照明控制系统设计说明书

毕毕业业设设计计说说明明书书 公共场所照明自动控制系统设计公共场所照明自动控制系统设计 专业专业电气工程及其自动化电气工程及其自动化 学生姓名学生姓名郭飞郭飞 班级班级BMZBMZ 电气电气 081081 学号学号 指导教师指导教师姚志树姚志树 完成日期完成日期20122012 年年 6 6 月月 5 5 号号 盐城工学院本科毕业生设计说明书 2012 公共场所照明自动控制系统设计公共场所照明自动控制系统设计 摘要 摘要 本研究针对教室灯光的控制方法 尤其是教室灯光的智能控制方面的发 展现状 分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法 提出了基于 AT89S51 单 片机的教室灯光智能控制系统的设计思路 并在此基础上开发了智能控制系统 的硬件装置和相应的软件 该系统以 AT89S51 单片机作为控制装置的智能部件 采用 ADC0809 步 进电机 光敏三极管 按键 数码管构成的电路检测环境光的强度 根据教室 合理设置的光强开灯和对步进电机窗帘的控制 完成对教室照明回路的智能控 制 避免了教室用电的大量浪费 单片机软件采用 C 语言编制 采用模块化结构设计 条理清楚 通用性好 便于改进和扩充 该系统具有体积小 控制方便 可靠性高 专用性强 性价比合理等优点 可以满足各类大 中专院校教室灯光控制的要求 很大程度的达到节能的目的 关键词 照明 步进电机 光敏电阻 单片机 按键 ADC0804 继电器 盐城工学院本科毕业生设计说明书 2012 System design of illumination intelligence controller for public Abstract Currently light intelligent Control systems are not efficiently used in the classroom In order to improve the system based on the theory of the light control and current methods of how to keep control put forward methods of developing intelligent classroom light control system on the basis of AT89S51 and developed the hardware and software system This system uses single chip microcomputer AT89S51 as the intelligent device of control unit and takes the circuit completed by ADC0890 step motor light activated triode button and digitron to test the intensity of light According to the appropriate layout of turning on the light by light intensity in the classroom and the control of curtain by step motor it can also complete the intelligent control of illumination loop in the classroom avoiding large wasting of electrical energy The single chip microcomputer software programmed by C language and designed by modularization has excellent organization and better currency and is convenient to improve and extent This system had many advantages For example the physical volume was small the system was conveniently controlled the credibility was high the appropriation was strong and its price proportion was ideal etc The experiment proved that the system can satisfy the control command of the classroom s light device so it could largely reduce the consuming of energy resources Key word Illumination Step motor Light activated triode Single chip microcomputer Button ADC0804 Relay 盐城工学院本科毕业生设计说明书 2012 目录目录 1 前言 1 1 1 概述 1 1 