【基于單片機的照明智能控制系統(tǒng)設計與實現（論文）6700字】

基于單片機的照明智能控制系統(tǒng)設計與實現目錄TOC\o"1-2"\h\u31822摘要 120074引言 1207051.照明智能控制系統(tǒng)簡介與方案分析 2279151.1照明智能控制系統(tǒng)簡介 2174211.2方案分析 2148382.控制系統(tǒng)的硬件設計 3120642.1控制系統(tǒng)硬件模塊的構成及簡介 3132812.2控制系統(tǒng)的主要硬件電路 4322713.控制系統(tǒng)的軟件設計 9180833.1系統(tǒng)主程序模塊 997953.2數據采集模塊 1139003.3時鐘模塊 12248153.4顯示驅動模塊 1365084.系統(tǒng)調試方式及問題分析 14114944.1單片機系統(tǒng)調試方法及步驟 14109054.2問題分析 15318155.總結 15摘要：為了實現傳統(tǒng)照明的智能化，滿足室內照明節(jié)約資源和低耗節(jié)能的要求，設計了一種運用STC89C52單片機作為照明控制器核心的照明智能化自動控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)的主要特點是使用紅外對管來自動檢測進入室內人的數量，同時可以實現在LCD屏上實時顯示室內的人數，系統(tǒng)最高可統(tǒng)計人數到99人，可以通過室內人數的多少來自動控制LED燈開啟的個數，在本次的設計中，使用了4個LED燈來模擬室內照明燈，在進入室內的人數超過30人時4個LED燈會全部開啟；它是采用了一個光敏電阻組成的集合式電路，用于檢測室內環(huán)境光的強度，然后通過環(huán)境光的強度來控制LED燈的亮度；進而完成對室內燈光的智能化控制，同時，系統(tǒng)還可以通過按鍵選擇自動模式和手動模式，它在很大程度上達到了節(jié)能的目的。關鍵字：單片機；人數統(tǒng)計；照明智能引言隨著當前經濟世界形勢的不斷復雜變化和推動我國國民經濟的不斷高速健康增長，能源供應短缺的突出問題已經逐漸發(fā)展成為了一個嚴重制約我國的國民經濟健康增長的“瓶頸”。而一個發(fā)達國家的發(fā)展工業(yè)生產和提高全國人民的財產生活水平離不開豐富的天然電力資源和水資源，這就使得電力資源面臨了更加嚴峻的形勢?，F如今，人們已經越來越廣泛地提倡一種低碳生活，生活中不難發(fā)現，公共的場所總是燈火通明，然而卻空無一人，這種現象浪費了大量的電力資源。本設計所研究的照明智能控制系統(tǒng)就能夠很好地實現節(jié)約電能的功能。單片機是我們智能控制系統(tǒng)設計中普遍使用的一種集成電路芯片。自從1970年出現了第一部單片機之后，就因為它具有高可靠性、處理數據能力強等特點而被廣泛地應用到各種電子產品中。單片機更多地伴隨著近幾年我國工業(yè)和電子數據信息管理技術的不斷創(chuàng)新和發(fā)展而向著智能化、大容量方向發(fā)展。在不久的將來，單片機技術必將成為一種提高我國全體人民的品質和生活水平的主要動力[1]。1.照明智能控制系統(tǒng)簡介與方案分析1.1照明智能控制系統(tǒng)簡介本設計的控制系統(tǒng)可以有效地滿足對照明控制的智能化，在照明系統(tǒng)中運用單片機技術，能夠在一定的程度上使得電能的損耗有一定的降低，進而起到節(jié)能的作用。