教室照明自动控制系统设计

教室照明自动控制系统设计
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。

本文阐述的是教室照明自动控制系统的有线、无线控制方式设计原理与实现方法。

该教室照明自动控制系统的主控制器、分控制器分别是以AT89C51与AT89C2051单片机为基础，实现了有线通信、无线数传、控制与显示等功能。

本文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、无线数据传输电路、照明灯控制电路以及看门狗电路等。

软件设计方面主要有主控制器、分控制器的有线通信程序设计与无线数字传输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。

有线通信程序的功能是：通过RS485主从通信方式，由主控制器发出命令对全部或单个分控制器所控制的照明灯实现开启、关闭、灯光亮度调节、定时控制等功能。

无线数据传输程序的功能是：通过无线数传模块实现照明灯的无线遥控，同样实现有线方式控制的功能。

关键词：主控制器；分控制器；单片机；有线通信；无线数据传输
Design of Classroom Lighting Auto-control System
Abstract
With the rapid development of electronic technology, the system of control based on Single-chip Microcomputer is widely applied in industry, agriculture, electric power, electron, intelligent building and so on. Microcomputer, as the subject and core of the embedded system of control, replaces the traditional system—electronic circuit. At the same time, the development and maturation of the intelligent building have established the substantial foundation for the popularization and application of the control system for lighting based on single-chip microcomputer.
The paper expatiates on the designing theories and implementation method of the control system for lighting by wired or wireless communications. The paper describes the process from the method of circuit designing to the software technology of realizing the demanded functions. The host controller of the control system for lighting is based on AT89C51 single-chip microcomputer, and the auxiliary ones are based on AT89C2051. The system can do many jobs, such as wired communication, wireless data transmitting, controlling and display. The paper describes the designing process of the circuit at length, including: keyboard and LED display circuit, RS485 communication circuit, wireless transmitting circuit, control circuit of lighting, watchdog circuit, etc. The designing of software mainly includes the several programming, such as wired communication, wireless data transmitting, lamplight controlling, timed controlling, keyboard scanning and LED displaying. The wired communication programming function is that through Master-slave communication method based on RS485 the host controller sends orders to the all auxiliary controllers or each one, including: turning on lighting, turning off lighting, regulating brightness of lighting, controlling timed lighting, etc. The wireless data transmitting programming function is that by wireless transmitter it realizes wireless controlling of the lighting, and achieves the functions identical to wired communication.
Keywords：Host controller, Auxiliary controller, Single-chip microcomputer, Wired communication, Wireless data transmitting
目录
摘要 (Ⅰ)
Abstract (Ⅱ)
前言 (1)
1 教室照明自动控制系统的设计框架和性能 (3)
1.1 系统设计要点 (3)
1.2 系统的结构 (3)
1.3 系统性能指标与技术要求 (5)
2 教室照明自动控制系统的硬件电路设计 (6)
2.1 主控制器的电路设计 (6)
2.1.1 键盘的接口设计 (6)
2.1.2 LED数码显示的接口设计 (7)
2.1.3 看门狗监控电路的设计 (7)
2.2 分控制器的电路设计 (8)
2.2.1 时钟芯片的接口设计 (8)
2.2.2 零点检测与可控硅控制电路的设计 (9)
2.3 RS485通信电路的设计 (10)
2.4 无线数传电路的设计 (12)
2.4.1 无线数传电路的连接 (13)
2.4.2 SRWF-1模块的特性 (13)
3 教室照明自动控制系统的软件设计 (15)
3.1 人机交互程序设计 (15)
3.1.1 键盘扫描程序设计 (16)
3.1.2 LED数码显示程序设计 (17)
3.2 照明启停控制程序设计 (18)
3.2.1 全部启停控制程序设计 (18)
3.2.2 单独启停控制程序设计 (19)
3.3 照明亮度控制程序设计 (20)
3.3.1 全部亮度控制程序设计 (21)
3.3.2 单独亮度控制程序设计 (21)
3.4 照明定时控制程序设计 (22)
3.4.1 全部定时控制程序设计 (23)
3.4.2 单独定时控制程序设计 (24)
3.5 RS485通信程序设计 (25)
3.5.1 主机部分通信程序设计 (26)
3.5.2 从机部分通信程序设计 (27)
3.6 无线数传通信程序设计 (28)
参考文献 (30)
致谢 (31)
附录 (32)
前言
近十几年来，随着我国城市建设的快速发展，楼宇照明也相应飞速发展。

