(精品)單片機應(yīng)用畢業(yè)精品(2013年優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計)

基于單片機的照明控制系統(tǒng) 摘 要 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，基于單片機的控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電力、電子、智能樓宇等行業(yè)，微型計算機作為嵌入式控制系統(tǒng)的主體與核心，代替了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的常規(guī)電子線路。同時樓宇智能化的發(fā)展與成熟，也為基于單片機的照明控制系統(tǒng)的普及與應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。 本文闡述了照明的有線、無線控制方式設(shè)計原理與實現(xiàn)方法。以設(shè)計過程為主線，分別從硬件和軟件兩個方面描述設(shè)計過程，即從硬件電路的設(shè)計方法到實現(xiàn)所要求功能的軟件技術(shù)。該照明控制系統(tǒng)的主控制器、分控制器分別是以AT89C51與AT89C2051單片機為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了有線通信、無線數(shù)傳、控制與顯示等功能。文中詳細地描述了控制電路的設(shè)計過程，包括：鍵盤與LED顯示電路、RS485通信電路、無線數(shù)傳電路、照明燈控制電路以及看門狗電路等。對于軟件設(shè)計主要有主控制器、分控制器的有線通信程序設(shè)計與無線數(shù)字傳輸程序設(shè)計以及燈光控制、定時控制、鍵盤掃描與LED顯示等程序設(shè)計。有線通信程序的功能是：通過RS485主從通信方式，由主控制器發(fā)出命令對全部或單個分控制器所控制的照明燈實現(xiàn)開啟、關(guān)閉、燈光亮度調(diào)節(jié)、定時控制等功能。無線數(shù)傳程序設(shè)計的功能是：通過無線數(shù)傳模塊實現(xiàn)照明燈的無線遙控，同樣實現(xiàn)有線方式控制的功能。關(guān)鍵詞：主控制器，分控制器，單片機，有線通信，無線數(shù)傳，燈光亮度控制，定時控制The Control System for Lighting Based on Singlechip MicrocomputerAbstract With the rapid development of electronic technology, the system of control based on Single-chip Microcomputer is widely applied in industry, agriculture, electric power, electron, intelligent building and so on. Microcomputer, as the subject and core of the embedded system of control, replaces the traditional systemelectronic circuit. At the same time, the development and maturation of the intelligent building have established the substantial foundation for the popularization and application of the control system for lighting based on single-chip microcomputer. The paper expatiates on the designing theories and implementation method of the control system for lighting by wired or wireless communications. Taking the designing process as mainline, it describes the process of designing from two respectshardware and software. In another word, the paper describes the process from the method of circuit designing to the software technology of realizing the demanded functions. The host controller of the control system for lighting is based on AT89C51 single-chip microcomputer, and the auxiliary ones are based on AT89C2051. The system can do many jobs, such as wired communication, wireless data transmitting, controlling and display. The paper describes the designing process of the circuit at length, including: keyboard and LED display circuit, RS485 communication circuit, wireless transmitting circuit, control circuit of lighting, watchdog