本設計系統(tǒng)主要功能就是是把人體檢測信號和室內光的強度信號作為輸入參數，系統(tǒng)會把人體經過的一個信號轉換成為一個可以被單片機所識別的高電平信號，經過這個單片機的高頻識別之后，自動控制LED燈的亮滅。接著根據室內光強度的黯淡來自動地調節(jié)燈光照明系統(tǒng)的亮度[2]。當室內光的強度在一定值以下并且有人進入時LED燈開啟，而在高于一定值時LED燈不開啟。紅外對管中有兩個熱釋電元，需要注意的是在安裝紅外對管時要確保這兩個熱釋電元的連線方向垂直于人體經過紅外對管的方向，只有這樣，紅外對管采集的信號才會更加靈敏可靠。同時要盡量避免外界風等直接吹向紅外計數管，以免造成信號采集的誤差[3]。1.2方案分析這個設計方案的主要輸入參數是室內環(huán)境光的強度和人體的存在。同時也可以得到滿足系統(tǒng)自動進行控制和手動控制相兼容[4]。自動控制模式主要是通過對系統(tǒng)設置一個定時的時間段來實現智能控制一個照明燈的開啟和關閉，當系統(tǒng)已經處于定時的時間段內，當有人直接進入室內且室內的光線滿足了開燈條件時，系統(tǒng)會自動控制LED燈的開啟，而隨著進入室內人數的逐漸增多和室內環(huán)境光的亮暗變化，開啟的照明燈的個數會增加并且亮度也會隨室內光線的亮暗變化而變化；如果系統(tǒng)處于不在設置的定時時間段內或者是沒有人進入室內（室內無人），那么照明燈就會完全關閉；如果室內有人存在但是系統(tǒng)并不在所設置的定時時間段內，則我們就可以直接通過切換到手動模式的方式來控制照明燈的開啟與關閉，從而解決了自動模式在特殊情況下的非人性化操作問題。設計系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分兩個部分相互作用、相互影響，系統(tǒng)的硬件組成部分是作為整個照明智能控制系統(tǒng)設計能夠實現其執(zhí)行目標的一個重要依據，同時也為軟件組成部分程序進行程序運行和發(fā)展提供了一個良好的平臺。系統(tǒng)的軟件組成部分的主要功能就是對硬件組成部分的各個端口所需要顯示的信號進行數據采集、數據分析和進行一系列的數據處理，從而完成最終所要完成的功能，達到設計的目的。2.控制系統(tǒng)的硬件設計2.1控制系統(tǒng)硬件模塊的構成及簡介 本設計系統(tǒng)的各個總體控制電路單元主要是以STC89C52單片機主控模塊為系統(tǒng)的控制核心[5]，它的外圍控制電路單元模塊主要組成有射頻時鐘控制電路、紅外對管控制電路、顯示屏的模塊控制電路、獨立式控制按鍵外圍控制電路、LED燈控制電路模塊、光線信號傳感器和光檢測器控制模塊、模數信號變換器和控制器、電源模塊，系統(tǒng)的總體設計電路框圖及其結構原理如下文所述。圖1為系統(tǒng)的總體設計電路框圖：圖1系統(tǒng)設計框圖2.2控制系統(tǒng)的主要硬件電路2.2.1中央控制模塊圖2單片機最小系統(tǒng)單片機STC89C52作為本控制系統(tǒng)的一個主控功能模塊，其具有損耗低、性能高、可編程的特點，還是一個可以自動擦除的直接式只讀存儲器，它的功耗比較低并且數據處理性能十分強大。并且它不占用任何一個用戶的資源，抗干擾能力比較強[6]。圖2所示即為單片機最小的系統(tǒng)結構圖。2.2.2時鐘電路為了確保系統(tǒng)的智能化，考慮到室內照明燈應受時間的控制，在本系統(tǒng)中還加入了硬件時鐘電路。系統(tǒng)在接上電源后要硬件時鐘電路會進行一個自檢和初始化，而在進行自檢和初始化之前我們必須要知道時鐘芯片DS1302所處什么狀態(tài)，這是因為時鐘芯片DS1302所處的工作狀態(tài)只有在開啟狀態(tài)時，才能夠對系統(tǒng)進行正常的初始化過程，進而啟動時鐘。