毕业论文
基于AT89C51单片机的智能照明系统设计
作者姓名：何保林
专业、班级：电子工程201201
学号：020*********
完成日期：2013年6月15日
郑州大学物理工程学院
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。同时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。
本文阐述了照明的有线、无线控制方式设计原理与实现方法。以设计过程为主线，分别从硬件和软件两个方面描述设计过程，即从硬件电路的设计方法到实现所要求功能的软件技术。该照明控制系统的主控制器、分控制器分别是以AT89C51与AT89C2051单片机为基础，实现了有线通信、无线数传、控制与显示等功能。文中详细地描述了控制电路的设计过程，包括：键盘与LED显示电路、RS485通信电路、无线数传电路、照明灯控制电路以及看门狗电路等。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与无线数字传输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。有线通信程序的功能是：通过RS485主从通信方式，由主控制器发出命令对全部或单个分控制器所控制的照明灯实现开启、关闭、灯光亮度调节、定时控制等功能。无线数传程序设计的功能是：通过无线数传模块实现照明灯的无线遥控，同样实现有线方式控制的功能。
关键词：主控制器，分控制器，单片机，有线通信，无线数传，灯光亮度控制，定时控制
The Control System for Lighting Based on
Single–chip Microcomputer
Abstrac
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.
The paper expatiates on the designing theories and implementation method of the control system for lighting by wired or wireless communications. Taking the designing process as mainline, it describes the process of designing from two respects —hardware and software. In another word, the paper describes the process from the method of circuit designing to the software technology of realizing the demanded functions. The hostcontroller of the control system for lighting is based on AT89C51 single-chip microcomputer, and the auxiliaryones are based on AT89C2051.The system can do many jobs, such as wired communication, wireless data transmitting, controlling and display. The paper describes the designing process of the circuit at length, including: 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, wireless data transmitting, lamplight controlling, timed controlling, keyboard scanning and LED displaying. The wired communication programming function is thatthroughMaster-slave communication method based on RS485 the host controller sends orders to the all auxiliary controllers or each one, including: turningon lighting, turning off lighting, regulating brightness of lighting, controlling timed lighting, etc.
The wireless data transmitting programming function is that by wireless transmitter it realizes wireless controlling of the lighting, and achieves the functions identical to wired communication.
Key Words: Host controller, Auxiliary controller, Single-chip microcomputer, Wired communication, Wireless data transmitting, controlling brightness of lighting, Timed controlling
目录
摘要.........................................................................................................................I 目录.........................................................................................................................I 引言 (1)
1系统概述 (2)
1.1单片机的应用技术 (2)
1.2有线通信技术 (2)
1.3无线数传技术 (3)
1.4 智能照明控制系统的发展与现状 (3)
1.4.1智能控制技术的研究现状 (3)
1.4.2国内外智能照明发展概况 (3)
1.4.3智能照明控制系统的优点 (4)
1.4.4智能照明控制系统的组成 (4)
1.4.5现有智能照明控制系统的分析 (4)
