用單片機實現光照度的PID調節(jié)

天津職業(yè)技術師范大學2010屆本科生畢業(yè)設計（論文）目錄1引言 11.1單片機的組成及應用領域 11.2有線通信技術 31.3無線數據傳輸技術 31.4PID調節(jié)技術 31.5本章小結 42光照度調節(jié)系統(tǒng)的設計框架和性能 42.1系統(tǒng)設計步驟 42.2系統(tǒng)功能及技術要求 52.3系統(tǒng)總體設計結構 52.4本章小結 73硬件電路設計 83.1以51單片機為核心的主控制器電路設計 83.1.1LED數碼顯示的設計 83.1.2鍵盤的設計 93.1.3看門狗電路的設計 93.2以51單片機為核心的分控制器電路設計 93.2.1時鐘芯片的設計 103.2.2驅動電路的設計 113.3RS485通信電路的設計 123.4無線數傳電路的設計 133.4.1無線數傳電路的連接 143.4.2SRWF-1模塊 143.5本章小結 164軟件設計 174.1人機交互程序設計 174.1.1鍵盤掃描程序設計 184.1.2LED數碼顯示程序設計 194.2啟?？刂瞥绦蛟O計 204.2.1全部啟?？刂瞥绦蛟O計 204.2.2單獨啟?？刂瞥绦蛟O計 224.3光照強度PID調節(jié)程序設計 244.3.1全部光照度PID調節(jié)程序設計 254.3.2單獨光照度PID調節(jié)程序設計 264.4照明定時控制程序設計 274.4.1全部定時控制程序設計 274.4.2單獨定時控制程序設計 284.5RS485通信程序設計 294.5.1主機部分通信程序設計 304.5.2從機部分通信程序設計 314.6無線數傳通信程序設計 324.7本章小結 335數字PID及其算法的改進 335.1PID控制基本原理 345.2三個基本參數Kp，Ti，Td在實際控制中的作用研究 345.3數字PID控制算法 355.4PID算法的改進，“飽和”作用的抑制 375.5PID控制算法的單片機程序實現 375.6PWM信號的單片機程序實現 386仿真及總結 38致謝 40參考文獻 40附錄 41A串行通信程序 41B光照度調節(jié)程序 47英文文獻及中文翻譯 51用單片機實現光照度的PID調節(jié)1引言近些年來，隨著我國城市建設的快速發(fā)展，樓宇照明也相應飛速發(fā)展。在樓宇的照明數量與質量兩個方面均有顯著的變化與提高，特別是隨著人民生活水平進入小康水平，樓宇照明水平提高很快，追求人工照明光環(huán)境的舒適性、個性化、安全、節(jié)能等方面日見突出。樓宇中人工光環(huán)境對于滿足人們的生活、學習、娛樂以及工作方面有著重要的意義。照明光照度調節(jié)系統(tǒng)傳統(tǒng)是以照明配電箱通過手動開關來控制照明燈具的通斷，或通過回路中串入接觸器，實現遠距離控制。而今出現的樓宇自控系統(tǒng)，是以電氣觸點來實現區(qū)域控制、定時通斷、中央監(jiān)控等功能。由于照明控制系統(tǒng)在樓宇自控系統(tǒng)中并非獨立，同時控制功能簡單，因此使用上有一定的局限性。故當樓宇自控系統(tǒng)出現故障時，照明系統(tǒng)亦受到影響。隨著微電子技術與數字化技術的發(fā)展，開發(fā)出了智能化水平更高的專業(yè)照明控制的獨立系統(tǒng)，從而能節(jié)約能源、延長燈具壽命、提高照明質量。根據使用客戶的經驗，不僅使照明管理與設備維修簡單及降低費用外，還對環(huán)境改善、提高工作效率都有著顯著的效果。本系統(tǒng)是以單片機為控制器的核心，其中上位機是以AT89C51為基礎，下位機是以AT89C2051為基礎，再連接外圍電路，通過現場總線RS485通信方式，采用數字PID算法實現照明燈具光照度的智能調節(jié)，也可以通過無線數傳模塊實現無線通信，從而達到照明燈具的智能控制。1.1單片機的組成及應用領域單片機（單片微型計算機）就是將中央處理單元、存儲器、定時/計數器和多種接口都集成到一塊集成電路芯片上的微型計算機。因此一塊芯片就構成了一臺計算機。它已成為工業(yè)控制領域、智能儀器儀表、尖端武器、日常生活中最廣泛使用的計算機。單片機由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)是指構成微機系統(tǒng)的實體與裝置，通常由運算器、控制器、存儲器、輸入接口電路和輸入設備、輸出接口電路和輸出設備等組成。其中運算器和控制器一般做在一個集成芯片上，統(tǒng)稱中央處理單元（CentralProcessingUnit），簡稱CPU，是微機的核心部件。CPU配上存放程序和數據的存儲器、輸入/輸出（Input/Output，簡稱I/O）接口電路以及外部設備即構成單片機的硬件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)是微機系統(tǒng)所使用的各種程序的總稱，人們通過它對微機進行控制并與微機系統(tǒng)進行信息交換，使微機按照人的意圖完成預定的任務。軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)共同構成完整的單片微型計算機系統(tǒng)，兩者相輔相成，缺一不可。目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網絡通訊與數據傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數據處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分如下幾個范疇：1. 在智能儀器儀表上的應用單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數字電路更加強大。例如精密的測量設備（功率計，示波器，各種分析儀）。2.在工業(yè)控制中的應用用單片機可以構成形式多樣的控制系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管芯片理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯網構成二級控制系統(tǒng)等。3.在家用電器中的應用可以這樣說，現在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯褒、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備，五花八門，無所不在。4.在計算機網絡和通信領域中的應用現代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數據通信，為在計算機網絡和通信設備間的應用提供了極好的物質條件，現在的通信設備基本上都實現了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等。5.單片機在醫(yī)用設備領域中的應用單片機在醫(yī)用設備中的用途亦相當廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設備及病床呼叫系統(tǒng)等等。6.在各種大型電器中的模塊化應用某些專用單片機設計用于實現特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應用，而不要求使用人員了解其內部結構。如音樂集成單片機，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機的原理），就需要復雜的類似于計算機的原理。如：音樂信號以數字的形式存于存儲器中（類似于ROM），由微控制器讀出，轉化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。