毕业设计（论文）-基于单片机的电子节能灯控制系统设计报告.pdf

2010 年毕业设计论文 基于单片机的电子节能灯控制系统设计报告 摘 要 传统的相控式交流调压器采用的开关器件为晶闸管。 它们的优点是控 制电路简单、功率容量大缺点是当控制角增大时功率因数减小电流 中谐波的幅值相对大滤波器的体积大。 本系统采用pwm 型斩控式交流调 压可以克服上述缺点通过单片机输出可调 pwm脉冲宽度调制 (pwm)是英文“pulse width modulation”的缩写简称脉宽调制是利用 微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术广泛 应用在从测量、 通信到功率控制与变换的许多领域中。 信号就可方便的 进行电压调节。 本系统自行设计了一路以光敏二极管为基础的光强测量电路可实现 在不同光照情况下的良好线性关系可反映的光强范围为 5lux75000lux 完全可满足本系统的设计要求。 本系统设计的时钟电路其误差每月只有一秒钟并且带有掉电保护、 夏 令时、闰年补偿以及闹钟功能。可保证本系统定时关灯的准时性。 以若应用于大学生创新基地为实例根据调查创基照明电路中 40w 的大灯共111 只20w的小灯共115只。 由于创基人员常有通宵工作的造 成了每晚都开着几乎所有的电灯采用本系统每晚到点后可关闭大灯 仅采用小灯进行动态照明。以每天调节 10 小时每年 300 天计算每年可 节约电费为(111*40+50*20)w*(300*10)时=16320 000瓦时=16320 度。 保守估计每年可为创新基地节约电能一万度。 2010 年毕业设计论文 关键词 交流斩波调压光敏二极管单片机时钟节能 abstract conventional phased ac voltage regulator, used for the thyristor switching devices. their advantage is that a simple control circuit, power capacity, drawback is that when the control angle increases, the power factor decreases, the amplitude of harmonic currents in the relatively large, bulky filters. the system uses the pwm-based ac voltage regulator chopping may be overcome through the mcu adjustable pwm output signal can be convenient for voltage 2010 年毕业设计论文 regulation. the system designed a way to photodiode-based light intensity measurement circuit can be realized under different light conditions a good linear relationship between the reflected light intensity can range 5lux 75000lux, can satisfy the design requirements of the system. the system clock circuit and the error is only one second a month, and with a power-down protection, daylight saving time, leap year compensation and alarm. can guarantee the system timing lights on time. if the innovation base to apply to college students as an example, the survey, the highest base of the lamp lighting circuit in a total of 111 40w, 20w total of 115 small lights. as the record-based staff often work overnight, resulting in open almost every night all the lights, using this system, every night to turn off the headlights after the point, only a small lamp with dynamic lighting. regulation 10 hours a day, 300 days a year basis, the annual savings of electricity as: (111 * 40 +50 * 20) w * (300 * 10) h = 16,320,000 watts = 16 320 degrees. conservative estimate