【正文】 煙 等 物 自 然 是 少 不 了 的 ， 所 以 在 選 擇 燈 具 的 時(shí) 候 ， 也 要 選 擇 密 封 性 好 、易 于 清 潔 且 耐 腐 蝕 的 燈 具 。3 智能家居照明控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)家 居 照 明 控 制 系 統(tǒng) 的 智 能 化 主 要 體 現(xiàn) 在 兩 大 功 能 模 塊 上 ， 一 個(gè) 是 智 能 調(diào) 光 裝置 ， 另 一 個(gè) 就 是 光 照 度 的 檢 測(cè) 、 顯 示 及 補(bǔ) 償 裝 置 。 下 面 主 要 就 這 兩 方 面 來 介 紹 智能 照 明 系 統(tǒng) 的 硬 件 設(shè) 計(jì) ， 但 這 里 要 特 殊 申 明 的 是 ， 由 于 各 種 原 因 在 硬 件 的 具 體 制作 與 實(shí) 驗(yàn) 方 面 ， 本 人 只 制 作 了 照 度 檢 測(cè) 、 顯 示 及 補(bǔ) 償 的 演 示 裝 置 。 主要元器件的選取 控制器的選擇硬件設(shè)計(jì)過程中控制器是系統(tǒng)的核心部分，它能夠控制系統(tǒng)的信號(hào)的采集及處理功能，它的性能的好壞決定著系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗與否，因此，必須對(duì)主控制器從功能和應(yīng)用性能進(jìn)行選擇?？蛇x用控制器主要有可編程控制器(PLC)、單片機(jī)兩類，它們各有自己的有缺點(diǎn)?？删幊炭刂破鳎≒LC)是專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器， 、用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入、輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。它的主要功能是邏輯控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、步進(jìn)控制、PID 控制、數(shù)據(jù)控制、通信和聯(lián)網(wǎng)等。因此它的抗干擾能力強(qiáng)，工作可靠，但其無法讀取外部存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。而本文智能家居照明控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)照明的人性化管理，也就是根據(jù)人的控制輸入出現(xiàn)相應(yīng)的照明場(chǎng)景和自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)控制輸出相結(jié)合，具備很大的靈活性。方便修改相應(yīng)的場(chǎng)景參數(shù)，易于功能擴(kuò)展，還可以與 PC 機(jī)以及與其它單片機(jī)進(jìn)行通信。由于單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機(jī)。而單片機(jī)的設(shè)計(jì)在滿足大多數(shù)測(cè)控參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)處理速度和數(shù)據(jù)容量相對(duì)要求不高的前提下，大力發(fā)展了其控制功能和控制運(yùn)行的可靠性，18 / 53因而更適合于檢測(cè)、控制型應(yīng)用場(chǎng)合。本系統(tǒng)并不需要進(jìn)行復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的計(jì)算工作，數(shù)據(jù)容量也不多，非常適合使用單片機(jī)作為本系統(tǒng)的微處理器。而在單片機(jī)家族的眾多成員中，AT89 系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價(jià)格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測(cè)控和自動(dòng)化工程應(yīng)用的主要市場(chǎng)，成為國(guó)內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。目前，可用于 AT89 系列單片機(jī)開發(fā)的硬件越來越多，與其配套的各類開發(fā)系統(tǒng)、各種軟件也日趨完善，因此，可以極方便地利用現(xiàn)有資源，開發(fā)出用于不同目的的各類應(yīng)用系統(tǒng)。由于 AT89S51 單片機(jī)是在 8031 的基礎(chǔ)上推出的增強(qiáng)型產(chǎn)品，并提高了芯片的集成度，因此在性能上大為提高，增加了多種片內(nèi)硬件功能，并擴(kuò)展了功能單元的種類和數(shù)量。通過以上分析，最終選擇 AT89S51 作為本系統(tǒng)的主控器。 顯示器件的選擇顯示主要有 LCD 顯示和 LED 顯示兩種。液晶顯示器 (LCD)是一種低功耗的顯示器件，在袖珍式儀表或低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。液晶顯示器有標(biāo)準(zhǔn)段式液晶顯示器、字符點(diǎn)陣液晶顯示器和全點(diǎn)陣圖形液晶顯示器三種。液晶本身并不發(fā)光，而是借助自然光或外來光源顯示數(shù)碼，它的優(yōu)點(diǎn)是工作電壓低，耗電極省、成本低。LED 顯示器是由發(fā)光二極管顯示字段組成的顯示器，有 7 段和 “米”字段之分。這種顯示器有共陰極和共陽極兩種。顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。靜態(tài)顯示是使需要顯示的字符的各字段連續(xù)通以電流，因而所顯示的字段連續(xù)發(fā)光。動(dòng)態(tài)顯示是使所需要顯示的各字段斷續(xù)通以電流，因而其發(fā)光是不連續(xù)的。對(duì)于本系統(tǒng)考慮成本及需求等方面，選擇 LED 數(shù)碼管顯示。 光照度檢測(cè)元件的選擇光照度檢測(cè)元件有光敏電阻、光敏三極管、光敏二極管等三種光敏元件。使用光敏電阻作為光照度的檢測(cè)元件，光敏電阻器由能透光的半導(dǎo)體光電晶體構(gòu)成 ，因半導(dǎo)體光電晶體成分不同，又分為可見光光敏電阻、紅外光光敏電阻、和紫外光光敏電阻。當(dāng)敏感波長(zhǎng)的光照半導(dǎo)體光電晶體表面，晶體內(nèi)載流子增加，使其電導(dǎo)率增加（即電阻減?。?。