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智能调光玻璃能干什么路灯智能照明控制系统设


发布时间:2020-06-25 02:49


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  本科毕业论文 题 目:楼宇智能照明控制系统设计 院 (部): 信息与电气工程学院 专 业: 电气工程与自动化 班 级: 电本0705 姓 名: 季田田 学 号: 2007082315 指导教师: 李全民 曹丽霞 完成日期: 2011年6月5日 目 录 摘 要 V ABSTRACT VI 1前 言 - 1 - 1.1选题背景和意义 - 1 - 1.2课题关键问题及难点 - 2 - 1.3调研综述 - 2 - 1.3.1目前国内、国外该项目的研究状况 - 2 - 1.3.2目前项目的发展趋势 - 3 - 1.4主要研究内容 - 3 - 2 基于CAN总线 CAN技术简介 - 4 - 2.2基于CAN总线的控制系统网络拓扑结构 - 5 - 2.3 CAN总线 CAN总线 - 2.5.2.远程帧 - 8 - 2.5.3 出错帧 - 8 - 2.5.4超载帧 - 8 - 2.5.5 错误检测 - 9 - 2.6 本系统结构及特点 - 9 - 3.智能照明系统的硬件设计 - 12 - 3.1 系统简介 - 12 - 3.2 CAN通信接口模块的设计 - 12 - 3.2.1 芯片介绍 - 12 - 3.2.2 SJA1000工作原理 - 14 - 3.2.3 基于SJA1000的CAN总线硬件接口电路设计 - 15 - 3.2.4采用MAX232芯片接口PC机与单片机的连接 - 16 - 3.3控制面板模块的设计 - 16 - 3.3.1 74HC164芯片说明 - 17 - 3.3.2显示部分设计 - 18 - 3.3.3键盘部分设计 - 19 - 3.3.4基于74HC164的中断串行键盘硬件设计 - 20 - 3.3.5矩阵式键盘的按键识别方法 - 21 - 3.4智能继电器模块 - 21 - 3.4.1电压-频率变换器LM331的介绍 - 21 - 3.4.2继电器模块基本原理结构 - 23 - 3.4.3整流模块设计 - 23 - 3.4.4 V/F转换器LM331模块 - 24 - 3.4.5光电耦合器6N137 - 25 - 3.4.6单片机AT89C51模块 - 25 - 3.5传感器模块 - 27 - 3.5.1热释电传感器的工作原理 - 27 - 3.5.2芯片介绍 - 28 - 3.5.3热释电传感器原理 - 30 - 3.5.4照度传感器的设计 - 31 - 3.5.5 A/D转换部分 - 32 - 3.6调光模块 - 34 - 3.6.1电子镇流器调光功能的主要实现方法 - 34 - 3.6.2基于IR2159的荧光灯可调光电子镇流器的电路设计 - 35 - 3.6.3基于IR21592的调光电子镇流器 - 37 - 3.7远程控制模块 - 38 - 3.7.1芯片介绍 - 38 - 3.7.2 工作原理 - 40 - 3.8看门狗电路 - 42 - 3.8.1 X5045芯片引脚及功能介绍 - 43 - 3.8.2 看门狗电路的工作原理 - 44 - 3.8.3基于X5045的复位电路硬件设计 - 44 - 3.9 小结 - 44 - 4.智能照明系统的软件电路设计 - 45 - 4.1 CAN通信接口模块软件设计 - 45 - 4.2控制面板模块软件设计 - 47 - 4.3智能继电器模块软件设计 - 49 - 4.5调光模块软件设计 - 51 - 4.6 小结 - 52 - 5 结 论 - 53 - 5.1主要结论 - 53 - 5.2不足与展望 - 53 - 谢 辞 - 55 - 参考文献 - 56 - 摘 要 随着社会的进步,建筑设计也向着更舒适、安全和节省能源的方向发展。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建筑物内的各种照明器具有机的连接在一起,实现有效的管理和控制。智能照明系统正是智能家居的趋势之一。针对传统照明系统布线麻烦、节能效果差等缺点,我们设计开发了基于CAN总线技术的智能照明系统。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。本文主要介绍了智能调光系统及设计过程中的关键技术环节,包括CAN总线技术的应用,系统网络设计、智能继电器、控制面板、传感器和红外遥控技术,并描述了智能调光系统的主要应用。 关键词:CAN总线;智能继电器;智能调光;红外遥控 Design of Building Intelligent Lighting-Control System ABSTRACT Along with the social progress, the design of building towards a more comfortable, safe and energy-saving direction .To achieve effective management and control of. building ,intelligent lighting system make full use of electronic technology, communication and computer network technology to a variety of lighting fixtures within the building together organically. Intelligent lighting system is just the trends of intelligent home. We design and development of intelligent lighting systems . based on CAN bus technology , taking into account that it trouble for wiring, and poor energy efficiency drawback in traditional lighting system. Intelligent node in the intelligent lighting system can according to outside light levels adaptive adjustment its light intensity, collected indoor light intensity periodically, testing if there has people in or out and timely response to user control commands. This paper describes the design of intelligent light system and key techniques in the process, including the CAN-bus technology, the design of network system intelligent relays, control panels, sensors and infrared remote control technology, and describes the major intelligent light system application. Key Words: CAN bus; intelligent relay; intelligent light; infrared remote control 1前 言 1.1选题背景和意义 随着信息控制技术的发展, 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。但无论何种建筑, 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。目前,我国照明用电占建筑用电的20%-30%,该项目是一种基于单片机89C51和CAN总线的智能照明系统硬、软件设计。该系统可根据对光强度的不同需求,均匀调节环境内光照强度, 实现室内照明的人性化、个性化。 传统的控制方法是将被控制的设备用连线引入控制室, 这样不仅造成电力电缆铺设过多, 增加了投资成本, 而且还大大增加了灯回路的辐射干扰, 对空间电磁环境造成了污染。智能照明控制系统为现代化建筑楼宇照明提供了新途径—微机型灯光控制系统。它采用网络控制技术,使得照明灯的电力线路可以不再经过控制室,而直接引入顶棚或马道。这种控制方法不仅可以方便地控制灯光的亮度, 还减少了电力线路及相应设施投资,减少了灯回路的辐射干扰,而且可以使灯回路采用母线方式布线,线路规整,便于安装维修。