基于单片机智能照明系统主控制器设计

湖北省高等教育自学考试毕业论文基于单片机智能照明系统主控制器的设计主考院校：武汉大学专 业：电子工程指导老师：谷瑜青老师考生姓名：何 贤 云准考证号：0108123015082017 年 2 月 28 日摘 要随着社会的进步,照明系统的人性化，智能化，节约化显得尤为重要，既适合了人类的需求，又响应了国家的绿色经济发展战略，随着国家提倡低碳经济的发展，公共场所照明系统的改进显得尤为重要，节能和智能科技变为主题，近年来，随着科技的进步，人们对照明灯具节能和科学化管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化领域的地位越来越重要，现在引入绿色照明的概念，所以更应营造一个舒适的视觉环境来减少光污染，照明已经成为直接影响工作效率的主要因素之一，因此，越来越引起人们的高度重视，做好照明设计，加强照明控制设计，智能照明系统充分利用电子技术、通信技术和计算机网络技术将各种照明器具有机的连接在一起，实现有效的管理和控制。智能照明系统正是 21世纪的趋势之一。系统中的智能灯光节点能够根据外界光强自适应调整自身灯光亮度，周期性采集室内光强、有无人进出等环境信息，并及时响应用户的控制命令。随着 LED性能的不断改善和价格的不断降低，高亮度 LED取代传统光源应用于通用照明是未来的发展趋势。设计了一套基于单片机 MCU控制的 LED智能照明系统，LED 采用恒流驱动，PWM 调光方式。其中光强度传感器使得 LED能够根据环境需要自动调节自身亮度 声控开关方便操作。详细给出了各个部分的设计。实验表明，系统长时间运行稳定，高效节能，白光质量好，适用于公共场所通用照明，针对传统照明系统布线麻烦、节能效果差等缺点。本文设计的照明系统通过动态侍感器、照度传感器、通讯装置等使得照明变得更加智能、人性化：有效节省了电费与管理费用。关键词：智能化 人性化节能 绿色高亮度 LED PWM 调光 第 0 页目 录摘 要 .I第 1 章 绪 论 .31.1 课 题 研 究 背 景 意 义 .31.2 国 内 外 发 展 现 状 .31.3 文 本 所 作 的 工 作 .31.3.1 节能方面作的工作 .31.3.2 改善工作环境与提高工作效率作的工作 .4第 2 章 系 统 设 计 .52.1 系 统 的 功 能 和 指 标 .52.2 核 心 器 件 的 比 较 与 选 型 .52.2.1 单 片 机 选 择 .52.2.2 光 照 检 测 方 式 .62.2.3 声 控 开 关 检 测 方 式 .72.2.4 LED 的 调 光 控 制 .8第 3 章 硬 件 设 计 .113.1 单片机中的各个小系统介绍 .113.1.1 AT89C51 引脚介绍 .113.1.2 CPU 时钟电路 .123.1.3 复位电路 .133.2 光信号取样电路设计 .133.2.1 仪表放大器的结构及使用 .143.2.2 OP07 的介绍及应用 .153.2.3 TLC3545 的介绍及应用 .17第 1 页3.3 声音信号采集电路 .193.3.1 声音信号放大原理 .193.3.2 CD4051 的介绍及应用 .203.4 LED 驱动电路 .213.4.1 LED 供电电源 .213.4.2 LED 驱动电路 .213.5 键盘电路设计 .223.5.1 键盘的作用 .223.5.2 键盘电路及其说明 .223.5.3 键盘功能说明 .233.5.4 键盘的机械抖动 .23第 4 章 软件设计 .254.1 系统流程图 .254.2 仿真环境介绍 .284.3.1 Keil 介绍 .28第 5 章 总结与展望 .29参考文献 .31谢 辞 .32第 2 页第 1章 绪 论1.1 课 题 研 究 背 景 意 义随 着 计 算 机 网 络 、 通 信 、 控 制 等 技 术 的 发 展 ,智 能 建 筑 的 发 展 越 来 越 迅猛 。 现 代 化 建 筑 中 的 楼 宇 自 控 设 备 和 不 同 功 能 的 系 统 越 来 越 多 , 越 来 越 复杂 ， 目 前 ， 国 内 大 多 数 智 能 建 筑 存 在 效 率 低 、 能 耗 高 的 现 象 。 