值得注意的是，光敏電阻的光照特性（隨光照強(qiáng)度變化的特性）、溫度系數(shù)（隨溫度變化的特性）、伏安特性線性度不好，所以選擇光敏電阻作為本次實(shí)驗(yàn)的光照度檢測(cè)元件不是很適合。使用光敏三極管作為光照度的檢測(cè)元件，光敏三極管和普通三極管的結(jié)構(gòu)相類似。不同之處是光敏三極管必須有一個(gè)對(duì)光敏感的 PN 結(jié)作為感光面，一般用集電結(jié)作為受光結(jié)，因此，光敏三極管實(shí)質(zhì)上是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光敏二極管的普通三極管。當(dāng)人射光子在基區(qū)及集電區(qū)被吸收而產(chǎn)生電子一空穴對(duì)時(shí)，便形成光生電壓。由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個(gè)放大了19 / 53β 倍的信號(hào)電流。因此，光敏三極管是一種相當(dāng)干將基極、集電極光敏二極管的電流加以放大的普通晶體管放大。但結(jié)構(gòu)原因使結(jié)電容加大，響應(yīng)特性變壞。所以選擇光敏電阻作為本次實(shí)驗(yàn)的光照度檢測(cè)元件也不合適。使用光敏二極管作為光照度的檢測(cè)元件，光敏二極管是利用半導(dǎo)體材料的光特性實(shí)現(xiàn)二極管的開關(guān)功能，光敏二極管和普通二極管相比雖然都屬于單向?qū)щ姷姆蔷€性半導(dǎo)體器件，但在結(jié)構(gòu)上有其特殊的地方。光敏二極管使用時(shí)要反向接入電路中，即正極接電源負(fù)極，負(fù)極接電源正極。根據(jù) PN 結(jié)反向特性可知，在一定反向電壓范圍內(nèi)，反向電流很小且處于飽和狀態(tài)。此時(shí)，如果無光照射 PN 結(jié)，則因本征激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)量有限，反向飽和電流保持不變，在光敏二極管中稱為暗電流。當(dāng)有光照射PN 結(jié)時(shí)，結(jié)內(nèi)將產(chǎn)生附加的大量電子空穴對(duì)（稱之為光生載流子） ，使流過 PN 結(jié)的電流隨著光照強(qiáng)度的增加而劇增，此時(shí)的反向電流稱為光電流。不同波長(zhǎng)的光（藍(lán)光、紅光、紅外光）在光敏二極管不同區(qū)域被吸收形成光電流。光敏二極管和光敏三極管是光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體器件，與光敏電阻器相比具有靈敏度高、高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。正因?yàn)檫@些特點(diǎn)本系統(tǒng)主要選擇光敏二極管作為光照度檢測(cè)元件。 電源電路設(shè)計(jì)本 系 統(tǒng) 主 要 采 用 ＋ 12V 電 源 和 +5V 電 源 ， 電 路 圖 如 圖 31 所 示 ：圖 31 電源電路 主控制電路設(shè)計(jì)AT89S51 的 RST 引腳為復(fù)位引腳，只要在 RST 引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位。本設(shè)計(jì)采用的是按鍵復(fù)位，如圖 32 所示，當(dāng)按下按鍵后，20 / 53電容被短路，RST 引腳就處于高電平，就可以達(dá)到復(fù)位的目的。圖 32 復(fù)位電路AT89S51 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定。在引腳 XTAL1 和 XTAL2 外接晶體振蕩器( 簡(jiǎn)稱晶振) ，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如下圖 33 所示。圖中，兩個(gè)電容起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一般在 2030pF。晶振頻率的典型值為 6MHz 或 12MHz，設(shè)計(jì)中電容取 30pF，晶振為12MHz。 圖 33 晶振電路本設(shè)計(jì)中單片機(jī)的各管腳的控制功能闡述如下：1 P0 口是一組雙向 I/O 端口，它分時(shí)提供低 8 位地址和 8 位雙向數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)中 ～ 接上發(fā)光二極管后與八個(gè)上拉電阻相連，用于模擬照度補(bǔ)償。2 P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。本設(shè)計(jì)中 P1 口與兩個(gè) LED數(shù)碼管相接，構(gòu)成光照度顯示部分。21 / 53圖 34 主控制電路⑶ P2 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。設(shè)計(jì)中， 用于外接 A/D轉(zhuǎn)換芯片, 和 用于三極管的驅(qū)動(dòng)， 用于采用 PWM 方式調(diào)光， 和 用于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)切換及手動(dòng)調(diào)光功能。⑷ P3 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。在整個(gè)系統(tǒng)中，這 8 個(gè)引腳還具有專門的第二功能。本設(shè)計(jì)中用到 和 作為串口輸出，RXD 與 TXD 與電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232 相連，信號(hào)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后在 PC 機(jī)連接，通過光照度監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)光照度進(jìn)行計(jì)算機(jī)監(jiān)控。具體見上圖 34 所示。 數(shù)據(jù)采集及處理電路 數(shù)據(jù)采集電路本設(shè)計(jì)中選擇光敏二極管作為光照檢測(cè)元件，具體電路如圖 35 所示：由圖可知，為了將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，這里采用了反相比例運(yùn)算。即 或 (31)outinFVIR???outinFVI??22 / 53 其中： ——輸出電壓；outV ——光敏二極管的光電流；inI ——反饋電阻，這里( )。