1、 ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY本 科 毕 业 论 文基于单片机的楼宇公共照明系统设计The Design of Building Public Lighting Systems That Based on Single Chip 系（院）名称： 电子信息与电气工程系 专业班级： 06 级自动化 2班 学生姓名： 刘永生 指导教师姓名： 杜章永 指导教师职称： 讲师 2010 年 05 月目 录中文摘要、关键词 I英文摘要、关键词 .II引言 1第一章 概述 31.1课题研究背景 .31.2课题研究的目的与意义 .31.2.1 良好的节能效果和延长灯具生命 .31
2、.2.2 改善工作环境，提高工作效率 .41.2.3 提高管理水平 .41.3系统设计 .41.3.1系统设计要点 .41.3.2 系统设计思路 .5第二章 硬 件电路设计与实现 .82.1 系统硬件总述 .82.2 CPU性能介绍 .82.3 主控制机电路设计 .82.3.1 键盘的接口设计 .92.3.2 LED数码显示的接口设计 .92.3.3 看门狗监控电路的设计 102.4 分控制器的电路设计 112.5 RS485通信电路的设计 112.6 光信号取样电路 142.6.1 Microwire 串行总线性能介绍 152.6.2 TCL1549的接口设计 162.7人体信号采集电路 1
3、72.7.1 人体红外探头 172.7.2 比较电路 182.8 DS12887时钟芯片接口电路设计 202.9输出驱动电路设计 22第三章 系统软件设计及实现 233.1人机交互程序设计 233.1.1 键盘扫描程序设计 233.1.2 LED数码显示程序设计 253.2 照明启停控制程序设计 263.2.1 全部启停控制程序设计 263.2.2 单独启停控制程序设计 293.3照明控制程序设计 313.3.1 全部定时控制程序设计 313.3.2 单独定时控制程序设计 323.4 RS485通信程序设计 333.4.1 主机部分通信程序设计 353.4.2 从机部分通信程序设计 36第四章
4、 系统可靠性技术 .384.1干扰产生的后果 384.2单片机应用系统的硬件抗干扰设计 394.3软件抗干扰技术 40结论 .42致谢 .43参考文献 44附录 .45I基于单片机的楼宇公共照明系统设计专业班级: 06 级自动化 2班 学生姓名: 刘永生指导教师: 杜章永 职称: 讲师摘要：本文介绍了基于 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。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学校教室室内照明的控制。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单片机为基础，实现了通信、控制与
5、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、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以及灯光控制、定时控制、键盘扫描与 LED显示等程序设计。提出了有效的节能方案，为智能化楼宇建设提供了理论依据。关键词：RS-232 灯光控制系统；AT89C51；单片机；节能；采集电路IIThe Design of Building Public Lighting Systems That Based on Single ChipAbstract: In this paper, the Indoor Light
6、ing Control System Based on AT89C51 and its principle is introduced. Some effective and energy saving control strategies of lighting system are brought forward. The current system uses a relatively mature sensor technology and computer control technology ，using multi-parameter to achieve the school
7、classroom indoor lighting control. The system includes hardware and software designed in two parts. The host controller of the control system for lighting is based on AT89C51 single-chip microcomputer, and the auxiliary ones are based on AT89C51. The system can do many jobs, such as wired communicat
8、ion, wireless data transmitting, controlling and display. The paper describes the designing process of the circuit at length, including keyboard and LED display circuit, RS485 communication circuit, wireless transmitting circuit, control circuit of lighting, watchdog circuit, etc. The designing of s
9、oftware mainly includes the several programming, such as wired communication, lamplight 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
