照明灯具的智能控制系统设计

河北工业大学 2012 届本科毕业论文 1 1 引言 1 1 课题 背景 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。 1 2 课题 思路 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。根据使用客户的经验，不仅使照明管理与设备维修简单及降低费用外，还对环境改善、提高工作效率都有着显著的效果。 本系统是以单片机为控制器的核心，其中上位机是以 基础，下位机是以 连接外围电路，通过现场总线 可以通过无线数传模块实现无线通信，从而达到照明灯具的智能控制。 1 3 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 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 平衡传送的电气河北工业大学 2012 届本科毕业论文 2 标准，比起 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， 初都是由电子工业协会（ 订并发布的， 1983 年在 础上制定了 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 不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。正因为 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 为工业应用中数据传输的首选标准。 1 4 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 5 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（ 简称 微机的核心部件。 上存放程序和河北工业大学 2012 届本科毕业论文 3 数据的存储器、输入 /输出（ 简称 I/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。 2 基于单片机的照明控制系统的设计框架与性能 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。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。 在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。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，因此使用 语言进行开发。此编程工具相比汇编语言具有结构化、适用范围大、可移植性好等特点。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，达到设计功能要求。 系统的结构 系统的结构主要由三部分组成： a）上位机系统； b）下位机系统； c）通信系统。这三部分共同完成了主控制器通过有线、无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 该多机通信系统采用 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，用中断的方式接收主机发来的命令或数据并做出回应。 河北工业大学 2012 届本科毕业论文 4 图 线通信系统结构框图 无线数据传输系统也是由主控制器和分控制器两部分组成，控制器是发送遥控指令、发送数据信息、接收应答信息等，分控制器接收数据与遥控指令，完成对照明灯具的控制。 图 无线数传系统结构框图 系统的主控制器通过 线或无线数传模块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 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、亮度控制，并且利用实时时钟芯片对照明灯具进行定时开关控制。分控制器硬件电路结构如图 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。 系统性能指标及技术要求 主控制器 口 口 分控制器 口 分控制器 口 分控制器 主控制器 无线数传模块 分控制器 无线数传模块 主控制器 无线数传模块 河北工业大学 2012 届本科毕业论文 5 a）照明启停控制系统 1) 全开 2) 全关 3) 单独开 4) 单独关 b）照明亮度控制系统 1) 全部亮度调节 2) 单独亮度调节 c）定时控制系统 1) 对全部照明灯进行定时控制 2) 对每个照明灯进行定时控制 图 控制器硬件电路结构框图 图 控制器硬件电路结构框图 3 基于单片机的照明控制系统的硬件电路设计 控制器的电路设计 主控制器采用 源 看门狗 晶振 时钟电路 零点检测电路 可控硅控制电路 89码显示及驱动电路 通信接口电路 看门狗 键盘 晶振 电源 河北工业大学 2012 届本科毕业论文 6 低电压、高性能 位单片机，片内含 4K 28 随机存取数据存储器（ 器件采用 司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 内置通用 8位中央处理器（ 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、通信接口电路等几部分组成。主控制器系统的硬件电路原理图如图 P T 113R X A L 218X T A L 119 51I N T 012R E S E /V P E / E . 