【正文】 聊城大學(xué)東昌學(xué)院本科畢業(yè)論文 （設(shè)計） 1 智能 點陣式燈光控制器的中心控制器設(shè)計 前 言 近年來隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人與社會、人與自然的和諧成為人民日益關(guān)注的焦點，建設(shè)節(jié)約型社會是擺在我們面前的重大課題。傳統(tǒng)的開關(guān)是人工的、機械的、離散的。本文以此為出發(fā)點，在保留其優(yōu)越性的基礎(chǔ)上加以改進，真正實現(xiàn)其智能化，并在智能化的基礎(chǔ)上更進一步實現(xiàn)節(jié)能和操作方便快捷性能。本文所介紹的智能點陣式燈光開關(guān)控制器中核心控制系統(tǒng)設(shè)計是實現(xiàn)節(jié)能和智能化的必要前提。 該項目主要是針對多媒體合堂教室、禮堂、圖書館閱覽室和課堂教室在進行教學(xué)、會議、自主學(xué)習(xí)等活動中，有時 需要將照明燈光按照窗子的排列方向進行“列”進行“開燈”、“關(guān)燈”控制，而在進行多媒體教學(xué)活動時，又需要將全部的照明燈光按照與黑板或者銀幕平行的“行”方向進行“開燈”、“關(guān)燈”控制。而現(xiàn)有的機械式開關(guān)只能實現(xiàn)“行”或者“列”一種控制方式，不具有靈活性和通用性，無法滿足實際狀態(tài)的需要。另外，經(jīng)常出現(xiàn)在授課前需要打開照明燈光，隨著授課時間的進行，陽光的光照強度越來越強，應(yīng)該關(guān)閉照明燈光，但是無法中斷授課過程進行“關(guān)燈”操作，甚至于也無人理會，經(jīng)常出現(xiàn)“長明燈”現(xiàn)象；有的時候，在這些活動場所內(nèi)空無一人，也經(jīng)常出現(xiàn)“ 燈火通明”的空照明現(xiàn)象，極大地浪費了能源。鑒于此，研發(fā)設(shè)計、制作了這一個通用性、適應(yīng)性高，又具有自動光控和人體紅外線控制的“智能點陣式照明燈光集控器”。 智能點陣式控制系統(tǒng) 以臺灣凌陽公司的 SPCE06A16 位單片機為控制核心；以制作按鍵陣列、光敏檢測電路和人體紅外線檢測電路組成輸入控制器；利用電磁繼電器陣列形成開關(guān)動作陣列板。通過輸入控制器輸入各種需要的控制信息數(shù)據(jù)，傳入到核心控制器，控制器將輸入的控制請求數(shù)據(jù)進行運算處理得到需要的控制編碼數(shù)據(jù)，通過其端口向開關(guān)陣列發(fā)出數(shù)據(jù)控制燈光陣列的“亮”、“滅”動作 。 智能點陣式控制器由三部分構(gòu)成： “按鍵陣列”與光照強度檢測與人體紅外檢測；以凌陽 SPCE061A 單片為核心的控制處理模塊；由解碼電路、電磁繼電器陣列組成的開關(guān)動作陣列。通過按鍵陣列及相關(guān)檢測電路模塊向核心控制系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)請求的狀態(tài)信息，核心控制模塊接收到請求信息及檢測狀態(tài)數(shù)據(jù)后，根據(jù)需聊城大學(xué)東昌學(xué)院本科畢業(yè)論文 （設(shè)計） 2 求通過其 I/O 口向開關(guān)陣列模塊發(fā)出相應(yīng)的控制數(shù)字信息，開關(guān)動作模塊接收到控制數(shù)據(jù)信息后，由譯碼電路進行解碼處理，將解碼得到的控制數(shù)據(jù)傳遞到驅(qū)動電路，進而控制電磁繼電器的吸合或者釋放動作，最終控制照明燈具的點亮或者熄滅。 聊城大學(xué)東昌學(xué)院本科畢業(yè)論文 （設(shè)計） 3 1．智能點陣式燈光控制器的背景介紹 研究背景 在 多媒體教室、禮堂、圖書館 、 閱覽室和課堂教室等場所，進行不同的課堂教學(xué)時，對于燈光的照明方式需求是不同的。 ，可能僅僅需要將遠離窗戶的中間縱向區(qū)域進行照明； 體教學(xué)時，需要將前方橫向區(qū)域的燈光關(guān)閉，現(xiàn)有的機械式開關(guān)只能完成 縱向或者橫向一種控制 方式 ，不能同時滿足不同陣列控制的需求； ，進行授課或者會議開始的時候，需要打開燈光進行照明，隨 著時間的進行，室內(nèi)光照強度變大，需要關(guān)閉燈光時，也無人理會或者不方便關(guān)閉照明燈光，常常出現(xiàn)“長明燈”； ，教學(xué)、學(xué)習(xí)場所內(nèi)空無一人時，也經(jīng)常出現(xiàn)“空照明”現(xiàn)象，這一切情況都極大地浪費能源； 基于此，急需設(shè)計、制作一套智能化的多功能照明燈光控制器，本項目就是圍繞著這一需求進行設(shè)計與制作。 系統(tǒng)功能 要解決以上所出現(xiàn)的具體問題要求控制系統(tǒng)具備以下功能： 每一個按鍵對應(yīng)控制陣列每一盞燈。實現(xiàn)單點控制功能，可以使任意一盞燈或則任意區(qū)域 的燈亮或滅，達到靈活控制燈光的目的。 具備行和列控制功能。按下行控制鍵之后，再按下行號鍵，則對應(yīng)此行燈泡全亮。再按下列號鍵，則對應(yīng)此列燈泡全亮。 系統(tǒng)需安裝有光敏感應(yīng)裝置。當(dāng)光照相對較強時，光敏電阻會將檢測到的光信息傳達到單片機，可以實現(xiàn)自動熄滅燈泡的功能。從而達到自動控制的功能，以此節(jié)省電能。 ，紅外檢測器可以將人體的信息傳達到單片機，單片機接收到人體信息時，自動實現(xiàn)控制功能。當(dāng)室內(nèi)無人時，單片機會發(fā)出熄滅所有燈光的信號，熄滅所有的燈泡，達到節(jié)能的目的。 聊城大學(xué)東昌學(xué)院本科畢業(yè)論文 （設(shè)計） 4 基本思路 智能點 陣式燈光開關(guān)控制器設(shè)計核心是對全部照明燈光進行“點陣式”控制，根據(jù)照明場所的需求，自動組合成“行”或者“列”進行“點亮”和“熄滅”動作。另外，再配合以光敏檢測和人體紅外線檢測，根據(jù)光照度和紅外線的檢測結(jié)論進行自動“熄滅”和“點亮”控制，避免“長明燈”和“空照明”現(xiàn)象的發(fā)生。 通過按鍵陣列、 光照強度 檢測電路、 人體紅外檢測電路 向核心控制系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)請求 信息，核心控制模塊接收到請求信息及檢測狀態(tài)數(shù)據(jù)后，根據(jù)需求通過其 I/O 口向開關(guān)陣列模塊發(fā)出相應(yīng)的控制數(shù)字信息，開關(guān)動作模塊接收到控制數(shù)據(jù)信息 后，由譯碼電路進行解碼 處理，將解碼得到的控制數(shù)據(jù)傳遞到驅(qū)動電路，進而控制電磁繼電器的吸合或者釋放動作，最終控制照明燈具的點亮或者熄滅。 研究內(nèi)容 本項目設(shè)計的目的是設(shè)計、制作出一套功能齊全、性能穩(wěn)定可靠、可以直接實用的照明燈光控制器。 智能點陣式照明燈光集控器的設(shè)計、制作內(nèi)容主要包括：按鍵陣列電路、光照強度檢測電路、人體紅外線檢測電路 ，電磁繼電器 開關(guān)陣列電路，工作電源線路 ，模塊連接線路和核心控制程序代碼設(shè)計等幾部分。 設(shè)計控制器的原理圖；選擇元器件及相關(guān)器材；生成 PCB 線路圖；雕刻、制作 PCB 線路板；元器件焊接、制作電子 線路板；設(shè)計、調(diào)試控制代碼并“寫入”單片機的程序存儲器；連接輸入線路板、單片機和開關(guān)陣列板。 研究原理 本項目采用行、列掃描方式對按鍵陣列進行識別處理得到的按鍵編碼；利用光敏電阻進行光照強度檢測，配合軟件的“防抖動”處理，獲取到穩(wěn)定、可靠的光控數(shù)據(jù)；采用紅外線檢測開關(guān)識別教學(xué)場所內(nèi)是否有學(xué)習(xí)人員信息，傳遞到單片機的輸入端口得到控制數(shù)據(jù)；利用 C 語言環(huán)境設(shè)計、調(diào)試單片機的控制程序代碼；選用 ULN2020 作為電磁繼電器的譯碼和驅(qū)動芯片控制繼電器的吸合與釋放動作，從而控制照明燈光的“亮”、“滅”動 作。 