10、 to the all auxiliary controllers or each one, including turning on lighting, turning off lighting, regulating brightness of lighting, controlling timed lighting, etc. Key words: Lighting control system;AT89C51;Single-chip microcomputer;Energy saving; Acquisition of signal.1引 言近些年计算机领域的变化令人目不暇接，而单片微
11、型计算机（简称单片机） ，作为微型计算机家族中的一员、发展中的一个分支，以其体积小、单一电源、功能强、价格低廉、低功耗、运算速度快、可靠性高、面向控制等独特优点，越来越深受各个应用领域的关注和重视，应用十分广泛，发展极快。 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，教室的数量也大幅度增加。为使师生有舒适的教学和学习的环境，无论是教室的面积、设施和照度，校方在力所能及的范围内，都付出了十分的努力。但由于学校开放型的管理模式，以及全员的节能意识的淡薄，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
12、的情况下，也是全部开启室内照明。夜间许多教室，即使仅有几个学生在教室自习，但室内照明全部开启，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 20%25%，电费支出占据较重比例。其中主要能耗浪费较大的是：教室照明和空调的使用。而教室照明的浪费源自予长明灯、白天亮灯、不合理使用照明以及旧灯管的不及时更换。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、
13、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。单片机的出现至今已经有 30多年的历史了。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）的应用已经渗透到广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且也深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，并掀起了一场数字化技术革命。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2用的计算机。
14、本篇论文介绍了就是基于单片机 AT89C51的室内灯光控制系统的研究和开发。本系统是以单片机为控制器的核心，其中上位机和下位机都是以 AT89C51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。系统通过人体信号采集电路对人体信号采集和光信号采集电路对光信号采集以及相应的处理并输入给单片机，单片机对输入信号判断并输出信号来控制学校教室内灯光的开关和亮度。3第一章 概述1.1 课题研究背景随 着 计 算 机 网 络 、 通 信 、 控 制 等 技 术 的 发 展 ,智 能 建 筑 的 发 展 越 来 越 迅 猛 。目 前 ， 国 内 大 多 数 智 能 建 筑 存
15、 在 效 率 低 、 能 耗 高 的 现 象 。 就 智 能 建 筑 的 照 明 系统 来 说 ， 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
16、 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
17、、 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
18、 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 课题研究的目的与意义1.2.1 良好的节能效果和延长灯具寿命节 能 是 照 明 控 制 系 统 的 最 大 优 势 。 传 统 的 楼 宇 公 共 区 域 照 明 工 作 模 式 ， 只能 是 白 天 关 灯 ， 晚 上 开 灯 。 而 采 用 了 智 能 照 明 控 制 系 统 后 ， 可 以 根 据 不 同 场 合 、不 同 的 人 流 量 ， 进 行 时 间 段 、 工 作 模 式 的 细 分 ， 把 不 必 要 的 照
19、 明 关 掉 ， 在 需 要时 自 动 开 启 。 同 时 ， 系 统 还 能 充 分 利 用 自 然 光 ， 自 动 调 节 室 内 照 度 。 控 制 系 统实 现 了 不 同 工 作 场 合 的 多 种 照 明 工 作 模 式 ， 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 。 41.2.2 改善工作环境，提高工作效率 良 好 的 工 作 环 境 是 提 高 工 作 效 率 的 一 个 必 要 条 件 。 合 理 地 选 用 光 源 、 灯 具及 性 能
20、优 越 的 照 明 控 制 系 统 ， 都 能 提 高 照 明 质 量 。 智 能 照 明 控 制 系 统 具 有 开 关和 调 光 两 种 控 制 方 法 ， 可 以 有 效 地 控 制 各 种 照 明 场 所 的 平 均 照 度 值 ， 从 而 提 高照 度 均 匀 性 。 同 时 ， 系 统 能 根 据 不 同 的 时 间 段 ， 人 们 的 不 同 需 要 ， 自 动 调 节 照度 。 1.2.3 提高管理水平 智 能 照 明 控 制 系 统 是 以 自 动 控 制 为 主 、 人 工 控 制 为 辅 的 系 统 。 在 一 般 的 情况 下 ， 不 需 要 有 人 的 参 与 ， 照
21、 明 系 统 自 动 实 现 开 关 和 调 光 功 能 ， 既 大 大 减 少 了管 理 人 员 的 数 量 ， 也 排 除 了 由 于 人 为 因 素 而 出 现 的 不 定 时 开 关 ， 影 响 学 校 的 正常 教 学 、 生 活 秩 序 的 情 况 。 1.3 系统设计1.3.1 系统设计要点系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。硬件电路的设计最重要的选择用于控制