circuit, etc. The designing of software mainly includes the several programming, such as wired communication, wireless data transmitting, lamplight controlling, timed controlling, keyboard scanning and LED displaying. The wired communication programming function is that through Master-slave communication method based on RS485 the host controller sends orders to the all auxiliary controllers or each one, including: turning on lighting, turning off lighting, regulating brightness of lighting, controlling timed lighting, etc. The wireless data transmitting programming function is that by wireless transmitter it realizes wireless controlling of the lighting, and achieves the functions identical to wired communication. Key Words: Host controller, Auxiliary controller, Single-chip microcomputer, Wired communication, Wireless data transmitting, controlling brightness of lighting, Timed controlling目 錄摘要1Abstract2第一章 序言61.1 單片機應(yīng)用技術(shù)61.2 有線通信技術(shù)71.3 無線數(shù)傳技術(shù)71.4 本章小結(jié)8第二章 基于單片機的照明控制系統(tǒng)的設(shè)計框架和性能9 2.1 系統(tǒng)設(shè)計要點92.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)92.3 系統(tǒng)性能指標(biāo)與技術(shù)要求112.4 本章小結(jié)12第三章 基于單片機的照明控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計133.1 主控制器的電路設(shè)計133.1.1 鍵盤的接口設(shè)計143.1.2 LED數(shù)碼顯示的接口設(shè)計143.1.3 看門狗監(jiān)控電路的設(shè)計143.2 分控制器的電路設(shè)計153.2.1 時鐘芯片的接口設(shè)計163.2.2 零點檢測與可控硅控制電路的設(shè)計163.3 RS485通信電路的設(shè)計173.4 無線數(shù)傳電路的設(shè)計203.4.1 無線數(shù)傳電路的連接203.4.2 SRWF-1模塊的特性20 3.5 本章小結(jié)21第四章 基于單片機的照明控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計224.1 人機交互程序設(shè)計224.1.1 鍵盤掃描程序設(shè)計234.1.2 LED數(shù)碼顯示程序設(shè)計254.2 照明啟停控制程序設(shè)計264.2.1 全部啟?？刂瞥绦蛟O(shè)計264.2.2 單獨啟?？刂瞥绦蛟O(shè)計28 4.3 照明亮度控制程序設(shè)計30 4.3.1 全部亮度控制程序設(shè)計30 4.3.2 單獨亮度控制程序設(shè)計32 4.4 照明定時控制程序設(shè)計33 4.4.1 全部定時控制程序設(shè)計33 4.4.2 單獨定時控制程序設(shè)計34 4.5 RS485通信程序設(shè)計35 4.5.1 主機部分通信程序設(shè)計37 4.5.2 從機部分通信程序設(shè)計37 4.6 無線數(shù)傳通信程序設(shè)計39 4.7 本章小結(jié)39第五章 實驗及總結(jié)40致謝41參考文獻42附錄43第一章 序言近十幾年來，隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，樓宇照明也相應(yīng)飛速發(fā)展。在樓宇的照明數(shù)量與質(zhì)量兩個方面均有顯著的變化與提高，特別是隨著人民生活水平進入小康水平，樓宇照明水平提高很快，追求人工照明光環(huán)境的舒適性、個性化、安全、節(jié)能等方面日見突出。樓宇中人工光環(huán)境對于滿足人們的生活、學(xué)習(xí)、娛樂以及工作方面有著重要的意義。照明控制系統(tǒng)傳統(tǒng)是以照明配電箱通過手動開關(guān)來控制照明燈具的通斷，或通過回路中串入接觸器，實現(xiàn)遠距離控制。而今出現(xiàn)的樓宇自控系統(tǒng)，是以電氣觸點來實現(xiàn)區(qū)域控制、定時通斷、中央監(jiān)控等功能。由于照明控制系統(tǒng)在樓宇自控系統(tǒng)中并非獨立，同時控制功能簡單，因此使用上有一定的局限性。故當(dāng)樓宇自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，照明系統(tǒng)亦受到影響。隨著微電子技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)出了智能化水平更高的專業(yè)照明控制的獨立系統(tǒng)，從而能節(jié)約能源、延長燈具壽命、提高照明質(zhì)量。