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智能照明系统的设计与实现(毕业设计)-信息工程系毕业设计论文.doc

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1、xx 建筑职业技术学院毕 业 设 计 论 文论文题目 智能照明系统的设计与实现(毕业设计)专 业: 信息工程系 班 级: 11-1 学生姓名: * 学 号: * 指导教师: * 完成日期: 2014-4-21 xx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文I 摘要随着电子技术的飞速发展,基于单片机的控制系统已广泛应用于工业、农业、电力、电子、智能楼宇等行业,微型计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心,代替了传统的控制系统的常规电子线路。楼宇智能化的发展与成熟,也为基于单片机的照明控制系统的普及与应用奠定了坚实的基础。本文介绍了基于单片机AT89C51 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

2、。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室内照明的控制。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 AT89C51 和 AT89C2051 单片机为基础,实现了通信、信号采集、控制与显示等功能。使用光电子镇流器,使光源具备自动调节功能。文中详细地描述了控制电路的设计过程,包括:光信号取样电路、人体信号采集电路、键盘与 LED 显示电路、RS485 通信电路、照明灯控制电路、看门狗电路以及信号处理电路等。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。工作时,光

3、信号取样电路采集光照强弱、人体信号采集电路采集室内是否有人、是否为工作时间等信息并将信号送到单片机,单片机根据这些信息通过控制电路对照明设备进行开关操作,从而实现照明控制,以达到节能的目的。 关键字 智能控制,主控制器,分控制器,单片机,定时控制xx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文II ABSTRACTWith the rapid development of electronic technology, the system of control based on Single-chip Microcomputer is widely applied in industry, agricu

4、lture, electric power, electron, intelligent building and so on. Microcomputer, as the subject and core of the embedded system of control, replaces the traditional systemelectronic circuit. At the same time, the development and maturation of the intelligent building have established the substantial

5、foundation for the popularization and application of the control system for lighting based on single-chip microcomputer。In this paper,the Indoor Lighting Control System Based on AT89C51 and its principle are introduced. Some effective and energy saving control strategys of lighting system are brough

6、t forward. The current system uses a relatively mature sensor technology and computer control technology ,using multi-parameter to achieve the school classroom indoor lighting control. The system includes hardware and software design in two parts. The host controller of the control system for lighti

7、ng is based on AT89C51 single-chip microcomputer, and the auxiliary ones are based on AT89c2051. The system can do many jobs, such as wired communication, Signal Acquisition,wireless data transmitting, controlling and display.Use of electonic ballasts;the light source with automatic adjustment funct

8、ion .The paper describes the designing process of the circuit at length, including: Optical signal sampling circuit, the body signal acquisition circuit, keyboard and LED display circuit, RS485 communication circuit, wireless transmitting circuit, control circuit of lighting, watchdog circuit, etc.

9、The designing of software mainly includes the several programming, such as wired communication, lamplight controlling, timed controlling, keyboard scanning ,LED displaying and signal processing circuit. The wired communication programming function is that through Master-slave communication method ba

10、sed on RS485 the host controller sends orders to the all auxiliary controllers or each one, including: turning on lighting, turning off lighting, regulating brightness of lighting, controlling timed lighting, etc. Work,the optical signal sampling circuit collecting lighting intensity,indoor collecti

11、ng of human signal acquisition circuit if anyone,whether for work time and other information and signal to the microcontroller,MCUcontrol circuiti based on these information through the switching operation of lighting equipment in order to achieve lightingcontrols to sava energy.Key Words: Intellige

12、nt control,Host controller, Auxiliary controller, Single-chip microcomputer, Timed controllingxx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文III 目 录摘要 .IABSTRACT II1 绪论 .111 课题研究背景 .112 课题研究的目的和意义 .113 智能控制技术的研究现状 .214 国内外智能照明发展状况 .215 智能照明系统的优点 .316 智能照明控制系统的组成 .317 现有智能照明系统的分析 .32 系统方案设计 .421 系统设计要点 .422 系统设计思路 .52 2 1 通信系统

13、.52 2 2 上位机系统 .52 2 3 下位机系统 .63 硬件电路设计 83.1 系统硬件总述 83.2 CPU 性能介绍 9xx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文IV 3.3 主控室电路设计 93.3.1 键盘接口设计 .103.3.2 数码显示设计 .103.3.3 看门狗监控电路设计 .113.4 分控制器的电路设计 .113.5 光信号取样电路 .123.6 人体信号采集模块 .133.6.1 人体红外探头 .133.6.2 信号处理电路 .143.6.3 比较电路 .153.7 输出驱动电路设计 .164 系统软件设计及实现 174.1 人机交互程序设计 .184.1.1 键盘

