小区公共照明智能控制系统毕业答辩论文样本.docx
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小区公共照明智能控制系统毕业答辩论文样本
小区公共照明智能控制系统毕业答辩论文
毕业论文(设计)
2012届电气工程及其自动化专业班级
题目小区公共照明智能控制系统的设计
姓名学号
指导教师职称
二О一二年五月十八日
内容摘要
随着社会的发展人们对生活质量的要求越来越高,为方便生活越来越多的人们在各个场所引入照明设备,公共照明在能耗中所占的比例日益增加。
由此,为了方便人们的生活,研究设计一种既智能又节能的控制系统来替代现有的产品是一件极其有意义的工作。
该系统模型分为管理系统和控制系统两部分,本文阐述了基于单片机技术的控制系统及VisualBasic开发的管理系统。
控制系统包括上位机和下位机两部分。
下位机照明控制系统的控制器是以AT89C52单片机为基础,并通过RS485接口标准来实现各个控制器的通信、控制与显示等功能,控制器根据外界的光照强、声音以及时钟来控制照明设备的开关。
同时还设置是运行提示以及报警系统,还加了手动开关以弥补自动控制的不足。
本系统的下位机软件部分采用C语言来编程,上位机采用VB来实现,并通过protel对电路进行设计。
该系统灵活性强,易于操作,方便实用,将大大的节省人力、物力和时间,真正了实现公共照明的智能控制。
关键字:
小区公共照明系统;单片机;AT89C52;智能控制;RS485;VB系统开发
Thedesignoftheintelligentcontrolsystemonpubliclightingofresidentialareas
Abstract
Withthedevelopmentofsocial,thereisagreaterdemandforabetterlifequality.Fortheconvenienceoflifemoreandmorepeopleareleadingintolightingequipmentinvariousplaces.Sopubliclightingenergyconsumptionisincreasinginpropotion.Therefore,inordertomakethingsconvenientforthepeople,itwillbeaverymeaningfulworktodesignanintelligentcontrolandenergy-efficientsystemtoreplacetheexistingproducts.
Thesystemmodelisdividedintotwopartsofthemanagementandcontrolsystems.ThisarticledescribesamanagementsystembasedonmicrocontrollertechnologycontrolsystemsandVisualBasicdevelopmentmanagementsystem.Thecontrolsystemconsistsofuppercomputerandlowercomputeroftwoparts.ThelowerofcomputerlightingcontrolsystemcontrollerisbasedonAT89C52mrocontroller,andtheyachieveeachcontroller’scommunication,controlanddisplay,andsoonbymeansoftheRS485interfacestandard.Accordingtotheoutsidelight,soundandclockswitchcontrollercontrollightingequipmentswitch.Italsosetuptherunningprompt、thealarmsystemsandamanualswitchtomakeupforthelackofautomaticcontrol.ThesoftwarepartofthelowermachineinthissystemadopttheClanguageprogramming,andtheuppermachineadoptVBlanguageprogramming,andtheelectriccircuitisdesignedbytheprotelsoftware.
Byitsflexibility,easyoperationandpracticalconvenient,itwillgreatlysavemanpower,materialandtime,andbetrulyrealizedthepubliclightingofintelligentcontrol.
KEYWORD:
Residentialpubliclightingcontrolsystem,Single-chipmicrocomputer;Sensor;Intelligentcontrol;VBsystemdevelopment
小区公共照明智能控制系统的设计
第一章绪论
课题研究意义
近年来随着经济的发展和科技的进步,人们对照明的要求也越来越高,传统的手动照明控制系统技术受到了时代的强烈冲击,“智能照明”技术随之出现,并迅速地向前发展。
一般来说,手动控制系统指的是个人通过按钮的切换、旋转、揿动或遥控器和其他途径执行操作的单一开关或一组开关和调光装置构成的系统,小规模情况下,的确具有成本低廉的优点,但随着照明系统规模的扩大,手动控制将失去其成本上的效益。
此外,不需要照明时,是否关灯完全决定于人为因素,难免浪费电力增大能耗,照明范围越大,问题尤其严重。
相对智能照明控制系统而言,传统控制方式简单、有效、直观。
但它过多依赖控制者的个人能力,控制相对分散和无法有效管理,其实时性和自动化程度太低。
正因为此,照明的智能自动化研究有着极其有重要的意义。
小区公共照明设施的控制系统,是现代计算机集控技术和通讯技术发展的必然结果,是路灯管理系统发展的必然方向。
该系统涉及计算机技术、通信技术、自动控制技术等多个领域的最新科研与技术研究成果。
