工厂车间照明控制系统.docx
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工厂车间照明控制系统
课程设计
题目：
工厂车间照明控制系统
学院：
电气工程学院
班级：
学号：
姓名：
摘要
随着电子技术的飞速发展，基于单片机的控制系统已广泛应用于工业、农业、电力、电子、智能楼宇等行业，微型计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心，代替了传统的控制系统的常规电子线路。
同时楼宇智能化的发展与成熟，也为基于单片机的照明控制系统的普及与应用奠定了坚实的基础。
由于缺乏科学管理和管理人员的责任心不强，有时在借助外界环境能正常工作和夜晚室内空无一人时，整个房间内也是灯火通明。
这样下来，无形中所浪费的电能是非常惊人的。
据测算，这种现象的耗电占其单位所有耗电的40％左右。
因此，有必要在保证照明质量的前提下，实施照明节能措施。
这不仅可以节约能源，而且会产生明显的经济效益。
本文介绍了基于AT89C51的室内灯光控制系统及其原理，提出了有效的节能控制方法。
该系统采用了当今比较成熟的传感技术和计算机控制技术，利用多参数来实现对学校教室室内照明的控制。
系统设计包括硬件设计和软件设计两部分。
该照明控制系统的主控制器、分控制器分别是以AT89C51单片机为基础，实现了通信、控制与显示等功能。
文中详细地描述了控制电路的设计过程，包括：
键盘与LED显示电路、RS485通信电路、照明灯控制电路以及看门狗电路等。
对于软件设计主要有主控制器、分控制器的有线通信程序设计以及灯光控制、定时控制、键盘扫描与LED显示等程序设计。
1.1改善工作环境，提高工作效率……………………………………………………………
1.2提高管理水平………………………………………………………………………………
1.3较好的投资收益效果……………………………………………………………………
1.4系统设计…………………………………………………………………………………
第二章硬件电路设计与实现………………………………………………
2.1系统硬件总述……………………………………………………………………………
2.2CPU性能介绍………………………………………………………………………………
2.389C51简介………………………………………………………………………………
2.4键盘的接口设计…………………………………………………………………………
2.5LED数码显示的接口设计………………………………………………………………
2.6稳压电源电路设计………………………………………………………………………
2.7光信号取样电路…………………………………………………………………………
2.8TCL1549的接口设计……………………………………………………………………
.2.9电量统计功能电路实现…………………………………………………………………
2.10输出驱动电路设计………………………………………………………………………
2.11复位电路…………………………………………………………………………………
第三章系统软件设计及实现…………………………………………………
3.1LED数码显示程序设计……………………………………………………………………
3.2电量统计程序………………………………………………………………………………
参考文献……………………………………………………………………
总结……………………………………………………………………………
前言
能源短缺是21世纪国际面临的新课题。
在寻找新的能源之外，节约能源，提高效益也就成为了我们研究的课题。
所以工厂如何来节省电力能源也成为了一个迫切需要解决的问题。
从节约资源、对社会贡献、等多方面考虑，工厂照明问题不得不提到重要的议事日程上来。
单片机的出现至今已经有30多年的历史了。
微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机（单片微型计算机）的应用已经渗透到广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且也深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，并掀起了一场数字化技术革命。
单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。
因此一块芯片就构成了一台计算机。
它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。
本篇论文介绍了就是基于单片机AT89C51的室内灯光控制系统的研究和开发。
本系统是以单片机为控制器的核心，其中上位机和下位机都是以AT89C51为基础，再连接外围电路，实现照明灯具的智能控制。
系统通过光信号采集电路对光信号采集以及相应的处理并输入给单片机，单片机对输入信号判断并输出信号来控制车间内灯光的开关和组合照明方式。
第一章概述
1.1改善工作环境，提高工作效率
良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。
合理地选用光源、灯具及性能优越的照明控制系统，都能提高照明质量。
智能照明控制系统具有开关和调光两种控制方法，可以有效地控制各种照明场所的平均照度值，从而提高照度均匀性。
同时，系统能根据不同的时间段，人们的不同需要，自动调节照度。
1.2提高管理水平
智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。
在一般的情况下，不需要有人的参与，照明系统自动实现开关和调光功能，既大大减少了管理人员的数量，也排除了由于人为因素而出现的不定时开关，影响车间的正常工作、生活秩序的情况。
1.3较好的投资收益效果
智能照明控制系统在节能和节省灯具使用的同时，有效节省了电费与管理费用的支出。
根据一般运营的经验来看，节能效果能达到40％以上。
1.4系统设计
