基于单片机的楼宇灯控系统的设计

XXXXXXXXXXXX 大大 学学 全全日日制制普普通通本本科科生生毕毕业业设设计计 基于单片机的楼宇灯控系统的设计基于单片机的楼宇灯控系统的设计 DESIGN OF BUILDING LIGHT CHARGE SYSTEM BASED ON MCU 学生姓名学生姓名 学学 号 号 年级专业及班级 年级专业及班级 指导老师及职称 指导老师及职称 讲师讲师 学学 院 院 湖南 提交日期 年 月 家里蹲大学全日制普通本科生毕业设计 诚 信 声 明 本人郑重声明 所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下 进行研究工作所取得的成果 成果不存在知识产权争议 除文中已经注 明引用的内容外 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确 的说明并表示了谢意 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 毕业设计作者签名 年 月 日 目 录 摘 要 1 关键词 1 1 前 言 2 1 1 课题研究背景 3 1 2 课题研究的目的与意义 3 1 3 系统的主要研究内容及要求 4 2 系统方案论证与硬件电路设计 4 2 1 系统核心控制元件的类型与介绍 4 2 2 红外对射检测模块电路设计 5 2 3 强电控制模块电路设计 12 2 4 按键控制模块电路设计 14 2 5 时间及计数显示电路设计 15 3 楼宇灯控系统的软件设计 19 4 系统的抗干扰技术 19 5 系统的仿真 20 5 1 PROTEUS 仿真介绍 20 5 2 PROTEUS 软件的组成及特点 20 5 3 原理图绘制 21 5 4 程序加载 21 5 5 仿真分析 21 6 结论 21 参考文献 22 致 谢 23 附录 23 1 基于单片机的楼宇灯控系统的设计基于单片机的楼宇灯控系统的设计 学 生 指导老师 摘 要 本文介绍了基于 AT89S52 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 利用多参数来对学校教室室内 照明进行控制 系统设计包括硬件设计和软件设计两部分 该照明控制系统是以 AT89S52 单片机为基础 实 现了通信 控制与显示等功能 文中详细地描述了电路的设计过程 包括 键盘与数码管显示电 路 人体信号采集电路 照明灯控制电路等 对于软件设计主要有灯光控制 定时控制 键盘扫 描与数码管显示等程序设计 关键词 灯光控制系统 AT89S52 单片机 节能 信号采集电路 Design of Building Light Charge System Based on MCU Students Tutor Abstract The paper introduces the indoor light control system and its principle based on AT89S52 then it puts forward some effective energy saving control method This system has used some mature sensor technology and computer control technology and it uses parameters to control the school classroom indoor lighting System design includes hardware design and software design The lighting control system based on single chip AT89S52 has realized the function of communication control and display The paper mainly descripts the circuit design process including digital display and keyboard circuit signal tube acquisition circuit and control circuit floodlight and etc Then the software design introduces some program design including light control timing keyboard scan with digital display tube Keywords lighting control systems AT89S52 SCM energy saving signal acquisition circuit 2 1 前 言 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 人很少的情况下 也是全部开启室内照明 夜间许多教室 即使只有几个学生在教室 