它的采用和推广,能提高小区公共照明设施的管理水平。
国内外研究现状
目前,纵观国内外研究开发的智能照明控制系统,按其通信介质主要有总线型、电力线载波型、无线网络型等。
按照网络的拓扑结构可以分为集中式或分布式。
集中式智能照明控制系统主要为星形拓扑,即以中央控制节点为中心,把若干外围节点连接起来的辐射式互连结构。
各照明控制器、控制面板等设备均连接到中央控制器(CPU)上,由中央控制器向照明控制器等末端执行单元传送数据包;分布式智能照明控制系统以中央监控为中心,组建控制主干网和多个控制子网,各照明控制器,控制面板等设备均具有中央处理器CPU单元,每个控制器和面板都可以直接连接在子网上。
第二章系统设计概述
系统设计要点
所研究的控制器以自然光强度和声控作为控制器的主要输入参数。
可以实现自动与手动控制相兼容。
在自然环境光较强光线足够时,无论人是否存在,都不开灯;在自然环境光较弱时,而且又是人流高峰期时可以设置为一直处于开灯状态;当不在高峰期时,需要有声音传过来打开开关,从而开灯一段时间;同时也要设置机械开关来手动控制,以解决因特殊情况下,自动控制器的不人性化运行。
系统设计主要包括硬件和软件两大部分,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52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。
为了实现智能控制,可以通过VB开发一个管理界面,实现上位机的管理,来查看照明设备的运行情况,当然也可以通过本上位机来进行开关。
单片机和计算机的可以连接,只能通过RS232来实现,因为目前计算机仅提供了RS232接口,然而本系统会有多个控制器,而且距离又比较远,可以考虑RS485半双工主从式通讯,所以要想和计算机实现通信,又必须添加RS485/RS232转换器。
系统的结构主要由三部分组成:
(1)上位机系统;
(2)下位机系统;(3)通信系统。
这三部分共同完成了主控制器通过有线通信方式与分控制器进行信息交换,达到控制照明灯具的目的。
通信模块
本系统要多机通信系统采用RS-485半双工主从式通信系统,主机可以发送数据或命令到从机,从机主要负责对分布的照明灯具进行控制,用中断的方式接收主机发来的命令或数据并做出回应。
。
有线通信系统的结构框图
为了能得到智能控制,使管理人员足不出户就能观察到照明设备的运行情况,采用RS232接口标准,连接上位机和下位机,也就是主控机和PC机。
。
上位机模块
上位机系统主要是指PC,本系统采用PC机,系统的主控机将数据处理之后通过RS232总线发送给上位机系统。
上位机系统使用VB语言开发的,该系统可以进行开灯、关灯以及故障检测。
这样,不仅界面友好,清晰明了,而且易于操作。
这种形式是未来智能控制的发展趋势。
下位机模块
系统的下位机是关于照明设备的具体设计和安装的控制系统,小区公共照明包括很多部分,而且有可能控制的类型也不尽相同,所以可以把下位机分为主控机和分控机,主控制器通过RS-485总线将数据命令发送给分控制器或者接收数据命令,同时还应该设置复位电路为单片机跑飞等故障准备,并设有手动开关以弥补自动控制的不足。
分控制器接收主控制器的发来的数据和命令,通过电磁继电器对照明灯具进行开关控制,并且利用光敏器件测试光线的强度、利用话筒以及实时时钟芯片对照明灯具进行定时开关控制,同时为了弥补自动控制的不足,添加了手动开关,并使用一个发光二极管来显示系统是否正常运行,还设置了故障检测报警电路和复位电路。
系统在单片机的控制之下完成数据的通信、显示,同时能够控制照明灯具,其硬件电路只是系统的实施工具,大量的工作是由软件来完成的。
这些程序是系统的灵魂,是负责完成硬件电路实现功能和与用户交互的桥梁,是维护系统正常工作的工具。
第三章系统硬件电路设计
主控机的设计
主控制器采用AT89C52单片机作为微处理器,AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机,片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEPOM)和256bytes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,与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大强大。
AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。
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AT89C52引脚图
主控制器系统的外围接口电路由晶振、复位电路、通信接口电路、机械开关和运行指示灯等几部分组成。
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主控机电路图
分控机的电路设计
分控机可以采用低档型的AT89C2051单片机作为微处理器,但是考虑到该芯片的引脚不够用,如果进行扩展的话,不仅给系统带来麻烦,而且成本也不划算,所以分控机也采用AT89C52来做控制机。
分控机有晶振、复位电路、通信接口电路、机械开关、运行指示灯、测量光照、感知声音及时钟等电路,由于大小有限,:
光照检测的设计
采用光敏电阻把环境亮度转换成相应的电压值(模拟值),然后通过运放后给单片机输入一个标准的数字信号。
光敏电阻属于纯阻性器件,引入后不会存在对其它器件造成干扰,而且电路也不复杂,所以采用此方案。
本系统为了仿真采用可变电阻来代替。
为了实现智能照明的功能,本系统采用了数模转换,将光照转换成一定的值,根据这个值,当光照达到固定值时才开灯。
A/D转换器采用ADC0804,通过总线和控制器连接。
光敏电阻一端接5V正极,另一端与电阻分压,当有光照射时,光敏电阻阻值下降。
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光照检测电路
声响探测模块采用驻极体话筒作为探测器,接在三极管的基极与普通电阻作分压式连接,当有声波作用于话筒时,使驻极体话筒的内阻急剧下降,改变三极管的基极偏压,促使三极管的工作状态翻转,通过电平变换电路,为控制器提供检测状态,达到判断有无声响的目的。
