智能家居照明控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

-z.3智能家居照明控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)家居照明控制系統(tǒng)的智能化主要表達(dá)在兩大功能模塊上，一個(gè)是智能調(diào)光裝置，另一個(gè)就是光照度的檢測(cè)、顯示及補(bǔ)償裝置。下面主要就這兩方面來介紹智能照明系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，但這里要特殊申明的是，由于各種原因在硬件的具體制作與實(shí)驗(yàn)方面，本人只制作了照度檢測(cè)、顯示及補(bǔ)償?shù)难菔狙b置。3.1主要元器件的選取控制器的選擇硬件設(shè)計(jì)過程中控制器是系統(tǒng)的核心局部，它能夠控制系統(tǒng)的信號(hào)的采集及處理功能，它的性能的好壞決定著系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗與否，因此，必須對(duì)主控制器從功能和應(yīng)用性能進(jìn)展選擇?？蛇x用控制器主要有可編程控制器(PLC)、單片機(jī)兩類，它們各有自己的有缺點(diǎn)?？删幊炭刂破鳌睵LC)是專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，、用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入、輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。它的主要功能是邏輯控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、步進(jìn)控制、PID控制、數(shù)據(jù)控制、通信和聯(lián)網(wǎng)等。因此它的抗干擾能力強(qiáng)，工作可靠，但其無法讀取外部存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。而本文智能家居照明控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)照明的人性化管理，也就是根據(jù)人的控制輸入出現(xiàn)相應(yīng)的照明場(chǎng)景和自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)控制輸出相結(jié)合，具備很大的靈活性。方便修改相應(yīng)的場(chǎng)景參數(shù)，易于功能擴(kuò)展，還可以與PC機(jī)以及與其它單片機(jī)進(jìn)展通信。由于單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機(jī)。而單片機(jī)的設(shè)計(jì)在滿足大多數(shù)測(cè)控參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)處理速度和數(shù)據(jù)容量相對(duì)要求不高的前提下，大力開展了其控制功能和控制運(yùn)行的可靠性，因而更適合于檢測(cè)、控制型應(yīng)用場(chǎng)合。本系統(tǒng)并不需要進(jìn)展復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的計(jì)算工作，數(shù)據(jù)容量也不多，非常適合使用單片機(jī)作為本系統(tǒng)的微處理器。而在單片機(jī)家族的眾多成員中，AT89系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價(jià)格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測(cè)控和自動(dòng)化工程應(yīng)用的主要市場(chǎng)，成為國內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。目前，可用于AT89系列單片機(jī)開發(fā)的硬件越來越多，與其配套的各類開發(fā)系統(tǒng)、各種軟件也日趨完善，因此，可以極方便地利用現(xiàn)有資源，開發(fā)出用于不同目的的各類應(yīng)用系統(tǒng)。由于AT89S51單片機(jī)是在8031的根底上推出的增強(qiáng)型產(chǎn)品，并提高了芯片的集成度，因此在性能上大為提高，增加了多種片內(nèi)硬件功能，并擴(kuò)展了功能單元的種類和數(shù)量。通過以上分析，最終選擇AT89S51作為本系統(tǒng)的主控器。顯示器件的選擇顯示主要有LCD顯示和LED顯示兩種。液晶顯示器(LCD)是一種低功耗的顯示器件，在袖珍式儀表或低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。液晶顯示器有標(biāo)準(zhǔn)段式液晶顯示器、字符點(diǎn)陣液晶顯示器和全點(diǎn)陣圖形液晶顯示器三種。液晶本身并不發(fā)光，而是借助自然光或外來光源顯示數(shù)碼，它的優(yōu)點(diǎn)是工作電壓低，耗電極省、本錢低。LED顯示器是由發(fā)光二極管顯示字段組成的顯示器，有7段和“米〞字段之分。