根據(jù)使用客戶的經(jīng)驗，不僅使照明管理與設(shè)備維修簡單及降低費用外，還對環(huán)境改善、提高工作效率都有著顯著的效果。本系統(tǒng)是以單片機為控制器的核心，其中上位機是以AT89C51為基礎(chǔ)，下位機是以AT89C2051為基礎(chǔ)，再連接外圍電路，通過現(xiàn)場總線RS485通信方式實現(xiàn)照明燈具的智能控制，也可以通過無線數(shù)傳模塊實現(xiàn)無線通信，從而達到照明燈具的智能控制。1 1 單片機的應(yīng)用技術(shù)電子技術(shù)和微型計算機的迅速發(fā)展，促進微型計算機測量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，單片機（單片微型計算機）的應(yīng)用已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟的各個部門和領(lǐng)域，它起到了越來越重要的作用。單片微型計算機就是將中央處理單元、存儲器、定時/計數(shù)器和多種接口都集成到一塊集成電路芯片上的微型計算機。因此一塊芯片就構(gòu)成了一臺計算機。它已成為工業(yè)控制領(lǐng)域、智能儀器儀表、尖端武器、日常生活中最廣泛使用的計算機。單片機由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)是指構(gòu)成微機系統(tǒng)的實體與裝置，通常由運算器、控制器、存儲器、輸入接口電路和輸入設(shè)備、輸出接口電路和輸出設(shè)備等組成。其中運算器和控制器一般做在一個集成芯片上，統(tǒng)稱中央處理單元（Central Processing Unit），簡稱CPU，是微機的核心部件。CPU配上存放程序和數(shù)據(jù)的存儲器、輸入/輸出（Input/Output，簡稱I/O）接口電路以及外部設(shè)備即構(gòu)成單片機的硬件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)是微機系統(tǒng)所使用的各種程序的總稱，人們通過它對微機進行控制并與微機系統(tǒng)進行信息交換，使微機按照人的意圖完成預(yù)定的任務(wù)。軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)共同構(gòu)成完整的單片微型計算機系統(tǒng)，兩者相輔相成，缺一不可。12 有線通信技術(shù)在數(shù)據(jù)通信、計算機網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)上的分布式控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要采用串行通信來達到遠程信息交換的目的。目前，有多種接口標(biāo)準(zhǔn)可用于串行通信，最常用的接口有RS-232、RS-422、RS-485。RS232是最早的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，在短距離、較低波特率串行通信中得到了廣泛應(yīng)用。其后發(fā)展起來的RS-422、RS-485是平衡傳送的電氣標(biāo)準(zhǔn)，比起RS-232非平衡的傳送方式在電氣指標(biāo)上有了大幅度的提高。但總的來說，RS-232、RS-422與RS-485最初都是由電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制訂并發(fā)布的， EIA于1983年在RS-422基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。RS-232、RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。正因為RS-485的遠距離、多節(jié)點（32個）、可以自行定義協(xié)議以及傳輸線成本低的特性，使得EIA RS-485成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)。1 3 無線數(shù)傳技術(shù)有線傳輸?shù)姆绞诫m然使用非常廣泛且可靠性較高，但由于各方面的局限性，已經(jīng)在眾多方面被無線傳輸方式所取代。無線數(shù)字傳輸技術(shù)日益完善，其重要性也被人們所認(rèn)識，相應(yīng)的基于無線數(shù)字傳輸?shù)漠a(chǎn)品也隨處可見。無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)安裝簡便、使用效率高，可應(yīng)用于各個領(lǐng)域，例如，無線數(shù)據(jù)傳輸、無線數(shù)據(jù)采集、無線抄表、工業(yè)遙控、樓宇自動化、高檔玩具等等。無線數(shù)傳技術(shù)是通過單片機的串口與無線數(shù)傳模塊連接，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)由無線數(shù)傳模塊向空中發(fā)出，然后由另一個終端設(shè)備的無線數(shù)傳模塊從空中接收數(shù)據(jù)，這樣就實現(xiàn)了預(yù)期的任務(wù)。14 本章小結(jié) 本章介紹了照明控制系統(tǒng)在智能樓宇中的應(yīng)用、發(fā)展以及所使用的主要專業(yè)技術(shù)。它從傳統(tǒng)的方式逐步發(fā)展到能夠?qū)崿F(xiàn)智能化控制，使用戶使用起來更加方便、舒適。本文所研究的照明控制系統(tǒng)主要使用了單片機應(yīng)用技術(shù)、有線通信技術(shù)和無線數(shù)傳技術(shù)。