22、的单片机，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用 51系列单片机。本系统软件设计采用模块化系统设计方法，先编写各个功能模块子程序，然后进行组合与调整，经过调试后
23、，达到设计功能要求。51.3.2 系统设计思路系统的结构主要由三部分组成：（1）上位机系统；（2）下位机系统；（3）通信系统。这三部分共同完成了主控制器通过有线通信方式与分控制器进行信息交换，达到控制照明灯具的目的。有线通信系统的结构框图如图 1.1所示。1.3.2.1 通信系统该多机通信系统采用 RS-485 半双工主从式通信系统，主机可以发送数据或命令到从机，从机主要负责对分布的照明灯具进行控制，用中断的方式接或数据并做出回应。图 1.1 有线通信系统结构框图1.3.2.2 上位机系统系统的主控制器通过 RS-485 总线将数据或命令发送给分控制器，同时将信息送给数码显示单元进行显示，并有
24、看门狗电路对运行程序进行有效监视。主控制器硬件电路结构如图 1.2所示。分控制器接收主控制器的发来的数据和命令，通过可控硅电路对照明灯具进行开关控制，并且利用实时时钟芯片对照明灯具进行定时开关控制。主 控 制 器RS485接 口分 控 制 器RS485接 口 分 控 制 器RS485接 口 分 控 制 器RS485接 口RS485总 线6图 1.2 主控制器硬件电路结构框图1.3.2.3下位机系统分控制器硬件电路结构如图 1.3 所示。系统在单片机的控制之下完成数据的通信、显示，同时能够控制照明灯具，其硬件电路只是系统的实施工具，大量的工作是由软件来完成的。这些程序是系统的灵魂，是负责完成硬件
25、电路实现功能和与用户交互的桥梁，是维 护系统正常工作的工具。收主机发来的命令图 1.3 分控制器硬件电路结构框图室内灯光控制系统可以根据作息时间、气候、人体等因素全天候自动模糊控制室内照明电器的开和关。做到光线暗时开灯，雨天阴天时开灯，无人时关89C51晶 振键 盘 看 门 狗 数 码 显 示 及 驱 动 电 路通 信 接 口 电 路电 源89C51看门狗晶 振 时 钟 电 路光 信 号 采 集 电 路 人 体 信 号 采 集 电 路可 控 硅 控 制 电 路7灯，光线亮时关灯，晴天时关灯，休息时间关灯。在确保室内正常照明同时，可有效防止无人灯（无人时开灯）无效灯（光线亮时开灯） 、无限灯（休
26、息时间开灯） ，从而达到节电目的。根据上述要求，可以画出控制系统逻辑功能表，如表 1.1 所示。表 1.1 系统逻辑关系表信号 室内光信号 人体信号 时钟信号参数 自然光照度 人体 作息时间电灯的开关状态强 无 休息 断强 无 上课 断强 有 休息 断强 有 上课 断弱 无 休息 断弱 无 上课 断弱 有 休息 断逻辑状态弱 有 上课 合如 果 假 设 ： 室 内 光 线 强 度 为 A： 光 线 弱 时 A=1， 光 线 强 时 A=0；人 体 信 号 为 B： 有 人 时 B=1， 无 人 时 B=0；作 息 时 间 为 C： 上 课 时 C=1， 休 息 时 C=0；电 灯 开 关 状
27、态 为 D： 合 时 D=1， 断 开 时 D=0。则 表 1.1 可 以 转 化 为 表 1.2。表 1.2 系统逻辑真值表信号 室内光信号 人体信号 时钟信号参数 自然光信号 人体 作息时间电灯的开光状况符号 A B C D0 0 0 00 0 1 00 1 0 00 1 1 01 0 0 01 0 1 01 1 0 0逻辑状态1 1 1 18第二章 硬件电路设计与实现2.1 系统硬件总述系 统 以 单 片 微 型 计 算 机 为 核 心 外 加 多 种 接 口 电 路 组 成 ， 共 有 六 个 主 要 部 分 ：AT89C51 芯 片 、 光 信 号 采 集 电 路 、 人 体 信 号
28、 采 集 电 路 、 时 钟 控 制 电 路DS12887、 输 出 控 制 电 路 、 定 时 监 视 器 电 路 ， 如 图 2.1 所 示 。图 2.1 系统硬件总述图2.2 CPU 性能介绍本 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 I O 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
29、串 行 通 信 口 。2.3 主控制机电路设计主控制器采用 AT89C51 单片机作为微处理器，AT89C51 是美国 ATMEL公司生产的低电压、高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4K bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，器件采9用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元。主控制器系统的外围接口电路由键盘、数码显示及驱动电路、晶振、看门狗电路、通信接口电路等组成。主控制器系统的硬件电路原理图如图 2.2 所
30、示。图 2.2 主控制器系统的硬件电路原理图2.3.1 键盘的接口设计键盘的结构形式有两种，即独立式按键和矩阵式键盘。本系统使用的是44矩阵式键盘，第一行从左到右为 1、2、3、4，第二行为 5、6、7、8，第三行为 9、0、开、关，第四行为增值、减值、定时、确认。该形式的键盘，每个按键开关位于行列的交叉处，采用逐行扫描的方法识别键码。矩阵键盘的列线从左到右分别与单片机的 P1.0、P 1.1、P1.2、P 1.3相连，矩阵键盘的行线从上到下分别与 P1.4、P1.5、P1.6、P1.7 相连。每当按下一个键时，对应的行线与列线就会连通，这样单片机就能检测出信号，并通过键盘扫描程序对键盘进行扫
31、描，以识别被按键的行、列位置。P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78INT113RXD 10TXD 11XTAL218XTAL119T014P2.0 21P2.1 22P2.2 23P2.3 24P2.4 25P2.5 26P2.6 27P2.7 28P0.7 32P0.6 33P0.5 34P0.4 35P0.3 36P0.2 37P0.1 38P0.0 39T11589C51INT012RESET9RD17WR16EA/VPP31ALE/P 30PSEN 29VCC 40GND20P1.0 P1.1 P1.2 P1.3P1.4P1.5P1.6P1.
