基于单片机的智能照明控制系统设计

本科生毕业论文本科生毕业论文 设计设计 题 目 室内智能照明控制系统的研究与设计 学生姓名 李 天 顺 学 号 1 专业班级 建筑电气与智能化 10101 班 指导老师 曾 进 辉 2013 年 11 月 基于单片机的智能照明控制系统设计 摘 要 随着电子技术的飞速发展 基于单片机的控制系统已广泛应用于工业 农业 电 力 电子 智能楼宇等行业 微型计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心 代替了 传统的控制系统的常规电子线路 楼宇智能化的发展与成熟 也为基于单片机的照明 控制系统的普及与应用奠定了坚实的基础 本文介绍了基于单片机 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 和 AT89C2051 单片机为基础 实现了通信 信号采集 控制与显 示等功能 使用光电子镇流器 使光源具备自动调节功能 文中详细地描述了控制电 路的设计过程 包括 光信号取样电路 人体信号采集电路 键盘与 LED 显示电路 RS485 通信电路 照明灯控制电路 看门狗电路以及信号处理电路等 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 工作时 光信号取样电路采集光照强弱 人体信号采集电路采集室内是否有人 是 否为工作时间等信息并将信号送到单片机 单片机根据这些信息通过控制电路对照明设 备进行开关操作 从而实现照明控制 以达到节能的目的 关键词 智能控制 主控制器 分控制器 单片机 定时控制 The Control System for Intelligent Lighting Based on Single chip Microcomputer Author Li Guozhong Tutor Sun Man Abstract 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 system electronic 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 In this paper the Indoor Lighting Control System Based on AT89C51 and its principle are introduced Some effective and energy saving control strategys 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 design 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 AT89c2051 The system can do many jobs such as wired communication Signal Acquisition wireless data transmitting controlling and display Use of electonic ballasts the light source with automatic adjustment function The paper describes the designing process of the circuit at length including Optical signal sampling circuit the body signal acquisition circuit 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 LED displaying and signal processing circuit 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 Work the optical signal sampling circuit collecting lighting intensity indoor collecting of human signal acquisition circuit if anyone whether for work time and other information and signal to the microcontroller MCUcontrol circuiti based on these information through the switching operation of lighting equipment in order to achieve lightingcontrols to sava energy Key Words Intelligent control Host controller Auxiliary controller Single chip microcomputer Timed controlling 目 录 1 绪论 1 1 1 课题研究背景 1 1 2 智能照明控制系统的发展与现状 1 1 2 1 智能控制技术的研究现状 1 1 2 2 国内外智能照明发展概况 1 1 2 3 智能照明控制系统的优点 2 1 2 4 智能照明控制系统的组成 2 1 2 5 现有智能照明控制系统的分析 2 1 3 系统设计 3 1 3 1 系统设计要点 3 1 3 2 系统设计思路 3 2 硬件电路设计与实现 7 2 1 系统硬件总述 