2 本课题的研究目的及意义 1 1 3 采用智能照明控制系统的优势 2 1 4 本课题照明控制对象的选择 2 1 5 本课题解决的关键问题 3 2 智能照明控制系统总体设计分析 4 2 1 大学教室照明控制现状 4 2 2 系统整体设计方案 4 2 3 教室智能照明控制器设计 4 3 智能照明控制系统的硬件设计 5 3 1 总体框图及原理 5 3 2 教室智能照明控制器的微控制器的选择 5 3 3 控制系统的主要硬件电路 5 3 3 1 系统主控电路 5 3 3 2 电源电路 8 3 3 3 单片机最小系统 9 3 3 4 显示电路 10 3 3 5 A D 转换检测电路 11 3 3 6 继电器模块驱动原理 13 3 3 7 按键电路设计 14 3 3 8 直流电机正反转电路 14 4 系统软件设计 15 4 1 主程序设 计 15 4 2 键盘扫描程序设 计 16 5 软件调试 18 5 1 keil 软件调试 18 5 2 keil 软件的使用 18 5 3 Protues 介绍 23 5 4 Protues 和 keil 的链条 25 6 结论和工作展望 26 6 1 结论 26 6 2 工作展望 27 参考文献 28 致 谢 29 附 录 30 附录 1 程序清单 31 附录 2 系统电气原理图 36 附录 3 系统印刷电路图 37 附录 4 元器件清单 38 盐城工学院本科毕业生设计说明书 2012 1 公共场所照明自动控制系统设计公共场所照明自动控制系统设计 1 前言 在我国 照明耗电占年发总电量的 10 左右 而对于一些照明时间较长 照明设备较多的的学校教室 其照明系统的使用浪费现象屡见不鲜 照明超过 本单位所有耗电 40 左右 目前 国内大多数大 中 小学校教室的照明灯具 控制采用手动开关 由于缺乏合理的管理 依然不可避免出现忘记关灯 有时 可以借助外界环境能正常工作和夜晚室内空无一人时 整个教室也是灯火通明 从而造成大量的电能损耗 1 11 1 概述概述 能源问题和环境问题一直是人类社会面对的重大问题 特别是到了二十一 世纪 对降低能耗和保护环境的要求更成了国家长期发展的重中之重 我国也 提出了 节能减排 的号召 而在众多的能源问题中 电能的短缺是束缚经济 发展和人民生活的重要能源问题之一 据报道 用于照明的能源消耗占整个办公大楼能源消耗的20 60 这部 分能耗的多少很大程度上取决于照明的控制效果 在现代建筑的楼宇自动化系 统中 照明控制也是其中一个重要分支 现代建筑对照明的要求很高 除了应 该满足为建筑内人们在工作 学习 生活时对视觉环境的要求以外 还应该利 用照明设备的不同类型及光线的变换为人们提供一个舒适 有美感的办公 学 习和生活环境 此外 还应该提高能源的利用率 实现节能的目的 而传统的 照明系统由于其管理落后 能源浪费 舒适性差 布线复杂以及灯具寿命短所 以研究新型照明控制系统 对减少这部分能源消耗 减少环境污染 同时更好 的满足人们对照明质量的要求都有极其重要的意义 新型的照明控制系统主要指综合了照明 自动化控制 计算机技术 电力 电子技术等的智能照明控制系统 最根本的是通过充分利用自然光来减少人工 照明带来的能源消耗 1 21 2 本课题的研究目的及意义本课题的研究目的及意义 究其节能具有很重要的意义 本文在分析智能照明控制系统的发展背景和 应用优势上 研究了目前较成熟的智能照明控制系统的优缺点 并将对象定位 于大学教学楼的照明研究 大学中传统的照明控制方式由于其管理落后 能源 浪费 舒适性差 布线复杂以及灯具寿命短缺点 造成了大学校园中普遍存在 长明灯 无人亮灯 等电能浪费的现象 而现有成型的智能照明控制系统 在应用中存在一些问题 需要对其作进一步的研究与开发 本文详细研究了大学教室的使用特点和照明需求及存在的问题 提出了一 种网络化的教室照明智能控制系统 采用低功耗单片机和总线技术 给出了教 公共场所照明自动控制系统设计 2 室照明控制器和上位机系统的设计方法 在此基础上 在实验室中实现了测试 系统的开发和调试 同时 文中提出了通过建立人数预测模型实现教室自习时 段的照明控制方法 并论述了网络化照明控制的优越性 改善了现有教室照明 控制中存在的误关断和浪费电能的问题 论文中详细介绍了整个照明控制系统的功能和控制策略 现场控制器的硬 件电路和软件程序设计等 主要完成了以AT89S51单片机为核心芯片的硬件设计 包括数据采集模块 串口通讯模块和执行模块等的电路设计和软件开发 设计 了整个系统的控制策略和功能 并有较好的节能和智能控制效果 1 31 3 采用智能照明控制系统的优势采用智能照明控制系统的优势 传统的照明控制系统主要是由照明配电箱通过手动开关实现控制照明灯具 通断的目的 或在照明回路中串入接触器 实现远距离控制 在灯具的开关控 制上采用手动开关 所以很大程度上依赖于人的主动性 而智能照明控制系统 根据某一区域的功能 每天不同的时间 室外光亮度或该区域的用途来自动控 制照明 它能充分利用自然光 实现照明管理智能化 具体来说其优越性主要 表现在以下几个方面 1 提高照明控制的智能化程度 使整个照明系统出去全自动状态 可以根 据不同场合在不同时段中不同的情景需求 预先设定合适的照明效果 更加智 能化和人性化 2 减低电能消耗 有良好的节电效果 充分利用自然光作为光源 以人工 光为补充 并结合室内的人员情况 只有在必需时才开启照明灯具 