of annual energy savings for the innovation base 10 000 degrees. key words: pwm; photodiode; scm; clock; energy 2010 年毕业设计论文 目 录 1 课题的研究背景与前景.6 2 设计方案8 2.1 整体设计思路8 2.2 节能控制方案的选择.9 2.3 节能效率计算分析.9 3 硬件设计11 3.1 系统结构框图11 3.2 工作原理分析12 3.3 光强检测模块设计.13 3.3.1 光强测量原理及常用器件13 3.3.2 光电测量元件的选择论证16 3.4 a/d 转换电路设计.22 3.4.1 模数转换的概念.22 3.4.2 模数转换的过程23 3.4.3 模数转换的器件23 3.4.4 adc080926 3.4.5 a/d 转换电路设计图.32 3.5 时钟电路33 3.5.1 实时时钟工作原理.33 3.5.2 实时时钟芯片 ds12cr887 主要性能参数33 3.5.3 时钟电路设计图.40 3.6 at89s52 单片机42 3.6.1 at89s52 单片机相关介绍.43 3.6.2 at89s52 单片机在本系统的应用48 3.7 高频交流斩波调节电路49 3.7.1 国内常用的降压节能装置的比较50 3.7.2 交流斩波控制调压原理53 3.7.3 几种交流斩波调压电路结构54 3.7.4 斩控式交流调压器的输出电压特点56 3.7.5 交流调压电路设计图57 4 软件设计59 5 工作性能检测61 5.1 光强检测模块数据采集.61 5.2 pwm 交流斩波调压数据采集.64 2010 年毕业设计论文 6 结论66 谢 辞67 参考文献69 2010 年毕业设计论文 1 课题的研究背景与前景 为建立资源节约型和环境友好型社会促进经济社会可持续发展我 国大力加强节能减排工作明确了“十一五”能源消耗和主要污染物排放 总量控制目标。电力行业作为节能降耗和污染物减排的重点领域近几年 节能减排工作取得明显成效。 但是目前形势依然严峻。 根据权威机构调查显 示如果全国所有的商场会议中心等公共场所有 10%白天采用自然光照 明 每年可节电82 亿度。若能设计出为公共照明区域进行科学合理的节 能控制系统则每年可为单位和国家节省许多电量。通常的节能途径有两 个一个是采用节能光源;二是采用合理的控制线路。本文在使用节能光源 的情况下采用合理的控制线路来实现节能。在生活中我们常会因为天气较亮的时 候经常忘记关灯有时为了局部需要又往往不得不大面积的开灯因此致 使大量电能被浪费。解决这一问题较好的办法通常是采用照明自动控制系 统。 如采用微机自动控制系统及优化开关控制路数以满足灯开、 关的数量 和事先设定的照度要求以期合理用电。因此我设计了这个照明自动控制 系统它融合了我们日常的照明装置而且更人性化的添加了自动光控系 统。你可以根据不同的环境来设置它不同的模式。 2010 年毕业设计论文 2010 年毕业设计论文 2 设计方案 2.1 整体设计思路 软件流程图如图 2.1 所示 开始 光照很弱 19 00 22220000 6 00 19 00 读取当前时间 22 00 凌晨 1 00 读 取 当 前 自 然 光 照 强 度 光照较强 光照较弱 凌晨 1 00 凌晨 6 00 光照很强 模式 5 模式 6 模式 4 关灯 模式 1 模式 2 模式 3 2010 年毕业设计论文 图2.1 2.2 节能控制方案的选择 对于能对现有电路进行线路改造的照明电路系统将所控制的电灯进 行分类编组每三盏灯为一组模式 1 下将三盏灯都开启模式 2 下开启 两盏灯模式3 下只开启一盏灯。 对于现有电路结构已经无法进行改造的照明电路采用 pwm 交流斩 波调压技术模式 1 下不对电路进行调节模式 2 下将交流电压输出调 节为 80%在模式 3 下将交流电压输出调节为 60%。这样既保证了照明需 求又可实现节能。 2.3 节能效率计算分析 采用本系统后对照明区域进行分组化模式控制若以控制99 盏灯为例 应用本系统前该照明电路每天照明每盏灯将达到11 小时采用本系统后这 99盏灯可减少照明小时为(3*33+5*66)=429小时。 以每盏灯功率为40w、 时 间为一年计算本系统的节能效果。 2010 年毕业设计论文 表2.1 时间/天未应用本系统/kwh应用本系统/kwh 143.20022.400 7305.28015.600 301306.80067.200 903920.4002016.000 36015681.6008064.000 图2.2 由以上数据可看出应用本系统能获得的节能效果是显著的。 2010 年毕业设计论文 3 硬件设计 3.1 系统结构框图 本节能控制装置以at89c2051 单片机为核心由光强检测电路、 a/d转 换电路、时钟电路、 单片机、高频交流斩波电路等几部分组成结构框图如 图3.1所示。 1 光强检测电路采用型号为se303的光敏二极管。 2 a/d转换电路采用 ad0809 将光强检测电路采集的模拟信号转换 为数字信号。 3 时钟电路采用 ds12887 时钟芯片提供当前时间。 4 at89s52 单片机本控制器的核心节能效果就是用它控制软件来 实现的。 5 高频交流斩波电路采用型号为 irf460 的mos 管可根据照明及 节能要求为 照明系统提供 0v-输入端电压范围内可调的电压。 