7 2 2 CPU 性能介绍 7 2 3 主控制器电路设计 7 2 3 1 键盘的接口设计 8 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 9 2 4 分控制器的电路设计 9 2 5 RS485 通信电路的设计 10 2 6 光信号取样电路 12 2 6 1 Microwire 串行总线性能介绍 13 2 6 2 TLC1549 的接口设计 14 2 6 3 TCL1549 的数据采集程序设计 15 2 7 人体信号采集电路 16 2 7 1 人体红外探头 16 2 7 2 信号处理电路 19 2 7 3 比较电路 20 2 8 DS12887 时钟芯片接口电路设计 21 2 8 1 DS12887 的原理及管脚说明 22 2 8 2 地址分配表及时间 日历和闹钟的数据格式 23 2 8 3 DS12887 状态控制寄存器 23 2 8 4 DS12887 初始化程序 25 2 9 输出驱动电路设计 27 2 10 延时时间选择电路 28 2 11 零点检测与可控硅控制电路的设计 29 2 12 数字可调光电子镇流器 30 3 系统软件设计及实现 31 3 1 人机交互程序设计 32 3 1 1 键盘扫描程序设计 32 3 1 2 LED 数码显示程序设计 33 3 2 照明启停控制程序设计 34 3 2 1 全部启停控制程序设计 35 3 2 2 单独启停控制程序设计 37 3 3 照明控制程序设计 39 3 3 1 全部定时控制程序设计 40 3 3 2 单独定时控制程序设计 41 3 4 RS485 通信程序设计 42 3 4 1 主机部分通信程序设计 44 3 4 2 从机部分通信程序设计 45 4 系统可靠性设计 48 4 1 干扰产生的后果 48 4 2 单片机应用系统的硬件抗干扰设计 49 4 3 软件抗干扰技术 52 4 3 1 数据采集误差的软件对策 52 4 3 2 程序运行失控的软件对策 52 总 结 54 致 谢 55 参考文献 56 附 录 57 1 绪论 1 1 课题研究背景 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 但由于学校开放型的管理模式 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 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 1 4 1 5 电费支出 占据较重比例 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 目前常用的节电方式为手工控制 声控型 太阳能灯等 手工方式操作起来不灵 活 费时费力 声控型往往判断不准确 不需要的时候也也会经常亮 太阳能设备投 资比较大 且容易受光照强度的影响 因此市场上迫切需要一种操作方便 价格低廉 便于大面积推广的新型节能方案 1 2 智能照明控制系统的发展与现状 1 2 1 智能控制技术的研究现状 智能控制技术发展方向主要有基于人工智能技术的智能控制方向 智能控制的模 糊控制方向和智能控制的人工神经网络控制方向 在智能控制的人工神经网络控制方 向上 基于人工神经网络和模糊逻辑有机结合的神经模糊技术 已成为近年来的一个 热门课题 1 2 2 国内外智能照明发展概况 智能建筑 是综合计算机 信息通信等方面最先进的技术 使建筑物内的电力 空调 照明 防灾 防盗 运输设备等 实现建筑物综合管理自动化 远程通信和办 公自动化的有效运作 并使这三种功能结合起来的建筑 人工智能技术在建筑与照明中的应用趋势不断扩大 正如英国的 Glasgow 市报指 出 Glasgow 正在成为一个研究和发展太空时代智能建筑的国际组织的神经中枢 在 智能建筑中的智能照明 供热 空调 通讯及办公设备将全部由电子计算机进行控制 与管理 面对这一发展趋势 开发了不少智能照明设计 如智能灯具 智能照明控制与管 理系统 包括在照明方面的计算机硬件和软件 此外计算机在照明设计和测试方面也 得到广泛应用 澳大利亚邦奇开发的 Dynalie 智能照明控制系统 美国的智能照明建 筑 特别是现代化办公室的智能照明技术等都值得我们研究与借鉴 1 2 3 智能照明控制系统的优点 智能照明控制系统是指用计算机技术并辅助以其它手段 对电力照明实行自动控 制 提供合适照明光环境的同时降低照明系统电能消耗和其它使用费用 智能照明控 制系统于手动照明控制系统相比有很多优点 包括创造环境气氛 改善工作环境 提 高工作效率 良好的节能效果 延长光源寿命 管理维护方便等 1 2 4 智能照明控制系统的组成 智能照明控制系统主要由输入装置 处理器和执行器三个部分组成 输入装置可以不断检测周围环境的照度水平 可以探测到某个区域是否有人移动 以 及输入人们的控制指令 并把相应的信号传送给处理器 输入装置包括传感器 定时 装置和控制面板或遥控器 处理器接受输入装置的信号 经过信息处理 判断 分析 输出控制信号 执行器与灯具直接连接 控制灯光回路的闭合或断开和调节灯光到相应的水平 包括手动开关 1 2 5 现有智能照明控制系统的分析 澳大利亚邦奇开发的 Dynalite 分布式智能照明控制系统的特点是模块化结构和分 布式控制 各功能模块之间通过网络总线直接相互通信 当系统中某个模块出现故障 时不会影响其它模块 可靠性高 美国 LC sbit ADOUT P1 1 sbit ADCS P1 2 Void AetAD uchar i 1 w PickCount uint vol for w 1 w PickCount w ADCLK ADOUT 0 vol 