但在目前使用的微机型灯光控制系统中,由于网络通信大多采用RS-232、RS-485、20mA 电流环等通信方式[1],因而普遍存在通信距离短、数据传输速度慢、误码率高、可靠性差等问题[2]。CAN 总线是现场总线的一种,具有通信速率高、开放性好、报文短、纠错能力强以及控制简单、扩展能力强、系统成本低等技术特点和一系列优点。CAN是一种多主总线,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1MBPS。其特点有: (1)CAN总线通信接口集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能,可完成对通信数据的成帧处理,包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等工作。 (2)CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码,而代之以对通信数据块进行编码。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能,保证了数据通信的可靠性。 (3)CAN总线采用了多主竞争式总线结构,具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。 CAN总线的微机灯光控制系统就是采用现场总线],构成全分散式微机灯光控制系统,有效地解决了微机型灯光控制系统的不足。路灯智能照明控制系统设计CAN总线所需的完善的通信协议[4]可由CAN控制器芯片和接口芯片实现, 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课题关键问题及难点 该课题的关键技术是CAN总线技术。CAN(controller area network)是一种有效支持分布式实时控制的串行通信网络。CAN总线控制器可工作于多种方式,并采用无损结构逐位仲裁竞争方式向总线发布数据( 它废除了站地址编码,代之以对通信数据进行编码,这可使不同节点同时接收到相同的数据,使CAN 总线构成的网络测控节点之间的数据通信实时性更强,并且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和灵活性( 其次,CAN总线通过CAN控制器接口芯片PAC82C250 的2个输出端CANH 和CANL 与物理总线相连( 当系统有错误出现多节点同时向总线发送数据时,系统将不会出现总线短路,损坏某些节点的问题,而且CAN 节点在错误严重情况下具有自动关闭功能,保证不会出现RS485网络中因个别节点出现问题,使得总线处于“ 死锁” 状态。难点在于采用CAN总线技术组网,连接各种类型的照明控制装置,来实现能量管理,实现照明的定时控制和按需求控制等功能。 1.3调研综述 1.3.1目前国内、国外该项目的研究状况 从20世纪60年代开发了白炽灯、荧光灯、高强度放电灯所使用的电子调光器[5],到20世纪90年代以来,国外以计算机技术为基础开发出灯光自动调光系统、自动关停系统和自动补偿系统,也称“智能照明”的新型照明控制系统,并已有定型产品得以良好的推广和运用,使建筑照明由传统控制走向计算机控制或无人控制的新领域。自1984年美国建成第一座智能建筑以来的十几年中,在世界范围内,智能建筑以一种崭新的面貌和技术,迅速在各地展开。尤其是亚洲的日本、新加坡、台湾等国家和地区,为了适应智能建筑的发展,进行了大量的研究和实践,相继建成了一批具有智能化的建筑。 我国在20世纪(以下同)80年代末着手编制建设部的《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-92时,也开始涉及到智能建筑的理念,并提到了楼宇自动化和办公自动化,直到90年代初智能建筑这一概念才逐渐被越来越多的人们所认识和接受,尤其是在1993-1995年期间, 全国上下许多大中城市的房地产商都将自己开发兴建的建筑标以“智能建筑”, “全智慧型建筑” “3A 型智能建筑”, “5A 型智能建筑”等等, 一时间智能建筑成了房地产商开发销售的热点。近几年,我国高层建筑迅猛发展,这种智能型照明控制系统也已悄然进入了我国建筑行业。目前,上海金茂大厦,山东世界贸易中心等建筑已应用了这种智能型照明控制系统。 1.3.2目前项目的发展趋势 本世纪80 年代以来, 随着计算机技术和网络技术的发展, 带来了信息科学技术的革命, 尤其是信息高速公路热引发了一场新的革命, 使人们突破了时间、空间及计算技术的束缚, 实现了多个对象间的直接信息交流。信息成为社会经济、科技等赖以发展的一项重要资源, 信息化成为一个城市现代化程度的最高标志之一。在国内一些经济发达的大城市如上海、深圳、大连等, 纷纷开展自己的信息化建设, 建立起集语言、数据、视频图像为一体的多媒体宽带综合业务数字网, 并将光纤入户作为远期目标, 故纷纷要求各建筑物或建筑群应建立交换间, 进行电话、数据、电视信息分配, 并规定今后新建灭火系统, 大楼一律采用综合布线系统, 以避免重建或多次反复布线设计与施工。在这种趋势下照明控制系统也越来越趋向于智能化。现场总线技术被广泛应用到照明系统中,其控制的系统结构也越来越多样化,从最早的集中式,集散式向分散式发展,各控制单元的工作独立性不断提高,系统的可靠性和经济性也不断提高。无线传感网络近几年也被应用到该领域,实现无线主要研究内容 智能照明控制系统是一个由中央控制器、主通信干线、分支、信息接口及控制终端等部分构成,是一个对各区域实施相同的控制和信号采样的网络系统。智能照明的控制终端由调光模块、控制面板、照度动态检测器及动静探测器等单元构成,主控制器和终端之间通过信息接口等元件来连接,实现控制信息的传输。研究的主要内容如下: 1)通过阅读中英文文献资料、现场调研,深入了解国内外有关网络技术的发展现状、产品现状和该项技术在智能照明领域的应用情况。 2)研究网络组网的关键技术,掌握其工作原理和设计方法; 3)研究智能照明的控制方法和节能技术; 4)设计基于嵌入式系统的智能照明控制系统的硬件电路。设计和开发基于51单片机的智能照明控制器;包括:智能继电器、智能调光器、控制面板等。 5)设计并开发基于无线传感器网络的硬件系统; 6)设计系统的网络架构。 2 基于CAN总线的系统结构 智能照明系统一般由传感器(如光线感应器、面板开关等)、执行器(如调光电子镇流器)、网络通讯单元(路由器、中继器等)以及辅助单元(如电源)等组成,遵循统一的网络协议,借助各种不同的“预设置”控制方式和控制元件,对不同时间不同环境的光亮度进行精确设置和合理管理。此外智能照明系统中还可对荧光灯进行调光控制,由于荧光灯采用了有源滤波技术的可调光电子镇流器,降低了谐波的含量,提高了功率因数,降低了低压无功损耗。因此,在灯具制造工艺相同水平的情况下,在建筑物中采用智能照明系统不仅能操作简单,管理维护方便,还可以满足工作/生活多样性需求,并且可以有效地达到节能的目的。 本系统主要可以划分为硬件设计部分和软件设计部分。其中硬件设计部分有:CAN接口控制器模块,控制面板(键盘和显示)模块,智能继电器模块,传感器模块,调光模块,远程控制模块。 2.1 CAN技术简介 CAN(Control Area Networker)即控制器区域网,是主要用于各种设备检测及控制的一种网络。CAN最初是由德国Bosch公司为汽车的检测、控制系统而设计的。由于CAN具有独特的设计思想,良好的功能特性和极高的可靠性,现场抗干扰能力强。由于CAN总线具有以上的一些特点,为工业控制系统中高可靠性的数据传送提供了一种新的解决方案。其在国外工业控制领域已经有了广泛的应用,现国内的许多工业控制领域也开始基于CAN的现场控制总线。CAN总线已成为最有发展前途的现场总线之一。 CAN的技术特征: (1)数据信号采用差分电压传输,两条信号线“CAN_H”和“CAN_L”,它们在静态均2.5V,此时为逻辑状态“1”,也称作“隐性”;“CAN_H”比“CAN_L”高,一般为CAN_H=3.5V、CAN_L=1.5V,表示逻辑“0”,称为“显性”。 (2)CAN总线传输介质可用双绞线、同铀电线或光纤,具有较强的抗干扰能力,同时可满足本安防爆要求等。直接通信距离最大可达l0km(速率小于5kbps),最高通信速率可达1Mbps(此时距离最长为40m)。 (3)CAN可以以多主方式工作,网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息,而不分主从,通信方式灵活。 (4)CAN可以点对点、点对多点及全局广播方式传送接收数据。 (5)CAN网络上的节点信息可分成不同的优先级,可以满足不同的实时要求。 (6)CAN采用非破坏性总线)CAN采用短帧结构,每一帧为8个字节,保证了数据出错率极低。数据帧从一个发送节点传送数据以一个或多个接收节点,一个数据帧由七个不同的位场组成:帧起始、仲裁场、控制场、循环冗余校验(CRC)场、应答场、帧结束。