1.5系统设计 (5)
1.5.1系统设计要点 (5)
1.5.2系统设计思路 (5)
1.6本章小结 (8)
2基于单片机的照明控制系统的设计框架与性能 (9)
2.1 系统设计要点 (9)
2.2 系统的结构 (9)
2.3本章小结 (12)
3基于单片机的照明控制系统的硬件电路设计 (13)
3.1系统硬件总述 (13)
3.2CPU性能介绍 (13)
3.3主控制器的电路设计 (13)
3.3.1 键盘的接口设计 (14)
3.3.2 LED数码显示的接口设计 (15)
3.3.3 看门狗监控电路的设计 (15)
3.4光信号取样电路 (15)
3.4.1 Microwire串行总线性能介绍 (16)
3.4.2 TLC1549的接口设计 (17)
3.4.3 TCL1549的数据采集程序设计 (17)
3.5人体信号采集电路 (18)
3.5.1人体红外探头 (18)
3.5.2信号处理电路 (21)
3.5.3比较电路 (22)
3.6 DS12887时钟芯片接口电路设计 (23)
3.6.1时钟芯片的接口设计 (24)
3.7 RS485通信电路的设计 (25)
3.8无线数传电路的设计 (27)
3.8.1无线数传电路的连接 (27)
3.9本章小结 (29)
4基于单片机的照明控制系统的软件设计 (30)
4.1人机交互程序设计 (30)
4.2键盘扫描程序设计 (31)
4.3 LED数码显示程序设计 (32)
4.4照明启停控制程序设计 (33)
4.5单独启停控制程序设计 (35)
4.6照明亮度控制程序设计 (37)
4.7照明定时控制程序设计 (40)
4.8主机部分通信程序设计 (44)
4.9本章小结 (46)
5干扰分析 (47)
5.1干扰产生的后果 (47)
5.2单片机应用系统的硬件抗干扰设计 (47)
5.3软件抗干扰技术 (49)
5.3.1数据采集误差的软件对策 (49)
5.3.2程序运行失控的软件对策 (49)
总结 (50)
致谢 (51)
参考文献 (52)
附录 (53)
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。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。近十几年来，随着我国城市建设的快速发展，楼宇照明也相应飞速发展。在楼宇的照明数量与质量两个方面均有显著的变化与提高，特别是随着人民生活水平进入小康水平，楼宇照明水平提高很快，追求人工照明光环境的舒适性、个性化、安全、节能等方面日见突出。楼宇中人工光环境对于满足人们的生活、学习、娱乐以及工作方面有着重要的意义。
照明控制系统传统是以照明配电箱通过手动开关来控制照明灯具的通断，或通过回路中串入接触器，实现远距离控制。而今出现的楼宇自控系统，是以电气触点来实现区域控制、定时通断、中央监控等功能。由于照明控制系统在楼宇自控系统中并非独立，同时控制功能简单，因此使用上有一定的局限性。故当楼宇自控系统出现故障时，照明系统亦受到影响。随着微电子技术与数字化技术的发展，开发出了智能化水平更高的专业照明控制的独立系统，从而能节约能源、延长灯具寿命、提高照明质量。
本系统是以单片机为控制器的核心，其中上位机是以AT89C51为基础，下位机是以AT89C2051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，也可以通过无线数传模块实现无线通信，从而达到照明灯具的智能控制。
1系统概述
1.1单片机的应用技术
电子技术和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）的应用已经渗透到国民经济的各个部门和领域，它起到了越来越重要的作用。
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。
单片机由硬件系统与软件系统组成。硬件系统是指构成微机系统的实体与装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。其中运算器和控制器一般做在一个集成芯片上，统称中央处理单元（Central Processing Unit），简称CPU，是微机的核心部件。CPU配上存放程序和数据的存储器、输入/输出（Input/Output，简称I/O）接口电路以及外部设备即构成单片机的硬件系统。软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称，人们通过它对微机进行控制并与微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。软件系统与硬件系统共同构成完整的单片微型计算机系统，两者相辅相成，缺一不可。
1.2有线通信技术
在数据通信、计算机网络以及工业上的分布式控制系统中，经常需要采用串行通信来达到远程信息交换的目的。目前，有多种接口标准可用于串行通信，最常用的接口有RS-232、RS-422、RS-485。RS232是最早的串行接口标准，在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛应用。其后发展起来的RS-422、RS-485是平衡传送的电气标准，比起RS-232非平衡的传送方式在电气指标上有了大幅度的提高。但总的来说，RS-232、RS-422与RS-485最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，EIA于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。
RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。正因为
RS-485的远距离、多节点（32个）、可以自行定义协议以及传输线成本低的特性，使得EIA RS-485成为工业应用中数据传输的首选标准。
1.3无线数传技术
有线传输的方式虽然使用非常广泛且可靠性较高，但由于各方面的局限性，已经在众多方面被无线传输方式所取代。无线数字传输技术日益完善，其重要性也被人们所认识，相应的基于无线数字传输的产品也随处可见。无线数字传输系统安装简便、使用效率高，可应用于各个领域，例如，无线数据传输、无线数据采集、无线抄表、工业遥控、楼宇自动化、高档玩具等等。
无线数传技术是通过单片机的串口与无线数传模块连接，将要发送的数据由无线数传模块向空中发出，然后由另一个终端设备的无线数传模块从空中接收数据，这样就实现了预期的任务。
1.4 智能照明控制系统的发展与现状
