基于單片機的照明控制系統設計畢業論文_wenkub

【導讀】隨著電子技術的飛速發展基于單片機的控制系統已廣泛應用于工業農業電。力電子智能樓宇等行業微型計算機作為嵌入式控制系統的主體與核心代替了傳。統的控制系統的常規電子線路同時樓宇智能化的發展與成熟也為基于單片機的。照明控制系統的普及與應用奠定了堅實的基礎。本文介紹了基于AT89C51的室內燈光控制系統及其原理提出了有效的節能?？刂品椒ㄔ撓到y采用了當今比較成熟的傳感技術和計算機控制技術利用多參數。系統設計包括硬件設計和軟件設計兩部分該照明控制系統的主控制器分控。制器分別是以AT89C51單片機為基礎實現了通信控制與顯示等功能文中詳細地。描述了控制電路的設計過程包括鍵盤與LED顯示電路RS485通信電路照明燈控制。12課題研究的目的與意義-2-. 節能效果和延長燈具壽命-2-. 作環境提高工作效率-2-. 第2章系統設計方案-4-. 36光信號取樣電路-14-. Microwire串行總線性能介紹-14-. 37人體信號采集電路-16-. 38DS12887時鐘芯片接口電路設計-20-. 44RS485通信程序設計-37-. 51干擾產生的后果-40-. 附錄A總體電路圖-46-. 附錄B外文文獻及譯文-47

【正文】
基于單片機的照明控制系統設計
摘要
隨著電子技術的飛速發展基于單片機的控制系統已廣泛應用于工業農業電
力電子智能樓宇等行業微型計算機作為嵌入式控制系統的主體與核心代替了傳
統的控制系統的常規電子線路同時樓宇智能化的發展與成熟也為基于單片機的
照明控制系統的普及與應用奠定了堅實的基礎
本文介紹了基于AT89C51的室內燈光控制系統及其原理提出了有效的節能
控制方法該系統采用了當今比較成熟的傳感技術和計算機控制技術利用多參數
來實現對學校教室室內照明的控制
系統設計包括硬件設計和軟件設計兩部分該照明控制系統的主控制器分控
制器分別是以AT89C51單片機為基礎實現了通信控制與顯示等功能文中詳細地
描述了控制電路的設計過程包括鍵盤與LED顯示電路RS485通信電路照明燈控制
電路以及看門狗電路等對于軟件設計主要有主控制器分控制器的有線通信程序
設計以及燈光控制定時控制鍵盤掃描與LED顯示等程序設計
關鍵詞AT89C51單片機節能采集電路
TheControlSystemforLightingBasedonSingle–chipMicroputer
Abstract
Withtherapiddevelopmentofelectronictechnologythesystemof
controlbasedonSingle-chipMicroputeriswidelyappliedinindustry
agricultureelectricpowerelectronintelligentbuildingandsoon
Microputerasthesubjectandcoreoftheembeddedsystemofcontrol
replacesthetraditionalsystemelectroniccircuitAtthesametimethe
developmentandmaturationoftheintelligentbuildinghaveestablished
thesubstantialfoundationforthepopularizationandapplicationofthe
controlsystemforlightingbasedonsingle-chipmicroputer
InthispapertheIndoorLightingControlSystemBasedonAT89C51and
itsprincipleareintroducedSomeeffectiveandenergysavingcontrol
strategysoflightingsystemarebroughtforwardThecurrentsystemuses
arelativelymaturesensortechnologyandputercontroltechnology
usingmulti-parametertoachievetheschoolclassroomindoorlighting
control
ThesystemincludeshardwareandsoftwaredesignintwopartsThehost
controllerofthecontrolsystemforlightingisbasedonAT89C51
single-chipmicroputerandtheauxiliaryonesarebasedonAT89c51The
systemcandomanyjobssuchaswiredmunicationwirelessdata
transmittingcontrollinganddisplayThepaperdescribesthedesigning
processofthecircuitatlengthincludingkeyboardandLEDdisplay
circuitRS485municationcircuitwirelesstransmittingcircuit
controlcircuitoflightingwatchdogcircuitetcThedesigningofsoftware
mainlyincludestheseveralprogrammingsuchaswiredmunication
lamplightcontrollingtimedcontrollingkeyboardscanningandLED
displayingThewiredmunicationprogrammingfunctionisthatthrough
Master-slavemunicationmethodbasedonRS485thehostcontroller
sendsorderstotheallauxiliarycontrollersoreachoneincluding
turningonlightingturningofflightingregulatingbrightnessof
lightingcontrollingtimedlightingetc
KeywordslightingcontrolsystemAT89C51Single-chip
microputerenergysavingacquisitionofsignal
目錄
前言-1-
第1章緒論-2-
11課題研究背景-2-
12課題研究的目的與意義-2-
節能效果和延長燈具壽命-2-
作環境提高工作效率-2-
理水平-3-
投資收益效果-3-
第2章系統設計方案-4-
21系統設計-4-
計要點-4-
計思路-4-
第3章硬件電路設計-8-
31系統硬件總述-8-
32CPU性能介紹-8-
33主控制機電路設計-8-
接口設計-9-
看門狗監控電路的設計-10-
34分控制器的電路設計-10-
35RS485通信電路的設計-11-
36光信號取樣電路-14-
Microwire串行總線性能介紹-14-
TCL1549的數據采集程序設計-16-
37人體信號采集電路-16-
人體紅外探頭-17-
比較電路-19-
38DS12887時鐘芯片接口電路設計-20-
39輸出驅動電路設計-26-
第4章系統軟件設計-27-
41人機交互程序設計-28-
描程序設計-28-
數碼顯示程序設計-29-
42照明啟?？刂瞥绦蛟O計-30-
?？刂瞥绦蛟O計-30-
?？刂瞥绦蛟O計-32-
43照明控制程序設計-34-
時控制程序設計-34-
