基于单片机的楼宇照明控制系统

基于单片机的楼宇照明控制系统内容摘要：

控硅实现开关与调光控制，用光电耦合器 M0C3021作为可控硅的驱动器，同时实现强、弱电的隔离。 光电耦合器 M0C3021通过一个非门与 89C2051的 ，当此脚输出高电平时，将会封锁住 MOC3021，使双向可控硅 BT131不导通，这样就会使照明灯关闭；当 ，使光电耦合器 MOC3021打开驱动双向可控硅，从而将双向可控硅触发导通，这样就开启了所要控制的照明灯。 对于照明灯的亮度调节，这里采用 PWM（ Pulse Width Modulation） 方式 ,即脉冲宽度调制的简称， PWM是一种周期一定而高低电平的占空比可以调制的方波信号，当输出脉冲周期一定时，输出脉冲的占空比越大相对应的输出有效电压越大。 在一个周期内的脉冲宽度（导通时间）为 T1，周期为 T，波形如图。 12 T 1T 2T 图 脉冲波形图 则输出电压的平均值为： U=VCC T1/T=α VCC 其中α =T1/T（正脉冲的持续时间与脉冲周期的比值）称为占空比，α的变化范围为 0≤α≤ 1， VCC为电源电压。 当电源电压 VCC不变的情况下 ，输出电压的平均值 U取决与占空比α的大小，改变α的大小就可以改变输出电压的平均值，这就是 PWM的工作原理。 灯泡的亮度与加在灯泡两端的电压成比例，而灯泡两端的电压与可控硅的导通角成比例，这样通过调节 PWM信号的占空比来控制可控硅的导通角。 因此占空比越大，灯泡就越亮，当占空比α =1时，灯泡的亮度最高。 由于 89C2051单片机没有 PWM信号输出功能，所以在这里采用单片机定时器配合软件的方法来实现 PWM信号的输出。 使用 PWM方法进行可控硅控制时，调制频率不能低于市电频率，因为当频率低于 50Hz时，超过 了人眼视觉暂留效应，用于调光将产生闪烁的现象。 当调制频率大于市电频率，可控硅将处于连续导通状态而不能达到调压的目的，因此必须使用过零检测作为触发可控硅的基点。 在本系统中所使用的过零检测电路如图 ，先由一个变压器将市电电压转换成 10V左右的电压，经过整流、稳压后可作为系统工作电源，同时将变压器次级的同名端引出一根线连接到比较器 LM311的正输入端，用以检测交流电的过零点，然后将过零信号送给单片机的。 当检测到交流电的过零点时，就去触发双向可控硅，同时通过 PWM信号的输出控制双向可控硅的导通时 间，最终达到控制灯泡亮度的目的。 RS485 通信电路的设计 本系统的有线通信方式采用 RS485总线 进行通信， RS485标准支持 半双工通信， 只需三 根线就可以进行数据的发送和接收，同时具有抑制共模干扰的 13 能力，接收灵敏度可达177。 200mV，大大提高了通信距离，在 100K bps速率下通信距离可达 1200m，如果通信距离缩短，最大速率可达 10M bps。 在这里使用的是主从式通信方式，主机由主控制器充当，从机为分控制器。 主机处于主导和支配地位，从机以中断方式接收和发送数据，主机发送的信息可 以传送到所有的从机或指定的从机，从机发送的信息只能为主机接收，从机之间不能直接通信。 主机与从机的通信电路图分别如图。 14 ROREDEDI GNDABV C CT L P 5 2 1 4 A5 . 1 K ΩP 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78I N T 113R X D10T X D11X T A L 218X T A L 119T014P 2. 021P 2. 122P 2. 223P 2. 324P 2. 425P 2. 526P 2. 627P 2. 728P 0. 732P 0. 633P 0. 534P 0. 435P 0. 336P 0. 237P 0. 138P 0. 