32、7abcdefgABCD7447 100 7 D4A10154RBIRBOLT GNDVCC30pF30pF12MHzD3 D2 D1VCC+5VABCVCCG2AG2BY0Y1Y2Y34.7K 474LS138WDORESETWDIMRVCCGNDMAX813L+5V+5V1 2 3 45 6 7 89 0 关 关关关关关+5V关102.3.2 LED 数码显示的接口设计数码显示与驱动电路由 74LS138 译码器、7447 TTL BCD-7 段高有效译码器/驱动器、4 个数码管以及 5个 A1015三极管组成。由单片机的 P0.0P0.3口输出的四位 BCD码，经 7447芯片后，翻译成
33、 7段数码管a、b、c、d、e 、f、g 相应的段，并输出点亮数码管相应的段。单片机的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，从而起到对相应数码管的选通作用。4 个7段数码管都被接成共阳极方式。2.3.3 看门狗监控电路的设计本系统采用 MAXIM公司的低成本微处理器监控芯片 MAX813L 构成硬件狗，与 AT89C51的接口电路如图 3.1所示。MR 与 WDO 经过一个二极管连接起来，WDI 接单片机的 P2.7 口，RESET 接单片机的复位输入脚 RESET，MR 经过一个复位按钮接地。该监控电路的主
34、要功能如下：（1）系统正常上电复位：电源上电时，当电源电压超过复位门限电压4.65V，RESET 端输出 200ms 的复位信号，使系统复位。（2）对+5V 电源进行监视：当+5V 电源正常时， RESET 为低电平，单片机正常工作；当+5V 电源电压降至+4.65V 以下时，RESET 输出高电平，对单片机进行复位。（3）看门狗定时器被清零，WDO维持高电平；当程序跑飞或死机时， CPU不能在16s内给出“喂狗”信号，WDO跳变为低电平，由于MR端有一个内部250mA的上拉电流，D导通MR获得有效低电平，RESET端输出复位脉冲，单片机复位，看门狗定时器清零，WDO又恢复成高电平。（4）手动
35、复位：如果需要对系统进行手动复位，只要按下手动复位按钮，就能对系统进行有效的复位。112.4 分控制器的电路设计图2.3 分控制器系统的硬件电路原理图分控制器采用低档型的 AT89C2051 单片机作为微处理器，AT89C2051 也是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能 CMOS 8位单片机，片内含 2K bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，兼容标准 MCS-51指令系统，具有 15线可编程 I/O 口，该单片机具有体积小、成本低、结构简单、性价比较高等特点。2.5 RS485 通信电路的设计在各种分布式集散控
36、制系统中，往往采用一台单片机作为主机，多个单片机作为从机，主机控制整个系统的运行；从机采集信号，实现现场控制；主机和从机之间通过总线相连，如图 2.4所示。主机通过 TXD向各个从机（点到点）或多个从机（广播）发送信息，而各个从机也可以向主机发送信息，但从机之间不能自由通信，其必须通过主机进行信息传递。主机RXD TXDRXD TXD从机 1RXD TXD RXD TXD从机 n12图 2.4 单片机多机通信连线图多机通信时，为了保证通信的可靠性，在点到点通信时，采用了寻址技术，即主机先发送一帧地址信息给各个从机，各从机接收到主机发来的地址信息后，便与本机的地址号相比较。若相同，则开始与主机的
37、通信；若不同，则不理睬主机发送的数据信息，也不向主机发送信息。多机通信时，单片机的串行口只能工作在方式 2、3。此时单片机发送或接收的一帧信息都是 11位，1 位起始位、9 位数据位、1 位停止位，其中第 9位数据发送或接收是通过 TB8 或 RB8 实现的。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。针对 RS232 的不足，出现了新的串行数据接口标准 RS-422，它采用
