教室用电智能控制系统设计Word下载.docx
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Keywords:
AT89C51,photoresistor,sensor,automaticcontrol,heattoreleasetheelectricity.
第1章引言
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者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;
即使室内无人或人数很少的情况下,也是全部开启室内照明。
夜间许多教室,即使仅有几个学生在教室自习,但室内照明全部开启,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。
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、不合理使用照明以及旧灯管的不及时更换。
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。
单片机的出现至今已经有40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(单片微型计算机)的应用已经渗透到广泛渗透到社会经济、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。
它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AT89C51的室内灯光控制系统的研究和开发。
本系统是以单片机为控制器的核心,其中上位机和下位机都是以AT89C51为基础,再连接外围电路,通过现场总线RS485通信方式实现照明灯具的智能控制。
系统通过人体信号采集电路对人体信号采集和光信号采集电路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室内灯光的开关和亮度。
第2章总体方案设计
2.1硬件方案设计
2.1.1微处理器
设计方案中核心部件——智能芯片我们选择ATMEL公司MCS-51系列单片机中的AT89C51芯片,它是低压高性能CMOS8位微处理器,带有4k字节可反复擦写的Flash只读程序存储器,128字节内部随机存取数据存储器(RAM),15个I/O口线,两个16位定时/计数器,—个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口。
根据本设计的要求,AT89C51芯片完全能够满足灯光控制系统所需要的处理器的性能和内存。
体积小,应用方便,因此选择AT89C51芯片
2.1.2传感器的选择
根据本设计的要求,该控制系统需要两种传感器:
一种是人体信号采集传感器,另一种是光信号强度采集传感器:
一、热释电红外传感器:
热释电红外传感器是一种基于热电效应原理的热电型红外传感器,热释电红外传感器由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成,利用它可检测出人体发出的红外线,检测人体存在。
人体有恒定体温为37度上下,所以会发出特定波长10μM左右的红外线,而这10μM左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。
红外感应源采用热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,后续电路经检测处理后就能产生由人体存在的信号。
二、光敏电阻式传感器:
光敏电阻会感应光照强度的变化,自己电阻随着光强度的增加而减小,进而通过电阻上的电压变化来反应光照强度的变化。
传感器输出变化的电压信号给控制器,控制器根据接收到的信号的变化来决定下一步将要执行的动作。
光敏电阻是一种非常常用的光电元件。
它可以十分快捷的反正出光照的变化,应用电路也十分的简单、实用。
2.1.3显示器的选择
在LED数码管显示器动态显示方式下,将所有位的段选线并联在起,由位选线控制哪位接收字段码。
采用动态扫描显示,也就是在显示过中,轮流向各位送出字形码和相应的字位选择,同一时刻只有一位显示,其他各位熄灭。
利用显示器的余辉和人眼的视觉暂留现象,只要每一位显示足够短,则人看到的就是无为数码管同时显示。
在动态显示方式下电路设计较为简单,故采用此方式。
2.1.4通信方式的选择
串行通信是指一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式。
串行通信的特点是:
数据位传送,按位顺序进行,最少只一需根传输线即可完成,成本低但传送速度慢。
串行通信的传送距离可以从几米到几千米。
由于串行通信方式具有使用线路少、成本低,特别是在远程传输时,避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用,因此本设计采用串行通信。
2.1.5串行总线接口的选择
串行通信采用一个标准接口,才能使不同的设备可以方便地连接起来进行通信。
当前比较常见的接口为RS-485。
RS-485总线,通信距离为几十米到上千米时,因此长距离要求时被广泛采用。
RS-485总线采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力。
其采用半双工工作方式,任何时候只能有一点处于发送状态,因此发送电路须由使能信号加以控制。