圖3是DS1302的示意圖。圖3DS1302示意圖不論在DS1302上進行什么操作，在操作之前都需要對其進行初始化，因為只有進行了初始化才可以做進一步操作，因此為了可以避免DS1302的內部控制時鐘遭到外部環(huán)境的干擾或影響。需要在剛開始的時候將輸入端RST置為低電平[7]。然而我們無論對DS1302芯片進行什么樣的操作，把這些數據直接寫入到DS1302時鐘芯片的移位寄存器只能保持在一開始的8個時鐘周期之內。如果后面是寫入數據的命令字節(jié)信息，數據會在下一個8個時鐘周期內完成字節(jié)信息的寫入；如果接著的是讀取數據的命令字節(jié)信息，數據就會在一個時長大約為8個SCLK周期的下降沿狀態(tài)下進行輸出。2.2.3紅外對管模塊紅外對管的發(fā)送和接受裝置是通過一對紅外發(fā)射管和光敏接收管組合而成的。在該電路中的LED6和LED7是一對光敏式接收管，LED8和LED9是一對紅外數據發(fā)送管[8]。為了避免由于電流過大對發(fā)射管產生破壞而增加了另外兩個限流電阻R21和R22進行限流；電阻R12和R13的存在是作為上拉電阻促使紅外對管接收到高電平。若是發(fā)生了發(fā)射管被其他物體所遮擋的情況，然后受到遮擋物影響的紅外光會被傳送到接收管然后這個接收管就會被接通并接地，輸入端的紅外光電壓就會遠遠高于輸出端的電壓；若是發(fā)射管沒有任何物體作用進行遮擋，接收管將自動斷開，輸入端的電壓就可能會遠遠高于2.5V，只有這樣電壓比較器才會在輸出時達到一個高電平，LED狀態(tài)指示燈將會自動熄滅。如圖4為紅外對管信號采集模塊[9]。圖4紅外對管信號采集模塊2.2.4顯示模塊圖5LCD1602液晶顯示圖5為LCD1602液晶數據顯示系統(tǒng)的電路，LCD1602顯示屏需要和數據處理器進行一個并行連接，只有這樣才能夠接收從處理器向用戶發(fā)送出來的命令和數控，并且將其在LCD1602液晶數據顯示屏中顯示出來，LCD1602的對比度也可以通過手動調節(jié)電位器R1進行調整。2.2.5模數轉換模塊如圖6為模數轉換控制模塊，光敏電阻LIGHT1會隨著環(huán)境光越強而變得越小，而分到的電壓也越低。ADC0832芯片足以完成大多數的模擬量轉換的要求。單片機通過接受其檢測到的可見光而轉化成的電信號而實現對照明燈的智能化控制，從而保證室內光照的舒適度，進而減少額外的耗電，節(jié)約了電源的損耗。圖6模數轉換模塊2.2.6電源模塊圖7電源模塊系統(tǒng)的單片機在工作的時候需要工作電源來為整個設計系統(tǒng)提供動力，并且對工作電源的要求都是+5V，采用單+5V的電源電壓供電可以完成對所有器件的供電問題。圖7為本設計所使用的電源模塊。2.2.7其他模塊在端口按鍵觸發(fā)控制電路中，按鍵在被按鈕觸發(fā)或者按鍵按下時會與各個端口相互并聯接地，單片機可以直接通過判斷端口的工作電平，以便于判斷每個端口按鍵在不同的端口時是否被按鍵觸發(fā)或者按下，端口電平變?yōu)榈碗娖綍r則可以稱為被按鍵觸發(fā)或者按下。圖8為按鍵模塊。LED2~LED5是一個模擬室內照明的光源，處理器在輸出一個低電平時照明燈會被點亮。其中圖9是一個模擬光源照明的照明燈。自動模式和手動模式的指示燈只有在低電平下有效，如圖10所示。圖8按鍵模塊圖9模擬照明燈圖10自動/手動模式3.