光强检测电路 a/d 转换电路 时钟电路 at89s52 灯具 高频交流斩波电路 2010 年毕业设计论文 图3.1 系统的结构框图 在该框图中只是大概的画出了几个模块相连接的情况。 简单的勾勒出 单片机及其外围电路框架结构还是较清晰明了的给人一目了然的感觉。 下面介绍整个装置的工作原理。 3.2 工作原理分析 系统工作后首先由单片机向ds12887 时钟芯片读取当前时间用以 判定进入白天或者黑夜工作模式。 处于白天工作模式下单片机每隔5 分钟读取光强检测模块测得的当 前照度值用以判定是否开启部分照明电路补偿照明区域。 一旦系统从白天模式跳转进入黑夜模式开启各工作小组的三盏照明 电灯同时由时钟芯片开始计时当工作到 2200 后关闭每个分小组 2010 年毕业设计论文 电路中的一盏灯;当工作到凌晨1 点后再关闭各分小组电路中的一盏灯 直到天亮后跳转进入白天模式。 系统就按上述循环开始工作。 3.3 光强检测模块设计 3.3.1光强测量原理及常用器件 光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号的传感器 具有这种功能的材料称为光敏材料做成的器件则称光敏器件。而光敏元 件和光传感器是光电元件中的核心元件是光电系统的重要组成部分主 要包括光敏材料制作的探测器件光电二极管和光电倍增管利用内光电 效应的光导管以及应用光生电势敛应的光敏二极管、 光敏三极管、 光电池 等。 光电传感器的的物理基础就是光电效应。 光电效应包括外光电效应和内 光电效应。外光电效应在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称外 光电效应。 即为经典归纳的爱因斯坦光电效应方程。 内光电效应当光照射 在物体上使物 体的电阻率 1/r 发生变化或产生光电动势的效应叫做内光电效应。 内光电 效应又可以分为以下两类 (1)光电导效应 半导体材料受光照时。 材料的电导率增大这种现象称为光电导效应。 这种效应几乎所有高电阻率的半导体都有这是由于在入射光线作用下 电子吸收光子能量电子从价带被激发到导带上过渡到自由状态。同时 2010 年毕业设计论文 价带也因此形成自由空穴使导带的电子和价带的空穴浓度增大。引起电 阻率减少。 为使电子从价带激发到导带。 入射光子的能量 e。 应大于禁带宽度 eg。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。 图 3.2 (2)光生伏特效应 光生伏特效应是半导体材料吸收光能后在 pn 结上产生电动势的效 应。为什么 p n 结会因光照产生光生伏特效应呢?有下面两种情况不加偏 压的pn 结当光照射在 pn 结时如果电子能量大于半导体禁带宽度 (e。eg)可激发出电子一空穴对在 pn 结内电场作用下空穴移向 p 区 电子移向n区使 p 区和 n区之间产生电压这个电压就是光生伏特效应 产生的光生电动势。基于这种效应的器件有光电池。处于反偏的 pn 结 图 3.3 2010 年毕业设计论文 无光照时p 区电子和n区空穴很少反向电阻很大反向电流很小当有 光照时光子能量足够大产生光生电子一空穴对在 pn 结电场作用下 电子移向n区空穴移向 p 区形成光电流电流方向与反向电流一致。 具有这种性能的器件有光敏二极管、光敏晶体管从原理上讲不加偏 压的光电二极管就是光电池。当 p n 结两端通过负载构成闭合回路时就 会有电流沿着由经外电路到的方向流动。只要辐射光不停止这个电流就 不会消失。 这就是 p n 结被光照射时产生光生电动势和光电流的机理。 光生 伏特效应的两点小结(1)p n结产生光生伏特的条件是hveg(2)光生 伏特的大小与照射光的强度成正比。 常用的光敏传感器有光敏电阻、 光敏二极管、 光敏三极管、 光电池等。 1光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的 强弱而改变的电阻器;入射光强电阻减小入射光弱电阻增大。 2光敏二极管光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体 二极管在结构上是类似的其管芯是一个具有光敏特征的 pn 结具有 单向导电性因此工作时需加上反向电压。无光照时有很小的饱和反 向漏电流即暗电流此时光敏二极管截止。当受到光照时饱和反向 漏电流大大增加形成光电流它随入射光强度的变化而变化。当光线 照射 pn 结时可以使 pn 结中产生电子一空穴对使少数载流子的密 度增加。这些载流子在反向电压下漂移使反向电流增加。因此可以利 用光照强弱来改变电路中的电流。 3光敏三极管光敏三极管和普通三极管相似也有电流放大作用 只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制同时也受光辐射 2010 年毕业设计论文 的控制。 通常基极不引出但一些光敏三极管的基极有引出用于温 度补偿和附加控制等作用。当具有光敏特性的 pn 结受到光辐射时形 成光电流由此产生的光生电流由基极进入发射极从而在集电极回 路中得到一个放大了相当于 倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极 管具有不同的光谱特性与光敏二极管相比具有很大的光电流放大 作用即很高的灵敏度。 