自习 但教室照明全部开启 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 给校方的支出带来了 沉重的负担 学校的水电支出约占全校经费的 1 4 1 5 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于长明灯 白天亮灯 不合理使用照明灯以及就灯管的不及时更换 能源短缺时 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 高校教师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 单片机的应用已经渗透到社会经济 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 他已成为工业控制领域 智能仪器仪表 尖端武器 日常生活中 最广泛使用的计算机 本篇论文介绍了就是基于单片机 AT89S52 的室内灯光控制系统的研究和开发 本系统是以单片机微控制器的核心 系统通过人体信号采集电脑对人体信号采集和光 信号采集电脑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师室内灯光的开关和亮度 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 国内大多智能输建筑存在效率低 耗能高的现象 就智能建筑的照明系统来说 许多 3 地方的等经常是从早到晚开着的 不管这间房或是楼道是否有人 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 当自然光的照度不能满足人的需 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 将更注重能源的节省和使用上的便利 以及满足人类工程学 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这也意识到了智能照明的重要性 相对商业楼 宇而言 大学校园里德大功率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 良好的节能效果和延长灯具寿命 节能是照明控制系统最大的优势 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 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 合理的选用光源 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 自动调节光度 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 也派出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 4 较好的投资效益效果 智能照明控制系统在节能和节省灯具使用的同时 有效节省了电费与管理费用的 支出 根据一般的办公大楼运营的经验来看 节能效果能达到 40 以上 一般的商场 酒店 地铁站等节能效果也能达到 25 30 1 31 3 系统的主要研究内容及要求 系统设计主要包括硬件和软件两大部分 根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 硬件电路的设计采用结构化系统设计方法 该方法 保证设计电路的标注化 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 时所设计的系统既经济性又高性能 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 然后进行具体的设计 包括各模块的流程图 选择合适的汇编语言和 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 现编各个功能模块子程序 然后进行组合与 调整 达到设计功能要求 2 系统方案论证与硬件电路设计 2 1 系统核心控制元件的类型与介绍 AT89S52是 51 系列单片机的一个型号 它是 ATMEL 公司生产的 1 AT89S52 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8k bytes 的可反 复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 器件采用 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 位中央处理器和 Flash 存储单元 功能强大的 AT89S52 单片 机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合 5 图 1 单片机 Fig 1 SCM AT89S52 有 40 个引脚 32 