它被公认为最有发展前途的现场总线)CAN总线有一个公开的、全世界都遵从的国际标准,因而具有很好的开放性。CAN系统具有很好的数据兼容性。 2.2基于CAN总线的控制系统网络拓扑结构 网络拓扑结构设计是构建计算机网络的第一步,也是实现各种网络协议的基础,它对网络的性能、可靠性和通信费用等都有很大影响。网络拓扑结构按照几何图形形状可分为4种类型:总线拓扑、环形拓扑、星型拓扑和网状拓扑,这些形状也可以混合构成混合拓扑结构。按照CAN总线协议,CAN总线可以是任意拓扑结构的,但一般来说,CAN总线主要有总线拓扑、环形拓扑、星型拓扑和网状拓扑这4种常见的拓扑结构。 在该系统的设计中我们采用总线式结构,总线拓扑结构是单根电缆组成,该电缆连接网络中所有节点。单根电缆称为总线,它仅仅只能支持一个通道,所有节点共享总线的全部带宽。在总线网络中,当一个节点向另外一个节点发送数据时,所有节点都将侦听数据,只有目标节点接收并处理发给它的数据后,其他节点才能忽略该数据。基于总线拓扑结构的网络很容易实现,且组建成本低,但其拓展性较差。当网络中节点增加时,网络性能将下降。此外,总线网络的容错能力较差,总线上的某个中断或故障将会影响整个网络的数据传输。因此,很少CAN总线网络采用一个单纯的总线 CAN总线系统的通信方式 CAN总线系统根据节点的不同,可以采取不同的通信方式以适应不同的工作环境和效率。它可以分为多主式(Multi一masetr)结构和主从式 (Infra-structure)结构两种。 (1)多主式结构 网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上地其他节点发送信息,而不分主从,不需占地址节点信息,通信方式灵活。在这种工作方式下,CAN网络支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收、发送数据。为避免总线冲突,CAN总线采用非破坏性总线仲裁技术,根据需要将各个节点设定为不同的优先级,并以标识符(ID)标定,其值越小,优先级越高,在发生冲突的情况下,优先级低的节点会主动停止发送,从而解决了总线冲突的问题。这是CAN总线的基本协议所支持的工作方式,无需上层协议的支持。 (2)主从式结构 CAN总线在主从式通信方式下工作时,其网络各节点的功能是区分的,节点间无法像多主式结构那样进行平等的点对点信息发送。在主从式结构系统的通信方式下,整个系统的通信活动要依靠主站中的调度器来安排。如果系统调度策略设计不当,系统的实时性、可靠性就会很差,而且容易引起瓶颈向题,妨碍正常有效的通信。所以采取主从式结构的网络都需要采取必要的措施去解决瓶颈问题。目前的CAN网络一般采用多主式和主从式结合的结构,这种结构比较灵活又具有较高的实时性和可靠性。 在该系统的设计中我们将这两种通信方式综合起来使用,来方便控制各个节点的工作,并适时的接受各节点传送的数据。 2.4 CAN总线的分层结构 CAN总线SI标准模型,分为数据链路层和物理链路层。 (1) 数据链路层 数据链路层包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC。逻辑链路子层LCC的作用范围如下: ①为数据传送和远程数据提供请求服务。 ②确认由LLC子层接受的报文实际已被接收。 ③为恢复管理和通知超载提供信息。 介质访问控制子层MAC的作用主要是传送的规则,也就是控制帧的结构,执行仲裁,错误检测,出错的标定,故障界定。MAC也要确定为新一次的发送,总线是否开放或者是否马上结束。定时特性也是MAC子层的一部分。 (2)物理层 物理层分为物理信号、物理媒体连接与介质从属接口三部分,完成电气连接,实现驱动器/接收器特性、定时、同步、位编码解码功能。物理层规定了CAN总线电平的两种状态:“显性(Dominant),和“隐性(Ressive)。“显性”数值表示逻辑“0”,“隐性”数值表示逻辑“1”。 VCAN-H和VCAN-L为总线收发器与总线之间两接口引脚,信号以两线之间的差分电压形式出现。智能照明控制论文在隐性状态,VCAN-H和VCAN-L被固定在平均电压电平附近,Vdiff近似于0。在总线空闲或隐性位期间,发送隐性位,显性位以大于最小阀值的差分电压表示。 2.5 CAN总线报文格式与类型 CAN报文有两种不同的帧格式,不同之处为标识符域的长度不同,含有11位标识符的帧称之为标准帧,含有29位标识符的帧为扩展帧。但无论是哪种帧格式,都含有以下4种不同类型的帧: (1)数据帧(Data Frame):数据帧将数据从发送器传输到接收器。 (2)远程帧(Remote Frame):总线单元发出远程帧,请求发送具有同一标识符的数据帧。 (3)错误帧(Error Frame):任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 (4)过载帧(Overioad Frame):过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时。 2.5.1 数据帧 数据帧由7个不同的位场组成,即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。 l)帧起始:它标志数据帧和远程帧的起始,仅由一个显性位构成。只在总线处于空闲状态时,才允许节点开始发送。所有节点都必须同步于首先开始发送的那个节点的帧起始前沿。 2)仲裁场:在标准格式中,仲裁场由11位标识符和远程发送请求位RTR组成,标识符为ID.28-ID.18。在扩展格式中,由29位标识符、替代远程请求SRR位、帧结构标识位IDE和RTR组成,标识符为ID.28-ID.0。标识符的最高位ID.28最先被发送RTR位在数据帧中必须是显位,而在远程帧中必须为隐位。SRR位为隐位,在扩展格式中,它在标准格式的RTR位上被发送并替代标准格式中的RTR位。IDE位在标准格式中以显性电平发送,而在扩展格式中为隐性电平。 3)控制场:包括4位数据长度码DLC和两个保留位。两个保留位必须发送显性位,但接收器认可显位与隐位的全部组合。数据长度码DLC指出数据场的字节数目。一个数据帧允许发送的数据字节数目为0-8,不能使用其他数值。 4)数据场:由数据帧中被发送的数据组成,它可包括0-8个字节,每个字节8位。首先发送的是第一个字节的最高位。 5)CRC场:包括CRC(循环冗余码校验)序列,后跟随CRC界定符(l个隐性位)。 6)应答场(ACK):为两位,包括应答间隙和应答界定符。在应答场中发送节点送出两个隐性位。一个正确接收到有效报文的接收器,在应答间隙,将此信息通过发送一个显性位报告给发送器,此时发送器发出的隐性位被改写为显性位,表明至少有一个接收器已经正确接收。后续的应答界定符为一个隐性位。因此,应答间隙被两个隐性位(CRC界定符和应答界定符)包围。 7)帧结束:由7个隐性位组成的标志序列界定。 2.5.2.远程帧 当一个节点希望接收某些信息时,可以借助于传送一个远程帧启动信息源节点数据的发送。远程帧由6个不同的位场组成:帧起始、仲裁场、控制场、CRC场和帧结束。不同于数据帧,远程帧的RTR位是隐性位,也不存在数据场。DLC的数据值是独立的,它可以是0-8中的任何数值,这一数值为对应数据帧的DLC。 2.5.3 出错帧 出错帧由两个不同场组成,第一个场由来自各节点的错误标志叠加得到,随后的第二个场是出错界定符。 错误标志具有两种形式,一种是活动错误标志(active error flag),一种是认可错误标志(Passive error flag)。活动错误标志由6个连续的显性位组成,而认可错误标志由6个连续的隐性位组成,除非被来自其他节点的显性位冲掉重写。一个检测到出错条件的“错误激活”节点通过发送一个活动错误标志进行标注。这一出错标注形式违背了适用于由帧起始至CRC界定符所有场的填充规则,或者破坏了应答场或帧结束场的固定形式。因而,其他节点将检测到出错条件并发送出错标志。这样,在总线上被监视到的显性位序列是由各个节点单独发送的出错标志叠加而成的。该序列的总长度在6到12之间变化。一个检测到出错条件的“错误认可”节点试图发送一个错误认可标志进行标注。该错误认可节点自认可错误标志为起点,等待6个相同极性的连续位。当检测到6个相同极性的连续位后,认可错误标志即告完成。出错界定符包括8个隐性位。错误标志发送后,每个节点都送出隐性位,并监视总线,直到检测到隐性位。此后开始发送剩余的7个隐性位。 2.5.4超载帧 超载帧包括两个位场:超载标志和超载界定符。存在两种导致发送超载标志的超载条件:一个是接收器未准备好;另一个是在间歇场检测到显性位。由前一个超载条件引起的超载帧在检测到显性位的后一位开始。在大多数情况下,为延迟下一个数据帧或远程帧,两种超载帧均可产生。 超载标志由6个显性位组成。全部形式对应于活动错误标志形式。超载标志形式破坏了间歇场的固定格式,因而,所有其他节点都将检测到一个超载条件,并且由它们开始发送超载标志。第6个显性位违背了引起出错条件的位填充规则。 超载界定符由8个隐性位组成。超载界定符与错误界定符具有相同的形式。