時控制程序設計-35-
44RS485通信程序設計-37-
主機部分通信程序設計-38-
分通信程序設計-39-
第5章系統可靠性技術-40-
51干擾產生的后果-40-
52單片機應用系統的硬件抗干擾設計-40-
53軟件抗干擾技術-42-
結論與展望-43-
致謝-44-
參考文獻-45-
附錄A總體電路圖-46-
附錄B外文文獻及譯文-47-
附錄C主要參考文獻及摘要-53-
插圖清單
圖2-1有線通信系統結構框圖-5-
圖2-2主控制器硬件電路結構框圖-5-
圖2-3分控制器硬件電路結構框圖-5-
圖3-1系統硬件總述圖-8-
圖3-2主控制器系統的硬件電路原理圖-9-
圖3-3分控制器系統的硬件電路原理圖-10-
圖3-4單片機多機通信連線圖-11-
圖3-6從機通信電路圖-13-
圖3-7光信號取樣電路-14-
圖3-8Microwire總線系統典TLC1549的接口設計-15-
圖3-9TLC1549引腳及與AD接口電路-15-
圖3-10TLC1549方式1時序圖-15-
圖3-11信號產生輸出示意圖-17-
圖3-12a傳感器頂b傳感器低c傳感器側-18-
圖3-13人體信號比較電路-19-
圖3-14DS12887芯片管腳圖-21-
圖3-15DS12887接口設計-24-
圖3-16輸出控制電路-26-
圖4-1照明控制系統軟件程序總體結構圖-27-
圖4-2鍵盤掃描程序流程圖-29-
圖4-3LED數碼顯示程序流程圖-30-
圖4-4全部啟?？刂浦鳈C程序流程圖-31-
圖4-5全部啟?？刂茝臋C程序流程圖-32-
圖4-6單獨啟?？刂浦鳈C程序流程圖-33-
圖4-7單獨啟?？刂茝臋C程序流程圖-34-
圖4-8全部定時控制從機程序流程圖-35-
圖4-9單獨定時控制從機控制程序流程-36-
圖4-10主機數據通信流程圖-38-
圖4-11從機數據通信流程圖-39-
表格清單
表2-1系統邏輯關系表信號-6-
表2-2系統邏輯真值表-6-
表3-1探頭采集信號輸出狀態表-19-
表3-2時間日歷和鬧鐘的數據格式-20-
表3-3寄存器A的功能表-21-
表3-4寄存器B的功能表-21-
表3-5寄存器C的功能表-22-
表3-6寄存器D功能表-22-
表4-1數據格式-36-
前言
隨著國民經濟的快速發展和社會進步教育在全社會愈加被關注和重視校園
規模也隨著受教育者的數量增加而不斷擴大教室的數量也大幅度增加為使師生
有舒適的教學和學習的環境無論是教室的面積設施和照度校方在力所能及的范
圍內都付出了十分的努力但由于學開放型的管理模式以及全員的節能意識的淡
薄高校的教室在白天室內照度很高的情況下仍然普遍存在開燈作業即使室內無
人或人數很少的情況下也是全部開啟室內照明夜間許多教室即使僅有幾個學生
在教室自習但室內照明全部開啟絕不會有師生因為只有少數人而僅開幾盞燈長
明燈比比皆是人走不熄燈的現象到處存在這種有形和無形的浪費給校方的水電
支出帶來了沉重的負擔校的水電支出約占全校經費支出的1／41／5電費支出占
據較重比例其中主要能耗浪費較大的是教室照明和空調的使用而教室照明的浪
費源自予長明燈白天亮燈不合理使用照明以及舊燈管的不及時更換從節約資源
對社會貢獻節省高校經費支多方面考慮高校教室照明的節電問題不得不提到重
要的議事日程上來而在大學校的建設熱潮中各大高校和他們的建設者也意識到
了智能照明的重要性相對商業樓宇而言大學校園里的大功率動力和制冷設比重
較少照明燈具則相對比重更多使用照明控制系統更能體現其在節能與管理方面
的優勢提高學校的科學管理水平
良好的工作環境是提高工作效率的一個必要條件合理地選用光源燈具及性
能優越的照明控制系統都能提高照明質量智能照明控制系統具有開關和調光兩
種控制方法可以有效地控制各種照明場所的平均照度值從而提高照度均勻性同
時系統能根據不同的時間段人們的不同需要自動調節照度
理水平
智能照明控制系統是以自動控制為主人工控制為輔的系統在一般的情況下
不需要有人的參與照明系統自動實現開關和調光功能既大大減少了管理人員的
數量也排除了由于人為因素而出現的不定時開關影響學校的正常教學生活秩序
的情況
投資收益效果
智能照明控制系統在節能和節省燈具使用的同時有效節省了電費與管理費
用的支出根據一般的辦公大樓運營的經驗來看節能效果能達到40％以上一般的
商場酒店地鐵站等節能效果也能達到25％～30％
第2章系統設計方案
21系統設計
計要點
系統設計主要包括硬件和軟件兩大部分依據控制系統的工作原理和技術性
能將硬件和軟件分開設計
硬件設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行
調試測試以達到設計要求硬件電路是采用結構化系統設計方法該方法保證設計
電路的標準化模塊化硬件電路的設計最重要的選擇用于控制的單片機并確定與
之配套的外圍芯片使所設計的系統既經濟又高性能硬件電路設計還包括輸入輸
出接口設計畫出詳細電路圖標出芯片的型號器件參數值根據電路圖在仿真機上
進行調試發現設計不當及時修改最終達到設計目的
軟件設計部分首先在總體設計中完成系統總框圖和各模塊的功能設計擬定
詳細的工作計劃然后進行具體設計包括各模塊的流程圖選擇合適的編程語言和
工具進行代碼設計等最后是對軟件進行調試測試達到所需功能要求軟件設計的
方法與開發環境的選取有著直接的關系本系統由于是采用51系列單片機本系統
軟件設計采用模塊化系統設計方法先編寫各個功能模塊子程序然后進行組合與
調整經過調試后達到設計功能要求
計思路
系統的結構主要由三部分組成1上位機系統2下位機系統3通信系統這三部
分共同完成了主控制器通過有線通信方式與分控制器進行信息交換達到控制照
明燈具的目的有線通信系統的結構框圖如圖2-1所示
1．通信系統
該多機通信系統采用RS-485半雙工主從式通信系統主機可以發送數據或命
令到從機從機主要負責對分布的照明燈具進行控制用中斷的方式接收主機發來
的命令或數據并做出回應
圖2-1有線通信系統結構框圖
2．上位機系統
系統的主控制器通過RS-485總線將數據或命令發送給分控制器同時將信息
送給數碼顯示單元進行顯示并有看門狗電路對運行程序進行有效監視主控制器
硬件電路結構如圖2-2所示分控制器接收主控制器的發來的數據和命令通過可
控硅電路對照明燈具進行開關控制并且利用實時時鐘芯片對照明燈具進行定時
開關控制
圖2-2主控制器硬件電路結構框圖
3下位機系統
分控制器硬件電路結構如圖2-3所示系統在單片機的控制之下完成數據的
通信顯示同時能夠控制照明燈具其硬件電路只是系統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的靈魂是負責完成硬件電路實現功能和與用戶
交互的橋梁是維護系統正常工作的工具
圖2-3分控制器硬件電路結構框圖
室內燈光控制系統可以根據作息時間氣候人體等因素全天候自動模糊控制
室內照明電器的開和關做到光線暗時開燈雨天陰天時開燈無人時關燈光線亮時
關燈晴天時關燈休息時間關燈在確保室內正常照明同時可有效防止無人燈無人
時開燈、無效燈光線亮時開燈無限燈休息時間開燈從而達到節電目的
根據上述要求可以畫出控制系統邏輯功能表如表2-1所示
表2-1系統邏輯關系表信號
表室內光信號人體信號時鐘信號電燈的開關狀態參數自
然光照度人體作息時間邏
輯
狀
態強無休息斷強無上課斷強有休息
斷強有上課斷弱無休息斷弱無
上課斷弱有休息斷弱有上課合如
果假設室內光線強度為A光線弱時A1光線強時A0
人體信號為B有人時B1無人時B0
作息時間為C上課時C1休息時C0
電燈開關狀態為D合時D1斷開時D0
則表2-1可以轉化為表2-2
表2-2系統邏輯真值表
信號室內光信號人體信號時鐘信號電燈的開光狀況參數