4光电池是一种特殊的半导体二极管利用光电效应能将可见 光转化为直流电。有的光电池还可以将红外光和紫外光转化为直流电。 3.3.2光电测量元件的选择论证 1用光敏电阻作测量元件 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。 在光线照射下其并不产生电 流而是改变其电阻值电阻值的变化与光照强度成正比光照越强电 阻越小。电子线路可将其变化的电阻值测量出来并转换成相应的电流或 电压信号所以一定要有外部电池才能正常地工作。其光照特性指光敏电 阻输出的电信号随光照度而变化的特性。如图 3.4所 示 2010 年毕业设计论文 图3.4 光敏电阻的光照特性曲线 是光电流与光照度的函数关系。不同的光敏电阻的光照特性是不同的但 是在大多数的情况下曲线的形状都与图的结果类似。由于光敏电阻的光 照特性是非线性的因此不适宜作线性敏感元件 这是光敏电阻的缺点 之一。 (2)用光敏三极管作测量元件 光敏三极管在弱光时灵敏度低些在强光时则有饱和现象这是由于 电流放大倍数的非线性所至对弱信号的检测不利。因此不适宜作线性检 测元件。 2010 年毕业设计论文 图3.5 光敏三极管的光照特性曲线 3用光电池作测量元件 光电池具在不需要外接电源不需要放大装置而直接测量电流的优点 其不足之处是由于内阻小不能用一般的直流放大器放大因而不适于较 微弱光的测量光电池受光照持续时间太久或受强光照射会产生疲劳现像 失去正常的响应因此一般不能连续使用 2 个小时以上。 2010 年毕业设计论文 图3.6 光电池的光照特性曲线 *图 3.6 中 1开路电压 2短路电流 4用光敏二极管作测量元件 光敏二极管工作时加有反向电压没有光照时其反向电阻很大只 有很微弱的反向饱和电流(暗电池)。 当有光照时就会产生很大的反向电流 (亮电流)光照越强该亮电流就越大。 光照特性亦呈良好线性这是由于 它的电流灵敏度一般为常数。故一般在作线性检测元件时可选择光敏二 极管。 2010 年毕业设计论文 图3.7 光敏二极管的光照特性曲线 光电池和光敏二极管的短路电流与照度成线性关系所以光电池和光 敏二极管作为测量元件时应取短路电流形式此时照度与电流强度有很好 的线性关系。一般光敏二极管的受光照面积比光电池小所以产生的电信 号也比光电池小但是由于光敏二极管可以检测到空间中某点的光强 所以本装置选用光敏二极管作为敏感器件将光强度值转换为光敏二极管 的短路电流值。 本系统中采用了一款型号为 se303 的光敏二极管其最大暗阻为 610k 欧姆最小亮阻为 1.5k欧姆。通过其在不同光照情况下阻值的改变来判定 当前光照情况在实验环境下测得其可检测的光照度范围为 0.1lux60000lux。在系统处理程序中设定阀值可精准的判别出白天黑夜 以及白天光照强弱情况。 2010 年毕业设计论文 图3.8 光敏二极管的结构及实物图 光强检测电路设计电图如下图所示。 光敏二极管的电阻随光强的改变而 改变则通过二极管电流也改变电流经 q2 放大后经过 r2系统通过读 取电阻r2 上电压获得信号。 2010 年毕业设计论文 图3.9 光强检测电路设计电图 3.4 a/d转换电路设计 3.4.1 模数转换的概念 模数转换(adc)亦称模拟一数字转换与数/模(d/a)转换相反是将 连续的模拟量(如象元的灰阶、 电压、 电流等)通过取样转换成离散的数字量。 例如对图象扫描后形成象元列阵把每个象元的亮度(灰阶)转换成相 应的数字表示即经模/数转换后构成数字图象。通常有电子式的模/数转 换和机电式模/数转换二种。在遥感中常用于图象的传输存贮以及将图象 形式转换成数字形式的处理。 例如图像的数字化等。 信号数字化是对原始 信号进行数字近似它需要用一个时钟和一个模数转换器来实现。所谓数 字近似是指以 n-bit的数字信号代码来量化表示原始信号这种量化以 bit 2010 年毕业设计论文 位单位可以精细到 1/2n。 时钟决定信号波形的采样速度和模数转换器的 变换速率。转换精度可以做到 24bit而采样频率也有可能高达1ghz但 两者不可能同时做到。通常数字位数越多装置的速度就越慢。 3.4.2 模数转换的过程 模数转换包括采样、 保持、 量化和编码四个过程。 在某些特定的时刻对这 种模拟信号进行测量叫做采样量化噪声及接收机噪声等因素的影响采 样速率一般 fs=2.5fmax。通常采样脉冲的宽度 tw 是很短的故采样输出是 断续的窄脉冲。要把一个采样输出信号数字化需要将采样输出所得的瞬 时模拟信号保持一段时间这就是保持过程。 量化是将连续幅度的抽样信 号转换成离散时间、 离散幅度的数字信号量化的主要问题就是量化误差。 假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的 则量化噪声均方值与量化间 隔和模数转换器的输入阻抗值有关。编码是将量化后的信号编码成二进制 代码输出。这些过程有些是合并进行的例如采样和保持就利用一个电 路连续完成量化和编码也是在转换过程中同时实现的 且所用时间又 是保持时间的一部分。 3.4.3 模数转换的器件 (1)模数转换器件的分类 a/d转换器有直接转换法和间接转换法两大类。 直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较从而直接将 模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高转换精度容易保证调准也 2010 年毕业设计论文 比较方便。 