在這里主要對這三種技術(shù)的組成、功能、發(fā)展以及使用領(lǐng)域等方面進行了簡要的闡述。第二章 基于單片機的照明控制系統(tǒng)的設(shè)計框架與性能21 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，然后對硬件進行調(diào)試、測試，以達到設(shè)計要求。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，擬定詳細的工作計劃；然后進行具體設(shè)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(shè)計等；最后是對軟件進行調(diào)試、測試，達到所需功能要求。在系統(tǒng)設(shè)計中設(shè)計方法的選用是系統(tǒng)設(shè)計能否成功的關(guān)鍵。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，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)電路圖在仿真機上進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)設(shè)計不當(dāng)及時修改，最終達到設(shè)計目的。軟件設(shè)計的方法與開發(fā)環(huán)境的選取有著直接的關(guān)系，本系統(tǒng)由于是采用51系列單片機，因此使用Keil C語言進行開發(fā)。此編程工具相比匯編語言具有結(jié)構(gòu)化、適用范圍大、可移植性好等特點。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，然后進行組合與調(diào)整，經(jīng)過調(diào)試后，達到設(shè)計功能要求。22 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：（1）上位機系統(tǒng)；（2）下位機系統(tǒng)；（3）通信系統(tǒng)。這三部分共同完成了主控制器通過有線、無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(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。該多機通信系統(tǒng)采用RS-485半雙工主從式通信系統(tǒng)，主機可以發(fā)送數(shù)據(jù)或命令到從機，從機主要負責(zé)對分布的照明燈具進行控制，用中斷的方式接收主機發(fā)來的命令或數(shù)據(jù)并做出回應(yīng)。 圖2.1 有線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)也是由主控制器和分控制器兩部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。主控制器是發(fā)送遙控指令、發(fā)送數(shù)據(jù)信息、接收應(yīng)答信息等，分控制器接收數(shù)據(jù)與遙控指令，完成對照明燈具的控制。圖2.2 無線數(shù)傳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的主控制器通過RS-485總線或無線數(shù)傳模塊將數(shù)據(jù)或命令發(fā)送給分控制器，同時將信息送給數(shù)碼顯示單元進行顯示，并有看門狗電路對運行程序進行有效監(jiān)視。主控制器硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。分控制器接收主控制器的發(fā)來的數(shù)據(jù)和命令，通過可控硅電路對照明燈具進行開關(guān)、亮度控制，并且利用實時時鐘芯片對照明燈具進行定時開關(guān)控制。分控制器硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。 圖2.3 主控制器硬件電路結(jié)構(gòu)框圖 圖2.4 分控制器硬件電路結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)在單片機的控制之下完成數(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，是維護系統(tǒng)正常工作的工具。 2 3 系統(tǒng)性能指標(biāo)及技術(shù)要求（1） 照明啟?？刂葡到y(tǒng) 全開 全關(guān) 單獨開 單獨關(guān)（2） 照明亮度控制系統(tǒng) 全部亮度調(diào)節(jié) 單獨亮度調(diào)節(jié)（3） 定時控制系統(tǒng) 對全部照明燈進行定時控制 對每個照明燈進行定時控制24 本章小結(jié) 本章主要從系統(tǒng)設(shè)計要點、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)性能指標(biāo)及技術(shù)要求三方面對所研究的照明控制系統(tǒng)的設(shè)計框架和性能進行了闡述，該系統(tǒng)由一個主控制器與若干個分控制器組成，系統(tǒng)的設(shè)計首先要從硬件方面著手，在繪制出正確的電路圖后，再按功能要求編制出相應(yīng)的軟件程序，最終要達到所要求的性能指標(biāo)。第三章 基于單片機的照明控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計3 1 主控制器的電路設(shè)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(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4K bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash 存儲單元。