在大型電路中，這種模塊化應用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換。7.單片機在汽車設備領域中的應用單片機在汽車電子中的應用非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動機控制器，基于CAN總線的汽車發(fā)動機智能電子控制器，GPS導航系統(tǒng)，abs防抱死系統(tǒng)，制動系統(tǒng)等等。此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。1.2有線通信技術在數據通信、計算機網絡以及工業(yè)上的分布式控制系統(tǒng)中，經常需要采用串行通信來達到遠程信息交換的目的。目前，有多種接口標準可用于串行通信，最常用的接口有RS-232、RS-422、RS-485。RS232是最早的串行接口標準，在短距離、較低波特率串行通信中得到了廣泛應用。其后發(fā)展起來的RS-422、RS-485是平衡傳送的電氣標準，比起RS-232非平衡的傳送方式在電氣指標上有了大幅度的提高。但總的來說，RS-232、RS-422與RS-485最初都是由電子工業(yè)協會（EIA）制訂并發(fā)布的，EIA于1983年在RS-422基礎上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標準。RS-232、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協議。正因為RS-485的遠距離、多節(jié)點（32個）、受干擾較小、可靠性強、保密性強、可以自行定義協議以及傳輸線成本低的特性，使得EIARS-485成為工業(yè)應用中數據傳輸的首選標準。1.3無線數據傳輸技術有線傳輸的方式雖然使用非常廣泛且可靠性較高，但由于各方面的局限性，已經在眾多方面被無線傳輸方式所取代。無線數字傳輸技術日益完善，其重要性也被人們所認識，相應的基于無線數字傳輸的產品也隨處可見。無線數字傳輸系統(tǒng)安裝簡便、使用效率高，可應用于各個領域，例如，無線數據傳輸、無線數據采集、無線抄表、工業(yè)遙控、樓宇自動化、高檔玩具等等。無線數傳技術是通過單片機的串口與無線數傳模塊連接，將要發(fā)送的數據由無線數傳模塊向空中發(fā)出，然后由另一個終端設備的無線數傳模塊從空中接收數據，這樣就實現了預期的任務。1.4PID調節(jié)技術在自動控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的PID控制器（亦稱PID調節(jié)器）是應用最為廣泛的一種自動控制器。它具有原理簡單，易于實現，適用面廣，控制參數相互獨立，參數的選定比較簡單等優(yōu)點；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象──“一階滯后＋純滯后”與“二階滯后＋純滯后”的控制對象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質校正的一種有效方法，它的參數整定方式簡便，結構改變靈活（PI、PD、…）。1.5本章小結本章介紹了照明光照度調節(jié)系統(tǒng)在智能樓宇中的應用、發(fā)展以及所使用的主要專業(yè)技術。它從傳統(tǒng)的方式逐步發(fā)展到能夠實現智能化控制，使用戶使用起來更加方便、舒適。本文所研究的光照度調節(jié)系統(tǒng)主要使用了單片機技術、有線通信技術、無線數傳技術和PID調節(jié)技術。2光照度調節(jié)系統(tǒng)的設計框架和性能2.1系統(tǒng)設計步驟系統(tǒng)設計主要包括硬件和軟件兩大部分，依據控制系統(tǒng)的工作原理和技術性能，將硬件和軟件分開設計。硬件設計部分包括電路原理圖、合理選擇元器件、繪制線路圖，然后對硬件進行調試、測試，以達到設計要求。軟件設計部分，首先在總體設計中完成系統(tǒng)總框圖和各模塊的功能設計，；然后進行具體設計，包括各模塊的流程圖，選擇合適的編程語言和工具，進行代碼設計等；最后是對軟件進行調試、測試，達到所需功能要求。在系統(tǒng)設計中設計方法的選用是系統(tǒng)設計能否成功的關鍵。硬件電路是采用結構化系統(tǒng)設計方法，該方法保證設計電路的標準化、模塊化。硬件電路的設計最重要的選擇用于控制的單片機，并確定與之配套的外圍芯片，使所設計的系統(tǒng)既經濟又高性能。硬件電路設計還包括輸入輸出接口設計，畫出詳細電路圖，標出芯片的型號、器件參數值，根據電路圖在仿真軟件上進行調試，發(fā)現設計不當及時修改，最終達到設計目的。軟件設計的方法與開發(fā)環(huán)境的選取有著直接的關系，本系統(tǒng)由于是采用51系列單片機，因此使用KeilC語言進行開發(fā)。此編程工具相比匯編語言具有結構化、適用范圍大、可移植性好等特點。本系統(tǒng)軟件設計采用模塊化系統(tǒng)設計方法，先編寫各個功能模塊子程序，然后進行組合與調整，經過調試后，達到設計功能要求。設計的任務流程圖如圖所示。圖任務流程2.2系統(tǒng)功能及技術要求1照明啟?？刂迫_全關單獨開單獨關2光照度調節(jié)全部光照度調節(jié)單獨光照度調節(jié)3定時控制對全部照明燈進行定時控制對每個照明燈進行定時控制2.3系統(tǒng)總體設計結構系統(tǒng)的結構主要由三部分組成：（1）上位機系統(tǒng)；（2）下位機系統(tǒng)；（3）通信系統(tǒng)。這三部分共同完成了主控制器通過有線、無線通信方式與分控制器進行信息交換，達到控制照明燈具的目的。有線通信系統(tǒng)的結構框圖如圖所示。圖有線通信系統(tǒng)結構框圖該多機通信系統(tǒng)采用RS-485半雙工主從式通信系統(tǒng)，主機可以發(fā)送數據或命令到從機，從機主要負責對分布的照明燈具進行控制，用中斷的方式接收主機發(fā)來的命令或數據并做出回應。無線數據傳輸系統(tǒng)也是由主控制器和分控制器兩部分組成，系統(tǒng)結構框圖如圖所示。主控制器是發(fā)送遙控指令、發(fā)送數據信息、接收應答信息等，分控制器接收數據與遙控指令，完成對照明燈具的控制。圖無線數傳系統(tǒng)結構框圖系統(tǒng)的主控制器通過RS-485總線或無線數傳模塊將數據或命令發(fā)送給分控制器，同時將信息送給數碼顯示單元進行顯示，并有看門狗電路對運行程序進行有效監(jiān)視。主控制器硬件電路結構如圖所示。圖主控制器硬件電路結構框圖分控制器接收主控制器的發(fā)來的數據和命令，通過可控硅電路對照明燈具進行開關、光照強度調節(jié)，并且利用實時時鐘芯片對照明燈具進行定時開關控制。分控制器硬件電路結構如圖所示。圖分控制器硬件電路結構框圖系統(tǒng)在單片機的控制之下完成數據的通信、顯示，同時能夠控制照明燈具，其硬件電路只是系統(tǒng)的實施工具，大量的工作是由軟件來完成的。這些程序是系統(tǒng)的靈魂，是負責完成硬件電路實現功能和與用戶交互的橋梁，是維護系統(tǒng)正常工作的工具。2.4本章小結本章主要從系統(tǒng)設計步驟、系統(tǒng)功能及技術要求、系統(tǒng)的總體設計結構三方面對所研究的光照度調節(jié)系統(tǒng)的設計框架和性能進行了闡述，該系統(tǒng)由一個主控制器與若干個分控制器組成，系統(tǒng)的設計首先要從硬件方面著手，在繪制出正確的電路圖后，再按功能要求編制出相應的軟件程序，最終要達到所要求的功能指標。