就 智 能 建 筑 的照 明 系 统 来 说 ， 许 多 地 方 的 灯 经 常 是 从 早 到 晚 开 着 的 ， 不 管 这 些 房 间 或 楼道 是 否 有 人 ， 也 不 管 有 多 少 人 。 无 论 何 种 建 筑 , 也 不 论 该 建 筑 的 智 能 化 程度 有 多 高 , 照 明 控 制 一 直 在 其 楼 宇 自 控 系 统 中 占 据 十 分 重 要 的 位 置 。 我 们 用智 能 照 明 系 统 主 控 制 器 ， 实 现 照 明 的 人 性 化 ， 个 性 化 ， LED 大 大 降 低 了 系统 的 开 发 难 度 、 组 成 成 本 , 缩 短 了 开 发 周 期 。 该 系 统 投 资 少 、 功 能 强 、 可 靠性 高 、 便 于 扩 展 , 特 别 适 合 大 型 的 智 能 办 公 大 厦 对 灯 光 设 备 的 控 制 需 要 。 在市 场 上 具 有 强 劲 的 竞 争 力 。1.2 国 内 外 发 展 现 状目 前 ， 国 内 大 多 数 智 能 建 筑 存 在 效 率 低 、 能 耗 高 的 现 象 。 就 智 能 建 筑 的照 明 系 统 来 说 ， 许 多 地 方 的 灯 经 常 是 从 早 到 晚 开 着 的 ， 不 管 这 些 房 间 或 楼道 是 否 有 人 ， 也 不 管 有 多 少 人 。 无 论 何 种 建 筑 , 也 不 论 该 建 筑 的 智 能 化 程度 有 多 高 , 照 明 控 制 一 直 在 其 楼 宇 自 控 系 统 中 占 据 十 分 重 要 的 位 置 。 现 代 照明 除 了 满 足 人 的 基 本 生 活 、 学 习 要 求 之 外 ,将 更 注 重 能 量 的 节 省 和 使 用 上 的便 利 ， 以 及 满 足 人 类 工 程 学 的 个 性 方 面 的 要 求 。 特 别 是 近 年 来 大 厦 内 利 用 计算 机 工 作 的 人 员 比 例 上 升 ， 不 同 视 觉 要 求 的 工 作 的 数 量 和 复 杂 程 度 大 大 增 加 。所 以 要 做 到 合 理 、 经 济 、 节 能 ， 首 先 应 采 用 先 进 成 熟 的 技 术 和 产 品 ， 如 电光 源 、 灯 具 、 照 明 控 制 系 统 。 因 此 ， 适 应 不 同 个 人 和 工 作 需 要 ， 结 合 自 动调 节 与 手 动 调 节 的 智 能 化 照 明 系 统 已 经 成 为 必 不 可 少 了 。1.3 文 本 所 作 的 工 作1.3.1 节能方面作的工作照明领域的能源消耗在总的能源消耗中占了相当大的比例 节约能源和提高照明质量是当务之急。LED 耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管 0.03-0.06瓦），电光功率转换接近 100%。一般来说 LED的工作电压是 2-3.6V，工第 3 页作电流是 0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过 0.1W，相同照明效果比传统光源节能 80%以上。1.3.2 改善工作环境与提高工作效率作的工作良好的工的环境是提高工作效率的很重要的条件，合理的利用智能照明系统的主控制器，可以提高照明系统的工作效率，智能照明系统是有开关和调节两种控制方法，可以有效的控制各种照明场所的智能照明，改善工作环境，从而提高工作效率，提高照明均匀性，同时系统能根据不同的照明强度，自动调节照明亮度。第 4 页第 2 章 系 统 设 计2.1 系 统 的 功 能 和 指 标本 系 统 是 以 单 片 机 为 控 制 器 的 核 心 ， 以 AT89C51 为 基 础 ， 以 光 敏 电 阻 为信 号 采 集 单 元 ， 再 连 接 外 围 电 路 ， 通 过 单 片 机 通 信 方 式 实 现 照 明 灯 具 的 智 能控 制 。 以 下 是 各 部 分 器 件 的 选 择 与 基 本 介 绍 。