个外部双向输入 输出 I O 端口 同时内含 2 个外中断口 3 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串行通信口 2 个读写口 线 AT89S52 可以按照常规方法进行编程 但不可以在线编程 S 系列的才支持在 线编程 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起 特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本 AT89S52 有 PDIP PQFP TQFP 及 PLCC 等三种封装形式 以适应不同产品的需 求 兼容 MCS51 指令系统 8k 可反复擦写 1000 次 Flash ROM 32 个双向 I O 口 256x8bit 内部 RAM 3 个 16 位可编程定时 计数器中断 时钟频率 0 24MHz 2 个串行中断 可编程 UART 串行通道 2 个外部中断源 共 6 个中断源 2 个读写中断口线 3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 2 2 红外对射检测模块电路设计 人体信号检测有两种方案 第一种是采用热释电红外传感器 第二种是采用红外 对管 热释电传感器利用的正是热释电效应 是一种温度敏感传感器 它由陶瓷氧化 物或压电晶体元件组成 元件两个表面做成电极 当传感器监测范围内温度有 T 的 变化时 热释电效应会在两个电极上会产生电荷 Q 即在两电极之间产生一微弱电 压 V 由于它的输出阻抗极高 所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换 热释 电效应所产生的电荷 Q 会跟空气中的离子所结合而消失 当环境温度稳定不变时 T 0 传感器无输出 当人体进入检测区时 因人体温度与环境温度有差别 产生 T 则有信号输出 若人体进入检测区后不动 则温度没有变化 传感器也没有输 出 所以这种传感器只能检测人体或者动物的活动 而控制教室里的灯的点亮与熄灭 6 要精确的检测到具体的人数 故第一种方案被淘汰 发光元件的种类很多 依光谱大致可分为红外线发光元件及可见光的发光元 图 2 热释电红外传感器检测电路 Fig 2 Pyroelectric infrared sensor detection circuit 第二种方案是采用红外对管来控制 在本设计中 所要介绍的红外线发光元件 是以砷化镓 GaAs 的红外线发光二极管 也称红外线发射二极管 为主体 分别叙述 其基本特性及应用电路 基本特性 电流 电压特性 红外线发光二极管其电气的电路符号及特性曲线 如图 1 所示 阳极 P 极 电 压加正 阴极 N 极 电压加负 此时二极管所加之电压为正向电压 同时亦产生 正向电流 提供了红外线发光二极管发射出光束的能量 其发光的条件与一般的发 光二极管 LED 一样 只是红外线为不可见光 一般而言砷化镓的红外线发光二极 体 约须 1V 而镓质的红色发光二极管切入电压约须 1 8V 绿色发光二极管切入电压 约 须 2 0V 左右 当加入之电压超过切入电压之后 电流便急速上升 而周围温度对 二 极管的切入电压影响亦很大 当温度较高时 将使其切入电压数值降低 反之 切 入电压降低 红外线发光二极管工作在反向电压时 只有微小的漏电流 但反向电压超过崩 溃电 压时 便立即产生大量的电流 将使元件烧毁 一般红外线二极管反向耐压之 值约 7 为 3 6v 在使用时尽量避免有此一情形发生 图 3 2 红外线发光二极管的特性 图 3 二极管伏安特性曲线 Fig 3 Ampere characteristics of diode 损失 红外线发光二极管的热损失 是因元件所外加的电压 VF 产生的电流 IF 累积而 来的 除了一小部份能量做为光的发射外 大部份形成热能而散发 所散发的热能即 所谓的损失 元件的功率损耗 在最大值的 60 以下范围内 元件使用上会很安全 功率的损其最大值与周围温度亦有关系 发射束电流特性 一般可见光的发光二极管其输出光的强度是以光度表示之 而不可见光如红外 线发光二极管其输出光的能量大小 是以发射束 Fe 表示 其单位为瓦特 发射束的 意义是单位时间内 所能发射 搬移光的能量的多寡 红外线发光二极管的发射束大体上也是随电流比例而定 如图 2 所示 为发射束 与正向电流的特性曲线 同时 发射束亦受周围温度影响 温度下降时 发射束反 8 而增强 温度上升时 则下降 正向电流一般都有一固定值 然而因热损失之故 元件上的温度便形增加 如此发光效率就会受到影响而降低 图 4 红外线发光二极管的输出特性曲线 Fig 4 Infrared light emitting diode output characteristic curve 发光频谱 发光二极管所发射的光波长 常因其所用的材料而异 图 6 所表示是各种发光 二极管的发光频谱 砷化镓的红外线发光二极管 其峰值发光波长为 940 950 nm 而人不能看到的光波长 大概就在 900 nm 以上 