发送超载标志后,节点监视总线直到检测到由显性位到隐性位的发送。在此节点上,总线上的每一个节点均完成送出其超载标志,并且所有节点一致地开始发送剩余的7个隐性位。 2.5.5 错误检测 CAN为了提高抗干扰能力和数据的可靠性,采用了多种错误检测手段。 (l)发送监视。发送站时刻监测它发送的每一位数值,如监视到的总线数值与送出的数值不同时,则为位错误。 (2)填充错误。在应用位填充方法进行编码的报文字段中,出现第6个连续相同的位电平。 (3)CRC错误。接收站计算得出的CRC序列与接收到的不同。 (4)格式错。固定格式的位场与规定不同。 (5)应答错误。在应答位期间,发送站未检测到主控位。发现错误时,接收站将发送活动出错标志,而发送站将发送认可出错标志。 2.6 本系统结构及特点 设计本系统的原则,是在保证系统可靠工作的条件下,力图降低成本。分析本系统的特点是数据传输较低,且各节点间的通讯规律性较强。如图2.1所示,网络拓扑结构采用总线式结构。通讯的主要方式是控制台向各控制器发送控制数据,各控制器向控制台发回应答信号和检测信息。各控制器之间没有数据传送要求;信息吞吐率较低,为降低系统成本提供了有利的条件。根据这个特点,总体上作如下选择: 图2.1基于CAN总线)网络拓扑结构采用总线式结构。这种结构信息吞吐率低,结构简单且成本低,可靠性高。 (2)由于CAN总线采用多主站仲裁结构,(分地址优先级,非破坏方式仲裁),支持主从或广播方式,经过扩展可支持95*8个节点,最高通讯速率1MBPS,最远通讯距离可达10公里(若接专用CAN中继器,传输距离会更远,但通讯速率将下降)。同时CAN控制器内部设有接收和发送缓冲区,通讯以帧为单位,最多8个字节的数据,硬件自动进行16位CRC检验,具有极强的总线和通讯错误的管理能力。 (3)CAN遵循ISO标准模式。具体定义了数据链路层和物理层,在工程上,这两层通常由CAN控制器和收发器实现。CAN总线控制器通常有两类:一类是在片内的CAN微控制器,采用这种器件可以方便用户制作印刷板,电路图也比较紧凑;另一类是独立的CAN控制器,可以使开发人员根据需要选用比较实用的单片机。本系统选择独立的CAN控制器。 (4)该系统的上位机是PC机。由于PC机有多条扩展槽,利用局域网通信卡,使得该系统很容易与其他部门连网,便于统一调度和管理。另外,选用PC机还可以充分利用现有的软件工具和开发系统,方便快捷地设计功能丰富的计算机软件。该系统的控制台由PC机、PC总线适配卡和相应的软件组成。 (5)传输介质采用双绞线。为了进一步提高系统的抗干扰能力,在控制器与传输介质之间采取光电隔离。 (6)信息传输采用CAN通信协议。该系统的主要通信方式是控制台向各个控制器发送控制数据以及各控制器向控制台发回各种检测信息。 3.智能照明系统的硬件设计 3.1 系统简介 智能照明控制系统是一个由中央控制器、主通信干线、分支、信息接口及控制终端等部分构成,是一个对各区域实施相同的控制和信号采样的网络系统。智能照明的控制终端由调光模块、控制面板、照度动态检测器及动静探测器等单元构成,主控制器和终端之间通过信息接口等元件来连接,实现控制信息的传输。以下将对各模块(CAN通信接口模块,控制面板(键盘和显示)模块,智能继电器模块,传感器模块,调光模块,远程控制模块)做详细介绍。 3.2 CAN通信接口模块的设计 3.2.1 芯片介绍 (1)SJA1000芯片 图3.1 SJA1000引角图 引脚说明: AD7-AD0:多路地址/数据总线线。 ALE/AS:ALE输入信号(INTEL模式),AS输入信号(MOTOROLA模式)。 CS:片选输入,低电平允许访问SJAI00000。 RDE:微控制器的/RD信号(INTEL模式)或E使能信号(MOTOROLA模式)。 WR:微控制器的/WR信写(INTEL模式)或RD/(/WR)信号(MOTOROLA模式)。 CLKOUT:SJAIO00产生的提供给微控制器的时钟输出信号,时钟信号来源于内部振荡器通过编程驱动,时钟控制寄存器的时钟关闭位可禁止该引脚脚。 VSS1:接地。 XTAL1:输入到振荡器放人电路,外部振荡信号输入。注:XTAL1引脚必须通过15pF的电容连到VSS1。 XTAL2:振荡放人电路输出,使用外部振荡信号时开路输出。注:XTAL2引脚必须通过15pF的电容连到VSS1。 MODE:模式选择输入,1-INTEL模式,0-MOTOROLA模式。 VDD3:输出驱动的5V电压源。 TXO:从CAN输出驱动器0输出到物理线输出到物理线:输出驱动器接地。 INT:中断输出,用于中断微控制器,INT在内部中断寄存器各位都被置位时低电平有效;此引脚上的低电平可以把IC从睡眠模式中激活。 RST:复位输入,用于复位CAN接口(低电平有效),把RST引脚通过电容连到VSS,通过电阻连到VDD可自动上电复位。 VDD:输入到比较器的5V电压源。 RXO:从物理的CAN总线的输入比较器,支配(控制)电平将会唤醒SJA1000睡眠模式,如果RX1比RX0电平高就读支配(控制)电平,反之读弱势电平;如果时钟分频寄存器的CBP被置位就忽略CAN输入比较器以减少内部延时(此时连有外部收发电路);这种情况下只有RXO是激活的,弱势电平被认为是高而支配电平被认为是低。 VSS2:输入比较器的接地端。 VDD1:逻辑电路的5V电压源。 SJA1000是一种CAN的独立控制器,用于移动目标和一般工业环境中的局域网控制。它是PHILIPS公司早期CAN控制器PCA82C200的替代产品,并且增加了一种新的工作模式PELICAN,这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议,因此功能更加强大。它具有如下特点: (1)完全兼容PCA82C250及其工作模式,即BASICCAN模式。 (2)具有扩展的接收缓冲器为64字节,先进先出(FIFO)。 (3)与CAN2.0B协议兼容;支持11bit和29bit识别码。 (4)位速率可达1Mbps;24MHz的时钟频率。 (5)支持PELICAN模式及其扩展功能。 (6)支持与不同微处理器的接口。 (7)可编程的CAN输出驱动器配置。 (8)增强了温度范围(-40~125℃)。 (2)82C250芯片介绍 图3.2 82C250引脚图 引脚说明: TXD:发送数据输入。 GND:接地。 VCC:提供电压。 RXD:接收数据输出。 Vref:参考电压输出。 CANL:低电平CAN电压输入/输出。 CANH:高电平CAN电压输入/输出。 Rs:Slope电阻输入。 3.2.2 SJA1000工作原理 CAN总线控制器主要包含:接口管理逻辑IML、发送缓冲器TXB、接收缓冲器TXB.RXFIFO、验收滤波器ACF、错误管理逻辑EML、位时序逻辑BTL、位流处理器BSF几个部分。 CAN核心模块负责CAN信息帧的收发和CAN协议的实现。接口管理逻辑负责同外部主控制器的接口,该单元中的每一个寄存器都可由主控制器通过SJA1000的地址/数据总线访问。主控制器可直接将标识符和数据送入发送缓冲区然后置位命令寄存器CMR中的发送请求位TR启动CAN核心模块读取发送缓冲区中的数据,按CAN协议封装成一完整CAN信息帧通过收发器发往总线,验收滤波器单元完成接收信息的滤波,只有验收滤波通过且无差错才把接收的信息帧送入接收FIFO缓冲区且置位接收缓冲区状态标志SR.0表明接收缓冲区中已有成功接收的信息帧。 3.2.3 基于SJA1000的CAN总线 KB的寻址空间。本身不带CAN控制器,所以要实现与CAN总线之间的通信需外加CAN控制器和CAN驱动器。在本设计中采用SJA1000型CAN总线不具备CAN控制器,本设计中采用SJA1000型CAN总线通信控制器。CAN控制器SJA1000的数据线, MB89P857的P48作为外部存储器的片选信号。SJA1000的RD、WR、ALE分别与MB89P857对应的引脚相连,INT接MB89P857的INT0使MB89P857可以通过中断方式访问SJA1000。 图3.3 CAN控制原理图 CAN总线可以看出,硬件电路主要由微控制器89C51、SJA1000、CAN总线收发器和高速光电耦合器6N137组成。 微控制器89C51负责SJA1000的初始化,通过控制SJA1000,实现数据的接收和发送等通信任务。 为了增强总线节点的抗干扰能力,SJA1000的TX0和RX0并不直接与PCA82C250的TXD和RXD相接,而是通过6N137与PCA82C250相接,这样,很好地实现了总线上各节点间的电气隔离。不过,光耦合电路用的2个电源VCC和VDD必须隔离。电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块实现。这虽然增加了接口电路的复杂性,但却提高了节点的稳定性和安全性。 