38、平衡驱动和差分接收的方法，从根本上消除了地波和共模电磁波的干扰。发送端相当于两个单端驱动器，发送同一个信号时，其中一个驱动器的输出永远是另一个驱动器的反相信号。于是两条线上传送的信号电平，当一条表示逻辑“1”时，另一条为逻辑“0” 。在干扰信号作为共模信号出现时，接收器接收差分输入电压，只要接收器有足够的抗共模电压工作范围，就能从地线的干扰中分离出有效信号，正确接收传送的信息，其最小可区分 0.20V 的电位差值。由于平衡双绞线的长度与传输速率成反比，RS422 在 1200米距离内能把速率提高到100Kb/s；在较短距离内，其传输速率可高达 10Mb/s，实现了长距离、高速率下传输数据。采用
39、 RS-422 实现两点之间远程通信时，需要两对平衡差分电路形成全双工传输电路。在实际应用系统中，往往有多点互连而不是两点直连，而且大多数情况下，在任一时刻只有一个主控模块（点）发送数据，其他模块（点）处在接收数据的状态，于是便产生了主从结构形式的 RS-485标准。RS 485只能按半双工方式工作，因此发送电路必须由使能信号加以控制，但它只需要一对双绞线即可实现多点半双工通讯。本系统的有线通信方式采用 RS485 总线进行通信， RS485标准支持半双工13通信，只需三根线就可以进行数据的发送和接收，同时具有抑制共模干扰的能力，接收灵敏度可达200mV，大大提高了通信距离，在 100K bp
40、s 速率下通信距离可达 1200m，如果通信距离缩短，最大速率可达 10M bps。在这里使用的是主从式通信方式，主机由主控制器充当，从机为分控制器。主机处于主导和支配地位，从机以中断方式接收和发送数据，主机发送的信息可以传送到所有的从机或指定的从机，从机发送的信息只能为主机接收，从机之间不能直接通信。主机与从机的通信电路图分别如图 2.5与图 2.6所示。图2.5 主机通信电路图ROREDEDI GNDABVCCTLP521-4A5.1KP1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78INT113RXD 10TXD 11XTAL218XTAL119T014P2
41、.0 21P2.1 22P2.2 23P2.3 24P2.4 25P2.5 26P2.6 27P2.7 28P0.7 32P0.6 33P0.5 34P0.4 35P0.3 36P0.2 37P0.1 38P0.0 39T11589C51INT012RESET9RD17WR16EA/VPP31ALE/P 30PSEN 29VCC 40GND20TLP521-4BTLP521-4C+5V+5V5.1K 5.1K 470+5V3.3K3.3K120202012V7V12V7VMAX4855.1K5.1KROREDEDI GNDABVCCTLP521-4A5.1KTLP521-4BTLP521-4C
42、+5V+5V5.1K 5.1K 470+5V3.3K3.3K120202012V7V12V7VMAX4855.1K5.1KRST/Vpp1RXD/P3.02TXD/P3.13XTAL24XTAL15INT0/P3.26INT1/P3.37T0/P3.48T1/P3.59GND10VCC 20P1.7 19P1.6 18P1.5 17P1.4 16P1.3 15P1.2 14P1.1/AIN1 13P1.0/AIN0 12P3.7 1189C205114图 2.6 从机通信电路图主机与从机选用的 RS485 通信收发器芯片为 MAX485，它是 MAXIM 公司生产的用于 RS 485通信的低功
43、率收发器件，采用单一电源+5 V 工作，额定电流为 300 A，采用半双工通信方式。它完成将 TTL 电平转换为 RS485 电平的功能。MAX485 芯片内部含有一个驱动器和接收器。 RO 和 DI 端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的 RXD 和 TXD相连即可；RE 和 DE 端分别为接收和发送的使能端，当 RE 端为逻辑 0时，器件处于接收状态；当 DE 端为逻辑 1时，器件处于发送状态，因为 MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可，主机与从机分别使用 P2.6与 P1.0脚进行控制；A 端和 B 端分别为接收和发送