3硬件電路設計3.1以51單片機為核心的主控制器電路設計主控制器采用AT89C51單片機作為微處理器，AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS8位單片機，片內含4Kbytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元。主控制器系統(tǒng)的外圍接口電路由鍵盤、數碼顯示及驅動電路、晶振、看門狗電路、通信接口電路等幾部分組成。主控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖如圖所示。圖主控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖3.1.1LED數碼顯示的設計數碼顯示與驅動電路由74LS138譯碼器、7447TTLBCD-7段高有效譯碼器/驅動器、4個數碼管以及5個A1015三極管組成。由單片機的P0.0～P0.3口輸出的四位BCD碼，經7447芯片后，翻譯成7段數碼管a、b、c、d、e、f、g相應的段，并輸出點亮數碼管相應的段。單片機的P0.4、P0.5口輸出的信號經74LS138譯碼器后產生的高電平信號加在A1015三極管的基極，控制三極管的導通，從而起到對相應數碼管的選通作用。4個7段數碼管都被接成共陽極方式。3.1.2鍵盤的設計鍵盤的結構形式有兩種，即獨立式按鍵和矩陣式鍵盤。本系統(tǒng)使用的是4×4矩陣式鍵盤，第一行從左到右為1、2、3、4，第二行為5、6、7、8，第三行為9、0、開、關，第四行為增值、減值、定時、確認。該形式的鍵盤，每個按鍵開關位于行列的交叉處，采用逐行掃描的方法識別鍵碼。矩陣鍵盤的列線從左到右分別與單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3相連，矩陣鍵盤的行線從上到下分別與P1.4、P1.5、P1.6、P1.7相連。每當按下一個鍵時，對應的行線與列線就會連通，這樣單片機就能檢測出信號，并通過鍵盤掃描程序對鍵盤進行掃描，以識別被按鍵的行、列位置。3.1.3看門狗電路的設計本系統(tǒng)采用MAXIM公司的低成本微處理器監(jiān)控芯片MAX813L構成硬件狗，與AT89C51的接口電路如圖所示。MR與WDO經過一個二極管連接起來，WDI接單片機的P2.7口，RESET接單片機的復位輸入腳RESET，MR經過一個復位按鈕接地。該監(jiān)控電路的主要功能如下：（1）系統(tǒng)正常上電復位：電源上電時，當電源電壓超過復位門限電壓4.65V，RESET端輸出200ms的復位信號，使系統(tǒng)復位。（2）對+5V電源進行監(jiān)視：當+5V電源正常時，RESET為低電平，單片機正常工作；當+5V電源電壓降至+4.65V以下時，RESET輸出高電平，對單片機進行復位。（3）看門狗定時器被清零，WDO維持高電平；當程序跑飛或死機時，CPU不能在1．6s內給出“喂狗”信號，WDO跳變?yōu)榈碗娖剑捎贛R端有一個內部250mA的上拉電流，D導通MR獲得有效低電平，RESET端輸出復位脈沖，單片機復位，看門狗定時器清零，WDO又恢復成高電平。（4）手動復位：如果需要對系統(tǒng)進行手動復位，只要按下手動復位按鈕，就能對系統(tǒng)進行有效的復位。3.2以51單片機為核心的分控制器電路設計分控制器采用低檔型的AT89C2051單片機作為微處理器，AT89C2051也是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS8位單片機，片內含2Kbytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，具有15線可編程I/O口，該單片機具有體積小、成本低、結構簡單、性價比較高等特點。分控制器系統(tǒng)的外圍接口電路由晶振、實時時鐘芯片、可控硅控制電路、零點檢測電路、看門狗電路、通信接口電路等組成。分控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖如圖所示。圖分控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖3.2.1時鐘芯片的設計本系統(tǒng)利用單片機89C2051和時鐘芯片DS1302進行串行數據通信，讀取和寫入實時數據，用于定時控制照明燈具的啟停。DS1302是美國Dallas公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數據。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小于31日時可自動調整。DS1302與單片機的連接僅需要3根線，即SCLK、I/O、RST。RST接在P1.7上，此引腳為高電平時，選中該芯片，可對其進行操作。串行數據線I/O與串行時鐘線SCLK分別接在P1.5和P1.6上，所有的單片機地址、命令及數據均通過這兩條線傳輸。在本系統(tǒng)中，89C2051為主器件，DS1302為從器件，主器件在總線上產生時鐘脈沖、尋址信號、數據信號等，而從器件則相應接收數據、送出數據。對DS1302的每一次讀寫需16個時鐘脈沖，前8個脈沖輸入操作地址和讀寫命令。其中位7必須為1；位0為0時向芯片寫入數據，為1時從芯片讀出數據；位6～位1選定芯片中的地址。后8個脈沖寫入或讀出數據。DS1302采用雙電源系統(tǒng)供電，VCC1在雙電源系統(tǒng)中提供主電源，在這種運用方式下VCC2連接到備份電源，以便在沒有主電源的情況下能保存時間信息以及數據。DS1302由兩者中的較大者供電。當VCC1大于VCC2+0.2V時，VCC1給DS1302供電。當VCC1小于VCC2時，DS1302由VCC2供電。3.2.2驅動電路的設計這部分電路的設計采用單片機的I/O口灌電流的方法控制可控硅實現開關與調光控制，用光電耦合器M0C3021作為可控硅的驅動器，同時實現強、弱電的隔離。光電耦合器M0C3021通過一個非門與89C2051的P3.7口連接，當此腳輸出高電平時，將會封鎖住MOC3021，使雙向可控硅BT131不導通，這樣就會使照明燈關閉；當P3.7腳輸出低電平時，使光電耦合器MOC3021打開驅動雙向可控硅，從而將雙向可控硅觸發(fā)導通，這樣就開啟了所要控制的照明燈。對于照明燈的光照強度調節(jié)，這里采用PWM（PulseWidthModulation）方式,即脈沖寬度調制的簡稱，PWM是一種周期一定而高低電平的占空比可以調制的方波信號，當輸出脈沖周期一定時，輸出脈沖的占空比越大相對應的輸出有效電壓越大。在一個周期內的脈沖寬度（導通時間）為T1，周期為T，波形如圖所示。圖脈沖波形圖則輸出電壓的平均值為：U=VCC×T1/T=αVCC其中α=T1/T（正脈沖的持續(xù)時間與脈沖周期的比值）稱為占空比，α的變化范圍為0≤α≤1，VCC為電源電壓。當電源電壓VCC不變的情況下，輸出電壓的平均值U取決與占空比α的大小，改變α的大小就可以改變輸出電壓的平均值，這就是PWM的工作原理。燈泡的光照強度與加在燈泡兩端的電壓成比例，而燈泡兩端的電壓與可控硅的導通角成比例，這樣通過調節(jié)PWM信號的占空比來控制可控硅的導通角。因此占空比越大，燈泡就越亮，當占空比α=1時，燈泡的光照強度最高。由于89C2051單片機沒有PWM信號輸出功能，所以在這里采用單片機定時器配合軟件的方法來實現PWM信號的輸出。使用PWM方法進行可控硅控制時，調制頻率不能低于市電頻率，因為當頻率低于50Hz時，超過了人眼視覺暫留效應，用于調光將產生閃爍的現象。當調制頻率大于市電頻率，可控硅將處于連續(xù)導通狀態(tài)而不能達到調壓的目的，因此必須使用過零檢測作為觸發(fā)可控硅的基點。