【论文】基于单片机的室内照明自动控制系统的设计.pdf

摘 要 该文介绍了一种基于 at89c51 单片机为基础的教室照明智能控制系统 主 要阐述了这种照明自动控制系统的基本工作原理 硬件电路组成等内容 通过整 个系统硬件组成和软件控制 达到室内范围内的无人智能照明自动控制 随着微电子技术的不断发展 单片机的应用越来越广 照明控制技术也面临 革命性的变革 主要有三大趋势 电子化 网络化 集成化 传统的室内照明线 路 用机械开关实现电路的通 断控制 在人进入室内后 人为机械地控制室内照 明设备的开关 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 而随着大量智能控制系统推出后 管理人员和住户对照明系统提出了许多个性 化要求 也因为各界出现了对电能浪费问题的考虑 这就需要有新的照明控制技 术的引进 室内灯光智能控制系统利用单片机作为核心控制部件 人体检测电路部分采 用主动式红外扫描技术和可见光扫描技术 功率接口采用固态继电器 电路和程 序调整灵活 可实现照明系统的自动控制使灯光只在需要的时间才点亮 以此可 达到节约能源的目的 关键词关键词 智能控制 单片机 固态继电器 照明系统 i abstract the paper which is based on at89c51 mcu based automatic classroom lighting control system mainly describe the lighting control system the basic principle of hardware components of the lighting control system and other content through the entire system hardware and software achieve the scope of intelligent lighting control within the room with the continuous development of microelectronics technology more and more widely scm application lighting control technology is also facing a revolutionary change three major trends electronic network based integrated the traditional line of indoor lighting mechanical circuit switching to achieve on off control the people into the rooms indoor man made machinery to control the lighting switch this system can not be fixed after the changes to achieve the complex requirements of the more difficult control with large number of intelligent control system after the implementation of management personnel and residents of the lighting system and made many personalized requirements but also because all classic of society has considered the issue of waste which requires a new lighting control technology invention indoor lighting intelligent control system using scm as a core control components parts of the body detection circuit using infrared scanning technology active and visible light scanning technology power interface using solid state relays circuits and flexible adjustment process to act the automatic lighting system so that only the needs of the time and place lit achieve the purpose of energy conservation key words automatic control system single chip computer solid state relays lighting control system ii 目 录 第一章 前言 1 1 1 设计的背景及研究意义 1 1 2 单片机的发展和应用 1 1 3 自动照明控制系统的研究概况 5 1 4 设计的目标和内容 9 第二章 单片机照明控制系统整体介绍 11 2 1 单片机照明自动控制系统的基本组成 11 2 2 具体组成单元 12 第三章 采样电路的设计 14 3 1 红外探测电路的设计 