【文章內(nèi)容簡介】 照明光環(huán)境研制的智能照明控制系統(tǒng)產(chǎn)品很少，還有很大的開發(fā)前景。2 系統(tǒng)方案設(shè)計本章根據(jù)論文課題要求的性能指標(biāo)進(jìn)行方案論證，給出課題要求的性能指標(biāo)，根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)功能，完成系統(tǒng)方案設(shè)計。2．1 系統(tǒng)設(shè)計要點系統(tǒng)設(shè)計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，將硬件和軟件分開設(shè)計。硬件設(shè)計部分包括電路原理圖、合理選擇元器件、繪制線路圖，然后對硬件進(jìn)行調(diào)試、測試，以達(dá)到設(shè)計要求。硬件電路是采用結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設(shè)計方法，該方法保證設(shè)計電路的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。硬件電路的設(shè)計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)計的系統(tǒng)既經(jīng)濟(jì)又高性能。硬件電路設(shè)計還包括輸入輸出接口設(shè)計，畫出詳細(xì)電路圖，標(biāo)出芯片的型號、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)計不當(dāng)及時修改，最終達(dá)到設(shè)計目的。軟件設(shè)計部分，首先在總體設(shè)計中完成系統(tǒng)總框圖和各模塊的功能設(shè)計，擬定詳細(xì)的工作計劃；然后進(jìn)行具體設(shè)計，包括各模塊的流程圖，選擇合適的編程河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計)論文5 語言和工具，進(jìn)行代碼設(shè)計等；最后是對軟件進(jìn)行調(diào)試、測試，達(dá)到所需功能要求。本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化系統(tǒng)設(shè)計方法，先編寫各個功能模塊子程序，然后進(jìn)行組合與調(diào)整，經(jīng)過調(diào)試后，達(dá)到設(shè)計功能要求。2．2 系統(tǒng)設(shè)計思路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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)。這三部分共同完成了主控制器通過有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。2．2．1 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)來的命令或數(shù)據(jù)并做出回應(yīng)。如圖 21 所示2．2．2 上位機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)的主控制器通過 RS485 總線將數(shù)據(jù)或命令發(fā)送給分控制器，同時將信息送給數(shù)碼顯示單元進(jìn)行顯示，并有看門狗電路對運行程序進(jìn)行有效監(jiān)視。主控制器硬件電路結(jié)構(gòu)如圖 22 所示。分控制器接收主控制器的發(fā)來的數(shù)據(jù)和命令，通河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計)論文6 過可控硅電路對照明燈具進(jìn)行開關(guān)控制，并且利用實時時鐘芯片對照明燈具進(jìn)行定時開關(guān)控制2．2．3 下位機(jī)系統(tǒng)分控制器硬件電路結(jié)構(gòu)如圖 23 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，同時能夠控制照明燈具，其硬件電路只是系統(tǒng)的實施工具，大量的工作是由軟件來完成的。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。河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計)論文7 室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)可以根據(jù)氣候、人體等因素全天候自動模糊控制室內(nèi)照明電器的開和關(guān)。做到光線暗時開燈，雨天陰天時開燈，無人時關(guān)燈，光線亮?xí)r關(guān)燈，晴天時關(guān)燈。在確保室內(nèi)正常照明同時，可有效防止無人燈（無人時開燈）﹑無效燈（光線亮?xí)r開燈） ，從而達(dá)到節(jié)電目的。