节能效果 十分显著 一般可以达到30 左右哺 3 改善室内工作环境 提高室内人员的工作效率 4 提高建筑物的照明系统管理水平 将传统的人为开关控制转换为智能化 的管理 将大大减少大楼的运行 维护和管理的费用 总之 研究新型照明控制器及系统 对于节约照明用电 减少环境污染 满足人民群众日益增长的对照明质量 照明环境和减少环境污染的需要 建立 优质高效 经济舒适 安全可靠 有益环境的照明系统有着极其重要的意义 1 41 4 本课题照明控制对象的选择本课题照明控制对象的选择 据教育部公布 截止2007年5月18日 全国共有高校2621所高校 包括全国 普通高校共1909所 民办普通高校共295所 成人高校共415所 民办成人高校 共计2所 且每个高校不止一幢教学楼 近几年来 随着高校的扩招 学生数 量大幅增长 大学教学楼的数量也增加很多 由于大学开放型的管理模式 以 及学生们节能意识的淡薄 教室里在白天室内照度充足的情况下 仍普遍存在 开灯学习的现象 即使教室内无人或人数很少的情况下 也是全部开启室内照 明灯 在许多教室里 长明 灯和人走不熄灯的现象普遍存在 据测算 教学楼耗电量占学校所有耗电 的40 左右 盐城工学院本科毕业生设计说明书 2012 3 按照有关规定 教室照明的功率密度约为lO W m2 一个标准教室的面积 为96m2 假设每天正常用电时间为1 5 h 每个教学年度按270 d计 一个学校 教室数量为200间 节电率以平均30 计算 则一年可节电105度105 kWh 节约 电费12 20万元 以上估算还未包括线损和灯具长时间开启而损坏的部分 因此 研究大学教室的智能照明控制 在满足学校照明需求的基础上 实现大学教室 的智能照明控制 不仅能满足室内人员对照明的要求 又节能 延长灯具寿命 降低运行费用 简化节省配电控制设备和管线工作量 其研究具有非常重要的 现实意义 现有的照明控制系统虽然产品和技术都已相对较成熟 却多为针对 普通建筑物如居民楼 办公楼 多采用定时控制 场景控制或简单的传感器控 制 很难满足大学教室罩人员多 流通性强等特点 所以有必要针对大学教室 的特点 研究相应的照明控制系统 本文将控制对象具体定位为大学教室 以 细化照明控制的实施方案 提出针对大学教室实现智能照明节能控制方案和实 施方法 现在大学教室主要是利用开关控制照明 这种开关一般包括两类 一类是 定时开关结合手动方式 它结合学校的作息规律和室内人员对照明的需求来控 制开关灯 以起到控制教室照明的作用 这种粗放式的控制方式很大程度上依 赖于人的自觉性 很容易照成 长明灯 的出现 另一类是采用照度感应开关来 自动控制灯具的开关 这是近几年出现的技术 是对传统以手动方式控制照明 的一种很大的改进 笔者所在学校也于2009年6月开始陆续在校内的几个主要教 学楼里安装了此种自动控制开关 主要实现在室内光照度低于设定值并且检测 范围内有人员存在时才开启照明设备 后一类开关在一定程度上避免了教室无人时出现长明灯和的现象 并能够 利用自然光源 实现节能 但若只使用该照度感应开关来控制照明设备的开关 时间 也存在一定的弊端 主要表现为 其一 当环境温度接近人体温度时 灵敏度急剧下降 其二 对静止物不能探测 人员相对静止时间如学生长时间 保持一种固定姿态超过开关延时计数时间 灯具则会自动关闭 引起灯具间歇 式起停 影响学生学习 其三 当教室人员稀少 人员的进出和移动会造成教 室内所有相关灯管引起开闭行为 所以 需要在此类照度感应开关的基础上开 发更为智能化的照明控制方法和设备 1 51 5 本课题解决的关键问题本课题解决的关键问题 本课题通过模拟假设方法研究教室灯光的各种控制方案解决如下关键问题 a 照明回路的控制回路与控制器本身的节能问题 b 传感器与教室灯配合安装的问题 c 光线传感器参数输入采集问题 d 开 关灯的自动与手动兼容措施 e 灯的开关与时间问题 公共场所照明自动控制系统设计 4 2 智能照明控制系统总体设计分析 2 12 1 大学教室照明控制现状大学教室照明控制现状 分析大学教室的用途 白天以上课为主 照明光源以自然光为主 人工照 明为辅 用以补偿在阴天或有遮挡时教室里照度不足的区域 中午及晚上以学 生自习为主 少数教室也用来上课 不管是上课或是自习 为了保护视力和提 高学习效率 学生们均需要有良好的照明环境 但这些对照明环境的要求也造 成一个直接后果 出现资源的浪费问题 所以 需要在保证教室照明要求的前 提下 研究照明节能问题 要实现照明节能主要有两种方法 一种是选用高效照明光源或灯具 如节 能灯 在保证照明质量的前提下 降低照明用电量的根本措施就在于提高照明 设备的效率 即提高光源与灯具的效率 另一种是在现有照明灯具的基础上研 究智能照明控制策略 即在充分研究照明对象的需求上 通过优化照明系统的 运行来达到节能的效梨 在照明灯具方面 大学教室多采用荧光灯 采用直接 照明的方式 比较满足现有的需求 所以本课题着重论述后面一种方法 改进 照明控制策略和运行方式 2 22 2 系统整体设计方案系统整体设计方案 考虑教室的照明节能 改进照明系统的运行 主要应关注两个方面 合理 利用自然光作为辅助光源和根据室内人数有效开启灯具数量 这样能够在保证 照明质量的同时有效避免能源的浪费 充分自然光能减少人工灯具的开启时间 关闭室内无人区域的照明灯具带来的节能有两种方式 第一 当灯具关闭后 电能消耗减少了 