基于单片机的楼宇公共照明系统设计_毕业论文.doc

anyang institute of technology 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 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 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 3 1 1 课题研究背景 3 1 2 课题研究的目的与意义 3 1 2 1 良好的节能效果和延长灯具生命 3 1 2 2 改善工作环境 提高工作效率 4 1 2 3 提高管理水平 4 1 3 系统设计 4 1 3 1 系统设计要点 4 1 3 2 系统设计思路 5 第二章 硬件电路设计与实现 8 2 1 系统硬件总述 8 2 2 cpu 性能介绍 8 2 3 主控制机电路设计 8 2 3 1 键盘的接口设计 9 2 3 2 led 数码显示的接口设计 9 2 3 3 看门狗监控电路的设计 10 2 4 分控制器的电路设计 11 2 5 rs485 通信电路的设计 11 2 6 光信号取样电路 14 2 6 1 microwire 串行总线性能介绍 15 2 6 2 tcl1549 的接口设计 16 2 7 人体信号采集电路 17 2 7 1 人体红外探头 17 2 7 2 比较电路 18 2 8 ds12887 时钟芯片接口电路设计 20 2 9 输出驱动电路设计 22 第三章 系统软件设计及实现 23 3 1 人机交互程序设计 23 3 1 1 键盘扫描程序设计 23 3 1 2 led 数码显示程序设计 25 3 2 照明启停控制程序设计 26 3 2 1 全部启停控制程序设计 26 3 2 2 单独启停控制程序设计 29 3 3 照明控制程序设计 31 3 3 1 全部定时控制程序设计 31 3 3 2 单独定时控制程序设计 32 3 4 rs485 通信程序设计 33 3 4 1 主机部分通信程序设计 35 3 4 2 从机部分通信程序设计 36 第四章 系统可靠性技术 38 4 1 干扰产生的后果 38 4 2 单片机应用系统的硬件抗干扰设计 39 4 3 软件抗干扰技术 40 结论 42 致谢 43 参考文献 44 附录 45 i 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 ii the design of building public lighting systems that based on single chip abstract in this paper the indoor lighting 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 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 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 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 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 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 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 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 4 1 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 达到设计功能要求 5 1 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abcd 0000 0010 0100 0110 1000 1010 1100 逻 辑 状 态 1111 8 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 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 线从左到右分别与单片机的 p1 0 p1 1 p1 2 p1 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 盘进行扫描 以识别被按键的行 列位置 p1 0 1 p1 1 2 p1 2 3 p1 3 4 p1 4 5 p1 5 6 p1 6 7 p1 7 8 int1 13 rxd 10 txd 11 xtal2 18 xtal1 19 t0 14 p2 0 21 p2 1 22 p2 2 23 p2 3 24 p2 4 25 p2 5 26 p2 6 27 p2 7 28 p0 7 32 p0 6 33 p0 5 34 p0 4 35 p0 3 36 p0 2 37 p0 1 38 p0 0 39 t1 15 89c51 int0 12 reset 9 rd 17 wr 16 ea vpp 31 ale p 30 psen 29 vcc 40 gnd 20 p1 0p1 1p1 2p1 3 p1 4 p1 5 p1 6 p1 7 a b c d e f g a b c d 7447 100 7 d4 a1015 4 rbi rbo lt gnd vcc 30pf 30pf 12mhz d3d2d1 vcc 5v a b c vcc g2a g2b y0 y1 y2 y3 4 7k 4 74ls138 wdo reset wdi mr vcc gnd max813l 5v 5v 1234 5678 90关关 关关关关 5v 关 10 2 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 0 p0 3 口输出的四位 bcd 码 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 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1 6s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 11 2 