【正文】 南 昌 工 程 學(xué) 院 課 程 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 機(jī)械與電氣工程 學(xué)院 08自動(dòng)化 專(zhuān)業(yè) 課程 設(shè)計(jì)（論文）題目 基于 89C52 的教室燈光節(jié)能控制設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名 班 級(jí) 08自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 教 師 完 成 日 期 2021 年 12 月 20 日 前 言 現(xiàn)在的大學(xué)， 由于學(xué) 校 開(kāi)放型的 管理模式， 加之學(xué)生 節(jié)能意識(shí)的淡薄， 學(xué) 校的 很多 教室在白天室內(nèi)照度很高的情況下，仍然存在開(kāi)燈 現(xiàn)象 ； 或者 夜間許多教室，即使僅有幾個(gè)學(xué)生在教室自習(xí)，但室內(nèi)照明全部開(kāi)啟。長(zhǎng)明燈比比皆是，人走不熄燈的現(xiàn)象到處存在。這種有 意 和無(wú) 意 的浪費(fèi)， 不僅是浪費(fèi)了國(guó)家資源，而且 給 學(xué)校帶來(lái)了 沉重的負(fù)擔(dān) 。 本文介紹了基于單片機(jī)的室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)及其原理，提出了有效的節(jié)能控制方法。 該系統(tǒng)采用了當(dāng)今比較成熟的傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，利用多參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)校教室室內(nèi)照明的控制，從而達(dá)到節(jié)能的目的。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。 該照明控 制系統(tǒng)的主控制器、分控制器分別是以 89C52 單片機(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了通信、控制與顯示等功能。文中詳細(xì)地描述了控制電路的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括：鍵盤(pán)與 LED 顯示電路、 RS485 通信電路、照明燈控制電路以及看門(mén)狗電路等。對(duì)于軟件設(shè)計(jì)主要有主控制器、分控制器的有線(xiàn)通信程序設(shè)計(jì)以及燈光控制、定時(shí)控制、鍵盤(pán)掃描與 LED 顯示等程序設(shè)計(jì)。 在本次課程設(shè)計(jì)中首先是硬件方案的確定，接下來(lái)是對(duì)系統(tǒng)整體電路中各子模塊電路的設(shè)計(jì)，包括檢測(cè)電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、微控制器的工作電路、顯示電路測(cè)量電路的設(shè)計(jì)。通過(guò)不斷的摸索，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)燈光的控制。 第一章 總體方案設(shè)計(jì) 教室燈光控制器可實(shí)現(xiàn)有效的教室燈光智能控制。其輸入?yún)?shù)主要是人體存在信號(hào)和環(huán)境光信號(hào)等的外界因素，環(huán)境光的強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)不開(kāi)燈，環(huán)境光強(qiáng)度在一定閥值以下且有人存在時(shí)開(kāi)燈，理論和實(shí)驗(yàn)證明用這種方式來(lái)對(duì)教室燈進(jìn)行智能控制可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。 教室燈光控制器一般安裝在教室內(nèi)避開(kāi)電燈直射的位置，且人體傳感器安置時(shí)應(yīng)使人體活動(dòng)方向與人體傳感器中兩個(gè)熱釋電元連線(xiàn)方向垂直，這樣可使人體存在信號(hào)采集更加靈敏、可靠，同時(shí)還要盡可能避免外界風(fēng)直接吹向人體傳感器。 硬件方案論證 對(duì)于 燈光控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，硬件系統(tǒng)是它的最基本的框架，是系統(tǒng)的所有功能的基 礎(chǔ)。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成功與否很大程度上取決于硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 硬件的選擇和所選硬件的性能對(duì)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)的精度 都有直接的影響 。 本系統(tǒng)硬件方案論證包括單片機(jī)、 燈光控制系統(tǒng) 的傳感器、 通信方式 、 總線(xiàn) 接口及顯示電路的選擇。 微處理器的選擇 本系統(tǒng)的主控模塊主要采用 Atmel 公司的 AT89C52 作為主控芯片，它是一種低功耗， 8 位 CMOS 工藝處理器，具有 8K 在線(xiàn)可編程 Flash 存儲(chǔ)器，片內(nèi)的 Flash可多次編程，為在線(xiàn) 編程提供了方便。片內(nèi)有 128 字節(jié)的 RAM, 4KB 的 EEPROM，由于合理的安排使用片內(nèi) RAM 空間，所以沒(méi)有擴(kuò)展的片外 RAM，使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)捷。因?yàn)樵O(shè)備的設(shè)置參數(shù)是根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行更改的，又要求是斷電能夠保存下來(lái)，所以本設(shè)備用一片 EEPR0M 來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)。 