這種顯示器有共陰極和共陽極兩種。顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。靜態(tài)顯示是使需要顯示的字符的各字段連續(xù)通以電流，因而所顯示的字段連續(xù)發(fā)光。動(dòng)態(tài)顯示是使所需要顯示的各字段斷續(xù)通以電流，因而其發(fā)光是不連續(xù)的。對(duì)于本系統(tǒng)考慮本錢及需求等方面，選擇LED數(shù)碼管顯示。光照度檢測(cè)元件的選擇光敏電阻在特定波長(zhǎng)的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器，又稱為光電導(dǎo)探測(cè)器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻器對(duì)光的敏感性〔即光譜特性〕與人眼對(duì)可見光〔0.4~0.76〕μm的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會(huì)引起它的阻值變化。baike.baidu./link?url=g4V__kyZ0Ounwp_B*Rktav6_ZEKHGJQNBi8NJzy-v4jmtOtydMZ_y3gLlhenuYeb光照度檢測(cè)元件有光敏電阻、光敏三極管、光敏二極管等三種光敏元件。使用光敏電阻作為光照度的檢測(cè)元件，光敏電阻器由能透光的半導(dǎo)體光電晶體構(gòu)成，因半導(dǎo)體光電晶體成分不同，又分為可見光光敏電阻、紅外光光敏電阻、和紫外光光敏電阻。當(dāng)敏感波長(zhǎng)的光照半導(dǎo)體光電晶體外表，晶體內(nèi)載流子增加，使其電導(dǎo)率增加〔即電阻減小〕。值得注意的是，光敏電阻的光照特性〔隨光照強(qiáng)度變化的特性〕、溫度系數(shù)〔隨溫度變化的特性〕、伏安特性線性度不好，所以選擇光敏電阻作為本次實(shí)驗(yàn)的光照度檢測(cè)元件不是很適合。使用光敏三極管作為光照度的檢測(cè)元件，光敏三極管和普通三極管的構(gòu)造相類似。不同之處是光敏三極管必須有一個(gè)對(duì)光敏感的PN結(jié)作為感光面，一般用集電結(jié)作為受光結(jié)，因此，光敏三極管實(shí)質(zhì)上是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光敏二極管的普通三極管。當(dāng)人射光子在基區(qū)及集電區(qū)被吸收而產(chǎn)生電子一空穴對(duì)時(shí)，便形成光生電壓。由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個(gè)放大了β倍的信號(hào)電流。因此，光敏三極管是一種相當(dāng)干將基極、集電極光敏二極管的電流加以放大的普通晶體管放大。但構(gòu)造原因使結(jié)電容加大，響應(yīng)特性變壞。所以選擇光敏電阻作為本次實(shí)驗(yàn)的光照度檢測(cè)元件也不適宜。使用光敏二極管作為光照度的檢測(cè)元件，光敏二極管是利用半導(dǎo)體材料的光特性實(shí)現(xiàn)二極管的開關(guān)功能，光敏二極管和普通二極管相比雖然都屬于單向?qū)щ姷姆蔷€性半導(dǎo)體器件，但在構(gòu)造上有其特殊的地方。光敏二極管使用時(shí)要反向接入電路中，即正極接電源負(fù)極，負(fù)極接電源正極。根據(jù)PN結(jié)反向特性可知，在一定反向電壓范圍內(nèi)，反向電流很小且處于飽和狀態(tài)。此時(shí)，如果無光照射PN結(jié)，則因本征激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量有限，反向飽和電流保持不變，在光敏二極管中稱為暗電流。當(dāng)有光照射PN結(jié)時(shí)，結(jié)內(nèi)將產(chǎn)生附加的大量電子空穴對(duì)〔稱之為光生載流子〕，使流過PN結(jié)的電流隨著光照強(qiáng)度的增加而劇增，此時(shí)的反向電流稱為光電流。不同波長(zhǎng)的光〔藍(lán)光、紅光、紅外光〕在光敏二極管不同區(qū)域被吸收形成光電流。光敏二極管和光敏三極管是光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體器件，與光敏電阻器相比具有靈敏度高、高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。正因?yàn)檫@些特點(diǎn)本系統(tǒng)主要選擇光敏二極管作為光照度檢測(cè)元件。3.2電源電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要采用＋-12V電源和+5V電源，電路圖如圖3-1所示：圖3-1電源電路3.3主控制電路設(shè)計(jì)baike.baidu./link?url=fh3*bmSnq6zc*CUSehb7pkm7fNAP7t-bYiE3o_LrvR590L3oTTAcqoD1hoY9G6mChO6nHdB5aY*A6Qg0hpF-I_AT89S51的RST引腳為復(fù)位引腳，只要在RST引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位。