[信息与通信]智能照明系统.doc

目 录摘要3Abstract4第一章 节能照明控制61.1.1节能照明61.1.2新型智能化控制系统61.2照明控制的策略与方式71.2.1照明控制的策略71.2.2照明控制的方式81.3课题意义及主要内容8第二章 智能节能控制器设计方案92.1.1智能节能照明控制器可以实现的功能92.1.2控制器设计原理92.2系统框图及工作原理92.2.1智能节能控制器的开关功能102.2.2智能节能控制器软启动和软关闭功能的实现102.2.3智能节能控制器实现自动定时降压功能102.2.4可以实现以上各功能的固态继电器112.2.5智能节能控制器实现根据环境开/关灯功能12第三章 硬件设计133.1单片机在智能照明控制中的应用133.1.1引言133.1.2单片机的应用领域和应用模式133.1.3单片机外部存储器系统扩展图143.1.4显示器接口电路设计153.1.5键盘接口电路设计163.2固态继电器的硬件设计193.2.1固态继电器概述193.2.2固态继电器原理及应用203.2.3技术及特点203.2.4 固态继电器的使用注意事项213.2.5 SSR的开关特性213.2.6 主要参数与选用223.2.7 8098与继电器的接口原理图及其应用电路233.3波形调制环节硬件设计243.3.1调压元件组成及应用的规则243.3.2晶闸管调相调压原理273.3.3三相调压输出波形分析273.3.4结论333.4光控环节34 3.5系统工作原理343.5.1系统内外引线实现图343.5.2定时节能的实现37第四章 软件设计384.1 软件总框图384.2定时器/计数器T0、T1的工作方式394.3本设计中的部分程序404.3.1计算机发出同步触发脉冲程序404.3.2 24小时时钟程序41参考文献47后记48摘 要随着经济的发展和社会的进步，城市建设的现代化己经成为各大城市进行城市规划的首选课题。道路照明的现代化进程也随着城市建设的现代化发展而被提到了日益重要的位置，智能化控制系统已经成为当前道路照明的必然发展趋势。城市的快速发展使道路照明的规模不断扩大，而越来越高的安全性要求也对道路照明的亮度设计提出了更高的要求，这些都将导致道路照明的用电量急剧增加。寻找降低能耗节约能源的途径也已经成为道路照明设计的首要内容。由此，我们从节约能源和智能化控制两个方面来看当前道路照明的发展状况和趋势。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The Intellect And Energy Saving Control System for LightingAbstract With the rapid development of electronic technology, the system of control based on Single-chip Microcomputer 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 intelligent 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 communications. 