照明控制器设计

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 照明控制器设计照明控制器设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间：2012011.06.201.06.20-201-2011 1. .0707. .0303 本科生课程设计（论文） 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：测控技术与仪器 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级测控082 课程设 计题目 照明控制器设计照明控制器设计 课程设计（论文）任务 设计任务设计任务 设计公共场所照明设备控制器，具有以下功能： 检测室内光照度，检测结果由显示器显示 可按键输入设定的室内光照度范围（光照度下限上限） 可根据光照情况自动开关照明设备，当光照小于设定的光照下限时，打开照明 设备，当光照大于设定的光照下限时，关闭照明设备 技术参数技术参数 1.光照范围 010000 LX；精 度 4%； 2.照明设备数量8 设计要求设计要求 1.设计内容：光照检测电路、A/D 转换电路、单片机最小系统、键盘显示电路、 照明设备控制电路等硬件电路及相应的软件设计； 2.硬件电路图应采用绘图软件绘制，所用器件型号、参数标注完整； 3.对各功能电路的设计说明应指出所选器件型号、本设计中引脚的连接方法、 芯片（端口）地址、外围器件参数，并说明工作过程； 4.软件设计上应按照系统软、硬件功能的划分说明系统软件的功能、主程序流 程图及工作过程说明、主要程序模块流程图等，要求程序结构完整，应有变 量及端口地址定义，应编译通过全部或部分程序模块。 进度计划 1.查阅资料，确定设计方案、绘制系统总体结构图、划分软硬件功能（2 天） 2.设计光照检测电路、A/D 转换电路（1 天） 3.设计单片机最小系统、键盘显示电路（1 天） 4.设计照明设备控制电路，完成系统硬件整体电路图绘制（2 天） 5.编写、调试系统程序（3 天） 6.修改设计说明书、准备答辩（1 天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） I 摘 要 本文介绍了基于 AT89S52 的照明控制系统及其原理。设计包括光敏电阻采集 电路，LED 显示电路，键位控制和继电器控制等电路。通过这些电路完成光照范 围 010000 LX，精 度 4%下的照明控制。单片机通过继电器控制照明设备的 打开或者关闭。单片机通过光照检测电路对照明设备周边亮度进行检测，如果亮 度满足生活需要则保持照明设备的关闭状态；如果亮度不够则单片机立刻控制照 明设备打开。照明设备打开时，如果某一时刻光度满足则再次打开，以此工作。 关键词：光照检测;单片机;照明控制;精度 本科生课程设计（论文） II 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 系统设计意义 .1 1.2 国内研究（设计）现状 .1 1.3 课设要求 .1 第 2 章 课程设计的方案.3 2.1 单片机的选择 .3 2.2 系统组成总体结构 .3 2.3 显示电路.4 2.4 照明设备驱动电路.4 2.5 系统总体方案 .4 第 3 章 硬件设计.5 3.1 单片机最小系统设计.5 3.2 光照检测电路.6 3.3 LED 显示电路.6 3.4 键盘接口电路 .7 3.5 照明控制电路 .7 3.6 A/D 转换电路.8 第 4 章 系统软件设计.9 4.1 系统软件设计思想.9 4.2 模块程序及其流程图.9 第 5 章 课程设计总结.10 参考文献.11 附录 I.12 本科生课程设计（论文） 0 第 1 章 绪论 1.1 系统设计意义 近年来随着经济的发展和科技的进步，人们对照明的要求也越来越高，传统 的手动照明控制系统技术受到了时代的强烈冲击， “智能照明”技术随之出现， 并迅速地向前发展。一般来说，手动控制系统指的是个人通过按钮的切换、旋转、 揿动或遥控器和其他途径执行操作的单一开关或一组开关和调光装置构成的系统， 小规模情况下，的确具有成本低廉的优点，但随着照明系统规模的扩大，手动控 制将失去其成本上的效益。此外，不需要照明时，是否关灯完全决定于人为因素， 难免浪费电力增大能耗，照明范围越大，问题尤其严重。相对智能照明控制系统 而言，传统控制方式简单、有效、直观。但它过多依赖控制者的个人能力，控制 相对分散和无法有效管理，其实时性和自动化程度太低。正因为此，照明的智能 自动化研究有着极其有重要的意义。 1.2 国内研究（设计）现状 目前，纵观国内外研究开发的智能照明控制系统，按其通信介质主要有总线 型、电力线载波型、无线网络型等。按照网络的拓扑结构可以分为集中式或分布 式。集中式智能照明控制系统主要为星形拓扑，即以中央控制节点为中心，把若 干外围节点连接起来的辐射式互连结构。