039T1158 9 C 5 1I N T 012R E S E T9RD17WR16E A /V P P31A L E /P30P S E N29V C C40GND20T L P 5 2 1 4 BT L P 5 2 1 4 C+ 5V+ 5V5 . 1 K Ω 5 . 1 K Ω 470Ω+ 5V3 . 3 K Ω3 . 3 K Ω120Ω20Ω20Ω12V7V12V7VM A X 4 8 55 . 1 K Ω5 . 1 K Ω 图 主机通信电路图 15 ROREDEDI GNDABV C CT L P 5 2 1 4 A5 . 1 K ΩT L P 5 2 1 4 BT L P 5 2 1 4 C+ 5V+ 5V5 . 1 K Ω 5 . 1 K Ω 470Ω+ 5V3 . 3 K Ω3 . 3 K Ω120Ω20Ω20Ω12V7V12V7VM A X 4 8 55 . 1 K Ω5 . 1 K ΩR S T /V pp1R X D /P 3. 02T X D /P 3. 13X T A L 24X T A L 15I N T 0/ P 3. 26I N T 1/ P 3. 37T 0/ P 3. 48T 1/ P 3. 59GND10V C C20P 1. 719P 1. 618P 1. 517P 1. 416P 1. 315P 1. 214P 1. 1/ A I N 113P 1. 0/ A I N 012P 3. 71189 C 20 51 16 图 从机通信电路图 主机与从机选用的 RS485通信收发器芯片为 MAX485，它是 MAXIM公司生产的用于 RS 485通信的低功率收发器件， 采用单一电源 +5 V工作，额定电流为300 μA ，采用半双工通 信 方式。 它完成将 TTL电平转换为 RS485电平的功能。 MAX485芯片内部含有一个驱动器和接收器。 RO和 DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的 RXD和 TXD相连即可；RE和 DE端分别为接收和发送的使能端，当 RE端 为逻辑 0时，器件处于接收状态；当 DE端 为逻辑 1时，器件处于发送状态，因为 MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可 ，主机与从机分别使用 ； A端和 B端分别为接收和发送的差分信号端 ,当 A引脚的电平高于 B时，代表发送的数据为 1；当 A的电平低于 B端时，代 表发送的数据为 0。 在进行通信时 只需要一个信号控制 MAX485的接收和发送即可。 同时将 A和 B端之间加匹配电阻， 这里 选 用 120Ω 的电阻。 为了提高系统的抗干扰能力，采用光电耦合器 TLP521对通信系统进行光电隔离。 从机使用单片机的 MAX485的工作状态，平时置，使从机串行口处于侦听状态。 当有串行中断产生时判别是否是本机号，若为本机地址则置 ，发送应答信息，然后再置 为低电平接收控制指令，继续保持 ，使串行收发 器处于接收状态；若不是本机 地址，使 ，使串行收发器处于接收侦听状态。 无线数传电路的设计 无线数据传输需要通过无线数传模块来实现。 本系统选用的是上海桑锐电子科技有限公司生产的 SRWF1型微功率无线数传模块。 该模块的通信信道是半双工的，最适合点对多点的通信方式。 单片机与无线数传模块之间可以进行信息的传送与回馈，即所谓的双向通信。 无线数传电路的连接 主控制器与分控制器各使用一个无线数传模块，形成发送与接收的无线通信通道。 模块的数据输入和输出端与单片机的串行口连接，即模块的串行数据发射端 TXD与单片机 的串行数据输入端 RXD连接；模块的串行数据接收端RXD与单片机的串行数据输出端 TXD连接。 单片机与无线数传模块 SRWF1的电路连接如图。 17 R X DT X DR X DT X DV C CGNDS G N D8 9 C 5 18 9 C 2 0 5 1S R W F 1+ 5 V 图 单片机与无线数传模块的连接 SRWF1 模块的特性 （ 1） 微发射功率 :最大 10dbm（ 10mW）的发射功率。 （ 2） ISM频段工作频率，无需申请频点。 载频频率 429438MHz，也可提供 315/868/915MHz等载频。 （ 3） 高抗干扰能力和低误码率。 基于 FSK的调制方式，采用高效 无线 通信协议，在信道误码率为 102时，可得到实际误码率 105～ 106。 （ 4） 完善的通讯协议。 （ 5） 传输距离远。 在视距情况下，天线高度 3米，可靠传输距离 300m。 （ 6） 透明的数据传输。 提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。 自动过滤掉空中产生的噪音信号及假数据（所发即所收）。 （ 7） 多信道，多速率。 SRWF1型模块标准配置提供 8个信道，根据用户需要，可扩展到 16/32信道，满足用户多种通信组合方式的需求。 SRWF1 18 型模块可提供 1200bps、 2400bps、 4800bps、 9600bps、 19200bps等多种通信波特率，并且无线传输速率与接口波特率成正比，以满足客户设备对多种波特率的需要。 （ 8） 双串口， 3 种接口方式。 SRWF1 型模块提供 2 个串口 3 种接口方式， COM1 为 TTL 电平 UART 接口。 COM2 由用户自定义为标准的RS232/RS485 接口（用户只需要拔 /插短路器再上电即可改变接口类型）。 （ 9） 高速无线通讯和大的数据缓冲区。 可 1次传输无限长度的数据，用户编程更加灵活。 （ 10） 智能数据控制，用户无需编制多余的程序。 即使是半双工通信，用户也无需编制多余的程序，只要从接 口收 /发数据即可，其它如空中收 /发转换，网络连接，控制等操作， SRWF1型模块能够自动完成。 （ 11） 低功耗及休眠功能。 接收电流 20mA，发射电流 40mA,休眠时电流仅为 20uA。 （ 12） 高可靠性，体积小、重量轻。 采用高性能单片处理器 ATMega8L,外围电路少，可靠性高，故障率低。 （ 13） 两种接口收发等待时间。 可设置的接口等待时间使模块既能用于高速用户设备（如 DSP系统）也可适用低速系统（如 51系统）。 （ 14） 看门狗实时监控。 ATMega8L的看门狗监控内部功能，改变了传统产品的组织结构，提高了产品的可靠性。 4 基于单片机的照明控制系统的软件设计 软件是计算机系统的灵魂，没有软件计算机不能充分发挥其功能，这是软件在计算机中的地位，而在计算机控制系统中，软件也是非常重要的。 在照明控制系统中，硬件设备的功能是由软件来定义的，如系统要控制分布的照明灯具，通过有线与无线串行通信程序来完成控制功能，通过软件定义键盘功能，通过编程完成 LED数码显示等等，由此可见，软件是控制系统中的一个重要组成部分。 该照明控制系统的软件程序包括：照明启停控制程序、照明亮度控制程序、 照明定时控制程序、人机交互程序以及 RS485串行通信与无线数传通信程序等。 本着软件设计的基本方法，照明控制程序的软件设计方法是利用传统的结构化分析与设计方法来完成的。 结构化程序设计方法虽然是早期的程序设计方法，但该方法还一直被广泛地使用。 结构化系统分析与设计贯穿整个软件设计过程，遵循“自顶向下，逐步求精”的基本原则。 本照明控制系 19 统软件程序总体结构如图。 照 明 控 制 系 统照 明 启 停 控 制 照 明 亮 度 控 制 照 明 定 时 控 制 人 机 交 互 串 行 通 信全部启停控制单独启停控制全部亮度控制单独亮度控制全部定时控制单独定时控制键盘扫描L E D数码显示无线数传R S4 8 5通信 图 照明控制系统软件程序总体结构图 人机交互程序设计 系统 的人机交互程序设计，主要是解决按键的扫描与信息的显示，让操作者能够灵活地控制系统工作。 键盘用来输入指令，发光数码管用来显示单片机的状态，这是一个比较简 单的人机交互形式。 键盘扫描程序设计 本系统的键盘采用的是 4 4 矩阵式键盘，矩阵式。