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声音检测的电路
驻极体话筒一端接电源正极,另一端接三极管NPN的基极和分压,当驻极体话筒有声波作用,驻极体话筒的内阻急剧下降,改变三极管的基极偏压,使三极管由高电平转向低电平,再由7HC04高速门电路整形成标准TTL电平。
系统时钟电路
为实现精确的时钟功能并节省单片机I/O口资源,该设计使用专用的接口方式为串行的时钟芯片DS1302,该芯片线路简单、体积小,易于操作,且价格低廉。
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路,它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,具有闰年补偿功能,~。
采用三线接口与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。
DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302是DS1202的升级产品,与DS1202兼容,但增加了主电源/后背电源双电源引脚,同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
另外该芯片有备份电源引脚,可以在断电后仍能工作,以保证时钟的准确性。
DS1302与单片机之间能简单的采用同步串行方式进行通信,仅需用到三个口线:
(1)RES(复位),
(2)I/O(数据线),(3)SCLK(串行时钟)。
X1和X2是振荡源,。
RST是复位/片选线,通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。
RST输入有两种功能:
首先,RST接通控制逻辑,允许地址/命令序列送入移位寄存器;其次,RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。
当RST为高电平时,所有的数据传送被初始化,允许对DS1302进行操作。
如果在传送过程中RST置为低电平,则会终止此次数据传送,I/O引脚变为高阻态。
上电运行时,在Vcc>,RST必须保持低电平。
只有在SCLK为低电平时,才能将RST置为高电平。
DS1302存在时钟精度不高,易受环境影响,出现时钟混乱等缺点。
DS1302可以用于数据记录,特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录,能实现数据与出现该数据的时间同时记录。
这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。
传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样,没有具体的时间记录,因此,只能记录数据而无法准确记录其出现的时间;若采用单片机计时,一方面需要采用计数器,占用硬件资源,另一方面需要设置中断、查询等,同样耗费单片机的资源,而且,某些测控系统可能不允许。
但是,如果在系统中采用时钟芯片DS1302,则能很好地解决这个问题。
DS1302工作时功耗很低,保持数据和时钟信息时功率小于1mW。
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时钟电路
故障检测及报警电路的设计
采用数控恒流源,通过改变恒流源的外围电压,利用电压的大小来控制输出电流的大小。
电压控制电路采用数控的方式,利用单片机送出数字量,经过D/A转换转变成模拟信号,再送到大功率三极管进行放大。
单片机系统实时对输出电流进行监控,采用数字方式作为反馈调整环节,由程序判断是否故障。
当单片机检测故障信号后,将通过软件使蜂鸣器发出报警信号。
光报警电路采用发光二极管LED来实现,声音报警电路是采用蜂鸣器来实现的。
:
故障检测及报警电路
为确保微机系统中电路稳定可靠工作,复位电路是必不可少的一部分,复位电路的第一功能是上电复位。
一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%,~。
由于微机电路是时序数字电路,它需要稳定的时钟信号,因此在电源上电时,,复位信号才被撤除,微机电路开始正常工作。
单片机复位电路方式主要:
(1)手动按钮复位;
(2)上电复位;(3)积分型复位。
本设计采用上电复位方式,:
机械开关的引入
智能控制也是用自身的不足,为了弥补这个不足而引入机械开关,同时还要设置了运行指示灯,如果是正常运行的情况,则发光二极管会亮。
:
手动开灯
照明设备驱动方式
采用继电器控制。
继电器是一种当输入量(电、磁、声、光、热)达到一定值时,输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。
其具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。
广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。
根据结构不同,可以将其分为电磁继电器、热敏干簧继电器、固态继电器、磁簧继电器、光继电器等型号。
由于电磁继电器简单易用,开关状态极其容易判断,所以本设计采用电磁继电器来控制。
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RS-485总线通信电路的设计
由于RS-232接口标准出现较早,难免有不足之处,主要有以下四点:
(1)接口的信号电平值较高,易损坏接口电路的芯片,又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。
(2)传输速率较低,在异步传输时,波特率为20Kbps。
(3)接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式,这种共地传输容易产生共模干扰,所以抗噪声干扰性弱。