1.4.1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。
1.4.2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。
1.4.3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。
1.4.4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。
1.4.5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&D智能照明控制系统是一套由计算机微处理器控制的低压继电器配电盘组成，按照客户对室内外照明的具体要求，设定照明控制的时间、区域、方法来控制每一个独立的回路，也有手动开关直接控制。
国内生产的真善美智能照明系统具有集中控制、多点操作、集中显示、停电自锁、免打扰、遥控功能等智能功能，使家居生活更加方便和舒适。
但是，国内外智能照明系统的研究存在着如下问题：
（1）现有国外智能照明系统主要控制照度这个数量指标，国外的研究主要集中于办公室照明，以节能为主要目的，但据照明科技最新研究成果表明，非定量指标（如舒适性和艺术性等）对室内照明光环境质量影响更大。
（2）国内一些智能照明控制系统能够实现集中控制和集中显示，具有一定的智能性，但其只能控制房间中的一个灯或一组灯的开、关，不能实现场景控制，也不能对灯光的亮度进行调节，不能产生多种照明效果。
（3）针对住宅照明光环境研制的智能照明控制系统产品很少，还有很大的开发前景。
1.5系统设计
1.5.1系统设计要点
系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依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。硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、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，使所设计的系统既经济又高性能。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；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，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。
1.5.2系统设计思路
系统的结构主要由三部分组成：（1）上位机系统；（2）下位机系统；（3）通信系统。
1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。如图1-1所示
图1-1 有线通信系统结构框图
2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1-2所示。
图1-2 主控制器硬件电路结构框图
3下位机系统
分控制器硬件电路结构如图1-3所示。
图1-3 分控制器硬件电路结构框图
室内灯光控制系统可以做到光线暗时开灯，雨天阴天时开灯，无人时关灯，光线亮时关灯，晴天时关灯，休息时间关灯。在确保室内正常照明同时，可有效防止无人灯（无人时开灯）﹑无效灯（光线亮时开灯）、无限灯（休息时间开灯），从而达到节电目的。
根据上述要求，可以画出控制系统逻辑功能表，如表1-1所示。
关系如果假设：室内光线强度为A：光线强时A=1，光线弱时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1-1可以转化为表1-2。
由真值表可得出系统逻辑函数表达式为：D=A2B2C 表1-1 系统逻辑
表1-2 系统逻辑真值表
1.6本章小结
本章介绍了照明控制系统在智能楼宇中的应用、发展以及所使用的主要专业技术。它从传统的方式逐步发展到能够实现智能化控制，使用户使用起来更加方便、舒适。本文所研究的照明控制系统主要使用了单片机应用技术、有线通信技术和无线数传技术。在这里主要对这三种技术的组成、功能、发展以及使用领域等方面进行了简要的阐述。
2基于单片机的照明控制系统的设计框架与性能
2.1 系统设计要点
系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依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。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；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，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。
在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、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，使所设计的系统既经济又高性能。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，因此使用Keil C语言进行开发。此编程工具相比汇编语言具有结构化、适用范围大、可移植性好等特点。本系统软件设计采用模块化系统设计方法，先编写各个功能模块子程序，然后进行组合与调整，经过调试后，达到设计功能要求。
2.2 系统的结构
系统的结构主要由三部分组成：（1）上位机系统；（2）下位机系统；（3）通信系统。这三部分共同完成了主控制器通过有线、无线通信方式与分控制器进行信息交换，达到控制照明灯具的目的。有线通信系统的结构框图如图2-1所示。
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。
图2-1有线通信系统结构框图
无线数据传输系统也是由主控制器和分控制器两部分组成，系统结构框图如图2-2所示。主控制器是发送遥控指令、发送数据信息、接收应答信息等，分控制器接收数据与遥控指令，完成对照明灯具的控制。
图2-2无线数传系统结构框图
系统的主控制器通过RS-485总线或无线数传模块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2-3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、亮度控制，并且利用实时时钟芯片对照明灯具进行定时开关控制。分控制器硬件电路结构如图2-4所示。