室內(nèi)智能照明控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電力、電子、智能樓宇等行業(yè)，微型計(jì)算機(jī)作為嵌入式控制系統(tǒng)的主體與核心，代替了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的常規(guī)電子線路。樓宇智能化的發(fā)展與成熟，也為基于單片機(jī)的照明控制系統(tǒng)的普及與應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文介紹了基于單片機(jī)AT89C51的室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)及其原理，提出了有效的節(jié)能控制方法。該系統(tǒng)采用了當(dāng)今比較成熟的傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，利用多參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)校教室室內(nèi)照明的控制。系統(tǒng)以單片微型計(jì)算機(jī)為核心外加多種接口電路組成，共有六個(gè)主要部分：AT89C51芯片、光信號(hào)采集電路、人體信號(hào)采集電路、時(shí)鐘控制電路DS12887、輸出控制電路、定時(shí)監(jiān)視器電路。

主控制器電路設(shè)計(jì)

主控制器采用AT89C51單片機(jī)作為微處理器，AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash 存儲(chǔ)單元。 主控制器系統(tǒng)的外圍接口電路由鍵盤(pán)、數(shù)碼顯示及驅(qū)動(dòng)電路、晶振、看門(mén)狗電路、通信接口電路等幾部分組成。主控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖如圖1所示。

圖1 主控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖

RS485通信電路的設(shè)計(jì)

在各種分布式集散控制系統(tǒng)中，往往采用一臺(tái)單片機(jī)作為主機(jī)，多個(gè)單片機(jī)作為從機(jī)，主機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行;從機(jī)采集信號(hào)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制;主機(jī)和從機(jī)之間通過(guò)總線相連，如圖2-4所示。主機(jī)通過(guò)TXD向各個(gè)從機(jī)(點(diǎn)到點(diǎn))或多個(gè)從機(jī)(廣播)發(fā)送信息，而各個(gè)從機(jī)也可以向主機(jī)發(fā)送信息，但從機(jī)之間不能自由通信，其必須通過(guò)主機(jī)進(jìn)行信息傳遞。

本系統(tǒng)的有線通信方式采用RS485總線進(jìn)行通信，RS485標(biāo)準(zhǔn)支持半雙工通信，只需三根線就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，同時(shí)具有抑制共模干擾的能力，接收靈敏度可達(dá)±200mV，大大提高了通信距離，在100K bps速率下通信距離可達(dá)1200m，如果通信距離縮短，最大速率可達(dá)10M bps。在這里使用的是主從式通信方式，主機(jī)由主控制器充當(dāng)，從機(jī)為分控制器。主機(jī)處于主導(dǎo)和支配地位，從機(jī)以中斷方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，主機(jī)發(fā)送的信息可以傳送到所有的從機(jī)或指定的從機(jī)，從機(jī)發(fā)送的信息只能為主機(jī)接收，從機(jī)之間不能直接通信。主機(jī)與從機(jī)的通信電路圖分別如圖2與圖3所示。

圖2 主機(jī)通信電路圖

從機(jī)通信與光信號(hào)取樣電路設(shè)計(jì)

主機(jī)與從機(jī)選用的RS485通信收發(fā)器芯片為MAX485，它是MAXIM公司生產(chǎn)的用于RS485通信的低功率收發(fā)器件，采用單一電源+5 V工作，額定電流為300 μA，采用半雙工通信方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平的功能。MAX485芯片內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可;RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)RE端為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài);當(dāng)DE端為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可，主機(jī)與從機(jī)分別使用P2.6與P1.0腳進(jìn)行控制;A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1;當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在進(jìn)行通信時(shí)只需要一個(gè)信號(hào)控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時(shí)將A和B端之間加匹配電阻，這里選用120Ω的電阻。

圖3從機(jī)通信電路圖

為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，采用光電耦合器TLP521對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行光電隔離。從機(jī)使用單片機(jī)的P1.0控制通信收發(fā)器MAX485的工作狀態(tài)，平時(shí)置P1.0為低電平，使從機(jī)串行口處于偵聽(tīng)狀態(tài)。當(dāng)有串行中斷產(chǎn)生時(shí)判別是否是本機(jī)號(hào)，若為本機(jī)地址則置P1.0為高電平，發(fā)送應(yīng)答信息，然后再置P1.0為低電平接收控制指令，繼續(xù)保持P1.0為低電平，使串行收發(fā)器處于接收狀態(tài);若不是本機(jī)地址，使P1.0為低電平，使串行收發(fā)器處于接收偵聽(tīng)狀態(tài)。

光信號(hào)取樣電路

光信號(hào)取樣電路如圖4所示，圖中主要由光信號(hào)采集電路和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換是電路的核心。信號(hào)經(jīng)過(guò)采集送入A/D轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)單片機(jī)處理后，最終作為系統(tǒng)應(yīng)用程序進(jìn)行開(kāi)關(guān)燈判斷的依據(jù)。 A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)應(yīng)根據(jù)信號(hào)的測(cè)量范圍和精度來(lái)選擇，使其有足夠的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，保證最大量化誤差在設(shè)計(jì)要求的精度范圍內(nèi)。本系統(tǒng)中，信號(hào)的測(cè)量范圍的電壓：0.00—9.99V，精度0.01V。 在本次設(shè)計(jì)中選用了帶串行控制的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC1549，它是由德州儀器(Texas Instruments簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)I)公司生產(chǎn)的，它采用CMOS工藝，具有自動(dòng)采樣和保持，采用差分基準(zhǔn)電壓高阻抗輸入，抗干擾性能好，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，總不可調(diào)整誤差達(dá)到(±)1LSB Max，芯片體積小等特點(diǎn)。同時(shí)它采用了Microwire串行接口方式，故引腳少，接口方便靈活。與傳統(tǒng)的并行方式接口A/D轉(zhuǎn)換器(例ADC0809/0808)相比，其單片機(jī)的接口電路簡(jiǎn)單，占用I/O口資源少。

圖4光信號(hào)取樣電路

本文基于AT89C2051單片機(jī)的智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)方法。首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求用Protel DXP軟件繪制出原理圖，然后依據(jù)原理圖選擇元器件，在實(shí)驗(yàn)板上布置元器件并連接線路，對(duì)硬件電路進(jìn)行測(cè)試，檢查串行口是否選錯(cuò)，測(cè)量電源是否正常，復(fù)位電平是否正確，單片機(jī)是否起振等等。由于此設(shè)計(jì)是在相對(duì)理想的情況下設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需把燈光控制系統(tǒng)和放映設(shè)備電源分開(kāi)。當(dāng)應(yīng)用于其他工作場(chǎng)所時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需要添加或者減少部分模塊，如在道路使用時(shí)，則不需要時(shí)間控制電路;在室內(nèi)使用時(shí)，還可以添加無(wú)線模塊，方便控制。