本設(shè)計(jì)采用的是按鍵復(fù)位，如圖3-2所示，當(dāng)按下按鍵后，電容被短路，RST引腳就處于高電平，就可以到達(dá)復(fù)位的目的。圖3-2復(fù)位電路AT89S51單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘信號(hào)比擬穩(wěn)定。在引腳*TAL1和*TAL2外接晶體振蕩器(簡(jiǎn)稱晶振)，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如下列圖3-3所示。圖中，兩個(gè)電容起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一般在20-30pF。晶振頻率的典型值為6MHz或12MHz，設(shè)計(jì)中電容取30pF，晶振為12MHz。圖3-3晶振電路本設(shè)計(jì)中單片機(jī)的各管腳的控制功能闡述如下：P0口是一組雙向I/O端口，它分時(shí)提供低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)中P0.0～P0.7接上發(fā)光二極管后與八個(gè)上拉電阻相連，用于模擬照度補(bǔ)償。P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。本設(shè)計(jì)中P1口與兩個(gè)LED數(shù)碼管相接，構(gòu)成光照度顯示局部。圖3-4主控制電路⑶P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。設(shè)計(jì)中，P2.2-P2.4用于外接A/D轉(zhuǎn)換芯片,P2.0和P2.1用于三極管的驅(qū)動(dòng)，P2.5用于采用PWM方式調(diào)光，P2.6和P2.7用于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)切換及手動(dòng)調(diào)光功能。⑷P3口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在整個(gè)系統(tǒng)中，這8個(gè)引腳還具有專門的第二功能。本設(shè)計(jì)中用到P3.0和P3.1作為串口輸出，R*D與T*D與電平轉(zhuǎn)換芯片MA*232相連，信號(hào)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后在PC機(jī)連接，通過光照度監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)光照度進(jìn)展計(jì)算機(jī)監(jiān)控。具體見上圖3-4所示。3.4數(shù)據(jù)采集及處理電路數(shù)據(jù)采集電路本設(shè)計(jì)中選擇光敏二極管作為光照檢測(cè)元件，具體電路如圖3-5所示：由圖可知，為了將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，這里采用了反相比例運(yùn)算。即或(3-1)其中：——輸出電壓；——光敏二極管的光電流；——反響電阻，這里()。假設(shè)標(biāo)定好光敏二極管的輸出電流是每一百勒克斯為0.55μA，此時(shí)假設(shè)運(yùn)算放大器〔OP07〕的反響電阻取為180kΩ，則就可以得到1mA/l*的靈敏度，對(duì)于靈敏度的分散性，可以用電位器R3進(jìn)展調(diào)整。圖中的電容的作用是將電燈光的明暗閃爍進(jìn)展平均，使得輸出不產(chǎn)生閃爍的現(xiàn)象，每l*的光產(chǎn)生的輸入電流為：〔3-2〕此時(shí)：〔3-3〕即每l*的光就可以得到1mV的輸出電壓。圖3-5數(shù)據(jù)采集電路D轉(zhuǎn)換電路baike.baidu./view/2412671.htm?fr=wordsearch模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0832，接收經(jīng)過運(yùn)算放大器處理后的光照度的檢測(cè)值，經(jīng)過ADC0832處理后送單片機(jī)進(jìn)展數(shù)據(jù)處理。ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性強(qiáng)，目前已經(jīng)有很高的普及率。ADC0832具有一下特點(diǎn)：8位分辨率；雙通道A/D轉(zhuǎn)換；輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；5V電源供電時(shí)輸入電壓在0～5V之間；工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32uS；一般功耗僅為15mV；8P、14P—DIP(雙列直插)、PICC多種封裝；商用級(jí)芯片溫寬為0～+70，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為-40～+85。