基于单片机智能照明系统主控制器设计.docx

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基于单片机智能照明系统主控制器设计

湖北省高等教育自学考试毕业论文

基于单片机智能

照明系统主控制器的设计

主考院校：

武汉大学

专业：

电子工程

指导老师：

谷瑜青老师

考生姓名：

何贤云

准考证号：

************

2017年2月28日

摘要

随着社会的进步,照明系统的人性化，智能化，节约化显得尤为重要，既适合了人类的需求，又响应了国家的绿色经济发展战略，随着国家提倡低碳经济的发展，公共场所照明系统的改进显得尤为重要，节能和智能科技变为主题，近年来，随着科技的进步，人们对照明灯具节能和科学化管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化领域的地位越来越重要，现在引入绿色照明的概念，所以更应营造一个舒适的视觉环境来减少光污染，照明已经成为直接影响工作效率的主要因素之一，因此，越来越引起人们的高度重视，做好照明设计，加强照明控制设计，智能照明系统充分利用电子技术、通信技术和计算机网络技术将各种照明器具有机的连接在一起，实现有效的管理和控制。

智能照明系统正是21世纪的趋势之一。

系统中的智能灯光节点能够根据外界光强自适应调整自身灯光亮度，周期性采集室内光强、有无人进出等环境信息，并及时响应用户的控制命令。

随着LED性能的不断改善和价格的不断降低，高亮度LED取代传统光源应用于通用照明是未来的发展趋势。

设计了一套基于单片机MCU控制的LED智能照明系统，LED采用恒流驱动，PWM调光方式。

其中光强度传感器使得LED能够根据环境需要自动调节自身亮度声控开关方便操作。

详细给出了各个部分的设计。

实验表明，系统长时间运行稳定，高效节能，白光质量好，适用于公共场所通用照明，针对传统照明系统布线麻烦、节能效果差等缺点。

本文设计的照明系统通过动态侍感器、照度传感器、通讯装置等使得照明变得更加智能、人性化：

有效节省了电费与管理费用。

关键词：

智能化人性化节能绿色高亮度LEDPWM调光

第1章绪论

1.1课题研究背景意义

随着计算机网络、通信、控制等技术的发展,智能建筑的发展越来越迅猛。

现代化建筑中的楼宇自控设备和不同功能的系统越来越多,越来越复杂，目前，国内大多数智能建筑存在效率低、能耗高的现象。

就智能建筑的照明系统来说，许多地方的灯经常是从早到晚开着的，不管这些房间或楼道是否有人，也不管有多少人。

无论何种建筑,也不论该建筑的智能化程度有多高,照明控制一直在其楼宇自控系统中占据十分重要的位置。

我们用智能照明系统主控制器，实现照明的人性化，个性化，LED大大降低了系统的开发难度、组成成本,缩短了开发周期。

该系统投资少、功能强、可靠性高、便于扩展,特别适合大型的智能办公大厦对灯光设备的控制需要。

在市场上具有强劲的竞争力。

1.2国内外发展现状

目前，国内大多数智能建筑存在效率低、能耗高的现象。

就智能建筑的照明系统来说，许多地方的灯经常是从早到晚开着的，不管这些房间或楼道是否有人，也不管有多少人。

无论何种建筑,也不论该建筑的智能化程度有多高,照明控制一直在其楼宇自控系统中占据十分重要的位置。

现代照明除了满足人的基本生活、学习要求之外,将更注重能量的节省和使用上的便利，以及满足人类工程学的个性方面的要求。

特别是近年来大厦内利用计算机工作的人员比例上升，不同视觉要求的工作的数量和复杂程度大大增加。

所以要做到合理、经济、节能，首先应采用先进成熟的技术和产品，如电光源、灯具、照明控制系统。

因此，适应不同个人和工作需要，结合自动调节与手动调节的智能化照明系统已经成为必不可少了。

1.3文本所作的工作

1.3.1节能方面作的工作

照明领域的能源消耗在总的能源消耗中占了相当大的比例节约能源和提高照明质量是当务之急。

LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦），电光功率转换接近100%。

一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能80%以上。

1.3.2改善工作环境与提高工作效率作的工作

良好的工的环境是提高工作效率的很重要的条件，合理的利用智能照明系统的主控制器，可以提高照明系统的工作效率，智能照明系统是有开关和调节两种控制方法，可以有效的控制各种照明场所的智能照明，改善工作环境，从而提高工作效率，提高照明均匀性，同时系统能根据不同的照明强度，自动调节照明亮度。