14 3 2 可见光探测电路的设计 18 第四章 信号转换模块的设计 23 4 1 信号转换电路框图 23 4 2 adc0809 模数转换芯片 24 第五章 控制电路和执行电路的设计 30 5 1 控制电路和执行电路的电路原理图 30 5 2 控制核心 at89c51 型号单片机 31 5 3 执行电路的设计 36 第六章 结论 38 第七章 经济技术分析报告 39 参考文献 40 致谢 41 附录 1 protel 电路原理图 42 附录 2 光敏电阻基本特性测量实验 43 附录 3 相关程序列表 47 声明 52 iii 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 第一章 前 言 1 1 设计的背景及研究意义 现今 照明设备大量运用 在一些学校教室和公共场所的照明 本来室内的亮度 已经足够 但是仍然开着灯或还要再开灯 有些甚至在室内无人的情况下仍然灯光大 亮 这样的例子不胜枚举 造成大量 无法统计的能源浪费 对于照明节能的概念 在 中华人民共和国节约能源法 1998年1月1日实施 等法律 法规文件中都有提及 从1996年开始 国家经贸委 联合国开发计划署 undp 全球环境基金 gef 共同实施了 中国绿色照明工程促进项目 在此 项目即将结束时 重新修订了我国 建筑照明设计标准 2004年12月1日实施 新标准号为gb50034 2004 在新的照明标准中对多种建筑的大多数功能区域提出 了 照明能效 标准要求 用每平米内的耗电量 即功率密度 作为衡量标准 所有 在实施日期后新设计的项目均强制执行此设计标准 符合其中照明能效标准的要 求 然而现在在我国 照明耗电占年发电总量的10 超过100 亿kw h 而对照明 时间长 照明场所多的学校 照明超过本单位所有耗电的40 目前 国内大 中 小学校教室的照明灯具控制大多采用手动开关 即使严格管理 仍不可避免地出现 忘记关灯的疏忽 特别是在白天 情况更是如此 通常在光线充足的情况下照明灯 具仍然开启 从而造成大量的能源浪费 另外 各种照明灯具都具有一定的使用时 限 在光线充足的情况下仍继续使用 必然会缩短灯具的使用寿命 在这样的情况下 我们需要针对室内的照明设备 设计出一套全自动照明控制 系统 利用现在各个领域都广泛使用的单片机芯片 运用单片机的可编程控制对室 内照明设备实现自动控制 从而实现在照明设备这个环节中相应范围内的能源节 约 1 2 单片机的发展和应用 1 2 1 单片机的发展过程 单片机诞生于20 世纪70 年代末 单片机的发展历史可划分为以下几个阶段 1 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 第一阶段 1974 年 1976 年 为单片机初级阶段 即scm单片微型计算机 single chip microcomputer 阶段 主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最 佳体系结构 因受工艺和集成度的限制 单片机采用双片形式 例如 仙童公司的 f8 必须外接一块3851 电路才能构成一个完整的微型计算机 第二阶段 1976 年 1978 年 为低性能单片机阶段 即单片机的控索阶 段 以intel 公司的mcs 48 为代表 mcs 48 的推出是在工控领域的控索 参与 这一控索的公司还有motorola zilog 等 都取得了满意的效果 这就是scm 的诞 生年代 单机片 一词即由此而来 此时的单片机由一块芯片构成 但性能低 品种少 它具有cpu 并行口 定时器 ram 及rom 这是一个真正的单片机 但cpu 功能不强 i o 口种类和数量很少 其rom 和ram 也很有限 只能应用于比较简单 的场合 例如 90 年代中期以前的pc 机键盘几乎无一例外地使用mcs 48系列单片 机作为控制部件 第三阶段 1978 年 1982 年 单片机的完善阶段 intel 公司在mcs 48 基 础上推出了完善的 典型的单片机系列mcs 51 它在以下几个方面奠定了典型的 通用总线型单片机体系结构 完善的外部总线 mcs 51 设置了经典的8 位单片 机的总线结构 包括8 位数据总线 16 位地址总线 控制总线及具有很多机通信 功能的串行通信接口 cpu 外围功能单元的集中管理模式 体现工控特性的位 地址空间及位操作方式 指令系统趋于丰富和完善 并且增加了许多突出控制功 能的指令 第四阶段 1982 年 1990 年 8 位单片机的巩固发展及16位单片机的推出 阶段 也是单片机向微控制器发展的阶段 intel公司推出的mcs 96 系列单片机 将一些用于测控系统的模数转换器 程序运行监视器 脉宽调制器等纳入片中 体 现了单片机的微控制器特征 随着mcs 51 系列的广应用 许多电气厂 商竞相使用80c51 为内核 将许多测控系统中使用的电路技术 接口技术 多通道 a d 转换部件 可靠性技术等应用到单片机中 增强了外围电路功能 强化了智 能控制的特征 第五阶段 1990 年 微控制器的全面发展阶段 随着单片机在各个领域 全面深入地发展和应用 出现了高速 大寻址范围 强运算能力的8 位 16 位 32 位通用型单片机 以及小型廉价的专用型单片机 90 年代后期至今单片机的发展可以说是进入了一个新的阶段 单片机正朝着 2 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 高性能和多品种方向发展 发展趋势将是进一步向着cmos化 低功耗 小体积 大 容量 