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 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 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 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 off 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 controller, Auxiliary controller, Single-chip microcomputer, Wired communication, Wireless data transmitting, controlling brightness of lighting, Timed controlling第一章 节能照明控制1.1.1 节能照明虽然对磁芯进行了优化设计的节能电感镇流器可以达到较好的节能效果，但这还远远不能满足我们对节约能源的要求。通过采用功率变换控制方案，除了优化镇流器和电子触发器本身的设计，主要在光源运行的方式上进行改进，达到了很好的节能效果。采用这种方案设计的节能电感镇流器可使气体放电光源在车少人稀的时候运行在 60% 的额定功率处，并由此达到节能目的。其中变换控制器电路采用单片机实现，不仅可以单独运行使用，也可通过由下面将提到的智能化控制系统控制运行。采用了镇流器的道路照明设计，可达到30%左右的节能效果，同时又因其价格低廉、寿命长（可达20年以上）、抗电网波动能力强的优点，这种功率变换型节能电感镇流器已经得到越来越多的照明设计师和研究人员的青睐。此外，由于减少了光源和镇流器满负荷运行的时间，使它们的有效寿命也得到了提高。1.1.2新型智能化控制系统传统智能化路灯控制系统己在我国无锡、南京、昆山等多个地区先后得到应用，从最早的试验性应用到现在的趋于智能化路灯控制系统应用了计算机智能化信息处理技术、无线通讯技术、扩频电路的成熟已经有了十多年的运行记录，其现代化的管理运行方式已经越来越多地受到人们的关注。新型力载波通讯技术及功率变换控制技术等现代化技术，除了保持了传统智能化系统的基本功能，能够实现对路灯的实时监测和控制，有效保证每盏路灯的正常运行外，其稳定性、安全性和智能化程度有了很大的提高，而其特有的节约能源的功能更使其成为现代道路照明的发展方向。新型智能化路灯控制系统系统由控制中心、若干个执行终端、路灯前端控制器和主从天馈线系统组成。控制中心包含计算机系统、无线数传电台和辅助设备等；执行终端由CPU 主板、通讯接口板和专用无线数传电台、信息采集部件等部分组成；路灯前端控制器包含控制芯片、通讯接口板、功率变换控制器等部件。控制中心与执行终端之间采用无线通讯的方式连接，而执行终端与路灯前端控制器之间可以采用有线通讯或扩频电力载波通讯方式连接。控制中心可实时控制每盏路灯的工作状态，包括开、关、故障及节能运行等。控制中心的主要功能是系统管理、系统维护、统计查询、资料管理、故障收集并报警、打印报表等。它通过无线通讯向执行终端发送控制命令，这些控制命令可以设定路灯的开关时间、节能运行的方式和开启时间、运行状态检测的时间间隔等。通过从执行终端获取的反馈信息，控制中心可以知道每盏路灯的工作状况及当时的环境照度状况，并对此自动做出反应。控制中心的操作系统既可以根据预设参数对执行终端自动进行控制，也可由工作人员手工操作。所有的信息都将在控制中心的微机系统中保存，以备定期进行系统性能分析。智能执终端以单片机为核心，具有智能化的执行能力，可根据控制中心的命令完成环境信息的采集和对路灯前端控制器的控制，包括路灯的开关和节能运行等。前端控制器可根据执行终端的控制信号进行开关或者节能运行。它既可以根据执行终端对它的预设值进行工作，也可以随时接收新的控制信号。它的运行情将通过执行终端反馈到控制中心。这套智能化照明系统的各种运行模式既可以由控制中心根据获得的实时环境信息人工或自动地遥控，也可以通过控制中心提前对执行终端和前端控制器进行工作参数预置。这种引入节能理念的新型智能化路灯控制系统随着对城市亮化工程的质量和现代化水平要求的提高，尤其是随着绿色照明概念的提出，在不久的将来必将在越来越多的城市得到推广使用。