根據(jù)上述要求，可以畫出如表 21 所示控制系統(tǒng)邏輯功能表。關(guān)系如果假設(shè)：室內(nèi)光線強(qiáng)度為 A：光線強(qiáng)時 A=1，光線弱時 A=0；人體信號為 B：有人時 B=1，無人時 B=0；電燈開關(guān)狀態(tài)為 D：合時 D=1，斷開時 D=0。由真值表可得出系統(tǒng)邏輯函數(shù)表達(dá)式為： D=A 非B表 21 系統(tǒng)邏輯 (真值表)河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計)論文8 3 硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)硬件總述系統(tǒng)以單片微型計算機(jī)為核心外加多種接口電路組成，共有六個主要部分： STC89C52RC 芯片、光信號采集電路、人體信號采集電路、時鐘控制電路 DS130輸出控制電路、定時監(jiān)視器電路，如圖 31 所示河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計)論文9 CPU 性能介紹STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置 4KBEEPROM， MAX810 復(fù)位電路，三個 16 位定時器/計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外 STC89X52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位。最高運作頻率 35Mhz， 6T/12T 可選。 主控室電路設(shè)計主控制器系統(tǒng)的外圍接口電路由鍵盤、數(shù)碼顯示及驅(qū)動電路、晶振、看門狗電路、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 32 所示。河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計)論文10 鍵盤接口設(shè)計鍵盤的結(jié)構(gòu)形式有兩種，即獨立式按鍵和矩陣式鍵盤。本系統(tǒng)使用的是 44矩陣式鍵盤，第一行從左到右為 4，第二行為 8，第三行為0、開、關(guān)，第四行為增值、減值、取消、確認(rèn)。該形式的鍵盤，每個按鍵開關(guān)位于行列的交叉處，采用逐行掃描的方法識別鍵碼。矩陣鍵盤的列線從左到右分別與單片機(jī)的 、 相連，矩陣鍵盤的行線從上到下分別與、 相連。每當(dāng)按下一個鍵時，對應(yīng)的行線與列線就會連通，這樣單片機(jī)就能檢測出信號，并通過鍵盤掃描程序?qū)︽I盤進(jìn)行掃描，以識別被按鍵的行、列位置。 數(shù)碼顯示設(shè)計顯示模塊采用點陣字符液晶顯示器 LCD1602， LCD1602 專門用來顯示數(shù)字、河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計)論文11 字母、常見圖形符號。顯示器把 LCD 控制器、點陣驅(qū)動器、字符存儲器集成在一起，字符型液晶顯示模塊由內(nèi)置 192 個字符，所以使用起來非常的方便，而且顯示界面非常清晰，能較好的顯示當(dāng)前的年、月、日、時、分、秒及相關(guān)信息。 看門狗監(jiān)控電路設(shè)計本系統(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 STC89C52RC 的接口電路如圖 32 所示。MR 與 WDO 經(jīng)過一個二極管連接起來， 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)過一個復(fù)位按鈕接地。該監(jiān)控電路的主要功能如下：（1）系統(tǒng)正常上電復(fù)位：電源上電時，當(dāng)電源電壓超過復(fù)位門限電壓， RESET 端輸出 200ms 的復(fù)位信號，使系統(tǒng)復(fù)位。（2）對+5V 電源進(jìn)行監(jiān)視：當(dāng) +5V 電源正常時， RESET 為低電平，單片機(jī)正常工作；當(dāng)+5V 電源電壓降至 + 以下時， RESET 輸出高電平，對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。（3）看門狗定時器被清零， WDO 維持高電平；當(dāng)程序跑飛或死機(jī)時， CPU 不能在 1． 6s 內(nèi)給出“喂狗”信號， WDO 跳變?yōu)榈碗娖剑捎?MR 端有一個內(nèi)部 250mA 的上拉電流， D 導(dǎo)通 MR 獲得有效低電平， RESET 端輸出復(fù)位脈沖，單片機(jī)復(fù)位，看門狗定時器清零， WDO 又恢復(fù)成高電平。（4）手動復(fù)位：如果需要對系統(tǒng)進(jìn)行手動復(fù)位，只要按下手動復(fù)位按鈕，就能對系統(tǒng)進(jìn)行有效的復(fù)位。 