傳感器的選擇 根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，該控制系統(tǒng)需要兩種傳感器：一種是人體信號(hào)采集傳感器，另一種是光信號(hào)強(qiáng)度采集傳感器。用于人體信號(hào)采集的傳感器和光信號(hào)強(qiáng)度 采集的傳感器有很多，這里根據(jù)設(shè)計(jì)的要求采用了以下傳感器： 一、熱釋電紅外傳感器 ： 熱 釋電紅外傳感器 是一種 基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器，它是上世紀(jì) 80年代末期出現(xiàn)的一種新型傳感器件，現(xiàn)在已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。熱釋電紅外傳感器由敏感單元、阻抗變換器和濾光窗等三大部分組成。 二、光敏電阻式傳感器： 光敏電阻會(huì)感應(yīng)光照強(qiáng)度的變化，自己電阻隨著光強(qiáng)度的增加而減小，進(jìn)而通過(guò)電阻上的電壓變化來(lái)反應(yīng)光照強(qiáng)度的變化。傳感器輸出變化的電壓信號(hào)給控制器，控制器根據(jù)接收到的信號(hào)的變化來(lái)決定下一步將要執(zhí)行的動(dòng)作。光敏電阻是一種非常常用的光電元件。它可以十分快捷的反正出光照的變化，應(yīng)用電路也十分的簡(jiǎn)單、實(shí)用。 顯示器的選擇 LED數(shù)碼管顯示器動(dòng)態(tài)顯示方式下，將所有位的段選線(xiàn)并聯(lián)在起，由位選線(xiàn)控制哪位接收字段碼。采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，也就是在顯示過(guò)中，輪流向各位送出字形碼和相應(yīng)的字位選擇，同一時(shí)刻只有一位顯示，其他各位熄滅。利用顯示器的余輝和人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，只要每一位顯示足夠短，則人看到的就是無(wú)為數(shù)碼管同時(shí)顯示。在動(dòng)態(tài)顯示方式下電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，故采用此方式。 本系統(tǒng)采用了四位共陽(yáng)極七段數(shù)碼管，共陽(yáng)極數(shù)碼管的 8個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極（二極管正端）連接在一起，通常公共陽(yáng)極接高電平（一般接電源），其它管腳接段驅(qū)動(dòng) 電路輸出端。 通信方式 和總線(xiàn)接口 的選擇 串行通信是指一條信息的各位數(shù)據(jù)被逐位按順序傳送的通信方式。串行通信的特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)位傳送，按位順序進(jìn)行，最少只一需根傳輸線(xiàn)即可完成，成本低但傳送速度慢。串行通信的距離可以從幾米到幾千米。由于串行通信方式具有使用線(xiàn)路少、成本低、特別是在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，避免了多條線(xiàn)路特性的不一致而被廣泛采用，因此本設(shè)計(jì)采用串行通信。 在串行通信時(shí)，要求通信雙方都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，是不同的設(shè)備可以方便地連接起來(lái)進(jìn)行通信。當(dāng)前流行的接口有： RS232C和 RS485。 RS485總線(xiàn)，通信距離為幾十米到上千米時(shí)，因此長(zhǎng)距離要求時(shí)被廣泛采用。 RS485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。 RS485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。 RS485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線(xiàn)。應(yīng)用 RS一 485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián) 32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和 32臺(tái)接收器。故本系統(tǒng)采用 RS485接口。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路 本系統(tǒng)主要由三部分組成：（ 1）上位機(jī)系統(tǒng)；（ 2）下位機(jī)系統(tǒng)；（ 3）通信系統(tǒng)。 上位機(jī)系統(tǒng) ： 系統(tǒng)的主控制器通過(guò) RS485 總線(xiàn)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 11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)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。 圖 11 主控制器硬件電路結(jié)構(gòu) 下位機(jī)系統(tǒng) ： 分控制器硬件電路 結(jié)構(gòu)如圖 12所示。 系統(tǒng)在單片機(jī)的控制之 89C52 鍵盤(pán) 晶振電路 電源 數(shù)碼顯示及驅(qū)動(dòng)電路 通信接口電路 看門(mén)狗 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(hù)交互的橋梁， 是維護(hù)系統(tǒng)正常工作的工具。 通信系統(tǒng) ： 該多機(jī)通信系統(tǒng)采用 RS485 半雙工主從式通信系統(tǒng)，主 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)。 