2.2 核 心 器 件 的 比 较 与 选 型2.2.1 单 片 机 选 择方 案 一 MCS-51 单 片 机AT89C51 是 一 种 4k 字 节 存 储 器 ， 低 电 压 ， 高 性 能 的 存 储 器 ， 俗 称 单 片机 。 它 与 MCS-51 兼 容 ， 寿 命 和 数 据 保 留 时 间 长 ， 两 个 16 为 定 时 器 ， 5 个中 断 源 ， 可 编 程 串 行 通 道 ， 低 功 耗 ， 它 是 MSC-51 单 片 机 中 应 用 最 广 泛 的 型号 ， 以 它 为 代 表 进 行 参 数 介 绍 ， 它 的 组 成 部 分 是 ， 微 处 理 器 、 数 据 存 储 器 、程 序 存 储 器 、 并 行 I/O 口 、 串 行 口 、 定 时 器 /计 数 器 、 中 断 系 统 及 特 殊 功 能寄 存 器 。 通 过 片 内 单 一 总 线 连 接 而 成 ， 其 基 本 结 构 是 CPU 加 上 外 围 芯 片 的传 统 结 构 模 式 。 但 对 各 种 功 能 部 件 的 控 制 是 采 用 特 殊 功 能 寄 存 器 的 集 中 控 制方 式 。 其 内 部 结 构 主 要 有 以 下 几 部 分 ： 1， 一 个 八 位 的 中 央 处 理 器 （ CPU） ，是 单 片 机 的 核 心 ， 2， 128 个 字 节 的 内 部 数 据 RAM， 地 址 为 00H7FH， 3， 21特 殊 功 能 寄 存 器 SFR， 离 散 分 布 于 地 址 80HFFH 中 ， 4， 程 序 计 数 器 PC， 是物 理 上 独 立 的 十 六 位 专 用 寄 存 器 ， 5,4k 字 节 FLASH 内 部 程 序 存 储 器 ， 6,4个 8 位 可 编 程 I/O 口 ， ,7， 1 个 UART 串 行 通 信 口 ， 8， 2 个 16 位 定 时 器 ，9,5 个 中 断 源 ， 两 个 中 断 优 先 级 的 中 断 控 制 系 统 ， 10， 一 个 片 内 振 荡 器 和 时钟 电 路 ， 11， 用 于 扩 展 RAM,ROM 等 结 构 ， 地 址 总 线 ， 数 据 总 线 ， 控 制 总 线 ，方 案 二 AVR 单 片 机精 简 指 令 集 的 高 速 8 位 单 片 机 ， 简 称 AVR， 相 对 于 出 现 较 早 也 较 为 成熟 的 51 系 列 单 片 机 ， AVR 系 列 单 片 机 片 内 资 源 更 为 丰 富 ， 接 口 也 更 为 强 大 ，同 时 由 于 其 价 格 低 等 优 势 ， 在 很 多 场 合 可 以 替 代 51 系 列 单 片 机 。 选 择 AVR单 片 机 的 最 主 要 原 因 ， 是 进 入 AVR 单 片 机 开 发 的 门 槛 非 常 低 ， 只 要 会 操 作 电脑 就 可 以 学 习 AVR 单 片 机 的 开 发 。 单 片 机 初 学 者 只 需 一 条 ISP 下 载 线 ， 把编 辑 、 调 试 通 过 的 软 件 程 序 直 接 在 线 写 入 AVR 单 片 机 ， 即 可 以 开 发 AVR 单第 5 页片 机 系 列 中 的 各 种 封 装 的 器 件 。 AVR 单 片 机 的 I/O 口 是 真 正 的 I/O 口 ， 能正 确 反 映 I/O 口 输 入 /输 出 的 真 实 情 况 。 工 业 级 产 品 ， 具 有 大 电 流 (灌 电 流 )10 40 mA,可 直 接 驱 动 可 控 硅 SCR 或 继 电 器 ， 节 省 了 外 围 驱 动 器 件 。 由 于 采用 了 高 性 能 的 MCU,省 掉 了 大 量 的 外 围 器 件 ,如 外 扩 RAM、 ROM 存 储 器 等 ,使硬 件 结 构 大 大 简 化 ,提 高 了 系 统 的 可 靠 性 。 它 与 其 他 类 型 的 单 片 机 ， AVR 它有 以 下 优 点 ：首 先 ， AVR 单 片 机 是 高 速 嵌 入 式 单 片 机 。 