課程設計報告智能照明控制系統(tǒng)設計

1、題目名稱：智能照明控制系統(tǒng)設計 摘要： 本系統(tǒng)以光敏電阻的光強采集、a/d轉(zhuǎn)換、單片機at89c51為核心，組成最小控制系統(tǒng)，并和高亮led顯示電路共同構(gòu)成。外界光強的大小通過電壓的線性轉(zhuǎn)換，并用延時來控制燈亮度來體現(xiàn)。該系統(tǒng)能夠隨環(huán)境光強的變化或軟件所設定的時間自動控制燈的亮滅；同時系統(tǒng)可以根據(jù)光線強度自動控制燈的亮度，也可以手動調(diào)節(jié)燈的亮度。關鍵詞：51學習板 adc0804 光敏電阻 中斷定時 延時目 錄1方案設計與論證31.1整體設計方比較和選擇32 系統(tǒng)設計42.1 總體設計42.2各單元模塊功能介紹及電路設計52.2.1光線采集模塊52.2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊62.2.3 at89c5

2、1單片機62.2.4 led顯示模塊72.2.5電源模塊73軟件設計74系統(tǒng)測試104.1測試方案104.2測試結(jié)果104.3結(jié)果分析105結(jié)語11附錄：12附1：元器件明細表12附2：電路圖圖紙及實物圖13附3：程序清單141方案設計與論證1.1 整體設計方比較和選擇本系統(tǒng)包括智能系統(tǒng)和照明系統(tǒng)。這兩個部分的具體的設計思路如下所示：智能系統(tǒng)是基于學習板上的51單片機，理論結(jié)合實際的應用，故主要是軟件程序的編寫，其次是單片機的擴展口與a/d芯片和高亮發(fā)光二極管的連接。其有4個并行i/o端口，分別是p0、p1、p2和p3，每個端口都有雙向i/o功能。p0口在學習板上控制數(shù)碼管的顯示，故在設計本系

3、統(tǒng)時暫不考慮，p1口只能做i/o口使用，且其內(nèi)部有上拉電阻，因p1.0-p1.3控制數(shù)碼管、按鍵和學習板上的燈的使能端，故只剩p1.4-p1.7口，不妨將p1.5與高亮發(fā)光二極管相連（因為p1口有上拉電阻故可直接相連），p1.7控制a/d的使能端；p2口與a/d芯片的數(shù)字輸出端相連，為單片機輸入轉(zhuǎn)化后的8位二進制；p3口實有特殊功能，直接與a/d芯片的端口相連。照明系統(tǒng)是基于光敏電阻的光線采集電路，光敏電阻器的阻值隨入射光線的強弱變化而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達110m歐,在強光條件下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。只要人眼可感受的光，都會引起光敏電阻的阻值變化。當外界光線強

4、度變化時，可以將光敏電阻的電壓值經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換成8位二進制，送入單片機進行處理，再由程序根據(jù)這8位二進制數(shù)據(jù)來處理判斷燈的亮滅或燈的亮度。方案1：方案的特點：該電路采用的是基極分壓式射極偏置電路該電路具有很好的穩(wěn)定性，阻值很大的r1直接接在三極管的基極，起到很強的控制基極電流的作用，可以有效防止由于溫度等原因造成的電阻阻值波動對測量結(jié)果的影響。三極管將由光強變化引起的電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化輸出，接入adc0804數(shù)模轉(zhuǎn)換的輸入端口。方案2：方案特點：該電路簡單，利用光敏電阻與定值電阻r組成環(huán)境光檢測電路，通過測量r兩端電壓的變化來體現(xiàn)環(huán)境光強弱的變化。方案論證：方案1的最大的特點是可以防止溫度等

5、其他原因造成的電阻波動對測量結(jié)果的影響，而考慮到此次的課程設計的目的是了解智能照明控制系統(tǒng)的基本原理，基于51學習板，掌握和夯實單片機的擴展和應用，故選擇方案2這一簡單的環(huán)境光采集電路，同樣可以達到系統(tǒng)隨時間和環(huán)境光線強度自動控制燈的亮滅。而且，該電路簡單，不容易被損壞。2 系統(tǒng)設計2.1 總體設計 本設計硬件電路包括電源模塊、光線采集模塊、模數(shù)模塊、at89c51單片機模塊和led顯示電路模塊等5部分組成。各模塊之間的關系如圖1所示。 光線采集模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換at89c51單片機led顯示電路電 源 模 塊 圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖主控系統(tǒng)模塊采用基于51內(nèi)核的at89c51單片機及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來完

