【畢業(yè)論文】基于單片機(jī)的照明控制系統(tǒng)

基于單片機(jī)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(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)樓宇智能化的發(fā)展與成熟，也為基于單片機(jī)的照明控制系統(tǒng)的普及與應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文闡述了照明的有線、無(wú)線控制方式設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)方法。以設(shè)計(jì)過(guò)程為主線，分別從硬件和軟件兩個(gè)方面描述設(shè)計(jì)過(guò)程，即從硬件電路的設(shè)計(jì)方法到實(shí)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(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了有線通信、無(wú)線數(shù)傳、控制與顯示等功能。文中詳細(xì)地描述了控制電路的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括：鍵盤與LED顯示電路、RS485通信電路、無(wú)線數(shù)傳電路、照明燈控制電路以及看門狗電路等。對(duì)于軟件設(shè)計(jì)主要有主控制器、分控制器的有線通信程序設(shè)計(jì)與無(wú)線數(shù)字傳輸程序設(shè)計(jì)以及燈光控制、定時(shí)控制、鍵盤掃描與LED顯示等程序設(shè)計(jì)。有線通信程序的功能是：通過(guò)RS485主從通信方式，由主控制器發(fā)出命令對(duì)全部或單個(gè)分控制器所控制的照明燈實(shí)現(xiàn)開啟、關(guān)閉、燈光亮度調(diào)節(jié)、定時(shí)控制等功能。無(wú)線數(shù)傳程序設(shè)計(jì)的功能是：通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)照明燈的無(wú)線遙控，同樣實(shí)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(jī)，有線通信，無(wú)線數(shù)傳，燈光亮度控制，定時(shí)控制TheControlSystemforLightingBasedonSingle–chipMicrocomputerAbstractWiththerapiddevelopmentofelectronictechnology,thesystemofcontrolbasedonSingle-chipMicrocomputeriswidelyappliedinindustry,agriculture,electricpower,electron,intelligentbuildingandsoon.Microcomputer,asthesubjectandcoreoftheembeddedsystemofcontrol,replacesthetraditionalsystem—electroniccircuit.Atthesametime,thedevelopmentandmaturationoftheintelligentbuildinghaveestablishedthesubstantialfoundationforthepopularizationandapplicationofthecontrolsystemforlightingbasedonsingle-chipmicrocomputer.Thepaperexpatiatesonthedesigningtheoriesandimplementationmethodofthecontrolsystemforlightingbywiredorwirelesscommunications.Takingthedesigningprocessasmainline,itdescribestheprocessofdesigningfromtworespects—hardwareandsoftware.Inanotherword,thepaperdescribestheprocessfromthemethodofcircuitdesigningtothesoftwaretechnologyofrealizingthedemandedfunctions.ThehostcontrollerofthecontrolsystemforlightingisbasedonAT89C51single-chipmicrocomputer,andtheauxiliaryonesarebasedonAT89C2051.Thesystemcandomanyjobs,suchaswiredcommunication,wirelessdatatransmitting,controllinganddisplay.Thepaperdescribesthedesigningprocessofthecircuitatlength,including:keyboardandLEDdisplaycircuit,RS485communicationcircuit,wirelesstransmittingcircuit,controlcircuitoflighting,watchdogcircuit,etc.Thedesigningofsoftwaremainlyincludestheseveralprogramming,suchaswiredcommunication,wirelessdatatransmitting,lamplightcontrolling,timedcontrolling,keyboardscanningandLEDdisplaying.ThewiredcommunicationprogrammingfunctionisthatthroughMaster-slavecommunicationmethodbasedonRS485thehostcontrollersendsorderstotheallauxiliarycontrollersoreachone,including:turningonlighting,turningofflighting,regulatingbrightnessoflighting,controllingtimedlighting,etc.Thewirelessdatatransmittingprogrammingfunctionisthatbywirelesstransmitteritrealizeswirelesscontrollingofthelighting,andachievesthefunctionsidenticaltowiredcommunication.KeyWords:Hostcontroller,Auxiliarycontroller,Single-chipmicrocomputer,Wiredcommunication,Wirelessdatatransmitting,controllingbrightnessoflighting,Timedcontrolling目錄摘要·····················································1Abstract··················································2序言·······················································61.1單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)···················································61.2有線通信技術(shù)···················································71.3無(wú)線數(shù)傳技術(shù)···················································71.4本章小結(jié)···················································8基于單片機(jī)的照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架和性能························92.