控制系統(tǒng)的軟件設計3.1系統(tǒng)主程序模塊圖11主程序流程圖本設計系統(tǒng)的主程序模塊是整個控制電路系統(tǒng)的一個核心組成部分，而其他的外圍電路為了更好地實現它們各自在控制模塊中的功能都是需要經過該控制系統(tǒng)的主程序模塊。按鍵可以直接通過命令進行對系統(tǒng)設計主程序的接受和分析，從而進一步的把控制信號轉移至相應的處理子程序入口，起到一個引導的重要作用。圖11為控制系統(tǒng)的主程序流程圖。其描述了整個設計過程中控制一個系統(tǒng)的程序運行時的情況。系統(tǒng)在上電之后傳感器就會對外圍控制電路的各種數據進行一個初始化過程，然后系統(tǒng)會讀取日期時間并在LCD1602液晶顯示屏上顯示出來，同時顯示出來紅外對管所檢測到的進入室內的人數；接著若是選擇非自動模式（手動模式），就需要根據按鍵來控制燈的亮暗；若選擇自動模式，系統(tǒng)只有在有人進入室內且系統(tǒng)處于定時時間內以及室內光線滿足開燈條件時自動開啟LED燈，其他的條件下LED燈都不會開啟，同時系統(tǒng)會根據室內人數的多少來控制室內LED燈的打開、關閉數量進行控制，根據室內的光線強弱來控制室內LED燈的亮度；利用光敏電阻對室內的光照信號以及紅外對管對人體信號的采集是系統(tǒng)進行數據采集的一個重要內容，這兩個信號的采集元件就是在照明控制系統(tǒng)在自動監(jiān)測狀態(tài)下對室內信息數據進行實時采集。3.1.1系統(tǒng)自檢初始化系統(tǒng)只有經過了自檢和初始化的過程才能確保系統(tǒng)的正常運行[11]，并且系統(tǒng)上電復位后會直接運行并完成系統(tǒng)自檢和初始化程序。自檢初始化是為了定義硬件所需要的初始化參數。系統(tǒng)的初始化也針對各個接口芯片的功率值進行了檢測，目的主要是為了檢測各個接口芯片都是否已經沒有了硬件故障并且還是處在一個穩(wěn)定的準備就緒狀態(tài)。若是時鐘芯片處在一個啟動狀態(tài)的話就需要首先對它們進行初始化之后再開始啟動時鐘時鐘。3.2數據采集模塊系統(tǒng)的數據采集模塊主要采集了室內環(huán)境光信號和人體存在信號兩種信號，根據環(huán)境光的強弱來智能控制照明，即光線較弱則照明燈的較亮，反之則較暗；利用紅外對管檢測人體自身存在的信號。在對該應用程序進行設計的同時，需要定期地采集到環(huán)境光信號和檢測到人體是否存在信號，并且要將其放置在一個多任務模塊中進行。3.2.1紅外對管傳感器存在的缺點紅外對管是一款本身不會有任何輻射的傳感器，其功率損耗較小，隱蔽性也很好，價格也不昂貴；然而其也具有著比較容易受到光源和熱源等的影響的缺點，同時射頻輻射也很容易對其造成干擾；如果人體溫度與室內環(huán)境的溫度相近則會對紅外對管的探測造成影響，其靈敏度也將顯著降低，紅外對管紅外對管也可能導致短期故障。另外紅外對管傳感器會對兩人并排進入室內做出一個錯誤判斷，而不是準確檢測到兩個人進入室內。3.2.2數據采集軟件的實現用邏輯“0”和邏輯“1”分別表示室內環(huán)境的狀態(tài)、燈光的工作狀態(tài)和人體存在狀態(tài)，設定為：邏輯“0”表示為室內環(huán)境光足夠亮時（符合光采集電路輸出信號狀態(tài)），邏輯“1”表示為室內環(huán)境光暗時；邏輯“0”表示為室內無人存在時，邏輯“1”表示為有人存在時，邏輯“0”表示為照明燈關閉時，邏輯“1”表示為照明燈開啟時，那么室內環(huán)境光與人體存在可以采用以下的邏輯關系表來表示，如表1所示：表1室內環(huán)境光與人體存在邏輯關系室內環(huán)境光參數人體存在參數照明燈狀態(tài)000100010111上面表格里面的數據我們可以把室內環(huán)境光參數和人體存在參數信息進行操作，為了使驅動器能夠工作以便于得到室內照明燈的狀態(tài)，而且采集和處理的信號必須執(zhí)行非操作，這是因為繼電器是一個只有低電平才能驅動的器件。