将系统的配置进行相应的改变，这种智能化照明系统也可以应用于其他很多照明场合，包括楼宇照明、景观照明、火车站和体育场馆照明等等。新的照明技术和理念正被照明设计师和研究人员应用到道路照明设计中去。摈弃传统方式的不足之处，代之以智能化控制、绿色照明的高科技方式，是道路照明的必然趋势。1.2照明控制的策略与方式照明控制从最初的手工开关控制，发展到利用定时元件、传感器等的开关控制；从电位器调光，发展到利用可控硅或晶闸管的相控调光器，以及正弦波调光器来进行调光控制。然而所有的这些照明控制方式是在于实现对灯进行开关、调光这一层次上的，靠单一的照明控制方式很难灵活方便地实现现代智能建筑对所需营造的光环境的要求，特别是在多功能用房实现其不同功能时，营造不同光环境的要求。随着计算机与计算机网络的迅速发展，在生产过程控制领域，现场总线技术成为当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。现场总线技术使自控系统与设备具有了数字通信能力，把它们连接成网络系统，具有分布式智能，共同完成控制任务，同样，在照明控制领域也需要各智能化的照明控制设备连接成网络系统，能彼此通信，共同完成照明控制任务。1.2.1照明控制的策略根据智能建筑不同空间的使用情况，照明控制可采用以下几种策略：1时间表控制分为可预知时间表控制和不可预知时间表控制两种。在每天的使用内容及使用时间没有很大变化的场所，应采用可预知时间控制策略。采用定时控制方式来满足活动要求，适用于定时营业的百货商场或者标准工作时制的办公厂房等地方。根据美国LUNL0N公司的统计资料，这种控制策略可节约50的能源。在每天的使用内容及使用时间经常发生变化的场所，应采用不可预知时间表控制策略。2维持光通量的控制 由于光环境的照明按灯具最小维持光通量进行设计，在灯具初装时，新灯具的光通量要超过最小维持光通量的2050，所以智能建筑中，应当采用维持光通量的控制策略，通过减少输入电能，仅使灯具工作在最小维持光通量水平。维持光通量的控制策略可利用感光元件接收空间的光环境信息，采用调光控制方式，调节灯具的光输出，始终使灯具光通量保持最小维持水平。采取这 种控制策略，使灯具在整个工作期间，既满足了照明要求，同时也节约了电能。3按活动要求提供照明的控制策略一般照明方式不必提供整个工作空间活动所需的照明，只需要提供较少的照明，例如走道等处所需的基本照明+空间活动所需的照明可设局部照明提供，这种控制策略可以突出空间层次感，同时也节约了能源。4引入自然光的控制策略自然光的引入可以提供一部分所需照度，减少人工照明的使用，节约一部分能源。同时，在某些智能建筑的中庭空间利用光导管将自然光引入室内，能使室内空间更加活泼自然。5降低照明负荷的控制策略随着智能建筑的增多，用电负荷的需求量也大大增加，在负荷的高峰期，卸载一部分照明负荷可以缓解电能的紧张程度照明负荷的降低直接减少了电能的消耗，降低照明负荷的控制策略应当采用一种连续能量管理系统，使照明水平缓慢地下降，不至于造成人们视觉的不适应感。1.2.2照明控制的方式适当的照明控制方式是实现舒适照明的有效手段，也是节能的有效措施照明控制方式主要有两种：开关控制和调光控制。 1.跷板开关控制方式该方式用跷板开关控制一套或几套灯具，这是目前采用得最多的控制方 式。但该控制方式线路繁琐、维护量大、线路损耗多，很难实现舒适照明的要求。2.断路器控制方式该方式以安装在配电箱内的断路器来控制一组灯具。但该方式不灵活，在节能方面效果差。灯具同时开关，照度发生突变，很难满足特定环境下的照明要求。 3.定时控制方式该方式是利用定时元件来控制灯具的开关，可根据使用空间的工作内容和工作情况定制时间表，在工作时段开启灯具，非工作时段关闭灯具，根据某一天的时间来确定定时控制表。4.光电感应传感器开关控制方式该方式是利用感光元件(光电池或光敏电阻)来检测环境的照度或亮度情况，根据预先设定的照度值或亮度值，控制灯具的开关。