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基于单片机的照明控制系统的设计-毕业论文.doc
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基于单片机的照明控制系统的设计-毕业论文.doc
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河北工业大学 2012 届本科毕业论文
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1 引言
1.1 课题背景
近十几年来,随着我国城市建设的快速发展,楼宇照明也相应飞速发展。在楼宇
的照明数量与质量两个方面均有显著的变化与提高,特别是随着人民生活水平进入小
康水平,楼宇照明水平提高很快,追求人工照明光环境的舒适性、个性化、安全、节
能等方面日见突出。楼宇中人工光环境对于满足人们的生活、学习、娱乐以及工作方
面有着重要的意义。
1.2 课题思路
照明控制系统传统是以照明配电箱通过手动开关来控制照明灯具的通断,或通过
回路中串入接触器,实现远距离控制。而今出现的楼宇自控系统,是以电气触点来实
现区域控制、定时通断、中央监控等功能。由于照明控制系统在楼宇自控系统中并非
独立,同时控制功能简单,因此使用上有一定的局限性。故当楼宇自控系统出现故障
时,照明系统亦受到影响。
随着微电子技术与数字化技术的发展,开发出了智能化水平更高的专业照明控制
的独立系统,从而能节约能源、延长灯具寿命、提高照明质量。根据使用客户的经验,
不仅使照明管理与设备维修简单及降低费用外,还对环境改善、提高工作效率都有着
显著的效果。
本系统是以单片机为控制器的核心,其中上位机是以 AT89C51 为基础,下位机是
以 AT89C2051 为基础,再连接外围电路,通过现场总线 RS485 通信方式实现照明灯具
的智能控制,也可以通过无线数传模块实现无线通信,从而达到照明灯具的智能控制。
1.3 有线通信技术
在数据通信、计算机网络以及工业上的分布式控制系统中,经常需要采用串行通
信来达到远程信息交换的目的。目前,有多种接口标准可用于串行通信,最常用的接
口有 RS-232、RS-422、RS-485。RS232 是最早的串行接口标准,在短距离、较低波特
率串行通信中得到了广泛应用。其后发展起来的 RS-422、RS-485 是平衡传送的电气
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标准,比起 RS-232 非平衡的传送方式在电气指标上有了大幅度的提高。但总的来说,
RS-232、RS-422 与 RS-485 最初都是由电子工业协会(EIA)制订并发布的, EIA 于
1983 年在 RS-422 基础上制定了 RS-485 标准,增加了多点、双向通信能力,即允许
多个发送器连接到同一条总线上,同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性,扩
展了总线共模范围,后命名为 TIA/EIA-485-A 标准。RS-232、RS-422 与 RS-485 标准
只对接口的电气特性做出规定,而不涉及接插件、电缆或协议,在此基础上用户可以
建立自己的高层通信协议。正因为 RS-485 的远距离、多节点(32 个)、可以自行定
义协议以及传输线成本低的特性,使得 EIA RS-485 成为工业应用中数据传输的首选
标准。
1.4 无线数传技术
有线传输的方式虽然使用非常广泛且可靠性较高,但由于各方面的局限性,已经
在众多方面被无线传输方式所取代。无线数字传输技术日益完善,其重要性也被人们
所认识,相应的基于无线数字传输的产品也随处可见。无线数字传输系统安装简便、
使用效率高,可应用于各个领域,例如,无线数据传输、无线数据采集、无线抄表、
工业遥控、楼宇自动化、高档玩具等等。
无线数传技术是通过单片机的串口与无线数传模块连接,将要发送的数据由无线
数传模块向空中发出,然后由另一个终端设备的无线数传模块从空中接收数据,这样
就实现了预期的任务。
1.5 单片机的应用技术
电子技术和微型计算机的迅速发展,促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展
和广泛应用,单片机(单片微型计算机)的应用已经渗透到国民经济的各个部门和领
域,它起到了越来越重要的作用。
单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成
到一块集成电路芯片上的微型计算机。因此一块芯片就构成了一台计算机。它已成为
工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。
单片机由硬件系统与软件系统组成。硬件系统是指构成微机系统的实体与装置,
通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设
备等组成。其中运算器和控制器一般做在一个集成芯片上,统称中央处理单元