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 txd rxd txd 从机 1 rxd txdrxd txd 从机 n 12 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 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 rs485 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 bps 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 ro re de dignd a b vcc tlp521 4a 5 1k p1 0 1 p1 1 2 p1 2 3 p1 3 4 p1 4 5 p1 5 6 p1 6 7 p1 7 8 int1 13 rxd 10 txd 11 xtal2 18 xtal1 19 t0 14 p2 0 21 p2 1 22 p2 2 23 p2 3 24 p2 4 25 p2 5 26 p2 6 27 p2 7 28 p0 7 32 p0 6 33 p0 5 34 p0 4 35 p0 3 36 p0 2 37 p0 1 38 p0 0 39 t1 15 89c51 int0 12 reset 9 rd 17 wr 16 ea vpp 31 ale p 30 psen 29 vcc 40 gnd 20 tlp521 4b tlp521 4c 5v 5v5 1k 5 1k 470 5v 3 3k 3 3k 120 20 20 12v 7v 12v 7v max485 5 1k 5 1k ro re de dignd a b vcc tlp521 4a 5 1k tlp521 4b tlp521 4c 5v 5v5 1k 5 1k 470 5v 3 3k 3 3k 120 20 20 12v 7v 12v 7v max485 5 1k 5 1k rst vpp 1 rxd p3 0 2 txd p3 1 3 xtal2 4 xtal1 5 int0 p3 2 6 int1 p3 3 7 t0 p3 4 8 t1 p3 5 9 gnd 10 vcc 20 p1 7 19 p1 6 18 p1 5 17 p1 4 16 p1 3 15 p1 2 14 p1 1 ain1 13 p1 0 ain0 12 p3 7 11 89c2051 14 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 00 9 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 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 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 microwire plus 总线 增强型的 microwire plus 总线上允许连接多片单片机和外围器件 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 si so sk 从机 so si sk cs adc do di clk cs eeprom do 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 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 在正常进行的转换周 期内 规定时间内 cs 端高电平至低电平的跳变可终止该周期 器件返回初始 状态 输出数据寄存器的内容保持为前次转换结果 由于可能破坏输出数据 所以在接近转换完成时要小心防止 cs 被拉至低电平 时序图如图 2 10 2 7 人体信号采集电路 人体信号采集由人体红外检测探头和比较电路组成 2 7 1 人体红外探头 人体红外检测探头由菲涅尔透镜 热释红外传感器 p2288 组成 2 7 1 1 菲涅尔透镜 菲涅尔透镜作用有两个 一是聚焦作用 即将热释红外信号折射 反射 在 pir 上 第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区 使进入探测区 域的移动物体能以温度变化的形式在 pir 上产生变化热释红外信号 当人进入感应范围 人体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离 a 区或中 距离 b 区或近距离 c 区的某个段的同心环上 同心环与红外线探头有一个适当 的焦距 红外光正好被探头接收 探头将光信号变成电信号送入电子电路驱动 负载工作 整个接收人体红外光的方式也被称为被动式红外活动目标探测器 镜片主要有三种颜色 一 聚乙烯材料原色 略透明 透光率好 不易变形 二 白色主要用于适配外壳颜色 三 黑色用于防强光干扰 镜片还可以结合 产品外观注色 使产品整体更美观 每一种镜片有一型号 以年号 系列号命名 镜片主要参数 一 外观描述 外观形状 长 方 圆 尺寸 直径 以毫米为单位 二 探测范围 指镜片能探测的有效距离 米 和角度 三 焦距 指镜片与探头窗口的距离 精确度以毫米的小数点为单位 长形和方形镜片要呈弧形以焦距为单位对准探头窗口 镜片与探头的配合应用 我们常用的是双源式探头 揭开滤光玻璃片 18 其内部有两点对 7 14um 的红外波长特别敏感的 to 5 材料连接着场效管 静态情况下空间存在红外光线 由于双源式探头采用互补技术 不会产生 电信号输出 动态情况下 人体经过探头先后被 a 源或被 b 源感应 sasb 产生差值 双源失去互补平衡作用而很敏感地产生信号输出 见图 2 11 当人对着探头呈垂直状态运动 sa sb 不产生差值 双源很难产生信号 输出 因此 探测器安装的位置与人行走方向呈平行为宜 2 7 1 2 热释红外传感器 热释电人体红外线传感器是上世纪 80 年代末期出现的一种新型传感器件 现在已得到越来越广泛的应用 从原理上分析 它主要有主动式和被动式两类 热释电红外传感器和热电偶都是基与热电效应原理的热电型红外传感器 热释 电红外传感器 以下简称 传感器 由敏感单元 阻抗变换器和滤光窗等三大 部分组成 图 2 12 为它们的顶视图 其中较大的矩形部分为滤光窗 图 2 13 为底视图 图 2 14 为侧视图 p1 p2 为两个敏感单元 面积约 2 1mm2 间 距 1mm 2 7 2 比较电路 