这是很直接的节能 第二 延长了灯管的寿命 减少了灯具 的更换和维修费用 针对大学教室主要用于学生上课和自习学习的特点 整个照明控制系统由安 装于教室中的照明控制器 教室照明控制器采用ATMEL公司的AT89S51单片机为 中央处理器 系统采用C语言开发 2 32 3 教室智能照明控制器的设计教室智能照明控制器的设计 本方案中安装在每个教室里的智能控制器是以ATMEL公司的单片机AT89S51 为主控芯片的数据采集和处理装置 由电源模块 复位模块 数据采集模块 按键模块 执行模块等构成 控制器利用光照度传感器来探测室内照度 从而 节能控制 基本思路 通过按键模块设定要设的室内光线强度 通过数码管显 示 保留要设光线数据 基于光敏电阻通过A D转换控制电路 通过单片机采集 数据判断光线和预设值的比较 当预设值大于室内光线数据过大时单片机控制 继电器打开室内灯 要是预设值大于室内光线的值不是太大时 通过单片机控 制步进电机调节窗帘幕布打开的大小更精确的控制室内光线 同理当预设值小 于室内光线时关闭室内灯 然后通过步进电机更准确的调节 盐城工学院本科毕业生设计说明书 2012 5 3 智能照明控制系统的硬件设计 3 1 总体框图及原理 键盘 LED AT89S51 单片机 继电器 数模 转换器 光照 光照 转换器 图3 1 系统的总体设计框图 本设计采用了 AT89S51 单片机组成光照控制系统 可以实现对光强的控制 光强传感器采用了光敏电阻 对光照强度进行实时采样 通过 A D 转换模块将采 集到的模拟信号转换成数字信号 通过光线的强弱对窗帘的关闭进行控制 然 后通过数码管显示 用继电器控制光照 以此达到对光照强度的控制 总体设 计框图如图 3 1 所示 3 2 教室智能照明控制器的微控制器的选择 系统的功能和结构如前面章节所述 是一个基于微控制器的设计 在微控 制器的选择上采用 ATMEL 公司生产的 AT89S51 系列单片机中 AT89S51 是一个低功耗 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 4k Bytes ISP In system programmable 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术制造 兼容标准 MCS 51 指令 系统及 80C51 引脚结构 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储 单元 AT89S51 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用 用 AT89S51 更合适 芯片体积小 而且 AT89C2051 的工作电压最低为 2 7V 因此可以用来开发两节 5 号电池供电的便携式产品 3 3 控制系统的主要硬件电路 3 3 13 3 1 系统主控电路系统主控电路 单片机在软件的控制下能准确 迅速 高效的完成程序设计者先规定的任 务 能够完成现在工业控制系统所要求的智能化控制功能 给单片机配备必要 的外围器件 设备 用于某一控对象中 就构成了一个单片机应用系统 3 3 1 1 单片机型号选择 由于本设计要实现的功能决定了选择 AT89S51 是很合适的 与 AT89S2051 公共场所照明自动控制系统设计 6 等端口比较少的单片机相比必须选择 AT89S51 因为端口太少无法符合设计要 求 而端口太多也会浪费资源 AT89S51 价格便宜 及时与 AT89C51 相比就 新增加很多功能 性能有了较大的提升 价格基本不变 甚至比 89C51 的还低 兼容性完全向下兼容 51 全部系列的产品 本系统主要采用 AT89S51 为 ATMEL 所生产的可电气烧录清洗的 8051 相容单芯片 其内部程序代码容量为 4KB 3 3 1 2 AT89S51 主要功能 a 为一般控制应用的 8 位单芯片 b 晶片内部具时钟振荡器 传统最高工作频率可至 12MHz c 内部程式存储器 ROM 为 4KB d 内部数据存储器 RAM 为 128B e 外部程序存储器可扩充至 64KB f 外部数据存储器可扩充至 64KB g 32 条双向输入输出线 且每条均可以单独做 I O 的控制 h 5 个中断向量源 i 2 组独立的 16 位定时器 j 1 个全多工串行通信端口 k 8751 及 8752 单芯片具有数据保密的功能 l 单芯片提供位逻辑运算指令 3 3 1 3AT89S51 各引脚功能 图 3 2 AT89S51D 的 PDIP 封装形式 AT89S51 单片机引脚及封装如图 3 2 所示 VCC AT89S51 电源正端输入 接 5V 盐城工学院本科毕业生设计说明书 2012 7 VSS 电源地端 XTAL1 单芯片系统时钟的反相放大器输入端 XTAL2 系统时钟的反相放大器输出端 一般在设计上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了 此外可以在两引脚与地 之间加入一 20PF 的小电容 可以使系统更稳定 避免噪声干扰而死机 AT89S51 的重置引脚 高电平动作 当要对晶片重置时 只要对此引脚电 平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间 AT89S51 