AVR 单 片 机 具 有 预 取 指 令 功 能 ，即 在 执 行 一 条 指 令 时 ， 预 先 把 下 一 条 指 令 取 进 来 ， 使 得 指 令 可 以 在 一 个 时 钟周 期 内 执 行 。 多 累 加 器 型 ， 数 据 处 理 速 度 快 。 AVR 单 片 机 具 有 32 个 通 用 工作 寄 存 器 ， 相 当 于 有 32 条 立 交 桥 ， 可 以 快 速 通 行 、 中 断 响 应 速 度 快 。 AVR单 片 机 有 多 个 固 定 中 断 向 量 入 口 地 址 ， 可 快 速 响 应 中 断 。其 次 ， AVR 单 片 机 耗 能 低 。 对 于 典 型 功 耗 情 况 ， WDT 关 闭 时 为 100nA，更 适 用 于 电 池 供 电 的 应 用 设 备 。 有 的 器 件 最 低 1.8 V 即 可 工 作 。再 次 ， AVR 单 片 机 保 密 性 能 好 。 它 具 有 不 可 破 解 的 位 加 密 锁 Lock Bit技 术 ， 保 密 位 单 元 深 藏 于 芯 片 内 部 ， 无 法 用 电 子 显 微 镜 看 到 。第 四 ， I/O 口 功 能 强 ,具 有 A/D 转 换 等 电 路 ， 有 功 能 强 大 的 定 时 器 /计数 器 及 通 讯 接 口 。综 上 两 种 方 案 分 析 ， 除 了 以 上 两 种 单 片 机 ， 还 有 许 多 种 类 其 它 结 构 的 单片 机 ， 如 果 实 现 本 系 统 ， 基 本 上 以 上 两 种 类 型 的 单 片 机 都 能 实 现 ， 考 虑 到MCS-51 单 片 机 具 有 较 强 的 代 表 性 以 及 该 系 列 单 片 机 资 料 较 多 ， 本 设 计 采 用AT89C51 来 实 现 。2.2.2 光 照 检 测 方 式 方 案 一 、 采 用 光 敏 二 极 管 或 三 极 管 等 光 传 感 器 件 把 环 境 亮 度 转 换 成 相应 的 数 字 电 平 ， 然 后 直 接 接 入 单 片 机 IO 引 脚 。方 案 二 、 采 用 光 敏 电 阻 利 用 桥 式 电 路 把 环 境 亮 度 转 换 成 相 应 的 电 压 值 ，然 后 通 过 运 放 后 给 单 片 机 输 入 一 个 标 准 的 数 字 信 号 。 由 于 光 敏 电 阻 属 于 纯阻 性 器 件 ， 所 以 采 用 方 案 二 。在 本 次 设 计 中 选 用 了 带 串 行 控 制 模 数 转 换 器 TLC3545， LC3545 是 一 个家 庭 的 高 性 能 ， 14 位 ， 低 功 耗 ， 微 型 CMOS 模 拟 - 数 字 转 换 （ ADC） 。 这种 芯 片 只 需 要 单 一 的 +5V 电 源 就 能 工 作 。 该 芯 片 有 单 端 输 入 ， 双 端 输 入 或 单第 6 页伪 差 分 输 入 可 选 择 。 该 芯 片 有 一 个 片 选 （ CS） ， 串 行 时 钟 （ SCLK） ， 串 行数 据 输 出 （ SDO） ， 以 及 提 供 了 一 个 最 流 行 的 串 口 直 接 的 3 线 接 口 主 机 微 处理 器 （ SPI 接 口 ） 。 当 与 DSP 连 接 时 ， TLC3545 ADC 的 连 接 只 有 通 过 引 脚1 到 DSP（ CS） 。TLC3545 设 计 工 作 具 有 功 耗 低 ， 以 及 自 动 电 源 关 闭 模 式 使 节 电 功 能 进 一步 加 强 。 该 产 品 系 列 具 有 一 个 高 速 串 行 链 路 与 外 部 SCLK 到 现 代 的 主 机 处 理器 15 兆 赫 。 这 种 芯 片 使 用 一 个 内 置 的 振 荡 器 转 换 时 钟 ， 提 供 了 2.67 微 秒最 大 转 换 时 间 。为 使 电 桥 测 得 的 微 弱 电 信 号 与 TLC3545 级 联 ， 选 取 一 片 OP07 搭 建 反向 放 大 与 PGA203 进 行 级 联 放 大 。 其 中 PGA203 其 主 要 放 大 作 用 ， 而 OP07起 放 大 调 节 作 用 ， 从 而 实 现 微 弱 电 信 号 与 TLC3545 的 良 好 级 联 。