系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。
硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。
硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。
硬件电路的设计最重要的选择用于控制的单片机，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。
硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。
软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。
软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用51系列单片机。
本系统软件设计采用模块化系统设计方法，先编写各个功能模块子程序，然后进行组合与调整，经过调试后，达到设计功能要求。
第二章硬件电路设计与实现
2.1系统硬件总述
系统以单片微型计算机为核心外加多种接口电路组成，共有六个主要部分：
AT89C51芯片、光信号采集电路、人体信号采集电路、时钟控制电路DS12887、输出控制电路、定时监视器电路，如图2-1所示。
图2-1系统硬件总述图
2.2CPU性能介绍
本系统采用了ATMEL公司MCS-51系列单片机中的AT89C51芯片，它是低压高性能CMOS8位微处理器，带有4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15个I／O口线，两个16位定时／计数器，—个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口。
主控制器采用AT89C51单片机作为微处理器，AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。
主控制器系统的外围接口电路由键盘、数码显示及驱动电路、晶振、通信接口电路等几部分组成。
主控制器系统的硬件电路原理图如图2-2所示。
2.389C51简介
89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。
89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
寿命：
1000写/擦循环
数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
2．管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3．振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
4．芯片擦除：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
5.结构特点：
8位CPU；
片内振荡器和时钟电路；
32根I/O线；
外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K；
2个16位的定时器/计数器；
5个中断源，两个中断优先级；
全双工串行口；
布尔处理器
2.4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。
本系统由于所需开关少采用简单的独立式键盘。
2.5LED数码显示的接口设计
数码显示与驱动电路由74LS138译码器、7447TTLBCD-7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P0.0～P0.3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P0.4、P0.5口输出的信号经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。
2.6稳压电源电路设计
电路图如图所示，220v电网电压经变压器变压，二极管整流，电容滤波输出+（-）5v,+（-）12v电压，三端稳压器具有过流过热安全区保护电路。
2.7光信号取样电路
光信号取样电路如图2-7所示，图中主要由光信号采集电路和A/D模数转换电路组成，其中模数转换是电路的核心。
信号经过采集送入A/D转换电路，通过单片机处理后，最终作为系统应用程序进行开关灯判断的依据。
A/D转换器的位数应根据信号的测量范围和精度来选择，使其有足够的数据长度，保证最大量化误差在设计要求的精度范围内。
本系统中，信号的测量范围的电压：
0.00—9.99V，精度0.01V。
在本次设计中选用了带串行控制的10位模数转换器TLC1549，它是由德州仪器（TexasInstruments简写为TI）公司生产的，它采用CMOS工艺，具有自动采样和保持，采用差分基准电压高阻抗输入，抗干扰性能好，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到（±）1LSBMax，芯片体积小等特点。
同时它采用了Microwire串行接口方式，故引脚少，接口方便灵活。
与传统的并行方式接口A/D转换器（例ADC0809/0808）相比，其单片机的接口电路简单，占用I/O口资源少。
图2-7光信号取样电路
光控开关程序
org0
ajmpstart
org30h
start:
mova,p1
cjnea,#0feh,next
lcalldely
mova,p1
cjnea,#0feh,next
clrp2.0
ajmpstart
next:
cjnea,#0fch,next1
lcalldely
mova,p1
cjnea,#0fch,next1
clrp2.0
clrp2.1
ajmpstart
next1:
cjnea,#0ffh,start
lcalldely
mova,p1
cjnea,#0ffh,start
setbp2.0
setbp2.1
ajmpstart
dely:
movr7,#100