82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施,82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个5Ω的电阻与CAN总线连接,电阻可起到一定的限流作用,保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个30PF的小电容,可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。另外,两根CAN总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管,当CAN总线有较高的负电压时,通过二极管的短路可起到一定的保护作用,82C250的RS脚上接有一个斜率电阻,电阻的大小可根据总线的通讯速度适当调整,一般在16K-140K之间。CAN接口电路负责各节点的串行通信,两只125欧姆的电阻作为CAN线芯片接口PC机与单片机的连接 图 3.4 PC机通过MAX232与单片机的电路连接 MAX232芯片是美信(MAXIM)公司专为HYPERLINK /view/112004.htmRS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。 第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源,提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT)为第一数据通道。8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头;DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC(+5v)。 3.3控制面板模块的设计 控制面板它相当于传统照明系统中的照明开关,安装于便于操作的地方,人们可以通过操作控制面板中的某个按钮,来起动照明系统中的某个灯光控制回路的组合,从而调用某个灯光场景。它有一般场景调用面板、可编程场景调用面板、时序场景调用面板和区域联接场景调用面板等。所谓灯光场景,即系统中由不同的照明回路不同的亮暗搭配而组成的一种灯光效果。这种灯场景可以预设置和记忆在调光模块和开关模块中用户可以从控制面板或液晶显示触摸屏上,调动种灯光场景以达到某个照明效果。控制面板是人机信息交互的界面.用户通过视觉、听觉等途径,了解各智能节点的工作状态,同时通过按键等输入器件控制电器的工作。 控制面板主要包括单片机、键盘和显示这几部分。 智能照明的显示电路是由单片机来控制的,如显示的内容、显示的方式等。单片机在智能照明的控制电路中担任着重要的角色,它的选型决定了控制电路的实现方案。我们利用74HC164芯片的串入并出的功能,和单片机进行串行通讯,并行输出口直接驱动显示器件.这个方案可以扩展单片机的I/O口,降低单片机的资源需求,而且,芯片的安装方法非常灵活,可以减少显示面板的连接导线的数量,提高系统的可靠性,成本方面也具有较大的优势,在按键和显示驱动电路中得到广泛应用。 3.3.1 74HC164芯片说明 74HC164为8位移位寄存器,串行输入,并行输出.74HC164的引脚分布如图(1)所示.兼容TTL电平,最高工作时钟频率20MHz,扇出系数10,散耗功率为500mW,输出电流Io(每端)25mA,可以直接驱动LED显示器件. 图3.1 74HC164引脚图 图3.2 功能图 引脚说明: 符号 引脚 说明 DSA 1 数据输入 DSB 2 数据输入 Q0-Q3 3-6 输出 GND 7 地 (0 V) CP 8 时钟输入(低电平到高电平边沿触发) /M/R 9 中央复位输入(低电平有效) Q4-Q7 10-13 输出 VCC 14 正电源 数据通过两个输入端(DSA或DSB)之一串行输入;任一输入端可以用作高电平使能端,控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起,或者把不用的输入端接高电平,一定不要悬空。时钟 (CP) 每次由低变高时,数据右移一位,输入到Q0,Q0是两个数据输入端(DSA和DSB)的逻辑与,它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。主复位 (MR) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效,同时非同步地清除寄存器,强制所有的输出为低电平。 3.3.2显示部分设计 单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器,简称LED(Light Emitting Diode);液晶显示器,简称LCD(Liquid crystal Display);近几年也有配置CRT显示器的。前者廉价,配置灵活,与单片机接口方便;后者可进行图像显示,但接口复杂,成本也较高。在本设计中我们采用发光二极管显示器。 LED显示器结构原理: 单片机中通常用七段LED构成字型“8”,另外,还有一个小数点发光二极管,以显示数字、符号及小数点。在这种显示共有共阳极和共阴极两种,发光二极管的阳极连接在一起的(公共端K0)成为共阳极显示器,发光二极管的阴极连接在一起的(公共端K0)成为共阴极显示器。为了保护各段LED不被损坏,须外加限流电阻。 LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。静态显示就是当显示器显示某个字符时,相应的段恒定的导通或截止,直到显示另一个字符为止。LED工作于静态显示方式时,各位的共阴极接地;若为共阳极,则接+5V电源。每位的段选线分别与一个八位锁存器的输出口连接,显示器中的各位相互独立,而且各位的显示字符一经确定,相应锁存的输出将维持不变。动态显示就是将所有位的段选线位I/O口控制。而共阴(或共阳)极公共端K0分别由相应的I/O线控制,实现各位的分时选通。在本次设计中我们采用静态显示。 电路原理图如图3.3所示: 图3.3 LED显示原理图 3.3.3键盘部分设计 传统矩阵键盘的结构和存在问题:作为微机系统、单片机系统最常用的输入设备,键盘的作用极其重要。键盘按结构可以分为线性键盘和矩阵键盘两种。线性键盘由若干个独立的按键组成,每个按键的一端与微机的一个I/O端口相连,有多少个按键就要有多少根连线与CPU的I/O端口相连。因此,线性键盘只适用于按键少的场合,在系统日益复杂的今天,这种键盘的应用逐渐减少。矩阵键盘的按键按N行M列排列,每个按键占据行列的一个交点,需要的I/O端口数目是N+M,容纳的最大按键数为N×M。显然,矩阵键盘可以减少与CPU的连接引脚,因此也成为微机系统、单片机系统最常用的键盘结构。矩阵键盘,并通过行列扫描法、反转法等技术实现。 图3.4矩阵式键盘连接图 图3.4所示的矩阵键盘为单片机系统最常用的键盘。但是,这样的矩阵键盘存在两个问题。第一,占用过多的单片机I/O端口。由于AT89C51的P3口有重要的复用功能,因此,真正能作为I/O端口的只有24个引脚。现在,仅仅一个矩阵键盘就占用了8个引脚,造成很大浪费。第二,执行效率不高。传统矩阵键盘往往只能采用定期扫描的方式,也就是每隔一段时间扫描一次键盘。扫描的间隔时间不能太长,否则无法正确识别是否有按键按下。在键盘扫描期间,单片机无法再执行其他程序,造成系统执行效率低下。因此,应该采用中断技术节省CPU资源,提高系统效率。 3.3.4基于74HC164的中断串行键盘硬件设计 根据74HC164的并行输出原理,单片机可以用一根数据线的DSA、DSB相接,而用8个按键与74HC164的数据输出端Q0-Q7相接,构成一个串行键盘。此外,每个按键同时接到单片机的中断INT0,提高系统执行效率、加快键盘扫描速度。每当有按键按下时,INT0低电平触发,系统进入键盘扫描程序。串行键盘的键盘扫描原理和传统矩阵键盘类似,只是由于单片机和74HC164的串行通信方式,因此,单片机需要依次发送若干次按键检测数据才能判断出是哪个按键被按下。 矩阵式键盘的结构与工作原理: 如图3.5所示。在矩阵式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按键加以连接。行线通过电阻接正电源,并将列线的I/O口作为输出端,而行线所接的I/O口则作为输入。AG88环亚平台这样,当按键没有按下时,所有的输出端都是高电平,代表无键按下。列线输出是低电平,一旦有键按下,则输入线就会被拉低,这样,通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。 图3.5基于74HC164的矩阵式键盘电路原理图 3.3.5矩阵式键盘的按键识别方法 确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。行扫描法又称为逐行(或列)扫描查询法,是一种最常用的按键识别方法,如上图所示键盘,介绍过程如下: 判断键盘中有无键按下时先将全部列线全置为低电平,然后检测行线的状态。只要有一行的电平为低,则表示键盘中有键被按下,而且闭合的键位于低电平行线个按键之中。