高性能 低价格和外围电路内装化等几个方面发展 其发展趋势主要有以下 几个方面 1 cmos化 近年 由于chmos技术的进步 大大地促进了单片机的cmos化 cmos 芯片除了低功耗特性之外 还具有功耗的可控性 使单片机可以工作在功耗 精细管理状态 这也是今后以80c51取代8051为标准mcu芯片的原因 因为单片机芯 片多数是采用cmos 金属栅氧化物 半导体工艺生产 cmos电路的特点是低功耗 高密度 低速度 低价格 采用双极型半导体工艺的ttl电路速度快 但功耗和芯 片面积较大 随着技术和工艺水平的提高 又出现了hmos 高密度 高速度mos 和chmos工艺 cmos和hmos工艺的结合 目前生产的chmos电路已达到lsttl的速度 传输延迟时间小于2ns 它的综合优势已在于ttl电路 因而 在单片机领域cmos正 在逐渐取代ttl电路 2 低功耗 单片机的功耗已到ma级 甚至到1ua以下 使用电压在3 6v 之 间 完全适应电池工作 低功耗化的效应不仅是功耗低 而且带来了产品的高可靠 性 高抗干扰能力以及产品的便携化 低电压化 几乎所有的单片机都有wait stop 等省电运行方式 允许使用的电压范围越来越宽 一般在3 6v 范围内工作 低 电压供电的单片机电源下限已可达1 2v 目前0 8v 供电的单片机已经问世 低 噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力 使产品能适应恶劣的工作环境 满足电磁兼容性方面更高标准的要求 各单片机厂家在单片机内部电路中都采用 了新的技术措施 3 大容量化 传统的单片机片内程序存储器一般为1k 8k 片内数据存储器 为256 字节以下 在某些复杂的应用上 片内不论是程序存储器还是数据存储器都 是容量不够 必须采用外接方式进行扩充 而新型单片机 例如philips p89c66x 片内程序存储器可达64k 片内数据存储器可达8k 今后 随着工艺技术的不断发 展 单片机片内存储器容量将进一步扩大 4 单片机的高性能化 主要是指进一步提高cpu 的性能 加快指令运算速度 并加强了位处理功能 中断 定时功能 其主频从4mhz 12mhz 向0mhz 全静态 40mhz 以上发展 同时采用流水线结构 让指令以队列形式出现在cpu 中 从而进 一步提高运算速度 有的单片机基本采用了多流水线结构 这类单片机的运算速度 要比标准的单片机高出10倍以上 3 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 5 外围电路内装化 这也是单片机发展的一个主流方面 随着集成度的不断 提高 使将各种功能器件集成在片内成为可能 除了一般必须具有的cpu rom ram 定时器 计数器等外 片内还可以根据需要集成如串行口 a d d a eeprom pwm 看门狗 watch dog 液晶显示 lcd 驱动器等多种功能部件 6 增强i o 口功能 为了减少外部驱动芯片 进一步增加单片机并行口的驱 动能力 现在有的单片机可直接输出较大电流 20ma 和高电压 以便直接驱动显 示器 为进一步加快i o 的传输速度 有的单片机设置了高速i o 口 能以最快的 速度捕捉外部数据的变化 同时以最快的速度向片外输出数据 以适合数据高速改 变的场合 随着集成工艺的不断发展 单片机一方面向集成度更高 体积更小 功 能更强 功耗更低方向发展 另一方面向32 位以上及双cpu 方向发展 1 1 2 2 单片机的应用 由于单片机具有显著的优点 它已成为科技领域的有力工具 人类生活的得 力助手 它的应用遍及各个领域 主要表现在以下几个方面 1 单片机在智能仪表中的应用单片机广泛地用于各种仪器仪表 使仪器仪表 智能化 并可以提高测量的自动化程度和精度 简化仪器仪表的硬件结构 提高其 性能价格比 2 单片机在机电一体化中的应用机电一体化是机械工业发展的方向 机电一 体化产品是指集机械技术 微电子技术 计算机技术于一体 具有智能化特征的机 电产品 例如微机控制的车床 钻床等 单片机作为产品中的控制器 能充分发挥 它的体积小 可靠性高 功能强等优点 可大大提高机器的自动化 智能 化程度 3 单片机在实时控制中的应用单片机广泛地用于各种实时控制系统中 例如 在工业测控 航空航天 尖端武器 机器人等各种实时控制系统中 都可以用单片 机作为控制器 单片机的实时数据处理能力和控制功能 可使系统保持在最佳工作 状态 提高系统的工作效率和产品质量 4 单片机在分布式多机系统中的应用在比较复杂的系统中 常采用分布式多 机系统 多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成 各自完成特定的任务 它 们通过串行通信相互联系 协调工作 单片机在这种系统中往往作为一个终端机 安装在系统的某些节点上 对现场信息进行实时的测量和控制 单片机的高可靠性 和强抗干扰能力 使它可以置于恶劣环境的前端工作 4 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 5 单片机在人类生活中的应用自从单片机诞生以后 它就步入了人类生活 如洗衣机 电冰箱 电子玩具 收录机等家用电器配上单片机后 提高了智能化程 度 增加了功能 倍受人们喜爱 单片机将使人类生活更加方便 舒适 丰富多彩 综合所述 单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面 另一方面 单片机应用的重要意义还在于 它从根本上改变了传统的控制系 