这也就是红外线的光我们人眼所 不能看到的原因 图中虚线部分 是 Si 质光电晶体的相对分光感度 光电晶体的 感光范围很大 其范围由 500nm 到 1100nm 而其感光峰值约在 800nm 左右 所以 光电晶体除了平常用来做可见光线侦测外 也常用来做红外线接收器 但使用光电 晶体当红外线接收器时 须注意其它光线的干扰 为排除干扰可以在接收器的放大 部份加入一带通滤波器 以让红外线发光二极管发射出来光线的频率通过 如此可以 减少很多不必要的干扰 9 图 5 发光二极管的发光频谱 Fig 5 Spectrum light emitting diode 方向特性 红外线发光二极管的发射强度因发射方向而异 方向的特性如图 3 2 5 图的发射 强 度是以最大值为基准 方向角度即为发射强度的相对值 当方向角度为零度时 其 放射强度定义为 100 当方向角度越大时 其放射强度相对的减少 发射强度如由 光轴取其方向角度一半时 其值即为峰值的一半 此角度称为方向半值角 此角度 越小即代表元件之指向性越灵敏 一般使用红外线发光二极管均附有透镜 使其指 向性更灵敏 而图 3 2 5 a 的曲线就是附有透镜的情况 方向半值角大约在 7 另 外每一种编号的红外线发光二极管其幅射角度亦有所不同 图 3 2 5 b 所示之曲线 为另 一种编号之元件 方向半值角大约在 50 10 图 6 发光元件的方向特性 Fig 6 The orientation characteristics of light emitting devices 距离特性 红外线发光二极管的幅射强度 依光轴上的距离而变 亦随受光元件的不同而 变 图 5 是受光元件的入射光量变化和距离的特性 基本上光量度是随距离的平方 成反比 且和受光元件特性不同有关 图 7 相对发射输出与距离特性 Fig 7 Output and distance characteristics of the relative emission 响应特性 2 响应特性所指的是 红外线发光二极管加入电流后 至发光的时间 一般红外 线发光二极管的响应时间是随其制作方法不同而异 现在最快的是液体成长型红外 线发光二极管 其响应速度约在 1 3uS 亦即在适当调节下 其使用频率约在 300KHz 以下 包装与外型 11 红外线发光二极管的包装种类分为三种 透镜消除型 陶瓷型及树脂分子型 其 包装构造 如图 6 所示 若在使用环境上 用途上要求严格的话 应使用陶瓷型的最 佳 红外线发光二极管的 外型 如图所示 图 8 红外发光二极管 Fig 8 Infrared LEDs 红外对射探测器全名叫 光束遮断式感应器 Photoelectric Beam Detector 其 基本的构造包括瞄准孔 光束强度指示灯 球面镜片 LED 指示灯等 其侦测原 理乃是利用红外线经 LED 红外光发射二极体 再经光学镜面做聚焦处理使光线传 至很远距离 由受光器接受 当光线被遮断时就会发出 一个信号 红外线是一种 不可见光 而且会扩散 投射出去会形成圆锥体光束 如下图所示 12 图 9 红外检测电路 Fig 9 Infrared detection circuit 由于考虑到教室的人数不稳定 有进有出 采用一对红外对管不能满足功能的 要求 所以 本电路采用四对红外对射管 在教室的前后门各装两对 通过人体遮 挡一次红外线就计数一次的原理 用来统计教室的人数 当人体先经过第一对红 外对管再过第二对红外对管时 计数器加一 反之 减一 当计数显示为零时 单片机会发出一个信号给光电耦合模块 来控制可控硅 从而控制教室的灯 此 时教室的灯全部熄灭 2 3 强电控制模块电路设计 由于涉及到对强电的控制 有两种方案可以选择 方案一 用继电器实现隔离 3 本方案虽然可以很好地实现强电与弱电的隔离 但是由于教室是学习的地方 保持安静最重要 而继电器在断开和吸合的时候会发出噪音 是一种不和谐因素 于是我们不采用这种方案 方案二 利用单片机控制光耦 光耦控制可控硅来实现隔离 光耦是一种常用于电 气隔离的电子元器件 由于光耦可以通过的电流很小 为毫安级 不能直接控制强 电的通断 所以我们要利用它控制可控硅 有可控硅控制强电 可控硅是一种广泛 用于控制强电的电子元器件 它具有制作方法简单 耐压高 电流大的特点 本方案和方案一相比最大的有点是无噪音 很适合教室里使用 故我选用方案 二 电路图如下 13 图 10 强电控制电路 Fig 10 In the control circuit power 在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光 光的强度取决于激励电流的大 4 小 此光照射到封装在一起的受光器上后 因光电效应而产生了光电流 由受光器 输出端引出 这样就实现了电一光一电的转换 图 11 可控硅电路 14 Fig 11 SCR circuit 可控硅是可控硅整流元件的简称 是一种具有三个 PN 结的四层结构的大功 5 率半导体器件 一般由两晶闸管反向连接而成 它的功用不仅是整流 还可以用作 无触点开关以快速接通或切断电路 实现将直流电变成交流电的逆变 