基于單片機控制的校園智能照明控制系統的硬件電路設計

陸超順

摘要：照明用電在我國電能總消費中占有相當大的比重，在全國的總發電量中，約10%～1 2%為照明耗電。近些年，我國年均發電總量大概達到32 458億千瓦，根據發電量的10%進行運算，每年照明耗損的電量大概達到3245億千瓦時，此照明耗能為三峽水利工程年發電能力的3.9倍。因此，如果能通過各種技術手段實現綠色照明、節能照明，其節省的電能所產生的效益——包括經濟效益和社會效益將不可估量，不僅能使我國的電荒得到有效緩解，節約的電能可以少建25萬千瓦的發電廠6～8家，為國家節約資金60～80億元，而且對保護環境、減少二氧化碳、二氧化硫等污染物的排放也大有益處。文章介紹校園智能照明控制系統的硬件設計，系統硬件電路包括兩個部分：上位機（主節點）硬件電路和下位機（從節點）電路設計。

關鍵詞：單片機；智能照明；硬件電路

1 上位機（主節點）框圖設計

由于主節點帶動的模塊較多，用以往的AT89系列的單片機己不能完全勝任，改成LPC2119ARM7微處理器，可以在該微處理器上加載GT1565-VTBA觸摸屏輸入串口通信、TFT彩色顯示屏、CAN總線驅動電路，蜂鳴報警器，獨立式鍵盤和電源電路等模塊，上位機（主節點）硬件結構方框如圖l所示。

2 下位機（從節點）框圖設計

由于從節點的控制相比上位機來說簡單得多，而且去控制的區域也較單一，因此選用AT89C或STC89C系列的單片機就能完全勝任，因為從節點主要驅動的是較小的液晶顯示器LCM1602、串口、鍵盤和CAN控制器電路以及由其中某一個口來驅動繼電器來控制學校的某一處照明設備。下位機（從節點）硬件結構方框如圖2所示。

3 上位機（主節點）單元電路設計

3.1顯示電路設計

選用TFT彩屏TFTLCD-34P電路模塊以及控制器與TFT彩屏模塊之間的接口組成，因為彩屏模塊由TFT液晶電路、觸摸屏電路和背光源電路組成。選用4線電阻式觸摸屏結構，控制器采用12位精準A/D轉換的集成電路XPT2046芯片組成。

3.2 TFT液晶模塊接口電路設計

選用TFTLCD-34P作為TFT液晶模塊與處理器之間的接口電路，TFTLCD是一塊3431腳的大規模集成電路，因此，只要在外圍加入少量的電阻和電容就能夠完成，為液晶模塊提供了一個可直插的接口，方便插入TFT液晶顯示器。

3.3 CAN總線電路設計

選用NXP公司生產的目前全球應用最廣泛的CAN總線收發器PCA82C250，因為PCA82C250是連接CAN總線和微處理器的物理總線的接口電路，能對總線提供差動方式的傳送能力，不僅能以差動方式從CAN總線發送數據，也能以同樣的速率接收有CAN總線傳送來的數據。通信的距離遠遠大于RS485通信，而且它具有優異的瞬間抗任何外部干擾能力，可極大地降低電力線、無線電、RF射頻的干擾，提高了數據的傳送誤碼率，從而更有效地保護了總線的傳送數據的安全性。而且在芯片內部有各種限制過負荷的限流電路裝置，并可防止發送和接收數據端時對電源造成負荷超重而功耗增大所造成的負荷瞬間短路進而造成數據傳送失敗，在輸出極也增加了安全保護功能，若芯片內部溫升達到了160℃時，則自動限流減少輸出，從而保護了芯片不致溫升過高而損壞。PCA82C250符合IS0-11898標準，且傳送速率達到了lMbPS。

3.4串口通信電路的設計

為實現在不同的電平上能進行數據通信，引入了串口通信電路的設計，為了能應用于程序的燒錄以及在開發過程中的程序進行修改調試，選用SIPEX公司的頂級產品SP3232EEA芯片進行TTL電平與下位機RS232電平的轉換。因為SP3232EEA的電路非常簡單，只要在芯片的不同管腳加上4個0.1μF的瓷片電容就可完成TTL電平的轉換。串口通信電路如圖3所示。

4 下位機（從節點）單元電路設計

4.1單片機時鐘振蕩電路

單片機STC89C52有兩種時鐘振蕩可供選擇，一種是外部供給某一獨立的時鐘信號，可以通過XTAL1管腳為單片機提供時鐘信號，另一種則是通過單片機外接一個晶振和兩個20 PF左右的瓷片電容與單片機內部的反相器組成內部振蕩電路，產生的振蕩信號再通過內部12分頻電路進行分頻后提供給單片機作為工作時鐘信號，因為此種方式簡單，所以選用了這種方式提供給單片機。單片機時鐘振蕩電路如圖4所示。

4.2下位機液晶顯示電路設計

因為下位機只要顯示一些最基本的信息，因此選用了SMC1602A液晶模塊，SMC1602A通過3條控制線和8條數據線與單片機STC89C52相連，當RS為低電平時，傳送數據總線上的命令，當RS為高電平時，則單片機上的數據總線上的數據根據WR控制線來區分是讀還是寫數據。當WR為低電平時，為寫LCD液晶顯示器數據；WR為高電平時，為讀取液晶顯示器模塊的數據。EN是使能端，當EN下降時，寫LCD有效；當EN上升時，為LCD讀有效。

4.3從節點串口通信電路設計

從節點串口通信電路選用了美國生產的Max 232芯片，它要應用于實現TTL電平與RS232電平的轉換，因為Max232通信接口電路都是相當成熟的電路，只要在相應的管腳接入相應的電容就可完成它們之間的電平轉換，非常方便。從節點串口通信電路如圖5所示。

4.4蜂鳴報警器電路設計

為了能及時提示用戶目前的工作狀態，為此，在ARM單片機LPC2119微處理器的P0.2口通過2 kΩ電阻相連接，通過2 kΩ電阻限流加于PNP_極管的基極（可選用8550或9012三極管），在三極管的發射極串接一個蜂鳴器，當微處理器P0.2口輸出高電平時，三極管截止，蜂鳴器此時因無Ie電流通過而無聲。當P0.2口輸出低電平時，三極管導通，此時Ie電流通過蜂鳴器而發出嗚叫聲，提醒操作者注意。蜂鳴報警器電路如圖6所示。

[參考文獻]

[1]郭秀梅，姜灤生，李艷萍，等基于PLCBUS協議教室照明智能控制系統設計[J].照明工程學報，2010，21（2）：38-42

[2]孫志剛.PLC與IPC在機電系統中的應用.工業儀表與自動化裝置[J].2000，32 （1）：43-45.