自然光信號人體作息時間符號ABCD邏
輯
狀
態000000100100
0110100010101
1001111由上述的真值表可得出系統邏輯函
數表達式為DA178。B178。C
第3章硬件電路設計
31系統硬件總述
系統以單片微型計算機為核心外加多種接口電路組成共有六個主要部分
AT89C51芯片光信號采集電路人體信號采集電路時鐘控制電路DS12887輸出控制
電路定時監視器電路如圖3-1所示
圖3-1系統硬件總述圖
32CPU性能介紹
本系統采用了ATMEL公司MCS-51系列單片機中的AT89C51芯片它是低壓高
性能CMOS8位微處理器帶有4k字節Flash閃速存儲器128字節內部RAM15個I
／O口線兩個16位定時／計數器個5向量兩級中斷結構一個全雙工串行通信口
33主控制機電路設計
主控制器采用AT89C51單片機作為微處理器AT89C51是美國ATMEL公司生產
的低電壓高性能CMOS8位單片機片內含4Kbytes的可反復擦寫的Flash只讀程
序存儲器和128bytes的隨機存取數據存儲器RAM器件采用ATMEL公司的高密度
非易失性存儲技術生產兼容標準MCS-51指令系統片內置通用8位中央處理器
CPU和Flash存儲單元
主控制器系統的外圍接口電路由鍵盤數碼顯示及驅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的硬件電路原理圖如圖3-2所示
圖3-2主控制器系統的硬件電路原理圖
接口設計
鍵盤的結構形式有兩種即獨立式按鍵和矩陣式鍵盤本系統使用的是4179。4矩
陣式鍵盤第一行從左到右為1234第二行為5678第三行為90開關第四行為增值
減值定時確認該形式的鍵盤每個按鍵開關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的P10P11P12P13相連矩陣鍵
盤的行線從上到下分別與P14P15P16P17相連每當按下一個鍵時對應的行線與列
線就會連通這樣單片機就能檢測出信號
并通過鍵盤掃描程序對鍵盤進行掃描以識別被按鍵的行列位置
LED數碼顯示的接口設計
數碼顯示與驅動電路由74LS138譯碼器7447TTLBCD-7段高有效譯碼器驅
動器4個數碼管以及5個A1015三極管組成由單片機的P00～P03口輸出的四位
BCD碼經7447芯片后翻譯成7段數碼管abcdefg相應的段并輸出點亮數碼管相
應的段單片機的P04P05口輸出的信號經74LS138譯碼器后產生的高電平信號加
在A1015三極管的基極控制三極管的導通從而起到對相應數碼管的選通作用4
個7段數碼管都被接成共陽極方式
看門狗監控電路的設計
本系統采用IM公司的低成本微處理器監控芯片813L構成硬件狗與AT89C51
的接口電路如圖31所示MR與WDO經過一個二極管連接起來WDI接單片機的P27
口RESET接單片機的復位輸入腳RESETMR經過一個復位按鈕接地該監控電路的主
要功能如下
1系統正常上電復位電源上電時當電源電壓超過復位門限電壓465VRESET端
輸出200ms的復位信號使系統復位
2對5V電源進行監視當5V電源正常時RESET為低電平單片機正常工作當
5V電源電壓降至465V以下時RESET輸出高電平對單片機進行復位
3看門狗定時器被清零WDO維持高電平當程序跑飛或死機時CPU不能在
1．6s內給出喂狗信號WDO跳變為低電平由于MR端有一個內部250mA的上拉電
流D導通MR獲得有效低電平RESET端輸出復位脈沖單片機復位看門狗定時器清
零WDO又恢復成高電平
4手動復位如果需要對系統進行手動復位只要按下手動復位按鈕就能對系
統進行有效的復位
34分控制器的電路設計
圖3-3分控制器系統的硬件電路原理圖
分控制器采用低檔型的AT89C2051單片機作為微處理器AT89C2051也是美國
ATMEL公司生產的低電壓高性能CMOS8位單片機片內含2Kbytes的可反復擦寫
的Flash只讀程序存儲器和128bytes的隨機存取數據存儲器RAM兼容標準
MCS-51指令系統具有15線可編程IO口該單片機具有體積小成本低結構簡單性
價比較高等特點
35RS485通信電路的設計
在各種分布式集散控制系統中往往采用一臺單片機作為主機多個單片機作
為從機主機控制整個系統的運行從機采集信號實現現場控制主機和從機之間通
過總線相連如圖3-4所示主機通過TXD向各個從機點到點或多個從機廣播發送信
息而各個從機也可以向主機發送信息但從機之間不能自由通信其必須通過主機
進行信息傳遞
圖3-4單片機多機通信連線圖
多機通信時為了保證通信的可靠性在點到點通信時采用了尋址技術即主機
先發送一幀地址信息給各個從機各從機接收到主機發來的地址信息后便與本機
的地址號相比較若相同則開始與主機的通信若不同則不理睬主機發送的數據信
息也不向主機發送信息
多機通信時單片機的串行口只能工作在方式23此時單片機發送或接收的一
幀信息都是11位1位起始位9位數據位1位停止位其中第9位數據發送或接收
是通過TB8或RB8實現的當主機發送地址信息時使TB81所有SM21的從機都將
產生中斷接收此地址信息進行比較其中被主機呼叫的從機的SM2位被清0主機發
送數據信息時使TB80僅有SM20的從機才將產生中斷接收主機發來的命令或數
據信息其余從機不予理睬
針對RS232的不足出現了新的串行數據接口標準平衡雙絞線的長度與傳輸
速率成反比RS485只能半雙工工作但它只需要一對雙絞線RS485總線RS485標準
支持半雙工通信
圖3-5主機通信電路圖
圖3-6從機通信電路圖
主機與從機選用的RS485通信收發器芯片為485它是IM公司生產的用于RS
485通信的低功率收發器件采用單一電源5V工作額定電流為300μA采用半雙
工通方式它完成將TTL電平轉換為RS485電平的功能485芯片內部含有一個驅動
器和接收器RO和DI端分別為接收器的輸出和驅動器的輸入端與單片機連接時只
需分別與單片機的RXD和TXD相連即可RE和DE端分別為接收和發送的使能端當
RE為邏輯0時器件處于接收狀態當DE為邏輯1時器件處于發送狀態因為485工
作在半雙工狀態所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可A端和B端分
別為接收和發送的差分信號端當A引腳的電平高于B時代表發送的數據為1當A
的電平低于B端時代表發送的數據為0只需要一個信號控制485的接收和發送即
可同時將A和B端之間加匹配電阻選120Ω的電阻999V精度001V
在本次設計中選用了帶串行控制的10位模數轉換器TLC1549它是由德州儀
器TexasInstruments簡寫為TI公司生產的它采用CMOS工藝具有自動采樣和保
持采用差分基準電壓高阻抗輸入抗干擾性能好可按比例量程校準轉換范圍總不
可調整誤差達到177。1LSB芯片體積小等特點同時它采用了Microwire串行接口
方式故引腳少接口方便靈活與傳統的并行方式接口AD轉換器例ADC08090808相
比其單片機的接口電路簡單占用IO口資源少
圖3-7光信號取樣電路
Microwire串行總線性能介紹
Microwire總線是美國國家半導體NS公司推出的三線同步串行總線這種總
線由一根數據輸出線SO一根數據輸入線SI和一根時鐘線SK組成但每個器件還
要接一根片選線原始的Microwire總線上只能連接一片單片機作為主機總線上
的其它設備都是從機此后NS公司推出了8位的COP800單片機系列仍采用原來的
Microwire總線但單片機上的總線接口改成既可由自身發出時鐘也可由外部輸
入時鐘信號也就是說連接到總線上的單片機既可以是主機也可以是從機為了區