聊城大學(xué)東昌學(xué)院本科畢業(yè)論文 （設(shè)計） 5 2．智能點陣式燈光控制器的功能介紹 鍵盤電路與燈光陣列示意圖 圖 鍵盤電路與燈光陣列示意圖 點對點燈光控制功能 鍵盤電路的前 16 個功能鍵組成 4x4 鍵盤陣列，此陣列每一個按鍵對應(yīng)控制陣列每一盞燈。 控制方法：如果燈處于熄滅狀態(tài)時，按下按鍵燈會變亮，再次按下按鍵時燈會熄滅，每次按鍵按下燈會向相反的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。實現(xiàn)單點控制功能，可以使任意位置的燈亮或滅 ， 達到靈活控制燈光的目的。 行控制和列控制功能 此項能為智能點陣式燈光的主 要功能。鍵盤電路的第 17 號和第 18 號功能鍵分別對應(yīng)控制燈光陣列的行和列。 控制方法：按下行控制鍵之后，再按下第一行的 1 號功能鍵，第一行燈泡全亮。依次類推，按下第 4 號功能鍵對應(yīng)控制第二、三、四行燈泡的亮與滅。同樣，每次按鍵按下執(zhí)行相反操作。同理，列控制也是如此。 自動光照強度控制功能 點陣式燈光控制器安裝有光敏感應(yīng)裝置，光敏電阻通過三極管連接單片機。1 2 4 3 5 6 7 8 9 10 12 11 13 14 15 16 17 18 19 20 4x5 鍵盤陣列 1 3 2 5 4 6 7 8 12 11 10 16 15 14 9 13 4x4 燈光陣列 聊城大學(xué)東昌學(xué)院本科畢業(yè)論文 （設(shè)計） 6 當(dāng)光照相對較強時，光敏電阻會將檢測到的光信息傳達到單片機，可以實現(xiàn)自動熄滅燈泡的功能。從而達到自動控制的功能，以此節(jié)省電能。 自動紅外 檢測控制 點陣式燈光控制器同時安裝有紅外檢測裝置，紅外檢測器可以將人體的信息傳達到單片機，單片機接收到人體信息時，自動實現(xiàn)控制功能。當(dāng)室內(nèi)無人時，單片機會發(fā)出熄滅所有燈光的信號，熄滅燈泡達到節(jié)能的目的。 聊城大學(xué)東昌學(xué)院本科畢業(yè)論文 （設(shè)計） 7 3. 智能 點陣式 燈光控制 系統(tǒng) 研究的主要問題 鍵盤電路的每個鍵值的區(qū)分與計算 計算鍵值采用二進制直接推算，編程時需將二進制轉(zhuǎn)換為十六進制表示，才可進行人機對話，單片機所認識的只是“ 0”和“ 1”二進制數(shù)值，不可以按照人類的思維主觀的進行編寫程序。計算每一個鍵值都要做到認 真、細心不能出現(xiàn)一點錯誤，否則無法正確的編寫程序，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。 環(huán)境光強度采集的問題 光敏電阻器的阻值相當(dāng)大，應(yīng)當(dāng)具體的使用萬用表測出其阻值，根據(jù) 光敏電阻器阻值 的變化范圍 ，計算出電路所需要的連接電阻的阻值，然后設(shè)計出電路的連接方法， 進行原理圖的繪制。 人體信息的紅外采集問題 紅外檢測器需要 9v～ 16v 的電源供電才可以正常工作。 要選擇合適的紅外設(shè)備，否則不能正常工作。 uln2020 與繼電器的連接問題 單片機要與繼電器連接需用驅(qū)動， 智能 控制系統(tǒng)采用 uln2020 作為驅(qū)動，連接 時采用倒灌電流接法，才能保證正常工作。 聊城大學(xué)東昌學(xué)院本科畢業(yè)論文 （設(shè)計） 8 4 .智能點陣式燈光控制 系統(tǒng) 的模塊 連接 介紹 模塊連接的重要性 要 完成 智能控制功能 ，還需要用 8位的并口排線將各個線路板相連接。使其成為完整的系統(tǒng)，實現(xiàn)具體的功能。 模塊連接示意圖 圖 模塊連接示意圖 模塊整體調(diào)試 智能點陣式照明燈光控制器主要包括：按鍵陣列模塊、光敏與人體紅外線檢測電路模塊，電磁繼電器 陣式開關(guān)燈光控制器模塊，工作電源線路板模塊。 