FR23FR??若標(biāo)定好光敏二極管的輸出電流是每一百勒克斯為 ，此時(shí)若運(yùn)算放大器（OP07）的反饋電阻 取為 180 kΩ，那么就可以得到 1 m A /lx 的靈敏度，對(duì)于靈敏度的分散性，可以用電位器 R3 進(jìn)行調(diào)整。圖中的電容的作用是將電燈光的明暗閃爍進(jìn)行平均，使得輸出不產(chǎn)生閃爍的現(xiàn)象，每 lx 的光產(chǎn)生的輸入電流為： （32）此時(shí)： （33）即每 lx 的光就可以得到 1 mV 的輸出電壓。圖 35 數(shù)據(jù)采集電路 轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用 ADC0832，接收經(jīng)過運(yùn)算放大器處理后的光照度的檢測(cè)值，經(jīng)過ADC0832 處理后送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。ADC0832 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種 8位分辨率、雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性強(qiáng)，目前已經(jīng)有很高的普及率。ADC0832 具有一下特點(diǎn)： 8 位分辨率；? 雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換； 輸入輸出電平與 TTL/CMOS 相兼容； 5V 電源供電時(shí)輸入電壓在 0～5V 之間；? 工作頻率為 250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 32uS； 一般功耗僅為 15mV；?.???23 / 53 8P、14P—DIP(雙列直插)、PICC 多種封裝；? 商用級(jí)芯片溫寬為 0 ～+70 ，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為40 ～+85 。oco oco其封裝圖如下圖 36 所示: CS()REFVC 0HLK 10D GND1 圖 36 ADC0832 封裝圖芯片接口說明： 片選使能，低電平芯片使能；?CS CH0 輸入通道 0，或作為 IN+/使用； CH1 模擬輸入通道 1，或作為 IN+/使用； GND 芯片參考 0 電位；? DI 數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制； DO 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出； CLK 芯片時(shí)鐘輸入；? VCC 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用） 。芯片時(shí)序說明：如下圖 37 所示：1 8 2 ADC0832 73 64 5 24 / 53圖 37 ADC0832 芯片時(shí)序圖ADC0832 與單片機(jī)的接口電路及原理：ADC0832 的 2 腳與光照度傳感器的輸出電壓 相接，采用 0 通道輸入， 口與outVCS 口相連，用于控制 ADC0831 的片選信號(hào)，低電平有效，7 腳的 CLK 接在 口，通過單片機(jī)為 ADC0831 輸入時(shí)鐘信號(hào)，5 腳的 DI 選擇通道控制與 相連，6 腳的串行口輸出與 相連，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過 口輸入單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行處理。如圖 38 所示：圖 38 ADC0832 與單片機(jī)的接口電路當(dāng) ADC0832 未工作時(shí)其 CS 輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK 和 DO/DI的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將 CS 使能端置于低電平并且保持電平到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由單片機(jī)向芯片時(shí)鐘輸入端 CLK 輸入時(shí)鐘脈沖，使用 DI 端輸入通道功能選擇數(shù)據(jù)信號(hào)。在第一個(gè)脈沖的下降沿之前 DI 端必須是高電平，表示啟動(dòng)信號(hào)。在第 3 個(gè)脈沖下降沿之前 DI 端輸入 2 位數(shù)據(jù)用于選25 / 53擇通道功能，其功能項(xiàng)見表 所示：表 通道選擇表MUX Address Channel SGL/DIF ODD/SIGN 0 11 0 +1 1 +本設(shè)計(jì)中只需要對(duì) CH0 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換，如上表所示需要將 2 位數(shù)據(jù)置為“1” 、“0”即可。到第 3 個(gè)脈沖的下降沿之后 DI 端的輸入電平就失去輸入作用，此后 DI 端則開始利用數(shù)據(jù)輸出 DO 進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第 4 個(gè)脈沖下降沿開始 DO 端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位 DATA7，隨后每一個(gè)脈沖下降沿 DO 端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第 11個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù) DATA0，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)志著一次 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)束。最后將 CS 置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以了。 顯示電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用 LED 動(dòng)態(tài)顯示方式，使用兩個(gè) LED 數(shù)碼管進(jìn)行顯示，數(shù)碼管是共陽極接法，分別顯示個(gè)位和十位數(shù)據(jù)。a～