1.3课题意义及主要内容现今照明系统中，高压汞灯，高压钠灯，金属卤化灯等专用灯具，其功率较大，所以用于港口码头，体育场馆及市政道路等场所。但由于这些场所面积较大，路线长，照明系统灯具多，这为控制和管理造成了一定难度，再加上夜间电压往往偏高，极易烧毁灯具，特别是天亮后不及时关灯，形成长明灯的局面，致使资源大大地浪费。这就需要一种智能的照明控制系统，以达到无人看管，又节能，且能限制输出电压以延长灯具使用寿命，减小维护工作量及维修成本的目的，因此，需要配备性能完善的智能照明控制器。本论文提供了一套满足以上要求的智能节能照明控制器的设计方案。其主要功能包括：定时开灯关灯，根据周围环境亮度光控开灯关灯，软启动，自动定时降压功能。第二章 智能节能控制器设计方案本章主要根据智能节能控制器的设计要求做出设计思路，并提供设计方案。首先给出了系统总框图，然后对各主要部分做出简单的叙述。在以后的章节会对这些部件做出详细的讲解2.1.1智能节能照明控制器可以实现的功能1.可以定时开灯、关灯，外部停电对时钟无影响。2.可以根据环境亮度，光控开灯、关灯。3.自动稳定输出电压。延长灯具使用寿命。4.启动开灯，软启动关灯功能。避免电压变化对灯具的冲击。5.定时降压，降压值连续可调。在设定时间内降压，可以节能照明控制器设计目的及要实现的功能。2.1.2控制器设计原理智能节能照明控制器是以微处理器技术和现代电力电子技术为基础开发的性能卓越的产品。它的控制核心是采用微处理技术，外围电路采用全数字化器件，在软硬件设计上采用了抗干扰措施。核心元件采用工业大功率继电器SSR，采用波形调制技术事项节电（即降低灯具的方均根功率，而电压峰值保持不变）。它对光强时间实时监测，从而实现定时开关灯，光控开关灯，软启动软停止，稳压定时降压功能。所以该产品能够节能延长灯具使用寿命。2.2系统框图及工作原理 图2-1系统框图系统框图见上图2-1，根据智能节能控制器的各项要求，本系统的设计方案如下：8098单片机是系统的核心。操作人员通过键盘来实现定时开关灯，定时降压及是否需要光敏电路等。负载电路通过单片机来控制固态继电器（SSR）以实现开关等功能。数据存储器用来存放光敏电路采集到的数据，然后通过单片机的处理后可发出各种指令。程序存储器用来存放预先设置好的程序。这些有一部分可以通过LED来显示。光敏电路可实时对环境亮度进行监测，单片机根据接收到的数据进行处理做出反应。2.2.1智能节能控制器的开关功能负载电路中的开关功能由固态继电器来实现。因为固态继电器具有以下特点：控制功率小，只需输入很小工作电流便能正常工作，其输出部分采用大功率晶体管或可控硅元件来控制，接通或断开电源和负载，具有很大的功率放大的作用。其输入控制端与输出端，用光电耦合隔离，所需要的控制驱动电压低电流小，非常容易与计算机控制输出接口。下图2-2为8051单片机I/O口线与固态继电器接口电路。图2-2 8051单片机I/O口线与固态继电器接口电路当8051的P1.0线输出低电平时，SSR输出相当于开路；而P1.0输出高电平时，SSR输出相当于通路（相当于开关闭合），电源给负载加电，从而实现开关量控制。带光电隔离的固态继电器的输出端可控硅作为开关，控制大电流电路的通/断。2.2.2智能节能控制器软启动和软关闭功能的实现根据设计要求，系统必须实现软启动，软关闭的功能。软启动是利用电力电子技术，自动控制技术和计算机技术，将强电和弱电结合起来的控制技术。系统应用软启动技术后，在给电以后，负载端电流会按一定曲线缓慢上升，从而有效保护负载。就本设计来说，导通缓慢逐渐上升，使得路灯的亮度逐渐增加，可以延长路灯使用寿命，又可以保护人眼不被突然的强光刺激。软起动可分为有级和无级两类，前者的调节是分档的；后者的调节是连续的。这里的软启动为连续调节的，即以晶闸管（SCR）为限流器件的晶闸管软起动。