用单片机实现光照度的PID调节(2)

天津职业技术师范大学2010届本科生毕业设计（论文）

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。

设计的任务流程图如图所示。

功能分析总体设计确定硬件分析与设计软件分析与设计各功能模块调试程序调试仿真整体联调软硬件完善论文撰写图 任务流程

2.2系统功能及技术要求

1照明启停控制

全开 全关 单独开 单独关 2 光照度调节

全部光照度调节 单独光照度调节 3定时控制

对全部照明灯进行定时控制 对每个照明灯进行定时控制

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2.3系统总体设计结构

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。有线通信系统的结构框图如图所示。

主控制器RS485接口RS485总线RS485接口分控制器RS485接口分控制器RS485接口分控制器 图 有线通信系统结构框图

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。

主控制器无线数传模块分控制器无线数传模块无线数传模块分控制器 图 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所示。

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电源数码显示及驱动电路键盘89C51晶振通信接口电路看门狗 图 主控制器硬件电路结构框图

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、光照强度调节，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所示。

电源时钟电路看门狗89C2051晶振零点检测电路可控硅控制电路 图 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。

2.4本章小结

本章主要从系统设计步骤、系统功能及技术要求、系统的总体设计结构三方面对所研究的光照度调节系统的设计框架和性能进行了阐述，该系统由一个主控制器与若干个分控制器组成，系统的设计首先要从硬件方面着手，在绘制出正确的电路图后，再按功能要求编制出相应的软件程序，最终要达到所要求的功能指标。

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3硬件电路设计

3.1以51单片机为核心的主控制器电路设计

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4K bytes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所示。

P1.012P1.13P1.24P1.3P1.4P1.5P1.6P1.789C5112345678131215143112MHz+5VVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7RXDTXDALE/PPSEN403938373635+5V343332212223242526272810113029+5V7447VCCaAbBcCdDefRBIgRBOGNDLT567890开定时关确认↑↓P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7INT1INT0T1T0EA/VPPXTAL1XTAL2RESETRDWRGND+5V100Ω ×7D4D3D2D1A1015×44.7KΩ ×4VCC30pFABCG2AG2BY0Y1Y2Y3VCC30pF19189171620ＤWDORESETGND74LS138MRVCCWDIMAX813L 图 主控制器系统的硬件电路原理图

3.1.1 LED数码显示的设计

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

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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。

3.1.2键盘的设计

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。

3.1.3看门狗电路的设计

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。

3.2以51单片机为核心的分控制器电路设计

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128 bytes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

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