2.2.3 声 控 开 关 检 测 方 式 前 期 拾 音 器 多 采 用 高 增 益 、 内 部 频 率 补 偿 的 双 运 算 放 大 器 ：3558， LM358， NE5532 等 ， 从 而 实 现 信 号 放 大 及 降 噪 作 用 。 在 此 类 拾 音 器 中 ，由 于 只 采 用 简 单 的 RLC 选 频 网 络 ， 会 出 现 噪 音 去 除 不 干 净 的 现 象 。 高 性 能 拾音 器 ， 产 品 内 置 数 字 降 噪 及 浮 点 相 位 处 理 芯 片 ， 可 以 最 大 限 度 地 降 低 噪 音 ，还 原 人 声 ， 适 合 于 性 能 要 求 高 的 环 境 。声 控 开 关 ， 全 称 是 声 控 延 时 开 关 ， 是 一 种 内 无 接 触 点 ， 在 特 定 环 境 光线 下 采 用 声 响 效 果 激 发 拾 音 器 进 行 声 电 转 换 来 控 制 用 电 器 的 开 启 ， 并 经 过 延时 后 能 自 动 断 开 电 源 的 节 能 电 子 开 关 。 对 于 4 个 二 极 管 而 言 ， 从 左 至 右 ，从 上 至 下 ， 我 们 将 其 分 为 VD1， VD2， VD3， VD4。 当 交 流 信 号 的 正 半 周 的 时候 ， 二 极 管 VD1， VD4 导 电 ， VD2， VD3 截 止 ； 当 信 号 变 化 为 负 半 周 的 时 候 ，VD2， VD3 导 电 ， VD1， VD4 截 止 。 正 、 负 半 周 均 有 电 流 流 过 后 面 的 负 载 电 阻 ，而 且 无 论 在 正 半 周 还 是 负 半 周 ， 流 过 后 面 的 负 载 电 阻 的 电 流 方 向 是 一 致 的 ，因 而 使 输 出 电 压 的 直 流 成 分 得 到 提 高 ， 脉 冲 成 分 被 降 低 。本 模 块 由 驻 极 体 话 筒 MIC、 运 算 放 大 器 UA741 和 NE5532、 双 电 压 比 较器 LM393 组 成 。 由 话 筒 将 声 音 信 号 采 集 ， 送 给 接 成 射 极 跟 随 器 的 UA741，再 由 NE5532 构 成 的 放 大 器 将 声 音 信 号 进 行 放 大 送 给 比 较 器 。 最 后 由 比 较 器送 出 开 关 信 号 给 单 片 机 处 理 ， 从 而 实 现 开 关 灯 目 的 。第 7 页uA741M， uA741I， uA741C（ 单 运 放 ） 是 高 增 益 运 算 放 大 器 ， 用 于 军 事 ，工 业 和 商 业 应 用 .这 类 单 片 硅 集 成 电 路 器 件 提 供 输 出 短 路 保 护 和 闭 锁 自 由 运作 。 这 些 类 型 还 具 有 广 泛 的 共 同 模 式 ， 差 模 信 号 范 围 和 低 失 调 电 压 调 零 能力 与 使 用 适 当 的 电 位 。NE5532 是 高 性 能 低 噪 声 双 运 算 放 大 器 （ 双 运 放 ） 集 成 电 路 。 与 很 多 标准 运 放 相 似 ， 但 它 具 有 更 好 的 噪 声 性 能 ， 优 良 的 输 出 驱 动 能 力 及 相 当 高 的 小信 号 带 宽 ， 电 源 电 压 范 围 大 等 特 点 。 因 此 很 适 合 应 用 在 高 品 质 和 专 业 音 响 设备 、 仪 器 、 控 制 电 路 及 电 话 通 道 放 大 器 。 用 作 音 频 放 大 时 音 色 温 暖 ， 保 真 度高 ， 在 上 世 纪 九 十 年 代 初 的 音 响 界 被 发 烧 友 们 誉 为 “运 放 之 皇 ”， 至 今 仍是 很 多 音 响 发 烧 友 手 中 必 备 的 运 放 之 一 。LM393 是 双 电 压 比 较 器 集 成 电 路 。 LM393 是 高 增 益 ,宽 频 带 器 件 ， 象大 多 数 比 较 器 一 样 ， 如 果 输 出 端 到 输 入 端 有 寄 生 电 容 而 产 生 耦 合 ， 则 很 容 易产 生