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    3++智能家居照明控制系统硬件电路设计

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    3++智能家居照明控制系统硬件电路设计

    3 智能家居照明控制系统硬件电路设计 家居照明控制系统的智能化主要体现在两大功能模块上,一个是智能 调光装置,另一个就是光照度的检测、显示及补偿装置。下面主要就这两 方面来介绍智能照明系统的硬件设计,但这里要特殊申明的是,由于各种 原因在硬件的具体制作与实验方面,本人只制作了照度检测、显示及补偿 的演示装置。 3.1 主要元器件的选取 3.1.1 控制器的选择 硬件设计过程中控制器是系统的核心部分,它能够控制系统的信号的采集 及处理功能,它的性能的好坏决定着系统设计的成败与否,因此,必须对主控 制器从功能和应用性能进行选择。可选用控制器主要有可编程控制器PLC、单 片机两类,它们各有自己的有缺点。 可编程控制器(PLC是专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程 的存储器, 、用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算 术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入、输出控制各种类型的机 械或生产过程。它的主要功能是逻辑控制、定时控制、计数控制、步进控制、 PID 控制、数据控制、通信和联网等。因此它的抗干扰能力强,工作可靠,但 其无法读取外部存储器的数据。而本文智能家居照明控制系统要实现对照明的 人性化管理,也就是根据人的控制输入出现相应的照明场景和自动执行相应控 制输出相结合,具备很大的灵活性。方便修改相应的场景参数,易于功能扩展, 还可以与 PC 机以及与其它单片机进行通信。 由于单片机技术在各个领域得到越来越广泛的应用,世界上许多集成电路 生产厂家相继推出了各种类型的单片机。而单片机的设计在满足大多数测控参 数对数据处理速度和数据容量相对要求不高的前提下,大力发展了其控制功能 和控制运行的可靠性,因而更适合于检测、控制型应用场合。本系统并不需要 进行复杂数学模型的计算工作,数据容量也不多,非常适合使用单片机作为本 系统的微处理器。 而在单片机家族的众多成员中,AT89 系列单片机以其优越的性能、成熟的 技术及高可靠性和高性能价格比,迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主 要市场,成为国内单片机应用领域中的主流。目前,可用于 AT89 系列单片机开 发的硬件越来越多,与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善,因此, 可以极方便地利用现有资源,开发出用于不同目的的各类应用系统。由于 AT89S51 单片机是在 8031 的基础上推出的增强型产品,并提高了芯片的集成度, 因此在性能上大为提高,增加了多种片内硬件功能,并扩展了功能单元的种类 和数量。通过以上分析,最终选择 AT89S51 作为本系统的主控器。 3.1.2 显示器件的选择 显示主要有 LCD 显示和 LED 显示两种。液晶显示器 LCD是一种低功 耗的显示器件,在袖珍式仪表或低功耗应用系统中有广泛的应用。液晶显示器 有标准段式液晶显示器、字符点阵液晶显示器和全点阵图形液晶显示器三种。 液晶本身并不发光,而是借助自然光或外来光源显示数码,它的优点是工作电 压低,耗电极省、成本低。LED 显示器是由发光二极管显示字段组成的显示器, 有 7 段和 “米”字段之分。这种显示器有共阴极和共阳极两种。显示器有静态显 示和动态显示两种。静态显示是使需要显示的字符的各字段连续通以电流,因 而所显示的字段连续发光。动态显示是使所需要显示的各字段断续通以电流, 因而其发光是不连续的。对于本系统考虑成本及需求等方面,选择 LED 数码管 显示。 3.1.3 光照度检测元件的选择 光敏电阻在特定波长的光照射下,其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生 的载流子都参与导电,在外加电场的作用下作漂移运动,电子奔向电源的正极, 空穴奔向电源的负极,从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。 光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改 变的电阻器,又称为光电导探测器;入射光强,电阻减小,入射光弱,电阻增 大。