在楼宇的照明数量与质量两个方面均有显著的变化与提高，特别是随着人民生活水平进入小康水平，楼宇照明水平提高很快，追求人工照明光环境的舒适性、个性化、安全、节能等方面日见突出。

楼宇中人工光环境对于满足人们的生活、学习、娱乐以及工作方面有着重要的意义。

照明控制系统传统是以照明配电箱通过手动开关来控制照明灯具的通断，或通过回路中串入接触器，实现远距离控制。

而今出现的楼宇自控系统，是以电气触点来实现区域控制、定时通断、中央监控等功能。

由于照明控制系统在楼宇自控系统中并非独立，同时控制功能简单，因此使用上有一定的局限性。

故当楼宇自控系统出现故障时，照明系统亦受到影响。

随着微电子技术与数字化技术的发展，开发出了智能化水平更高的专业照明控制的独立系统，从而能节约能源、延长灯具寿命、提高照明质量。

教室照明自动控制系统是以单片机为控制器，其中上位机是以AT89C51为基础，下位机是以AT89C2051为基础，再连接外围电路，通过现场总线RS485通信方式实现照明灯具的智能控制，也可通过无线数传输模块实现无线通信，从而达到教室照明灯具的智能控制。

电子技术和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）的应用已经渗透到国民经济的各个部门和领域，它起到了越来越重要的作用。

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。

单片机由硬件系统与软件系统组成。

硬件系统是指构成微机系统的实体与装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。

其中运算器和控制器一般做在一个集成芯片上，统称中央处理单元（Central Processing Unit），简称CPU，是微机的核心部件。

CPU配上存放程序和数据的存储器、输入/输出（Input/Output，简称I/O）接口电路以及外部设备即构成单片机的硬件系统。

软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称，人们通过它对微机进行控制并与微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。

软件系统与硬件系统共同构成完整的单片微型计算机系统，两者相辅相成，缺一不可。

在数据通信、计算机网络以及工业上的分布式控制系统中，经常需要采用串行通信来
达到远程信息交换的目的。

目前，有多种接口标准可用于串行通信，最常用的接口有RS-232、RS-422、RS-485。

RS232是最早的串行接口标准，在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛应用。

其后发展起来的RS-422、RS-485是平衡传送的电气标准，比起RS-232非平衡的传送方式在电气指标上有了大幅度的提高。

但总的来说，RS-232、RS-422与RS-485最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，EIA于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A 标准。

RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。

正因为RS-485的远距离、多节点（32个）、可以自行定义协议以及传输线成本低的特性，使得EIA RS-485成为工业应用中数据传输的首选标准。

有线传输的方式虽然使用非常广泛且可靠性较高，但由于各方面的局限性，已经在众多方面被无线传输方式所取代。

无线数字传输技术日益完善，其重要性也被人们所认识，相应的基于无线数字传输的产品也随处可见。

无线数字传输系统安装简便、使用效率高，可应用于各个领域，例如，无线数据传输、无线数据采集、无线抄表、工业遥控、楼宇自动化、高档玩具等等。

无线数传技术是通过单片机的串口与无线数传模块连接，将要发送的数据由无线数传模块向空中发出，然后由另一个终端设备的无线数传模块从空中接收数据，这样就实现了预期的任务。

1 教室照明自动控制系统的设计框架与性能
1.1 系统设计要点
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。