0 ADCS 0 开启控制电路 使能 DATA OUT 和 I O CLOCK for i 1 i 10 i 采集 10 位串行数据 给一个脉冲 ADCLK 1 vol 1 if ADOUT vol 0 x01 ADCLK 0 ADCS 1 delay 21 两次转换间隔大于 21us P0 0 xff P0 口置初始输入状态 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 热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线 并将其转变为电压信 号 热释电传感器具有成本低 不需要用红外线或电磁波等发射源 灵敏度高 可流 动安装等特点 实际使用时 在热释电传感器前需安装菲涅尔透镜 这样可大大提高接 收灵敏度 增加检测距离及范围 实验证明 热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜 则其 检测距离仅为 2 m 左右 而配上菲涅尔透镜后 其检测距离可增加到 10 m 以上 2 7 1 1 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 11 为它们的顶视图 其中较大的矩形部分为滤光窗 图 2 12 为底视图 图 2 13 为侧视图 P1 P2 为两个敏感单元 面积约 2 1mm2 间距 1mm 1 1 敏感单元 敏感单元 当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时 由于 P1 P2 自身产生极化 在 图 2 11 传感器顶图 2 12 传感器低图 2 13 传感器侧 电容的两端产生极性相反 电量相等的正 负电荷 而这两个电容的极性是相反串联 的 所以 正 负电荷相互抵消 回路中无电流 传感器无输出 当人体静止在传感器的检测区域内时 照射到 P1 P2 上的红外线光能能量相等 且达到平衡 极性相反 能量相等的光电流在回路中相互抵消 传感器仍然没有信号 输出 同理 在灯光或阳光下 因阳光移动的速度非常缓慢 P1 P2 上的红外线光能 能量仍然可以看作是相等的 且在回路中相互抵消 再加上传感器的响 应频率很低 一般为 0 1 10Hz 即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄 一般为 5 15um 因 此 传感器对它们不敏感 从原理上讲 任何发热体都会产生红外线 热释电人体红外线传感器对红外线的 敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化 而温度的变化导致电信号 的产生 环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不向外输出信号 而传感器的 低频响应 一般为 0 1 10Hz 和对特定波长红外线 一般为 5 15um 的响应决定了传 感器只对外界的红外线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感 而这种变化对人体 而言就是移动 所以 传感器对人体的移动或运动敏感 对静止或移动很缓慢的人体 不敏感 它可以抗可见光和大部分红外线的干扰 2 2 滤光窗 滤光窗 制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料 它的探测波长范围为 0 2 20 m 为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度 通常在传感器上加装 了一块干涉滤光窗 滤光窗是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的 滤光窗能 有效地滤除 7 0 14um 波长以外的红外线 例如 SCA02 1 对 7 5 14um 波长的红外线 的穿透量为 70 在 6 5um 处时下降为 65 而在 5 0um 处时陡降为 0 1 P2288 的响 应波长为 6 14um 中心波长为 10um 物体发射出的红外线辐射能 最强波长和温度的关系满足 m T 2989 um k 其 中 m 为最大波长 T 为绝对温度 人体的正常体温为 36 37 5 即 309 310 5K 其辐射的最强的红外线的波长为 m 2989 309 310 5 9 67 9 64um 中心波长为 9 65um 因此 人体辐射的最强的红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长 7 14um 的中心 所以 滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过 而最大限度地 阻止阳 光 灯光等可见光中的红外线的通过 以免引起干扰 2 7 1 2 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 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 14 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 图 2 14 信号产生输出示意图 BIS0001 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 2MR4 0 01uFC2 10KR5 R6 C4 10uF C3 D S G PIR 1M R2 47K R7 47uF C5 1K R3 