14、扫描程序设计 .184.1.2 数码显示程序设计 .214.2 照明启停控制程序设计 .214.3 通信程序设计 .244.3.1 主机部分通信程序设计 .264.3.2 从机部分通讯设计程序 .265系统的可靠性设计 .275.1 干扰产生的后果 .275.2 单片机应用系统的硬件抗干扰设计 .285.3 软件抗干扰技术 .28xx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文V 5.3.1 数据采集误差的软件 .285.3.2 程序运行失控的软件对策 .28总结 30致 谢 31参考文献 32附 录 33xx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文1 1 绪论11 课题研究背景改革开放 30 年来,我国经济

15、取得了突飞猛进的发展,人民生活水平质量也得到了巨大的提高,人们对照明的需求也越来越高。从最初只提供亮度的基本功能到现在产了多方面的需求:除了提供适宜的环境亮度以外,还要营造优雅舒适的氛围;用户方要求控制方式灵活方便,能实现按需配置,同时实现节能、降低运行费用;施工方要求安装简单、维护方便;设计方要求系统能提供满足用户多样性要求的各种技术手段。需求的变化导致控制方式的改进:从传统的机械式开关演变为电子技术的智能照明系统。能源短缺是 21 世纪国际面临的新课题。在寻找新的能源之外,节约能源,提高效益也就成为了我们研究的课题。所以如何来节省电力能源也成为了一个迫切需要解决的问题。从节约资源、对社会贡

16、献、节省部门经费支出等多方面考虑,办公室、高校教室等公共场所照明的节电问题不得不提到重要的议事日程上来。目前常用的节电方式为手工控制,声控型,太阳能灯等。手工方式操作起来不灵活,费时费力。声控型往往判断不准确,不需要的时候也也会经常亮。太阳能设备投资比较大,且容易受光照强度的影响。因此市场上迫切需要一种操作方便、价格低廉、便于大面积推广的新型节能方案。12 课题研究的目的和意义随着经济的发展和科技的进步,人们对照明器具节能和科学管理提出了更高的求,使得照明控制在智能楼宇领域的地位越来越重要。而在楼宇大厦建设热潮中各公司和企业也意识到了智能照明的重要性。商业楼宇中大功率设备一般数量较少。而照明器

17、具则比较多。使用照明控制系统更能体现在节能与管理方面的优势,提高建筑的科学管理水平。传统楼宇公共区域的照明模式,只能是白天关灯、xx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文2 晚上开灯,而采用智能照明控制系统后,用户可以根据不同场合、不同的人流量,对时间段和工作模式进行划分,把不必要的照明灯具关掉,在需要时自动开启;同时,系统还能充分利用自然光,在保证必要照明的同时,有效减少了灯具的工作时间,节省了不必要的能源开支,也延长了灯具的寿命。虽然智能照明系统最基本的功能是开关作用,与传统的照明系统似乎并无差异,但前者以自动控制为主、人工控制为辅,在一般的情况下,不需要用户的参与,照明系统自动实现开关功能大

18、大减少了人们的管理工作。 智能照明控制系统减少灯具使用时间,能有效节约能源,由于我国以前的粗放型经济增长方式已经导致资源匮乏,这种一味地靠资源和牺牲环境来换取 GDP 的增长的外延扩展方式已经走到尽头,所以调整产业结构。在照明行业推广智能照明系统具有重要的意义。13 智能控制技术的研究现状智能控制技术发展方向主要有基于人工智能技术的智能控制方向、智能控制的模糊控制方向和智能控制的人工神经网络控制方向,在智能控制的人工神经网络控制方向上,基于人工神经网络和模糊逻辑有机结合的神经模糊技术,已成为近年来的一个热门课题。14 国内外智能照明发展状况“智能建筑”是综合计算机、信息通信等方面最先进的技术,

19、使建筑物内的电力、空调、照明、防灾、防盗、运输设备等,实现建筑物综合管理自动化、远程通信和办公自动化的有效运作,并使这三种功能结合起来的建筑。人工智能技术在建筑与照明中的应用趋势不断扩大。正如英国的 Glasgow 市报指出: “Glasgow 正在成为一个研究和发展太空时代智能建筑的国际组织的神经中枢。在智能建筑中的智能照明、供热、空调、通讯及办公设备将全部由电子计算机进行控制与管理。 ”xx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文3 面对这一发展趋势,开发了不少智能照明设计,如智能灯具、智能照明控制与管理系统,包括在照明方面的计算机硬件和软件。此外计算机在照明设计和测试方面也得到广泛应用。澳大利