将一种频率 的交流电变成另一种频率的交流电等等 可控硅和其它半导体器件一样 其有体积 小 效率高 稳定性好 工作可靠等优点 它的出现 使半导体技术从弱电领域进 入了强电领域 成为工业 农业 交通运输 军事科研以至商业 民用电器等方面 争相采用的元件 2 4 按键控制模块电路设计 本电路共采用 5 个按键 SB1 为复位按钮 PIN9 为 RESET 复位信号引脚 图 1 为 典型的复位电路 当 89S52 通电 时钟电路开始工作 在 RESET 引脚上出现 24 个时 钟周期以上的高电平 系统复位 程序计数器 PC 指向 0000H P0 P3 输出口全部为 高电平 对战指针 SP为 07H 其他专用寄存器被清 0 RESET 由高电平下降为低电 平 程序从 0000H 地址开始执行 值得注意的是 一是初始复位不改变 RAM 的状态 二是复位脉冲至少在两个机器周期上 图 12 RC 复位电路 Fig12 RC Reset Circuit 图13 15 RC 复位电路输入 输出特性 Fig 13 RC reset circuit input output characteristic SB2 SB3 SB4 分别控制 LED1 LED2 LED3 优先级别为最高级 可以控制灯的点亮 与熄灭 在发光二极管的回路上分别还串接了一个二极管 作用是防止电流的回流对 单片机产生影响 SB5 为切换按钮 按第一次是显示时间 时间电路开始工作 数码 管上显示时间 当时间到达设定的时间后电灯全部点亮 以实现一个定时的功能 按 第二次时实现计数的功能 数码管上分别显示每个区间的人数 最后两个数码管始终 显示教室的总人数 2 5 时间及计数显示电路设计 本电路共采用 8 个共阳极数码管 一种半导体发光器件 其基本单元是发光二 6 极管 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 图 14 数码管 Fig 14 Digital control 16 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 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 个呢 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 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 7 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 17 图 15 数码管显示电路 Fig 15 LED display circuit M74HC573简介 8 本电路的数码管驱动电路采用 M74HC573 集成电路 共有 20 个引脚 表 1 真值表 Table 1 Truth Table DnLEOEON HHLH LHLL XLLQ0 XXHZ 这个就是真值表 表示这个芯片在输入和其它的情况下的输出情况 每个芯片的 数据手册 datasheet 中都有真值表 布尔逻辑比较简单 在此不赘述 管脚功能图 图 16 M74HC573 引脚 Fig 16 M74HC573 pin 高阻态 就是输出既不是高电平 也不是低电平 而是高阻抗的状态 在这种状态下 可以多个 芯片并联输出 但是 这些芯片中只能有一个处于非高阻态状态 否则会将芯片烧毁 高 阻态的概念在 RS232 和 RS422 通讯中还可以用到 数据锁存 当输入的数据消失时 在芯片的输出端 数据仍然保持 这个概念在并行数据扩 展中经常使用到 18 数据缓冲 加强驱动能力 74LS244 74LS245 74LS373 74LS573 都具备数据缓冲的能力 OE output enable 输出使能 LE latch enable 数据锁存使能 latch 是锁存的意思 Dn 第 n 路输入数据 On 第 n 路输出数据 再看这个真值表 意思如下 第四行 当 OE 1 是 无论 Dn LE 为何 输出端为高阻态 表 2 真值表 Table 2 Truth Table 9 注 X 不用关心 Z 高阻抗 Note X do not care Z high impedance 第三行 当 OE 0 LE 0 时 输出端保持不变 第二行第一行 当 OE 0 LE 1 时 输出端数据等于输入端数据 结合下面的波形图 在实际应用的时候是这样做的 a OE 0 b 先将数据从单片机的口线上输出到 Dn c 再将 LE 从 0 1 0 d 这时 你所需要输出的数据就锁存在 On 上了 输入的数据在变化也影响不到输出的 数据了 实际上 单片机现在在忙着干别的事情 串行通信 扫描键盘 单 片机的资源有限啊 在单片机按照 RAM 方式进行并行数据的扩展时 使用 movx dptr A 这条指令时 这些时序是由单片机来实现的 后面的表格中还有需要时间的参数 你不需要去管它 因为这些参数都是几十 n 级别的 对于单片机在 12M 下的每个指令周期最小是 1us 