其主要结构是一组串接于电源与负载之间的三相双向可控硅及其子电路。利用晶闸管移相控制原理，控制双向可控硅的导通角，使被控负载的输入电压按不同要求变化，从而实现不同的启动功能。启动时，使晶闸管的导通角从0开始，逐渐前移，负载端电压从零开始，逐渐前移，按预设函数关系逐渐上升，直至达到系统要求。软关闭的实现与软开启刚好相反。2.2.3智能节能控制器实现自动定时降压功能自动定时降压功能：由于不同时间所要求的照明亮度不同，所以在设定的时间内减低输出电压，可以起到节能效果，同时延长灯具寿命，又不影响使用要求。对晶闸管进行相控可以方便地进行整流和单相交流调压控制。而晶闸管用于三相调压。三相晶闸管交流调压是利用改变晶闸管的控制角，来改变三相输出交流电压的有效值，实现交流调压的方法。这种降低灯具的均方根功率，而峰值电压保持不变的方法被称为“波形调制技术”。下图2-3为其图形：图2-3波形调制图1、三相交流调压控制角的控制范围是0150， =0时输出电压最高，为全电压。=150时输出电压最低，三相输出0电压。 2、当控制角由0渐增到60时，各晶闸管的导通角由180随控制角的增加渐减到120：当控制角在6090以后，晶闸管的导通角将随的增大而渐由120减小。 3、应特别指出的是，在90以后，在晶闸管的导通角区内将出现电流的间断区。若触发信号不能保证各晶闸管在导通区内处于导通状态，则当90之后三相调压的输出将出现不对称现象，使输出电压不稳定，同时会含有直流分量，这种情况称之为三相调压失败，这个三相调压控制的特点是国内许多三相调压器，不能实现宽范围三相无中线电路调压的重要原因。4、通过对三相无中线电路调压过程的分析，特别是通过对晶闸管正向电压的图解分析，可知在三相调压过程中，各晶闸管正常工作过程中承受到的最大峰值电压为1.5uP = 3/2UP。式中UP为输入相电压的有效值。在故障状态，一个晶闸管击穿短路时，各晶闸管可能承受的最高峰值电压为UP。2.2.4可以实现以上各功能的固态继电器综上，本设计方案采用的是结合了开关控制功能与软启动功能的固态继电器：软启动型固态继电器。一旦这种固态继电器输入端加入信号后，便可通过内部电路使输出端负载电压导通角逐渐变大直到完全导通。软启动固态继电器消除了零开通，自由开通，峰值开通及整波形开通时可能发生的过大浪涌电流问题。它将浪涌电流扩展到很多个周波上，这样既减少了冲击，也防止了巨大饱和电流的发生。至于SSR的工作原理，将在第三章作详细说明。2.2.5智能节能控制器实现根据环境开/关灯功能根据环境开灯关灯是为了避免公共场所天亮后不及时关灯，造成长明灯的局面，浪费了很多的资源。为了解决这个问题我们设计了光敏控制电路。 这个电路可根据环境亮度的强弱向单片机发出请求控制灯点亮熄灭。光敏电路并不串联进负载电路，而是与单片机输入控制端相连。当环境亮度低于或高于某一特定值时，光敏电路导通，将采集到的数据送单片机处理，CPU输入控制端接收到信号后，经过其内部必要的运算处理，再决定发给负载电路信号，最后SSR按要求执行指令，以达到控制灯的目的。第三章 硬件设计3.1单片机在智能照明控制中的应用3.1.1引言随着微电子技术的不断发展单片机的应用越来越广，照明控制技术面临革命性的变革，主要有三大趋势：电子化，网络化，集成化。传统的照明是动力线按需分线用机械开关通，断电源。这样系统固定后无法再改动，若要实现复杂的控制要求就更难，而随着大量智能楼寓的推出管理人员和住户对照明系统提出了许多个性化要求，这就需要有新的照明控制技术的引进。传统照明的特点是动力线与控制线重叠，不存在控制信息流的概念，改进方法之一是使动力线与控制线分离即另行铺设控制信号线。3.1.2单片机的应用领域和应用模式单片机的应用，首先应是它的控制功能，即在于：实现计算机控制。