各照明控制器、控制面板等设备均连接 到中央控制器（CPU）上，由中央控制器向照明控制器等末端执行单元传送数据 包；分布式智能照明控制系统以中央监控为中心，组建控制主干网和多个控制子 网，各照明控制器，控制面板等设备均具有中央处理器 CPU 单元，每个控制器和 面板都可以直接连接在子网上。 1.3 课设要求 设计公共场所照明设备控制器，具有以下功能： 检测室内光照度，检测结果由显示器显示 可按键输入设定的室内光照度范围（光照度下限上限） 可根据光照情况自动开关照明设备，当光照小于设定的光照下限时， 打开照明设备，当光照大于设定的光照下限时，关闭照明设备 本科生课程设计（论文） 1 技术要求： 光照范围 010000 LX；精 度 4%； 照明设备数量8 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章 课程设计的方案 2.1 单片机的选择 方案一、AT89S52 单片机 AT89S52 单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸 有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、 数据存储器、程序存储器、并行 I/O 口、串行口、定时器/计数器、中断系统及 特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是 CPU 加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器 的集中控制方式。 方案二、AVR 单片机 1997 年,由 ATMEL 公司挪威设计中心的 A 先生与 V 先生利用 ATMEL 公司 的 Flash 新技术, 共同研发出 RISC 精简指令集的高速 8 位单片机，简称 AVR。 相对于出现较早也较为成熟的 51 系列单片机，AVR 系列单片机片内资源更为丰 富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代 51 系列 单片机。由于采用了高性能的 MCU,省掉了大量的外围器件,如外扩 RAM、ROM 存储器等,使硬件结构大大简化,提高了系统的可靠性。 方案三、PIC 单片机 PIC 8 位单片机产品共有三个系列，即基本级系列、中级系列和高级系列。 上述的三层次(级)的 PIC 8 位单片机还具有很高的代码兼容性，用户很容易将代 码从某型号转换到另一个型号中。其主要产品是 PIC 16C 系列和 17C 系列 8 位单 片机。该系列单片机特点如下： 方案分析： 除了以上几种单片机，市场上还有好的其它结构单片机。如果实现本系统， 基本上上述三种类型的单片机都可以实现。本设计采用 AT89S52 来实现。 2.2 系统组成总体结构 方案一、采用光敏二极管或三极管等光传感器件把环境亮度转换成相应的数 字电平，然后直接接入单片机 IO 引脚。 方案二、采用光敏电阻把环境亮度转换成相应的电压值（模拟值） ，然后通 过运放后给单片机输入一个标准的数字信号。由于光敏电阻属于纯阻性器件，引 本科生课程设计（论文） 3 入后不会存在对其它器件造成干扰，而且电路也不复杂，所以采用此方案。 2.3 显示电路 为了实时显示系统运行状况及各个参数，本系统配备显示外设。通常单片机 可以配备 LCD 或 LED 做为显示外设，各个外设大多又分为穿行驱动和并行驱动两 种驱动方式。为了节约成本，本系统采用 4 位 LED 做为显示外设。 2.4 照明设备驱动电路 方案一、采用可控硅控制。可控硅又称晶闸管，是一种具有三个 PN 结的四 层结构的大功率半导体器件。其具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是 比较常用的半导体器件之一。 方案二、采用继电器控制。继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热） 达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。其具有动作快、工作 稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、 测量和通信等装置中。根据结构不同，可以将其分为电磁继电器、热敏干簧继电 器、固态继电器、磁簧继电器、光继电器等型号。由于电磁继电器简单易用，开 关状态极其容易判断，所以本设计采用电磁继电器来控制。 2.5 系统总体方案 图 2.1 总体方案图 光敏电阻 A/D 转换 键盘控制 单片机 LED 显示 继电器控制 本科生课程设计（论文） 4 第 3 章 硬件设计 3.1 单片机最小系统设计 AT89S52 是片内有 ROM/EPROM 的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简 单可靠。其应用特点： (1)有可供用户使用的大量 I/O 口线。 (2)内部存储器容量有限。 (3)应用系统开发具有特殊性。 3.1.1 时钟电路 AT89S52 虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。