便能完成系统重置 的各项动作 使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态 并且至地址 0000H 处开始读入程序代码而执行程序 EA Vpp EA 为英文 External Access 的缩写 表示存取外部程序代码之意 低电平 动作 也就是说当此引脚接低电平后 系统会取用外部的程序代码 存于外部 EPROM 中 来执行程序 因此在 8031 及 8032 中 EA 引脚必须接低电平 因 为其内部无程序存储器空间 如果是使用 8751 内部程序空间时 此引脚要接 成高电平 此外 在将程序代码烧录至 8751 内部 EPROM 时 可以利用此引脚 来输入 21V 的烧录高压 Vpp ALE PROG ALE 是英文 Address Latch Enable 的缩写 表示地址锁存器启用信号 AT89S51 可以利用这支引脚来触发外部的 8 位锁存器 如 74LS373 将端口 0 的地址总线 A0 A7 锁进锁存器中 因为 AT89S51 是以多工的方式送出地 址及数据 平时在程序执行时 ALE 引脚的输出频率约是系统工作频率的 1 6 因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入 此外在烧录 8751 程序代码时 此 引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用 PSEN 此为 Program Store Enable 的缩写 其意为程序储存启用 当 8051 被设成 为读取外部程序代码工作模式时 EA 0 会送出此信号以便取得程序代码 通常这支脚是接到 EPROM 的 OE 脚 AT89S51 可以利用 PSEN 及 RD 引脚分 别启用存在外部的 RAM 与 EPROM 使得数据存储器与程序存储器可以合并在 一起而共用 64K 的定址范围 PORT0 P0 0 P0 7 端口 0 是一个 8 位宽的开路汲极 Open Drain 双向输出入端口 共有 8 个位 P0 0 表示位 0 P0 1 表示位 1 依此类推 其他三个 I O 端口 P1 P2 P3 则不具有此电路组态 而是内部有一提升电路 P0 在当做 I O 用时可以推动 8 个 LS 的 TTL 负载 如果当 EA 引脚为低电平时 即取用外部 程序代码或数据存储器 P0 就以多工方式提供地址总线 A0 A7 及数据总 线 D0 D7 设计者必须外加一锁存器将端口 0 送出的地址栓锁住成为 A0 A7 再配合端口 2 所送出的 A8 A15 合成一完整的 16 位地址总线 而定 址到 64K 的外部存储器空间 公共场所照明自动控制系统设计 8 PORT2 P2 0 P2 7 端口 2 是具有内部提升电路的双向 I O 端口 每一个引脚可以推动 4 个 LS 的 TTL 负载 若将端口 2 的输出设为高电平时 此端口便能当成输入端口来使 用 P2 除了当做一般 I O 端口使用外 若是在 AT89S51 扩充外接程序存储器或 数据存储器时 也提供地址总线的高字节 A8 A15 这个时候 P2 便不能当做 I O 来使用了 PORT1 P1 0 P1 7 端口 1 也是具有内部提升电路的双向 I O 端口 其输出缓冲器可以推动 4 个 LS TTL 负载 同样地若将端口 1 的输出设为高电平 便是由此端口来输入 数据 如果是使用 8052 或是 8032 的话 P1 0 又当做定时器 2 的外部脉冲输入 脚 而 P1 1 可以有 T2EX 功能 可以做外部中断输入的触发脚位 PORT3 P3 0 P3 7 端口 3 也具有内部提升电路的双向 I O 端口 其输出缓冲器可以推动 4 个 TTL 负载 同时还多工具有其他的额外特殊功能 包括串行通信 外部中断控 制 计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能 其引脚分配如下 P3 0 RXD 串行通信输入 P3 1 TXD 串行通信输出 P3 2 INT0 外部中断 0 输入 P3 3 INT1 外部中断 1 输入 P3 4 T0 计时计数器 0 输入 P3 5 T1 计时计数器 1 输入 P3 6 WR 外部数据存储器的写入信号 P3 7 RD 外部数据存储器的读取信号 3 3 23 3 2 电源电路电源电路 系统各模块的供电电源都为 5V 选用 L7805 为稳压芯片 具体电路如图 3 3 所示 D1 D4 B ridge1 1000uF C 4 100uF C 6 104 C 7 IN 1 3 OUT 2 GND U2L7805AC V 0 33uF C 5 VC C GND TF 1 TR ANS F OR M ER GND 220V5V 图3 3 电源模块 盐城工学院本科毕业生设计说明书 2012 9 3 3 33 3 3 单片机最小系统单片机最小系统 图 3 4 单片机最小系统图 MCU 最小系统工作原理 单片机最小系统 是指用最少的元件组成以单片机为核心元件的可以正常 工作具有特定功能的单片机系统 是单片机产品开发的核心电路 下面我们设 计单片机最小系统 同时具有上电复位功能 3 3 3 1 单片机时钟电路 单片机是一种时序电路 必须要有时钟信号才能正常工作 芯片的 18 脚 XTAL2 19 脚 XTAL1 