6、成信號采集、控制和通信功能，在本設計中at89c51單片機模塊擔當了控制核心，首先通過光線采集電路對外部的光強參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，輸出的電壓值經(jīng)過8位a/d轉(zhuǎn)換器，將光敏電阻感應光強產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號采樣，送至單片機at89c51進行處理，再通過算法將其與內(nèi)部參考數(shù)據(jù)進行分析與比對，實現(xiàn)當外界環(huán)境光強變化時led燈能夠隨之變化的功能。2.2 各單元模塊功能介紹及電路設計2.2.1光線采集模塊光線采集模塊通過adc0804將光敏電阻感應光強產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號采樣至單片機，實現(xiàn)對外界環(huán)境光強數(shù)據(jù)的采集。電路連接如下： 由vcc=5v，則光敏電阻兩端的電壓，即vin(+)=vccr

7、光敏/(r光敏+r)，而 01.v<vin(+)<4.9v （保證在參考電壓范圍之內(nèi)05v）其中，本課程設計中r光敏范圍大約是在5k-300k之間，故由上不等式可以得出：<r<，即有6.1k<r<245k所以，我們在電路中與光敏電阻串聯(lián)的電阻選擇為10k，符合上述的范圍要求。2.2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換電路主要由adc0804構(gòu)成。當溫度值轉(zhuǎn)換為電壓后，還需要將電壓值進行a/d轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的8位二進制才能送到單片機進行處理。adc0804芯片是典型的8位8通道逐次逼近式ad轉(zhuǎn)換器，可對8路模擬電壓實現(xiàn)分時轉(zhuǎn)換。為了換算方便，設置基準電壓為5 v，即模擬量輸

8、入為+5.0時，adc輸出為0ffh，即255，系統(tǒng)分辨率為5255=002vlsb。其外圍設計電路為：2.2.3 at89c51單片機單片機主要通過程序來控制燈的亮滅或燈的亮度。at89c51單片機電路圖如下：2.2.4 led顯示模塊led顯示模塊主要由高亮led燈構(gòu)成。主要是由單片機的外部中斷來控制led燈的亮度。單片機每接收到一個同步信號后，就啟動一個延時程序。而延時的長短由按鍵或是外界光強來改變。當延時結(jié)束后，單片機會產(chǎn)生一個觸發(fā)信號，使燈發(fā)光。電路連接如下：2.2.5電源模塊電源模塊主要是由學習板連接電腦所獲得的電壓，再分別連到所需電路中去。3 軟件設計根據(jù)智能照明系統(tǒng)的思想和原理

9、，本次設計制作的電路比較簡單。系統(tǒng)重點在軟件設計，硬件設計相對較簡單。主要和關鍵的問題是根據(jù)光敏電阻、a/d芯片和學習板上的51單片的工作原理來編寫程序以達到所要求實現(xiàn)的照明系統(tǒng)和智能系統(tǒng)。其流程圖如下所示：基本要求：系統(tǒng)能夠隨時間和環(huán)境的光線強度自動控制燈的亮滅。（先定時5s使燈不受外界環(huán)境變化的影響，5s結(jié)束后，燈隨外界光強度變化，25s后，燈一直亮）開始 端口初始化定時器t0申請中斷初始定時中斷設定系統(tǒng)控制燈的時間到否？n重裝初值ya/d芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換設定外界控制燈的時間單位（s）設定系統(tǒng)控制燈的時間單位（s）顯示燈隨外界的 變化情況設定外界控制燈的時間到否？n中斷返回y燈 亮結(jié)束 (a)

10、主程序 （b）中斷程序發(fā)揮部分：1.燈的亮度由外界光線的變化調(diào)節(jié)；開始 a/d模數(shù) 轉(zhuǎn)換由電壓值判斷燈的亮度的等級y燈的顯示結(jié)束發(fā)揮部分：2.燈的亮度由學習板上的按鍵手動調(diào)節(jié)；開始開始掃描第一行端口初始化n有鍵閉合？數(shù)碼管顯示占空比y延時消抖n有鍵閉合？延時，顯示燈的亮度變化y判斷鍵值和占空比變化結(jié)束（a）手動調(diào)節(jié)的主程序n鍵釋放？yn數(shù)碼管顯示占空比（兩位小數(shù)）返回主程序 （b）數(shù)碼管顯示芯片4系統(tǒng)測試4.1測試方案步驟1：基于proteus和keil軟件，根據(jù)基本要求實現(xiàn)仿真；步驟2：先安上元件后，焊接電路，用萬用表測試電路是否正確連通，以確定無虛焊、漏焊和焊接錯誤等問題，然后將集成芯片安