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3.1所示。 圖3.1 主控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖3.1.1 鍵盤的接口設(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1、2、3、4，第二行為5、6、7、8，第三行為9、0、開、關(guān)，第四行為增值、減值、定時、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的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3相連，矩陣鍵盤的行線從上到下分別與P1.4、P1.5、P1.6、P1.7相連。每當(dāng)按下一個鍵時，對應(yīng)的行線與列線就會連通，這樣單片機就能檢測出信號，并通過鍵盤掃描程序?qū)︽I盤進行掃描，以識別被按鍵的行、列位置。3.1.2 LED數(shù)碼顯示的接口設(shè)計數(shù)碼顯示與驅(qū)動電路由74LS138譯碼器、7447 TTL BCD-7段高有效譯碼器/驅(qū)動器、4個數(shù)碼管以及5個A1015三極管組成。由單片機的P0.0P0.3口輸出的四位BCD碼，經(jīng)7447芯片后，翻譯成7段數(shù)碼管a、b、c、d、e、f、g相應(yīng)的段，并輸出點亮數(shù)碼管相應(yīng)的段。單片機的P0.4、P0.5口輸出的信號經(jīng)74LS138譯碼器后產(chǎn)生的高電平信號加在A1015三極管的基極，控制三極管的導(dǎo)通，從而起到對相應(yīng)數(shù)碼管的選通作用。4個7段數(shù)碼管都被接成共陽極方式。3.1.3 看門狗監(jiān)控電路的設(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AT89C51的接口電路如圖3.1所示。MR與WDO經(jīng)過一個二極管連接起來，WDI接單片機的P2.7口，RESET接單片機的復(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4.65V，RESET端輸出200ms的復(fù)位信號，使系統(tǒng)復(fù)位。 （2）對+5V電源進行監(jiān)視：當(dāng)+5V電源正常時，RESET為低電平，單片機正常工作；當(dāng)+5V電源電壓降至+4.65V以下時，RESET輸出高電平，對單片機進行復(fù)位。 （3）看門狗定時器被清零，WDO維持高電平；當(dāng)程序跑飛或死機時，CPU不能在16s內(nèi)給出“喂狗”信號，WDO跳變?yōu)榈碗娖?，由于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)進行手動復(fù)位，只要按下手動復(fù)位按鈕，就能對系統(tǒng)進行有效的復(fù)位。3.2 分控制器的電路設(shè)計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(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含2K bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，具有15線可編程I/O口，該單片機具有體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、性價比較高等特點。分控制器系統(tǒng)的外圍接口電路由晶振、實時時鐘芯片、可控硅控制電路、零點檢測電路、看門狗電路、通信接口電路等組成。分控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖如圖3.2所示。 圖3.2 分控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖3.2.1 時鐘芯片的接口設(shè)計 本系統(tǒng)利用單片機89C2051和時鐘芯片DS1302進行串行數(shù)據(jù)通信，讀取和寫入實時數(shù)據(jù)，用于定時控制照明燈具的啟停。DS1302是美國Dallas公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小于31日時可自動調(diào)整。DS1302與單片機的連接僅需要3根線，即SCLK、I/O、RST。RST接在P1.7上，此引腳為高電平時，選中該芯片，可對其進行操作。串行數(shù)據(jù)線I/O與串行時鐘線SCLK分別接在P1.5和P1.6上，所有的單片機地址、命令及數(shù)據(jù)均通過這兩條線傳輸。在本系統(tǒng)中，89C2051為主器件，DS1302為從器件，主器件在總線上產(chǎn)生時鐘脈沖、尋址信號、數(shù)據(jù)信號等，而從器件則相應(yīng)接收數(shù)據(jù)、送出數(shù)據(jù)。對DS1302的每一次讀寫需16個時鐘脈沖，前8個脈沖輸入操作地址和讀寫命令。其中位7必須為1；位0為0時向芯片寫入數(shù)據(jù)，為1時從芯片讀出數(shù)據(jù)；位6位1選定芯片中的地址。后8個脈沖寫入或讀出數(shù)據(jù)。DS1302采用雙電源系統(tǒng)供電，VCC1在雙電源系統(tǒng)中提供主電源，在這種運用方式下VCC2連接到備份電源，以便在沒有主電源的情況下能保存時間信息以及數(shù)據(jù)。DS1302由兩者中的較大者供電。當(dāng)VCC1大于VCC2+0.2V時，VCC1給DS1302供電。當(dāng)VCC1小于VCC2時，DS1302由VCC2供電。