圖 12 分控制器硬件電路結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)邏輯算法的設(shè)計(jì) 室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)可以根據(jù)作息時(shí)間、氣候、人體等因素全天候自動(dòng)模糊控制室內(nèi)照明電器的開(kāi)和關(guān)。做到光線(xiàn)暗時(shí)開(kāi)燈，雨天陰天時(shí)開(kāi)燈，無(wú)人時(shí)關(guān)燈，光線(xiàn)亮?xí)r關(guān)燈，晴天時(shí)關(guān)燈，休息時(shí)間關(guān)燈。在確保室內(nèi)正常照明同時(shí)，可有效防止無(wú)人燈（無(wú)人時(shí)開(kāi)燈）﹑無(wú)效燈（光線(xiàn)亮?xí)r開(kāi)燈）、無(wú)限燈（休息時(shí)間開(kāi)燈），從而達(dá)到節(jié)電目的 。 根據(jù)上述要求，可以畫(huà)出控制系統(tǒng)邏輯功能表，如表 11所示： 8 9 C 2 0 5 2 晶 振 看 門(mén) 狗 光信號(hào)采集電路 時(shí)鐘電路 人體信號(hào)采集電路 可控硅控制 電路 信號(hào) 室內(nèi)光信號(hào) 人體信號(hào) 時(shí)鐘信號(hào) 電燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài) 參數(shù) 自然光照度 人體 作息時(shí)間 邏 輯 狀 態(tài) 強(qiáng) 無(wú) 休息 斷 強(qiáng) 無(wú) 上課 斷 強(qiáng) 有 休息 斷 強(qiáng) 有 上課 斷 弱 無(wú) 休息 斷 弱 無(wú) 上課 斷 弱 有 休息 斷 弱 有 上課 合 表 11 如果假 設(shè)：室內(nèi)光線(xiàn)強(qiáng)度為 A：光線(xiàn)弱時(shí) A=1，光線(xiàn)強(qiáng)時(shí) A=0； 人體信號(hào)為 B：有人時(shí) B=1，無(wú)人時(shí) B=0； 作息時(shí)間為 C：上課時(shí) C=1，休息時(shí) C=0； 電燈開(kāi)關(guān)狀態(tài)為 D：合時(shí) D=1，斷開(kāi)時(shí) D=0。 則表 11可以轉(zhuǎn)化為表 12： 信號(hào) 室內(nèi)光信號(hào) 人體信號(hào) 時(shí)鐘信號(hào) 電燈的開(kāi)光狀況 參數(shù) 自然光信號(hào) 人體 作息時(shí)間 符號(hào) A B C D 邏 輯 狀 態(tài) 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 由上述的真值表可得出系統(tǒng)邏輯函數(shù)表達(dá)式為 ： D=A B C。 第二章 系統(tǒng)硬件 單路的設(shè)計(jì) 本 系統(tǒng)以單片微型計(jì)算機(jī)為核心外加多種接口電路組成，共有六個(gè)主要部分： AT89C51 芯片、 AT89C2051 芯片 、 光信號(hào)采集電路、人體信號(hào)采集電路、時(shí)鐘控制電路 DS1288輸出控制電路、定時(shí)監(jiān)視器電路 。 主 控制器的電路設(shè)計(jì) 主控制器采用 AT89C52 單片機(jī)作為微處理器， AT89C52 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、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) MCS52 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 21所示： 圖 21主控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖 系統(tǒng)供電電路的設(shè)計(jì) 變壓器：變壓器的功能是將 220V 的交流電變換成整流電路所需要的低壓交流電。 ： 整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任 務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔茫?將變壓器的次級(jí)電壓變換成單向脈動(dòng)直流。 因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。我們現(xiàn)在用到的是橋式整流電路。 在穩(wěn)壓電源中一般用四個(gè) IN4007 二極管組成橋式整流電路，整流電路的作 用是將交流電壓 U2變換成脈動(dòng)的直流電壓 U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動(dòng)直流電壓 U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓UI 。 UI 與交流電壓的有效值 U2 的關(guān)系為： UI = U2)~( 在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓為： URM = U22 流過(guò)每只二極管的平均電流為： ID= 2IR = 2 其中： R為整流濾波電路的負(fù)載電阻，它為電容 C提供放電通路，放電時(shí)間常數(shù)RC應(yīng)滿(mǎn)足： RC 2 )5~3( ? ：濾波電路的作用是平波，將脈動(dòng)直流變換成比較平滑的直流。濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器 C，或在整流電路輸出端與負(fù)載間串聯(lián)電感器 L，以及由 電容，電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。我們現(xiàn)在采用的是在負(fù)載兩端并聯(lián)電容器 C的方法。由于電抗元件在電路中有儲(chǔ)能作用，并聯(lián)的電容器 C 在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量存儲(chǔ)起來(lái)，而當(dāng)電源電壓降低時(shí)，就把電場(chǎng)能量釋放出來(lái)，使負(fù)載電壓比較平滑，即電容 C具有平波的作用。 ：濾波電路的輸出電