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功能 现在 已能用单片机通过软件方法来实现了 这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制 技术 是传统控制技术的一次革命 1 3 照明自动控制系统研究概况 在国内的一些较先进的照明控制系统有首先是江苏一企业自主研发生产的智 能照明节能控制系统 经过近一年时间试用 目前证实比传统路灯控制系统平均节 电 30 以上 并有效延长了路灯的使用寿命 智能照明节能控制系统由泰州市前进机电制造有限公司联合南京航天航空大 学共同研制而成 是一种以电脑控制为基础的调压 稳压节能系统 可根据路灯在 不同的时间 不同的地点和不同的场合 调节电流来降低耗电 泰州市前进机电制造有限公司副总工程师陈义国介绍 使用智能化调压 稳 压节能技术 在交通繁忙的时候或特殊的场合 道路照明要求标准较高时 控制路 灯保持较强的照度 而接近午夜时分 在车稀人少或不需要较高标准照明的场合 控制路灯降低功率运行 在保证道路交通安全要求的前提下 降低道路照明的使用 电流 陈义国解释说 水烧开后 即使把火苗调小 水照样是沸腾的 对于日光灯 和气体放电灯一类的照明负载 在充分预热和正常运行后 自动将功率减少 完全 可以满足照明和节能节电的双重要求 比较先进的智能照明控制系统还有 lcs 300 智能照明系统 长期以来 智能照 明在国内一直被忽视 大多数建筑物仍然沿用传统的照明控制方式 部分智能大厦 采用楼宇自控 ba 系统来监控照明 但一般只能实现简单的区域照明和定时开关功 能 optisys lcs 300 分布式无线智能照明控制系统采用了先进的数字化 模块 化 分布式 无线控制的系统架构 可实现对各种照明灯更专业 更灵活的开关控 制或调光空子 是实现舒适照明的有效手段 也是节能的有效措施 该系统可广泛 5 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 地应用于各类建筑 如办公大楼 宾馆酒店 商业中心 体育场馆 娱乐场所等 lcs 300 分布式无线智能照明系统有效利用了以太网 can 现场总线 rf 无线 通讯等技术 在沿用传统使用习惯上 达到了建设时安装方便 节省电缆 降低造 价 使用时可靠 灵活 方便 管理上分散控制 自动控制与集中管理相结合 能够提高管理水平 节能降耗 lcs 300 由 cpu 控制模块 开关驱动模块 调光驱动模块 信号检测模块 无 线控制模块 扩展通讯模块 房间控制模块 智能传感器 系统编程软件和计算机 监控软件等部件组成 如下图所示 除此之外世奇智能照明控制系统的发展也很另业界注目 世奇智能照明控制系 统是由具有 20 年灯光控制系统开发和生产经验的河东电子有限公司开发成功 他 吸取了国外环境照明的优点 同时采用国际上最新的电子技术及计算机网络技术 图 1 1 lcs 300 照明自动控制系统框图 使系统具有易组网 易管理 易扩展等特性 通过 hdl 与国外知名灯光控制企业的 多年 oem 生产及 iso9001 质量管理体系的保证 使产品的设计和制造完全达到了国 6 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 际高品质的要求 目前由于国际上无用于智能照明的统一现场总线标准 因此国内外存在许多不 同的标准 各个厂家不兼容 但在总线连接方面归纳起来只有两种 一种为低压 电力载波 一般为 24 36v 一种为 485 总线 电源与信号分开 两种总线在 数据传输速率 总线可靠程度有较大的区别 电力载波由于受电力线中电流波动的 影响 数据传输速率及数据传输可靠性受到较大的影响 总线效率降低 当总线设 备多时 数据传输的不可靠可能会导致系统瘫痪 世奇智能照明采用独立 485 总线方式 使总线无论何时都处于最佳状态 同时 配合世奇独有的软硬件相接合的智能 csma cd 控制技术 确保系统无论总线设备多 少 总线距离长短都可获得最大的传输速率 世奇智能照明控制系统网络拓扑结构可同时采用星型和总线型联接 系统可容 纳 254 个网段 每个网段可容纳 254 个设备 系统内设计容量为 64516 各网段采 用总线交换机联接 接入以太网络 世奇智能照明控制系统采用开放性及高扩展性协议 可以使智能照明控制系统 与任何控制系统无缝联接 如 ba 系统 中央控制系统 安防系统 远程抄表系 统 舞台灯光控制系统等 在国外 比较著名的有 leax 照明控制公司生产的照明控制系统 最近生产的 一款 scenemaster 4 调光器这款产品对住宅改进 翻新以及单房及酒店卧房来说 是非常理想的选择 各种形式产品包装及现货在 05 年 9 月可供 scenemaster 4 的建筑照明控制封装在单盒内 只需调动按钮就可提供恰当的照明方案 leax 是英国领先的建筑照明控制生产商 在作为系统整合商 电气咨询师 承包商 建筑师以及照明设计师的专业合作伙伴方面 已有 15 年以上的经验 leax 在今年的 cedia 上发布了 2 款新品 其中一款就是墙壁调光系 scenemaster 4 这 种调光器为照明产品的 4 条电路提供 4 种可编程状态 还有附加的从动装置可供选 择 与双开关宽度完美匹配的独特款式 使这款产品外观特别精美 4 条配有标准 rs232 接口的电路最大负载在 1600 瓦以上 这种装置还可以控制钨灯 低压灯以 及荧光灯镇流器 每套产品最多可配备 3 个从动板 还可以将 2 套产品连接在一起 控制 8 条电路 