3.3時鐘模塊在對系統(tǒng)進行自檢和初始化的過程中，必須首先判斷時鐘芯片DS1302的一個運行狀態(tài)，這主要的原因是由于系統(tǒng)在進行初始化的時候必須要確保時鐘芯片DS1302是處于正常啟動狀態(tài)下。并且只有當系統(tǒng)初始化后才可以開始啟動時鐘[8]。3.3.1數據輸入輸出只有在對時鐘芯片進行了初始化之后才可以對時鐘芯片DS1302來執(zhí)行各種操作，即在開始運行前必須將RST端（復位輸入端）設置為一個高電平，同時為了能夠防止DS1302內部控制時鐘可能會受到外部的干擾和影響，讀取或寫入數據后，RST終端應該被設置為低電平。同時，為了有效避免外界對復位輸入的干擾或影響，復位輸入RST必須保持處于0的邏輯狀態(tài)，且主電源的引腳上電時必須控制大于2.5V。在將命令控制信息和提供有關數據必須要在開始的8個時鐘工作周期之內。地址/命令信息是用于指示40個寄存器中的哪些正在執(zhí)行操作。圖12所示為程序輸入輸出流程圖。圖12輸入輸出流程圖3.4顯示驅動模塊顯示驅動模塊在系統(tǒng)的運行過程中更加直觀的了解系統(tǒng)的運行情況，從而更加方便直接地對控制系統(tǒng)進行操作。在本系統(tǒng)中采用了LCD1602液晶屏，在對LCD1602完成了初始化后，接著處理器會對室內人數和光線強度進行一個檢測，同時將檢測到的數據發(fā)送至顯示模塊直觀的顯示出來。如圖13所示為LCD1602顯示模塊的流程：圖13LCD1602顯示模塊流程圖4.系統(tǒng)調試方式及問題分析4.1單片機系統(tǒng)調試方法及步驟對于單片機的系統(tǒng)在設計中進行調試時可以分為系統(tǒng)硬件的調試和軟件的調試兩個重要的部分，主要目的就是通過這兩個調試過程來發(fā)現在系統(tǒng)中的硬件和軟件組成部分中所存在的問題，查看他的運行結果是否滿足實際要求。為了促使系統(tǒng)能夠進入正常的工作，需要在各個硬件部分中都要做好靜態(tài)調試、軟件部分調試和硬件軟件的動態(tài)調試。（1）靜態(tài)調試：靜態(tài)調試的主要目的是為了排除一些硬件方面較為明顯的故障和問題[12]。比如由于所加電壓過高或者是電源的無意接反對傳感器或者是芯片造成的損壞。另外，也要注意插入芯片時方向不要反并且要在斷電的狀態(tài)下插入芯片[10]。（2）軟件調試：為了使我們能夠更好地實現一個應用軟件開發(fā)的整個工作過程，需要我們進行一個簡易的軟件調試。（3）動態(tài)調試：為了更好地實現對系統(tǒng)的硬件部分的故障診斷和對軟件部分的在線仿真，需要進行一個系統(tǒng)的動態(tài)調試。在系統(tǒng)的動態(tài)調試中，需要使用一種仿真研究開發(fā)的工具來針對用戶的各種軟、硬件電路做出診斷和調試。然而也有一些在線調試是一些和硬件密切相關的用戶程序必須要和硬件緊密地配合起來才能開始實施，同時還需要及時修改和糾正在調試過程中所出現的邏輯性錯誤。在程序的調試工作完成之后，需要通過一種簡單的方式，使用編程器將該子程序直接固化到單片機中，以保證整個系統(tǒng)都能夠正常地運行。問題分析針對在調試過程中遇到的一些問題做出了分析與解決。（1）電源系統(tǒng)供電電