第2章系统设计

2.1系统的功能和指标

本系统是以单片机为控制器的核心，以AT89C51为基础，以光敏电阻为信号采集单元，再连接外围电路，通过单片机通信方式实现照明灯具的智能控制。

以下是各部分器件的选择与基本介绍。

2.2核心器件的比较与选型

2.2.1单片机选择

方案一MCS-51单片机

AT89C51是一种4k字节存储器，低电压，高性能的存储器，俗称单片机。

它与MCS-51兼容，寿命和数据保留时间长，两个16为定时器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗，它是MSC-51单片机中应用最广泛的型号，以它为代表进行参数介绍，它的组成部分是，微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。

通过片内单一总线连接而成，其基本结构是CPU加上外围芯片的传统结构模式。

但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。

其内部结构主要有以下几部分：

1，一个八位的中央处理器（CPU），是单片机的核心，2，128个字节的内部数据RAM，地址为00H~7FH，3，21特殊功能寄存器SFR，离散分布于地址80H~FFH中，4，程序计数器PC，是物理上独立的十六位专用寄存器，5,4k字节FLASH内部程序存储器，6,4个8位可编程I/O口，,7，1个UART串行通信口，8，2个16位定时器，9,5个中断源，两个中断优先级的中断控制系统，10，一个片内振荡器和时钟电路，11，用于扩展RAM,ROM等结构，地址总线，数据总线，控制总线，

方案二AVR单片机

精简指令集的高速8位单片机，简称AVR，相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片机。

选择AVR单片机的最主要原因，是进入AVR单片机开发的门槛非常低，只要会操作电脑就可以学习AVR单片机的开发。

单片机初学者只需一条ISP下载线，把编辑、调试通过的软件程序直接在线写入AVR单片机，即可以开发AVR单片机系列中的各种封装的器件。

AVR单片机的I/O口是真正的I/O口，能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。

工业级产品，具有大电流（灌电流）10～40mA,可直接驱动可控硅SCR或继电器，节省了外围驱动器件。

由于采用了高性能的MCU,省掉了大量的外围器件,如外扩RAM、ROM存储器等,使硬件结构大大简化,提高了系统的可靠性。

它与其他类型的单片机，AVR它有以下优点：

首先，AVR单片机是高速嵌入式单片机。

AVR单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行。

多累加器型，数据处理速度快。

AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行、中断响应速度快。

AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断。

其次，AVR单片机耗能低。

对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备。

有的器件最低1.8V即可工作。

再次，AVR单片机保密性能好。

它具有不可破解的位加密锁LockBit技术，保密位单元深藏于芯片内部，无法用电子显微镜看到。

第四，I/O口功能强,具有A/D转换等电路，有功能强大的定时器/计数器及通讯接口。

综上两种方案分析，除了以上两种单片机，还有许多种类其它结构的单片机，如果实现本系统，基本上以上两种类型的单片机都能实现，考虑到MCS-51单片机具有较强的代表性以及该系列单片机资料较多，本设计采用AT89C51来实现。

