【正文】 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 1 1 引言 1． 1 課題 背景 近十幾年來(lái)，隨著我國(guó)城市建設(shè)的快速發(fā)展，樓宇照明也相應(yīng)飛速發(fā)展。在樓宇的照明數(shù)量與質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面均有顯著的變化與提高，特別是隨著人民生活水平進(jìn)入小康水平，樓宇照明水平提高很快，追求人工照明光環(huán)境的舒適性、個(gè)性化、安全、節(jié)能等方面日見(jiàn)突出。樓宇中人工光環(huán)境對(duì)于滿足人們的生活、學(xué)習(xí)、娛樂(lè)以及工作方面有著重要的意義。 1． 2 課題 思路 照明控制系統(tǒng)傳統(tǒng)是以照明配電箱通過(guò)手動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)控制照明燈具的通斷，或通過(guò)回路中串入接觸器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。而今出現(xiàn)的樓宇自控系統(tǒng)，是以電氣觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn) 區(qū)域控制、定時(shí)通斷、中央監(jiān)控等功能。由于照明控制系統(tǒng)在樓宇自控系統(tǒng)中并非獨(dú)立，同時(shí)控制功能簡(jiǎn)單，因此使用上有一定的局限性。故當(dāng)樓宇自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，照明系統(tǒng)亦受到影響。 隨著微電子技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)出了智能化水平更高的專業(yè)照明控制的獨(dú)立系統(tǒng)，從而能節(jié)約能源、延長(zhǎng)燈具壽命、提高照明質(zhì)量。根據(jù)使用客戶的經(jīng)驗(yàn)，不僅使照明管理與設(shè)備維修簡(jiǎn)單及降低費(fèi)用外，還對(duì)環(huán)境改善、提高工作效率都有著顯著的效果。 本系統(tǒng)是以單片機(jī)為控制器的核心，其中上位機(jī)是以 AT89C51 為基礎(chǔ)，下位機(jī)是以 AT89C2051 為基礎(chǔ)，再 連接外圍電路，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線 RS485 通信方式實(shí)現(xiàn)照明燈具的智能控制，也可以通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，從而達(dá)到照明燈具的智能控制。 1． 3 有線通信技術(shù) 在數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)上的分布式控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要采用串行通信來(lái)達(dá)到遠(yuǎn)程信息交換的目的。目前，有多種接口標(biāo)準(zhǔn)可用于串行通信，最常用的接口有 RS23 RS42 RS485。 RS232 是最早的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，在短距離、較低波特率串行通信中得到了廣泛應(yīng)用。其后發(fā)展起來(lái)的 RS42 RS485 是平衡傳送的電氣河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 2 標(biāo)準(zhǔn)，比起 RS232 非平衡的 傳送方式在電氣指標(biāo)上有了大幅度的提高。但總的來(lái)說(shuō)，RS23 RS422 與 RS485 最初都是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)（ EIA）制訂并發(fā)布的， EIA 于1983 年在 RS422 基礎(chǔ)上制定了 RS485 標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，后命名為 TIA/EIA485A標(biāo)準(zhǔn)。 RS23 RS422 與 RS485 標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。正因?yàn)?RS485 的遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)（ 32 個(gè)）、可以自行定義協(xié)議以及傳輸線成本低的特性，使得 EIA RS485 成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)。 1． 4 無(wú)線數(shù)傳技術(shù) 有線傳輸?shù)姆绞诫m然使用非常廣泛且可靠性較高，但由于各方面的局限性，已經(jīng)在眾多方面被無(wú)線傳輸方式所取代。無(wú)線數(shù)字傳輸技術(shù)日益完善，其重要性也被人們所認(rèn)識(shí)，相應(yīng)的基于無(wú)線數(shù)字傳輸?shù)漠a(chǎn)品也隨處可見(jiàn)。無(wú)線數(shù)字傳輸系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)便、使用效率高，可應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例如，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)線數(shù)據(jù)采集、無(wú)線抄表、工業(yè)遙控、樓宇自動(dòng)化、高檔玩具等等。 