比较电路如图 2 15 所示 由两个运算放大器组成 输入信号来自于红外人 图 2 11 信号产生输出示意 图 图 2 12 传感器顶图 2 13 传感器低图 2 14 传感器侧 19 体探头输出 比较电路中的基准电压分别由两个独立的分压电路得到 供电路 比较所用 即运算放大器 d1 的 6 脚和 d2 的 1 脚电压分别为 0 45v 和 2 0v 图 2 15 人体信号比较电路 通过比较电路将相应的电压比较结果以数字信号输出 当被动红外探头在 有效范围内感应到人体信号后 运算放大器的 2 脚 或 5 脚 的电压降为 3 0v 当被动红外探头在有效范围内没有感应人体红外信号时 2 脚 或 5 脚 的电压降为 1 0v 探头故障断路时 则 2 脚 或 5 脚 的电压降为 0v 1 探头工作正常 1 脚 的电压恒定为 2 0v 2 脚 的电压有 1v 或是 3 0v 两种状态 6 脚 的电压恒定为 0 45v 5 脚 的电压与 2 脚 的电压保持一致 探头将会根据有无人体信号在 2 脚 产生 1 0v 或 3 0v 两种电压信号 2 探头工作不正常 由于故障或没有安装探头 1 脚 的电压恒定为 2 0v 2 脚 的电压为 0v 6 脚 的电压恒定为 0 45v 5 脚 的电压为 0v 探头将只会产生一种电压信号 0v 具体的比较结果如下表 2 1 所示 20 表 2 1 探头采集信号输出状态表 探头工作状态 1 脚 电压 2 脚 或 5 脚 电 压 6 脚 电压 p2 6p2 5 无人状态2 0v1 0v0 45v11正常 工作有人状态2 0v3 0v0 45v01 断路或故障2 0v0v0 45v10 通过比较电路 不仅解决了不同工作状态时被动红外探头的对外界人体红 外信号的采集 而且也实现了仅通过被动红外探头的两根电源线同时也传输了 所采集的周围环境的红外信号 一举两得 2 8 ds12887 时钟芯片接口电路设计 本次系统设计中 灯光设计有以时间作为基准信号 故采用了 dallas 公 司的 ds12887 芯片 ds12887 为 dallas 公司生产的实时时钟芯片 除具有 实时钟功能外 它还具有 114 字节的通用 ram 采用 cmos 技术制成 具有 内部晶振和时钟芯片备份锂电池 而且它与目前应用广泛的时钟芯片 mc146818b 和 ds1287 管脚兼容 采用 ds12887 芯片设计的时钟电路无需任何 外围电路和器件 并具有良好的微机接口 ds12887 芯片具有微功耗 外围接 口简单 精度高 工作稳定可靠等优点 可广泛用于各种需要较高精度的实时 时钟系统中 1 ds12887 的原理及管脚说明 图 2 16 显示了 ds12887 管脚排列图 并分别说明管脚功能 vcc 直流电源 5v 电压 当 5v 电压在正 常范围内时 数据可读写 当 vcc 低于 4 25v 读写被禁止 计时功能仍继续 当 vcc 下降到 3v 以下时 ram 和计时器被切换 到内部锂电池 mot 模式选择 mot 管脚接到 vcc 时 选择 motorola 时序 当接到 afnd 时 选择 intel 时序 sqw 方波信号输出 sqw 管脚能从实时时钟内部 15 级分频器的 13 个 图 2 16 ds12887 芯片管脚图 21 抽头中选择一个作为输出信号 其输出频率可通过对寄存器 a 编程改变 ad0 ad7 双向地址 数据复用线 总线接口 可与 motorola 微机系 列和 intel 微机系列接口 as 地址选通输入 用于实现信号分离 在 ad ale 的下降沿把地址锁入 ds12887 ds 数据选通或读输入 ds rd 客脚有两种操作模式 取决于 mot 管脚 的电平 当使用 motorola 时序时 ds 是一正脉冲 出现在总线周期的后 段 称为数据选通 在读周期 ds 指示 ds12887 驱动双向总的时刻 在写周 期 ds 的后沿使 ds12887 锁存写数据 选择 intel 时序时 ds 称作 rd rd 与典型存贮器的允许信号 oe 的定义相同 r w 读 写输入 r w 管脚也有两种操作模式 选 motorola 时序时 r w 是一电平信号 指示当前周期是读或写周期 dso 为高电平时 r w 高电 平指示读周期 r w 低电平指示写周期 选 intel 时序 r w 信号是一低电 平信号 称为 wr 在此模式下 r w 管脚与通用 ram 的写允许信号 we 的 含义相同 cs 片选输入 在访问 ds12887 的总线周期内 片选信号必须保持为低 irq 中断申请输入 低电平有效 可作微处理的中断输入 没有中断条 件满足时 irq 处于高阻态 irq 线是漏极开路输入 要求外接上接电阻 reset 复位输出 当该脚保持低电平时间大于 200ms 保证 ds12887 有 效复位 2 地址分配表及时间 日历和闹钟的数据格式 表 2 2 时间 日历和闹钟的数据格式 范围 地址功能十进制范围 二进制数据模式bcd 数据模式 0秒0 5900 3b00 59 1秒闹钟0 5900 3b00 59 2分钟0 5900 3b00 59 3分钟闹钟0 5900 3b00 59 22 小时 12 进制 1 12 1 0cam 81 8cpm 01 12am 81 92pm4 小时 24 进制 0 2300 1700 23 时闹钟 12 时制 1 12 01 0cam 81 8cpm 01 12am 81 92pm5 时闹钟 24 时制 0 2300 1700 23 6星期 星期天 1 1 700 0700 07 7日期1 3101 0f1 31 8月份 1 1201 0c1 12 9年0 9900 6300 99 ds12887 内部有 128b 的非易失 ram 其中地址 0 9 为时间 日历 闹钟 信息存放单元 具体见表 12 地址 10 13 依次为寄存器 a b c d 的地址 而剩下的 114b 则作为通用的 ram 其中寄存器 c d 为只读 寄存器 a 的 d7 位为只读 114 字节的非易失性通用 ram 没有特殊功能 可以在任何时候 读写 0 xc0 0 xff 为特殊的数 如果小时闹钟为 0 xc0 0 xff 表示每小时中断 一次 如果小时闹钟和分钟闹钟都是 0 xc0 0 xff 表示每分钟中断一次 如果 小时闹钟 分钟闹钟和秒闹钟都是 0 xc0 0 xff 表示每秒中断一次 2 8 1 2 9 输出驱动电路设计 单片机输出控制信号电路如图 2 18 所示 由 p2 0 和 p2 1 口输出的控制信 号来实现室内灯光的控制功能 23 图 2 18 输出控制电路 当 p2 0 口输出的是