2.2.2光照检测方式

方案一、采用光敏二极管或三极管等光传感器件把环境亮度转换成相应的数字电平，然后直接接入单片机IO引脚。

方案二、采用光敏电阻利用桥式电路把环境亮度转换成相应的电压值，然后通过运放后给单片机输入一个标准的数字信号。

由于光敏电阻属于纯阻性器件，所以采用方案二。

在本次设计中选用了带串行控制模数转换器TLC3545，LC3545是一个家庭的高性能，14位，低功耗，微型CMOS模拟-数字转换（ADC）。

这种芯片只需要单一的+5V电源就能工作。

该芯片有单端输入，双端输入或单伪差分输入可选择。

该芯片有一个片选（CS），串行时钟（SCLK），串行数据输出（SDO），以及提供了一个最流行的串口直接的3线接口主机微处理器（SPI接口）。

当与DSP连接时，TLC3545ADC的连接只有通过引脚1到DSP（CS）。

TLC3545设计工作具有功耗低，以及自动电源关闭模式使节电功能进一步加强。

该产品系列具有一个高速串行链路与外部SCLK到现代的主机处理器15兆赫。

这种芯片使用一个内置的振荡器转换时钟，提供了2.67微秒最大转换时间。

为使电桥测得的微弱电信号与TLC3545级联，选取一片OP07搭建反向放大与PGA203进行级联放大。

其中PGA203其主要放大作用，而OP07起放大调节作用，从而实现微弱电信号与TLC3545的良好级联。

2.2.3声控开关检测方式

前期拾音器多采用高增益、内部频率补偿的双运算放大器：

3558，LM358，NE5532等，从而实现信号放大及降噪作用。

在此类拾音器中，由于只采用简单的RLC选频网络，会出现噪音去除不干净的现象。

高性能拾音器，产品内置数字降噪及浮点相位处理芯片，可以最大限度地降低噪音，还原人声，适合于性能要求高的环境。

声控开关，全称是声控延时开关，是一种内无接触点，在特定环境光线下采用声响效果激发拾音器进行声电转换来控制用电器的开启，并经过延时后能自动断开电源的节能电子开关。

对于4个二极管而言，从左至右，从上至下，我们将其分为VD1，VD2，VD3，VD4。

当交流信号的正半周的时候，二极管VD1，VD4导电，VD2，VD3截止；当信号变化为负半周的时候，VD2，VD3导电，VD1，VD4截止。

正、负半周均有电流流过后面的负载电阻，而且无论在正半周还是负半周，流过后面的负载电阻的电流方向是一致的，因而使输出电压的直流成分得到提高，脉冲成分被降低。

本模块由驻极体话筒MIC、运算放大器UA741和NE5532、双电压比较器LM393组成。

由话筒将声音信号采集，送给接成射极跟随器的UA741，再由NE5532构成的放大器将声音信号进行放大送给比较器。

最后由比较器送出开关信号给单片机处理，从而实现开关灯目的。

uA741M，uA741I，uA741C（单运放）是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。

这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。

NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。

与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。

因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器。

用作音频放大时音色温暖，保真度高，在上世纪九十年代初的音响界被发烧友们誉为“运放之皇”，至今仍是很多音响发烧友手中必备的运放之一。

LM393是双电压比较器集成电路。

LM393是高增益,宽频带器件，象大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。

2.2.4LED的调光控制

作为一种光源，调光是很重要的。

不仅是为了在家居中得到一个更舒适的环境，在今天来说，减少不必要的电光线，以进一步实现节能减排的目的是更加重要的一件事。

而且对于LED光源来说，调光也是比其他荧光灯、节能灯、高压钠灯等更容易实现，所以更应该在各种类型的LED灯具中加上调光的功能。

其中模拟调光是直接改变通过LED的最大电流，白光质量差，容易形成色偏，故而采用PWM调光。

其原理如下：

1、PWM信号的原理和形成

脉冲宽度调制（PWM），是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：

相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。

可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。

电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。

通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

PWM原理是以一固定直流电压经过以一定频率打开与闭合的开关K，从而控制改变LED上的电压。

设当LED接通时的最大电流为Imax。

开关开闭周期为T，每次闭合时间为t，则当占空比为D=t/T时，LED的平均电流为：

Id，可知，当T不变（即开关的开关频率同定）时，只要改变导通时间t，就可以改变LED两端的平均电流。

从而改变LED的亮度。

脉冲调宽信号的形成电路有3种：

1）可用电压-脉宽变换器产生，即硬件产生脉宽调制信号;2）由软件定时产生，由定时器定时，定时时间受软件控制，并从脉宽信号的输出口P1.0或其他口输出脉宽可调信号;3）由单片机控制外接定时/计数器（如8253）硬件电路产生脉宽调制信号，只需用两个计数器分别工作于，方式l和方式2，通过硬件连接便可以产生脉宽调制信号。