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)···················································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基于單片機(jī)的照明控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)·······················133.1主控制器的電路設(shè)計(jì)············································13鍵盤的接口設(shè)計(jì)···················································14LED數(shù)碼顯示的接口設(shè)計(jì)···········································14看門狗監(jiān)控電路的設(shè)計(jì)··················································143.2分控制器的電路設(shè)計(jì)·················································15時(shí)鐘芯片的接口設(shè)計(jì)··············································16零點(diǎn)檢測(cè)與可控硅控制電路的設(shè)計(jì)·····························163.3RS485通信電路的設(shè)計(jì)···········································173.4無(wú)線數(shù)傳電路的設(shè)計(jì)···············································20無(wú)線數(shù)傳電路的連接···········································20SRWF-1模塊的特性·······································203.5本章小結(jié)···················································21第四章基于單片機(jī)的照明控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)······························224.1人機(jī)交互程序設(shè)計(jì)··········································22鍵盤掃描程序設(shè)計(jì)········································23LED數(shù)碼顯示程序設(shè)計(jì)·············································254.2照明啟停控制程序設(shè)計(jì)·············································26全部啟?？刂瞥绦蛟O(shè)計(jì)············································26單獨(dú)啟停控制程序設(shè)計(jì)···············································284.3照明亮度控制程序設(shè)計(jì)···············································30全部亮度控制程序設(shè)計(jì)···············································30單獨(dú)亮度控制程序設(shè)計(jì)···············································324.4照明定時(shí)控制程序設(shè)計(jì)···················································33全部定時(shí)控制程序設(shè)計(jì)···················································33單獨(dú)定時(shí)控制程序設(shè)計(jì)···················································344.5RS485通信程序設(shè)計(jì)···················································35主機(jī)部分通信程序設(shè)計(jì)···················································37從機(jī)部分通信程序設(shè)計(jì)···················································374.6無(wú)線數(shù)傳通信程序設(shè)計(jì)···················································394.7本章小結(jié)···················································39第五章實(shí)驗(yàn)及總結(jié)···················································40致謝···························································41參考文獻(xiàn)···························································42附錄···························································43第一章序言近十幾年來(lái)，隨著我國(guó)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?jī)蓚€(gè)方面均有顯著的變化與提高，特別是隨著人民生活水平進(jìn)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(gè)性化、安全、節(jié)能等方面日見突出。樓宇中人工光環(huán)境對(duì)于滿足人們的生活、學(xué)習(xí)、娛樂(lè)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(guò)手動(dòng)開關(guān)來(lái)控制照明燈具的通斷，或通過(guò)回路中串入接觸器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。