分控制器的電路設(shè)計由于條件限制，分控制器仍采用采用 STC89C52 單片機(jī)作為微處理器。河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計)論文12 光信號取樣電路光信號取樣電路如圖 37 所示，圖中主要由光信號采集電路和比較輸出電路組成。信號經(jīng)過采集送入 MAX485 同相輸入端，通過芯片處理后，最終由 Ro 腳輸出相應(yīng)高電平或低電平，送入單片機(jī) 口，由單片機(jī)接收并作為開關(guān)等的依據(jù)。電路中電位器可調(diào)節(jié) B 端的輸入電壓，從而調(diào)節(jié)在不同光強(qiáng)下設(shè)置開關(guān)燈門限。在此電路中，光敏電阻在不同光強(qiáng)下呈現(xiàn)不同阻值，當(dāng)光照強(qiáng)度變小時，其阻值變大，使得加在光敏電阻上的電壓變大，經(jīng)過 82K 電阻再次分壓后，如達(dá)到導(dǎo)通三極管電壓，即加在 MAX485 的 A 腳的電壓隨之變化，達(dá)到比較效果。河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計)論文13 人體信號采集模塊人體信號采集由人體紅外檢測探頭和比較電路組成，本設(shè)計中直接使用夠買的成品人體紅外感應(yīng)報警模塊。 人體紅外探頭熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線,并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴後岆妭鞲衅骶哂谐杀镜?、不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源、靈敏度高、可流動安裝等特點。實際使用時,在熱釋電傳感器前需安裝菲涅爾透鏡,這樣可大大提高接收靈敏度,增加檢測距離及范圍。實驗證明,熱釋電紅外傳感器若不加菲涅爾透鏡,則其檢測距離僅為2 m左右。而配上菲涅爾透鏡后,其檢測距離可增加到10 m以上。靜態(tài)情況下空間存在紅外光線，由于雙源式探頭采用互補(bǔ)技術(shù)，不會產(chǎn)生電信號輸出。動態(tài)情況下，人體經(jīng)過探頭先后被A源或被 B源感應(yīng)， SaSb或SaSb河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計)論文14 產(chǎn)生差值，雙源失去互補(bǔ)平衡作用而很敏感地產(chǎn)生信號輸出。 信號處理電路本設(shè)計采用 BIS0001 來完成對熱釋電傳感器輸出信號的處理。BIS0001 是一款具有較高性能的熱釋電傳感器信號處理集成電路,它主要由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成。圖 310 中,熱釋電傳感器 S 極輸出信號送入 BIS0001 的 14 腳,經(jīng)內(nèi)部第一級運算放大器放大后,由 C3 耦合從 12 腳輸入至內(nèi)部第二級運算放大器放大,再經(jīng)電壓比較器構(gòu)成的鑒幅器處理后,檢出有效觸發(fā)信號去啟動延遲時間定時器,最后從 12 腳輸出信號 (Vo )送入單片機(jī)進(jìn)行照明控制。實驗所得,當(dāng)傳感器檢測室內(nèi)有人時,Vo =4V 無人時 Vo = V。BIS0001 的 1 腳接高電平 ,使芯片處于可重復(fù)觸發(fā)工作方式。輸出 Vo (高電平)的延遲時間 Tx 由外部 R8 和 C7 的大小調(diào)整。觸發(fā)封鎖時間 Ti 由外部 R9 和 C6 的大小調(diào)整。河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)(設(shè)計)論文15 比較電路比較電路如圖 311 所示，由兩個運算放大器組成，輸入信號來自于紅外 人體探頭輸出。比較電路中的基準(zhǔn)電壓分別由兩個獨立的分壓電路得到，供 電路比較所用。 即運算放大器 D1 的 6 腳和 D2 的 1 腳電壓分別為 和 。 通過比較電路將相應(yīng)的電壓比較結(jié)果以數(shù)字信號輸出。當(dāng)被動紅外探頭 在有效范圍內(nèi)感應(yīng)到人體信號后，運算放大器的“2 腳”或“5 腳”的電壓降 為；當(dāng)被動紅外探頭在有效范圍內(nèi)沒有感應(yīng)人體紅外信號時， “2 腳”或“5 腳”的電壓降為 。探頭故障斷路時，則“2 腳”或“5 腳”的電壓降 為 0V。 “1 腳”的電壓恒定為 ， “2 腳”的電壓有 1V 或是 兩種狀態(tài)， “6 腳”的電壓恒定為 ， “5 腳”的電壓與“2 腳”的電壓保持一致。 探頭將會根據(jù)有無人體信號在“2 腳”產(chǎn)生 或 兩種電壓信號。（由于故障或沒有安裝探頭） “1 腳”的電壓恒定為 ， “2 腳”的電壓為 0V， “6 腳”的電壓恒定為 ， “5 腳”的電壓為 0V。 探頭將只會產(chǎn)生一種電壓信號 0V。 具體的比較結(jié)果如下表 31 所示。表 31 探頭采集信號輸出狀態(tài)表