RS-485用于多点互联时十分方便,可以省掉许多信号线。
应用RS一485可以联网构成分布式系统,其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。
故本系统采用RS-485接口。
2.2系统总体设计
2.2.1系统的设计思路
本系统主要由三部分组成:
(1)上位机系统;
(2)下位机系统;
(3)通信系统。
系统的结构框图如下图2-1。
图2-1系统的结构框图
上位机系统:
系统的主控制器通过RS-485总线将数据或命令发送给分控制器,同时将信息送给数码显示单元进行显示,并有看门狗电路对运行程序进行有效监视。
主控制器硬件电路结构如图2-2所示。
分控制器接收主控制器的发来的数据和命令,通过可控硅电路对照明灯具进行开关控制,并且利用实时时钟芯片对照明灯具进行定时开关控制。
图2-2主控制器硬件电路结构
下位机系统:
分控制器硬件电路结构如图2-3所示。
系统在单片机的控制之下完成数据的通信、显示,同时能够控制照明灯具,其硬件电路只是系统的实施工具,大量的工作是由软件来完成的。
这些程序是系统的灵魂,是负责完成硬件电路实现功能和与用户交互的桥梁,是维护系统正常工作的工具。
图2-3分控制器硬件电路结构
通信系统:
该多机通信系统采用RS-485半双工主从式通信系统,主机可以发送数据或命令到从机,从机主要负责对分布的照明灯具进行控制,用中断的方式接收主机发来的命令或数据并做出回应。
2.1.2系统的硬件设计图
图2-4系统硬件设计图
2.3系统逻辑算法的设计
影响教室的灯光的开关的条件因素有作息时间、天气、学生等因素。
通过该灯光控制系统由以上因素来判断教室灯具的开和关。
其他因素影响较小暂不考虑,主要控制条件为是否人、是否为休息时间、光线的强弱,由此决定电灯开关与否。
如此一来可以避免绝大多数的无人亮灯现象、光线充足亮灯现象以及休息时间亮灯现象。
由此可以列出如下系统逻辑功能表,如表2-1所示:
信号
室内光信号
人体信号
时钟信号
电灯的开关状态
参数
自然光照度
人体
作息时间
逻
辑
状
态
强
无
休息
断
上课
有
弱
合
表2-1系统逻辑功能表
如果假设:
室内光线强度为A:
光线弱时A=1,光线强时A=0;
人体信号为B:
有人时B=1,无人时B=0;
作息时间为C:
上课时C=1,休息时C=0;
电灯开关状态为D:
合时D=1,断开时D=0。
则表2-1可以转化为表2-2:
电灯的开光状况
自然光信号
符号
A
B
C
D
1
表2-2系统逻辑功能表
由上述的真值表可得出系统逻辑函数表达式为:
D=A·
B·
第3章系统单元电路的设计
本系统以单片微型计算机为核心外加多种接口电路组成,共有六个主要部分:
AT89C51芯片、AT89C2051芯片、光信号采集电路、人体信号采集电路、时钟控制电路DS12887、输出控制电路、定时监视器电路,如图3-1所示。
3.1主控制机电路设计
主控制器采用AT89C51单片机作为微处理器,AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机,片内含4Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes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(CPU)和Flash存储单元。
主控制器系统的外围接口电路由键盘、数码显示及驱动电路、晶振、看门狗电路、通信接口电路等几部分组成。
主控制器系统的硬件电路原理图如图3-1所示:
图3-1主控制器系统的硬件电路原理图
3.1.1键盘的接口设计
键盘的结构形式有两种,即独立式按键和矩阵式键盘。
本系统采用的是4×
4矩阵式键盘,第一行从左到右为1、2、3、4,第二行为5、6、7、8,第三行为9、0、开、关,第四行为增值、减值、定时、确认。
该形式的键盘,每个按键开关位于行列的交叉处,采用逐行扫描的方法识别键码。
矩阵键盘的列线从左到右分别与单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3相连,矩阵键盘的行线从上到下分别与P1.4、P1.5、P1.6、P1.7相连。
每当按下一个键时,对应的行线与列线就会连通,这样单片机就能检测出信号,并通过键盘扫描程序对键盘进行扫描,以识别被按键的行、列位置。
如图3-2:
图3-2键盘的硬件电路原理图
3.1.2LED数码显示接口设计
主要技术参数:
显示容量:
16×
2个字符
芯片工作电压:
4.5~5.5V
工作电流:
20mA(5.0V)
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.×
4.35(WXH)mm
表3-1LM016L主要技术参数
接口信号说明:
编号
引脚说明
VSS
电压地
9
D2
DataI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
4
RS
数据/命令选择端(H/L)
12
D5
续表3-2
5
R/W
读/写选择端(H/L)
13
D6
6
E
使能信号
14
D7
7
D0
15
BLA
背光源正极
8
D1
16
BLK
背光源负极
表3-2
如图3-3:
图3-3数码显示与驱动电路原理图
3.1.3看门狗监控电路的设计
本系统采用MAXIM公司的低成本微处理器监控芯片MAX813L构成硬件狗,与AT89C51的接口电路附录所示。
MR与WDO经过一个二极管连接起来,WDI接单片机的P2.7口,RESET接单片机的复位输入脚RESET,MR经过一个复位按钮接地。