別于原有的Microwire總線稱這種新產品為增強型的Microwire／PLUS總線增強
型的Microwire／PLUS總線上允許連接多片單片機和外圍器件因此總線具有更
大的靈活性和可變性非常適用于分布式多處理器的單片機測控系統要改變一個
系統只需改變連接到總線上的單片機及外圍器件的數量和型號Microwire總線
系統的典型結構如圖所示
圖3-8Microwire總線系統典TLC1549的接口設計
圖3-9TLC1549引腳及與AD接口電路
TLC1549采用了Microwire串行接口方式其接口時序如圖3-9所示在芯片選
擇CS無效情況下IOCLOCK最初被禁止且DATAOUT處于高阻狀態當串行接口把
CS拉至有效時轉換時序開始允許IOCLOCK工作并使DATAOUT脫離高阻狀態串
行接口然后把IOCLOCK序列提供給IOCLOCK并從DATAOUT接收前次轉換結果
IOCLOCK從主機串行接口接收長度在10和16個時鐘之間的輸入序列開始10個
IO時鐘提供采樣模擬輸入的控制時序圖3-10TLC1549方式1時序圖
在CS的下降沿前次轉換的MSB出現在DATAOUT端10位數據通過DATAOUT
被發送到主機串行接口為了開始轉換最少需要10個時鐘脈沖如果IOCLOCK傳
送大于10個時鐘長度那么在的10個時鐘的下降沿內部邏輯把DATAOUT拉至低
電平以確保其余位的值為零在正常進行的轉換周期內規定時間內CS端高電平至
低電平的跳變可終止該周期器件返回初始狀態輸出數據寄存器的內容保持為前
次轉換結果由于可能破壞輸出數據所以在接近轉換完成時要小心防止CS被拉至
低電平時序圖如圖TCL1549的數據采集程序設計
---------------AetADTLC1549數據采集
sbitADOUTP11
sbitADCSP12
VoidAetAD
uchari1wPickCount
uintvol
forw1wPickCountw
ADCLKADOUT0
vol0
ADCS0開啟控制電路使能DATAOUT和IOCLOCKfori1i10i采集10位
串行數據
給一個脈沖ADCLK1
vol1
ifADOUTvol0x01
ADCLK0
ADCS1
delay21兩次轉換間隔大于21usP00xffP0口置初始狀態
37人體信號采集電路
人體信號采集由人體紅外檢測探頭和比較電路組成
人體紅外探頭
人體紅外檢測探頭由菲涅爾透鏡熱釋紅外傳感器P2288組成
1．菲涅爾透鏡
菲涅爾透鏡作用有兩個一是聚焦作用即將熱釋紅外信號折射反射在PIR上
第二個作用是將探測區域內分為若干個明區和暗區使進入探測區域的移動物體
能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號當人進入感應范圍人體釋
放的紅外光透過鏡片被聚集在遠距離A區或中距離B區或近距離C區的某個段的
同心環上同心環與紅外線探頭有一個適當的焦距紅外光正好被探頭接收探頭將
光信號變成電信號送入電子電路驅動負載工作整個接收人體紅外光的方式也被
稱為被動式紅外活動目標探測器鏡片主要有三種顏色一聚乙烯材料原色略透明
透光率好不易變形二白色主要用于適配外殼顏色三黑色用于防強光干擾鏡片還
可以結合產品外觀注色使產品整體更美觀每一種鏡片有一型號以年號系列號命
名鏡片主要參數一外觀描述外觀形狀長方圓尺寸直徑以毫米為單位二探測范圍
指鏡片能探測的有效距離米和角度三焦距指鏡片與探頭窗口的距離精確度以毫
米的小數點為單位長形和方形鏡片要呈弧形以焦距為單位對準探頭窗口鏡片與
探頭的配合應用我們常用的是雙源式探頭揭開濾光玻璃片其內部有兩點對
714um的紅外波長特別敏感的TO5材料連接著場效管
靜態情況下空間存在紅外光線由于雙源式探頭采用互補技術不會產生電信
號輸出動態情況下人體經過探頭先后被A源或被B源感應SaSb產生差值雙源失
去互補平衡作用而很敏感地產生信號輸出見圖當人對著探頭呈垂直狀態運動Sa
Sb不產生差值雙源很難產生信號輸出因此探測器安裝的位置與人行走方向呈平
行為宜
圖3-12a傳感器頂b傳感器低c傳感器側
1敏感單元
當傳感器沒有檢測到人體輻射出的紅外線信號時由于P1P2自身產生極化在
電容的兩端產生極性相反電量相等的正負電荷而這兩個電容的極性是相反串聯
的所以正負電荷相互抵消回路中無電流傳感器無輸出
當人體靜止在傳感器的檢測區域內時照射到P1P2上的紅外線光能能量相等
且達到平衡極性相反能量相等的光電流在回路中相互抵消傳感器仍然沒有信號
輸出同理在燈光或陽光下因陽光移動的速度非常緩慢P1P2上的紅外線光能能量
仍然可以看作是相等的且在回路中相互抵消再加上傳感器的響應頻率很低一般
為0110Hz即傳感器對紅外光的波長的敏感范圍很窄一般為515um因此傳感器對
它們不敏感
從原理上講任何發熱體都會產生紅外線熱釋電人體紅外線傳感器對紅外線
的敏感程度主要表現在傳感器敏感單元的溫度所發生的變化而溫度的變化導致
電信號的產生環境與自身的溫度變化由其內部結構決定了它不向外輸出信號而
傳感器的低頻響應一般為0110Hz和對特定波長紅外線一般為515um的響應決定
了傳感器只對外界的紅外線的輻射而引起傳感器的溫度的變化而敏感而這種變
化對人體而言就是移動所以傳感器對人體的移動或運動敏感對靜止或移動很緩
慢的人體不敏感它可以抗可見光和大部分紅外線的干擾
2濾光窗
制造熱釋電紅外探測元的高熱電材料是一種廣譜材料它的探測波長范圍為
02～14um波長以外的紅外線例如SCA02-1對7514um波長的紅外線的穿透量為
70在65um處時下降為65P2288的響應波長為614um中心波長為10um
物體發射出的紅外線輻射能最強波長和溫度的關系滿足λmT2989umk其中
λm為最大波長T為絕對溫度人體的正常體溫為36375℃即3093105K其輻射的
最強的紅外線的波長為λm29893093105967964um中心波長為965um因此人體
輻射的最強的紅外線的波長正好落在濾光窗的響應波長714um的中心所以濾光
窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過而最大限度地阻止陽光燈光等可見光中的
紅外線的通過以免引起干擾
比較電路
比較電路如圖3-13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
圖3-13人體信號比較電路
通過比較電路將相應的電壓比較結果以數字信號輸出當被動紅外探頭在有
效范圍內感應到人體信號后運算放大器的2腳或5腳的電壓降為30V當被動紅外
探頭在有效范圍內沒有感應人體紅外信號時2腳或5腳的電壓降為10V探頭故障
斷路時則2腳或5腳的電壓降為0V
1探頭工作正常
1腳的電壓恒定為20V2腳的電壓有1V或是30V兩種狀態
6腳的電壓恒定為045V5腳的電壓與2腳的電壓保持一致
探頭將會根據有無人體信號在2腳電壓信號
2探頭工作不正常由于故障或沒有安裝探頭
1腳的電壓恒定為20V2腳的電壓為0V
6腳的電壓恒定為045V5腳的電壓為0V
探頭將只會產生一種電壓信號0V
具體的比較結果如下表3-1所示
表3-1探頭采集信號輸出狀態表
探頭工作狀態1腳
電壓2腳或5腳電壓6腳
電壓P26P25正常
工作無人狀態20V10V045V11有人狀態20V30V
045V01斷路或故障20V0V045V10通過比較電路
不僅解決了不同工作狀態時被動紅外探頭的對外界人體紅外信號的采集而且也
實現了僅通過被動紅外探頭的兩根電源線同時也傳輸了所采集的周圍環境的紅
外信號一舉兩得
38DS12887時鐘芯片接口電路設計
本設計中采用了DALLAS公司的DS12887芯片DS12887為DALLAS公司生產的
實時時鐘芯片除具有實時鐘功能外它還具有114字節的通用RAMCMOS技術制成具
