1、毕 业 论 文基于单片机的智能照明系统作 者 姓 名 ：何保林 专 业、班 级：电子工程 201201 学 号：020112200192 完 成 日 期 ：2013 年 6 月 15 日 郑州大学物理工程学院郑州大学物 理 工 程 学 院 毕业论文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。同时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。本文阐述了照明的有线、无线控制方式设计原理与实现方法。以设计过程为主线，分别从硬件和
2、软件两个方面描述设计过程，即从硬件电路的设计方法到实现所要求功能的软件技术。该照明控制系统的主控制器、分控制器分别是以 AT89C51 与 AT89C2051 单片机为基础，实现了有线通信、无线数传、控制与显示等功能。文中详细地描述了控制电路的设计过程，包括：键盘与 LED 显示电路、RS485 通信电路、无线数传电路、照明灯控制电路以及看门狗电路等。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与无线数字传输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。有线通信程序的功能是：通过 RS485 主从通信方式，由主控制器发出命令对全部或单个分控制器所控制的照明灯实现
3、开启、关闭、灯光亮度调节、定时控制等功能。无线数传程序设计的功能是：通过无线数传模块实现照明灯的无线遥控，同样实现有线方式控制的功能。关键词：主控制器，分控制器，单片机，有线通信，无线数传，灯光亮度控制，定时控制郑州大学物 理 工 程 学 院 毕业论文IIThe Control System for Lighting Based onSinglechip MicrocomputerAbstracWith the rapid development of electronic technology, the system of control based on Single-chip Micro
4、computer is widely applied in industry, agriculture, 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 intellig
5、ent building have established the substantial foundation for the popularization and application of the control system for lighting based on single-chip microcomputer.The paper expatiates on the designing theories and implementation method of the control system for lighting by wired or wireless commu
6、nications. Taking the designing process as mainline, it describes the process of designing from two respectshardware and software. In another word, the paper describes the process from the method of circuit designing to the software technology of realizing the demanded functions. The host controller
7、 of the control system for lighting 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, wireless data transmitting, controlling and display. The paper describes the designing process of the circuit at
8、 length, including: keyboard and LED display circuit, RS485 communication circuit, wireless transmitting circuit, control circuit of lighting, watchdog circuit, etc. The designing of software mainly includes the several programming, such as wired communication, wireless data transmitting, lamplight
9、controlling, timed controlling, keyboard scanning and LED displaying. The wired communication programming function is that through Master-slave communication method based on RS485 the host controller sends orders to the all auxiliary controllers or each one, including: turning on lighting, turning o
10、ff lighting, regulating brightness of lighting, controlling timed lighting, etc. The wireless data transmitting programming function is that by wireless transmitter it realizes wireless controlling of the lighting, and achieves the functions identical to wired communication. Key Words: Host controll
11、er, Auxiliary controller, Single-chip microcomputer, 郑州大学物 理 工 程 学 院 毕业论文IIIWired communication, Wireless data transmitting, controlling brightness of lighting, Timed controlling郑州大学物 理 工 程 学 院 毕业论文I目 录摘 要 .1目 录 .1引言 .11 系统概述 .31.1 单片机的应用技术 .31.2 有线通信技术 .31.3 无线数传技术 .41.4 智能照明控制系统的发展与现状 .41.4.1 智能控制
12、技术的研究现状 .41.4.2 国内外智能照明发展概况 .41.4.3 智能照明控制系统的优点 .51.4.4 智能照明控制系统的组成 .51.4.5 现有智能照明控制系统的分析 .51.5 系统设计 .61.5.1 系统设计要点 .61.5.2 系统设计思路 .61.6 本章小结 .92 基于单片机的照明控制系统的设计框架与性能 .102.1 系统设计要点 .102.2 系统的结构 .102.3 本章小结 .133 基于单片机的照明控制系统的硬件电路设计 .143.1 系统硬件总述 .143.2CPU 性能介绍 .143.3 主控制器的电路设计 .143.3.1 键盘的接口设计 .153.3