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。

在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。

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，因此使用Keil C 语言进行开发。

此编程工具相比汇编语言具有结构化、适用范围大、可移植性好等特点。

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。

1.2 系统的结构
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、无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。

该多机通信系统采用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。

无线数据传输系统也是由主控制器和分控制器两部分组成，系统结构框图如图2.1所示。

主控制器是发送遥控指令、发送数据信息、接收应答信息等，分控制器接收数据与遥控指令，完成对照明灯具的控制。

图2.1 无线数传系统结构框图
系统的主控制器通过RS-485总线或无线数传模块将数据或命令发送给分控制器，同时将信息送给数码显示单元进行显示，并有看门狗电路对运行程序进行有效监视。

主控制器硬件电路结构如图2.2所示。

分控制器接收主控制器的发来的数据和命令，通过可控硅电路对照明灯具进行开关、亮度控制，并且利用实时时钟芯片对照明灯具进行定时开关控制。

分控制器硬件电路结构如图2.3所示。

图2.2 主控制器硬件电路结构框图
图2.3 分控制器硬件电路结构框图
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。

1.3 系统性能指标及技术要求
（1）照明启停控制系统
①全开
②全关
③单独开
④单独关
（2）照明亮度控制系统
①全部亮度调节
②单独亮度调节
（3）定时控制系统
①对全部照明灯进行定时控制
②对每个照明灯进行定时控制
2 教室照明自动控制系统的硬件电路设计
2.1 主控制器的电路设计
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CMOS 8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes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、看门狗电路、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3.1所示。

图3.1 主控制器系统的硬件电路原理图
2.1.1 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。

本系统使用的是4×4矩阵式键盘，第一行从左到右为1、2、3、4，第二行为5、6、7、8，第三行为9、0、开、关，第四行为增值、减值、定时、确认。

该形式的键盘，每个按键开关位于行列的交叉处，采用逐行扫描的方法识别键码。

矩阵键盘的列线从左到右分别与单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3相连，矩阵键盘的行线从上到下分别与P1.4、P1.5、P1.6、P1.7相连。

每当按下一
个键时，对应的行线与列线就会连通，这样单片机就能检测出信号，并通过键盘扫描程序对键盘进行扫描，以识别被按键的行、列位置。

2.1.2LED数码显示的接口设计
数码显示与驱动电路由74LS138译码器、7447 TTL BCD-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。

2.1.3 看门狗监控电路的设计
本系统采用MAXIM公司的低成本微处理器监控芯片MAX813L构成硬件狗，与AT89C51的接口电路如图3.1所示。

MR与WDO经过一个二极管连接起来，WDI接单片机的P2.7口，RESET接单片机的复位输入脚RESET，MR经过一个复位按钮接地。

该监控电路的主要功能如下：
（1）系统正常上电复位：电源上电时，当电源电压超过复位门限电压4.65V，RESET 端输出200ms的复位信号，使系统复位。

（2）对+5V电源进行监视：当+5V电源正常时，RESET为低电平，单片机正常工作；当+5V电源电压降至+4.65V以下时，RESET输出高电平，对单片机进行复位。

（3）看门狗定时器被清零，WDO维持高电平；当程序跑飞或死机时，CPU不能在1．6s 内给出“喂狗”信号，WDO跳变为低电平，由于MR端有一个内部250mA的上拉电流，D导通MR获得有效低电平，RESET端输出复位脉冲，单片机复位，看门狗定时器清零，WDO又恢复成高电平。

（4）手动复位：如果需要对系统进行手动复位，只要按下手动复位按钮，就能对系统进行有效的复位。

2.2 分控制器的电路设计
分控制器采用低档型的AT89C2051单片机作为微处理器，AT89C2051也是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含2K bytes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），兼容标准MCS-51指令系统，具有15线可编程I/O口，该单片机具有体积小、成本低、结构简单、性价比较高等特点。