本系統(tǒng)中所使用的過零檢測電路先由一個變壓器將市電電壓轉換成10V左右的電壓，經過整流、穩(wěn)壓后可作為系統(tǒng)工作電源，同時將變壓器次級的同名端引出一根線連接到比較器LM311的正輸入端，用以檢測交流電的過零點，然后將過零信號送給單片機的P1.3口上。當檢測到交流電的過零點時，就去觸發(fā)雙向可控硅，同時通過PWM信號的輸出控制雙向可控硅的導通時間，最終達到控制燈泡光照強度的目的。3.3RS485通信電路的設計系統(tǒng)的有線通信方式采用RS485總線進行通信，RS485標準支持半雙工通信，只需三根線就可以進行數據的發(fā)送和接收，同時具有抑制共模干擾的能力，接收靈敏度可達±200mV，大大提高了通信距離，在100Kbps速率下通信距離可達1200m，如果通信距離縮短，最大速率可達10Mbps。在這里使用的是主從式通信方式，主機由主控制器充當，從機為分控制器。主機處于主導和支配地位，從機以中斷方式接收和發(fā)送數據，主機發(fā)送的信息可以傳送到所有的從機或指定的從機，從機發(fā)送的信息只能為主機接收，從機之間不能直接通信。主機與從機的通信電路圖分別如圖與圖所示。圖主機通信電路圖圖從機通信電路圖主機與從機選用的RS485通信收發(fā)器芯片為MAX485，它是MAXIM公司生產的用于RS485通信的低功率收發(fā)器件，采用單一電源+5V工作，額定電流為300μA，采用半雙工通信方式。它完成將TTL電平轉換為RS485電平的功能。MAX485芯片內部含有一個驅動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可；RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當RE端為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)；當DE端為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可，主機與從機分別使用P2.6與P1.0腳進行控制；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端,當A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數據為1；當A的電平低于B端時，代表發(fā)送的數據為0。在進行通信時只需要一個信號控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時將A和B端之間加匹配電阻，這里選用120Ω的電阻。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，采用光電耦合器TLP521對通信系統(tǒng)進行光電隔離。從機使用單片機的P1.0控制通信收發(fā)器MAX485的工作狀態(tài)，平時置P1.0為低電平，使從機串行口處于偵聽狀態(tài)。當有串行中斷產生時判別是否是本機號，若為本機地址則置P1.0為高電平，發(fā)送應答信息，然后再置P1.0為低電平接收控制指令，繼續(xù)保持P1.0為低電平，使串行收發(fā)器處于接收狀態(tài)；若不是本機地址，使P1.0為低電平，使串行收發(fā)器處于接收偵聽狀態(tài)。3.4無線數傳電路的設計無線數據傳輸需要通過無線數傳模塊來實現。本系統(tǒng)選用的是上海桑銳電子科技有限公司生產的SRWF-1型微功率無線數傳模塊。該模塊的通信信道是半雙工的，最適合點對多點的通信方式。單片機與無線數傳模塊之間可以進行信息的傳送與回饋，即所謂的雙向通信。3.4.1無線數傳電路的連接主控制器與分控制器各使用一個無線數傳模塊，形成發(fā)送與接收的無線通信通道。模塊的數據輸入和輸出端與單片機的串行口連接，即模塊的串行數據發(fā)射端TXD與單片機的串行數據輸入端RXD連接；模塊的串行數據接收端RXD與單片機的串行數據輸出端TXD連接。單片機與無線數傳模塊SRWF-1的電路連接如圖所示。圖單片機與無線數傳模塊的連接3.4.2SRWF-1模塊SRWF-1型微功率無線數傳模塊（如圖所示）是上海桑銳電子科技有限公司采用高效FEC前向糾錯技術結合高性能的無線射頻IC,以及高速微處理器相結合開發(fā)出的一款無線通信模塊，該無線通信模塊具有很強的抗干擾能力,全透明傳輸,體積小,功耗低傳輸距離遠的特點,客戶使用時不需要任何編碼技術。圖SRWF-1型微功率無線數傳模塊1該模塊主要特性：（1）微發(fā)射功率:最大10dbm（10mW）的發(fā)射功率。（2）ISM頻段工作頻率，無需申請頻點。載頻頻率429-438MHz，也可提供315/868/915MHz等載頻。（3）高抗干擾能力和低誤碼率?；贔SK的調制方式，采用高效無線通信協議，在信道誤碼率為10-2時，可得到實際誤碼率10-5～10-6。（4）完善的通訊協議。（5）傳輸距離遠。在視距情況下，天線高度>3米，可靠傳輸距離>300m。（6）透明的數據傳輸。提供透明的數據接口，能適應任何標準或非標準的用戶協議。自動過濾掉空中產生的噪音信號及假數據（所發(fā)即所收）。（7）多信道，多速率。SRWF-1型模塊標準配置提供8個信道，根據用戶需要，可擴展到16/32信道，滿足用戶多種通信組合方式的需求。SRWF-1型模塊可提供1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps等多種通信波特率，并且無線傳輸速率與接口波特率成正比，以滿足客戶設備對多種波特率的需要。（8）雙串口，3種接口方式。SRWF-1型模塊提供2個串口3種接口方式，COM1為TTL電平UART接口。COM2由用戶自定義為標準的RS-232/RS-485接口（用戶只需要拔/插短路器再上電即可改變接口類型）。（9）高速無線通訊和大的數據緩沖區(qū)?？?次傳輸無限長度的數據，用戶編程更加靈活。（10）智能數據控制，用戶無需編制多余的程序。即使是半雙工通信，用戶也無需編制多余的程序，只要從接口收/發(fā)數據即可，其它如空中收/發(fā)轉換，網絡連接，控制等操作，SRWF-1型模塊能夠自動完成。（11）低功耗及休眠功能。接收電流<20mA，發(fā)射電流<40mA,休眠時電流僅為<20uA。（12）高可靠性，體積小、重量輕。采用高性能單片處理器ATMega8L,外圍電路少，可靠性高，故障率低。（13）兩種接口收發(fā)等待時間。可設置的接口等待時間使模塊既能用于高速用戶設備（如DSP系統(tǒng)）也可適用低速系統(tǒng)（如51系統(tǒng)）。（14）看門狗實時監(jiān)控。ATMega8L的看門狗監(jiān)控內部功能，改變了傳統(tǒng)產品的組織結構，提高了產品的可靠性。2該模塊引腳說明：1GND電源模擬地2電源DC+3.6V…+5.0V3RXD/TTL串行數據接收端TTLTXD4TXD/TTL串行數據發(fā)射端TTLRXD5SGND信號地模擬地可與電源地相連6A(TX)A(RX)RS-485的ARS-232的TX7B(RX)B(TX)RS-485的BRS-232的RX8SLP休眠控制（輸入）TTL休眠信號低有效t>15ms9RESET復位（輸出）TTL喚醒信號負脈沖喚醒>1ms3該模塊使用條件說明：中心頻率433MHZ頻率范圍420~460MHZ信道數8/16/32信道可選調制方式FSK通信距離(開放環(huán)境)300米功能雙向半雙工通信波特率1200/2400/4800/9600/19200bps接口方式TTL串口/RS232/RS485發(fā)射功率+10dbm接收靈敏度-105dbm通信數據格式8N1/8E1/8O1可調工作電壓+3.6~+5.5V發(fā)射電流<40mA接收電流<20mA休眠電流<20uA工作溫度-25℃~80℃工作濕度10%~90%相對濕度無冷凝3.5本章小結本章詳細地闡述了系統(tǒng)硬件部分的設計過程，從系統(tǒng)主控制器的硬件電路設計到分控制器的硬件電路設計，然后是RS485通信電路設計與無線數傳模塊的電路連接。