安裝完畢后，接通電源。分別對 按鍵陣列模塊、光敏與人體紅 外線檢測電路模塊，電磁繼電器 陣式開關(guān)燈光控制器模塊，工作電源線路板模塊各個模塊進行調(diào)試，若發(fā)現(xiàn)故障，逐個排查改進直至成功。 人體紅外信號 光照強度信息 鍵值 鍵盤控制信息 凌陽十六位 單片機 SPCE061A 5x4 控 制 鍵 盤 陣 列 4x4 燈泡 陣列 自動光敏 檢測電路 自動紅外 開關(guān)控制電路 驅(qū) 動 陣 列 繼 電 器 陣 列 核心控制器控制信息 ~220V 零線 — 火線 聊城大學(xué)東昌學(xué)院本科畢業(yè)論文 （設(shè)計） 9 5 . 智能點陣式燈光控制器的中心控制器 的模塊介紹 凌陽十六位單片機 SPCE061A 凌陽十六位單片機 SPCE061A 簡介 是繼 μ’nSP? （ Microcontroller and Signal Processor）系列產(chǎn)品 SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一款 16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與 SPCE500A不同的是，在存儲器資源方面考慮到 用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能， SPCE061A 里只內(nèi)嵌 32K 字的閃存（ FLASH）。較高的處理速度使 μ’nSP?能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號。因此，與 SPCE500A 相比，以μ’nSP? 為核心的 SPCE061A 微控制器是適用于數(shù)字語音識別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種最經(jīng)濟的選擇。 封裝圖如下： 圖 SPCE061A封裝圖 凌陽十六位單片機 SPCE061A 的 性能 16 位 micro μ’nSP? 微處理器；工作電壓 (CPU) VDD 為 ~ (I/O) VDDH為 ~； CPU 時鐘： ~ ；內(nèi)置 2K 字 SRAM；內(nèi)置 32K FLASH；可編程音頻處理；體振蕩器 。系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下 (時鐘處于停止狀態(tài) )，耗電僅為聊城大學(xué)東昌學(xué)院本科畢業(yè)論文 （設(shè)計） 10 2amp。micro。； 2個 16位可編程定時器 /計數(shù)器 (可自動預(yù)置初始計數(shù)值 )； 2 個10位 DAC(數(shù) 模轉(zhuǎn)換 )輸出通道； 32 位通用可編程輸入 /輸出端口； 14 個中斷源可來自定時器 A / B，時基， 2個外部時鐘源輸入，鍵喚醒；具備觸鍵喚醒的功能；使用凌陽音頻編碼 SACM_S240 方 式 ( 位 /秒 )，能容納 210 秒的語音數(shù)據(jù)；鎖相環(huán) PLL 振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號； 32768Hz 實時時鐘； 7通道 10 位電壓模 數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)和單通道聲音模 數(shù)轉(zhuǎn)換器；聲音模 數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動增益控制 (AGC)功能；具備串行設(shè)備接口；具有低電壓復(fù)位 (LVR)功能和低電壓監(jiān)測 (LVD)功能；內(nèi)置在線仿真電路 ICE（ In Circuit Emulator）接口；具有保密能力；具有 WatchDog 功能。 SPCE061A 的 結(jié)構(gòu)介紹 SPCE061A 有兩種封裝片