所有产品及从动板都与红外线一起出售 2 7 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 litxpnet 是莱特沙派灯光有限公司推出的网络系统 网络中的各种设备均符 合 tcp ip 网络传输协议和国际标准的 dmx512 灯光控制协议 莱特沙派作为 acn 协 议的主要制定成员之一 其 litxpnet 网络化灯光系统所有设备的信号接口上都符 合网络标准 litxpnet 网络系统具备专用的网络配置软件 能对网络中各个信息节点统一 配置 修改 具备以太网控制 dmx 控制 无线 dmx512 有线遥控 并能接入场景 灯控制系统及智能环境照明控制系统 而且还具备最新发表的工作电源于网络线材 中游走等来提高控制系统的灵活性 将灯光控制系统完全融入网络系统 结合早期 推出的 wireless dmx512 无线 dmx512 就可以突破时空的限制 发挥无线灯光控 制的强大功能 litxpnet 应用了强大的 litxpnet configuration 网络配置编辑软件 能通过 设定来分配指派所有的以太网选址信息 ip 网关 多点传送组和分支网络信息到 每个网点 其另一优势是采用网络化多等级备份结构 此外 网络节点在网络中取 电 既方便了灯光负载和站点移动 又避免了长距离传送导致信号衰减的影响 litxpnet 是对传统的 dmx 512 的重大技术革新 解决了成千上万回路大演播 厅或多功能电视剧场回路分布和多调光台控制同一组调光柜与数控设备等一系列 单一应用 dmx 512 网络所无法实现的技术难题 控制界面如下图 3 图 1 2 litxpnet照明自动控制框图 2004 年 邦奇电子在国内第一个推出遵循 dali 照明协议的 点对点 照明 控制系统 将照明控制系统概念提升到了一个全新的模式 是最先进的一种照明控 制方式 它采用全数字 模块化 分布式的系统结构 通过五类控制线将系统中的 8 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 各种控制功能模块及部件连接成一个照明控制网络 它可以作为整个建筑物自动化 管理系统 ba 系统 的 一个子系统通过网络软件接入 ba 系统 也能作为独立系 统单独运行 在照明控制实现手段上更专业 灵活 可实现对各种照明灯的调光控 制或开关控制 是实现舒适照明的有效手段 也是节能的有效措施 邦奇电子智能照明控制系统 通常由调光模块 开关模块 控制面板 液晶显 示触摸屏 智能传感器 编程插口 时钟管理器 手持式编程器 监控软件 网桥 等部件构成 将上述各种具备独立功能的控制模块或部件用一条五类数据通讯线 四对双绞线 按手牵手菊花链方式连接起来 形成一个 dynet 控制网络这套单片 机系统的设计包括单片机硬件控制系统 包括选择传感器 接口和外围电路 并在 此基础上编制程序 实现室内照明亮度的自动控制 达到节能节电的目的 其结 构图如图 1 3 所示 4 1 4 设计的目标和内容 1 4 1 设计目标 设计一套单片机自动控制系统 实时检测室内的亮度值 当亮度达到一定值时 自动控制系统不再继续允许点亮灯管 当亮度超过一定值后 控制系统会根据各个 传感器的检测值 自动熄灭一部分特定位置繁的灯管 或熄灭全部灯管 当教室无 人时 关闭电源 所有灯具均熄灭 当教室有人时 分成三种情况 a 若室内照度x x1 时 允许灯全部打开 b 若室内照度x1 x x2 时 允 许一部分灯打开 熄灭特定位置的灯 c 若室内照度x x2 时 不允许点亮灯管 1 4 2 设计内容 基于单片机的室内照明自动控制系统总体上可分为检测单元 采样电路单元 信号的模数转换单元 单片机控制单元 执行机构单元五个部分组成 本设计以研究照明的自动控制系统的硬件为主 辅以相应的软件设计 具体分 为以下几个方面 热释红外检测单元电路 可见光采样单元电路 a d 转换模块 单片机控制单元 执行机构单元 9 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 图 1 3 邦奇电子智能照明控制系统 10 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 第二章 单片机照明自动控制系统的整体介绍 2 1 单片机照明自动控制系统的基本组成 如图 2 1 所示为基于单片机的照明自动控制系统的基本组成 图 2 1 单片机照明自动控制系统框图 本系统采用热释红外线传感器电路 光敏电阻电路实现室内光线强度的采样 首先对室内人员情况进行采样检测 在确定室内人员情况后 有人无人 再对室内 的光线强度 即光照进行采样 获得相应的电信号 将获得的模拟电信号传入 a d 转换电路 将模拟信号转换为数字信号后传至单片机控制系统 经过单片机系统的 预置程序语言实现自动控制 得到经设定程序处理的信号输出 执行电路部分是由 固态继电器控制的开关电路 次开关电路可直接由单片机控制 接受由单片机输出 11 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 的处理信号 实现开关控制 从而执行室内照明设备的开关控制 达到系统设计的 要求 2 2 具体组成单元 2 2 1 采样单元 该单元的作用是对室内人员情况采样检测 对光照情况采样 接受 数据采集 它是由两部分组成 红外传感器组件部分和可见光探测组件部分 红外传感器组件部分的作用是对室内的环境红外线进行收集 它所具有的构件 使得它可以将人的红外光线与其他物体区分开来 