若所有行线均为高电平,则键盘中无键按下。判断闭合键所在的位置,在确认有键按下后,即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是:依次将列线置为低电平,即在置某根列线为低电平时,其它列线全为高电平。在确定某根行线被置为低电平后,再逐列检测各行线的电平状态。若某行为低,则该行线与被置为低电平的列线交叉处的按键就是闭合的按键。 3.4智能继电器模块 继电器的关断与吸合是依靠单片机来实现的。用单片机控制继电器,对继电器发出命令,让其动作或不动,完成其过电压继电器功能。这就需要将电压的值与整定值进行比较。整定值是人为设定的,不同情况用按键修改,并存放在单片机内。在本次设计中我们利用电压/频率转换器LM331测量交流电压的有效值. 3.4.1电压-频率变换器LM331的介绍 LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片,可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路,在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽,可达100dB;线性度好,最大非线Hz时尚有较好的线性;变换精度高,数字分辨率可达12位;外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路,并且容易保证转换精度。LM331为双列直插式8脚芯片,其引脚为: 图3.6 LM331 引脚图 引脚功能: 引脚1(PIN1):为电流源输出端,在f0(PIN3)输出逻辑低电平时,电流源IR输出对电容CL充电。 引脚2(PIN2):为增益调整,改变RS的值可调节电路转换增益的大小。 引脚3(PIN3):为频率输出端,为逻辑低电平,脉冲宽度由Rt和Ct决定。 引脚4(PIN4):为电源地。 引脚5(PIN5):为定时比较器正相输入端。 引脚6(PIN6):为输入比较器反相输入端。 引脚7(PIN7):为输入比较器正相输入端。 引脚8(PIN8):为电源正端。 如图3.7所示:LM331 内部有(1)输入比较电路、(2)定时比较电路、(3)R-S 触发电路、(4)复零晶体管、(5)输出驱动管、(6)能隙基准电路、(7)精密电流源电路、(8)电流开关、(9)输出保护点路等部分。输出管采用集电极开路形式,因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻,灵活改变输出脉冲的逻辑电平,从而适应TTL、DTL 和CMOS等不同的逻辑电路。此外,LM331 可采用单/双电源供电,电压范围为4~40V,输出也高达40V。 图3.7 LM331 V/F转换图 3.4.2继电器模块基本原理结构 电网电压经单相整流后转换为直流电压信号,通过V/F转换器把传感器输出的电压信号转换成相对应的频率信号,采用光电耦合器将频率信号传输到单片机,利用单片机内部的定时/计数器测量信号频率,采用单片机强运算功能,根据电压与频率的线智能继电器的系统框图 3.4.3整流模块设计 在线路保护中,单片机要知道被保护线路的电压值才能判断继电器是否需要动作。LM331并不能直接将交流电压转换为脉冲输出,故电压为交流时,要先将交流电整流后方可进行。LM331的最大输出频率为100kHZ,为使LM331的输入端电压Vi与输出端频率保持f0良好的线不超过满刻度频率范围,Vi最好不要过大。电路 设计时,将整流后的直流电压经过分压电路送到LM331的输入端。 图3.9整流分压电路 3.4.4 V/F转换器LM331模块 LM331是通用型V/F转换器,频率范围为1-100kHz,最大非线ppm/℃,电源范围为4-40V,输入电压范围为0.2V-VS。当4.5V≤VS≤10V时.电源电压对增益的影响为0.1%V;当10V≤VS≤40V时,电源电压对增益的影响为0.06%V。LM331的V/F转换外部电路,如图3.10所示: 图3.10 LM331F/V转换电路原理图 图3.10中,输出频率Fout=K*Vi,其中K=Rs/(2.09RtCtRL)。选用典型值Rt=6.8kΩ,RL=100kΩ,Ct=0.0lμF。系统中,取K=1000,故Rs=14.212kΩ。电路中Rs用一只12kΩ的固定电阻和一只5kΩ的可调电阻串联组成,用于调整LM33l的增益偏差和RL,Rt,Ct所引起的偏差。C1为滤波电容,一般取在0.01-0.1μF,在滤波效果较好的情况下,C1采用lμF的电容。为了提高精度及稳定性,以上阻容元件选用低温度系数的器件,我们选用金属膜电阻和聚苯乙烯或聚丙稀电容器。 3.4.5光电耦合器6N137 在采用两点以上接地的检测或控制系统中,为了抑制地电位差形成的干扰,运用隔离技术切断环路电流是非常有效的方法。从原理上,隔离技术可分为电磁隔离和光电隔离。光电隔离是在两个电路间加入一个光电耦合器,光电耦合器的线性范围有限,用于数字信号传输。同时,光电耦合器的体积小,转换速度快,因而广泛应用于由微机构成的检测或控制系统。采用光电耦合器隔离V/F转换器与单片机,增强系统的抗干扰能力,防止因外部环境恶劣而导致的单片机死机或程序跑飞,同时对单片机也起到电气保护作用。这里选用TOSHIBA的6N137型光电耦合器。图3.11为6N137的典型应用电路。 图3.11 6N137典型应用电路 6N137的引脚2为信号输入端,当输入信号为高电平时,发光二极管发光,反向偏置的光敏管光照后被导通,经电流-电压转换送到与门,与门的另一输入端(引脚7)为使能端,当使能端为高电平时,信号输出端(引脚6)输出低电平。当输入信号为低电平时,输出为高电平。Vcc(引脚8)和地(引脚5)之间必须接一只0.1μF高频特性良好的电容,且应尽量靠近引脚8和引脚5放置。发光二极管正向压降1.2~1.7V,正向电流6.5~15mA,所以在引脚3和地之间必须加470Ω限流电阻。 3.4.6单片机AT89C51模块 该系统设计需用单片机的一个中断.一个定时器。一个计数器。这里选用AT89C51,其包含2个16位定时/计数器和5个中断。当MCS-51内部的定时/计数器选定为定时模式时,计数输入信号是内部时钟脉冲,每个机器周期产生一个脉冲使计数器加l;一个机器周期为外部时钟振荡频率的1/12,采用12 MHz的晶体振荡器,机器周期为1μs。当内部定时/计数器被选定为计数模式时计数脉冲来自外部输入引脚P3.4(T0)或P3.5(T1)。输入信号产生由1到O的负跳变时,计数器加1。由于一次负跳变要用两个机器周期,所以选用12MHz晶体振荡器时,为确保电平在变化之前被采样一次,外部计数输入信号不能超过500 kHz。16位定时/计数器的最高计数值为65 535,在这里已满足设计需要。系统设置AT89C51的T0为定时器,T1为计数器,当单片机接收到中断信号时,定时、计数同时开始,定时结束,计数也随之结束。再利用单片机的运算功能将计数值除以定时值,就能得到所测信号的频率。通过频率与电压,电压与所测压力的线性关系,即可得到相应的电压值。 算法: 若输入电压Ui(t)为随 时间变化的信号,则输出脉冲频率fo也是随时间变化的。设输入电压是周期为T的正弦交流电整流后电压波形如图2所示。设图2中电压波形函数为U(t),幅值为A,周期为T/2,则输出频率波形的函数为kU(t),幅值为kA,周期也为T/2。下图为整流电压波形图: 图中电压的有效值为 在T/2时间内对U(t)积分即可求得一个周期脉波与横轴所围的面积S T/2。 由于VFC回路的输入电压随时间变化,所以输出脉冲频率也是随时间变化的,对变化的频率而言,在某段时间内对脉冲的计数值Dn就是对频率f在此区间的积分值(取整数)[4]。当正弦交流电压的频率为50Hz时,整流电压和频率的周期均为0·01s。在0·01s内对LM331的输出脉冲计数,设计数值为D,则D为f在其一个周期内的积分值,根据f与U(t)的比例关系,有: 从上式可得,只要计数器计出一个周期内电压/频率转换的脉冲数,便可求得正弦交流电压的有效值。k由电压/频率转换电路的元件参数决定。 3.5传感器模块 智能传感器是系统中实现照明智能管理的自动信息传感元件,它具有动静检测用于识别有无人进人房间、照度动态检测用于自动日光补偿。 传感器模块主要是通过传感器将采集的现场的照度及人的信息传给单片机。然后单片机经CAN总线上传给上位机以做进一步的处理。传感器模块主要包括89C51单片机,热释电传感器,照度传感器及A/D转换器等。 3.5.1热释电传感器的工作原理 普通热释电人体红外线所示, D脚和S脚分别为内部场效应管的漏极和源极的引出端,G脚为内部敏感元件的接地引出端。因S和G之间悬空,故使用时其间应接输出电阻R,才能输出传感信号。为了增强抗干扰能力,在此电阻上应并一个电容C。传感器由敏感单元、滤光窗和菲涅尔透镜组成。 