有內部晶振和時鐘芯片備份鋰電池而且它與目前應用廣泛的時鐘芯片
MC146818B和DS1287管腳兼容采用DS12887芯片設計的時鐘電路無需任何外圍
電路和器件并具有良好的微機接口DS12887芯片具有微功耗外圍接口簡單精度
高工作穩定可靠等優點可廣泛用于各種需要較高精度的實時時鐘系統中
1DS12887的原理及管腳說明
圖顯示了DS12887管腳排列圖分別說明管腳功能VCC直流電源5V電壓當5V
電壓在正常范圍內時數據可讀寫當VCC低于425V讀寫被禁止計時功能仍繼續當
VCC下降到3V以下時RAM和計時器被切換到內部鋰電池MOT模式選擇MOT管腳
接到VCC時選擇MOTOROLA時序當接到AFND時選擇INTEL時序SQW方波信號SQW
管腳能從實時時鐘內部15級分頻器的13個抽頭中選
圖
擇一個作為輸出信號其輸出頻率可通過對寄存器A編程改變AD0～AD7雙向
地址數據復用線總線接口可與MOTOROLA微機系列和INTEL微機系列接口AS地
址選通輸入用于實現信號分離在ADALE的下降沿把地址鎖入DS12887DS數據選
通或讀輸入DSRD客腳有兩種操作模式取決于MOT管腳的電平當使用MOTOROLA
時序時DS是一正脈沖出現在總線周期的后段稱為數據選通在讀周期DS指示
DS12887驅動雙向總的時刻在寫周期DS的后沿使DS12887鎖存寫數據選擇INTEL
時序時DS稱作RDRD與典型存貯器的允許信號OE的定義相同RW讀寫輸入RW
管腳也有兩種操作模式選MOTOROLA時序時RW是一電平信號指示當前周期是讀或
寫周期DSO為高電平時RW高電平指示讀周期RW低電平指示寫周期選INTEL時序
RW信號是一低電平信號稱為WR在此模式下RW管腳與通用RAM的寫允許信號WE
的含義相同CS片選輸入在訪問DS12887的總線周期內片選信號必須保持為低
IRQ中斷申請輸入低電平有效可作微處理的中斷輸入沒有中斷條件滿足時IRQ
處于高阻態IRQ線是漏極開路輸入要求外接上接電阻RESET復位輸出當該腳保
持低電平時間大于200ms保證DS12887有效復位范圍二
進制數據模式BCD數據模式0秒0－5900－3B00－591秒
鬧鐘0－5900－3B00－592分鐘0－5900－3B00－593
分鐘鬧鐘0－5900－3B00－594小時12進制1－121－
0CAM
81－8CPM01－12AM
81－92PM小時24進制0－2300－1700－235時鬧鐘
12時制1－1201－0CAM
81－8CPM01－12AM
81－92PM時鬧鐘24時制0－2300－1700－236星期星
期天＝11－700－0700－077日期1－3101－0F1－31
8月份1-1201-0C1-129年0-9900-6300-99
DS12887內部有128B的非易失RAM其中地址09為時間日歷鬧鐘信息存放單
元具體見表-12地址1013依次為寄存器ABCD的地址而剩下的114B則作為通用
的RAM其中寄存器CD為只讀寄存器A的D7位為只讀114字節的非易失性通用
RAM沒有特殊功能可以在任何時候讀寫0xc00xff為特殊的數如果小時鬧鐘為
0xc00xff表示每小時中斷一次如果小時鬧鐘和分鐘鬧鐘都是0xc00xff表示每分
鐘中斷一次如果小時鬧鐘分鐘鬧鐘和秒鬧鐘都是0xc00xff表示每秒中斷一次
DS12887有4個控制寄存器它們在任何時間都可訪問即使更新周期也不例外
寄存器UIP更新周期正在進行位當UIP為1更新轉換將很快發生當UIP為0更新
轉換至少在244μs內不會發生DV0DV1DV2用于開關晶振和復位分頻鏈這些位的
010唯一組合將打開晶振并允許RTC計時RS3RS2RS1RS0頻率選擇位從15級頻率
器13個抽頭中選一個或禁止分頻器輸入選擇好的抽頭用于產生方波SQW管腳
輸出和周期中斷用戶可以用PIE位允許中斷用SQWE位允許SQAW輸出二者同時允
許并用相同的頻率都不允許寄存器BSETSET0時時間更新正常進行每秒計數走時
一次當SET位寫入1時間更新被禁止程序可初始化時間和日歷字節PIE周期中斷
位PIE為1則允許PIE為0則禁止中斷AIE定鬧中斷允許位PIE為1允許中斷否
則禁止中斷SQWE方波允許位置1選定頻率方波從SQW腳輸出置0時SQW腳為低
DM數據模式位2412小時格式位24小時12小時DSEP夏令時允許位當DSE置1
時允許兩個特殊的更新在四月份的第一日時間從15959AM時改變為10000AM當
DSE位為0這種特殊修正不發生3寄存器CIRQF中斷申請標志位當下列表達式中
一個或多個為真時置1PFPIE1AFAIE1UFUIE1即IRQFPF178。PIEAF178。AIEUF178。UIE
只要IRQF為1IRQ管腳輸出低程序讀寄存器C以后或RESET管腳為低后所有標志
位清零AF定鬧中斷標志位只讀AF為1表明現在時間與定鬧時間匹配F更新周期
結束標志位F為1表明更新周期結束BIAT0～BIT3未用狀態位讀出總為0不能寫
入4寄存器DVRT內部鋰電池狀態位平時應總讀出1如出現0表明內部鋰電池耗
盡BIT0～BIT6未用狀態位讀出總為0不能寫入
圖3-15DS12887接口設計
defineucharunsignedchar
defineuintunsignedint
include
include
include
include
include
include
include
defineP128870XBYTE[0x4000]
defineP128871XBYTE[0x4001]
defineP128872XBYTE[0x4002]
defineP128873XBYTE[0x4003]
defineP128874XBYTE[0x4004]
defineP128875XBYTE[0x4005]
defineP128876XBYTE[0x4006]
defineP128877XBYTE[0x4007]
defineP128878XBYTE[0x4008]
defineP128879XBYTE[0x4009]
defineP12887aXBYTE[0x400a]
defineP12887bXBYTE[0x400b]
defineP12887cXBYTE[0x400c]
defineP12887dXBYTE[0x400d]
defineP12887eXBYTE[0x400e]
defineP12887fXBYTE[0x400f]
voidsetup12887ucharp
voidread12887ucharp
voidstart12887void
voidsetup12887ucharp設置系統時間
uchari
iP12887d
P12887a0x70P12887b0xa2P128870pP1288710xffP128872p
P1288730xffP128874pP1288750xffP128876pP128877p
P128878pP128879pP12887b0x22P12887a0x20
iP12887c
voidread12887ucharp讀取系統時間
uchara
doaP12887awhilea0x800x80
pP128870pP128872pP128874pP128876
pP128877pP128878pP128879
voidstart12887void啟動時鐘
uchari
iP12887d
P12887a0x70P12887b0xa2P1288710xffP1288730xffP1288750xff
P12887b0x22P12887a0x20
iP12887c
voidStop_calendarvoid
REG_A0x70