47K R1 0 01uF C1 1MR8 200KR9 1KR10 0 47nF C6 47nF C7 Vo 5V 由于热释电传感器输出的信号变化缓慢 幅值小 小于 1 mV 不能直接作为照明 系统的控制信号 因此传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路 使得传感 器输出信号的不规则波形转变成适合于单片机处理的数字信号 根据以上要求 人体热 释电检测电路组成框图如图 2 15 所示 2 15 热释电检测电路组成框图 2 7 2 信号处理电路 本设计采用 BIS0001 来完成对热释电传感器输出信号的处理 BIS0001 是一款具 有较高性能的热释电传感器信号处理集成电路 它主要由运算放大器 电压比较器 状 态控制器 延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成 由 BIS0001 构成的信号处理 电路如图 4 所示 图 2 16 中 热释电传感器 S 极输出信号送入 BIS0001 的 14 脚 经内部第一级运算 放大器放大后 由 C3 耦合从 12 脚输入至内部第二级运算放大器放大 再经电压比较器 构成的鉴幅器处理后 检出有效触发信号去启动延迟时间定时器 最后从 12 脚输出信号 Vo 送入单片机进行照明控制 实验所得 当传感器检测室内有人时 Vo 4 V 无人 时 Vo 0 4 V BIS0001 的 1 脚接高电平 使芯片处于可重复触发工作方式 输出 Vo 高电平 的延迟时间 Tx 由外部 R8 和 C7 的大小调整 触发封锁时间 Ti 由外部 R9 和 C6 的大小 调整 检测对象菲涅尔透镜信号处理电路热释电红外传感器Vo 6 5 7 2 1 3 C 5 30KR 263KR 9 1 2 JP4 Header 2 V 12 300 R 34 VC C P2 5 P2 6 R 20 R 23 VC C 图 2 16 热释电传感器信号处理电路图 2 7 3 比较电路 比较电路如图 2 17 所示 由两个运算放大器组成 输入信号来自于红外人体探 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 17 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 表表 2 12 1 探头采集信号输出状态表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 MCB 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 2 8 1 DS12887 的原理及管脚说明 图 2 18 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 图 2 18 DS12887 芯片管脚图 2 8 2 地址分配表及时间 日历和闹钟的数据格式 表表 2 22 2 时间 日历和闹钟的数据格式时间 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 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 3 DS12887 状态控制寄存器 DS12887 有 4 个控制寄存器 它们在任何时间都可访问 即使更新周期也不例外 1 寄存器 A 表表 2 32 3 寄存器寄存器 A A 的功能表的功能表 BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0 UIPDV2DV1DV0RS3RS2RS1RS0 UIP 更新周期正在进行位 当 UIP 为 1 更新转换将很快发生 当 UIP 为 0 更新转换至少在 244 s 内不会发生 DV0 DV1 DV2 用于开关晶振和复位分频链 这些位的 010 唯一组合将打开晶 振并允许 RTC 计时 RS3 RS2 RS1 RS0 频率选择位 从 15 级频率器 13 个抽头中选一个 或禁 止分频器输入 选择好的抽头用于产生方波 SQW 管脚 输出和周期中断 用户可以 用 PIE 位允许中断 用 SQWE 位允许 SQAW 输出 二者同时允许并用相同的频率 都 不允许 2 寄存器 B 表表 2 42 4 寄存器寄存器 B B 的功能表的功能表 BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0 SETPIEAIEUIESQWEDM24 12DSE SET SET 置 0 时 时间更新正常进行 每秒计数走时一次 当 SET 位写入 1 时间更新被禁止 程序可初始化时间和日历字节 PIE 周期中断允许位 PIE 为 1 时 则允许中断 PIE 为 0 时 则禁止中断 AIE 定闹中断允许位 PIE 为 1 允许中断 否则禁止中断 SQWE 方波允许位 置 1 时选定频率方波从 SQW 脚输出 置 0 时 SQW 脚为低 电平 DM 数据模式位 置 1 时 时间 日历和警报的数据采用二进制形式 置 0 时采用 BCD 码 24 12 小时格式位 置 1 采用 24 小时模式 置 0 则采用 12 小时模式 DSE P 夏令时允许位 当 DSE 置 1 时允许两个特殊的更新 在四月份的第一 个 星期日 时间从 1 59 59AM 时改变为 1 00 00AM 当 DSE 位为 0 这种特殊修正 不发生 3 寄存器 C 表表 2 52 5 寄存器寄存器 C C 的功能表的功能表 BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0 