图3.12 热释电红外线传感器外形 在自然界,任何高于绝对温度(-273K)的物体都将产生红外光谱,不同温度的物体释放的红外能量的波长是不一样的,因此红外波长与温度的高低是相关的,而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。人体都有恒定的体温,一般在37°C左右,会发出10μm左右特定波长的红外线,被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,后经检测处理后就能产生报警信号。被动红外探头,其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件,而且制成的两个电极化方向正好相反,环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用,使其产生释电效应相互抵消,于是探测器无信号输出。只有当人体移动时,红外辐射引传感器敏感单元的两个等效电容产生不同的极化电荷时,才会向外输出电信号。所以,这种传感器只对人体的移动或运动敏感,对静止或移动很缓慢的人体不敏感,且对可见光和大部分红外线具有良好的抗干扰能力。 热释电传感器是通过感应人体的远红外辐射产生电信号,又称远红外探头(PIR)。理论与实践表明,其输出信号的大小与入射远红外幅射变化的速率成正比,即只有人体处于活动状态、远红外辐射发生急剧变化时,传感器才有信号输出,此即热释电传感器的被动探测特性。PIR采用高灵敏度双元件型探头,探头前加装菲涅耳透镜,以增强信号感应灵敏度和扩大感测范围。 3.5.2芯片介绍 热释电红外探头有些缺点,但是利用特殊信号处理方法后,仍然使它在某些领域具有广阔的应用前景。人体信息处理电路采用专用集成电路BISS0001。BISS0001结构完整,功能齐全,只需少量外围元件就可完成信号的高倍率线性放大、双向鉴幅、信号处理、延迟定时和封锁定时等功能, 图3.13 BIS0001引脚图 引脚说明: 引脚 名称 I/O 功能说明 1 A I 可重复触发和不可重复触发选择端。当A为“1”时,允许重复触发;反之,不可重复触发 2 VO O 控制信号输出端。由VS的上跳变沿触发,使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时,Vo保持低电平状态。 3 RR1 -- 输出延迟时间TX的调节端 4 RC1 -- 输出延迟时间TX的调节端 5 RC2 -- 触发封锁时间Ti的调节端 6 RR2 -- 触发封锁时间Ti的调节端 7 VSS -- 工作电源负端 8 VRF I 参考电压及复位输入端。通常接VDD,当接“0”时可使定时器复位 9 VC I 触发禁止端。当VcVR时禁止触发;当VcVR时允许触发(VR≈0.2VDD) 10 IB -- 运算放大器偏置电流设置端 11 VDD -- 工作电源正端 12 2OUT O 第二级运算放大器的输出端 13 2IN- I 第二级运算放大器的反相输入端 14 1IN+ I 第一级运算放大器的同相输入端 15 1IN- I 第一级运算放大器的反相输入端 16 1OUT O 第一级运算放大器的输出端 BIS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。 3.5.3热释电传感器原理 其原理图如3.14所示: 图3.14 热释电传感器电路原理图 PIR输出的人体感应信号从14脚输入,经内部电路处理后形成有效的触发信号从2脚输出。调节R3、R2(或R4、R5)的比值可改变放大器的增益。输出延迟时间和触发封锁时间由R7、C5和R6、C4设定,为适应单片机控制,设定两值应尽量小。9脚为触发禁止端,可外接功能扩展电路,当自动开关用于照明控制器时,在E、F间接光敏电阻,可实现白天光线充足时禁止开灯。单片机选用美国Atmel公司的AT89C51。BISS0001输出信号反相后从I/O口输入,主动探测电路通过另外两根I/O引线连接,键盘以中断方式工作,用于设置开关延迟断开时间T。单片机根据程序检测人体信号输入的有、无、快、慢,并以此控制开关的开、闭。 3.5.4照度传感器的设计 (1)照度传感器结构及测量原理 专业的光接选器件,对于可见光频段光谱吸收后可将其转换成电信号,电信号的大小对应光照度的强弱。内装有滤光片,使可见光以外的光谱不能到达光接收器,内部放大电路有可调放大器,用于调制光谱接收范围,从而可实现不同光强度的测量。 整个探测器所接受的光通量除以探测器的面积,即为所测的光照度E=Φ/A 照度计由带滤光器的光电探测器及电子放大器和读数系统组成。 (2)产品介绍 GZD系统光照度变送器采用对弱光也有较高灵敏度的硅兰光伏探测器作为传感器;具有测量范围宽、线形度好、防水性能好、使用方便、便于安装、传输距离远等特点,适用于各种场所,尤其适用于农业大棚、城市照明等场所。根据不同的测量场所,配合不同的量程,线性度好、防水性能好、可靠性高、结构美观、安装使用方便、抗干扰能力强。 1)使用标准 1个单位的照度大约为1个烛光在1米距离的光亮度。 夏日晴天强光下照度为:10万Lux(3~30万Lux); 阴天光照度为:1万 Lux; 日出、日落光照强度为:300~400Lux; 室内日光灯照度为:30~50Lux; 夜里:0.3~0.03 Lux(明亮月光下),0.003~0.0007 Lux(阴暗的夜晚)。 2)技术参数 供电电压:12VDC~30VDC; 感光体:带滤光片的硅蓝光伏探测器; 波长测量范围:380nm~730nm; 准确度:±7% 重复测试:±5%; 温度特性:±0.5%/℃; 测量范围: 0~200000Lux 输出形式:二线mA电流输出;三线V电压输出;液晶显示输出;232/485网络输出。 3)使用环境 0℃~40℃、0%RH~70%RH(带液晶);0℃~70℃、0%RH~70%RH(不带液晶)。 大气压力: 80~110kPa。 4)工作原理 由于光电二极管的输出与照度(光流量/感光面积)成比例,因此可以构成照度计(其它光度值测量都可以采取相应办法将其变换为感光面的照度进行测量);再将光电流通过通用运放进行电流—电压转换。 5)接线方法 供电-和电流输出:黑线; 电压输出+:绿线 A/D转换部分 由于51单片机往往要控制比较多的I/O口,因此使用并行ADC会限制系统I/O口功能的扩展,采用串行ADC比较适合那些低速采样而控制管脚,又比较多的系统端。在本次设计中我们选用芯片TLC2543作为串行A/D转换器。 (1)TLC2543的特点及引脚 TLC2543是12bit串行A/D转换器,使用开关电容逐次逼近技术完成,A/D转换串行输入结构,能够节省51系列单片机的I/O资源.其特点有: 1)12bit分辨率A/D转换器; 2)在工作温度范围内10s转换时间; 3)11个模拟输入通道; 4)3路内置自测试方式; 5)采样率为66 kb/s; 6)线)有转换结束(EOC)输出; 8)具有单、双极性输出; 9)可编程的MSB或LSB前导; 10)可编程的输出数据长度。 TLC2543的引脚如图3.15所示: 图3.15 TLC2543引脚图 图中AIN0~AINl0为模拟输入端;/CS为片选端;DIN为串行数据输入端;DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端;EOC为转换结束端;CLK为I/O时钟;REF+为正基准电压端;REF-为负基准电压端; VCC为电源;GND为地. (2)TLC2543的使用方法 1)控制宇的格式 控制字为从DA,IE INPUT端串行输入的8 bit数据,它规定了TLC2543要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度以及输出数据的格式.其中高4 bit(D7~D4)决定通道号,对于O通道至10通道,该4bit为0000~l010H,当为1011—1101时,用于对,TLC2543的自检,分别测试(Vref+ + Vref-)/2、Vref+、Vref-的值,当为1110时,TLC2543进入休眠状态.低4 bit决定输出数据长度及格式,其中D3、D2决定输出数据长度,01表示输出数据长度为8bit,11表示输出数据长度为16bit,其他为12bit.D1决定输出数据是高位先送出,还是低位先送出,为0表示高位先送出.D0决定输出数据是单极性(二进制)还是双极性(2的补码),若为单极性,该位为O,反之为1. 2)转换过程 上电后,片选/CS必须从高到低,才能开始一次工作周期,此时EOC为高,输入数据寄存器被置为0,输出数据寄存器的内容是随机的.开始时,片选/CS为高,I/O CLOCK、DATA INPUT被禁止,DATA OUT呈高阻状态,EOC为高.使/CS变低,I/O CLOCK、DATA INPUT使能,DATA OUT脱离高阻状态.12个时钟信号从I/O CLOCK端依次加入,随着时钟信号的加入,控制字从DATA INPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543(高位先送人),同时上一周期转换的A/D数据,即输出数据寄存器中的数据从DATA OUT一位一位地移出.TLC2543收到第4个时钟信号后,通道号也已收到,此时TLC2543开始对选定通道的模拟量进行采样,并保持到第12个时钟的下降沿.