39輸出驅動電路設計
單片機輸出控制信號電路如圖3-16所示的控制信號來實現室內燈光的
控制功能
圖3-16輸出控制電路
當P20口輸出的是0電平時則由Q1Q2兩個三極管組成的信號放大電路就被
截止則繼電器回路中無電流所以繼電器線圈無法工作使得繼電器開關觸點斷開
電燈回路不通電燈不亮反之當P20口輸出的是0信號時則由Q1Q2兩個三極管組
成的信號放大電路就導通了則繼電器線圈工作使得繼電器觸點閉合電燈回路導
通電燈亮了
當P21口輸出的是0電平時三極管Q3截止發光LED管電路不導通發光LED
管不亮反之發光LED管則亮該發光LED管作為系統的故障提示燈來使用該P21
口有四種信號狀態并對應不同的用戶提示信息即常1正常開啟室內照明電器常0
正常關閉室內照明電器
間隙1秒01信號交替故障系統密碼不對重新輸入密碼
間隙2秒01信號交替故障控制器硬件有故障請更換控制器
第4章系統軟件設計
軟件設計分主程序設計子程序設計中斷程序設計三大塊軟件是計算機系統
的靈魂沒有軟件計算機不能充分發揮其功能這是軟件在計算機中的地位而在計
算機控制系統中軟件也是非常重要的在照明控制系統中硬件設備的功能是由軟
件來定義的如系統要控制分布的照明燈具串行通信程序來完成控制功能通過軟
件定義鍵盤功能通過編程完成LED數碼顯示等等由此可見軟件是控制系統中的
一個重要組成部分
該照明控制系統的軟件程序包括照明啟?？刂瞥绦蛘彰髁炼瓤刂瞥绦?br>照明定時控制程序人機交互程序以及串行通信等本著軟件設計的基本方法照明
控制程序的軟件設計方法是利用傳統的結構化分析與設計方法來完成的結構化
程序設計方法雖然是早期的程序設計方法但該方法還一直被廣泛地使用結構化
系統分析與設計貫穿整個軟件設計過程遵循自頂向下逐步求精的基本原則本照
明控制系統軟件程序總體結構如圖4－1所示
圖4-1照明控制系統軟件程序總體結構圖
41人機交互程序設計
系統的人機交互程序設計主要是解決按鍵的掃描與信息的顯示讓操作
者能夠靈活地控制系統工作鍵盤用來輸入指令發光數碼管用來顯示單片機的狀
態這是一個比較簡單的人機交互形式
描程序設計
本系統的鍵盤采用的是4179。4矩陣式鍵盤矩陣式鍵盤由行線和列線組成按鍵
位于行列線的交叉點上一個4179。4的行列結構可以構成一個含有16個按鍵的鍵盤
顯然在按鍵數量較多時矩陣式鍵盤較之獨立式按鍵鍵盤要節省很多IO口
矩陣式鍵盤中行列線分別連接到按鍵開關的兩端在進行鍵盤掃描時首先把
矩陣鍵盤列線的第一根線置高然后分別再檢測矩陣鍵盤行線是否有高電平的信
號如果有信號那么就證明這根行線與第一根列線相交處的按鍵被按下了單片機
就讀入這個鍵值如果所有的四根行線都沒有信號那么就把第一根列線置低把第
二根列線置高再一次檢測行線有沒有信號然后依次類推
由于鍵盤掃描的速度很快而人按鍵總會持續一定的時間因此只要單片機處
在等
待輸入的狀態這個鍵盤掃描程序基本上不會錯過任何一個按鍵信號由于一
般人按鍵會有抖動抖動信號造成鍵盤掃描時會出現一些錯誤的信號要不就是掃
描不進數據要不就是重復輸入很多次數據因此需要有一個消除抖動的程序讓單
片機不響應一些相關的抖動信號而只響應一次確實存在的按鍵信號消抖動程序
是這樣實現的當檢測到一個脈沖信號時并不立即認為是一次按鍵而是延時一段
時間以后再進行檢測如果三次檢測都有信號那么就認為有一次按鍵動作發生了
延時的選擇非常重要太快了起不到消除抖動的效果太慢了又讓鍵盤太不靈活錯
過較多的按鍵信號鍵盤掃描程序的流程圖如圖4-2所示
系統的按鍵定義除了基本的數字鍵0～9外將其它的鍵依次定義為開關增值
減值定時確認六個命令鍵其控制的基本功能是
1通過數字鍵確認鍵輸入分控制器的地址以及定時功能的時間設置
2利用開關鍵控制照明燈具的啟停
3利用增值減值鍵控制照明燈具的亮度
4通過定時鍵來對照明燈具進行定時控制的設置
系統通過軟件方法實現該功能即定義開關增值減值定時確認等命令鍵利用
鍵盤掃描程序獲取對應命令鍵的鍵值然后執行相應的子程序實現所要求的控制
功能
數碼顯示程序設計
本系統采用了四位共陽極七段數碼管共陽極數碼管的8個發光二極管的陽
極二極管正端連接在一起通常公共陽極接高電平一般接電源其它管腳接段驅動
電路輸出端當某段驅動電路的輸出端為低電平時則該端所連接的字段導通并點
亮根據發光字段的不同組合可顯示出各種數字或字符此時要求段驅動電路能吸
收額定的段導通電流還需根據外接電源及額定段導通電流來確定相應的限流電
阻這里的限流電阻選為100Ω
這里選用的7447芯片是從BCD碼到SEG7段碼的轉換器而74LS138是一個地
址譯碼器通過74LS138選通某個數碼管然后根據7447傳送過來的SEG7段碼的數
據進行顯示而在非選通的時候數碼管能夠保持原有的顯示數據LED數碼顯示程
序的流程圖如圖4-3所示
圖4-2鍵盤掃描程序流程圖
圖4-3LED數碼顯示程序流程圖
42照明啟?？刂瞥绦蛟O計
照明的啟?？刂浦饕怯芍骺刂破靼l出指令通過RS485通信方式或無線數
傳方式控制全部或部分分控制器所控制照明燈具的啟停因此照明啟?？刂瞥绦?br>由兩部分組成即全部啟?？刂婆c單獨啟?？刂苾刹糠?br>?？刂瞥绦蛟O計
全部照明啟?？刂葡到y是利用主控制器上的開關按鍵來控制全部照明
燈的啟?？刂泼钍峭ㄟ^串口通信方式傳達到分控制器分控制器再依據命令向
P37口輸出高低電平來達到控制燈泡亮和滅的目的
在這個多機系統中采用的是主從式通信方式主機即主控制器處于主導和支
配地位從機即分控制器一般以中斷方式來接收和發送數據在主從式多機系統中
主機發送的信息可以傳送到所有的從機或指定的從機在這里是要發送給所有的
從機來控制照明燈的啟停在本系統中采用廣播式命令不需要從機返回信息從機
之間也不
能直接通信主機由AT89C51單片機充當從機為AT89c51單片機主機與從機的
數據通信波特率定為9600波特每個從機都有唯一的地址號用來區分各從機單片
機的數據通信由串口完成定時器T1為波特發生器數據傳送格式為1位起始位8
位數據位1位停止位1位可編程位TB8工作方式定時器T1設置為方式2串口設
置為工作方式3
本系統的通信原理為從機在建立與主機通信之前所有分機的SM2都置1即隨
時處于對通信線路監聽的狀態只能收到主機發送來的機號信息主機向從機發送
廣播地址信息時廣播地址為00H所有分機都接收到廣播地址信息然后進入正常
通信狀態清除SM2位開始接收主機發送來的命令從機收到的命令是開燈時向P37
口輸出高電平打開MOC3021驅動雙向可控硅從而就點亮了燈泡同理如果收到的
命令是關燈時向P37口輸出低電平封閉MOC3021使雙向可控硅截止也就達到了關
閉燈泡的目的該系統的主機和從機的控制程序流程圖如圖4-4和圖4-5所示
圖4-4全部啟?？刂浦鳈C程序流程圖
圖4-5全部啟?？刂茝臋C程序流程圖
?？刂瞥绦蛟O計
單獨照明啟?？刂葡到y是通過主機發送給指定的從機命令信息來實現
照明燈的
啟?？刂浦鳈C首先發送從機地址被叫到的從機向主機發送本機地址然后主
機向從機傳送數據從機根據接收的數據信息執行相應的命令單片機的工作方式
同全部照明啟?？刂葡到y其具體的工作過程是所有的從機在通信之前都把SM2
位置1隨時處于偵聽狀態當主機發送從機的地址信息時每幀數據的第9位都為1
所有從機都接收到地址信息然后判斷主機是否呼叫本機如果呼叫本機則進入正
式通信狀態清除SM2并把本機地址號發送給主機作為應答然后才開始接收主機
發送來的信息而其它從機由于地址號不符他們的SM2位仍然為1仍處于偵聽狀態
無法接收主機發送來的數據信息主機收到從機發送來的回應信息后比較主機已
發送的地址號與剛接收的地址號是否相符如果不符則發出錯誤信息如果相符則
正式發送數據信息這時發送的每幀的第9位都為0只有SM20的從機才能接收到