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器,它是由半导体材料制成的。光敏电 阻器对光的敏感性(即光谱特性)与人眼对可见光(0.40.76)μm 的响应很接 近,只要人眼可感受的光,都会引起它的阻值变化。 http//baike.baidu.com/linkurlg4V__kyZ0Ounwp_BxRktav6_ZEKHGJQNBi8NJzy -v4jmtOtydMZ_y3gLlhenuYeb 光照度检测元件有光敏电阻、光敏三极管、光敏二极管等三种光敏元件。 使用光敏电阻作为光照度的检测元件,光敏电阻器由能透光的半导体光电 晶体构成 ,因半导体光电晶体成分不同,又分为可见光光敏电阻、红外光光敏 电阻、和紫外光光敏电阻。当敏感波长的光照半导体光电晶体表面,晶体内载 流子增加,使其电导率增加(即电阻减小)。值得注意的是,光敏电阻的光照 特性(随光照强度变化的特性)、温度系数(随温度变化的特性)、伏安特性 线性度不好,所以选择光敏电阻作为本次实验的光照度检测元件不是很适合。 使用光敏三极管作为光照度的检测元件,光敏三极管和普通三极管的结构 相类似。不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的 PN 结作为感光面,一般 用集电结作为受光结,因此,光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极 之间接有光敏二极管的普通三极管。当人射光子在基区及集电区被吸收而产生 电子一空穴对时,便形成光生电压。由此产生的光生电流由基极进入发射极, 从而在集电极回路中得到一个放大了 β 倍的信号电流。因此,光敏三极管是一 种相当干将基极、集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大。但结 构原因使结电容加大,响应特性变坏。所以选择光敏电阻作为本次实验的光照 度检测元件也不合适。 使用光敏二极管作为光照度的检测元件,光敏二极管是利用半导体材料的 光特性实现二极管的开关功能,光敏二极管和普通二极管相比虽然都属于单向 导电的非线性半导体器件,但在结构上有其特殊的地方。光敏二极管使用时要 反向接入电路中,即正极接电源负极,负极接电源正极。根据 PN 结反向特性可 知,在一定反向电压范围内,反向电流很小且处于饱和状态。此时,如果无光 照射 PN 结,则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限,反向饱和电流保持不 变,在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射 PN 结时,结内将产生附加的大量 电子空穴对(称之为光生载流子) ,使流过 PN 结的电流随着光照强度的增加而 剧增,此时的反向电流称为光电流。不同波长的光(蓝光、红光、红外光)在 光敏二极管不同区域被吸收形成光电流。光敏二极管和光敏三极管是光电转换 半导体器件,与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好,可靠性好、体积 小、使用方便等优点。正因为这些特点本系统主要选择光敏二极管作为光照度 检测元件。 3.2 电源电路设计 本系统主要采用+ -12V 电源和 5V 电源,电路图如图3-1 所示 图 3-1 电源电路 3.3 主控制电路设计 http//baike.baidu.com/linkurlfh3xbmSnq6zcxCUSehb7pkm7fNAP7t- bYiE3o_LrvR590L3oTTAcqoD1hoY9G6mChO6nHdB5aYxA6Qg0hpF-I_ AT89S51 的 RST 引脚为复位引脚,只要在 RST 引脚上出现两个机器周期 以上的高电平,即可实现复位。本设计采用的是按键复位,如图 3-2 所示,当 按下按键后,电容被短路,RST 引脚就处于高电平,就可以达到复位的目的。 图 3-2 复位电路 AT89S51 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到内部振荡方式和外 部振荡方式。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定。在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体振荡器简称晶振,就构成了内部振荡方式。由于单片机内部 有一个高增益反相放大器,当外接晶振后,就构成了自激振荡器并产生振荡时 钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如下图 3-3 所示。