(Central Processing Unit),简称 CPU,是微机的核心部件。CPU 配上存放程序和数
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据的存储器、输入/输出(Input/Output,简称 I/O)接口电路以及外部设备即构成
单片机的硬件系统。软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称,人们通过它对微
机进行控制并与微机系统进行信息交换,使微机按照人的意图完成预定的任务。软件
系统与硬件系统共同构成完整的单片微型计算机系统,两者相辅相成,缺一不可。
2 基于单片机的照明控制系统的设计框架与性能
2.1 系统设计要点
系统设计主要包括硬件和软件两大部分,依据控制系统的工作原理和技术性能,
将硬件和软件分开设计。硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路
图,然后对硬件进行调试、测试,以达到设计要求。软件设计部分,首先在总体设计
中完成系统总框图和各模块的功能设计,拟定详细的工作计划;然后进行具体设计,
包括各模块的流程图,选择合适的编程语言和工具,进行代码设计等;最后是对软件
进行调试、测试,达到所需功能要求。
在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。硬件电路是采用结构
化系统设计方法,该方法保证设计电路的标准化、模块化。硬件电路的设计最重要的
选择用于控制的单片机,并确定与之配套的外围芯片,使所设计的系统既经济又高性
能。硬件电路设计还包括输入输出接口设计,画出详细电路图,标出芯片的型号、器
件参数值,根据电路图在仿真机上进行调试,发现设计不当及时修改,最终达到设计
目的。软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系,本系统由于是采用 51 系
列单片机,因此使用 Keil C 语言进行开发。此编程工具相比汇编语言具有结构化、
适用范围大、可移植性好等特点。本系统软件设计采用模块化系统设计方法,先编写
各个功能模块子程序,然后进行组合与调整,经过调试后,达到设计功能要求。
2.2 系统的结构
系统的结构主要由三部分组成:a)上位机系统;b)下位机系统;c)通信系统。
这三部分共同完成了主控制器通过有线、无线通信方式与分控制器进行信息交换,达
到控制照明灯具的目的。有线通信系统的结构框图如图 2.1 所示。
该多机通信系统采用 RS-485 半双工主从式通信系统,主机可以发送数据或命令
到从机,从机主要负责对分布的照明灯具进行控制,用中断的方式接收主机发来的命
令或数据并做出回应。
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图 2.1 有线通信系统结构框图
无线数据传输系统也是由主控制器和分控制器两部分组成,系统结构框图如图
2.2 所示。主控制器是发送遥控指令、发送数据信息、接收应答信息等,分控制器接
收数据与遥控指令,完成对照明灯具的控制。
图 2.2 无线数传系统结构框图
系统的主控制器通过 RS-485 总线或无线数传模块将数据或命令发送给分控制器,
同时将信息送给数码显示单元进行显示,并有看门狗电路对运行程序进行有效监视。
主控制器硬件电路结构如图 2.3 所示。分控制器接收主控制器的发来的数据和命令,
通过可控硅电路对照明灯具进行开关、亮度控制,并且利用实时时钟芯片对照明灯具
进行定时开关控制。分控制器硬件电路结构如图 2.4 所示。
系统在单片机的控制之下完成数据的通信、显示,同时能够控制照明灯具,其硬
件电路只是系统的实施工具,大量的工作是由软件来完成的。这些程序是系统的灵魂,
是负责完成硬件电路实现功能和与用户交互的桥梁,是维护系统正常工作的工具。
2.3 系统性能指标及技术要求
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
无线数传模块
分控制器
无线数传模块
主控制器
无线数传模块
…
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a)照明启停控制系统
1) 全开 2) 全关 3) 单独开 4) 单独关
b)照明亮度控制系统
1) 全部亮度调节 2) 单独亮度调节
c)定时控制系统
1) 对全部照明灯进行定时控制 2) 对每个照明灯进行定时控制
图 2.3 主控制器硬件电路结构框图
图 2.4 分控制器硬件电路结构框图
3 基于单片机的照明控制系统的硬件电路设计
3.1 主控制器的电路设计
主控制器采用 AT89C51 单片机作为微处理器,AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的
89C51
数码显示及驱动电路
通信接口电路
看门狗
键盘
晶振
电源
89C2051
电源
看门狗
晶振
时钟电路
零点检测电路
可控硅控制电路
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