11、上。以此可以防止集成芯片由于電壓過大而燒壞；步驟3：將焊接好的電路與學習板上的51單片機相連，檢查連接無誤后，裝載程序，調(diào)試，運行；步驟4：觀察硬件反映情況，檢查錯誤，調(diào)整程序，以達到實現(xiàn)所要求的功能和現(xiàn)象的目的。4.2測試結(jié)果當裝載基本要求的程序后，數(shù)碼管由5-0倒計時，在此期間高亮發(fā)光二極管燈滅，且當外界變暗或是變亮，都對燈沒有影響；當數(shù)碼管為0時，在接下來的25秒內(nèi)，外界的變化會影響燈的亮滅；當裝載自動調(diào)節(jié)燈的亮滅的程序后，光線逐漸變強的時候，燈的亮度也會逐漸增加。當裝載手動調(diào)節(jié)燈的亮度的程序，隨著按鍵的變化，可以發(fā)現(xiàn)燈隨著按鍵k0，數(shù)碼管顯示的占空比增加，燈變亮；若按k1鍵，數(shù)碼管顯示

12、的占空比減小，燈變暗；若按k3鍵占空比清零。4.3結(jié)果分析在實現(xiàn)基本要求時，光敏電阻對光線比較敏感，外界光線變化會使燈亮滅明顯，不足的是數(shù)碼管顯示系統(tǒng)控制燈的時間（t1）和外界控制燈的時間(t2)是同步的，限制了t2>t1;在手動調(diào)節(jié)燈的亮滅的時候，數(shù)碼管可以正確顯示占空比的值，不足是燈的亮度改變等級不明顯。經(jīng)過各項性能的測試，系統(tǒng)的指標和電路基本達到預期的效果，如果能考慮到實際的光敏電阻的感光性和燈的亮滅區(qū)間，系統(tǒng)將更加完善。5結(jié)語本報告詳細講述了系統(tǒng)設計方案，并給出了相關程序流程。由于系統(tǒng)架構(gòu)設計合理，功能電路實現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，較好地達到了題目要求的各項指標?；趯W習板系

13、統(tǒng)進行軟件調(diào)試很容易。在自動調(diào)節(jié)燈的亮度時，通過延時用數(shù)碼管顯示燈的亮的占空比，從而改變了燈的亮度。本系統(tǒng)的智能控制是以51學習板上的at89c51單片機控制單元為核心，通過電腦的驅(qū)動，完成對系統(tǒng)燈的控制，采用一個高亮發(fā)光二級管的亮滅來顯示整個系統(tǒng)的效果。系統(tǒng)設計智能化控制的同時，還設計了手動按鍵的控制，達到了簡單的智能照明。 附錄：附1：元器件明細表器件名稱規(guī)格數(shù)量電容150pf1個光敏電阻1個電阻10千歐4個芯片底座20pin1個芯片adc08041個學習板1個插針若干杜邦線19根led燈高亮燈一個附2：電路圖圖紙實物圖附3：程序清單基本要求的程序：#include <regx51.

14、h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char sbit adcs=p17; sbit adrd=p37; sbit adwr=p36; sbit led=p15; sbit seg_ce=p10; sbit dig_ce=p11;uchar tab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/0到9uint ad_data,m=0,n=0,t1=5,t2=25; /ad_data表示ad輸出8位2進制，t1為定時5秒后啟動光采集電路,t2為定時25秒后關閉光采集電路v

15、oid delay(uint i) uint j; for(i;i>0;i-) for(j=124;j>0;j-); void keyscan(uint num) /顯示5秒 uint ge,shi; ge=num%10; shi=num/10; p0=0; seg_ce=1;seg_ce=0; /清段選 p0=0xff; dig_ce=1;dig_ce=0; /清位選 p0=tabge; seg_ce=1;seg_ce=0; p0=0xfe; dig_ce=1;dig_ce=0; /顯示5秒 void read_ad()adcs=0;adwr=0;delay(1);adwr=1;