直接a/d 转换器有计数型、 逐次比较型、 并行比较型等。 间接法是 将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间 t 或频率f 然后再将 t 或 f转 换成数字量。其特点是工作速度较低但转换精度可以做得较高且抗干 扰性强。间接 a/d 转换器有单次积分型、双积分型等。 并行比较型a/d 转换器的特点 优点转换速度很快故又称高速 a/d转换器。含有寄存器的 a/d 转换器兼有取样保持功能所以它可以不用附加取样保持电路。 缺点电路复杂对于一个n 位二进制输出的并行比较型 a/d转 换器需2n -1个电压比较器和 2n -1 个触发器编码电路也随 n 的增大变 得相当复杂。且转换精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。 因此这种转换器适用于高速精度较低的场合。 逐次逼近型 a/d 转换器逐次逼近型模数转换器的分辨率较高、 误差 较低、转换速度较快是应用非常广泛的一种模数转换器。 双积分型a/d 转换器双积分型 adc 的转换原理是先将模拟电压 ui 转换成与其大小成正比的时间间隔 t再利用基准时钟脉冲通过计数器将 t 变换成数字量。 这种 a/d转换器具有很多优点。 首先其转换结果与时间 常数rc 无关从而消除了由于斜波电压非线性带来的误差允许积分电 容在一个较宽范围内变化而不影响转换结果。其次由于输入信号积分 的时间较长且是一个固定值 t1而 t2 正比于输入信号在 t1 内的平均值 这对于叠加在输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。最后这种 a/d 转换器不必采用高稳定度的时钟源它只要求时钟源在一个转换周期 2010 年毕业设计论文 (t1+t2)内保持稳定即可。这种转换器被广泛应用于要求精度较高而转换速 度要求不高的仪器中。 (2)a/d 转换器主要技术指标 分辨率 a/d转换器的分辨率以输出二进制(或十进制)数的位数来表示。 它说明 a/ d转换器对输入信号的分辨能力。 从理论上讲n 位输出的 a/d转换器能区 分2个不同等级的输入模拟电压能区分输入电压的最小值为满量程输入 的1/2n。 在最大输入电压一定时输出位数愈多分辨率愈高。 例如 a/d转 换器输出为 8位二进制数输入信号最大值为 5v那么这个转换器应能区 分出输入信号的最小电压为 9.53mv。 转换误差 转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它表示 a/d转换器实际 输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数 表示。 例如给出相对误差2lsb/2这就表明实际输出的数字量和理论上应 得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。 转换时间 转换时间是指a/d 转换器从转换控制信号到来开始到输出端得到稳 定的数字信号所经过的时间。a/d转换器的转换时间与转换电路的类型有 关。 不同类型的转换器转换速度相差甚远。 其中并行比较 a/d转换器的转换 速度最高8 位二进制输出的单片集成 a/d转换器转换时间可达到 50ns 以 内逐次比较型 a/d 转换器次之它们多数转换时间在 1050s 以内间 2010 年毕业设计论文 接a/d转换器的速度最慢如双积分 a/d转换器的转换时间大都在几十毫 秒至几百毫秒之间。 3.4.4 adc0809 adc0809 是采样分辨率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模数转换的 器件。其内部有一个 8 通道多路开关它可以根据地址码锁存译码后的信 号只选通8 路模拟输入信号中的一个进行 a/d转换。 (1)主要特性 1 8路输入通道8 位 a/d转换器即分辨率为8 位。 2 具有转换起停控制端。 3 转换时间为 100s。 4 单个+5v 电源供电。 5 模拟输入电压范围 0+5v不需零点和满刻度校准。 6 工作温度范围为-40+85 摄氏度。 7 低功耗约 15mw。 (2)内部结构 2010 年毕业设计论文 adc0809 是 cmos 单片型逐次逼近式a/d转换器内部结构如图所 示它由8 路模拟开关、 地址锁存与译码器、 比较器、 8 位开关树型 d/a转换 器、逐次逼近。 图 3.10 adc0809 内部结构图 (3)外部特性(引脚功能) adc0809 各脚功能如下 d7-d08位数字量输出引脚。 in0-in78 位模拟量输入引脚。 vcc+5v 工作电压。 gnd地。 ref(+)参考电压正端。 2010 年毕业设计论文 ref(-)参考电压负端。 starta/d转换启动信号输入端。 ale地址锁存允许信号输入端。 (以上两种信号用于启动a/d 转换). eoc转换结束信号输出引脚开始转换时为低电平当转换结束时为高 电平。 oe输出允许控制端用以打开三态数据输出锁存器。 clk时钟信号输入端(一般为500khz)。 a、b、c地址输入线。 