而在线控应用方面，由于计算机身处系统之中，因此对计算机有体积小、功牦小、成本低、价格廉以及控制功能强等要求，对这些要求真可谓是非单片机莫属了。 按照所使用单片机的类型不同，单片机应用系统结构可分成总线方式和非总线方式。在总线方式的应用系统中，单片机都具有完善的外部扩展总线，如并行总线(AB、DB、CB），串行通信总线(如UART)。通过这些总线可方便地扩展外围单元、外设接口等。采用总线方式的应用系统多属较复杂的工控系统、智能仪表、监测系统，或满足这些应用而构成的多机与网络系统。总线方式的单片机在不使用外部并行总线时，外部并行总线引脚可作为I/O口用。在掩膜用户程序时，还可要求将这些I/O口改造成具有各种驱动能力的I/O口，非总线方式的应用系统(如80C5l系列中的83C751、87C751，83C752、WC752，Motorola的MC68HC05系列中的许多产品)省去了外部并行总线，可构成各种小封装芯片，有限的引脚可提供更多的用户I/O口，以使应用系统的芯片数量最少。采用非总线方式的应用系统多属于小型控制器、测控单元、单元仪表等。现在单片机的应用日益广泛，以下大致介绍些典型的应用领域和应用特点1 家用电器领域 目前国内各种家用电器已普遍采用单片机控制取代传统的控制电路，做成单片机控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉，电饭煲、电视机、录像机及其它视频音像设备的控制器。2 办公自动化领域 现代办公室中所使用的大量通信、信息产品多数都采用了单片机，如通用计算机系统中的键盘译码，磁盘驱动、打印机、绘图仪、复印机、电话、传真机及考勤机等。3 商业营销领域 在商业营销系统已广泛使用的电子秤、收款机、条形码阅读器、仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保鲜系统等中。目前已纷纷采用单片机构成专用系统，主要由于这种系统有明显的抗病菌侵害、抗电磁干扰等高可靠性能的保证。4 工业自动化 如工业过程控制、过程监测、工业控制器及机电体化控制系统等，这些系统除一些小型工控机之外，许多都是以单片机为核心的单机或多机网络系统。如工业机器人的控制系统是由中央控制器、感觉系统、行走系统、擒拿系统等节点构成的多机网络系统。5 智能仪表与集成智能传感器传统的控制电路 目前各种变送器、电气测量仪表普遍采用单片机应用系统替传统的测量系统，使测量系统具有各种智能化功能，如存储、数据处理、查找、判断、联网和语音功能等。 将单片机与传感器相结合可以构成新一代的智能传感器。它将传感器初级变换后的电量作进一步的变换、处理，输出能满足远距离传送、能与微机接口的数字信号。例如，将压力传感器与单片机集成在一起的微小型压力传感器可随钻机送至井下，以报告井底的压力状况。6 汽车电子与航空航天电子系统通常在这些电子系统中的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驭系统、通信系统以及运行监视器(黑匣子)等，都要构成冗余的网络系统。从上述可以看出，单片机应用的意义绝不限于它的功能以及所带来的经济效益上，更重要的意义在于，单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。这标志着一种全新概念的建立。随着单片机应用技术的推广普及，微控制技术必将不断发展、日益完善、更加充实。3.1.3单片机外部存储器系统扩展图外部存储器的扩展：8098单片机仅有256个字节的片内RAM，不可能存放程序，也难以存储大量数据。因此要为8098单片机系统配置相应的片外存储器，即数据存储器和程序存储器。见下图3-1：图3-1外部存储器的扩展（1） 程序存储器EPROM的扩展 由于8098片内没有EPROM，故8098单片机需要外扩一片EPROM2764（8K字节）。