图中,两个电容起稳定振 荡频率、快速起振的作用,其电容值一般在 20-30pF。晶振频率的典型值为 6MHz 或 12MHz,设计中电容取 30pF,晶振为 12MHz。 图 3-3 晶振电路 本设计中单片机的各管脚的控制功能阐述如下 1P0 口是一组双向 I/O 端口,它分时提供低 8 位地址和 8 位双向数据。在设 计 中 P0.0~P0.7 接上发光二极管后与八个上拉电阻相连,用于模拟照度补偿。 2P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。本设计中 P1 口与两个 LED 数码管相接,构成光照度显示部分。 图 3-4 主控制电路 ⑶ P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。设计中,P2.2-P2.4 用于外 接 A/D 转换芯片,P2.0 和 P2.1 用于三极管的驱动,P2.5 用于采用 PWM 方式调 光,P2.6 和 P2.7 用于实现手动与自动切换及手动调光功能。 ⑷ P3 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。在整个系统中,这 8 个引 脚 还具有专门的第二功能。本设计中用到 P3.0 和 P3.1 作为串口输出,RXD 与 TXD 与电平转换芯片 MAX232 相连,信号经过电平转换后在 PC 机连接,通过 光照度监控系统对光照度进行计算机监控。具体见上图 3-4 所示。 3.4 数据采集及处理电路 3.4.1 数据采集电路 本设计中选择光敏二极管作为光照检测元件,具体电路如图 3-5 所示 由图可知,为了将电流信号转换成电压信号,这里采用了反相比例运算。即 或 3-1 outinF VIR  out in F V I R   其中输出电压; out V 光敏二极管的光电流; in I 反馈电阻,这里。 F R 23F RRR 若标定好光敏二极管的输出电流是每一百勒克斯为 0.55μA,此时若运算放大 器(OP07)的反馈电阻取为 180 kΩ,那么就可以得到 1 m A /lx 的灵敏度, F R 对于灵敏度的分散性,可以用电位器 R3 进行调整。图中的电容的作用是将电灯 光的明暗闪烁进行平均,使得输出不产生闪烁的现象,每 lx 的光产生的输入电 流为 (3-2) 此时 (3-3) 即每 lx 的光就可以得到 1 mV 的输出电压。 图 3-5 数据采集电路 3.4.2AD 转换电路 http//baike.baidu.com/view/2412671.htmfrwordsearch 模数转换芯片采用 ADC0832,接收经过运算放大器处理后的光照度的检测 值,经过 ADC0832 处理后送单片机进行数据处理。ADC0832 是美国国家半导体公司生产的 一种 8 位分辨率、双通道 A/D 转换芯片。由于它体积小,兼容性强,目前已经 0.55 100 uA I lx  0.55 1801.0 100 outF uA VIRKmV lx  有很高的普及率。ADC0832 具有一下特点 8 位分辨率; 双通道 A/D 转换; 输入输出电平与 TTL/CMOS 相兼容; 5V 电源供电时输入电压在 0~5V 之间; 工作频率为 250KHZ,转换时间为 32uS; 一般功耗仅为 15mV; 8P、14PDIP双列直插、PICC 多种封装; 商用级芯片温宽为 0~70,工业级芯片温宽为-40~85。 ococococ 其封装图如下图 3-6 所示 CS REF VCC V 0CH CLK 1CH 0D GND 1D 图 3-6 ADC0832 封装图 芯片接口说明 片选使能,低电平芯片使能;CS CH0 输入通道 0,或作为 IN/-使用; CH1 模拟输入通道 1,或作为 IN/-使用; GND 芯片参考 0 电位; DI 数据信号输入,选择通道控制; DO 数据信号输出,转换数据输出; CLK 芯片时钟输入; VCC 电源输入及参考电压输入(复用) 。 芯片时序说明如下图 3-7 所示 1 8 2 ADC0832 7 3 6 4 5 图 3-7 ADC0832 芯片时序图 ADC0832 与单片机的接口电路及原理 ADC0832 的 2 脚与光照度传感器的输出电压相接,采用 0 通道输入, out V 口与 P2.4 口相连,用于控制 ADC0831 的片选信号,低电平有效,7 脚的CS CLK 接在 P2.3 口,通过单片机为 ADC0831 输入时钟信号,5 脚的 DI 选择通道 控制与 P2.5 相连,6 脚的串行口输出与 P2.2 相连,经 A/D 转换后的数字信号通 过 P2.2 口输入单片机,由单片机进行处理。