無(wú)線數(shù)傳技術(shù)是通過(guò) 單片機(jī)的串口與無(wú)線數(shù)傳模塊連接，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)由無(wú)線數(shù)傳模塊向空中發(fā)出，然后由另一個(gè)終端設(shè)備的無(wú)線數(shù)傳模塊從空中接收數(shù)據(jù)，這樣就實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的任務(wù)。 1． 5 單片機(jī)的應(yīng)用技術(shù) 電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，促進(jìn)微型計(jì)算機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，單片機(jī)（單片微型計(jì)算機(jī)）的應(yīng)用已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)和領(lǐng)域，它起到了越來(lái)越重要的作用。 單片微型計(jì)算機(jī)就是將中央處理單元、存儲(chǔ)器、定時(shí) /計(jì)數(shù)器和多種接口都集成到一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。因此一塊芯片就構(gòu)成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它已成為工業(yè)控制領(lǐng)域、智能 儀器儀表、尖端武器、日常生活中最廣泛使用的計(jì)算機(jī)。 單片機(jī)由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)是指構(gòu)成微機(jī)系統(tǒng)的實(shí)體與裝置，通常由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入接口電路和輸入設(shè)備、輸出接口電路和輸出設(shè)備等組成。其中運(yùn)算器和控制器一般做在一個(gè)集成芯片上，統(tǒng)稱中央處理單元（ Central Processing Unit），簡(jiǎn)稱 CPU，是微機(jī)的核心部件。 CPU 配上存放程序和河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 3 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器、輸入 /輸出（ Input/Output， 簡(jiǎn)稱 I/O）接口電路以及外部設(shè)備即構(gòu)成單片機(jī)的硬件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)是微機(jī)系統(tǒng)所使用的各種程序 的總稱，人們通過(guò)它對(duì)微機(jī)進(jìn)行控制并與微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，使微機(jī)按照人的意圖完成預(yù)定的任務(wù)。軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)共同構(gòu)成完整的單片微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，兩者相輔相成，缺一不可。 2 基于單片機(jī)的照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架與性能 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括硬件和軟件兩大部分，依據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)性能，將硬件和軟件分開(kāi)設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)部分包括電路原理圖、合理選擇元器件、繪制線路圖，然后對(duì)硬件進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。軟件設(shè)計(jì)部分，首先在總體設(shè)計(jì)中完成系統(tǒng)總框圖和各模塊的功能設(shè)計(jì)，擬定詳細(xì)的工 作計(jì)劃；然后進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，包括各模塊的流程圖，選擇合適的編程語(yǔ)言和工具，進(jìn)行代碼設(shè)計(jì)等；最后是對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試，達(dá)到所需功能要求。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)方法的選用是系統(tǒng)設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵。硬件電路是采用結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該方法保證設(shè)計(jì)電路的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。