在P0口送出的低8位地址时，地址由信号ALE的下降沿控制锁存到锁存器中，高5位由P2.0P2.4提供，锁存器采用74LS373锁存器，控制端直接与ALE相连。则程序存储器读选通信号PSEN控制EPROM2764的输出允许端OE。（2） 数据存储器的扩展8098单片机内RAM为128个字节，因其容量不能满足设计要求，故本机扩展8K字节静态RAM6264一片用于数据采集与处理进程使用。3.1.4显示器接口电路设计随着大量电子仪器、设备的智能化,并且普遍地采用人机交互方式,需要能够显示更为丰富的信息和通用性较强的显示器,而点阵式LCD显示器能够满足这些要求,同时用大规模专用集成电路作为点阵LCD控制驱动,使用者仅仅直接送入数据和指令可实现所需的显示。这种由LCD 板、PCB 板、控制驱动电路组成的单元叫做点阵液晶显示模块( DOT MATRIC LCD MODULE )。本系统采用了上海恒方电子有限公司生产的字符型LCD模块.其性能如下：重量轻:100g;体积小:11mm厚;功耗低:10 - 15 mw;显示内容:192种字符(57点字型); 32种字符(510点字型); 可自编8(57)或4(510)种字符;指令功能强:可组合成各种输入、显示、移位方式以满足不同的要求;接口简单方便:可与8位微处理器或微控制器相联;工作温度宽:-20 - 70;可靠性高:寿命为50,000小时(25)。基本原理：1.液晶板在液晶板上排列着若干57或510 点阵的字符显示位,每个显示位可显示1个字符,从规格上分为每行8,16,20,24,32,40位,有一行,两行及四行三类。2.工作电路图3-2是字符型模块的电路框图,它由HD44780,HD44100及几个电阻电容组成。HD44106666是扩展显示字符位用的(例如:16字符1行模块就不用HD44100,16字符2行模块就要用1片HD44100)。 图3-2 字符型模块电路框图 接口方面,有8条数据线,三条控制线。可与微处理器或微控制器相连,通过送入数据和指令,就可使模块正常工作.电参数见表3-1：名 称符 号测 试 条 件标 准 值单位MINTYPEMAX输入高电平VIH-2.2VDDV输入低电平VIL-0.30.6V输出高电平VOHIOH = 0.2mA2.4-V输出低电平VOLIOL = 1.2mA-0.4V工作电流IDDVDD = 5.0V2.0mA液晶驱动电压VDD - VEETa = 0C4.9VTa = 25C4.7Ta = 50C4.5表3-1电参数模块引脚功能见表3-2：引 线 号符 号名 称功 能1Vss接地0V2VDD电路电源5V10%3VEE液晶驱动电压保证VDD-VEE=4.55V电压差4RS寄存器选择信号H:数据寄存器 L:指令寄存器5R/W读/写信号H:读 L:写6E片选信号下降沿触发,锁存数据7|14DB0|DB7数据线数据传输表3-2模块功能引脚3.1.5键盘接口电路设计键盘接口电路由键盘扫描电路、弹跳消除电路、键盘译码电路、按键数据寄存器，加上外接的一个4X4矩阵键盘所组成见下图3-3。图3-3键盘接口电路矩阵式键盘的工作原理：矩阵式键盘采用常用的格式，4x4矩阵键盘的面板配置键盘上的每一个按键是一个开关电路，当某键被按下时，该按键的接点会呈现逻辑0的状态，未按下时则呈现逻1状态。扫描信号由KY3-KYO进入键盘(见下图).变化的顺序依次是1110-1101一10110111一1110。每次扫描一排，依序地周而复始。例如现在的扫描信号为、101，代表目前正在扫描“4, 5;, -6;、c:,这一排按键，如果这排当中没有按键被按下的话，则由KX3-KXO读出的值为11111反之，当+6按键被按下时，则由KX3-KXO读出的值为1101,同理可列出其它按键与数码的关系。见下表3-3。表3-3按键与数码关系图扫描电路的作用是用来提供键盘扫描信号(表3-3中的Ky3-KY0)的电路，扫描信号变化的顺序依次为1110一1101一1011一01111110，周而复始。