分别为片内反向放大器的输出端和输入端 只要 在 18 脚 XTAL2 和 19 脚 XTAL1 之间接上一个晶振 再加上 2 个 30PF 的瓷片电容即可构成单片机所需的时钟电路 注意 当采用外部时钟时 19 脚 XTAL1 接地 18 脚 XTAL2 接外部时钟信号 3 3 3 2 单片机复位电路 单片机芯片的第 9 脚 RST Reset 是复位信号输入端 在开机或工作中因 干扰而使程序失控 或工作中程序处于某种死循环状态等情况下都需要复位 MCS 51 系列单片机的复位靠外部电路实现 信号从 RST 引脚输入 高电平有 效 只要保持 RST 引脚高电平 2 个机器周期 单片机就能正常复位 常见的复 位电路有上电复位电路和按键复位电路二种 3 3 3 3 程序存储器选择电路 单片机芯片的第 31 脚 EA 为内部与外部程序存储器选择输入端 当 EA 引脚接高电平时 CPU 先访问片内 4KB 的程序存储器 执行内部程序存储器中 的指令 当程序计数器超过 0FFFH 时 将自动转向片外程序存储器 既是从 公共场所照明自动控制系统设计 10 1000H 地址单元开始执行指令 当 EA 引脚接低电平时 不管片内是否有程序 存储器 CPU 只访问片外程序存储器 AT89S51 内部有 4KB 的程序存储器 所以根据该脚的引脚功能 只有将该脚接上高电平 才能先从片内程序存储器 开始取指令 常见的程序存储器选择电路就是将第 31 脚直接接到正电源上 3 3 43 3 4 显示电路显示电路 图 3 5 数码管显示模块 数码管显示原理 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管 八段数码 管比七段数码管多一个发光二极管单元 多一个小数点显示 按能显示多少个 8 可分为 1 位 2 位 4 位等等数码管 按发光二极管单元连接方式分为共 阳极数码管和共阴极数码管 共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一 起形成公共阳极 COM 的数码管 共阳数码管在应用时应将公共极 COM 接到 5V 当某一字段发光二极管的阴极为低电平时 相应字段就点亮 当某一字 段的阴极为高电平时 相应字段就不亮 共阴数码管是指将所有发光二极管的 阴极接到一起形成公共阴极 COM 的数码管 共阴数码管在应用时应将公共极 COM 接到地线 GND 上 当某一字段发光二极管的阳极为高电平时 相应字段 就点亮 当某一字段的阳极为低电平时 相应字段就不亮 数码管要正常显示 就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码 从而显示出我们要的数字 因此根 据数码管的驱动方式的不同 可以分为静态式和动态式两类 A 静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动 静态驱动是指每个数码管的每 一个段码都由一个单片机的 I O 端口进行驱动 或者使用如 BCD 码二 十进制 译码器译码进行驱动 静态驱动的优点是编程简单 显示亮度高 缺点是占用 I O 端口多 如驱动 5 个数码管静态显示则需要 5 8 40 根 I O 端口来驱动 要知道一个 89S51 单片机可用的 I O 端口才 32 个 实际应用时必须增加译码 驱动器进行驱动 增加了硬件电路的复杂性 B 动态显示驱动 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显 示方式之一 动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划 a b c d e f g dp 的同名 端连在一起 另外为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路 位选通 盐城工学院本科毕业生设计说明书 2012 11 由各自独立的 I O 线控制 当单片机输出字形码时 所有数码管都接收到相同 的字形码 但究竟是那个数码管会显示出字形 取决于单片机对位选通 COM 端电路的控制 所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开 该位就显 示出字形 没有选通的数码管就不会亮 通过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端 就使各个数码管轮流受控显示 这就是动态驱动 在轮流显示过程中 每位数码管的点亮时间为 1 2ms 由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉 效应 尽管实际上各位数码管并非同时点亮 但只要扫描的速度足够快 给人 的印象就是一组稳定的显示数据 不会有闪烁感 动态显示的效果和静态显示 是一样的 能够节省大量的 I O 端口 而且功耗更低 3 3 53 3 5 A DA D 转换检测电路转换检测电路 图 3 6 A D 转换模块 ADC0809 它的主要电气特性如下 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 A ADC0809 的内部逻辑结构 由图 3 7 