13、.2 LED 数码显示的接口设计 .163.3.3 看门狗监控电路的设计 .163.4 光信号取样电路 .163.4.1 Microwire 串行总线性能介绍 .17郑州大学物 理 工 程 学 院 毕业论文II3.4.2 TLC1549 的接口设计 .183.4.3 TCL1549 的数据采集程序设计 .183.5 人体信号采集电路 .193.5.1 人体红外探头 .193.5.2 信号处理电路 .223.5.3 比较电路 .233.6 DS12887 时钟芯片接口电路设计 .243.6.1 时钟芯片的接口设计 .253.7 RS485 通信电路的设计 .263.8 无线数传电路的设计 .28
14、3.8.1 无线数传电路的连接 .283.9 本章小结 .304 基于单片机的照明控制系统的软件设计 .314.1 人机交互程序设计 .314.2 键盘扫描程序设计 .324.3 LED 数码显示程序设计 .334.4 照明启停控制程序设计 .344.5 单独启停控制程序设计 .364.6 照明亮度控制程序设计 .384.7 照明定时控制程序设计 .414.8 主机部分通信程序设计 .454.9 本章小结 .475 干扰分析 .485.1 干扰产生的后果 .485.2 单片机应用系统的硬件抗干扰设计 .485.3 软件抗干扰技术 .505.3.1 数据采集误差的软件对策 .505.3.2 程序
15、运行失控的软件对策 .50总结 .51致 谢 .52参考文献 .53附 录 .54郑州大学物 理 工 程 学 院 毕业论文1引言随着国民经济的快速发展和社会进步，教育在全社会愈加被关注和重视，校园规模也随着受教育者的数量增加而不断扩大。但由于学校开放型的管理模式，高校的教室在白天室内照度很高的情况下，仍然普遍存在开灯作业；即使室内无人或人数很少的情况下，也是全部开启室内照明，绝不会有师生因为只有少数人而仅开几盏灯。长明灯比比皆是，人走不熄灯的现象到处存在。这种有形和无形的浪费，给校方的水电支出带来了沉重的负担。学校的水电支出约占全校经费支出的 1415，电费支出占据较重比例。能源短缺是 21
16、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。所以学校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、对社会贡献、节省高校经费支出和学生的健康等多方面考虑，高校教室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。近十几年来，随着我国城市建设的快速发展，楼宇照明也相应飞速发展。在楼宇的照明数量与质量两
17、个方面均有显著的变化与提高，特别是随着人民生活水平进入小康水平，楼宇照明水平提高很快，追求人工照明光环境的舒适性、个性化、安全、节能等方面日见突出。楼宇中人工光环境对于满足人们的生活、学习、娱乐以及工作方面有着重要的意义。照明控制系统传统是以照明配电箱通过手动开关来控制照明灯具的通断，或通过回路中串入接触器，实现远距离控制。而今出现的楼宇自控系统，是以电气触点来实现区域控制、定时通断、中央监控等功能。由于照明控制系统在楼宇自控系统中并非独立，同时控制功能简单，因此使用上有一定的局限性。故当楼宇自控系统出现故障时，照明系统亦受到影响。随着微电子技术与数字化技术的发展，开发出了智能化水平更高的专业
18、照明控制的独立系统，从而能节约能源、延长灯具寿命、提高照明质量。本系统是以单片机为控制器的核心，其中上位机是以 AT89C51 为基础，下位机是以 AT89C2051 为基础，再连接外围电路，通过现场总线 RS485 通信方式实现照明灯具的智能控制，也可以通过无线数传模块实现无线通信，从而达郑州大学物 理 工 程 学 院 毕业论文2到照明灯具的智能控制。郑州大学物 理 工 程 学 院 毕业论文31 系统概述1.1 单片机的应用技术电子技术和微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机（单片微型计算机）的应用已经渗透到国民经济的各个部门和领域，它起到了越来越重要
19、的作用。单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。因此一块芯片就构成了一台计算机。它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。单片机由硬件系统与软件系统组成。硬件系统是指构成微机系统的实体与装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。其中运算器和控制器一般做在一个集成芯片上，统称中央处理单元（Central Processing Unit），简称 CPU，是微机的核心部件。CPU 配上存放程序和数据的存储器、输入/输出（ Input/Output，简称 I
20、/O）接口电路以及外部设备即构成单片机的硬件系统。软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称，人们通过它对微机进行控制并与微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。软件系统与硬件系统共同构成完整的单片微型计算机系统，两者相辅相成，缺一不可。1.2 有线通信技术在数据通信、计算机网络以及工业上的分布式控制系统中，经常需要采用串行通信来达到远程信息交换的目的。目前，有多种接口标准可用于串行通信，最常用的接口有 RS-232、 RS-422、RS-485。RS232 是最早的串行接口标准，在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛应用。其后发展起来的 RS-422、RS-485 是平衡传送
21、的电气标准，比起 RS-232 非平衡的传送方式在电气指标上有了大幅度的提高。但总的来说，RS-232、RS-422 与 RS-485 最初都是由电子工业协会（EIA ）制订并发布的， EIA 于 1983 年在 RS-422 基础上制定了RS-485 标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为 TIA/EIA-485-A 标准。郑州大学物 理 工 程 学 院 毕业论文4RS-232、RS-422 与 RS-485 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自
22、己的高层通信协议。正因为RS-485 的远距离、多节点（32 个）、可以自行定义协议以及传输线成本低的特性，使得 EIA RS-485 成为工业应用中数据传输的首选标准。1.3 无线数传技术有线传输的方式虽然使用非常广泛且可靠性较高，但由于各方面的局限性，已经在众多方面被无线传输方式所取代。无线数字传输技术日益完善，其重要性也被人们所认识，相应的基于无线数字传输的产品也随处可见。无线数字传输系统安装简便、使用效率高，可应用于各个领域，例如，无线数据传输、无线数据采集、无线抄表、工业遥控、楼宇自动化、高档玩具等等。无线数传技术是通过单片机的串口与无线数传模块连接，将要发送的数据由无线数传模块向空
23、中发出，然后由另一个终端设备的无线数传模块从空中接收数据，这样就实现了预期的任务。1.4 智能照明控制系统的发展与现状1.4.1 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。1.4.2 国内外智能照明发展概况“智能建筑”是综合计算机、信息通信等方面最先进的技术，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。”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