的 情况下 完全可以实现 如果是你自己来实现这个逻辑 类似的指令如下 mov P0 A 将数据输出到并行数据端口 clr LE 输入 输出 输出使能锁存使能DQ LHHH LHLL LLX不变 HXXZ 19 setb LE clr LE 上面三条指令完成 LE 的波形从 0 1 0 的变化 74ls573 跟 74LS373 逻辑上完全一样 只不过是管脚定义不一样 数据输入和输出 端 SL74HC573 跟 LS AL573 的管脚一样 器件的输入是和标准 CMOS 输出兼容的 加上拉电阻 他们能和 LS ALSTTL 输出兼容 当锁存使能端为高时 这些器件的锁存对于数据是透明的 也就是说输出同 步 当锁存使能变低时 符合建立时间和保持时间的数据会被锁存 输出能直接接 到 CMOS NMOS 和 TTL 接口上 操作电压范围 2 0V 6 0V 低输入电流 1 0uA CMOS 器件的高噪声抵抗特性 3 楼宇灯控系统的软件设计 电路的各个部分都是通过单片机的控制来工作的 单片机共有 32 个输入输出端口 通过对端口的置 0 和置 1 来控制电路的通与断 而这些都是通过编写程序来对单片机 进行控制 具体程序附后 开始 红外检测 判断有无人 开灯熄灯 有人 无人 图 17 功能流程图 Fig 17 Functional flow diagram 4 系统的抗干扰技术 10 为了该系统能够稳定可靠地工作 本系统还应对其进行抗干扰设计 具体应从以 下几个方面入手进行设计 20 1 电源线加粗 合理走线 接地 三总线分开 使用完全光耦隔离方法来提 高抗干扰能力 减少互感振荡 光耦应选择高速器件 2 CPU RAM ROM 等主芯片应在 VCC 和 GND 间接电解及瓷片电容 以去掉高 低频干扰 3 应采用独立系统结构 并减少接插件与连线 以提高可靠性 减少故障率 4 在外部供电的输入口应加二极管桥抑制电路 以防止逆向电流的出现 同 时也使得内外电路的地线隔离 从而起到抗干扰作用 5 加复位电压检测电路可防止复位不充分从而 CPU 就工作的现象 尤其在有 EEPROM 器件时 复位不充分会改变 EEPROM 的内容 6 在单片机空单元写上 00H 并在最后放跳转指令到 ORG 0000H 可防止程序跑飞 5 系统的仿真 5 1 PROTEUS 仿真介绍 11 Proteus 是英国 Labcenter electronics 公司开发的 EDA 工具软件 主要由原 理布图的方法绘制电路并进行仿真的 ISIS 和 PCB 自动布线或人工布线电路仿真的 ARES 两个程序组成 Proteus 运行于 Windows 操作系统上 可以动态实时仿真 分析 SPICE 各种模拟器件和集成器件 针对微处理器及其外围电路 可以直接在 基于原理图的虚拟原型上编程 并实现软件代码级的调试 配合其提供的仿真图表 或虚拟仪器如示波器 逻辑分析仪等可进行相应的测量与分析 5 2 PROTEUS 软件的组成及特点 Proteus 仿真软件包含两个应用程序 Proteus ISIS 和 Proteus ares Proteus ISIS 是 Proteus 系统的核心 拥有超过 8000 元件的大型元件库 包含几千个模拟和 数字电路中常用的 Spice 模型及各种动态元件 如三极管 555 定时器等基本元件 74LS00 等常用 TTL 和 CMOS 集成块 完全适合于仿真模型 同时 ISIS 也为用户提供了 非常友好的作图界面 元件之间的连线方便 灵活 高效率 剪切 移动等操作借助 鼠标可简单实现 另外 ISIS 还支持层次图设计 支持 WMF BNP DXF 等多种图形输 出格式 Proteus 的另外一个应用程序就是 Proteus ares 用于直接将 Proteus ISIS 得到的仿真原理图生成 PCB 版图 同时 Proteus 还提供了丰富的虚拟工具 如示波器 逻辑分析仪等 用户借助这些虚拟工具可以直接观察电路系统的硬件结果 尽管虚拟 仪器的精度有限 但整个操作过程如同利用硬件仿真器和其他测试仪器直接进行硬件 21 开发 还可以根据虚拟仪器的结果直接进行源代码的调试 以上过程不同于纯粹的软 件仿真侧重于算法的验证 这种仿真过程是可以给用户带来直接的硬件开发经验 因 此用 Proteus 可以实现单片机及外围电路的仿真非常方便 如单片机软件仿真系统 模拟电路仿真 数字电路仿真 单片机外围电路仿真 RS232 动态仿真 I2C 调试器 SPI 调试器 键盘和 LCD 系统仿真等 5 3 原理图绘制 12 运行 Proteus 的 ISIS 程序后 进入该仿真软件的主界面 主界面由菜单栏 工具栏 预览窗口 元件选择按钮 元件列表窗口 原理图绘制窗口和仿真进程控制 按钮组成通过元件选择按钮 P 从库中选择元件命令 命令 在弹出的 Pick Devices 窗口中选择电路所需的元件 并在绘图区放置元件并调整其相对位置布局好 对元件参数设置及元器件间连线 添加必要的网络标号等步骤从而完成单片机系统的 硬件原理图绘制 系统原理图见附录 2 5 4 程序加载 13 用 Keil C51 编写程序 编译无误后