主機發送的信息從機根據命令執行相應的動作如果為打開命令則輸出高電平驅
動可控硅動作開啟照明燈如果為關閉命令則輸出低電平使可控硅截止停掉照明
燈該系統的主機和從機控制程序流程圖分別如圖4-6與4-7所示
圖4-6單獨啟?？刂浦鳈C程序流程圖
圖4-7單獨啟?？刂茝臋C程序流程圖
43照明控制程序設計
照明控制系統是利用從機即單片機AT89c51和時鐘芯片DS12887進行數據通
信讀取和寫入實時數據主機采用串口通信方式對從機進行定時時間的設置從機
然后根據設定的時間進行照明燈的啟?？刂?br>時控制程序設計
在全部定時控制系統中是通過主控制器向所有的分控制器發送廣播地址分
控制器在收到廣播地址后使自己處于接收數據狀態然后主控制器向網絡中發送
時間數據信息分控制器在收到時間數據后寫入DS12887芯片等到設定時間到達
后單片機發出命令關閉照明燈該系統的主機控制流程圖同圖4-4所示從機的控
制流程圖如圖4-8所示
圖4-8全部定時控制從機程序流程圖
時控制程序設計
主控制器使用鍵盤輸入被呼叫分控制器的地址并通過網絡向所有分控
制器傳送在分控制器將該地址與本機地址進行比較后判斷是否是呼叫自己如果
是呼叫本機就將本機地址傳送給主控制器進一步接收傳送的數據然后分控制器
就將數據寫入DS12887芯片等到設定的時間到達時就執行關閉照明燈的命令單
獨定時控制的主機程序流程圖同圖46所示從機程序流程圖如圖4-9所示
圖4-9單獨定時控制從機控制程序流程
44RS485通信程序設計
由于RS485總線是異步半雙工的通信總線在某一個時刻總線只可能呈現一
種狀態所以這種方式一般適用于主機對從機的查詢方式通信在通信中主機與各
個從
機進行通信必須能對各個從機進行識別這一識別功能是利用串口控制寄存
器SCON
的SM2位實現的當串口以方式3工作時發送和接收的每一幀信息都是11位
其中第9位數據位是可編程的通過對SCON寄存器的TB8位置1或置0以區別發
送的是地址幀還
是數據幀規定地址幀的第9位為1數據幀的第9位為0若從機的控制位SM2
被設為1
則當接收的是地址幀時數據裝入SBUF并置RI1向CPU發出中斷申請若接收
的是數據幀則不產生中斷信息被拋棄若SM2被設為0則無論是地址幀還是數據幀
都將產生RI1中斷標志數據裝入SBUF利用這一功能可以按照如下步驟進行數據
通信
1將所有SM2位置1使其處于只接收地址幀的狀態
2主機發送一幀地址信息其中前8位數據位表示通信的從機地址第9位為1
表示當前幀為地址幀
3從機接收到地址幀后如果是廣播地址幀則所有從機都將其SM2位置0準備
接收主機發送的數據或命令如果不是廣播地址幀則將本機地址與幀中地址進行
比較如果地址相同則將其SM2位置0并發送本機地址幀然后準備接收數據如果地
址不同則丟棄當前數據SM2位不變
4主機發送數據幀相應的從機接收其他從機則不受影響
5當主機需要與其他從機通信時可以再次發出地址幀尋呼從機重復這一過
程
主機在發送數據時按照表4-1的數據格式進行傳輸
表4-1數據格式
在程序中第9位發送數據位SCON中的TB8位第9位接收數據位為SCON的
RB8位因此發送數據前可以通過對TB8位置1或0來確定要發送的是地址幀還是
數據幀而接收數據時對地址幀的判斷則是通過讀取RB8位來獲得的RB81當前幀
為地址幀RB80當前幀為數據幀
單片機的串口工作在方式3下其波特率由定時器1T1的溢出率決定計算公式
為
定時器T1的溢出率的計算公式為
則波特率的公式變為
系統所采用的晶振頻率為110592MHzT1工作在模式3下波特率9600bs
主機部分通信程序設計
系統中的主機通信程序分為4個部分分別為預定義及全局變量部分程
序初始化部分數據通信流程和發送數據部分主機的數據通信的基本流程如下
1主機首先向所有從機發送地址幀對要通信的從機進行呼叫發送地址幀時
需將TB8位置1
2發送地址幀后如果發送的是廣播地址幀則不需要從機應答待延遲一段
時間后調用發送函數發送數據如果發送的是非廣播地址幀主機則要接收應
答若應答信號中的地址與前面發送的地址并不相同主機將重新發送地址幀呼叫
否則調用發送函數發送數據
3發送完數據后主機等待從機的校驗信號如果接收到0X0F數據表示發送成
功通信結束否則主機將重新發送數據直至發送成功
該部分程序對應的流程圖如圖4-10所示
圖4-10主機數據通信流程圖
分通信程序設計
從機通信程序也被分為預定義及全局變量部分程序初始化部分數據通信流
程和接收數據部分4個部分從機部分的數據通信過程受主機控制其基本的流程
如下
1初始化完成后從機設置SM2位為1串口只接收第9位數據位為1的地址幀
數據幀將被直接拋棄
2如果串口有數據接收收到地址幀則從機會將該幀中的地址信息先與廣播
地址進行比較如果是廣播地址則做好接收數據的準備如果是其它地址則與本機
地址比較如果相同則發送應答信息應答信息內容應為本機地址否則丟棄當前數
據從機繼續處于等待呼叫狀態
3程序調用接收函數接收主機發送的數據部分并作出應答接收到的數據保
存
至Buf指向的緩沖區中如果接收函數返回0xff表示數據校驗失敗程序等待
主機重新發送數據如果函數返回值為0xfe表示從機在數據接收過程中發現主機
發送地址幀程序將放棄當前接收過程將SM2位重新置1開始下一通信過程如果函
數返回0表示數據被成功接收向主機發送成功信號隨后程序將SM2位置1重新開
始
圖4-11從機數據通信流程圖
第5章系統可靠性技術
在實驗室里設計的控制系統在安裝調試后完全符合設計要求但把系統
置入現場后系統常常不能正常穩定地工作產生這種情況的原因主要是現場環境
復雜和各種各樣的電磁干擾所以單片機應用系統的可靠性設計抗干擾技術變得
越來越重要了
工業現場環境中干擾是以脈沖產的形式進人單片機系統的其主要的渠
道有三條即空干擾多發生在高電壓大電流高頻電磁場附近并通過靜電感應電磁
感應等方式侵入系統內部供電系統干擾是由電源的噪聲干擾引起的過程通道干
擾是干擾通過前向通道和后向通道進入系統的干擾一般沿各種線路侵入系統系
統接地裝置不可靠也是產生干擾的重要原因各類傳感器輸人輸出線路的絕緣損
壞均有可能引入干撫
51干擾產生的后果
1數據采集誤差的加大當干擾侵入單片機系統的前向通道疊加在信號上會
使數據采集誤差增大特別是前向通道的傳感器接口是小電壓輸入時此現象會更
加嚴重
2程序運行失常①控制狀態失靈在單片機系統中由于干擾的加人使輸出誤
差加大造成邏輯狀態改變最終導致控制失常②死機在單片機系統受強干擾后造
成程序計數器PC值的改變破壞程序正常運行
3系統被控對象誤操作①單片機內部程序指針錯亂指向了其它地方運行了
錯誤的程序②DRAM中的某些數據被沖亂或者特殊寄存器的值被改變使程序計算
出錯誤的結果③中斷誤觸發使系統進行錯誤的中斷處理
4被控對象狀態不穩定鎖存電路與被控對象間的線路包括驅動電路受干擾
從而造成被控對象狀態不穩定
5定時不準①單片機內部程序指針錯亂使中斷程序運行超出定時時間②RAM
中計時數據被沖亂使程序計算出錯誤的結果
6數據發生變化在單片機應用系統中由于外部RAM是可讀寫的在干擾的侵入
下RAM中數據有可能發生改變雖然ROM能避免干擾破壞但單片機片內RAM以及片
內各種特殊功能寄存器等狀態都有可能受干擾而變化甚至EPROM中的數據也可
能誤讀寫使程序計算出錯誤的結果
針對以上出現的問題本系統分別從硬件和軟件兩個方面來探討一些提
高單片機應用系統抗干擾能力的方法合理地使用軟件和硬件抗干擾技術可使系
統最大限度地避免干擾的產生和受干擾后能使系統恢復正常運行保證系統長期
穩定可靠地工作
52單片機應用系統的硬件抗干擾設計
1供電系統①防止從電源系統引入干擾可采取交流穩壓器保證供電的穩定
性防止電源的過壓和欠壓使用隔離變壓器濾掉高頻噪聲低通濾波器濾掉工頻干