20、亚邦奇开发的 Dynalie 智能照明控制系统,美国的智能照明建筑,特别是现代化办公室的智能照明技术等都值得我们研究与借鉴。15 智能照明系统的优点智能照明控制系统是指用计算机技术并辅助以其它手段,对电力照明实行自动控制,提供合适照明光环境的同时降低照明系统电能消耗和其它使用费用。智能照明控制系统于手动照明控制系统相比有很多优点,包括创造环境气氛,改善工作环境、提高工作效率,良好的节能效果,延长光源寿命,管理维护方便等。 16 智能照明控制系统的组成智能照明控制系统主要由输入装置、处理器和执行器三个部分组成。输入装置可以不断检测周围环境的照度水平,可以探测到某个区域是否有人移动,以及输入人们的

21、控制指令,并把相应的信号传送给处理器。输入装置包括传感器、定时装置和控制面板或遥控器。处理器接受输入装置的信号,经过信息处理、判断、分析,输出控制信号。执行器与灯具直接连接,控制灯光回路的闭合或断开和调节灯光到相应的水平,包括手动开关17 现有智能照明系统的分析澳大利亚邦奇开发的 Dynalite 分布式智能照明控制系统的特点是模块化结构和分布式控制,各功能模块之间通过网络总线直接相互通信,当系统中某个模块出现故障时不会影响其它模块,可靠性高。美国 LC而配上菲涅尔透镜后,其检测距离可增加到10 m以上。静态情况下空间存在红外光线,由于双源式探头采用互补技术,不会产生电信号输出。动态情况下,人

22、体经过探头先后被A源或被 B源感应, SaSbxx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文14 产生差值,双源失去互补平衡作用而很敏感地产生信号输出。3.6.2 信号处理电路本设计采用 BIS0001 来完成对热释电传感器输出信号的处理。BIS0001 是一款具有较高性能的热释电传感器信号处理集成电路,它主要由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成。图 3-10 中,热释电传感器 S 极输出信号送入 BIS0001 的 14 脚,经内部第一级运算放大器放大后,由 C3 耦合从 12 脚输入至内部第二级运算放大器放大,再经电压比较器构成的鉴幅器处理后,检出有效触发信

23、号去启动延迟时间定时器,最后从 12 脚输出信号 (Vo )送入单片机进行照明控制。实验所得,当传感器检测室内有人时,Vo =4V 无人时 Vo =0.4 V。BIS0001 的 1 脚接高电平 ,使芯片处于可重复触发工作方式。输出 Vo (高电平)的延迟时间 Tx 由外部 R8 和 C7 的大小调整;触发封锁时间 Ti 由外部 R9 和 C6 的大小调整。xx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文15 3.6.3 比较电路比较电路如图 3-11 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

24、的 6 脚和 D2 的 1 脚电压分别为 0.45V 和 2.0V。 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。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

25、”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。具体的比较结果如下表 3-1 所示。表 3-1 探头采集信号输出状态表通过比较电路,不仅解决了不同工作状态时被动红外探头的对外界人体红外信号的采集,而且也实现了仅通过被动红外探头的两根电源线同时也传输了所采集的周围环境的红外信号,一举两得。xx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文16 3.7 输出驱动电路设计ULN2003 是高压大电流达林顿晶体

26、管阵列系列产品,具有电流增益高、工作 电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。是一个 7 路反向器电路,即当输入端为高电平时 ULN2003 输出端为低电 平, 当输入端为低电平时 ULN2003 输出端为高电平, 继电器得电吸合。 功能特点: 高电压输出 50V输出钳位二极管输入兼容各种类型的逻辑电路应用继电器驱动器输出控制电路如图 3-12 所示, 单片机 P2.0 脚接 ULN2003 芯片 IN7 脚, 单片机向 IN7 输入一个高电平时,芯片从 OUT7 脚输出低电平,继电器得电闭合。xx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文17 4 系统软件设计及实

27、现软件设计分主程序设计、子程序设计、中断程序设计三大块。软件是计算机系统的灵魂,没有软件计算机不能充分发挥其功能,这是软件在计算机中的地位,而在计算机控制系统中,软件也是非常重要的。在照明控制系统中,硬件设备的功能是由软件来定义的,如系统要控制分布的照明灯具,串行通信程序来完成控制功能,通过软件定义键盘功能,通过编程完成 LED 数码显示等等,由此可见,软件是控制系统中的一个重要组成部分。 该照明控制系统的软件程序包括: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信等。本着软件设计的基本方法,照明控制程序的软件设计方法是利用传统的结构化分析与设计方法来完成的。结