44、的差分信号端,当 A 引脚的电平高于 B时，代表发送的数据为 1；当 A 的电平低于 B端时，代表发送的数据为 0。在进行通信时只需要一个信号控制 MAX485 的接收和发送即可。同时将 A 和 B 端之间加匹配电阻，这里选用 120 的电阻。 为了提高系统的抗干扰能力，采用光电耦合器 TLP521对通信系统进行光电隔离。从机使用单片机的 P1.0 控制通信收发器 MAX485 的工作状态，平时置P1.0 为低电平，使从机串行口处于侦听状态。当有串行中断产生时判别是否是本机号，若为本机地址则置 P1.0 为高电平，发送应答信息，然后再置 P1.0为低电平接收控制指令，继续保持 P1.0 为低电
45、平，使串行收发器处于接收状态；若不是本机地址，使 P1.0为低电平，使串行收发器处于接收侦听状态。2.6 光信号取样电路光信号取样电路如图 2.7所示，图中主要由光信号采集电路和 A/D 模数转换电路组成，其中模数转换是电路的核心。信号经过采集送入 A/D 转换电路，通过单片机处理后，最终作为系统应用程序进行开关灯判断的依据。A/D 转换器的位数应根据信号的测量范围和精度来选择，使其有足够的数据长度，保证最大量化误差在设计要求的精度范围内。本系统中，信号的测量范围的电压：0.009.99V，精度 0.01V。15在本次设计中选用了带串行控制的 10位模数转换器 TLC1549，它是由德州仪器（
46、Texas Instruments 简写为 TI）公司生产的，它采用 CMOS 工艺，具有自动采样和保持，采用差分基准电压高阻抗输入，抗干扰性能好，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到()1LSB Max，芯片体积小等特点。同时它采用了 Microwire 串行接口方式，故引脚少，接口方便灵活。与传统的并行方式接口 A/D 转换器（例 ADC0809/0808）相比，其单片机的接口电路简单，占用 I/O口资源少。图 2.7 光信号取样电路2.6.1 Microwire 串行总线性能介绍Microwire 总线是美国国家半导体（NS ）公司推出的三线同步串行总线。这种总线由一根数据输出线
47、（SO） 、一根数据输入线（SI）和一根时钟线（SK）组成 （但每个器件还要接一根片选线） 。原始的 Microwire 总线上只能连接一片单片机作为主机，总线上的其它设备都是从机。此后，NS 公司推出了 8位的COP800 单片机系列，仍采用原来的 Microwire 总线，但单片机上的总线接口改成既可由自身发出时钟，也可由外部输入时钟信号，也就是说，连接到总线上的单片机既可以是主机，也可以是从机。为了区别于原有的 Microwire 总线，称这种新产品为增强型的 MicrowirePLUS 总线。增 强 型 的 Microwire PLUS 总 线 上 允 许 连 接 多 片 单 片 机
48、和 外 围 器 件 ， 因此 ， 总 线 具 有 更 大 的 灵 活 性 和 可 变 性 ， 非 常 适 用 于 分 布 式 、 多 处 理 器 的 单 片 机测 控 系 统 。 要 改 变 一 个 系 统 ， 只 需 改 变 连 接 到 总 线 上 的 单 片 机 及 外 围 器 件 的 数16量 和 型 号 。 Microwire 总 线 系 统 的 典 型 结 构 如 图 2.8 所 示 。主机SISOSK从机SOSISKCSADCDO DI CLKCS EEPROMDO DI CLK片选线图 2.8 Microwire 总线系统典型结构2.6.2 TLC1549 的接口设计图 2.9
49、TLC1549 引脚及与 A/D接口电路TLC1549 采用了 Microwire 串行接口方式，其接口时序如图 2.9所示，在芯片选择（CS）无效情况下， I/O CLOCK 最初被禁止且 DATA OUT 处于高阻状态。当串行接口把 CS 拉至有效时，转换时序开始允许 I/O CLOCK 工作并使DATA OUT 脱离高阻状态。串行接口然后把 I/O CLOCK 序列提供给 I/O CLOCK 并从 DATA OUT 接收前次转换结果。I/O CLOCK 从主机串行接口接收长度在 10和 16个时钟之间的输入序列。开始 10个 I/O 时钟提供采样模拟输入的控制时序。图 2.10 TLC1549方式 1时序图17在 CS 的下降沿，前次转换的 MSB 出现在 DATA OUT 端。10 位数据通过DATA OUT 被发送到主机串行接口。为了开始转换，最少需要 10个时钟脉冲。如果 I/O CLOCK 传送大于 10个时钟长度，那么在的 10个时钟的下降沿，内部逻辑把 DATA OUT 拉至低电平以确保其余位的值为零。在正常进行