0 P 1 . 1 P 1 . 2 P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7 70 15 4 M H 2 C+ 5 47 4 L S 1 3 8W D S E X 8 1 3 L+ 5V+ 5 3 45 6 7 89 0 开 关确认定时+ 5控制器系统的硬件电路原理图 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 4 4 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 阵键盘的行线从上到下分别与 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描，以识别被按键的行、列位置。 码显示的接口设计 河北工业大学 2012 届本科毕业论文 7 数码显示与驱动电路由 747447 驱动器、 4 个数码管以及 5 个 极管组成。由单片机的 输出的四位，经 7447 芯片后，翻译成 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 输出的信号经 74码器后产生的高电平信号加在 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。 看门狗监控电路的设计 本系统采用 司的低成本微处理器监控芯片 成硬件狗，与， 单片机的复位输入脚 过一个复位按钮接地。该监控电路的主要功能如下： a）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 00系统复位。 b）对 +5 +5片机正常工作；当 +5出高电平，对单片机进行复位。 c）看门狗定时器被清零， 持高电平；当程序跑飞或死机时， 给 出“喂狗”信号， 变为低电平，由于 有一个内部 250上拉电 流， R 获得有效低电平， 输出复位脉冲，单片机复位，看门狗定时器清零， d）手动复位：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。 分控制器的电路设计 分控制器采用低档型的 片机作为微处理器， 是美国性能 位单片机，片内含 2K 可反复擦写的 28 兼容标准 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。 分控制器系统的外围接口电路由晶振、实时时钟芯片、可控硅控制电路、零点检测电路、看门狗电路、通信接口电路等组成 。 分控制器系统的硬件电路原理图如图河北工业大学 2012 届本科毕业论文 8 30 M H T /V D /P 3. 02T X D /P 3. 13X T A L 24X T A L 15I N T 0/ P 3. 26I N T 1/ P 3. 37T 0/ P 3. 48T 1/ P 3. 59 . 719P 1. 618P 1. 517P 1. 416P 1. 315P 1. 214P 1. 1/ A I N 113P 1. 0/ A I N 012P 3. 71189 C 20 51V C C 1R S L C 2 1 3 0 2+ 5 8 K H z+ 50 1 u 5 C 3 0 2 11246 2 2 0 1 3 1B A T T E R 6 S E X 8 1 3 L+ 5 7 8 0 5123V C C+ 5 V 2 2 0 1 K + 5 5 K + 5 3 1 1图 分控制器系统的硬件电路原理图 时钟芯片的接口设计 本系统利用单片机 89时钟芯片 行串行数据通信，读取和写入实时数据，用于定时控制照明灯具的启停。 司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片 ，附加 31 字节静态 用 线接口与 行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于 31日时可自动调整。 根线，即 I/O、 引脚为高电平时，选中该芯片，可对其进行操作。串行数据线 I/O 与串行时钟线别接在 ，所有的单片机地址、命令及数据均通过这两条线传输。在本系统中， 89主器件， 从器件，主器件 在总线上产生时钟脉冲、寻址信号、数据信号等，而从器件则相应接收数据、送出数据。对 每一次读写需 16 个时钟脉冲，前 8 个脉冲输入操作地址和读写命令。其中位 7 必须为1；位 0 为 0 时向芯片写入数据，为 1 时从芯片读出数据；位 6位 1 选定芯片中的地址。后 8个脉冲写入或读出数据。 用双电源系统供电， 双电源系统中提供主电源，在这种运用方河北工业大学 2012 届本科毕业论文 9 式下 接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。两者中的较大者供电。当 于 ， 电。当 ， 零点检测与可控硅控制电路的设计 这部分电路的设计采用单片机的 I/O 口灌电流的方法控制可控硅实现开关与调光控制，用光电耦合器 时实现强、弱电的隔离。光电耦合器 过一个非门与 89 连接，当此脚输出 低 电平时，将会封锁住 双向可控硅 导通，这样就会使照明灯关闭；当 平时，使光电耦合器 开驱动双向可控硅，从而 将双向可控硅触发导通，这样就开启了所要控制的照明灯。对于照明灯的亮度调节，这里采用 方式 ,即脉冲宽度调制的简称， 一种周期一定而高低电平的占空比可以调制的方波信号，当输出脉冲周期一定时，输出脉冲的占空比越大相对应的输出有效电压越大。