该监控电路的主要功能如下:
(1)系统正常上电复位:
电源上电时,当电源电压超过复位门限电压4.65V,RESET端输出200ms的复位信号,使系统复位。
(2)对+5V电源进行监视:
当+5V电源正常时,RESET为低电平,单片机正常工作;
当+5V电源电压降至+4.65V以下时,RESET输出高电平,对单片机进行复位。
(3)看门狗定时器被清零,WDO维持高电平;
当程序跑飞或死机时,CPU不能在1.6s内给
出“喂狗”信号,WDO跳变为低电平,由于MR端有一个内部250mA的上拉电流,D导通MR获得有效低电平,RESET端输出复位脉冲,单片机复位,看门狗定时器清零,WDO又恢复成高电平。
(4)手动复位:
如果需要对系统进行手动复位,只要按下手动复位按钮,就能对系
统进行有效的复位。
如图3-5
图3-5看门狗电路原理图
3.2分控制器电路的设计
分控制器采用低档型的AT89C2051单片机作为微处理器,AT89C2051也是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机,片内含2Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器(RAM),兼容标准MCS-51指令系统,具有15线可编程I/O口,该单片机具有体积小、成本低、结构简单、性价比较高等特点。
分控制器系统的硬件电路如下:
图3-6分控制器系统的硬件电路
AT89C2051单片机共有二十个引脚。
P1口8个引角,准双向端口。
P3口7个引角,准双向端口,并且每个端口都可复用,P3.0、P3.1的串行通迅功能,P3.2、P3.3的中断输入功能,P3.4、P3.5的定时器输入功能。
根据各引角功能及本设计要求,将其接口电路设计如下:
图3-789C2051引脚
3.3RS485通信电路设计
在各种分布式集散控制系统中,往往采用一台单片机作为主机,多个单片机作为从机,主机控制整个系统的运行;
从机采集信号,实现现场控制;
主机和从机之间通过总线相连,如图10)所示。
主机通过TXD向各个从机(点到点)或多个从机(广播)发送信息,而各个从机也可以向主机发送信息,但从机之间不能自由通信,其必须通过主机进行信息传递
图3-8
多机通信时,单片机的串行口只能工作在方式2、3。
此时单片机发送或接收的一帧信息都是11位,1位起始位、9位数据位、1位停止位,其中第9位数据发送或接收是通过TB8或RB8实现的。
当主机发送地址信息时,使TB8=1,所有SM2=1的从机都将产生中断,接收此地址信息进行比较,其中被主机呼叫的从机的SM2位被清“0”;
主机发送数据信息时,使TB8=0,仅有SM2=0的从机才将产生中断,接收主机发来的命令或数据信息,其余从机不予理睬。
本系统的有线通信方式采用RS485总线进行通信。
在这里使用的是主从式通信方式,主机由主控制器充当,从机为分控制器。
主机处于主导和支配地位,从机以中断方式接收和发送数据,主机发送的信息可以传送到所有的从机或指定的从机,从机发送的信息只能为主机接收,从机之间不能直接通信。
主机与从机的通信电路图分别如图3-9与图3-10所示。
图3-9主机通信电路图
图3-10从机通信电路图
主机与从机选用的RS485通信收发器芯片为MAX485,它是MAXIM公司生产的用于RS485通信的低功率收发器件,采用单一电源+5V工作,额定电流为300μA,采用半双工通信方式。
它完成将TTL电平转换为RS485电平的功能。
3.4信号采集电路设计
信号采集电路设计包括光信号取样电路的设计和人体信号采集电路的设计。
3.4.1光信号取样电路设计
光信号取样电路如图13)所示,图中主要由光信号采集电路和A/D模数转换电路组成,其中模数转换是电路的核心。
信号经过采集送入A/D转换电路,通过单片机处理后,最终作为系统应用程序进行开关灯判断的依据。
在本次设计中选用了带串行控制的10位模数转换器TLC1549,它是由德州仪器(TexasInstruments简写为TI)公司生产的,它采用CMOS工艺,具有自动采样和保持,采用差分基准电压高阻抗输入,抗干扰性能好,可按比例量程校准转换范围,总不可调整误差达到(±
)1LSBMax,芯片体积小等特点。
同时它采用了Microwire串行接口方式,故引脚少,接口方便灵活。
与传统的并行方式接口A/D转换器(例ADC0809/0808)相比,其单片机的接口电路简单,占用I/O口资源少。
图3-11光信号取样电路
3.4.2TLC1549的接口设计
TLC1549采用了Microwire串行接口方式,其接口如图14)所示,在芯片选择(CS)无效情况下,I/OCLOCK最初被禁止且DATAOUT处于高阻状态。
当串行接口把CS拉至有效时,转换时序开始允许I/OCLOCK工作并使DATAOUT脱离高阻状态。
串行接口然后把I/OCLOCK序列提供给I/OCLOCK并从DATAOUT接收前次转换结果。
I/OCLOCK从主机串行接口接收长度在10和16个时钟之间的输入序列。
开始10个I/O时钟提供采样模拟输入的控制时序。
图3-12TLC1549引脚及A/D接口电路
图3-13TLC1549方式1时序图
在CS的下降沿,前次转换的MSB出现在DATAOUT端。
10位数据通过DATAOUT被发送到主机串行接口。
为了开始转换,最少需要10个时钟脉冲。
如果I/OCLOCK传送大于10个时钟长度,那么在的10个时钟的下降沿,内部逻辑把DATAOUT拉至低电平以确保其余位的值
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