图 3.11 adc0809 外部引脚图 (4)工作过程 首先输入 3位地址并使 ale=1将地址存入地址锁存器中。此地址 经译码选通8 路模拟输入之一到比较器。start 上升沿将逐次逼近寄存器 复位。 下降沿启动 a/d 转换之后 eoc 输出信号变低指示转换正在进行。 2010 年毕业设计论文 直到a/d转换完成eoc 变为高电平指示a/d转换结束结果数据已 存入锁存器这个信号可用作中断申请。当 oe 输入高电平 时输出三态 门打开转换结果的数字量输出到数据总线上。 adc0809 对输入模拟量要求信号单极性电压范围是 0-5v若信 号太小必须进行放大;输入的模拟量在转换过程中应该保持不变如若模 拟量变化太快则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线4 条 ale 为地址锁存允许输入线高电平有效。当 ale 线为高电平时地 址锁存与译码器将 abc 三条地址线的地址信号进行锁存经译码后 被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。 ab和c 为地址输入线用于 选通 in0-in7 上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。 表3-1 通道选择表 cba选择的通道 000in0 001in1 010in2 2010 年毕业设计论文 011in3 100in4 101in5 110in6 111in7 数字量输出及控制线11 条 st 为转换启动信号。当 st 上跳沿时所有内部寄存器清零;下跳沿时 开始进行 a/d转换;在转换期间st 应保持低电平。 eoc 为转换结束信号。 当 eoc为高电平时表明转换结束;否则表明正在进行 a/d转换。oe 为 输出允许信号用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据 。 oe=1输出转换得到的数据;oe=0输出数据线呈高阻状态。d7-d0 为数 字量输出线。 clk 为时钟输入信号线。 因adc0809 的内部没有时钟电路所需时钟 信号必须由外界提供通常使用频率为 500khzvref(+)vref(-)为参 考电压输入。 (5)adc0809应用说明 1 adc0809 内部带有输出锁存器可以与at89s51 单片机直接相连。 2 初始化时使 st 和 oe 信号全为低电平。 3 送要转换的哪一通道的地址到 abc端口上。 4 在 st 端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 5 是否转换完毕我们根据 eoc 信号来判断。 2010 年毕业设计论文 6 当 eoc 变为高电平时这时给 oe 为高电平转换的数据就输出给 单片机了。 2010 年毕业设计论文 3.4.5 a/d转换电路设计图 adc0809 参考电压 5v分辨率为 8 位in1 口从光强检测电路读取电 压信号。 工作后可测得电压3.119v-5.012v满足系统要求。 adc0809 将电 压信号转换成 8 路数字量后传给单片机。cd4013 做脉冲 4 分频电路将单 片机晶振频率分频后为 adc0809 提供工作信号。 图 3.12 a/d转换电路设计图 2010 年毕业设计论文 3.5 时钟电路 系统欲对电路进行节能控制需要在正确的时间段作出正确的判定 这点需要设计出精确的时钟电路作保证。在此系统选用了一款高精度的时 钟芯片ds12cr887其内部带有掉电保护、 夏令时、 闰年补偿以及闹钟功能 可保证本系统设计的时钟电路其误差每月只有一秒钟并且在掉电的状态 下最少也能准时间工作10 年它不但具有走时准确的功能而且还能够 准确的显示年月日星期。该模块可保证系统定时关灯以及分时段控 制的准时性。 3.5.1实时时钟工作原理 本时钟在上电工作时首先显示当前时间时、 分、 秒然后延时一段时间 后显示当前年、 月、 日并在设定的闹铃时间闹钟响应。 当用户需要调整年、 月、 日、 时、 分、 秒闹铃时可以按轻触按钮进行调节。 在掉电的情况下显示 屏上面没有显示但在时钟芯片ds12cr887 内部已经集成了可充电锂离 子电池其内部任然在不间断的工作中即时在掉电的情况下ds12cr887 至少也能工作十年所以当给单片机再次供电时单片机对 ds12cr887 进行读数据然后通过显示屏显示准确无误的时间。 3.5.2实时时钟芯片 ds12cr887 主要性能参数 (1)时钟芯片ds12cr887其引脚分布图如下所示 2010 年毕业设计论文 图 3.13 ds12cr887 引脚分布图 mot (1脚) 总线时序模式选择脚。接高电平选择motorola总 线时;序;接低电平或悬空择选择 intel 总线时序。 nc (2316202122脚)悬空脚。 ad0ad7(411 脚)地址/地址数据复用总线引脚。 cs(13 脚)片选脚低电平有效。 2010 年毕业设计论文 as(14 脚)地址锁存输入脚。下降沿时地址被锁存紧接着的上升 沿来时地址被清除。 r/w(15 脚)读/写输入脚。