dl1:
movr6,#100
dl2:
movr5,#50
djnzr5,$
djnzr6,dl2
djnzr7,dl1
ret
end
2.8TCL1549的接口设计
图2-9TLC1549引脚及与A/D接口电路
TLC1549采用了Microwire串行接口方式，其接口时序如图2-9所示，在芯片选择（CS）无效情况下，I/OCLOCK最初被禁止且DATAOUT处于高阻状态。
当串行接口把CS拉至有效时，转换时序开始允许I/OCLOCK工作并使DATAOUT脱离高阻状态。
串行接口然后把I/OCLOCK序列提供给I/OCLOCK并从DATAOUT接收前次转换结果。
I/OCLOCK从主机串行接口接收长度在10和16个时钟之间的输入序列。
开始10个I/O时钟提供采样模拟输入的控制时序。
TCL1549数据采集程序设计
/*---------------AetAD（）TLC1549数据采集--------------------------*/
sbitADCLK=P1^0;
sbitADOUT=P1^1;
sbitADCS=P1^2;
/*-----------------------------------------------------------------*/
VoidAetAD（）
{
uchari=1,w,PickCount;
uintvol;
for（w=1;w<=PickCount;w++）
{
ADCLK=ADOUT=0;
vol=0;
ADCS=0;//开启控制电路，使能DATAOUT和I/OCLOCK
for（i=1;i<=10;i++）//采集10位串行数据
{
//给一个脉冲
ADCLK=1;
vol<<=1;
if（ADOUT）vol|=0x01;
ADCLK=0;
}
ADCS=1;
delay（21）;//两次转换间隔大于21us
P0=0xff;//P0口置初始输入状态
}
.2.9电量统计功能电路实现
选用霍尔元件测量电流输入单片机，然后经编程输出电量用led显示。
2.10输出驱动电路设计
单片机输出控制信号电路如图2-18所示，由P2.0和P2.1口输出的控制信号来实现室内灯光的控制功能。
图2-18输出控制电路
当P2.0口输出的是“0”电平时，则由Q1、Q2两个三极管组成的信号放大电路就被截止，则继电器回路中无电流，所以，继电器线圈无法工作，使得继电器开关触点断开，电灯回路不通，电灯不亮，反之，当P2.0口输出的是“0”信号时，则由Q1、Q2两个三极管组成的信号放大电路就导通了，则继电器线圈工作，使得继电器触点闭合，电灯回路导通，电灯亮了。
由于要实现分区域组合照明方式，所以要采用四个口输出两个这样的输出电路。
2.11复位电路
RST引脚是复位信号的输入端，高电平有效。
其有效时间应持续24个振荡周期（即两个机器周期）以上。
RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。
8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图。
此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电期间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。
复位操作有上电自动复位和手动按键复位两种方式。
图2-4为具有两种复位方式的电路。
只要电源的上升时间不超过1ms，就可以完成自动上电复位，即接通电源时就完成了复位操作。
按动键S，可实现手动复位。
复位电路如图4-6所示：
第三章系统软件设计及实现
软件设计分主程序设计、子程序设计、中断程序设计三大块。
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，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。
3.1LED数码显示程序设计
本系统采用了四位共阳极七段数码管，共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起，通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。
当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻，这里的限流电阻选为100Ω。
这里选用的7447芯片是从BCD码到SEG7段码的转换器，而74LS138是一个地址译码器，通过74LS138选通某个数码管，然后根据7447传送过来的SEG7段码的数据进行显示，而在非选通的时候，数码管能够保持原有的显示数据。
LED数码显示程序的流程图如图3-3所示
3.2电量统计程序
#include＜Reg51.h＞
#include＜absacc.h＞
#defineucharunsiganedchar
#defineunitunsignedint
#definest08091XBYTE［0x0000］
#definest08092XBYTE［0x0000］
sbitDAT595=P1＾0；
sbitSHC595=P1＾1；
sbitSTC595=P1＾2；
sbitKEY1=P3＾0；
sbitKEY2=P3＾1；
ucharcodetab［］={0xC0,0xF9,0xA4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90}；／／共阳极
uchardatadisbut［4］；∥显示缓冲
uchart,flag；
voiddelay（unitm）
{
uniti,j；
for（i=0；i＜m；i++）
for（j=0；j＜50；j++）；
}
voidsendbyte（uchardat）
{
uchari；
for（i=8；i＜8；i++）
{
SHC595=0；∥移位脉冲
if（dat&0x80）；∥判断字节最高位
DAT595=1；
els
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