AT89S52 单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。 本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在 X1、X2 引脚上外 接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方 式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在 1.2MHZ 到 12MHZ 之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振 荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2 可在 20pF 到 100pF 之间取值。所以本设 计中，振荡晶体选择 12MHZ,电容选择 30pF。 图 3.1 时钟电路 3.1.2 复位电路 AT89S52 的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚 RST 通过一个斯密 特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的 S5P2,斯密特触发器的输出电平由复 位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用 上电自动复位和按钮复位两种方式。 12 Y 12M CX 2 30pF CX 1 30pF G N D A 1 A 2 本科生课程设计（论文） 5 最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电 来实现的。只要 Vcc 的上升时间不超过 1ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率 用 6MHZ 时 C1 取 22uF,R1 取 1K。 图 3.2 复位电路 3.2 光照检测电路 光敏电阻是利用半导体光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻 值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。 本设计采用 GL3516 型号光敏电阻。其亮电阻为 5-10K,暗电阻为 0.6M。 图 3.3 光敏电阻电路 3.3 LED 显示电路 本设计采用 LED 动态显示方式显示倒计时等数据。所谓动态显示方式就是要 显示的数字在 LED 数码管上一个一个逐个显示，通过位选端控制在哪个 LED 上显 示这个数字。由于“视觉暂留”原理，人眼看起来它们是同时显示出来的。动态 显示方式所用的接口少，节省了单片机的管脚。由于端口的问题以及动态显示方 式的优越性，在此设计的连接方式上采用共阴级接法。 ，首先说段选端，它由 LED R4 R7 200 R6 200 R5 200 +5 IN R9 1K 100 R8 _ + TL082 A 100 R10 GND 1K R3 VCC S1 SW-PB GND RET C1 22uF 本科生课程设计（论文） 6 八个端口构成，通过对这八个端口输入的不同的二进制数据使得它的显示不同， 因为本设计要求精度为4%，所以本设计有两位小数从左到右是由高到低位排列 的。 图3.4 显示电路 3.4 键盘接口电路 按键电路分为独立式和矩阵式。相比较而言，独立式按键需要的 I/O 口要比 矩阵式的需要的 I/O 要多，独立式按键一个按键需一个 I/O 口，这样在需要的按 键比较多的时候单片机的 I/O 口会不够用。而矩阵式按键则很好的解决了这一问 题，矩阵式结构可以使其通过查询键位置来判断键值。 由于本设计中涉及到频率的调节，所以必须用到按键电路，而本设计中涉及 的调节不是很多，所以本设计中共设有四个按键。 S2 S3 S4 S5 5K R 5K R 5K R 5K R VCC GND P10 P11 P12 P13 图3.5 按键电路 f 9 g 10 e 1 d 2 K 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 K 8 DS1 f 9 g 10 e 1 d 2 K 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 K 8 DS2 f 9 g 10 e 1 d 2 K 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 K 8 DS3 f 9 g 10 e 1 d 2 K 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 K 8 DS4 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 R2 100 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P20 P15 P16 P17 P18 本科生课程设计（论文） 7 3.5 照明控制电路 继电器是具有隔离功能的自动开关，在自动控制电路中起控制与隔离作用的 执行部件，它实际上是一种可以用低电压、小电流来控制大电流、高电压的自动 开关。 