系統(tǒng)的主控制器和分控制器分別是以AT89C51與AT89C2051單片機為基礎，按照所要求的功能配上相應的外圍電路。主控制器的外圍電路主要有鍵盤接口、LED數碼顯示接口、看門狗接口、RS485通信接口、無線數傳接口以及晶振等。分控制器的外圍電路主要有時鐘芯片接口、零點檢測電路、可控硅控制電路、RS485通信電路、無線數傳電路以及看門狗與晶振等。主控制器通過串口使用RS485通信方式或者無線數傳方式向分控制器發(fā)出信號實現對照明燈的啟停、光照強度調節(jié)、定時控制等功能。4軟件設計軟件是計算機系統(tǒng)的靈魂，沒有軟件計算機不能充分發(fā)揮其功能，這是軟件在計算機中的地位，而在計算機控制系統(tǒng)中，軟件也是非常重要的。在照明控制系統(tǒng)中，硬件設備的功能是由軟件來定義的，如系統(tǒng)要控制分布的照明燈具，通過有線與無線串行通信程序來完成控制功能，通過軟件定義鍵盤功能，通過編程完成LED數碼顯示等等，由此可見，軟件是控制系統(tǒng)中的一個重要組成部分。該照明控制系統(tǒng)的軟件程序包括：照明啟停控制程序、光照強度調節(jié)程序、照明定時控制程序、人機交互程序以及RS485串行通信與無線數傳通信程序等。本著軟件設計的基本方法，照明控制程序的軟件設計方法是利用傳統(tǒng)的結構化分析與設計方法來完成的。結構化程序設計方法雖然是早期的程序設計方法，但該方法還一直被廣泛地使用。結構化系統(tǒng)分析與設計貫穿整個軟件設計過程，遵循“自頂向下，逐步求精”的基本原則。本照明控制系統(tǒng)軟件程序總體結構如圖所示。圖光照度調節(jié)系統(tǒng)軟件程序總體結構圖4.1人機交互程序設計系統(tǒng)的人機交互程序設計，主要是解決按鍵的掃描與信息的顯示，讓操作者能夠靈活地控制系統(tǒng)工作。鍵盤用來輸入指令，發(fā)光數碼管用來顯示單片機的狀態(tài)，這是一個比較簡單的人機交互形式。4.1.1鍵盤掃描程序設計本系統(tǒng)的鍵盤采用的是4×4矩陣式鍵盤，矩陣式鍵盤由行線和列線組成，按鍵位于行、列線的交叉點上。一個4×4的行、列結構可以構成一個含有16個按鍵的鍵盤，顯然，在按鍵數量較多時，矩陣式鍵盤較之獨立式按鍵鍵盤要節(jié)省很多I/O口。矩陣式鍵盤中，行、列線分別連接到按鍵開關的兩端，在進行鍵盤掃描時，首先把矩陣鍵盤列線的第一根線置高，然后分別再檢測矩陣鍵盤行線是否有高電平的信號，如果有信號，那么就證明這根行線與第一根列線相交處的按鍵被按下了，單片機就讀入這個鍵值。如果所有的四根行線都沒有信號，那么就把第一根列線置低，把第二根列線置高，再一次檢測行線有沒有信號，然后依次類推。由于鍵盤掃描的速度很快，而人按鍵總會持續(xù)一定的時間，因此只要單片機處在等待輸入的狀態(tài)，這個鍵盤掃描程序基本上不會錯過任何一個按鍵信號。由于一般人按鍵會有抖動，抖動信號造成鍵盤掃描時會出現一些錯誤的信號，要不就是掃描不進數據，要不就是重復輸入很多次數據，因此需要有一個消除抖動的程序。讓單片機不響應一些相關的抖動信號，而只響應一次確實存在的按鍵信號。消抖動程序是這樣實現的，當檢測到一個脈沖信號時，并不立即認為是一次按鍵，而是延時一段時間以后再進行檢測，如果三次檢測都有信號，那么就認為有一次按鍵動作發(fā)生了。延時的選擇非常重要，太快了，起不到消除抖動的效果，太慢了又讓鍵盤太不靈活，錯過較多的按鍵信號。鍵盤掃描程序的流程圖如圖所示。系統(tǒng)的按鍵定義除了基本的數字鍵（0～9）外，將其它的鍵依次定義為開、關、增值、減值、定時、確認六個命令鍵，其控制的基本功能是：（1）通過數字鍵、確認鍵輸入分控制器的地址以及定時功能的時間設置。（2）利用開、關鍵控制照明燈具的啟停。（3）利用增值、減值鍵控制照明燈具的光照強度。（4）通過定時鍵來對照明燈具進行定時控制的設置。系統(tǒng)通過軟件方法實現該功能，即定義開、關、增值、減值、定時、確認等命令鍵，利用鍵盤掃描程序獲取對應命令鍵的鍵值，然后執(zhí)行相應的子程序，實現所要求的控制功能。圖鍵盤掃描程序流程圖4.1.2LED數碼顯示程序設計本系統(tǒng)采用了四位共陽極七段數碼管，共陽極數碼管的8個發(fā)光二極管的陽極（二極管正端）連接在一起，通常，公共陽極接高電平（一般接電源），其它管腳接段驅動電路輸出端。當某段驅動電路的輸出端為低電平時，則該端所連接的字段導通并點亮，根據發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數字或字符。此時，要求段驅動電路能吸收額定的段導通電流，還需根據外接電源及額定段導通電流來確定相應的限流電阻，這里的限流電阻選為100Ω。這里選用的7447芯片是從BCD碼到SEG7段碼的轉換器，而74LS138是一個地址譯碼器，通過74LS138選通某個數碼管，然后根據7447傳送過來的SEG7段碼的數據進行顯示，而在非選通的時候，數碼管能夠保持原有的顯示數據。LED數碼顯示程序的流程圖如圖所示。圖LED數碼顯示程序流程圖4.2啟?？刂瞥绦蛟O計照明的啟停控制主要是由主控制器發(fā)出指令，通過RS485通信方式或無線數傳方式控制全部或部分分控制器所控制照明燈具的啟停，因此照明啟?？刂瞥绦蛴蓛刹糠纸M成，即全部啟停控制與單獨啟?？刂苾刹糠帧?.2.1全部啟?？刂瞥绦蛟O計全部照明啟?？刂葡到y(tǒng)是利用主控制器上的開、關按鍵來控制全部照明燈的啟停，控制命令是通過串口通信方式傳達到分控制器，分控制器再依據命令向P3.7口輸出高低電平，來達到控制燈泡亮和滅的目的。在這個多機系統(tǒng)中采用的是主從式通信方式，主機即主控制器處于主導和支配地位，從機即分控制器一般以中斷方式來接收和發(fā)送數據。在主從式多機系統(tǒng)中主機發(fā)送的信息可以傳送到所有的從機或指定的從機，在這里是要發(fā)送給所有的從機，來控制照明燈的啟停。在本系統(tǒng)中采用廣播式命令，不需要從機返回信息，從機之間也不能直接通信。主機由AT89C51單片機充當，從機為AT89C2051單片機。主機與從機的數據通信波特率定為9600波特，每個從機都有唯一的地址號，用來區(qū)分各從機。單片機的數據通信由串口完成，定時器T1為波特發(fā)生器，數據傳送格式為1位起始位，8位數據位，1位停止位，1位可編程位（TB8）。工作方式：定時器T1設置為方式2，串口設置為工作方式3。本系統(tǒng)的通信原理為：從機在建立與主機通信之前所有分機的SM2都置1，即隨時處于對通信線路監(jiān)聽的狀態(tài)，只能收到主機發(fā)送來的機號信息。主機向從機發(fā)送廣播地址信息時，廣播地址為00H，所有分機都接收到廣播地址信息，然后進入正常通信狀態(tài)，清除SM2位，開始接收主機發(fā)送來的命令。從機收到的命令是開燈時，向P3.7口輸出高電平，打開MOC3021驅動雙向可控硅，從而就點亮了燈泡；同理，如果收到的命令是關燈時，向P3.7口輸出低電平，封閉MOC3021使雙向可控硅截止，也就達到了關閉燈泡的目的。該系統(tǒng)的主機和從機的控制程序流程圖如圖和圖所示。圖全部啟?？刂浦鳈C程序流程圖圖全部啟停控制從機程序流程圖4.2.2單獨啟?？刂瞥绦蛟O計單獨照明啟?？刂葡到y(tǒng)是通過主機發(fā)送給指定的從機命令信息，來實現照明燈的啟停控制。主機首先發(fā)送從機地址，被叫到的從機向主機發(fā)送本機地址，然后主機向從機傳送數據，從機根據接收的數據信息執(zhí)行相應的命令。單片機的工作方式同全部照明啟?？刂葡到y(tǒng)。其具體的工作過程是：所有的從機在通信之前都把SM2位置1，隨時處于偵聽狀態(tài)。