从而屏除了其他红外光线的干 扰 增加了信号收集的精确度 组件还具有温度补偿功能 以便组件自动适应不同 的季节和地区 5 可见光探测组件部分的作用是在确定了室内有人的情况下 对室内光照强度采 样 实现对室内光照度的实时检测 从而满足自动控制系统设计的条件前提 2 2 2 数模转换单元 a d 转换单元 接续上述采样电路 采样电路所收集到的样本信号是以变化的电流或是电压模 拟电量输出 而做为控制部分的单片机控制系统需要的输入信号量是数字量 所以 对于这样的模拟量输入信号必须要经过一个模数转换的过程 才能提供单片机控制 系统有效的输入 对于这个自动控制系统 为了简化整个设计电路系统 采用了可以直接与单片 机接口的a d转换芯片adc0809转换模块 对于芯片的具体功能介绍见论文中内容 2 2 3 单片机控制单元 控制单元是整个系统设计的中心单元 在采样电路对条件光线检测 传入 a d 转换电路模数转换后 信号即进入单片机控制系统 单片机系统对输入的数字信号 分析处理 按照预先设置的程序对其做出反映 再经过处理后将最终的数字信号经 过设定的输出端口输出 后接的执行机构或是执行驱动机构就会有响应动作 至此 单片机完成其收集信号 处理信号 控制信号输出的功能 在单片机控制电路的部分因为采用的单片机类型为 at89c51 这种单片机芯片 内并无时钟控制电路 即无内置时钟信号 所以在单片机系统外加接了一个 74ls74 芯片 以提供使用频率为 500khz 的时钟信号 6 12 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 2 2 4 执行单元 题目设计是对于室那照明设备的自动控制 所以单片机的直接控制器件就是是 内的照明设备 对于单片机的数字量输出 我们后接的实现控制室内灯开关的开关 电路是以固态继电器为主要构件的 这种固态继电器 其特点就是可以直接接受单 片机传出的数字量 在驱动电压或电流满足的情况下 直接对单片机控制系统的指 令作出响应 当一输入端为高电频时 输入端不通 继电器关闭 室内灯关闭 当 一输入端为低电频输入时 继电器导通 室内灯打开 7 以上就是整个执行结构的控制过程 利用固态继电器 节省了将单片机输出信 号转换为模拟量信号从而进行控制的电路设计 简化了整个电路 13 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 第三章 采样电路设计 采样电路的设计主要包括 可见光探测电路的设计 红外探测组件的电路设计 3 1 红外探测电路的设计 整体自动控制系统的设计要实现的功能中有检测室内人员情况的要 求 所以设计红外传感器电路实现对室内人员情况的检测 整个原理电路 设计如下图所示 图 3 1 红外传感电路图 14 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 3 1 1 传感器件的选择 电路需要通过对室内环境红外线检测来判断室内人员的情况 在这个电路中我 选用的是热释电型红外传感器ln084 这种热释电器件是利用某些材料的热释电效 应 钛酸钡等热电材料 若其表面的温度上升或下降 则该表面产生电荷 这种效 应称热释电效应 制成的红外检测元件 传感器通过检测受光面温度升高值实现其 传感作用 它工作在红外波段内 室温条件下 检测灵敏度很高 而且与辐射波长 无关 可探测功率只受背景辐射的限制 热释电型红外传感器结构如图 2 所示 其等效电路如图 3 所示 为抑制因环境 和自身温度变化而产生的干扰 该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向 串联或接成差动平衡电路方式 由于热电元输出的是电信号 并不能直接使用 因 而需要用如图2中电阻rg将其转换为电压形式 该电阻阻抗高达10000mg欧姆 故 将引入的沟道场效应管接成共漏即源极跟随器完成阻抗变换 热释电红外传感器由 传感探测元 干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成 其结构图如图 3 2 使用 时 d 端接电源正极 g 端接电源负极 s 端为信号输出 这种传感器是在to 5 组件内装入热释电元件和高阻抗输出电路 并在其上 面开一个硅窗口 热释电元件和场效应管装在一起 能输出与红外辐射强度成正比 例的电压 这种传感器的性能主要取决于热释电材料的性能 对热释电材料的要求是 吸收红外光的能力极强 接收能量后能产生较大的温升 温度变化引起的自 发极化变化大 介电常数小 以便得到大的输出电压 介电损耗小 当前实用 热释电材料有sr0 5ba0 5nb2o6 单晶 pzt 陶瓷 pbtio3 陶瓷 litao3 单 晶 linbo3 单晶 和pvf2 高聚物 等 图3 2 热释电红外传感器结构图 15 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 图 3 3 热释电红外传感器等效电路图 人体具有约37 的恒定体温 所以会发出波长约10um左右的红外线 热释电 红外传感器就是靠探测人体发射的10um左右的红外线而进行工作的 热释电红外传 感器是一种具有极化现象的热晶体或称为 铁电体 其内部的热电元由高热电 系数的铁钦酸铅汞陶瓷以及担酸铿 硫酸三甘铁等配合绿光镜片窗口组成 这种铁 电体的极化强度单位面积的电荷随温度变化而变化 当红外光照射到己经极化的电 铁体薄片表面上时 引起薄片温度升高 使其极化强度降低 表面电荷减少 这 相当于释放一部分电荷 所以叫做热释电红外传感器 