IRQFPFAFUF0000 IRQF 中断申请标志位 当下列表达式中一个或多个为真时 置 1 PF PIE 1 AF AIE 1 UF UIE 1 即 IRQF PF PIE AF AIE UF UIE 只要 IRQF 为 1 IRQ 管脚输出低电平 寄存器 C 是只读寄存器 所有标志位都 是芯片内部时钟在运行中产生中断时置位 程序读寄存器 C 以后或 RESET 管脚为低 后 所有标志位清零 AF 定闹中断标志位 只读 AF 为 1 表明现在时间与定闹时间匹配 UF 更新周期结束标志位 UF 为 1 表明更新周期结束 BIAT0 BIT3 寄存器 C 未用状态位 读出总为 0 不能写入 4 寄存器 D 表表 2 62 6 寄存器寄存器 D D 功能表功能表 BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0 VRT0000000 VRT 内部锂电池状态位 平时应总读出 1 如出现 0 表明内部锂电池耗尽 BIT0 BIT6 寄存器 D 未用状态位 读出总为 0 不能写入 2 8 4 DS12887 初始化程序 define uchar unsigned char define uint unsigned int include include include include include include include define P XBYTE 0 x4000 define P XBYTE 0 x4001 define P XBYTE 0 x4002 define P XBYTE 0 x4003 define P XBYTE 0 x4004 define P XBYTE 0 x4005 define P XBYTE 0 x4006 define P XBYTE 0 x4007 define P XBYTE 0 x4008 define P XBYTE 0 x4009 define P12887a XBYTE 0 x400a define P12887b XBYTE 0 x400b define P12887c XBYTE 0 x400c define P12887d XBYTE 0 x400d define P12887e XBYTE 0 x400e define P12887f XBYTE 0 x400f void setup12887 uchar p void read12887 uchar p void start12887 void void setup12887 uchar p 设置系统时间 uchar i i P12887d P12887a 0 x70 P12887b 0 xa2 P p P 0 xff P p P 0 xff P p P 0 xff P p P p P p P p P12887b 0 x22 P12887a 0 x20 i P12887c void read12887 uchar p 读取系统时间 uchar a do a P12887a while a Q1 Q2 F2 Fuse Thermal K Relay SPSTD4 C3 D5 LED V 12 680 R10 Q3 47K R7 P2 0 3K R8 P2 1 1 2 3 4 P Header 4H AC220V 100 R14 1 R27 p P p P p P p P p P p P p P void start12887 void 启动时钟 uchar i i P12887d P12887a 0 x70 P12887b 0 xa2 P 0 xff P 0 xff P 0 xff P12887b 0 x22 P12887a 0 x20 i P12887c void Stop calendar void REG A 0 x70 2 9 输出驱动电路设计 单片机输出控制信号电路如图 2 20 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 当 P2 0 口输出的是 0 电平时 则由 Q1 Q2 两个三极管组成的信号放大电路 就被截止 则继电器回路中无电流 所以 继电器线圈无法工作 使得继电器开关触 点断开 电灯回路不通 电灯不亮 反之 当 P2 0 口输出的是 0 信号时 则由 Q1 Q2 两个三极管组成的信号放大电路就导通了 则继电器线圈工作 使得继电器 触点闭合 电灯回路导通 电灯亮了 图 2 20 输出控制电路 当 P2 1 口输出的是 0 电平时 三极管 Q3 截止 发光 LED 管电路不导通 发 光 LED 管不亮 反之 发光 LED 管则亮 该发光 LED 管作为系统的故障提示灯来使 用 该 P2 1 口有四种信号状态并对应不同的用户提示信息 即常 1 正常 开 启室内照明电器 常 0 正常 关闭室内照明电器 间隙 1 秒 0 1 信号交替 故障 系统密码不对 重新输入密码 间隙 2 秒 0 1 信号交替 故障 控制器硬件有故障 请更换控制器 2 10 延时时间选择电路 系统在 A T89C51 的 P1 中设置了延时时间选择电路 其目的是在环境光照较弱 时 照明设备延时一段时间后自动熄灭 电路通过 P1 0 P1 3 设置 4 个延时时 间 当 P1 0 P3 0 无开关闭合时 系统按初始值进行延时 当 P1 0 P1 3 有开 关闭合时 程序从 P1 3 P1 0 进行检测 若检测到某一端口为低电平时 则系统按 当前端口设置的值进行延时 设置时间关系值如表 2 7 所示 表表 2 72 7 端口时间设置表端口时间设置表 2 11 