而今出現(xiàn)的樓宇自控系統(tǒng)，是以電氣觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制、定時(shí)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(dú)立，同時(shí)控制功能簡(jiǎn)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(shí)，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(dú)立系統(tǒng)，從而能節(jié)約能源、延長(zhǎng)燈具壽命、提高照明質(zhì)量。根據(jù)使用客戶的經(jīng)驗(yàn)，不僅使照明管理與設(shè)備維修簡(jiǎn)單及降低費(fèi)用外，還對(duì)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(jī)為控制器的核心，其中上位機(jī)是以AT89C51為基礎(chǔ)，下位機(jī)是以AT89C2051為基礎(chǔ)，再連接外圍電路，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線RS485通信方式實(shí)現(xiàn)照明燈具的智能控制，也可以通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，從而達(dá)到照明燈具的智能控制。1單片機(jī)的應(yīng)用技術(shù)電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，促進(jìn)微型計(jì)算機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，單片機(jī)（單片微型計(jì)算機(jī)）的應(yīng)用已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門和領(lǐng)域，它起到了越來(lái)越重要的作用。單片微型計(jì)算機(jī)就是將中央處理單元、存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)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(jì)算機(jī)。因此一塊芯片就構(gòu)成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。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(jì)算機(jī)。單片機(jī)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(jī)系統(tǒng)的實(shí)體與裝置，通常由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)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(yùn)算器和控制器一般做在一個(gè)集成芯片上，統(tǒng)稱中央處理單元（CentralProcessingUnit），簡(jiǎn)稱CPU，是微機(jī)的核心部件。CPU配上存放程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器、輸入/輸出（Input/Output，簡(jiǎn)稱I/O）接口電路以及外部設(shè)備即構(gòu)成單片機(jī)的硬件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)是微機(jī)系統(tǒng)所使用的各種程序的總稱，人們通過(guò)它對(duì)微機(jī)進(jìn)行控制并與微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，使微機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)，兩者相輔相成，缺一不可。1．2有線通信技術(shù)在數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)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(lái)達(dá)到遠(yuǎn)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(lái)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(lái)說(shuō)，RS-232、RS-422與RS-485最初都是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)（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(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)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(duì)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?yàn)镽S-485的遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)（32個(gè)）、可以自行定義協(xié)議以及傳輸線成本低的特性，使得EIARS-485成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)。3無(wú)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(wú)線傳輸方式所取代。無(wú)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(shí)，相應(yīng)的基于無(wú)線數(shù)字傳輸?shù)漠a(chǎn)品也隨處可見。無(wú)線數(shù)字傳輸系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)便、使用效率高，可應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例如，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)線數(shù)據(jù)采集、無(wú)線抄表、工業(yè)遙控、樓宇自動(dòng)化、高檔玩具等等。無(wú)線數(shù)傳技術(shù)是通過(guò)單片機(jī)的串口與無(wú)線數(shù)傳模塊連接，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)由無(wú)線數(shù)傳模塊向空中發(fā)出，然后由另一個(gè)終端設(shè)備的無(wú)線數(shù)傳模塊從空中接收數(shù)據(jù)，這樣就實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的任務(wù)。1．