16、delay(1); /啟動ad，開始采樣(/wr低電平保持的最短時間為100ns啟動轉(zhuǎn)換后必須加入一個延時以等待ad采樣結(jié)束adrd = 0;delay(1);ad_data =p2;delay(1);adrd=1; /讀數(shù)據(jù)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果(/rd>200ns)adcs=1;void main() p0=0; p1=0x2c;/初始化p1_5為低(燈一開始是滅的) tmod=0x01; /方式1,16位定時器 th0=(65536-50000)/256; tl0=(65536-50000)%256; /設置定時器初值 ie=0x82; /設置中斷允許 tr0=1; /啟動定時器 while

17、(1) if(m=0)keyscan(t1); if(t1=0)/5秒已完，啟動光采集電路 while(t2) read_ad(); if(ad_data<125) /當外界很亮的時候關燈 led=1; else led=0; /亮燈 delay(1); if(t2=0) led=0; /25秒已完 ，forever亮 void t0_timer()interrupt 1 /定時器t0中斷函數(shù)th0=(65536-50000)/256; tl0=(65536-50000)%256;if(t1!=0)m+; /不為0說明光采集電路還未啟動，還在5秒之內(nèi)if(m=20) /1秒 時間 待添加

18、的隱藏文字內(nèi)容1 m=0; t1-; if(t2!=0)n+; /不為0說明還在25秒之內(nèi)if(n=20) /1秒 時間 n=0;t2-; #include <regx51.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit dig_ce = p11; sbit seg_ce = p10;sbit key_ce = p13;sbit led= p15;uint z; uchar tab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; /0-9 void delay

19、(uint i) uint j; for(i;i>0;i-) for(j=19;j>0;j-); void keyscan() uchar temp1,temp2; p0=0;seg_ce=1;seg_ce=0; p0=0xfe;dig_ce=1;dig_ce=0;delay(1); /掃描第一行，將第一行置低電平 key_ce=0; /將p1_3口拉低，74ls244使能 temp1=p0; /讀p0口數(shù)據(jù) temp1=temp1&0x0f; /提取按鍵相關數(shù)據(jù)-p0口的低四位 if(temp1!=0x0f) /判斷是否有按鍵按下 delay(10); /延時消抖 tem

20、p2=p0;temp2=temp2&0x0f; /再讀p0口，并提取p0口低四位數(shù)據(jù) if(temp1=temp2) switch(temp2) case 0x0e:z=z+10; break; / 按k0鍵每按一次鍵就增加10%的亮度，從而逐漸變亮,若低四位的值與0x0e相等，就執(zhí)行其后的語句 case 0x0d:z=z-10;break; / 按k1鍵每按一次鍵就減少10%的亮度，從而逐漸變暗 case 0x07:z=0; break; /按k3鍵清零 default:break; /等待按鍵釋放 while(temp2!=0x0f) /不斷地讀取p0口數(shù)據(jù)，只要結(jié)果不等于0x0f

21、，說明有按鍵沒有被釋放，直到釋放，才退出 temp2=p0; temp2=temp2&0x0f; key_ce=1; /關使能端 if(z<=100) p0=0xff; dig_ce=1;dig_ce=0; /清段選 p0=tabz%10; seg_ce=1;seg_ce=0;delay(5); / 個位 p0=0xfe; dig_ce=1;dig_ce=0;delay(5); p0=0xff;dig_ce=1;dig_ce=0; p0=tab(z/10)%10;seg_ce=1;seg_ce=0;delay(5);/ 十位 p0=0xfd; dig_ce=1;dig_ce=0;

22、delay(5); p0=0xff; dig_ce=1;dig_ce=0; p0=tabz/100|0x80;seg_ce=1;seg_ce=0;delay(5); / 百位 p0=0xfb; dig_ce=1;dig_ce=0;delay(5); else z=0; void main() p0=0; p1=0x2c; z=0; / 100為100%的占空比 / 機器周期 led=1; while(1) keyscan(); led=0; delay(z); led=1; delay(100-z); 拓展2(自動控制燈的亮滅) #include <regx51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int sbit adcs=p17; /a/d使能端 sbit adrd=p37; sbit adwr=p36; sbit led=p15;uint ad_data,num;void delay(uint z) /50微 uint x,y; for(x=z;x>0;x-) for(y=10;y>0;y-);void read_ad()adcs=0;adwr=0;delay(10);adwr=1;delay(1