(4)传输距离有限,最大传输距离标准值为50英尺,实际上也只能用在50米左右。
针对RS-232的不足,于是就不断出现了一些新的接口标准,RS-485就是其中之一,它具有以下特点:
(1)RS-485的电气特性:
逻辑"1"以两线间的电压差为+(2-6)V表示;逻辑"0"以两线间的电压差为-(2-6)V表示。
接口信号电平比RS-232-C降低了,就不易损坏接口电路的芯片,且该电平与TTL电平兼容,可方便与TTL电路连接。
(2)RS-485的数据最高传输速率为10Mbps
(3)RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干能力增强,即抗噪声干扰性好。
(4)RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺,实际上可达3000米,另外RS-232接口在总线上只允许连接1个收发器,即单站能力。
而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。
即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。
(5)因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性,长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。
因此,本系统的有线通信方式采用RS485总线进行通信,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。
多机通信时,为了保证通信的可靠性,在点到点通信时,采用了寻址技术,即主机先发送一帧地址信息给各个从机,各从机接收到主机发来的地址信息后,便与本机的地址号相比较。
若相同,则开始与主机的通信;若不同,则不理睬主机发送的数据信息,也不向主机发送信息。
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RS485通信电路
RS-232总线通信电路的设计
由于PC机默认的只有RS232接口,因此需要通过RS-232总线来和PC机连接。
由于本系统的主分控机采用了RS-485总线,原则上可以通过RS485/RS232转换器来和PC机连接,考虑到成本问题和主控机的实际情况(有多余的引脚),所以直接通RS232接口来和PC机连接。
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RS-232通信电路
第四章下位机软件设计
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。
在公共照明智能控制系统中,硬件设备的功能是由软件来定义的,软件是整个系统模型中的一个重要组成部分。
本着软件设计的基本方法,该系统模型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。
。
下位机结构图
在这个系统模型中采用的是主从式通信方式,主控机处于主导和支配地位,从控机一般以中断方式来接收和发送数据。
在主从式多机系统中主机发送的信息可以传送到所有的从控机或指定的从控机,以此来控制照明设施的开关,从控机也可以自己开关灯,并向主控机传送信息,以便于主控机或者是上位机(PC)来控制。
在本系统中采用广播式命令,从机之间不能直接通信。
本系统主控机和从控机均由AT89C52单片机实现。
主控机的流程图
主控机的功能主要是接收PC机和从控机的数据,并对数据进行处理发送给从控机和PC机。
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主控机数据通信流程图
从控机软件设计
下位机的从控机主要是解决公共照明设备的声音控制、光照控制、时钟控制、故障检测及报警和与主机的通信等问题。
从控机自动控制开关灯的流程图
自动控制主要是采用声控、光控来实现,并有配合时钟系统,:
手动控制照明的流程图
手动开关的引入是为了弥补自动控制的不足,:
手动控制照明的流程图
故障检测及报警流程图
当从控机检测到公共照明设备有短路或断路信号后,将LED点亮,同时使蜂鸣器发出报警信号。
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从机故障检测及报警的流程图
RS485通信的流程图
主从控机机通信接收和发送数据两个部分,从机部分的数据通信过程受主机控制。
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从机数据通信流程图
第五章上位机软件设计
上位机系统(即PC机管理中心)是人机交互的一个程序,是小区公共照明智能控制系统模型的核心部分。
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上位机系统总体结构图
管理系统的设计要求
在设计小区公共照明智能控制系统软件之前要首先分析用户的需求。
用户需求包括功能需求和使用需示两个方面。
功能需求是用户要求系统所应具备的性能、功能,而使用需求是用户要求系统所应具备的可使用性、易使用性。
目前对大量非计算机专业用户而言,可使用性往往更重要。
公共照明设施管理软件是个相对较小的人机界面程序,在设计时不必搞得太繁琐,尽可能做得灵活、简明,且有提供帮助的功能就可以了。
根据公共照明设施管理问题的自身关系,管理软件应具备以下特点:
(l)界面整洁、大方,适于长期面对和管理;
(2)操作简单,易掌握,有良好的用户友好性;(3)抗干扰能力强,不会因个别误操作而导致系统瘫痪;(4)安全性要好,内部数据不能轻易被破坏或丢失。
从以上特点可以看出,这里要做的实际就是所说的人机界面。
人机界面是介于用户和计算机系统之间,是人与计算机之间传递、交换信息的媒介,是用户使用计算机系统的综合操作环境。
通过人机界面,用户向计算机系统提供命令、数据等输入信息,这些信息经计算机系统处理后,又通过人机
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