基于单片机的照明控制系统的硬件电路设计

基于单片机的照明控制系统的硬件电路设计内容摘要：

P 27P 28P 32P 33P 34P 35P 36P 37P 38P 39T11589 C 51I N T 012R E S E T9RD17WR16E A /V P P31A L E /P30P S E N29V C C40GND20P 1 . 0 P 1 . 1 P 1 . 2 P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7abcdefgABCD744710 0Ω 7D4A 10 15 4RBIRBOLTGNDV C C30pF30pF1 2 M H zD3 D2 D1V C C+ 5 VABCV C CG 2 AG 2 BY0Y1Y2Y3 K Ω 47 4 L S 1 3 8W D OR E S E TW D IMRV C CGNDM A X 8 1 3 L+ 5V+ 5V1 2 3 45 6 7 89 0 开 关确认定时↓↑+ 5VＤ 图 主控制器系统的硬件电路原理图 键盘的接口 设计 键盘的结构形式有两种，即独立式按键和矩阵式键盘。 本系统使用的是 4 4矩阵式键盘，第一行从左到右为 4，第二行为 8，第三行为 0、开、 关，第11 四行为 增值 、 减值 、 定时 、确认。 该形式的键盘，每个按键开关位于行列的交叉处，采用逐行扫描的方法识别键码。 矩阵键盘的列线从左到右分别与 单片机的 、 、 、 相连，矩阵键盘的行线从上到下分别与 、 、 、 相连。 每当按下一个键时，对应的行线与列线就会连通， 这样单片机就能检测出信号， 并 通过键盘扫描程序对键盘进行扫描，以识别被按键的行、列位置。 LED 数码 显 示 的接口设计 数码显示与驱动电路由 74LS138 译码器、 7447 TTL BCD7段高有效译码器 /驱动器、 4个数码管以及 5 个 A1015 三极管组成。 由单片机的 ～ 口输出的四位 BCD 码，经7447 芯片后，翻译成 7段数码管 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g 相应的段 ，并 输出 点亮数码管相应的段。 单片机的 、 74LS138译码器后产生的高电平信号加在 A1015三极管的基极，控制三极管的导通，从而起到对相应数码管的选通作用。 4 个 7 段数码管都被接成共阳极方式。 看门狗监控电路 的设计 本系统采用 MAXIM 公司的低成本微处理器监控芯片 MAX813L 构成硬件狗，与 AT89C51的接口电路如图。 MR与 WDO 经过一个二极管连接起来， WDI 接单片机的 口，RESET 接单片机的复位输入脚 RESET， MR 经过一个复位按钮接地。 该监控电路的主要功能如下： [2] （ 1） 系统正常上电复位：电源上电时， 当电源电压超过复位门限电压 ， RESET 端输出 200ms 的复位信号，使系统复位。 （ 2） 对 +5V 电源进行监视： 当 +5V 电源正常时， RESET 为低电平，单片机正常工作；当+5V 电源电压降至 + 以下 时， RESET 输出 高电平，对单片机进行复位。 （ 3）看门狗定时器被清零 ， WDO维持高电平；当程序跑飞或死机时， CPU不能在 1． 6s内给 出 “喂狗”信号 ， WDO跳变为低电平，由于 MR端 有一个内部 250mA的上拉电流， D导通 MR获得有效低电平， RESET端输出复位脉冲，单片机复位， 看门狗定时器清零， WDO又恢复成高电平。 12 （ 4） 手动复位：如果需要对系统进行手动复位，只要按下手动复位按钮，就能对系统进行有效的复位。 分控制器的电路设计 分控制器采用 低档型的 AT89C2051单片机作为微处理器， AT89C2051也是美国 ATMEL公司生产的低电压、高性能 CMOS 8位单片机，片内含 2K bytes的可反复擦写的 Flash只读程序存储器和 128 bytes的随机存取数据存储器（ RAM），兼容标准 MCS51指令系统，具有 15线可编程 I/O口，该单片机具有体积小、成本低、结构简单、性价比较高等特点。 分控制器系统的外围接口电路由晶振、实时时钟芯片、可控硅控制电路、零点检测电路、看门狗电路 、通信接口电路 等组成。 分控制器系统的硬件电路原理图如图。 30pF30pF1 2 M H zR S T /V pp1R X D /P 2T X D /P 3X T A L 24X T A L 15I N T 0/ P 6I N T 1/ P 7T 0/ P 8T 1/ P 9GND10V C C20P 19P 18P 17P 16P 15P 14P 13P 12P 1189 C 20 51V C C 1R S TS C L KI / OV C C 2X1X2GNDD S 1 3 0 2+ 5V20pF20pF3 2 .7 6 8 K H z+ 5V330Ω330Ω39Ω0 .0 1 u F100Ω+ 5 V7404M O C 3 0 2 11246~ 2 2 0 VB T 1 3 1B A T T E R Y3 . 6 VW D OR E S E TW D IMRV C CGNDM A X 8 1 3 L+ 5VD220nFVIVOGND220nFL M 7 8 0 5123V C C+ 5 V~ 2 2 0 VD1D210V+1 K Ω+ 5 VD3D41 .5 K Ω+ 5 VL M 3 1 1 图 分控制器系统的硬件电路原理图 13 时钟芯片的接口设计 本系统利用单片机 89C2051和时钟芯片 DS1302进行串行数据通信，读取和写入实时数据，用于定时控制照明灯具的启停。 DS1302是美国 Dallas公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加 31字节静态 RAM，采用 SPI三线接口与 CPU进行同步通信，并可采用突发 方式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM数据。 实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于 31日时可自动调整。 DS1302与单片机的连接 仅需要 3根线，即 SCLK、 I/O、 RST。 RST接在 ，此引脚为高电平时，选中该芯片，可对其进行操作。 串行数据线 I/O与串行时钟线 SCLK分别接在 和 ，所有的单片机地址、命令及数据均通过这两条线传输。 在本系统中， 89C2051为主器件， DS1302为从器件，主器件在总线上产生时钟脉冲、寻址信号、数据信号等，而从器件则相应接收数据、送出数据。 对 DS1302的每一次读写需 16个时钟脉冲，前 8个脉冲输入操作地址和读写命令。 其中位 7必须为 1；位 0为 0时向芯片写入数据，为 1时从芯片读出数据； 位 6～位 1选定芯片中的地址。 后 8个脉冲写入或读出数据。 DS1302采用双电源系统供电， VCC1在双电源系统中提供主电源，在这种运用方式下 VCC2连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存 时间 信息 以及数据。 DS1302由两者中的较大者供电。 当 VCC1大于 VCC2+， VCC1给 DS1302供电。 当 VCC1小于 VCC2时， DS1302由 VCC2供电。 这部分电路的设计采用单片机的 I/O口灌电流的方法控制可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14 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。 [3] 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15 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。 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 16 图 主机通信电路图 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 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 控制 ； 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17 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 平，发送应答信息，然后再置 ， 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。