其中，第1种是硬件电路实现，电路复杂。

第2种使用定时器TO，但由于系统计数器不足，必须扩展。

第3种是利用8253，非常方便，而且占用的软件时间少。

考虑到成本及整个系统的简化，本设计直接利用AT89C51单片机产生脉宽调制信号。

2、PWM驱动白光LED

LED的发光强度基本上正比于通过LED器件的电流，这说明脉冲电流的平均电流与直流电流相同的条件下，LED的发光亮度一样。

另外，用高幅值的脉冲电流驱动LED，然后通过调节脉冲的占空比获得较合适的平均电流，这样可以降低功耗。

因为当LED工作在脉冲状态时，人眼觉察到的LED亮度值是介于峰值亮度与平均亮度值之间的。

因此，脉冲电流驱动LED可比直接恒流驱动的LED更亮，即获得同样的发光亮度，脉冲电流驱动方式比直流电流驱动方式所需要的平均电流值更小。

其次，对于LED，如果采用脉冲电路驱动，其控制部分采用脉宽调制方式，与恒流控制方式相比，控制部分的控制效率会有比较大的提升，另外还可去掉限流电阻或减小其值。

因此，从节能的角度出发，采用脉冲电源驱动方式更好。

脉冲驱动方式是利用人眼的视觉惰性，采用重复向LED器件通断供电的方式使之点亮的。

但采用这种驱动方式通常需考虑脉冲电流幅值的确定和重复频率的选择。

要获得与直流驱动方式相当的发光强度，脉冲驱动电流的平均值Ia应与直流驱动的电流值相同。

可见脉冲驱动时，脉冲电流的幅值是直流驱动电路的电流幅值的T/ton倍。

需注意驱动器件的工作频率，当频率超过一定范同，器件将无法正常工作，因为器件无法正常导通和关断。

LED的工作频率是10MHz到几百MHz范围内。

图2.1系统硬件总述图

第3章硬件设计

系统以单片微型计算机为核心外加多种接口电路组成，共有五个主要部分，AT89C51芯片、光信号采集电路、声控开关电路、键盘电路、LED驱动电路、LED供电电路。

3.1单片机中各个小系统介绍

3.1.1AT89C51引脚介绍

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，用于外部程序数据存储器，可以被定义为数据/地址的第八位。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O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，可用作输出。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，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。

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，当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，用作输入。

当外部下拉为低电平，P3口将输出电流，作为输出。

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。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间选通外部程序存储器不管有无内部程序存储器。

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。

图3.1AT89C51的引脚图

3.1.2CPU时钟电路

AT89C51单片机有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷振荡器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，见图如下。

图3.2AT89C51的时钟电路

外接晶振时，C1、C2值通常选择为30pF左右，外接陶瓷振荡器时，C1、C2约为47pF。

C1、C2对频率有微调作用，震荡频率范围是1.2—12MHz。

3.1.3复位电路

AT89C51通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。

上电复位电路在通电瞬间，在RC电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。

按键手动复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位，按键电平复位是将复位端通过电阻与Vcc相连，按键脉冲复位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位的目的。