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 B ADC0809 引脚结构 ADC0809 各脚功能如下 D7 D0 8 位数字量输出引脚 IN0 IN7 8 位模拟量输入引脚 VCC 5V 工作电压 GND 地 REF 参考电压正端 公共场所照明自动控制系统设计 12 REF 参考电压负端 START A 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 7 ADC0809 的内部逻辑结构 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 通道的模拟量进入转换器进行转换 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 3 1 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 盐城工学院本科毕业生设计说明书 2012 13 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 表 3 1 IN0 IN7 的模拟量 CBA 选择的通道 000 IN0 001 IN1 010 IN2 011 IN3 100 IN4 101 IN5 110 IN6 111 IN7 C ADC0809 应用说明 a ADC0809 内部带有输出锁存器 可以与 AT89S51 单片机直接相连 b 初始化时 使 ST 和 OE 信号全为低电平 c 送要转换的哪一通道的地址到 A B C 端口上 d 在 ST 端给出一个至少有 100ns 宽的正脉冲信号 e 是否转换完毕 我们根据 EOC 信号来判断 f 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 3 3 63 3 6 继电器模块驱动原理继电器模块驱动原理 图 3 9 照明电路图 照明电路工作原理 当AT89S51单片机的P3 4引脚输出低电平时 三极管 公共场所照明自动控制系统设计 14 Q1饱和导通 5V电源见到继电器线圈两端 继电器吸合 继电器的常开触点 闭合 相当于开关闭合 照明四个灯点亮 当AT89S51单片机P3 4引脚输出高 电平时 三极管Q1截止 继电器线圈两端没有电位差 继电器衔铁释放 继电 器的常开触点释放 相当于开关断开 照明四个灯熄灭 注 在三极管截止 的瞬间 由于线圈中的电流不能突变为零 继电器线圈两端会产生一个较高电 压的感应电动势 线圈产生的感应电动势则可以通过二极管释放 从而保护了 三极管免被击穿 也消除了感应电动势对其他电路的干扰 这就是二极管的保 护作用 3 3 73 3 7 按键电路设计按键电路设计 图 3 10 矩阵式键盘原理图 矩阵式键盘原理 在键盘中按键数量较多时 为了减少I O口的占用 通常 将按键排列成矩形形式 如图3 10所示 在矩阵式键盘中 每条水平线和垂直 线在交叉处不直接连通 而是通过一个按键加以连接 这样 一个端口 如P1 口 就可以构成4 4 16个按键 比之直接将端口线用于键盘多出了一倍 而且 线数越多 区别越明显 比如再多加一条线就可以构成20键的键盘 而直接用 端口线则只能多出一键 9键 由此可见 在需要的键数比较多时 采用矩阵 法来做键盘是合理的 3 3 83 3 8 直流电机正反转电路直流电机正反转电路 工作原理分析 当AT89S51单片机的控制时 k2继电器闭合 k3没有闭合 时 就好构成一个电机反转回路 从而动作 当k2继电器没有闭合 k3闭合时 就好构成一个电机正转转回路 直流电机里边固定有环状永磁体 电流通过转 子上的线圈产生洛伦磁力 当转子上的线圈与磁场平行时 再继续转受到的磁 场方向将改变 因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触 从而线圈上的电 流方向也改变 产生的洛伦磁力方向不变 所以电机能保持一个方向转动 通 过两个继电器不同的闭合从而控制电机的正反转 如图3 11所示 盐城工学院本科毕业生设计说明书 2012 15 图 3 11 直流电机电路 4 系统软件设计 在单片机硬件系统的基础上 再配上相应的软件 才能构成一个完整的系 统 用户软件的开发与系统硬件有着密切的关系 在系统的硬件及输入输出方 法确定后 程序软件就可以完全独立的进行设计 开发 下面都系统主要部分进行软件设计 4 1 主程序设计 主程序主要完成以下工作 主程序的作用首先是对系统进行初始化 设置暂存单元 设置栈区 开中 断 检测有无按键 检测目前光照等 主程序流程图如4 1所示 具体程序如下 void main 主函数 init for if ms 0 if man 0 室内没人时 led 1 灯熄灭 ms 1 到模式 1 if man 1 室内有人时 公共场所照明自动控制系统设计 16 if numsum 室内光线大于设置光线时 led 1 熄灭灯 zdj 1 关窗帘 fdj 0 else if num sum 室内光线等于设置光线时 zdj 1 电机停止转动 fdj 1 if ms 1 if man 1 ms 0 4 2 键盘扫描程序设计 对行列式键盘的软件管理分三步 1 判断整个键盘是否有键按下 采用粗扫描的办法 让所有的行为0 读列的数值 如果读得的列值为全 1 说明无键按下 