當主機發(fā)送從機的地址信息時，每幀數據的第9位都為1，所有從機都接收到地址信息，然后判斷主機是否呼叫本機。如果呼叫本機則進入正式通信狀態(tài)，清除SM2，并把本機地址號發(fā)送給主機作為應答，然后才開始接收主機發(fā)送來的信息。而其它從機由于地址號不符，他們的SM2位仍然為1，仍處于偵聽狀態(tài)，無法接收主機發(fā)送來的數據信息。主機收到從機發(fā)送來的回應信息后，比較主機已發(fā)送的地址號與剛接收的地址號是否相符，如果不符，則發(fā)出錯誤信息；如果相符，則正式發(fā)送數據信息，這時發(fā)送的每幀的第9位都為0。只有SM2=0的從機才能接收到主機發(fā)送的信息。從機根據命令執(zhí)行相應的動作，如果為打開命令，則輸出高電平驅動可控硅動作，開啟照明燈；如果為關閉命令，則輸出低電平使可控硅截止，停掉照明燈。該系統(tǒng)的主機和從機控制程序流程圖分別如圖與圖所示。圖單獨啟停控制主機程序流程圖圖單獨啟?？刂茝臋C程序流程圖4.3光照強度PID調節(jié)程序設計光照強度調節(jié)系統(tǒng)是利用主控制器鍵盤上的增值與減值鍵，通過串口通信方式來控制分控制器所控制的照明燈的光照強度。在這里對于燈泡光照強度的調節(jié)是通過PWM方式來進行的，分控制器選用的是AT89C2051單片機，這種單片機本身沒有PWM輸出，只能通過軟件方法實現。在一定頻率的方波中，調整高電平和低電平的占空比，即可實現。假設把一個周期分為10個時間等份，如果方波中的高低電平占空比是1:9，這時就是一個比較暗的光照強度，如果占空比是5:5，就是一個中間光照強度，如果高低電平占空比是9:1，這時就是一個比較亮的光照強度，高低電平占空比為0:10時，燈泡是滅的，高低電平占空比為10:0時，燈泡最亮。在進行實驗中，將定時器1的溢出定為1/20000秒，每10次脈沖輸出一個2KHz頻率。這每10次脈沖再用來控制高低電平的10個比值。這樣，在每個1/2000秒的方波周期中，都可以改變方波的輸出占空比，從而控制燈泡的10個光照強度級別。在主控制器鍵盤上每次按增值與減值鍵改變占空比的值就可以控制燈泡的光照強度。4.3.1全部光照度PID調節(jié)程序設計全部照明光照強度調節(jié)系統(tǒng)就是主機向從機發(fā)送廣播地址，所有從機都接收主機發(fā)送來的數據信息，然后根據命令是調亮還是調暗來進行相應的燈泡光照強度控制。該系統(tǒng)的主機控制程序流程圖同圖4.4所示，從機控制程序流程圖如圖所示。圖全部光照強度調節(jié)從機程序流程圖4.3.2單獨光照度PID調節(jié)程序設計單獨照明光照強度調節(jié)系統(tǒng)通信原理基本上與單獨照明啟停控制系統(tǒng)相同，也是開始時所有從機處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待主機的呼叫，當主機發(fā)出某一從機的地址時，所有從機將接收到的地址與本機地址相比較，如果相符，說明主機在呼叫自己，然后發(fā)回應答信號，表示準備好開始接收后面的命令，否則不予理睬，繼續(xù)監(jiān)聽呼叫地址。主機收到從機的應答后，則開始一次通信，通信完畢，從機繼續(xù)處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待呼叫。從機在收到調亮或調暗的命令后，利用零點檢測電路檢測電源過零點，一旦單片機的P1.3口檢測到過零點脈沖，就會向P1.3口輸出PWM信號以調高或調低燈泡的光照強度。該系統(tǒng)的主機控制程序流程圖同圖4.6所示，從機控制程序流程圖如圖所示。圖單獨光照強度調節(jié)從機程序流程圖4.4照明定時控制程序設計照明定時控制系統(tǒng)是利用從機即單片機AT89C2051和時鐘芯片DS1302進行數據通信，讀取和寫入實時數據，主機采用串口通信方式對從機進行定時時間的設置，從機然后根據設定的時間進行照明燈的啟?？刂?。DS1302的控制字節(jié)的最高有效位（位7）必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數據寫入到DS1302中；位6如果為0，則表示存取日歷時鐘數據，為1表示存取RAM數據；位5～位1指示操作單元的地址；最低有效位（位0）如為0表示要進行寫操作，為1表示進行讀操作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。DA1302的控制字如表所示。在DS1302芯片中，通過把RST輸入驅動置高電平來啟動所有的數據傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供了終止單字節(jié)或多字節(jié)數據的傳送手段。當RST為高電平時，所有的數據傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中置RST為低電平，則會終止此次數據傳送，并且I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。在控制指令字輸入后的下一個SCLK時鐘的上升沿時數據被寫入DS1302，數據輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數據，讀出數據時從低位0位至高位7。4.4.1全部定時控制程序設計在全部定時控制系統(tǒng)中是通過主控制器向所有的分控制器發(fā)送廣播地址，分控制器在收到廣播地址后，使自己處于接收數據狀態(tài)，然后主控制器向網絡中發(fā)送時間數據信息，分控制器在收到時間數據后寫入DS1302芯片，等到設定時間到達后，單片機發(fā)出命令關閉照明燈。該系統(tǒng)的主機控制流程圖同圖4.4所示，從機的控制流程圖如圖所示。圖全部定時控制從機程序流程圖4.4.2單獨定時控制程序設計主控制器使用鍵盤輸入被呼叫分控制器的地址，并通過網絡向所有分控制器傳送，在分控制器將該地址與本機地址進行比較后，判斷是否是呼叫自己，如果是呼叫本機，就將本機地址傳送給主控制器，進一步接收傳送的數據，然后分控制器就將數據寫入DS1302芯片，等到設定的時間到達時就執(zhí)行關閉照明燈的命令。單獨定時控制的主機程序流程圖同圖4.6所示，從機程序流程圖如圖所示。圖單獨定時控制從機控制程序流程圖4.5RS485通信程序設計由于RS485總線是異步半雙工的通信總線，在某一個時刻總線只可能呈現一種狀態(tài)，所以這種方式一般適用于主機對從機的查詢方式通信。在通信中，主機與各個從機進行通信，必須能對各個從機進行識別，這一識別功能是利用串口控制寄存器SCON的SM2位實現的。當串口以方式3工作時，發(fā)送和接收的每一幀信息都是11位，其中第9位數據位是可編程的，通過對SCON寄存器的TB8位置1或置0，以區(qū)別發(fā)送的是地址幀還是數據幀（規(guī)定地址幀的第9位為1，數據幀的第9位為0）。若從機的控制位SM2被設為1，則當接收的是地址幀時，數據裝入SBUF，并置RI=1，向CPU發(fā)出中斷申請，若接收的是數據幀，則不產生中斷，信息被拋棄。若SM2被設為0，則無論是地址幀還是數據幀都將產生RI=1中斷標志，數據裝入SBUF。利用這一功能，可以按照如下步驟進行數據通信：（1）將所有SM2位置1，使其處于只接收地址幀的狀態(tài)。（2）主機發(fā)送一幀地址信息，其中前8位數據位表示通信的從機地址，第9位為1，表示當前幀為地址幀。（3）從機接收到地址幀后，如果是廣播地址幀，則所有從機都將其SM2位置0，準備接收主機發(fā)送的數據或命令；如果不是廣播地址幀，則將本機地址與幀中地址進行比較。如果地址相同，則將其SM2位置0，并發(fā)送本機地址幀，然后準備接收數據。如果地址不同，則丟棄當前數據，SM2位不變。