擾②采用開關電源并提供足夠的功率余量主機部分使用單獨的穩壓電路必要時
IO供電分別采用DC-DC模塊隔離以避免各個部分相互干擾
2注意印制電路板的布線與工藝①盡量采用多層印制電路板多層板可提供
良好的接地網可防止產生地電位差和元件之間的耦合②印制電路板要合理分區
模擬電路區數字電路區功率驅動區要盡量分開地線不能相混分別和電源端的地
線相連③元件面和焊接面應采用相互垂直斜交或者彎曲走線避免相互平行以減
小寄生耦合避免相鄰導線平行段過長加大信號線間距高頻電路互聯導線盡量短
使用45176?；蛘邎A弧折線布線不要使用90176。折線以減小高頻信號的發射④印制電
路板要按單點接電單點心接地的原則送電三個區域的電源線地線分三路引出地
線電源線要盡量粗噪聲元件與非噪聲元件要盡量離遠一些時鐘振蕩電路特殊高
速邏輯電路部分用地線圈起來讓周圍電場趨近于零⑤使用滿足系統要求的最低
頻率的時鐘時鐘產生器要盡量靠近用到該個TTL或20多個CMOS如果輸出負載過
重會降低輸出電平使電平處于或低于被驅動器件的輸入門檻電平從而造成系統
不穩定
3提高元器件的可靠性①選用質量好的電子元件并進行嚴格的測試篩選和
老化②設計時元件技術參數要有一定的余量③提高印制板和組裝的質量
4使用雙機冗余設計在對控制系統的可靠性有嚴格要求的場合使用雙機冗
余可進一步提高系統抗干擾能力雙機冗余就是執行同一個控制任務可安排兩個
單片機來完成即主機與從機正常情況下主機掌握著三總線的控制權對整個系統
進行控制此時從機處于待機狀態等待仲裁器的觸發當主機由于某種原因發生誤
動作時仲裁器根據判別條件若認為主機程序已混亂則切斷主機的總線控制權將
從機喚醒從機將代替主機進行處理與控制
5用好去耦電容好的高頻去耦電容可以去除高到1AHZ的高頻成份陶瓷片電
容或多層陶瓷電容的高頻特性較好設計印刷線路板時每個集成電路的電源地之
間都要加一個去耦電容去耦電容有兩個作用一方面是本集成電路的蓄能電容提
供和吸收該集成電路開門關門瞬間的充放電能另一方面旁路掉該器件的高頻噪
聲數字電路中典型的去耦電容為01uf的去耦電容有5nH分布電感它的并行共振
頻率大約在7MHz左右也就是說對于10MHz以下的噪聲有較好的去耦作用對
40MHz以上的噪聲幾乎不起作用1uf10uf電容并行共振頻率在20MHz以上去除高
頻率噪聲的效果要好一些在電源進入印刷板的地方和一個1uf或10uf的去高頻
電容往往是有利的即使是用電池供電的系統也需要這種電容每10片左右的集成
電路要加一片充放電電容或稱為蓄放電容電容大小可選10uf最好不用電解電容
電解電容是兩層薄膜卷起來的這種卷起來的結構在高頻時表現為電感最好使用
膽電容或聚碳酸醞電容去耦電容值的選取并不嚴格可按C1f計算即10MHz取
01uf對微控制器構成的系統取01001uf之間都可以
53軟件抗干擾技術
1．數據采集誤差的軟件對策
1用軟件濾波算法可濾掉大部分由輸入信號干擾而引起的輸出控制錯誤最
常用的方法有算術平均值法比較舍取法中值法一階遞推數字濾波法具體選取何
種方法必須根據信號的變化規律選擇對開關量采用多次采集的辦法來消除開關
的抖動
2關鍵數據可使用軟件冗余技術即給數據增加一定的冗余位以實現數據的
檢錯和糾錯功能常用的方法有奇偶校驗海明碼和循環碼校驗
2．程序運行失控的軟件對策
對于程序運行失常的軟件對策主要是發現失常狀態并及時將系統引導到
初始狀態
1指令冗余對MCS-51系列單片機大部分指令為單字節當出錯的程序落到其
上時出錯的程序可自動納入正軌當落到多字節指令的操作數時程序將繼續出錯
所以在關鍵的對程序的流向起決定性的指令之前插入兩條NOP指令以使被彈飛
的指令恢復正軌
2設置程序指針陷阱軟件陷阱將出錯的程序捕獲并強行引入出錯處理的程
序軟件陷阱可安排在四個地方①未使用的中斷向量區干擾可使未使用的中斷開
放并激活中斷在這些地方設置軟件陷阱就能及時捕獲到錯誤中斷②未使用的
ROM空間在其中每隔一段設置一個陷阱可將彈飛至該區域的出錯程序捕獲③表
格儲存在EPROM中的表格后安排軟件陷阱可在一定程度上防止軟件彈飛④程序
區一般程序中不能任意安排軟件陷阱但是在正常程序中會有一些跳轉指令在這
些指令后使用軟件陷阱可捕獲到彈飛到跳轉指令的操作數上的出錯程序
3使用程序監視跟蹤定時器程序監視跟蹤定時器即Watchdog在單片機抗干
擾設計中使用非常廣泛各大器件生產商提供了不同功能的芯片如im的
MX760MX813IMP的IMP690A1692AL是用于微處理器系統的電源監視和控制電路可
為CPU提供復位信號看門狗監視備用電池自動切換及電源失效監視除上／掉電
條件下為微處理器提供復位外這些器件還具有備用電池切換功能利用watchdog
和軟件的配合使用可大大提高系統的抗干擾能力
4使用實時嵌入式操作系統RTOS操作系統首先建立多個實時任務并初始化
各個任務在操作系統的調度下運行若某一任務由于干擾而運行失常操作系統可
將該任務強制退出并讓出CPU控制權根據故障情況進行處理使用RTOS可減小系
統的復位次數提高抗干擾能力
結論與展望
通過這段時間的論文撰寫過程我查閱研究了大量的相關文獻分析了相
關領域的特色網站并結合實際使我對照明控制系統方面的理論知識包括對它的
特點功能技術等方面的研究都有了更深的了解并親自利用所學知識與相關資料
結合設計了一個照明控制系統雖然由于時間有限和本人能力有限這個系統還不
夠完善還有許多地方有待改進但這短短的幾個月的畢業設計對我來說是對大學
四年的一次全面檢查它讓我有了很大的進步對以后的學習積累了很多經驗
在實驗過程中首先通過主控制器上的鍵盤輸入地址號地址號是由數字組成
的在輸入完畢后然后按下確認鍵信號經過網絡傳輸后分控制器將收到的地址進
行比較確認后然后執行下一步的程序經過實驗的驗證在輸入廣播地址后所有的
分控制器都正確地執行了后續的命令實現了燈泡的啟停亮度調節定時關閉功能
在輸入某個分機地址后該分機也正常地執行了相應的命令同樣達到了所要求的
功能
由于系統采用的是RS485通信方式如果使用在現場環境中必然存在干擾的
問題所以抗干擾與可靠性設計就顯得尤為重要雖然系統已經考慮了可靠性設計
問題如看門狗技術復位電路光電耦合等在電路設計中的應用但這也只是針對部
分問題做了解決一些詳細的設計還有待于解決該系統還只是試驗室的調試系統
離真正的現場應用還有一定的距離軟件部分的編制也是力求簡單實用即本著實
用有效方便的原則進行編制但一個較好的和較完善的應用軟件不是在短時間內
就可以完成的它需要不斷的完善和發展需要我們做大量的工作和時間的檢驗現
在的系統還沒有達到真正的智能化還需要增加很多新的功能和先進的科學技術
才能達到真正意義上的智能化控制
相信隨著社會的不斷進步照明控制系統會更加完善
致謝
從論文選題到搜集資料從寫稿到反復修改期間經歷了喜悅聒噪痛苦和
彷徨在寫作論文的過程中心情是如此復雜如今伴隨著這篇畢業論文的最終成稿
復雜的心情煙消云散自己甚至還有一點成就感
我要感謝非常感謝我的導師X老師本課題是在X老師的悉心指導下完成
的在此衷心感謝指導老師對我的諄諄教導以及對我在生活工作學習研究等各方
面的無私幫助X老師嚴謹細致實事求是的治學態度認真勤奮不知疲倦的的工作
作風以及對事業的執著追求都將使我終生難忘并時時鞭策我努力工作在設計的
道路上奮發向上永不止步
感謝通信062班各位同學的無私支持和幫助他們幫助我解決了很多的
困惑幫我完成了設計以及論文寫作中的部分工作希望我們以后能夠繼續合作共
同進步
感謝所有支持和幫助過我的領導老師和同學們
最后我要感謝非常感謝四年的大學生活感謝我的家人和那些永遠也不
能忘記的朋友他們的支持與情感是我永遠的財富在今后的日子里我定會牢記領
導和老師們的教誨在今后的工作中努力上進立志成材今天我以華北大學為榮明
天華北電力大學以我為榮
作者