图 3.6 控制电路 3.6 A/D 转换电路 A/D 转化电路。 亦称“模拟数字转换器” ，简称“模数转换器” 。将模拟量或 连续变化的量进行量化（离散化） ，转换为相应的数字量的电路。 A/D 变换包含 三个部分：抽样、量化和编码。一般情况下，量化和编码是同时完成的。 抽样 是将模拟信号在时间上离散化的过程； 量化是将模拟信号在幅度上离散化的过 程； 编码是指将每个量化后的样值用一定的二进制代码来表示。本设计采用 8 位 A/D 转换器。 IN 3 1 IN 4 2 IN 5 3 IN 6 4 IN 7 5 STA RT 6 EO C 7 D 3 8 EN A BLE 9 CLK 10 REF(+) 12 D 1 14 D 2 15 REF(_) 16 D 0 17 D 4 18 D 5 19 D 6 20 D 7 21 A LE 22 A D D C 23 A D D B 24 A D D A 25 IN 0 26 IN 1 27 IN 2 28 A D C0809U 1 O I1 I0 U 4 O I1 I0 U 5 A B C P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 CP Rd D Q QSd U 6 74LS74 G N D A LE U 7 P27 IN IN T0 RD WR 图 3.7 A/D 转换电路 D1 Q 1K R3 GND +5 P20 +220- K1 1K R11 本科生课程设计（论文） 8 第 4 章 系统软件设计 4.1 系统软件设计思想 在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根 据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计 中占重要地位。 在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数 据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片 机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。 4.2 模块程序及其流程图 N Y 图 4.1 主程序流程图 开始 初始化 光照检测 光照设定值？ 点亮 显示 熄灭 延时 本科生课程设计（论文） 9 第 5 章 课程设计总结 通过本次毕业设计，我接触到了一些以前没有接触过的知识，而且巩固了 一些旧知识，如电子电路基础知识、单片机基础知识等，同时进一步提高了我的 逻辑思维能力和新知识接受能力等。这次设计基本达到预期的目的，但是在其中 也遇到许多问题，经过查询资料及老师的指导一一解决。通过这次实践使我更深 刻的体会到了理论联系实际的重要性。另外由于本人学识有限,所以文中难免有 疏漏和不足之处,请各位老师给予批评和指正。 本科生课程设计（论文） 10 参考文献 1王松武.电子创新设计与实践M.北京：国防工业出版社，2010 2王文升.智能照明控制与节能J.智能建筑与城市信息.2005（4）:120-122. 3丘吉平.基于现场总线的智能照明控制系统分析与探讨J.低压电器, 2005,（7）:19-26. 4何立民.系列单片机应用系统设计配制与接口技术M.北京：航天航空大学出 版社，1999：282-300. 5余永权，汪明惠，黄英.单片机在控制系统中的应用M.北京：电子工业出版 社，2003. 本科生课程设计（论文） 11 附录 I 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 R1 51K D1 Q IN3 1 IN4 2 IN5 3 IN6 4 IN7 5 START 6 EOC 7 D3 8 ENABLE 9 CLK 10 REF(+) 12 D1 14 D2 15 REF(_) 16 D0 17 D4 18 D5 19 D6 20 D7 21 ALE 22 ADDC 23 ADDB 24 ADDA 25 IN0 26 IN1 27 IN2 28 ADC0809U1 O I1 I0 U4 O I1 I0 U5 12 Y 12M CX2 30pF CX1 30pF GND A1 A2 1K R3 VCC S1 SW-PB GND RET OE 1 Q0 2 D0 3 D1 4 Q1 5 Q2 6 D2 7 D3 8 Q3 9 G 11 Q4 12 D4 13 D5 14 Q5 15 Q6 16 D6 17 D7 18 Q7 19 74LS373U3 A1 A2 RET 0.1uF C2 VCC GND A B C A B C P0 P1 P2 P