3.2.2 零點檢測與可控硅控制電路的設(shè)計 這部分電路的設(shè)計采用單片機的I/O口灌電流的方法控制可控硅實現(xiàn)開關(guān)與調(diào)光控制，用光電耦合器M0C3021作為可控硅的驅(qū)動器，同時實現(xiàn)強、弱電的隔離。光電耦合器M0C3021通過一個非門與89C2051的P3.7口連接，當(dāng)此腳輸出高電平時，將會封鎖住MOC3021，使雙向可控硅BT131不導(dǎo)通，這樣就會使照明燈關(guān)閉；當(dāng)P3.7腳輸出低電平時，使光電耦合器MOC3021打開驅(qū)動雙向可控硅，從而將雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通，這樣就開啟了所要控制的照明燈。對于照明燈的亮度調(diào)節(jié)，這里采用PWM（Pulse Width Modulation）方式,即脈沖寬度調(diào)制的簡稱，PWM是一種周期一定而高低電平的占空比可以調(diào)制的方波信號，當(dāng)輸出脈沖周期一定時，輸出脈沖的占空比越大相對應(yīng)的輸出有效電壓越大。在一個周期內(nèi)的脈沖寬度（導(dǎo)通時間）為T1，周期為T，波形如圖3.3所示。圖3.3 脈沖波形圖 則輸出電壓的平均值為：U=VCCT1/T=VCC 其中=T1/T（正脈沖的持續(xù)時間與脈沖周期的比值）稱為占空比，的變化范圍為01，VCC為電源電壓。 當(dāng)電源電壓VCC不變的情況下，輸出電壓的平均值U取決與占空比的大小，改變的大小就可以改變輸出電壓的平均值，這就是PWM的工作原理。燈泡的亮度與加在燈泡兩端的電壓成比例，而燈泡兩端的電壓與可控硅的導(dǎo)通角成比例，這樣通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比來控制可控硅的導(dǎo)通角。因此占空比越大，燈泡就越亮，當(dāng)占空比=1時，燈泡的亮度最高。由于89C2051單片機沒有PWM信號輸出功能，所以在這里采用單片機定時器配合軟件的方法來實現(xiàn)PWM信號的輸出。 使用PWM方法進行可控硅控制時，調(diào)制頻率不能低于市電頻率，因為當(dāng)頻率低于50Hz時，超過了人眼視覺暫留效應(yīng)，用于調(diào)光將產(chǎn)生閃爍的現(xiàn)象。當(dāng)調(diào)制頻率大于市電頻率，可控硅將處于連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)而不能達到調(diào)壓的目的，因此必須使用過零檢測作為觸發(fā)可控硅的基點。在本系統(tǒng)中所使用的過零檢測電路如圖3.2所示，先由一個變壓器將市電電壓轉(zhuǎn)換成10V左右的電壓，經(jīng)過整流、穩(wěn)壓后可作為系統(tǒng)工作電源，同時將變壓器次級的同名端引出一根線連接到比較器LM311的正輸入端，用以檢測交流電的過零點，然后將過零信號送給單片機的P1.3口上。當(dāng)檢測到交流電的過零點時，就去觸發(fā)雙向可控硅，同時通過PWM信號的輸出控制雙向可控硅的導(dǎo)通時間，最終達到控制燈泡亮度的目的。3.3 RS485通信電路的設(shè)計本系統(tǒng)的有線通信方式采用RS485總線進行通信，RS485標(biāo)準(zhǔn)支持半雙工通信，只需三根線就可以進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，同時具有抑制共模干擾的能力，接收靈敏度可達200mV，大大提高了通信距離，在100K bps速率下通信距離可達1200m，如果通信距離縮短，最大速率可達10M bps。在這里使用的是主從式通信方式，主機由主控制器充當(dāng)，從機為分控制器。主機處于主導(dǎo)和支配地位，從機以中斷方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，主機發(fā)送的信息可以傳送到所有的從機或指定的從機，從機發(fā)送的信息只能為主機接收，從機之間不能直接通信。主機與從機的通信電路圖分別如圖3.4與圖3.5所示。 圖3.4 主機通信電路圖 圖3.5 從機通信電路圖主機與從機選用的RS485通信收發(fā)器芯片為MAX485，它是MAXIM公司生產(chǎn)的用于RS 485通信的低功率收發(fā)器件，采用單一電源+5 V工作，額定電流為300 A，采用半雙工通信方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平的功能。MAX485芯片內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)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(fā)送的使能端，當(dāng)RE端為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE端為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可，主機與從機分別使用P2.6與P1.0腳進行控制；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端,當(dāng)A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在進行通信時只需要一個信號控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時將A和B端之間加匹配電阻，這里選用120的電阻。 為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，采用光電耦合器TLP521對通信系統(tǒng)進行光電隔離。