硬件電路的設(shè)計(jì)最重要的選擇用于控制的單片機(jī)，并確定與之配套的外圍芯片，使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)既經(jīng)濟(jì)又高性能。硬件電路設(shè)計(jì)還包括輸入輸出接口設(shè)計(jì)，畫(huà)出詳細(xì)電路圖，標(biāo)出芯片的型號(hào)、器件參數(shù)值，根據(jù)電路圖在仿真機(jī)上進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不當(dāng)及時(shí)修改，最終達(dá)到設(shè)計(jì)目的。軟件 設(shè)計(jì)的方法與開(kāi)發(fā)環(huán)境的選取有著直接的關(guān)系，本系統(tǒng)由于是采用 51 系列單片機(jī)，因此使用 Keil C 語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。此編程工具相比匯編語(yǔ)言具有結(jié)構(gòu)化、適用范圍大、可移植性好等特點(diǎn)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，先編寫(xiě)各個(gè)功能模塊子程序，然后進(jìn)行組合與調(diào)整，經(jīng)過(guò)調(diào)試后，達(dá)到設(shè)計(jì)功能要求。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由三部分組成： a）上位機(jī)系統(tǒng)； b）下位機(jī)系統(tǒng)； c）通信系統(tǒng)。這三部分共同完成了主控制器通過(guò)有線、無(wú)線通信方式與分控制器進(jìn)行信息交換，達(dá)到控制照明燈具的目的。有線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 該多機(jī)通信系統(tǒng)采用 RS485 半雙工主從式通信系統(tǒng)，主機(jī)可以發(fā)送數(shù)據(jù)或命令到從機(jī)，從機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)分布的照明燈具進(jìn)行控制，用中斷的方式接收主機(jī)發(fā)來(lái)的命令或數(shù)據(jù)并做出回應(yīng)。 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 4 圖 有線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)也是由主控制器和分控制器兩部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。主控制器是發(fā)送遙控指令、發(fā)送數(shù)據(jù)信息、接收應(yīng)答信息等，分控制器接收數(shù)據(jù)與遙控指令，完成對(duì)照明燈具的控制。 圖 無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)的主控制器通過(guò) RS485 總線或無(wú)線數(shù)傳模塊將數(shù)據(jù)或命令發(fā)送給分控制器，同時(shí)將信息送給數(shù)碼顯示單元進(jìn)行顯示，并有看門(mén)狗電路對(duì)運(yùn)行程序進(jìn)行有效監(jiān)視。主控制器硬件電路結(jié)構(gòu)如圖 所示。分控制器接收主控制器的發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)和命令，通過(guò)可控硅電路對(duì)照明燈具進(jìn)行開(kāi)關(guān)、亮度控制，并且利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片對(duì)照明燈具進(jìn)行定時(shí)開(kāi)關(guān)控制。分控制器硬件電路結(jié)構(gòu)如圖 所示。 系統(tǒng)在單片機(jī)的控制之下完成數(shù)據(jù)的通信、顯示，同時(shí)能夠控制照明燈具，其硬件電路只是系統(tǒng)的實(shí)施工具，大量的工作是由軟件來(lái)完 成的。這些程序是系統(tǒng)的靈魂，是負(fù)責(zé)完成硬件電路實(shí)現(xiàn)功能和與用戶交互的橋梁，是維護(hù)系統(tǒng)正常工作的工具。 系統(tǒng)性能指標(biāo)及技術(shù)要求 主控制器 RS485 接口 RS485 接口 分控制器 RS485 接口 分控制器 RS485 接口 分控制器 … 主控制器 無(wú)線數(shù)傳模塊 分控制器 無(wú)線數(shù)傳模塊 主控制器 無(wú)線數(shù)傳模塊 … 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 5 a）照明啟?？