（4）主機發(fā)送數據幀，相應的從機接收，其他從機則不受影響。（5）當主機需要與其他從機通信時，可以再次發(fā)出地址幀尋呼從機，重復這一過程。主機在發(fā)送數據時，按照表4-2的數據格式進行傳輸。在程序中，第9位發(fā)送數據位SCON中的TB8位，第9位接收數據位為SCON的RB8位，因此，發(fā)送數據前，可以通過對TB8位置1或0來確定要發(fā)送的是地址幀還是數據幀。而接收數據時，對地址幀的判斷則是通過讀取RB8位來獲得的，RB8=1，當前幀為地址幀，RB8=0，當前幀為數據幀。單片機的串口工作在方式3下，其波特率由定時器1（T1）的溢出率決定，計算公式為：定時器T1的溢出率的計算公式為：則波特率的公式變?yōu)椋合到y(tǒng)所采用的晶振頻率為11.0592MHz，T1工作在模式3下，波特率=9600b/s。4.5.1主機部分通信程序設計系統(tǒng)中的主機通信程序分為4個部分，分別為預定義及全局變量部分、程序初始化部分、數據通信流程和發(fā)送數據部分。主機的數據通信的基本流程如下：（1）主機首先向所有從機發(fā)送地址幀對要通信的從機進行呼叫，發(fā)送地址幀時需將TB8位置1。（2）發(fā)送地址幀后，如果發(fā)送的是廣播地址幀，則不需要從機應答，待延遲一段時間后，調用發(fā)送函數發(fā)送數據；如果發(fā)送的是非廣播地址幀，主機則要接收應答，若應答信號中的地址與前面發(fā)送的地址并不相同，主機將重新發(fā)送地址幀呼叫，否則調用發(fā)送函數發(fā)送數據。（3）發(fā)送完數據后，主機等待從機的校驗信號，如果接收到0X0F數據，表示發(fā)送成功，通信結束，否則主機將重新發(fā)送數據，直至發(fā)送成功。該部分程序對應的流程圖如圖所示。圖主機數據通信流程圖4.5.2從機部分通信程序設計從機通信程序也被分為預定義及全局變量部分、程序初始化部分、數據通信流程和接收數據部分4個部分。從機部分的數據通信過程受主機控制，其基本的流程如下：（1）初始化完成后，從機設置SM2位為1，串口只接收第9位數據位為1的地址幀，數據幀將被直接拋棄。（2）如果串口有數據接收（收到地址幀），則從機會將該幀中的地址信息先與廣播地址進行比較，如果是廣播地址，則做好接收數據的準備，如果是其它地址，則與本機地址比較，如果相同，則發(fā)送應答信息，應答信息內容應為本機地址，否則丟棄當前數據，從機繼續(xù)處于等待呼叫狀態(tài)。（3）程序調用接收函數接收主機發(fā)送的數據部分并作出應答，接收到的數據保存至Buf指向的緩沖區(qū)中。如果接收函數返回0xff,表示數據校驗失敗，程序等待主機重新發(fā)送數據。如果函數返回值為0xfe，表示從機在數據接收過程中發(fā)現主機發(fā)送地址幀，程序將放棄當前接收過程，將SM2位重新置1，開始下一通信過程。如果函數返回0，表示數據被成功接收，向主機發(fā)送成功信號，隨后，程序將SM2位置1，重新開始下一個數據通信流程。該部分程序對應的流程圖如圖所示。圖從機數據通信流程圖4.6無線數傳通信程序設計這里所設計的無線數據傳輸系統(tǒng)是采用主從式通信方式，主控制器設為主站，所有分控制器設為從站，所有從站都編一個唯一的地址。通信的協調完全由主站控制，主站先發(fā)送地址幀，所有從站都接收，如果是接收的是廣播地址碼，則所有從站都做好接收主機發(fā)送數據或命令的準備，然后主機發(fā)送數據或命令；如果接收的是其它地址碼，則從站將接收到的地址幀與本地地址碼相比較，若不同則將數據全部丟掉，不做任何響應；若地址碼相同，則證明是呼叫本站，從站將自己的地址碼發(fā)送回去，主站收到自己剛發(fā)出去的地址碼后，接著發(fā)送數據或命令。這些工作都需要通信協議來完成，可保證在任何一個瞬間，通信網中只有一個模塊處于發(fā)送狀態(tài)，避免相互干擾。SRWF-1模塊在使用之前要進行無線信道、接口類型、接口速率、接口參數等的設定，在設置完成后便可以進行數據傳輸，當模塊收到單片機發(fā)來的第一個數據后自動進行無線網絡連接、數據同步等工作，因此第一個數據將在5個字節(jié)時間延遲后從接收方串口輸出。如要傳送1個數據幀，此時間延遲將逐漸減少。當最后一個數據被發(fā)送后，模塊將處于等待狀態(tài)直到模塊所設置的接收等待時間延遲之后，模塊將自動通知所有接收設備斷開無線網絡連接、轉入空閑狀態(tài)。當發(fā)送方最后一個數據被發(fā)送后需延遲6-8個字節(jié)才能接收空中其他模塊的數據。其他模塊在此時間內也不能向空中發(fā)射數據，即使有用戶數據輸入也是被緩沖在模塊中，而沒有發(fā)送到無線鏈路中，以避免引起數據通訊混亂。無線數傳的通信協議與流程基本上與RS485通信程序相同，因此主機和從機的數據通信程序流程圖分別如圖4.12與4.13所示。4.7本章小結本章主要闡述了照明控制系統(tǒng)的軟件設計，該系統(tǒng)的軟件程序主要由照明啟?？刂瞥绦?、光照強度調節(jié)程序、照明定時控制程序、人機交互程序、串行通信程序等組成。而照明啟停控制、光照強度調節(jié)以及定時控制程序又分為全部控制和單獨控制兩部分，人機交互程序由鍵盤掃描程序與LED顯示程序組成，而串行通信程序由RS485通信程序和無線數傳程序組成。在這里分別對每個子程序的工作流程、工作原理以及過程都做了詳細的論述。5數字PID及其算法的改進PID控制器是一種基于偏差在“過去、現在和將來”信息估計的有效而簡單的控制算法。而采用PID控制器的控制系統(tǒng)其控制品質的優(yōu)劣在很大程度上取決于PID控制器參數的整定。PID控制器參數整定，是指在控制器規(guī)律己經確定為PID形式的情況下，通過調整PID控制器的參數，使得由被控對象、控制器等組成的控制回路的動態(tài)特性滿足期望的指標要求，達到理想的控制目標。對于PID這樣簡單的控制器，能夠適用于廣泛的工業(yè)與民用對象，并仍以很高的性價比在市場中占據著重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品質。概括地講，PID控制的優(yōu)點主要體現在以下兩個方面:原理簡單、結構簡明、實現方便，是一種能夠滿足大多數實際需要的基本控制器;控制器適用于多種截然不同的對象，算法在結構上具有較強的魯棒性，確切地說，在很多情況下其控制品質對被控對象的結構或參數攝動不敏感。但從另一方面來講，控制算法的普及性也反映了PID控制器在控制品質上的局限性。具體分析，其局限性主要來自以下幾個方面:算法結構的簡單性決定了PID控制比較適用于單輸入單輸出最小相位系統(tǒng)，在處理大時滯、開環(huán)不穩(wěn)定過程等受控對象時，需要通過多個PID控制器或與其他控制器的組合，才能得到較好的控制效果；算法結構的簡單性同時決定了PID控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數主要零極點，閉環(huán)特性從根本上只是基于動態(tài)特性的低階近似假定的；出于同樣的原因，決定了單一PID控制器無法同時滿足對假定設定值控制和伺服跟蹤控制的不同性能要求。如何更好地整定PID控制器的參數一直是PID控制器設計的主要課題。從實際需要出發(fā)，一種好的PID控制器參數整定方法，不僅可以減少操作人員的負擔，還可以使系統(tǒng)處于最佳運行狀態(tài)。傳統(tǒng)的PID控制算法或是依賴于對象模型，或是易于陷入局部極小，因此存在一定的應用局限性，且難以實現高性能的整定效果，常常超調較大、調整時間較長、誤差指標過大等。常規(guī)的控制系統(tǒng)主要針對有確切模型的線性過程，其PID參數一經確定就無法調整，而實際上大多數工業(yè)對象都不同程度地存在非線性、時變、干擾等特性，隨著環(huán)境變化對象的參數甚至是結構都會發(fā)生變化。