分控制器系统的外围接口电路由晶振、实时时钟芯片、可控硅控制电路、零点检测电路、看门狗电路、通信接口电路等组成。

分控制器系统的硬件电路原理图如图3.2所示。

图3.2 分控制器系统的硬件电路原理图
2.2.1 时钟芯片的接口设计
本系统利用单片机89C2051和时钟芯片DS1302进行串行数据通信，读取和写入实时数据，用于定时控制照明灯具的启停。

DS1302是美国Dallas公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI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。

实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于31日时可自动调整。

DS1302与单片机的连接仅需要3根线，即SCLK、I/O、RST。

RST接在P1.7上，此引脚为高电平时，选中该芯片，可对其进行操作。

串行数据线I/O与串行时钟线SCLK分别接在P1.5和P1.6上，所有的单片机地址、命令及数据均通过这两条线传输。

在本系统中，89C2051为主器件，DS1302为从器件，主器件在总线上产生时钟脉冲、寻址信号、数据信号等，而从器件则相应接收数据、送出数据。

对DS1302的每一次读写需16个时钟脉冲，前8个脉冲输入操作地址和读写命令。

其中位7必须为1；位0为0时向芯片写入数据，为1时从芯片读出数据；位6～位1选定芯片中的地址。

后8个脉冲写入或读出数据。

DS1302采用双电源系统供电，VCC1在双电源系统中提供主电源，在这种运用方式下VCC2连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。

DS1302由两者中的较大者供电。

当VCC1大于VCC2+0.2V时，VCC1给DS1302供电。

当VCC1小于VCC2时，DS1302由VCC2供电。

2.2.2 零点检测与可控硅控制电路的设计
这部分电路的设计采用单片机的I/O口灌电流的方法控制可控硅实现开关与调光控制，用光电耦合器M0C3021作为可控硅的驱动器，同时实现强、弱电的隔离。

光电耦合器M0C3021通过一个非门与89C2051的P3.7口连接，当此脚输出高电平时，将会封锁住
MOC3021，使双向可控硅BT131不导通，这样就会使照明灯关闭；当P3.7脚输出低电平时，使光电耦合器MOC3021打开驱动双向可控硅，从而将双向可控硅触发导通，这样就开启了所要控制的照明灯。

对于照明灯的亮度调节，这里采用PWM（Pulse Width Modulation）方式,即脉冲宽度调制的简称，PWM是一种周期一定而高低电平的占空比可以调制的方波信号，当输出脉冲周期一定时，输出脉冲的占空比越大相对应的输出有效电压越大。

在一个周期内的脉冲宽度（导通时间）为T1，周期为T，波形如图3.3所示。

图3.3 脉冲波形图
则输出电压的平均值为：
U=VCC×T1/T=αVCC
其中α=T1/T（正脉冲的持续时间与脉冲周期的比值）称为占空比，α的变化范围为
0≤α≤1，VCC为电源电压。

当电源电压VCC不变的情况下，输出电压的平均值U取决与占空比α的大小，改变α的大小就可以改变输出电压的平均值，这就是PWM的工作原理。

灯泡的亮度与加在灯泡两端的电压成比例，而灯泡两端的电压与可控硅的导通角成比例，这样通过调节PWM信号的占空比来控制可控硅的导通角。

因此占空比越大，灯泡就越亮，当占空比α=1时，灯泡的亮度最高。

由于89C2051单片机没有PWM信号输出功能，所以在这里采用单片机定时器配合软件的方法来实现PWM信号的输出。

使用PWM方法进行可控硅控制时，调制频率不能低于市电频率，因为当频率低于50Hz 时，超过了人眼视觉暂留效应，用于调光将产生闪烁的现象。

当调制频率大于市电频率，可控硅将处于连续导通状态而不能达到调压的目的，因此必须使用过零检测作为触发可控硅的基点。

在本系统中所使用的过零检测电路如图3.2所示，先由一个变压器将市电电压转换成10V左右的电压，经过整流、稳压后可作为系统工作电源，同时将变压器次级的同
名端引出一根线连接到比较器LM311的正输入端，用以检测交流电的过零点，然后将过零信号送给单片机的P1.3口上。