從機使用單片機的P1.0控制通信收發(fā)器MAX485的工作狀態(tài)，平時置P1.0為低電平，使從機串行口處于偵聽狀態(tài)。當(dāng)有串行中斷產(chǎn)生時判別是否是本機號，若為本機地址則置P1.0為高電平，發(fā)送應(yīng)答信息，然后再置P1.0為低電平接收控制指令，繼續(xù)保持P1.0為低電平，使串行收發(fā)器處于接收狀態(tài)；若不是本機地址，使P1.0為低電平，使串行收發(fā)器處于接收偵聽狀態(tài)。3.4 無線數(shù)傳電路的設(shè)計無線數(shù)據(jù)傳輸需要通過無線數(shù)傳模塊來實現(xiàn)。本系統(tǒng)選用的是上海桑銳電子科技有限公司生產(chǎn)的SRWF-1型微功率無線數(shù)傳模塊。該模塊的通信信道是半雙工的，最適合點對多點的通信方式。單片機與無線數(shù)傳模塊之間可以進行信息的傳送與回饋，即所謂的雙向通信。3.4.1 無線數(shù)傳電路的連接主控制器與分控制器各使用一個無線數(shù)傳模塊，形成發(fā)送與接收的無線通信通道。模塊的數(shù)據(jù)輸入和輸出端與單片機的串行口連接，即模塊的串行數(shù)據(jù)發(fā)射端TXD與單片機的串行數(shù)據(jù)輸入端RXD連接；模塊的串行數(shù)據(jù)接收端RXD與單片機的串行數(shù)據(jù)輸出端TXD連接。單片機與無線數(shù)傳模塊SRWF-1的電路連接如圖3.6所示。圖3.6 單片機與無線數(shù)傳模塊的連接3.4.2 SRWF-1模塊的特性 （1） 微發(fā)射功率:最大10dbm（10mW）的發(fā)射功率。（2）ISM頻段工作頻率，無需申請頻點。載頻頻率429-438MHz，也可提供315/868/915MHz等載頻。（3） 高抗干擾能力和低誤碼率?；贔SK的調(diào)制方式，采用高效無線通信協(xié)議，在信道誤碼率為10-2時，可得到實際誤碼率10-510-6。（4） 完善的通訊協(xié)議。（5） 傳輸距離遠。在視距情況下，天線高度3米，可靠傳輸距離300m。（6） 透明的數(shù)據(jù)傳輸。提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議。自動過濾掉空中產(chǎn)生的噪音信號及假數(shù)據(jù)（所發(fā)即所收）。（7） 多信道，多速率。SRWF-1型模塊標(biāo)準(zhǔn)配置提供8個信道，根據(jù)用戶需要，可擴展到16/32信道，滿足用戶多種通信組合方式的需求。SRWF-1型模塊可提供1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps等多種通信波特率，并且無線傳輸速率與接口波特率成正比，以滿足客戶設(shè)備對多種波特率的需要。（8） 雙串口，3種接口方式。SRWF-1型模塊提供2個串口3種接口方式，COM1為TTL電平UART接口。COM2由用戶自定義為標(biāo)準(zhǔn)的RS-232/RS-485接口（用戶只需要拔/插短路器再上電即可改變接口類型）。（9） 高速無線通訊和大的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)?？?次傳輸無限長度的數(shù)據(jù)，用戶編程更加靈活。（10） 智能數(shù)據(jù)控制，用戶無需編制多余的程序。即使是半雙工通信，用戶也無需編制多余的程序，只要從接口收/發(fā)數(shù)據(jù)即可，其它如空中收/發(fā)轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)連接，控制等操作，SRWF-1型模塊能夠自動完成。（11） 低功耗及休眠功能。接收電流20mA，發(fā)射電流40mA,休眠時電流僅為20uA。（12） 高可靠性，體積小、重量輕。采用高性能單片處理器ATMega8L,外圍電路少，可靠性高，故障率低。（13） 兩種接口收發(fā)等待時間?？稍O(shè)置的接口等待時間使模塊既能用于高速用戶設(shè)備（如DSP系統(tǒng)）也可適用低速系統(tǒng)（如51系統(tǒng)）。（14） 看門狗實時監(jiān)控。ATMega8L的看門狗監(jiān)控內(nèi)部功能，改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)，提高了產(chǎn)品的可靠性。35 本章小結(jié) 本章詳細地闡述了系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計過程，從系統(tǒng)主控制器的硬件電路設(shè)計到分控制器的硬件電路設(shè)計，然后是RS485通信電路設(shè)計與無線數(shù)傳模塊的電路連接。系統(tǒng)的主控制器和分控制器分別是以AT89C51與AT89C2051單片機為基礎(chǔ)，按照所要求的功能配上相應(yīng)的外圍電路。主控制器的外圍電路主要有鍵盤接口、LED數(shù)碼顯示接口、看門狗接口、RS485通信接口、無線數(shù)傳接口以及晶振等。分控制器的外圍電路主要有時鐘芯片接口、零點檢測電路、可控硅控制電路、RS485通信電路、無線數(shù)傳電路以及看門狗與晶振等。主控制器通過串口使用RS485通信方式或者無線數(shù)傳方式向分控制器發(fā)出信號實現(xiàn)對照明燈的啟停、亮度調(diào)節(jié)、定時控制等功能。第四章 基于單片機的照明控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 軟件是計算機系統(tǒng)的靈魂，沒有軟件計算機不能充分發(fā)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(tǒng)中，軟件也是非常重要的。