在第12个时钟下降沿,EOC变低,开始对本次采样的模拟量进行A/D转换,转换时间约需10 us是,转换完成后EO才变高,转换的数据在输出数据寄存器中,待下一个工作周期输出.此后,可以进行新的工作周期. 3)TLC2543与89C51单片机的接口示意图 89C51单片机没有SPI接口,为了与TLC2543接口可以用软件功能来实现SPI接口,其硬件接口如图3.16所示. 图3.16 TLC2543与单片机的接口电路 3.6调光模块 现在照明系统中除一些特殊场合,大多数都使用高效电光源荧光灯,由于一些新的能源法规和协议要求提高能源效率,这就要求人们改进电子镇流器,提高电子镇流器的性能。为电子镇流器增加可调光功能,则是提高照明系统能源效率的重要措施之一。降低输出功率,不仅节能,而且能延长灯的寿命。还能起到变换视觉效果的目的。例如在白天需要照明的场所,由于靠近窗户的地方自然光线较强,可将灯光调暗乃至关闭。在不需要满功率输出时,应用调光系统可节能50%,使灯管寿命延长1.5倍。 3.6.1电子镇流器调光功能的主要实现方法 调光就是调节光输出,实质是调节灯功率。传统非调光电子镇流器通过闭环控制可使输出功率基本稳定,灯电阻不会发生很大的变化。然而可调光电子镇流器工作在调光模式下时,灯管所呈现的负阻特性是不同的,不能将其视为电阻性负载。因此,可调光电子镇流器与不带调光功能的电子镇流器相比,需要提供一个用户可调的调光控制输入端,并采用适当的方法检测灯电压、灯电流和灯功率,利用反馈电路调节用户设定的灯亮度。 电子镇流器调光的法有占空比调节、半桥直流总线电压调节、频率调节和相位调节等。占空比调光法是在保持开关频率不变的情况下,改变开关的导通时间,在导通时间缩短时,传递到灯管上的功率减小。通过占空比调节范围为0—0.5,因此调光范围受到一定限制。 当半桥直流总线电压改变时,固定开关频率和占空比,灯功率几乎随直流电压变化呈线性调节特性,从而实现近似线性的平滑灯光调节。但目前应用较多的还是调频和调相这两种解决方案。在本次设计中我们采用调相的方法来实现调光的功能。 相位调制调光法: 灯功率可以利用通过灯管的电流和出现在灯管两端的电压之间的关系来控制,这种技术称为相位调制。为控制电压和电流之间的相位移,需要对工作频率和驱动电路进行调制。当电流和电压同相位时,交付给灯管的功率最大。当电压和电流不同相位时,仅对灯管交付一小部分功率。在超过谐振频率时,谐振电路基本上呈现电感性,频率升高,相位移增大。为了不对红外遥控器造成干扰,最低工作频率应设置在38KHZ以上。 荧光灯不是简单的电阻性负载,它很像一个带小串联电阻的电池。灯电流在高功率电平上往往不再为正弦波。在电压和电流同相位时,灯功率为额定功率的100%,传送到灯管的功率最大。当电压和电流有大的相位移时,灯电流仅为其额定值的1%,传送到灯管的功率非常小。有一部分可调光电子镇流器控制IC(如IR2159)采用脉冲调相调光方案。调相调光法能使灯功率调至1%,并可应用于多灯调光场合,能在任意调光设定值上启动,调光相位与灯功率之间有良好的线的荧光灯可调光电子镇流器的电路设计 (1)L6561芯片结构与工作原理简介 L6561为电流准连续(TM模式)的APFC控制芯片,即电感电流处于连续模式与断续模式的临界点。L6561是ST公司生产的有源功率因数校正专用芯片。能方便的构成宽电压输入(AC85V—265V),低谐波含量的APFC电源;能直接驱动MOS管,且集成了各种保护功能;由于集成度很高,它大大减少了构成系统所需的元器件,降低了损耗,提高了效率. 图 3.17 L6561引脚图 引脚功能: 8号引脚为芯片的电源输入端,芯片的正常工作电压范围为11V—18V,芯片内部有一20V的稳压管并连于该引脚与地之间,为防止芯片供电电压过高而将芯片内部稳压管击穿,可在该引脚与外部供电电源间串接一限流电阻;7号引脚为芯片的驱动信号输出引脚,该引脚内部采用了图腾柱结构,具有最大400mA的驱动能力,能直接驱动MOS管;6号引脚为芯片的参考地,智能调光玻璃能干什么该引脚应和主电路的地连在一起;5号引脚为芯片的过零检测引脚,用于确定何时导通MOS管。该引脚检测电感电流过零时产生的电压振荡,有效触发信号为一下降沿;4号引脚为MOS管电流采样引脚,芯片将该引脚检测到的信号与芯片内部产生的电感电流参考信号相比较,用以确定何时关断MOS管;3号引脚为芯片内部乘法器的一个输入端,该引脚与boost电路输入电压相连,确定输入电压的波形与相位,用以生成芯片内部的电感电流参考信号;2号引脚为内部乘法器的另一个输入端,同时为电压误差放大器的输出端,当系统稳定工作时,该点的电压应恒定;1号引脚为系统反馈电压的输入端,该引脚与内部运算放大器的负相输入端相连,同时通过一电阻分压网络与输出电压相连,从而构成负反馈;1号引脚和2号引脚之间应接一补偿网络,该网络一方面构成电压环的PI调节器,另一方面用以补偿系统的动静态性能。 (2)IR2159芯片引脚及功能: IR21592型控制器集成了调光镇流器控制器和600V半桥驱动器,采用16引脚DIP和SOIC封装。IR21592的核心是带外部可编程最低频率的压控振荡器(VCO)。 IR21592的主要特点如下: 1)具有欠压锁定(UVLO)模式、预热模式、调光模式和故障模式; 2)提供无变压器的灯功率检测相位控制,只需很少的改动,即可将非调光镇流器改为可调光镇流器,调光控制输入DC电压范围为O.5 V—5 V(5 V的DC输入对应最大功率,0.5V对应最小相移); 3)预热时间、预热电流、触发(点火)到调光时间等参数可控,均可利用外部元件编程设置,为镇流器设计提供了高度灵活性; 4)提供灯触发失败、灯丝失败、热过载(热关断温度为165℃)、正常工作期间灯失效及AC线路欠压保护与VCC欠电压锁定(VCC关断电平约为10.9V)。 3.6.3基于IR21592的调光电子镇流器 由L6561和[R21592型控制器组成的高功率因数36 W荧光灯调光电子镇流器电路如图1所示其中,示。图1(a)为基于L6561型控制器的有源功率因数校正(PFC)升压型预变换器电路,其前端为EMI滤波器和桥式整流器(BRl);图l(b)为基于IR21592型控制器的调光镇流器电路。 图 3.18 基于IR21592的调光调光镇流器电路 工作原理: PFC升压变换器为镇流器电路提供接近于1的线路功率因数和低总谐波电流失线V的DC总线电压VBUS。在输入接通AC供电线路后,桥式整流器输出DC脉动电压VDC通过R5和RLM2(10 Ω)对IC2的VCC引脚上的电容器CVCC2(4.7μF)充电。当CVCC2上的电压超过12.5 V的导通阈值时,IC2启动,IC2内VCO起振,半桥驱动器开始工作。只要半桥产生输出,C12、VSI和D4组成的电荷泵电路为IC2的VCC脚供电。半桥输出高频信号经C12、二极管Dl整流和C4滤波为IC1的8引脚(VCC)供电,使IC1启动并使PFC变换器开始工作。 IC2引脚1上由R4和RVCD组成的分压器用作检测经全波整流的线路电压。只有当VCC引脚上的电压超过导通门限电压并且VDC引脚上的电压大于5.1 V时,IC2才能启动并进入预热模式。在预热模式,IC2引脚2内部VCO在最高频率上振荡,半桥输出带50%的占空因数,HO引脚与LO引脚上的驱动输出之间的死区时间内部设定为2μs,从而避免Q2和Q3“直通”。预热时间由IC2引脚3外部电容器CCPH确定。当CCPH上的电压大于5.1 V时,预热阶段结束后,IC2进入触发模式。在触发模式下,工作频率从预热频率向最低频率fMIN偏移。最低工作频率由IC2引脚7外部电阻器RFMIN设定。在频率线性降低过程中,当接近输出级LC串联电路固有频率时,将发生谐振,在CRES上产生的高压脉冲施加到灯管的两端,使灯管击穿而点亮。一旦灯触发成功,IC2则进入运行模式,若失败,IC2则进入故障保护模式。 IR21592有1个调光接口。IC2引脚4允许0.5V-5V的DC电压输入,执行模拟灯功率控制。5V的电压对应于最小相位移(最大灯功率)。调光接口输出是IC2引脚MIN的电压,该电压与IC2内部定时电容器(CT)上的电压VCT相比较,产生频率独立的数字接口相位。CT从l V~5V的充电时间确定IC2输出栅极驱动器(H0与LO)的导通时间。在负载电流中可能对应于-180°的相位移。对于0°~90°的调光范围,利用引脚MIN和引脚MAX上的外部电阻器将IC2引脚MIN上的电压限制在1 V~3 V之间。对应于DIM引脚上5 V的输入,RMAX决定最小相移参考(最大灯功率)。RMIN设置最大相移(最小灯功率),对应于0.5 V的调光输入。 Q3源极电阻器RCS感测半桥电流。只要IC2引脚CS上的电压超过1.6V,则电路进入故障保护模式。由R17和R16组成的分压

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