刂葡到y(tǒng) 1) 全開(kāi) 2) 全關(guān) 3) 單獨(dú)開(kāi) 4) 單獨(dú)關(guān) b）照明亮度控制系統(tǒng) 1) 全部亮度調(diào)節(jié) 2) 單獨(dú)亮度調(diào)節(jié) c）定時(shí)控制系統(tǒng) 1) 對(duì)全部照明燈進(jìn)行定時(shí)控制 2) 對(duì)每個(gè)照明燈進(jìn)行定時(shí)控制 圖 主控制器硬件電路結(jié)構(gòu)框圖 圖 分控制器硬件電路結(jié)構(gòu)框圖 3 基于單片機(jī)的照明控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 主控制器的電路設(shè)計(jì) 主控制器采用 AT89C51 單片機(jī)作為微處理器， AT89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的 89C2051 電源 看門(mén)狗 晶振 時(shí)鐘電路 零點(diǎn)檢測(cè)電路 可控硅控制電路 89C51 數(shù)碼顯示及驅(qū)動(dòng)電路 通信接口電路 看門(mén)狗 鍵盤(pán) 晶振 電源 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 6 低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4K bytes 的可反復(fù)擦寫(xiě)的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲(chǔ) 單元。 主控制器系統(tǒng)的外圍接口電路由鍵盤(pán)、數(shù)碼顯示及驅(qū)動(dòng)電路、晶振、看門(mén)狗電路、通信接口電路等幾部分組成。主控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖如圖 所示。 P 1P 2P 3P 4P 5P 6P 7P 8I N T 113R X D10T X D11X T A L 218X T A L 119T014P 21P 22P 23P 24P 25P 26P 27P 28P 32P 33P 34P 35P 36P 37P 38P 39T11589 C 51I N T 012R E S E T9RD17WR16E A /V P P31A L E /P30P S E N29V C C40GND20P 1 . 0 P 1 . 1 P 1 . 2 P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7abcdefgABCD744710 0Ω 7D4A 10 15 4RBIRBOLTGNDV C C30pF30pF1 2 M H zD3 D2 D1V C C+ 5 VABCV C CG 2 AG 2 BY0Y1Y2Y3 K Ω 47 4 L S 1 3 8W D OR E S E TW D IMRV C CGNDM A X 8 1 3 L+ 5V+ 5V1 2 3 45 6 7 89 0 開(kāi) 關(guān)確認(rèn)定時(shí)↓↑+ 5VＤ 圖 主控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖 鍵盤(pán)的接口設(shè)計(jì) 鍵盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式有兩種，即獨(dú)立式按鍵和矩陣式鍵盤(pán)。本系統(tǒng)使用的是 4 4 矩陣式鍵盤(pán)，第一行從左到右為 4，第二行為 8，第三行為 0、開(kāi)、關(guān)，第四行為增值、減值、定時(shí)、確認(rèn)。該形式的鍵盤(pán)，每個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)位于行列的交叉處，采用逐行掃描的方法識(shí)別鍵碼。矩陣鍵盤(pán)的列線從左到右 分別與單片機(jī)的、 、 、 相連，矩陣鍵盤(pán)的行線從上到下分別與 、 、 、 相連。每當(dāng)按下一個(gè)鍵時(shí)，對(duì)應(yīng)的行線與列線就會(huì)連通，這樣單片機(jī)就能檢測(cè)出信號(hào)，并通過(guò)鍵盤(pán)掃描程序?qū)︽I盤(pán)進(jìn)行掃描，以識(shí)別被按鍵的行、列位置。 LED 數(shù)碼顯示的接口設(shè)計(jì) 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 7 數(shù)碼顯示與驅(qū)動(dòng)電路由 74LS138 譯碼器、 7447 TTL BCD7段高有效譯碼器 /驅(qū)動(dòng)器、 4 個(gè)數(shù)碼管以及 5 個(gè) A1015 三極管組成。由單片機(jī)的 ～ 口輸出的四位BCD 碼，經(jīng) 7447 芯片后，翻譯成 7 段數(shù)碼管 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g 相應(yīng)的段，并輸出點(diǎn)亮數(shù)碼管相應(yīng)的段。單片機(jī)的 、 口輸出的信號(hào)經(jīng) 74LS138 譯碼器后產(chǎn)生的高電平信號(hào)加在 A1015 三極管的基極，控制三極管的導(dǎo)通，從而起到對(duì)相應(yīng)數(shù)碼管的選通作用。 4 個(gè) 7段數(shù)碼管都被接成共陽(yáng)極方式。 看門(mén)狗監(jiān)控電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用 MAXIM 公司的低成本微處理器監(jiān)控芯片 MAX813L 構(gòu)成硬件狗，與AT89C51 的接口電路如圖 所示。 MR與 WDO 經(jīng)過(guò)一個(gè)二極管連接起來(lái)， WDI 接單片機(jī)的 口， RESET 接單片機(jī)的復(fù)位輸入腳 RESET， MR 經(jīng)過(guò)一個(gè)復(fù)位按鈕接地。該監(jiān)控電路的主要功能如下： a）系統(tǒng)正常上電復(fù)位：電源上電時(shí)，當(dāng)電源電壓超過(guò)復(fù)位門(mén)限電壓 ， RESET端輸出 200ms 的復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)復(fù)位。 b