在一个周期内的脉冲宽度（导通时间）为 期为 T，波形如图 T 1T 2冲波形图 则输出电压的平均值为： U= 中 =（正脉冲的持续时间与脉冲周期的比值）称为占空比，的变化范围为 0 1， 当电源电压 出电压的平均值 变的大小就可以改变输出电压的平均值，这就是 泡的亮度与加在灯泡两端的电压成比例，而灯泡两端的电压与可控硅的导通角成比例，这样通过调节 此占空比越大，灯泡就越亮，当占空比 =1时，灯泡的亮度最高。 由于 89片机没有 以在这里采用单片机定时器配合河北工业大学 2012 届本科毕业论文 10 软件 的方法来实现 使用 制频率不能低于市电频率，因为当频率低于50，超过了人眼视觉暂留效应，用于调光将产生闪烁的现象。当调制频率大于市电频率，可控硅将处于连续导通状态而不能达到调压的目的，因此必须使用过零检测作为触发可控硅的基点。在本系统中所使用的过零检测电路如图 由一个变压器将市电电压转换成 10过整流、稳压后可作为系统工作电源，同时将变压器次级的同名端引出一根线连接到比较器 以检测交流电的过零点，然后将过零信 号送给单片机的 上。当检测到交流电的过零点时，就去触发双向可控硅，同时通过 号的输出控制双向可控硅的导通时间，最终达到控制灯泡亮度的目的。 本系统的有线通信方式采用 行通信， 双工通信，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 200大提高了通信距离，在 100K 200m，如果通信距离缩短，最大速率可达 10M 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 主机与从机选用的 是 S 485通信的低功率收发器件， 采用单一电源 +5 定电流为 300 A ，采用半双工通 信 方式。它完成将 。 单片机连接时只需分别与单片机的 逻辑 0时，器件处于接收状态；当 逻辑 1时，器件处于发送状态，因为 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 端分别为接收和发送的差分信号端 ,当 时，代表发送的数据为 1；当 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 时将 端之间加匹河北工业大学 2012 届本科毕业论文 11 配电阻， 这里 选 用 120 的电阻。 P 5 2 1 5 . 1 K P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78I N T 113R X A L 218X T A L 119. 021P 2. 122P 2. 223P 2. 324P 2. 425P 2. 526P 2. 627P 2. 728P 0. 732P 0. 633P 0. 534P 0. 435P 0. 336P 0. 237P 0. 138P 0. 039 C 5 1I N T 012R E S E /V P E / E P 5 2 1 T L P 5 2 1 + 5V+ 5 1 K 5 . 1 K 470+ 5 3 K 3 . 3 K 120202012 X 4 8 55 . 1 K 5 . 1 K 图 主机通信电路图 P 5 2 1 - 4 1 K T L P 5 2 1 - 4 P 5 2 1 - 4 C+ 5V+ 5 1 K 5 . 1 K 470+ 5 3 K 3 . 3 K 120202012 X 4 8 55 . 1 K 5 . 1 K R S T /V D /P 3. 02T X D /P 3. 13X T A L 24X T A L 15I N T 0/ P 3. 26I N T 1/ P 3. 37T 0/ P 3. 48T 1/ P 3. 59 . 719P 1. 618P 1. 517P 1. 416P 1. 315P 1. 214P 1. 1/ A I N 113P 1. 0/ A I N 012P 3. 71189 C 20 51图 从机通信电路图 为了提高系统的抗干扰能力，采用光电耦合器 机使用单片机的 时置 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，若为本机地址则河北工业大学 2012 届本科毕业论文 12 置 送应答信息，然后再置 续保持 串行收发器处于接收状态 ；若不是本机地址，使 串行收发器处于接收侦听状态。 无 线数传电路的设计 无线数据传输需要通过无线数传模块来实现。本系统选用的是上海桑锐电子科技有限公司生产的 模块的通信信道是半双工的，最适合点对多点的通信方式。单片机与无线数传模块之间可以进行信息的传送与回馈，即所谓的双向通信。 无线数传电路的连接 主控制器与分控制器各使用一个无线数传模块，形成发送与接收的无线通信通道。模块的数据输入和输出端与单片机的串行口连接，即模块的串行数据发射 端 块的串行数据接收端 片机与无线数传模块 R X N C 5 18 9 C 2 0 5 1 S R W F - 1+ 5 单片机与无线数传模块的连接 a） 微发射功率 :最大 1010发射功率。 b） 需申请频点。 载频频率 429可提供315/868/915。 c） 高抗干扰能力和低误码率。基于 用高效 无线 通信协议，在信道误码 率为 10得到实际误码率 1010 d） 完善的通讯协议。 e） 传输距离远。在视距情况下，天线高度 3米，可靠传输距离 300m。 f） 透明的数据传输。 提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户河北工业大学 2012 届本科毕业论文 13 协议。自动过滤掉空中产生的噪音信号及假数据（所发即所收）。 g） 多信道，多速率。 个信道，根据用户需要，可扩展到 16/32信道，满足用户多种通信组合方式的需求。 24004800960019