之間進(jìn)行通信，對(duì)定時(shí)時(shí)間做出調(diào)整，利用從機(jī)對(duì)預(yù)設(shè)定的程序進(jìn)行照明控制。 4.5.1照明啟?？刂圃O(shè)計(jì) 照明啟停程序是用來啟動(dòng)和停止燈具運(yùn)行的系統(tǒng)程序，由主控制器發(fā)出命令，然后通過通信系統(tǒng)RS485總線進(jìn)行傳輸，最后由分控制器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，實(shí)現(xiàn)照明燈具的啟停動(dòng)作。所以，根據(jù)實(shí)際需要，在本系統(tǒng)中這個(gè)啟停程序由全部啟停與單獨(dú)啟停兩部分組成。 全部啟?？刂票容^簡(jiǎn)便直接，可以直接根據(jù)鍵盤的“開”、“關(guān)”按鈕來決定，“開”和“關(guān)”可以直接全面啟停所有的照明用具。 圖4-9全部啟停控制主控制器程序流程圖 本系統(tǒng)是主從式通信方式的系統(tǒng)，主控制器掌控著整個(gè)系統(tǒng)，處于核心地位，經(jīng)過通信系統(tǒng)后由分控制器接收并發(fā)送信息，當(dāng)主控制器發(fā)出“開”時(shí)，從機(jī)接收命令，并由驅(qū)動(dòng)電路向P3.7口輸出高電平，此時(shí)點(diǎn)亮照明用具，反之，發(fā)出“關(guān)”時(shí)，從機(jī)將使P3.7口輸出低電平，此時(shí)照明燈具關(guān)閉。在全部啟停程序中主控制器的程序流程圖如4-9所示，而分控制器的程序流程圖則如4-10所示： 圖4-10全部啟?？刂品挚刂破鞒绦蛄鞒虉D 單獨(dú)啟停程序則是通過主控制器發(fā)送指定的命令給分控制器，不再跟全面啟停一樣，進(jìn)行全面控制，二是單獨(dú)指定某一個(gè)照明燈具關(guān)閉或打開。其工作方式與之