扫描时依序分别扫描四列按键，当扫描信号为1110时，扫描KY0这一排按键。当扫描信号为101时，扫描KYZ这一排按键。当扫描信号为1011时。扫描KYI这一排按键。当扫描信号为OUI时，扫描KY0这一排按键。每扫描一排按键，就检查一次是否有按键被按下，如果这排没有按键被按下就忽略.反之，如果出现被按下的键则立即进行按键盘编码的动作，且将编码的结果存储于寄存器中。因为按键采用机械式开关结构，在开关切换的瞬间会在接触点出现来回弹跳的现象.对于激活关闭一般电器如开关日光灯、电视等一股电子用品，并不会有何影，但对于灵敏度较高的电路，这种弹跳现象却可能造成误动作而影响到正确性。图3-4可说明弹跳现象产生的原因，虽然只是按下按键一次然后放掉，然而实际产生的按键信号却不只是跳动一次，经过取样的检查后，将会造成误判了两次。图3-4 弹跳现象产生图图3-5 消除弹跳后图因此必须加上弹跳消除电路，避免误操作信号的发生。注意，弹跳消除电路所使用的脉冲信号的频率必须比其它电路使用的脉冲信号频率更高:通常将扫描电路或每个LED显示电路的工作频率定在24HZ左右，将弹跳消除电路的工作频率定在125HZ左右，两者的工作频率是通常的4倍或更高。先将按键信号引至KEY脚，其中CLK是电路的时钟脉冲信号(作为取样信号，约为8ms左右)。KEY信号经过两级的D触发器延迟后，然后再用RS触发器处理。此处RS触法器连接与非门的原则是:1.一般人的按键速度至多是10毫秒.即一次按键时间是10ms，按下的时间可估算为50 ms。以取样信号CLK频率为10ms，则可取样到6次.2.对于不确定的嗓声在4 ms以下，则至多可取样一次。3.上迷R5触发器之前接上AND-NOT后，SR的组态只有如下图3-6的形式：图3-6 SR组态图即DOD1=11时，SR=10,所以认定已是稳定按下按键。当DODI=00时，SR=01,所以认定已是稳定放开按键.DLY OUT-I.表示KEY信号能被取样到连续两次1,DLY OUTS.表示KEY信号能被取样到连续两次。当DOD1=10以及i0Dt=01时，SR=00,在此电路基础上在组合一个微分电路，目的是让每一次对按键反应的时间长度都维持在一个脉冲波形的时间长度.3.2固态继电器的硬件设计3.2.1固态继电器概述固态继电器(Solid State Relay)是国外70年代发展起来的一种新型的与逻辑电路及半导体电路兼容的固态继电器，它是传统的电磁式继电器及电磁式接触器的更新换代产品。固态继电器的绝缘及开关功能完全依靠电、磁及半导体的光电特和电子元件来完成。 20多年来，固态继电器虽然渗透到电磁式继电器和电磁式接触器的大部分应用领域，但仅在一小部分领域能完全取代。固态继电器主要应用于工业控制系统领域，尤其是过程控制、机械加工控制、能量管理控制等。固态继电器可以控制电动机、灯泡、加热器、电磁阀及变压器等多种负载。其典型应用范围为：温度控制、电梯控制、交通控制、分配机械、导航设备、仪表系统、保安系统、防火及报警系统、灯光显示控制、办公机械、医疗设备、自动售货机。目前国外固态继电器迅速发展，其功能品种和电流容量不断扩大。单相交流固态继电器达到110A480V，单相直流固态继电器达到60A60V，而且还为计算：机接口应用而设计的专用固态继电器IO模块，以及用于三相电动机启动的专用固态继电器。我国90年代初才开始研制和生产固态继电器，目前已有单相直流、单相交流、三相交流固态继电器以及计算机专用IO模块产品投放市场。3.2.2固态继电器原理及应用SSR按使用场合可以分成交流型和直流型两大类，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关，不能混用。下面以交流型的SSR为例来说明它的工作原理，图3-8是它