4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(lái)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(jī)應(yīng)用技術(shù)、有線通信技術(shù)和無(wú)線數(shù)傳技術(shù)。在這里主要對(duì)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(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述。第二章基于單片機(jī)的照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架與性能2．1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)。硬件設(shè)計(jì)部分包括電路原理圖、合理選擇元器件、繪制線路圖，然后對(duì)硬件進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。軟件設(shè)計(jì)部分，首先在總體設(shè)計(jì)中完成系統(tǒng)總框圖和各模塊的功能設(shè)計(jì)，擬定詳細(xì)的工作計(jì)劃；然后進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，包括各模塊的流程圖，選擇合適的編程語(yǔ)言和工具，進(jìn)行代碼設(shè)計(jì)等；最后是對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試，達(dá)到所需功能要求。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)方法的選用是系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)方法，該方法保證設(shè)計(jì)電路的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。硬件電路的設(shè)計(jì)最重要的選擇用于控制的單片機(jī)，并確定與之配套的外圍芯片，使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)既經(jīng)濟(jì)又高性能。硬件電路設(shè)計(jì)還包括輸入輸出接口設(shè)計(jì)，畫出詳細(xì)電路圖，標(biāo)出芯片的型號(hào)、器件參數(shù)值，根據(jù)電路圖在仿真機(jī)上進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不當(dāng)及時(shí)修改，最終達(dá)到設(shè)計(jì)目的。軟件設(shè)計(jì)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(jī)，因此使用KeilC語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。此編程工具相比匯編語(yǔ)言具有結(jié)構(gòu)化、適用范圍大、可移植性好等特點(diǎn)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，先編寫各個(gè)功能模塊子程序，然后進(jìn)行組合與調(diào)整，經(jīng)過(guò)調(diào)試后，達(dá)到設(shè)計(jì)功能要求。2．2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(jī)系統(tǒng)；（2）下位機(jī)系統(tǒng)；（3）通信系統(tǒng)。這三部分共同完成了主控制器通過(guò)有線、無(wú)線通信方式與分控制器進(jìn)行信息交換，達(dá)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(jī)通信系統(tǒng)采用RS-485半雙工主從式通信系統(tǒng)，主機(jī)可以發(fā)送數(shù)據(jù)或命令到從機(jī)，從機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)分布的照明燈具進(jìn)行控制，用中斷的方式接收主機(jī)發(fā)來(lái)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(wú)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(duì)照明燈具的控制。圖2.2無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的主控制器通過(guò)RS-485總線或無(wú)線數(shù)傳模塊將數(shù)據(jù)或命令發(fā)送給分控制器，同時(shí)將信息送給數(shù)碼顯示單元進(jìn)行顯示，并有看門狗電路對(duì)運(yùn)行程序進(jìn)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(lái)的數(shù)據(jù)和命令，通過(guò)可控硅電路對(duì)照明燈具進(jìn)行開關(guān)、亮度控制，并且利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片對(duì)照明燈具進(jìn)行定時(shí)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(jī)的控制之下完成數(shù)據(jù)的通信、顯示，同時(shí)能夠控制照明燈具，其硬件電路只是系統(tǒng)的實(shí)施工具，大量的工作是由軟件來(lái)完成的。這些程序是系統(tǒng)的靈魂，是負(fù)責(zé)完成硬件電路實(shí)現(xiàn)功能和與用戶交互的橋梁，是維護(hù)系統(tǒng)正常工作的工具。3系統(tǒng)性能指標(biāo)及技術(shù)要求（1）照明啟?？刂葡到y(tǒng)①全開②全關(guān)③單獨(dú)開④單獨(dú)關(guān)（2）照明亮度控制系統(tǒng)①全部亮度調(diào)節(jié)②單獨(dú)亮度調(diào)節(jié)（3）定時(shí)控制系統(tǒng)①對(duì)全部照明燈進(jìn)行定時(shí)控制②對(duì)每個(gè)照明燈進(jìn)行定時(shí)控制2．4本章小結(jié)本章主要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)、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(duì)所研究的照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架和性能進(jìn)行了闡述，該系統(tǒng)由一個(gè)主控制器與若干個(gè)分控制器組成，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dá)到所要求的性能指標(biāo)。第三章基于單片機(jī)的照明控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)1主控制器的電路設(shè)計(jì)主控制器采用AT89C51單片機(jī)作為微處理器，AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4Kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)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)的硬件電路原理圖鍵盤的接口設(shè)計(jì)鍵盤的結(jié)構(gòu)形式有兩種，即獨(dú)立式按鍵和矩陣式鍵盤。