当检测到交流电的过零点时，就去触发双向可控硅，同时通过PWM信号的输出控制双向可控硅的导通时间，最终达到控制灯泡亮度的目的。

2.3 RS485通信电路的设计
本系统的有线通信方式采用RS485总线进行通信，RS485标准支持半双工通信，只需三根线就可以进行数据的发送和接收，同时具有抑制共模干扰的能力，接收灵敏度可达±200mV，大大提高了通信距离，在100K bps速率下通信距离可达1200m，如果通信距离缩短，最大速率可达10M bps。

在这里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。

主机与从机的通信电路图分别如图3.4与图3.5所示。

89C51
图3.4 主机通信电路图
图3.5 从机通信电路图
主机与从机选用的RS485通信收发器芯片为MAX485，它是MAXIM公司生产的用于RS 485通信的低功率收发器件，采用单一电源+5 V工作，额定电流为300 μA，采用半双工通信方式。

它完成将TTL电平转换为RS485电平的功能。

MAX485芯片内部含有一个驱动器和接收器。

RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当RE端为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE端为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可，主机与从机分别使用P2.6与P1.0脚进行控制；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。

在进行通信时只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。

同时将A和B端之间加匹配电阻，这里选用120Ω的电阻。

为了提高系统的抗干扰能力，采用光电耦合器TLP521对通信系统进行光电隔离。

从机使用单片机的P1.0控制通信收发器MAX485的工作状态，平时置P1.0为低电平，使从机串行口处于侦听状态。

当有串行中断产生时判别是否是本机号，若为本机地址则置P1.0为高电平，发送应答信息，然后再置P1.0为低电平接收控制指令，继续保持P1.0为低电平，使串行收发器处于接收状态；若不是本机地址，使P1.0为低电平，使串行收发器处于接收侦听状态。

2.4 无线数传电路的设计
无线数据传输需要通过无线数传模块来实现。

本系统选用的是SRWF-1型微功率无线数传模块。

该模块的通信信道是半双工的，最适合点对多点的通信方式。

单片机与无线数传模块之间可以进行信息的传送与回馈，即所谓的双向通信。

2.4.1 无线数传电路的连接
主控制器与分控制器各使用一个无线数传模块，形成发送与接收的无线通信通道。

模块的数据输入和输出端与单片机的串行口连接，即模块的串行数据发射端TXD与单片机的串行数据输入端RXD连接；模块的串行数据接收端RXD与单片机的串行数据输出端TXD连接。

单片机与无线数传模块SRWF-1的电路连接如图3.6所示。

图3.6 单片机与无线数传模块的连接
2.4.2 SRWF-1模块的特性
（1）微发射功率:最大10dbm（10mW）的发射功率。

（2）ISM频段工作频率，无需申请频点。

载频频率429-438MHz，也可提供315/868/915MHz 等载频。

（3）高抗干扰能力和低误码率。

基于FSK的调制方式，采用高效无线通信协议，在信道误码率为10-2时，可得到实际误码率10-5～10-6。

（4）完善的通讯协议。

（5）传输距离远。

在视距情况下，天线高度>3米，可靠传输距离>300m。

（6）透明的数据传输。

提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。

自动过滤掉空中产生的噪音信号及假数据（所发即所收）。

（7）多信道，多速率。

SRWF-1型模块标准配置提供8个信道，根据用户需要，可扩展到16/32信道，满足用户多种通信组合方式的需求。

SRWF-1型模块可提供1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps等多种通信波特率，并且无线传输速率与接口波特率成正比，以满足客户设备对多种波特率的需要。