否则说明有键按下 2 判断被按键的具体位置 盐城工学院本科毕业生设计说明书 2012 17 采用细扫描的办法 逐行输出0 读列的数值 如果读得的列值为全1 说 明被按键不在该行上 再让下一行为0 否则说明被按键在该行上 3 计算被按键的键值 以确定要完成的功能 采用某种算法 将行和列的信息合并为一个信息 该信息称为该键的键值 并按一定 的顺序形成一个键值表 在计算键值时应注意所有按键的键值应采用同一种算法并且计算 出来的键值应该各不相同 程序框图如图4 2所示 开始 初始化 判断室内 是否有人 正常工作 模式 判断室内 光强是否 满足要求 工作模式1 N Y N Y 处理程序 结束 开始 读列输入口值 全1吗 查表确定被按 键的功能 N Y N N 行码左移一位 结束 设置行码初值 设置计数器 行码输出至行输出口 读 列输入口值 全1吗 Y 所有行结 束了吗 Y 将行的信息和列的信 息合并为一个信息 公共场所照明自动控制系统设计 18 图4 1主程序流程图 图4 2行列式键盘程序管理流程图 5 软件调试介绍 5 1 keil 软件调试 在程序调试过程中使用的软件是Keil u Vision2 该软件是keil ARM公司 开发 生产 Keil u Vision2是目前使用广泛的单片机开发软件 它集成了源程序编辑和 程序调试于一体 支持汇编 C PL M语言 Keil ULINK USB 接口仿真器 一款多功能ARM调试工具 可以通过JTAG 或CODS接口连接到目标系统仿真或下载程序 目前已成为国内主流ARM开发 工具 5 2 keil 软件的使用 图 5 1 keil 软件的界面 Keil C51 软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一 它集编辑 编译 仿真于一体 支持汇编 PLM 语言和C 语言的程序设计 界面友好 易学易 盐城工学院本科毕业生设计说明书 2012 19 用 下面介绍Keil C51软件的使用方法 进入Keil C51 后 屏幕如下图5 1所示 几秒钟后出现编辑界 启动Keil C51时的屏幕 图 5 2 keil C51 的编辑界面 进入Keil C51后的编辑界面如图5 2所示 简单程序的调试 学习程序设计语言 学习某种程序软件 最好的方法是直接操作实践 下 面通过简单的编程 调试 引导大家学习Keil C51软件的基本使用方法和基本 的调试技巧 建立一个新工程如图5 3所示 单击Project菜单 在弹出的下拉菜单中选中New Project选项 图 5 3 新建的项目 a 然后选择你要保存的路径 输入工程文件的名字 比如保存到 C51 目录 里 工程文件的名字为 C51 如图 5 4 所示 然后点击保存 公共场所照明自动控制系统设计 20 图 5 4 新建项目的存根 b 这时会弹出一个对话框 要求你选择单片机的型号 你可以根据你使用 的单片机来选择 keil c51 几乎支持所有的 51 核的单片机 我这里还是以大 家用的比较多的 Atmel 的 89C51 来说明 如图 5 5 所示 选择 89C51 之后 右 边栏是对这个单片机的基本的说明 然后点击确定 图 5 5 选择单片机的类型 c 完成上一步骤后 屏幕如图5 6所示 盐城工学院本科毕业生设计说明书 2012 21 图 5 6 初始编程的界面 到现在为止 我们还没有编写一句程序 下面开始编写我们的第一个程序 d 在图4 7中 单击 File 菜单 再在下拉菜单中单击 New 选项 图 5 7 新建编程的界面 新建文件后屏幕如图5 8所示 图 5 8 新建后的界面 公共场所照明自动控制系统设计 22 此时光标在编辑窗口里闪烁 这时可以键入用户的应用程序了 但笔者建 议首先保存该空白的文件 单击菜单上的 File 在下拉菜单中选中 Save As 选项单击 屏幕如下图所示 在 文件名 栏右侧的编辑框中 键入欲使 用的文件名 同时 必须键入正确的扩展名 注意 如果用 语言编写程序 则扩展名为 c 如果用汇编语言编写程序 则扩展名必须为 asm 然后 单 击 保存 按钮 图 5 9 程序的保存 e 回到编辑界面后 单击 Target 1 前面的 号 然后在 Source Group 上单击右键 弹出如下菜单如图5 10所示 图 5 10 添加 File 到 Source Group 然后单击 Add File to Group Source Group 1 屏幕如图5 11所示 盐城工学院本科毕业生设计说明书 2012 23 图 5 11 添加源程序的存根 选中Test c 然后单击 Add 屏幕如图5 12所示 图 5 12 编写程序的界面 注意到 Source Group 1 文件夹中多了一个子项 Text1 c 了吗 子项的 多少与所增加的源程序的多少相同 5 3 Protues 介绍 Proteus 是英国Labcenter公司研发的嵌入式系统仿真开发软件 Proteus电子 设计软件由原理图输入系统 简称ISIS 混合模型仿真器 处理器仿真模型 VSM及PCB设计编辑 简称ARES 6个部分组成 在Proteus中 从原理图设计 单片机编程 系统仿真到PCB设计一气呵成 真正实现了从概念到产品的完整 设计 Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发