28、构化程序设计方法虽然是早期的程序设计方法,但该方法还一直被广泛地使用。结构化系统分析与设计贯穿整个软件设计过程,遵循“自顶向下,逐步求精”的基本原则。照明控制系统软件程序结构如图 41 所示。xx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文18 4.1 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。键盘用来输入指令,发光数码管用来显示单片机的状态,这是一个比较简单的人机交互形式。4.1.1 键盘扫描程序设计本系统的键盘采用的是 44 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。一个 44 的行、列结构可以构成一个含有 1

29、6 个按键的键盘,显然,在按键数量较多时,矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多 I/O 口。矩阵式键盘中,行、列线分别连接到按键开关的两端,在进行键盘扫描时,首先把矩阵键盘列线的第一根线置高,然后分别再检测矩阵键盘行线是否有高电平的信号,如果有信号,那么就证明这根行线与第一根列线相交处的按键被按下了,单片机就读入这个键值。如果所有的四根行线都没有信号,那么就换成把第二根列线置高,再一次检测行线有没有信号,然后依次类推。由于一般人按键会有抖动,抖动信号造成键盘扫描时会出现一些错误,或是扫描不进数据,或是重复输入很多次数据,因此需要有一个消除抖动的程序。让单片机不响应一些相关的抖动信号,而只响应

30、一次确实存在的按键信号。消抖动程序是这样实现的,当检测到一个脉冲信号时,并不立即认为是一次按键,而是延xx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文19 时一段时间以后再进行检测,如果三次检测都有信号,那么就认为有一次按键动作发生了。延时的选择非常重要,太快了,起不到消除抖动的效果,太慢了又让键盘太不灵活,错过较多的按键信号。键盘扫描程序的流程图如图 4-2 所示。 系统的按键定义除了基本的数字键(09)外,将其它的键依次定义为开、关、增值、减值、取消、确认六个命令键,其控制的基本功能是:(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。 (

31、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。系统通过软件方法实现该功能,即定义开、关、增值、减值、定时、确认等命令键,利用键盘扫描程序获取对应命令键的键值,然后执行相应的子程序,实现所要求的控制功能。xx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文20 xx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文21 4.1.2 数码显示程序设计本系统采用 LCD1602 显示模块,利用单片机显示程序读取 DS1302 时钟芯片时间,然后送 1602 显示。 数码显示程序如图 4-34.2 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

32、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。主机与从机的数据通信波特率定为 9600 波特,每个从机都有唯一的地址号,用来区分各从机。单片机的数据通信由串口完成,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。本系统的通信原理为:主机发送地址有通用地址和单机地址两种。控制全部从机是发送通用地址,控制单个从机时发送此机唯一地址。从机在建立与主机通信之前所有分机的 SM2 都置 1,即随时处于对通信线路监听的状态,只能收到主机发送来的机号信息。当主机发送地

33、址信息时,每帧数据的第 9 位都为 1,所有从xx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文22 机都接收到地址信息,然后判断主机是否呼叫本机或呼叫通用地址。如果呼叫通用地址则进入正式通信状态,清除 SM2 位,不需要回复主机,开始接收主机发送来的命令。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

34、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,则输出高电平闭合继电器开关,开启照明灯;如果为关闭命令,则输出低电平断开继电器开关,停掉照明灯。该系统的主机和从机的控制程序流程图如图 4-4 和图 4-5 所示。xx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文23 xx 建筑职业技术学院毕业(设计)论文24 4.3 通信程序设计在通信中,主机与各个从机进行通信,必须能对各个从机进行识别,这一识别功能是利用串口控制寄存器 SCON 的 SM2 位实现的。当串口以方式 3 工作时,发送和接收的每一帧信息都是 11 位,其中第 9 位数据位是可编程的,通过对SCON 寄存器的 TB8 位置 1 或置 0,以区别发送的是地址帧还是数据帧(规定地址帧的第 9 位为 1,数据帧的第 9 位为 0) 。若从机的控制位 SM2 被设为 1,则当接收的是地址帧时,数据装入 SBUF,并置 RI=1,向 CPU 发出中断申请,若接收的是数据帧,则不产生中断,信息被抛弃。若 SM2 被设为 0,则无论是地址帧还是数据帧都将产生 RI=1 中断标志,数据装入 SBUF。利用这一功能,可以按照如下步骤进行数据通信: (1) 将所有 SM2 位置 1,使其处于只接收地址帧的状态。

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