本设计采用按键电平复位方式，见图如下。

图3.3AT89C51的复位电路

3.2光信号取样电路设计

本模块主要用来检测周围环境的光强度，并根据环境亮度来开/关LED灯或调节其亮度值。

主要由光信号采集电路、运放电路和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。

其中光采集电路有光敏电阻与另外3个电阻组成的桥式电路构成，这样可以提高微弱信号采集的灵敏度。

由于桥式电路的原理及应用比较普遍和简单。

而光敏电阻采集的信号太小，无法驱动TLC3545，故需进行放大处理。

考虑到实际操作时为方便放大倍数的调节，本模块选取一片OP07搭建反向放大与PGA203进行级联放大。

其中PGA203其主要放大作用，而OP07起放大调节作用，从而实现微弱电信号与TLC3545的良好级联。

这样在调节电路时只需改变滑动变阻的大小即可调适合的放大倍数，以下是完整连接图。

图3.4光信号取样电路

3.2.1仪表放大器的结构及使用

PGA203是一个单片仪表放大器。

PGA203提供1，2，4，8的增益，具有TTL或CMOS兼容输入，便于微处理器接口。

具有FET输入和新的跨电路，在整个带宽内增益几乎是恒定的。

允许增益和偏移激光微调，且无需任何外部元件。

这款放大器是陶瓷或塑料包装。

在整个工业温度范围内使用的是被指定的陶瓷封装，而商业范围使用的是塑料包装。

PGA203其内部结构如下图。

图3.5PGA203内部结构

其部分参数绝对最大额定值，供电电压为±18V，内部功耗为750mW，模拟和数字信号输入电压为±（VCC+0.5V）。

PGA203基本连接，电源应用1MF的钽电容进行去耦，钽电容应尽量靠近放大器的引脚端，避免增益和由外部元件所造成的误差，以使芯片达到最高性能。

任何的干扰都会导致检测端，引脚11，或VREF端，引脚4，的增益误差，因此这些线应保持尽可能的短。

为了保持电路稳定，应注意电容输入到输出或偏移调节端的电容。

图3.6基本电源连接

该芯片增益选择是通过A0（引脚1）和A1（引脚2）来控制。

图3.7PGA203的增益控制

如果放大倍数不够可以考虑采用2片PGA203级联进行放大。

3.2.2OP07的介绍及应用

OP07的功能介绍：

OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/m）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

特点：

超低偏移：

150μV最大。

低输入偏置电流：

1.8nA

低失调电压漂移：

0.5μV/℃。

超稳定，时间：

2μV/month。

高电源电压范围：

±3V至±22V。

引脚结构图如下。

图3.8OP07引脚结构

OP07芯片引脚功能说明及内部结构：

1和8为偏置平衡（调零端）：

2为反向输入端：

3为正向输入端：

4接地：

5空脚：

6为输出：

7正电源。

图3.9OP07内部结构

3.2.3TLC3545的介绍及应用

TLC3545的引脚功能介绍：

AIN（+）：

TLC3545的同相输入端；

AIN（-）：

TLC3545的反相输入端；

CS：

芯片的选择端。

当CS端有一个从高到低的电平跳跃，其数据输出口的高组态状态在最大延迟时间内消除。

GND：

内部电路的接地回路。

除非另有说明，所有电压测量均需接地。

SDO：

AD转换结果的3态串行数据输出口。

当CS为高电平是，SDO为高阻态的状态。

当CS为低电平时，AD才开始转换。

输出格式为MSB为最先输出的数据，其余的数据使当SCLK的上升沿才输出。

在每个SCLK的下降沿输出数据才是有效的。

当SCLK处于17个上升沿后，其输出状态变为高阻态。

SCLK：

串行时钟。

该芯片能从主控制器接受串行时钟。

REF：

外部参考电压输入端。

VDD：

正电源电压端。

TLC3545的内部结构图如下。

图3.10TLC3545内部结构图

当TLC3545工作时需要进行初始化，上电后的一个复位周期以正常运作。

在复位周期开始后至少一个SCLK周期，最短时间为CS引脚，引脚1，下降沿但不超过8个SCLK下降沿边缘长度。

在复位周期终止后CS变为高电平。

如果发出一个有效复位周期，SDO输出呈现以上周期数据是3FC0h的。

此输出代码是在确定一个有效的复位/初始化时发生。

下图为TLC3545与单片机的连接示意图。

图3.11TLC3545与单片机连接示意图

3.3声音信号采集电路

为解决传统的摸黑找开关、睡觉关灯等问题，特意设计此声控开关模块。

当人摸黑进入房间后，可以不必找开关，而是以掌声作为开灯信号。

其工作原理是，当声控开关接受到正确频率的声音信号后会在单片机的P2.0口产生一个低电平，单