在选择 motorola 总线时序模式时此 引脚用于指示当前的读写周期高电平指示当前为读周期低电平指示当 前为写周期;选择 intel 中线时序模式时此引脚为低电平有效的输入脚 相当于通用ram的写使能信号(/we) ds(17 脚)选择 motorola总线时序模式时此引脚为数据锁存脚; 选择intel 总线时序模式时此引脚为读输入脚低电平有效相当于典 型的内存的输出使能信号(/oe) reset(18 脚)复位脚低电平有效复位不会影响到时钟、日历和 ram。 irq(19 脚)中断申请输出脚低电平有效可作为微处理器的中断 输入。 sqw(23 脚)方波信号输出脚。可通过设置寄存器位 sqwe 关断此信 号输出此信号的输出频率也可通过对芯片内部的寄存器编程予以改变。 vcc(24 脚)+5v 电源端。 (2)时钟芯片 ds12cr887其内存空间如下所示 2010 年毕业设计论文 0 13 14 49 50 51 127 地址 0x000x09 共 十个寄存器分别存放秒、 秒闹钟、 分、 分闹钟、 时、 时闹钟、 小时、 时闹钟、 星 期、 日、 月、 年和年信息地址0x32 为世纪信息寄存器(解决了千年问题);地 址 0x0a0x0dh共 4 个寄存器分别为寄存器a、 b、 c、 d它们用于控制 和寄存某些状态信息;其余的 113 字节地址空间是留给用户使用的普通地址 空间。 在所有的 128 字节中寄存器 c 和 d为只读寄存器寄存器 a的第 7 位属于只读位秒字节的高阶位也是只读的其余字节均为可直接读写字 节。 时钟日历信息可以通过读取合适的内存字节获得时钟、日历和闹 钟可以写合适的内存字节设置和初始化。对应时钟、日历和闹钟的 10个寄 00 0d 0e 31 32 33 7f 0秒 1 秒闹钟 2 分钟 3 分闹钟 4 时钟 5 时闹钟 6 星期 7 日 8 月 9 年 10 寄存器a 11 寄存器b 12 寄存器c 13 寄存器d 50 世纪 2010 年毕业设计论文 存器字节可以是二进制形式或者 bcd 码形式在写这些寄存器时寄存 器b 的 set 位必须置1。 寄存器a字节的内容如下。 msb lsb uip 更新标志位。为只读位且不受复位操作的影响为1 时表示 即将发生的数据更新;为0 时表示至少 244us 不会更新数据。当 uip 为 0 时可以获得所有时钟、 日历、 闹钟信息。 将寄存器b 中的set 位置 1可以 限制任何数据更新操作并且清除 uip 位。 dv2、dv1、dv0此 3 位为 010时将打开晶振并开始计时。 res3、 res2、 res1、 res0用于设置周期性中断产生的时间周期和输 出方波的频率。 寄存器b 字节的内容如下。 msb lsb set设置位可读写不受复位操作影响。 为 0 时不处于设置状态 uip dv2 dv1 dv0 rs3 rs2 rs1 rs0 set pie aie uie sqw e d m 24/12 dse 2010 年毕业设计论文 芯片进行正常时间数据更新;为 1 时抑制数据更新可以通过程序设定时 间和日历信息。 pie周期性中断使能位可读写复位时清除此位。为 1时允许寄存器 c 中的周期中断标志位pf驱动/irq引脚为低产生中断信号输出中断信 号产生的周期由 rs3re0 决定。 aie闹钟中断使能位可读写。 为1 时允许寄存器 c 中的闹钟中断 标志位af、闹钟发生时就会通过/irq引脚产生中断输出。 uie数据更新结束中断使能位可读写。 复位或者set 位为 1 时清除 此位。为1 时允许寄存器 c 中的更新结束标志 uf更新结束时就会通 过/irq引脚产生中断输出。 sqwe方波使能位可读写复位时清除此位。为 0 时sqw 引脚 保持低电平;为1 时sqw 引脚输出方波信号其频率由 rs3rs0 决定。 dm数据模式位可读写不受复位操作影响。为0 时设置时间、 日历信息为二进制数据;为 1 时设置为 bcd 码数据。 24/12时间模式设置为可读写不受复位操作影响。为0 时设置 为12 小时模式;为 1 时设置为24 小时模式。 dse为 1时会引起两次特殊的时间更新;4 月的第一个星期日凌晨 15959 会直接更新到 3000010 月的最后一个星期日凌晨 159 59会直接更新到10000;为 0 时时间信息正常更新此位可读写不 受复位操作影响。 寄存器 c 字节内容如下。 2010 年毕业设计论文 msb lsb iqrf中断申请标志位。为 1 时/irq引脚为低产生中断申请。当 pf、 pie 为 1 时或者af、 ate 为 1或者 uf、 uie 为 1时此位为 1否则置 0. pf中期中断标志位。为1 时它是只读位和pie 位状态无关由 复位操作或者寄存器c 操作清除。 af闹钟中断标志位。为1 时表示当前时间和闹钟设定时间一至 由复位操作或读寄存器 c 操作清除。 uf数据更新结束中断标志位。 每个更新周期后此位都会置1当uie 位位置1 时uf 若为1 就会引起 irqf 置 1将驱动/irq引脚为低电平 申请中断。此位由复位操作或读寄存器 c 操作清除。 寄存器 d字节的内容如下。 msb lsb vrtram 和时间有效位。用于指示和 vbat 引脚连接的电池状态。 irqf pf af uf 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2010 年毕业设计论文 此位不可写也不受操作为影响正常情况下读取时总去为 1如果出现 读取为0 的情况则表示电池耗尽时间数据和 ram中的数据就会出现 问题。 