其封裝圖如下列圖3-6所示:18182ADC083273645圖3-6ADC0832封裝圖芯片接口說明：片選使能，低電平芯片使能；CH0輸入通道0，或作為IN+/-使用；CH1模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用；GND芯片參考0電位；DI數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制；DO數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出；CLK芯片時(shí)鐘輸入；VCC電源輸入及參考電壓輸入〔復(fù)用〕。芯片時(shí)序說明：如下列圖3-7所示：圖3-7ADC0832芯片時(shí)序圖ADC0832與單片機(jī)的接口電路及原理：ADC0832的2腳與光照度傳感器的輸出電壓相接，采用0通道輸入，口與P2.4口相連，用于控制ADC0831的片選信號(hào)，低電平有效，7腳的CLK接在P2.3口，通過單片機(jī)為ADC0831輸入時(shí)鐘信號(hào)，5腳的DI選擇通道控制與P2.5相連，6腳的串行口輸出與P2.2相連，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過P2.2口輸入單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)展處理。如圖3-8所示：圖3-8ADC0832與單片機(jī)的接口電路當(dāng)ADC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平并且保持電平到轉(zhuǎn)換完全完畢。此時(shí)芯片開場(chǎng)轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由單片機(jī)向芯片時(shí)鐘輸入端CLK輸入時(shí)鐘脈沖，使用DI端輸入通道功能選擇數(shù)據(jù)信號(hào)。在第一個(gè)脈沖的下降沿之前DI端必須是高電平，表示啟動(dòng)信號(hào)。在第2、3個(gè)脈沖下降沿之前DI端輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能，其功能項(xiàng)見表3.1所示：表3.1通道選擇表MU*AddressChannel#SGL/DIFODD/SIGN0110+11+本設(shè)計(jì)中只需要對(duì)CH0進(jìn)展單通道轉(zhuǎn)換，如上表所示需要將2位數(shù)據(jù)置為“1〞、“0〞即可。到第3個(gè)脈沖的下降沿之后DI端的輸入電平就失去輸入作用，此后DI端則開場(chǎng)利用數(shù)據(jù)輸出DO進(jìn)展轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個(gè)脈沖下降沿開場(chǎng)DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位DATA7，隨后每一個(gè)脈沖下降沿DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù)DATA0，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)志著一次A/D轉(zhuǎn)換的完畢。最后將CS置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)展處理就可以了。3.5顯示電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用LED動(dòng)態(tài)顯示方式，使用兩個(gè)LED數(shù)碼管進(jìn)展顯示，數(shù)碼管是共陽極接法，分別顯示個(gè)位和十位數(shù)據(jù)。a～h分別與P1口的八根I/O線相連，低電平有效，形成段選線多路復(fù)用，它們的公共端則由PNP型三極管8550控制。如果8550導(dǎo)通，則相應(yīng)的數(shù)碼管就可以亮，而如果8550截止，則對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管就不能亮，8550是由P2.0，P2.1控制的,這樣我們就可以通過控制P2.0、P2.1到達(dá)控制*個(gè)數(shù)碼管亮或滅的目的。此外三極管還具有驅(qū)動(dòng)作用，能夠使數(shù)碼管亮度加強(qiáng)。如圖3-9所示：圖3-9數(shù)碼管顯示電路3.6照度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)通過數(shù)碼管顯示的電壓值，能夠反響出光照度的大小，因而就可以根據(jù)數(shù)碼管的顯示來進(jìn)展照度補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)中利用8個(gè)發(fā)光二極管作為照度補(bǔ)償?shù)难菔?，通過制作表格，建立起電壓值和發(fā)光二極管點(diǎn)亮的個(gè)數(shù)兩者之間的關(guān)系，如下表3.2所示：表3.2電壓值與二極管的對(duì)應(yīng)表電壓范圍0.00.0～0.50.5～1.11.1～1.71.7～2.32.3～2.92.9～3.53.5～4.14.2～5.0點(diǎn)亮個(gè)數(shù)876543210具體電路如圖3-10所示：圖3-10照度補(bǔ)償電路3.7調(diào)光電路本設(shè)計(jì)中采用PWM