如果将负载电阻与铁电体薄 片相连则负载电阻上便产生一个电信号输出输出信号的大小取决于薄片温度变化 的快慢 从而反映出入射的红外光的强度从而 热释电红外传感器的电压响应率 正比于入射红外光的变化率 当恒定的红外光照射在热释电红外传感器上时 传感 器没有电信号输出 而只有铁电体处于变化过程中才有电信号输出所以 必须有 交变的红外光照射不断引起传感器的温度变化 才能导致热释电产生并愉出交变 信号 9 8 传感器特性如下表所示 表3 1 热释电红外传感器特性 16 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 3 1 2 菲涅尔透镜的使用 菲涅尔透镜是一种精密的光学系统 它是根据对灵敏度和接受角度的要求设计 制造的 其技术精度要求很高 一片优质透镜必须是表面光洁 纹理清晰 厚度在 0 65mm 左右 对红外光的透过率大于 65 由实际情况来看 如果不加菲涅尔透镜 传感器系统的检测距离最大仅 2m 左右 加透镜后 有效检测距离可达到 12 15 米 左右 适应了室内范围的检测 这是因为移动的人体 或动物体 发射的红外线进 入透镜后 会产生一个交替出现的 盲区 和 高灵敏度 这样就形成了光脉冲 透镜是由许多 盲区 和 高灵敏区 组成的 于是便形成了光脉冲 透镜是 由许多 盲区 和 高灵敏区 组成的 于是便形成了一系列光脉冲进入传感器 从而大大提高了检测灵敏度 10 图 3 4 菲涅尔透镜检测示意图 3 1 3 整体电路的工作原理 电路的人体检测电路由菲涅尔透镜 热电红外传感器 四运算放大器 ic1 组成 当人体进入传感器监控范围内时 透镜将红外线能量送入传感器 感应出的微弱电 压经 ic1 1 与 ic1 2 放大 ic1 3 ic1 4 组成的比较器取出有用信号以控制 ic2 的状态 由 ic2 控制 vs1 晶闸管 由 vs1 为整个电路提供传入后续电路的信号源 在此电路中因为有 ic2 的作用使得经 vd5 后 ic2 的 4 管角保持在高电频的状态 让 17 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 光控电路不受灯光等因素的影响 3 2 可见光探测电路的设计 在系统通过红外传感组件对室内的人员情况采样后 接下来要对室内 的光照强度采样检测 从而确定室内的光线是控制在相应的范围内 并于 在达到或是低于相应的值后 通过单片机的控制 影响后续电路 其具体 原理电路如下图 3 5 所示 3 2 1 传感器的选择 在可见光传感组件的设计部分我采用了光敏电阻作为光感元件 通过对光电 管 光敏电阻的各种性能进行比较 发现光敏电阻的光谱响应峰值比较接近人的视 觉敏感区 555mm 波长 其次是当光照强度减弱时 它的响应时间相对增加 这对本 套装置在光照强度变化时 输出状态保持相对稳定十分重要 图 3 5 可见光探测组件电路原理图 18 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 光敏电阻与其它半导体光电器件相比 有以下优点 其光谱响应范围相当宽 工作电流大 可达数毫安 所测光强范围宽 既可测强光 也可测弱光 灵敏 度高 光导电增益大于 1 偏置电压低 无极性之分 使用方便 缺点是 在强 光照射下光电转换线性较差 光电驰豫过程较长 何为光电导的驰豫现象 即光照 后 半导体的光电导随光照时间逐渐上升 经一段时间到达定态值 光照停止后 光电导逐渐下降 频率响应 器件检测变化很快的光信号的能力 很低 光敏电阻是一种典型的光电导器件 该电阻具有光电导效应 即其组成材料 或 器件 在受到光辐射以后 它的电导率 或阻值 会发生变化 图 3 6 所示为光敏电阻的工作原理 图中 在光敏电阻的两极间加上一定电 压 v 当光照射在光敏电阻上时 其内部被束缚的电子吸收光子能量成为自由电子 并留下空穴 光激发的电子 空穴对在外电场的作用下同时参与导电 从而改变了 光敏电阻的导电性能 随着光强的增加其导电性能变好 即光敏电阻的电导率增加 流过其内的电流 光电流 增加 其本身的电阻值减小 随着光强的减小 其导电性 能变坏 即光敏电阻的电导率减小 流过其内的电流 光电流 减小 其本身的电阻 值增加 根据热平衡状态下半导体电导率公式 3 1 可推算出在光辐射作用下产生 的光电流 3 1 式中 qn 是光电子形成的内部电流 v 是光敏电阻两端电压 l 是光电导体的长度 tn tp 是光辐射下每单位时间产生 n 个电子 空穴对的各自寿命 un up 分别是电 子和空穴的迁移率 由此可见 光敏电阻的光电流与入射的光子数 量子效率和光电导体长度 l 以 及加在其两端的电压大小等因素有关 其电流大小与 l 的平方成反比 因此在设计 光敏电阻时 常设法将 l 减小 使光电流增大 光敏电阻的主要特性参数有光导电增益 光谱响应率 光电特性和照度指数 前历效应及温度特性等 11 光敏电阻在实际使用中 须在外加电压作用下 才能在光敏电阻输出回路中产 19 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 图 3 6 光敏电阻工作原理图 生随光照度变化的光电流或光电压 光敏电阻的偏置方式有直流偏置 交流偏置和 微波偏压偏置等 图 3 7 所示是它的基本偏置电路 图中 rp 为光敏电阻 rl 为 负载电阻 3 2 结合偏置电路图 3 7 电路下面从三种情况加以分析 l 当 rl rp 时 i v rl 即负载电流与光敏电阻无关 近似为常数 此时 为恒流偏置 2 当 rl rp 时 v 0 