芯片 ds12cr887 的 113 字节普通 ram空间为非易失性 ram空间 他不专门用于某些特别功能而是可以在未处理器程序中作为非易失性内 存空间使用。 3.5.3时钟电路设计图 从图上可看到 ds12cr887 与单片机 1连接其产生的时钟信号为单片 机提供输出控制的依据。系统用了两块 at89s52 单片机单片机1 负责晚 间照明节能控制即当日 1900 至次日600 时间段。系统将所控制的电 灯进行分类编组每三盏灯为一组19002200工作于模式 1此 时将三盏灯都开启;2200凌晨 100 工作于模式 2此时开启两盏灯; 凌晨100凌晨 600 工作于模式3此时只开启一盏灯。以此达到节 能效果。 2010 年毕业设计论文 图3.14 时钟电路设计图 2010 年毕业设计论文 3.6 at89s52 单片机 at89s52单片机本控制器的核心节能效果就是用它控制软件来实现 的。 at89s52 单片机是一种低功耗高性能的cmos8 位微控制器内置8kb 可在线编程闪存。该器件采用 atmel 公司的高密度非易失性存储技术生产 其指令与工业标准的80c51 指令集兼容。片内程序存储器允许重复在线编 程允许程序存储器在系统内通过 spi 串行口改写或用同用的非易失性存 储器改写。 通过把通用的8 位 cpu 与可在线下载的 flash 集成在一个芯片上 at89s52 便成为一个高效的微型计算机。它的应用范围广可用于解决复 杂的控制问题且成本较低。其结构框图如图所示。 2010 年毕业设计论文 图3.14 at89s52 结构框图 3.6.1 at89s52 单片机相关介绍 (1)at89s52单片机特性 at89s52的主要特性如下 兼容 mcs51 产品 2010 年毕业设计论文 8k字节可擦写1000 次的在线可编程 isp 闪存 4.0v到5.5v 的工作电源范围 全静态工作0hz 24mhz 3级程序存储器加密 256字节内部 ram 32条可编程i/o线 3个 16 位定时器/计数器 8个中断源 uart串行通道 低功耗空闲方式和掉电方式 通过中断终止掉电方式 看门狗定时器 双数据指针 灵活的在线编程(字节和页模式) (2)at89s52引脚功能 2010 年毕业设计论文 图3.15 at89s52 封装引脚图 按照功能at89s52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多 功能i/o口、控制和复位等。 多功能 i/o口 at89s52共有四个 8 位的并行 i/o口p0、 p1、 p2、 p3 端口对应的引脚 分别是p0.0 p0.7p1.0 p1.7p2.0 p2.7p3.0 p3.7共 32 根 i/o线。 每根线可以单独用作输入或输出。 p0 端口该口是一个 8位漏极开路的双向 i/o口。 在作为输出口时每 根引脚可以带动 8个ttl 输入负载。当把“1”写入p0 时则它的引脚可用 作高阻抗输入。当对外部程序或数据存储器进行存取时p0 可用作多路复 用的低字节地址/数据总线在该模式p0 口拥有内部上拉电阻。在对 flash 存储器进行编程时p0 用于接收代码字节;在校验时则输出代码字 节;此时需要外加上拉电阻。 p1 端口该口是带有内部上拉电阻的8 位双向 i/o端口p1 口的输出 2010 年毕业设计论文 缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4 个 ttl 输入。对端口写“1”时通过 内部的上拉电阻把端口拉到高电位此时可用作输入口。p1 口作输入口使 用时因为有内部的上拉电阻那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电 流。在对 flash 编程和程序校验时p1 口接收低 8位地址。 另外p1.0 与 p1.1 可以配置成定时/计数器2 的外部计数输入端 (p1.0/t2)与定时/计数器 2 的触发输入端(p1.0/t2ex)如表 3-2所示。 表 3-2 p1口管脚复用功能 端口引脚复用功能 p1.0t2(定时器/计算器 2 的外部输入端) p1.1t2ex(定时器/计算器 2 的外部触发端和双向控制) p1.5mosi(用于在线编程) p1.6miso(用于在线编程) p1.7sck(用于在线编程) p2端口该口是带有内部上拉电阻的 8位双向 i/o端口p2 口的输出 缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个 ttl 输入。对端口写“1”时通过 内部的上拉电阻把端口拉到高电位此时可用作输入口。p2 口作输入口使 用时因为有内部的上拉电阻那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电 流。 在访问外部程序存储器或 16 位的外部数据存储器(如执行 movx dptr 指令)时p2 口送出高 8位地址在访问 8位地址的外部数据存储 器(如执行movx ri 指令)时p2 口引脚上的内容(就是专用寄存器 (sfr)区中p2寄存器的内容)在整个访问期间不会改变。 在对flash 编程和 2010 年毕业设计论文 程序校验期间p2 口也接收高位地址或一些控制信号。 p3端口该口是带有内部上拉电阻的 8位