在照明控制系統(tǒng)中，硬件設(shè)備的功能是由軟件來定義的，如系統(tǒng)要控制分布的照明燈具，通過有線與無線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(shù)碼顯示等等，由此可見，軟件是控制系統(tǒng)中的一個重要組成部分。 該照明控制系統(tǒng)的軟件程序包括：照明啟?？刂瞥绦颉⒄彰髁炼瓤刂瞥绦?、照明定時控制程序、人機交互程序以及RS485串行通信與無線數(shù)傳通信程序等。本著軟件設(shè)計的基本方法，照明控制程序的軟件設(shè)計方法是利用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化分析與設(shè)計方法來完成的。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法雖然是早期的程序設(shè)計方法，但該方法還一直被廣泛地使用。結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)分析與設(shè)計貫穿整個軟件設(shè)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(tǒng)軟件程序總體結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。圖4.1 照明控制系統(tǒng)軟件程序總體結(jié)構(gòu)圖4.1 人機交互程序設(shè)計 系統(tǒng)的人機交互程序設(shè)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(tǒng)工作。鍵盤用來輸入指令，發(fā)光數(shù)碼管用來顯示單片機的狀態(tài)，這是一個比較簡單的人機交互形式。4.1.1 鍵盤掃描程序設(shè)計本系統(tǒng)的鍵盤采用的是44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44的行、列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個含有16個按鍵的鍵盤，顯然，在按鍵數(shù)量較多時，矩陣式鍵盤較之獨立式按鍵鍵盤要節(jié)省很多I/O口。矩陣式鍵盤中，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)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(xù)一定的時間，因此只要單片機處在等待輸入的狀態(tài)，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(xiàn)一些錯誤的信號，要不就是掃描不進數(shù)據(jù)，要不就是重復(fù)輸入很多次數(shù)據(jù)，因此需要有一個消除抖動的程序。讓單片機不響應(yīng)一些相關(guān)的抖動信號，而只響應(yīng)一次確實存在的按鍵信號。消抖動程序是這樣實現(xiàn)的，當(dāng)檢測到一個脈沖信號時，并不立即認(rèn)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(rèn)為有一次按鍵動作發(fā)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(tǒng)的按鍵定義除了基本的數(shù)字鍵（09）外，將其它的鍵依次定義為開、關(guān)、增值、減值、定時、確認(rèn)六個命令鍵，其控制的基本功能是：（1） 通過數(shù)字鍵、確認(rèn)鍵輸入分控制器的地址以及定時功能的時間設(shè)置。（2） 利用開、關(guān)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(shè)置。系統(tǒng)通過軟件方法實現(xiàn)該功能，即定義開、關(guān)、增值、減值、定時、確認(rèn)等命令鍵，利用鍵盤掃描程序獲取對應(yīng)命令鍵的鍵值，然后執(zhí)行相應(yīng)的子程序，實現(xiàn)所要求的控制功能。圖4.2 鍵盤掃描程序流程圖4.1.2 LED數(shù)碼顯示程序設(shè)計本系統(tǒng)采用了四位共陽極七段數(shù)碼管，共陽極數(shù)碼管的8個發(fā)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(qū)動電路輸出端。當(dāng)某段驅(qū)動電路的輸出端為低電平時，則該端所連接的字段導(dǎo)通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅(qū)動電路能吸收額定的段導(dǎo)通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導(dǎo)通電流來確定相應(yīng)的限流電阻，這里的限流電阻選為100。這里選用的7447芯片是從BCD碼到SEG7段碼的轉(zhuǎn)換器，而74LS138是一個地址譯碼器，通過74LS138選通某個數(shù)碼管，然后根據(jù)7447傳送過來的SEG7段碼的數(shù)據(jù)進行顯示，而在非選通的時候，數(shù)碼管能夠保持原有的顯示數(shù)據(jù)。LED數(shù)碼顯示程序的流程圖如圖4.3所示。圖4.3 LED數(shù)碼顯示程序流程圖4.2 照明啟?？刂瞥绦蛟O(shè)計照明的啟停控制主要是由主控制器發(fā)出指令，通過RS485通信方式或無線數(shù)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?？刂瞥绦蛴蓛刹糠纸M成，即全部啟?？刂婆c單獨啟?？刂苾刹糠?。4.2.1 全部啟?？刂瞥绦蛟O(shè)計 全部照明啟?？刂葡到y(tǒng)是利用主控制器上的開、關(guān)按鍵來控制全