本系統(tǒng)使用的是4×4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(shí)、確認(rèn)。該形式的鍵盤，每個(gè)按鍵開關(guān)位于行列的交叉處，采用逐行掃描的方法識(shí)別鍵碼。矩陣鍵盤的列線從左到右分別與單片機(jī)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(gè)鍵時(shí)，對(duì)應(yīng)的行線與列線就會(huì)連通，這樣單片機(jī)就能檢測(cè)出信號(hào)，并通過(guò)鍵盤掃描程序?qū)︽I盤進(jìn)行掃描，以識(shí)別被按鍵的行、列位置。LED數(shù)碼顯示的接口設(shè)計(jì)數(shù)碼顯示與驅(qū)動(dòng)電路由74LS138譯碼器、7447TTLBCD-7段高有效譯碼器/驅(qū)動(dòng)器、4個(gè)數(shù)碼管以及5個(gè)A1015三極管組成。由單片機(jī)的P0.0～P0.3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(diǎn)亮數(shù)碼管相應(yīng)的段。單片機(jī)的P0.4、P0.5口輸出的信號(hào)經(jīng)74LS138譯碼器后產(chǎn)生的高電平信號(hào)加在A1015三極管的基極，控制三極管的導(dǎo)通，從而起到對(duì)相應(yīng)數(shù)碼管的選通作用。4個(gè)7段數(shù)碼管都被接成共陽(yáng)極方式?？撮T狗監(jiān)控電路的設(shè)計(jì)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(guò)一個(gè)二極管連接起來(lái)，WDI接單片機(jī)的P2.7口，RESET接單片機(jī)的復(fù)位輸入腳RESET，MR經(jīng)過(guò)一個(gè)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(shí)，當(dāng)電源電壓超過(guò)復(fù)位門限電壓4.65V，RESET端輸出200ms的復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)復(fù)位。（2）對(duì)+5V電源進(jìn)行監(jiān)視：當(dāng)+5V電源正常時(shí)，RESET為低電平，單片機(jī)正常工作；當(dāng)+5V電源電壓降至+4.65V以下時(shí)，RESET輸出高電平，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。（3）看門狗定時(shí)器被清零，WDO維持高電平；當(dāng)程序跑飛或死機(jī)時(shí)，CPU不能在1．6s內(nèi)給出“喂狗”信號(hào)，WDO跳變?yōu)榈碗娖?，由于MR端有一個(gè)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(jī)復(fù)位，看門狗定時(shí)器清零，WDO又恢復(fù)成高電平。（4）手動(dòng)復(fù)位：如果需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，只要按下手動(dòng)復(fù)位按鈕，就能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的復(fù)位。3.2分控制器的電路設(shè)計(jì)分控制器采用低檔型的AT89C2051單片機(jī)作為微處理器，AT89C2051也是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含2Kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jī)具有體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比較高等特點(diǎn)。分控制器系統(tǒng)的外圍接口電路由晶振、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、可控硅控制電路、零點(diǎn)檢測(cè)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)的硬件電路原理圖時(shí)鐘芯片的接口設(shè)計(jì)本系統(tǒng)利用單片機(jī)89C2051和時(shí)鐘芯片DS1302進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信，讀取和寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用于定時(shí)控制照明燈具的啟停。DS1302是美國(guó)Dallas公司推出的一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小于31日時(shí)可自動(dòng)調(diào)整。DS1302與單片機(jī)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(shí)，選中該芯片，可對(duì)其進(jìn)行操作。串行數(shù)據(jù)線I/O與串行時(shí)鐘線SCLK分別接在P1.5和P1.6上，所有的單片機(jī)地址、命令及數(shù)據(jù)均通過(guò)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(shí)鐘脈沖、尋址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)等，而從器件則相應(yīng)接收數(shù)據(jù)、送出數(shù)據(jù)。對(duì)DS1302的每一次讀寫需16個(gè)時(shí)鐘脈沖，前8個(gè)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(shí)向芯片寫入數(shù)據(jù)，為1時(shí)從芯片讀出數(shù)據(jù)；位6～位1選定芯片中的地址。后8個(gè)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(yùn)用方式下VCC2連接到備份電源，以便在沒(méi)有主電源的情況下能保存時(shí)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(shí)，VCC1給DS1302供電。當(dāng)VCC1小于VCC2時(shí)，DS1302由VCC2供電。零點(diǎn)檢測(cè)與可控硅控制電路的設(shè)計(jì)這部分電路的設(shè)計(jì)采用單片機(jī)的I/O口灌電流的方法控制可控硅實(shí)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(dòng)器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)、弱電的隔離。