自Ziegler和Nichols提出PID參數經驗公式法起，有很多方法已經用于PID控制器的參數整定。這些方法按照發(fā)展階段，可分為常規(guī)PID控制器參數整定方法和智能PID控制器參數整定方法。按照PID的控制方式又分為模擬PID控制算法和數字PID控制算法。5.1PID控制基本原理 PID控制即比例（Proportional）、積分（Integrating）、微分（Differentiation）控制。在PID控制系統(tǒng)中，完成PID控制規(guī)律的部分稱為PID控制器。它是一種線形控制器，用輸出y(t)和給定量r(t)之間的誤差的時間函數e(t)=r(t)-y(t).PID控制器框圖如圖所示。RR(t)KpKi/SKd·S控制對象C(t)＋＋＋U(t)＋－E（t）圖PID控制算法框圖實際應用中，可以根據受控對象的特性和控制的性能要求，靈活地采用不同的控制組合，如：P\PI\PID\PD調節(jié)器。5.2三個基本參數Kp，Ti，Td在實際控制中的作用研究 通過使用MATLAB軟件中SIMULINK的系統(tǒng)仿真功能對PID算法進行仿真，現將結果作以下概括。比例調節(jié)作用：是按比例反映系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現了偏差，比例調節(jié)立即產生調節(jié)作用用以減少偏差，屬于“即時”型調節(jié)控制。比例作用大，可以加快調節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調節(jié)作用：使系統(tǒng)消除靜態(tài)誤差，提高無誤差度。因為有誤差，積分調節(jié)就進行，直至無誤差，積分調節(jié)停止，積分調節(jié)輸出一常值，屬于“歷史積累”型調節(jié)控制。積分作用的強弱取決與積分時間常數Ti，Ti越小，積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。積分作用常與另兩種調節(jié)規(guī)律結合，組成PI調節(jié)器或PID調節(jié)器。微分調節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差的變化趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，以被微分調節(jié)作用消除，因此屬于“超前或未來”型調節(jié)控制。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適的情況下，可以減少超調，減少調節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反映的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節(jié)規(guī)律相結合，組成PD或PID控制器。5.3數字PID控制算法數字PID控制算法通常分為位置式HD控制算法和增量式PID控制算法。位置式PID控制算法：由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量，故對式5-1中的積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理。按模擬PID控制算法的算式(2-1)，現以一系列的采樣時刻點kT代表連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可以作如下的近似變換:(5-1)顯然，上述離散化過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為了書寫方便，將e(kT)簡化表示成e(k)等，即省去T?？梢缘玫诫x散的PID表達式為:(5-2)中式:k—采樣序列號;u(k)—第k次采樣時刻的計算機輸出值;e(k)—第k次采樣時刻輸入的偏差值;e(k-1)—第k-1次采樣時刻輸入的偏差值；Keq\o(\s\up5(),\s\do2(I))—積分系數，Keq\o(\s\up5(),\s\do2(I))＝Ｋeq\o(\s\up5(),\s\do2(P))Ｔ/Teq\o(\s\up5(),\s\do2(I))Ｋeq\o(\s\up5(),\s\do2(D))—微分系數，Ｋeq\o(\s\up5(),\s\do2(D))Ｔeq\o(\s\up5(),\s\do2(D))/Ｔ。我們常稱式(5-2)為位置式PID控制算法。對于位置式PID控制算法來說，位置式PID控制算法示意圖如圖所示，由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關，計算時要對誤差進行累加，所以運算工作量大。而且如果執(zhí)行器(計算機)出現故障，則會引起執(zhí)行機構位置的大幅度變化，而這種情況在生產場合不允許的，因而產生了增量式PID控制算法。++-r(t)e(t)uc(t)PID位置算法調節(jié)閥被控對象圖位置型控制示意圖++-r(t)e(t)Δuc(t)PID增量算法步進電機被控對象圖增量型控制示意圖增量式PID控制算法：所謂增量式PID是指數字控制器的輸出只是控制量的增量Δ(k)。增量式PID控制系統(tǒng)框圖如圖2-3所示。當執(zhí)行機構需要的是控制量的增量時，可以由式(2-4)導出提供增量的PID控制算式。根據遞推原理可得:（5-3）用式(5-1)減去式(5-2)，可得：（5-4）式(5-4)稱為增量式PID控制算法。增量式控制算法的優(yōu)點是誤動作小，便于實現無擾動切換。當計算機出現故障時，可以保持原值，比較容易通過加權處理獲得比較好的控制效果。但是由于其積分截斷效應大，有靜態(tài)誤差，溢出影響大。綜合兩種算法，本設計是產生一個PWM信號去控制燈泡的光照強度，PWM信號的高電平持續(xù)時間對應的控制量是一個絕對值，而不是一個控制量的增量。但是如果采用“位置PID算法”則需要考慮控制量的基值u0,即Kp=0時的控制量，而直接用增量式PID算法只能計算出控制量的增量。所以，設計中，先采用增量式控制控制算法計算出控制量的增量，然后加上上一次的控制量即可以得到本次的控制量。綜合來說，本系統(tǒng)的PID算法是以增量式算法實現“位置PID算法”的結果，使控制得到簡化、容易實現。5.4PID算法的改進，“飽和”作用的抑制抑制PID算法的“飽和”作用，通常有兩種方法。一種算法是遇限削弱積分法，其基本思想是：一旦控制變量進入飽和區(qū)，將只執(zhí)行削弱積分項的運算而停止進行增大積分項的運算。具體地說，在計算u（k）時，將判斷上一時刻的控制量u（k）是否已超出限制范圍，如果已超出，那么將根據偏差的符號，判斷系統(tǒng)輸出是否在超調區(qū)域，由此決定是否將相應偏差計入積分項。另一種算法是積分分離法。減小積分飽和的關鍵在于不能使積分項累積過大。第一種修正方法是一開始就積分，但進入限制范圍后即停止累積。后者介紹的積分分離法正好與其相反，它在開始時不進行積分，直到偏差達到一定的閥值后才進行積分累計。由于本系統(tǒng)的控制對象是一個具有慣性或稱其為滯后特性的光源，一方面要求控制要盡可能高的反映速度，另一方面也要盡可能減少超調。因此，積分分離法比較適合本系統(tǒng)。綜合上面關于PID算法的研究，已經得出一個針對本系統(tǒng)的PID算法——“增量式積分分離PID控制算法”。在此控制算法中，誤差較大時采用的是PD算法控制。5.5PID控制算法的單片機程序實現 要編寫一個已知算法的單片機程序，首先要考慮的就是數據的結構和存儲方式了。因為它直接影響到系統(tǒng)的控制精度，以及PID算法的實現質量。本系統(tǒng)之所以專門采用一片單