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 M0C3021 作为可控硅的驱动器 同时实现强 弱电的隔离 光电耦合器 M0C3021 通过一个非门与 89C2051 的 P3 7 口连接 当此脚输出高电平时 将会封锁住 MOC3021 使双向可控硅 BT131 不导通 这样就会使照明灯关闭 当 P3 7 脚输出低电平时 使光电耦合器 MOC3021 打开驱动双向可控硅 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 PWM Pulse Width Modulation 方式 即脉冲宽度调制的简称 PWM 是一种周期一 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 T1 周期为 T 波形如图 2 21 所示 T1 T2 T 图 2 21 脉冲波形图 则输出电压的平均值为 U VCC T1 T VCC 其中 T1 T 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 VCC 为电源电压 当电源电压 VCC 不变的情况下 输出电压的平均值 U 取决与占空比 的大 小 改变 的大小就可以改变输出电压的平均值 这就是 PWM 的工作原理 灯泡的 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 PWM 信号的占空比来控制可控硅的导通角 因此占空比越大 灯泡就越亮 当占空比 1 时 灯泡的亮度最高 由于 89C2051 单片机没有 PWM 信号输出功能 所以在这里采用单片机定时器配 合软件的方法来实现 PWM 信号的输出 使用 PWM 方法进行可控硅控制时 调制频率不能低于市电频率 因为当频率低于 50Hz 时 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 3 2 所示 先由一个 变压器将市电电压转换成 10V 左右的电压 经过整流 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 LM311 的正输入端 用以检测交 流电的过零点 然后将过零信号送给单片机的 P1 3 口上 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 PWM 信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 2 12 数字可调光电子镇流器 由于荧光灯既不能调节功率 也不能自动点亮 所以荧光灯不能直接与电源连 接 镇流器可确保灯管预热后产生足够的电压点亮灯管 并保证放电电流得以控制 电子镇流器具有以下特征 1 经济实用 2 应用简便 3 性能可靠 4 节 能 5 延长光源的使用寿命 6 切断故障灯管 7 恒定功率 8 适用于应急照 明 9 高频工作带来高质量照明 PCA EXCEL one4all 是锐高公司生产的第四代可调光数字电子镇流器产品 他在 单个装置内集成了四中特有功能 使用 switchDIM 技术可用普通复位开关实现调光 使用 SMART 技术可通过传感器实现恒定光照度控制 使用 DSI 技术组成灵活控制系 统 使用 DALL 技术实现单程寻址的控制系统 PCA EXCEL one4all 可灵活自动地采 取相应的照明管理方案 3 系统软件设计及实现 软件设计分主程序设计 子程序设计 中断程序设计三大块 软件是计算机系统的 灵魂 没有软件计算机不能充分发挥其功能 这是软件在计算机中的地位 而在计算机控 制系统中 软件也是非常重要的 在照明控制系统中 硬件设备的功能是由软件来定义的 如系统要控制分布的照明灯具 串行通信程序来完成控制功能 通过软件定义键盘功能 通过编程完成 LED 数码显示等等 由此可见 软件是控制系统中的一个重要组成部分 该照明控制系统的软件程序包括 照明启停控制程序 照明亮度控制程序 照明定时 控制程序 人机交互程序以及串行通信等 本着软件设计的基本方法 照明控制程序的软 件设计方法是利用传统的结构化分析与设计方法来完成的 结构化程序设计方法虽然是早 期的程序设计方法 但该方法还一直被广泛地使用 结构化系统分析与设计贯穿整个软件 设计过程 遵循 自顶向下 逐步求精 的基本原则 本照明控制系统软件程序总体结构 如图3 1所示 照明 启停 控制 串 行 通 信 人 机 交 互 照明控制系统 图 3 1 照明控制系统软件程序总体结构图 照明 定时 控制 3 1 人机交互程序设计 系统的人机交互程序设计 主要是解决按键的扫描与信息的显示 让操作者能够灵活 地控制系统工作 键盘用来输入指令 发光数码管用来显示单片机的状态 这是一个比较 简单的人机交互形式 3 1 1 键盘扫描程序设计 本系统的键盘采用的是 4 4 矩阵式键盘 矩阵式键盘由行线和列线组成 按键位于行 列线的交叉点上 一个 4 4 的行 列结构可以构成一个含有 16 个按键的键盘 显然 在 按键数量较多时 矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多 I O 口 矩阵式键盘中 行 列线分别连接到按键开关的两端 在进行键盘扫描时 首先把矩 阵键盘列线的第一根线置高 然后分别再检测矩阵键盘行线是否有高电平的信号 如果有 信号 那么就证明这根行线与第一根列线相交处的按键被按下了 单片机就读入这个键值 如果所有的四根行线都没有信号 那么就把第一根列线置低 把第二根列线置高 再一次 检测行线有没有信号 然后依次类推 由于键盘扫描的速度很快 而人按键总会持续一定的时