因此光敏电阻电压近拟等于 v 此时为恒压偏置 3 当 rl rp 时 表示负载匹配 此时光敏电阻输出功率最大 此时的工作状 态为恒功率偏置 也叫匹配偏置 12 20 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 图 3 7 光敏电阻偏置电路图 3 2 2 放大电路的设计 可见光探测电路的放大电路设计如下图 图 3 8 基本放大电路图 根据放大的基本原理 v 0 i f r r vi 3 3 则电压放大倍数通过可通过调节 rp1 和 rp2 两个滑动变阻器来进行 pr1 pr2 相当于公式 3 3 中的 r 即二级运算放大的倍数与 pr1 pr2 的变 f 21 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 化成正比 13 3 2 3 总体电路原理 如总体框图所示 可见光采样电路前半部分电路使用的是桥式电路 rg rp r2 r3 组成桥式电路 电桥平衡的条件是 r1 r3 rp r2 即 ua ub 检测灵敏度 r2 r3 决定 r2 r3 时灵敏度最高 即为桥式电路的最高灵敏度 若要增大输出电压 u0 可考虑增大电源电压 在电路中 r1 即为光敏 作为桥的一臂 适当选用 rp r2 r3 的阻值 可与宽范围的光源相对应 本电路选用 r 0 6 特性的光敏电阻 对于 宽范围照度的变化 其内阻变化也很小 在输入部分不采用特殊措施 电路也能稳 定工作 在整个电路中 可见光采样电路的作用是采集光照强度的信号 与设定的光照 强度x1 x2作出比较 从而实现控制 x1 x2 的取值可根据平均照度的公式3 4 计算 e q n u k a 3 4 式中 q 光源的光通量 n 灯具数 u 灯具的利用系数 k 维护系数 a 室内面积 单位m2 国标对室内照度推荐值 150 lx 200 lx 300 lx 根据国际设定的照度值通 过光通量得到相应照度下的电压或电流值 第四章 信号转换模块设计 22 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 4 1 信号转换电路框图 图 4 1 信号转换电路图 a d 转换电路是通过中间 a d 转换芯片完成任务的 这个电路先丛前置电路中 获得电压或是电阻等模拟量输入信号 这些信号是通过管脚 in0 in7 传如芯片的 在信号传入后 通过对芯片预先设置相应的转换程序选择通道 有选择的将选中的 通道的输入模拟信号转换为数字信号输出 以便后接的单片机控制模块进行相应的 动作 因为系统设计同时只需要对一路电信号进行转换 而且需要与单片机接口简 单化 软件操作简单 所以我在转换模块设计时选用了 adc0809 型芯片 23 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 4 2 adc0809 模数转换芯片 adc0809 是带有 8 位 a d 转换器 8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑 的 cmos 组件 它是逐次逼近式 a d 转换器 可以和单片机直接接口 adc0809 的 内部逻辑结构图如下所示 图 4 2 adc0809 的内部逻辑结构图 由图 4 3 adc0809 功能图可知 adc0809 由一个 8 路模拟开关 一个地址锁存与译 码器 一个 a d 转换器和一个三态输出锁存器组成 多路开关可选通 8 个模拟通道 允许 8 路模拟量分时输入 共用 a d 转换器进行转换 三态输出锁器用于锁存 a d 转换完的数字量 当 oe 端为高电平时 才可以从三态输出锁存器取走转换完的数 据 adc0809 的引脚结构和功能图见图 4 4 所示 24 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 图 4 3 adc0809 功能图 adc0809 的引脚结构和功能图见图 4 4 所示 25 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 图 4 4 adc0809 的引脚结构和功能图 in0 in7 8 条模拟量输入通道 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 a b c 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 26 基于单片机的室内照明自动控制系统设计 量进转换器进行转换 a b 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 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 500khz vref vref 为参考电压输入 adc0809 芯片可以分时处理8 路模拟量输入信号 使用模拟开关切换 在某一 时刻 模拟开关只能与一路模拟量通道接通 对该通道进行a d 转换 表2中c b a 是三条通道的地址线 当地址所存信号ale为高电平时 c b a 三条线上的数 据送入adc0809内部的地址锁存器中 经过译码器译码后选中某一通道 当ale 0 时 地址锁存器处于锁存状态 模拟开关始终与刚才选中的输入通道接通 表4 1 8路模拟开关与输入通道的关系表 选中通道的模拟量到达a d 转换器时 a d 转换器并未对其进行a d 转换 只有当转换启动信号端start 出