光電耦合器M0C3021通過(guò)一個(gè)非門與89C2051的P3.7口連接，當(dāng)此腳輸出高電平時(shí)，將會(huì)封鎖住MOC3021，使雙向可控硅BT131不導(dǎo)通，這樣就會(huì)使照明燈關(guān)閉；當(dāng)P3.7腳輸出低電平時(shí)，使光電耦合器MOC3021打開驅(qū)動(dòng)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(duì)于照明燈的亮度調(diào)節(jié)，這里采用PWM（PulseWidthModulation）方式,即脈沖寬度調(diào)制的簡(jiǎn)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(hào)，當(dāng)輸出脈沖周期一定時(shí)，輸出脈沖的占空比越大相對(duì)應(yīng)的輸出有效電壓越大。在一個(gè)周期內(nèi)的脈沖寬度（導(dǎo)通時(shí)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=VCC×T1/T=αVCC其中α=T1/T（正脈沖的持續(xù)時(shí)間與脈沖周期的比值）稱為占空比，α的變化范圍為0≤α≤1，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α的大小，改變?chǔ)恋拇笮【涂梢愿淖冚敵鲭妷旱钠骄?，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(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比來(lái)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α=1時(shí)，燈泡的亮度最高。由于89C2051單片機(jī)沒(méi)有PWM信號(hào)輸出功能，所以在這里采用單片機(jī)定時(shí)器配合軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的輸出。使用PWM方法進(jìn)行可控硅控制時(shí)，調(diào)制頻率不能低于市電頻率，因?yàn)楫?dāng)頻率低于50Hz時(shí)，超過(guò)了人眼視覺(jué)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(dá)到調(diào)壓的目的，因此必須使用過(guò)零檢測(cè)作為觸發(fā)可控硅的基點(diǎn)。在本系統(tǒng)中所使用的過(guò)零檢測(cè)電路如圖3.2所示，先由一個(gè)變壓器將市電電壓轉(zhuǎn)換成10V左右的電壓，經(jīng)過(guò)整流、穩(wěn)壓后可作為系統(tǒng)工作電源，同時(shí)將變壓器次級(jí)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(cè)交流電的過(guò)零點(diǎn)，然后將過(guò)零信號(hào)送給單片機(jī)的P1.3口上。當(dāng)檢測(cè)到交流電的過(guò)零點(diǎn)時(shí)，就去觸發(fā)雙向可控硅，同時(shí)通過(guò)PWM信號(hào)的輸出控制雙向可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，最終達(dá)到控制燈泡亮度的目的。3.3RS485通信電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的有線通信方式采用RS485總線進(jìn)行通信，RS485標(biāo)準(zhǔn)支持半雙工通信，只需三根線就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，同時(shí)具有抑制共模干擾的能力，接收靈敏度可達(dá)±200mV，大大提高了通信距離，在100Kbps速率下通信距離可達(dá)1200m，如果通信距離縮短，最大速率可達(dá)10Mbps。在這里使用的是主從式通信方式，主機(jī)由主控制器充當(dāng)，從機(jī)為分控制器。主機(jī)處于主導(dǎo)和支配地位，從機(jī)以中斷方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，主機(jī)發(fā)送的信息可以傳送到所有的從機(jī)或指定的從機(jī)，從機(jī)發(fā)送的信息只能為主機(jī)接收，從機(jī)之間不能直接通信。主機(jī)與從機(jī)的通信電路圖分別如圖3.4與圖3.5所示。圖3.4主機(jī)通信電路圖圖3.5從機(jī)通信電路圖主機(jī)與從機(jī)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RS485通信的低功率收發(fā)器件，采用單一電源+5V工作，額定電流為300μA，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(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)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(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE端為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可，主機(jī)與從機(jī)分別使用P2.6與P1.0腳進(jìn)行控制；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端,當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在進(jìn)行通信時(shí)只需要一個(gè)信號(hào)控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時(shí)將A和B端之間加匹配電阻，這里選用120Ω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(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行光電隔離。從機(jī)使用單片機(jī)的P1.0控制通信收發(fā)器MAX485的工作狀態(tài)，平時(shí)置P1.0為低電平，使從機(jī)串行口處于偵聽狀態(tài)。當(dāng)有串行中斷產(chǎn)生時(shí)判別是否是本機(jī)號(hào)，若為本機(jī)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(jī)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(wú)線數(shù)傳電路的設(shè)計(jì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸需要通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)選用的是上海桑銳電子科技生產(chǎn)的SRWF-1型微功率無(wú)線數(shù)傳模塊。該模塊的通信信道是半雙工的，最適合點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式。單片機(jī)與無(wú)線數(shù)傳模塊之間可以進(jìn)行信息的傳送與回饋，即所謂的雙向通信。無(wú)線數(shù)傳電路的連接主控制器與分控制器各使用一個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊，形成發(fā)送與接收的無(wú)線通信通道。模塊的數(shù)據(jù)輸入和輸出端與單片機(jī)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(jī)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(jī)的串行數(shù)據(jù)輸出端TXD連接。單片機(jī)與無(wú)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(jī)與無(wú)線數(shù)傳模塊的連接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(wú)需申請(qǐng)頻點(diǎn)。