如图 3-8 所示 图 3-8 ADC0832 与单片机的接口电路 当 ADC0832 未工作时其 CS 输入端应为高电平,此时芯片禁用,CLK 和 DO/DI 的电平可任意。当要进行 A/D 转换时,须先将 CS 使能端置于低电平并 且保持电平到转换完全结束。此时芯片开始转换工作,同时由单片机向芯片时 钟输入端 CLK 输入时钟脉冲,使用 DI 端输入通道功能选择数据信号。在第一 个脉冲的下降沿之前 DI 端必须是高电平,表示启动信号。在第 2、3 个脉冲下 降沿之前 DI 端输入 2 位数据用于选择通道功能,其功能项见表 3.1 所示 表 3.1 通道选择表 MUX AddressChannel SGL/DIFODD/SIGN01 10 11 本设计中只需要对 CH0 进行单通道转换,如上表所示需要将 2 位数据置为 “1” 、 “0”即可。到第 3 个脉冲的下降沿之后 DI 端的输入电平就失去输入作用, 此后 DI 端则开始利用数据输出 DO 进行转换数据的读取。从第 4 个脉冲下降沿 开始 DO 端输出转换数据最高位 DATA7,随后每一个脉冲下降沿 DO 端输出下 一位数据。直到第 11 个脉冲时发出最低位数据 DATA0,一个字节的数据输出 完成,也标志着一次 A/D 转换的结束。最后将 CS 置高电平禁用芯片,直接将 转换后的数据进行处理就可以了。 3.5 显示电路设计 本设计采用 LED 动态显示方式,使用两个 LED 数码管进行显示,数码管 是共阳极接法,分别显示个位和十位数据。a~h 分别与 P1 口的八根 I/O 线相连, 低电平有效,形成段选线多路复用,它们的公共端则由 PNP 型三极管 8550 控 制。 如果 8550 导通,则相应的数码管就可以亮,而如果 8550 截止,则对应的数码 管就不能亮,8550 是由 P2.0,P2.1 控制的,这样我们就可以通过控制 P2.0、P2.1 达到控制某个数码管亮或灭的目的。此外三极管还具有驱动作用,能够使数码 管亮度加强。如图 3-9 所示 图 3-9 数码管显示电路 3.6 照度补偿电路设计 通过数码管显示的电压值,能够反应出光照度的大小,因而就可以根据数 码管的显示来进行照度补偿。本设计中利用 8 个发光二极管作为照度补偿的演 示,通过制作表格,建立起电压值和发光二极管点亮的个数两者之间的关系, 如下表 3.2 所示 表 3.2 电压值与二极管的对应表 电压 范围 0.00.0~ 0.5 0.5~ 1.1 1.1~ 1.7 1.7~ 2.3 2.3~ 2.9 2.9~ 3.5 3.5~ 4.1 4.2~ 5.0 点亮 个数 876543210 具体电路如图 3-10 所示 图 3-10 照度补偿电路 3.7 调光电路 本设计中采用 PWM 方式进行灯光调节,主要采用软件来实现。调光分智 能调光和手动调光,通过 P2.6 和 P2.7 端口来控制。如图 3-11 所示 图 3-11 调光电路 3.8 串行接口电路设计 为了使设计的电路更加智能化,能够与当今社会接轨,能够使人们随时地 对光照度进行监控,本设计还设置了单片机与 PC 机的串行通信接口电路,为 今后的网络化控制预留了空间。设计中采用单片机作为下位机,PC 机作为上位 机,利用 MAX232 作为电平转换来进行串行通讯。 MAX232 是 MAXIM 公司生产的低功耗、单电源双 RS232 发送/接收器, MAX232 芯片内部含有一个电容性电压发生器,可把输入的 5V 电源变换成为 RS232 所需的10V 电压,所以采用此芯片接口的串行通讯系统只要单一的 5V 电源即可。该芯片取用了 16 引脚的双列直插式封装,引脚图如图 3-12 所示 图 3-12 MAX232 封装引脚图 图 3-13 串口引脚 图 MAX232 主要由三部分组成 电压倍增器、RS-232 接收器、RS-232 发送器。 RS-232C 标准总线为 25 根,但这个 25 针的串口一般为打印机使用,所以本设 计使用目前 PC 机较为常见的 9 针串口DB9如上图 3-13 所示。 表 3.3 引脚功能说明表 针号功能简称 1数据载波检测DCD 2接收数据端RXD 3发送数据端TXD 4数据终端设备DTR 5地GND 6数据设备准备好DSR 7请求发送RTS 8清除发送CTS 9振铃指示DELL 硬件接口电路如图 3-14 所示 1 2 3 4 8 7 6 5 9 10 11 12 13 14 15 16 MAX232 MAXIM Vcc GND T1OUT R1IN R1OUT T1IN T2IN R2OUT C1 V C1- C2 V- T2OUT C2- R2IN 图 3-14 串行接口电路

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