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(wú)線通信協(xié)議，在信道誤碼率為10-2時(shí)，可得到實(shí)際誤碼率10-5～10-6。（4）完善的通訊協(xié)議。（5）傳輸距離遠(yuǎn)。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(dòng)過(guò)濾掉空中產(chǎn)生的噪音信號(hào)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(gè)信道，根據(jù)用戶需要，可擴(kuò)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(wú)線傳輸速率與接口波特率成正比，以滿足客戶設(shè)備對(duì)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(gè)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(wú)線通訊和大的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

可1次傳輸無(wú)限長(zhǎng)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(wú)需編制多余的程序

。即使是半雙工通信，用戶也無(wú)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(dòng)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(shí)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(shí)間。

可設(shè)置的接口等待時(shí)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(shí)時(shí)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。

3．5本章小結(jié)本章詳細(xì)地闡述了系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)過(guò)程，從系統(tǒng)主控制器的硬件電路設(shè)計(jì)到分控制器的硬件電路設(shè)計(jì)，然后是RS485通信電路設(shè)計(jì)與無(wú)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(jī)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(wú)線數(shù)傳接口以及晶振等。分控制器的外圍電路主要有時(shí)鐘芯片接口、零點(diǎn)檢測(cè)電路、可控硅控制電路、RS485通信電路、無(wú)線數(shù)傳電路以及看門狗與晶振等。主控制器通過(guò)串口使用RS485通信方式或者無(wú)線數(shù)傳方式向分控制器發(fā)出信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈的啟停、亮度調(diào)節(jié)、定時(shí)控制等功能。第四章基于單片機(jī)的照明控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈魂，沒(méi)有軟件計(jì)算機(jī)不能充分發(fā)揮其功能，這是軟件在計(jì)算機(jī)中的地位，而在計(jì)算機(jī)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(lái)定義的，如系統(tǒng)要控制分布的照明燈具，通過(guò)有線與無(wú)線串行通信程序來(lái)完成控制功能，通過(guò)軟件定義鍵盤功能，通過(guò)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(gè)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?、照明亮度控制程序、照明定時(shí)控制程序、人機(jī)交互程序以及RS485串行通信與無(wú)線數(shù)傳通信程序等。本著軟件設(shè)計(jì)的基本方法，照明控制程序的軟件設(shè)計(jì)方法是利用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化分析與設(shè)計(jì)方法來(lái)完成的。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法雖然是早期的程序設(shè)計(jì)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(jì)貫穿整個(gè)軟件設(shè)計(jì)過(guò)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)圖人機(jī)交互程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的人機(jī)交互程序設(shè)計(jì)，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(lái)輸入指令，發(fā)光數(shù)碼管用來(lái)顯示單片機(jī)的狀態(tài)，這是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的人機(jī)交互形式。鍵盤掃描程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的鍵盤采用的是4×4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(diǎn)上。一個(gè)4×4的行、列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個(gè)含有16個(gè)按鍵的鍵盤，顯然，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，矩陣式鍵盤較之獨(dú)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(jìn)行鍵盤掃描時(shí)，首先把矩陣鍵盤列線的第一根線置高，然后分別再檢測(cè)矩陣鍵盤行線是否有高電平的信號(hào)，如果有信號(hào)，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(jī)就讀入這個(gè)鍵值。如果所有的四根行線都沒(méi)有信號(hào)，那么就把第一根列線置低，把第二根列線置高