家庭燈控系統(tǒng)的研制畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 序接收信號，而過分提升時鐘頻率將難以讓數(shù)據(jù)傳送的時序與時鐘合拍，布線長度稍有差異，數(shù)據(jù)就會以與時鐘不同的時序送達，另外，提升時鐘頻率還容易引起信號線間的相互干擾，導致傳輸錯誤。因此，并行方式難以實現(xiàn)高速化。從制造成本的角度來說，增加位寬無疑會導致主板和擴充板上的布線數(shù)目隨之增加，成本隨之攀升。 串行通信 串行通信是指 使用一條數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸， 先由具有幾位總線的計算機內的發(fā)送設備，將幾位并行數(shù)據(jù)經并 串轉換硬件轉換成串行方式，再逐位經 傳輸線到達接收站的設備中，并在接收端將數(shù)據(jù)從串行方式重新轉換成并行方式，以供接收方使用。 傳輸?shù)拿恳晃粩?shù)據(jù)占據(jù)一個固定的時間長度，其只需要少數(shù)幾條線就可以在系統(tǒng)間交換信息。 串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫炔⑿袀鬏斅枚啵?適用于計算機與計算機、計算機與外設之間的遠距離通信， 對于覆蓋面極其廣 闊的公用電話系統(tǒng)來說具有更大的現(xiàn)實意義。 這種方法的優(yōu)點是 通信成本也較低，只需一個信道 ，而且 支持長距離傳輸 。 第 3 頁 共 46 頁 串行數(shù)據(jù)通信的方向性結構有三種，即單工、半雙工和全雙工。 缺點： 數(shù)據(jù)傳輸速度低。在串行口傳送 1 位的時間內， 并行口可以傳送一個字節(jié)。當并行口完成單詞 “advanced”的傳送任務時，串行口中僅傳送了這個單詞的首字母 “a”。 通信的選擇 通過以上對兩種通信方式的對比知道，在本設計中采用串行通信已經足以滿足要求，因此我 們選擇了串行通信的標準。 串行數(shù)據(jù)在傳輸線上的形式和標準 串行數(shù)據(jù)在傳輸時通常采用調幅（ AM）和調頻（ FM）兩種方式傳送數(shù)字信息。遠程通信時，發(fā)送的數(shù)字信息，如 二進制數(shù)據(jù)，首先要調制成模擬信息。 ⑴ 調幅方式 第 4 頁 共 46 頁 幅度調制是用某種電平或電流來表示邏輯“ 1”，稱為傳號（ mark）；而用另一種電平或電流來表示邏輯“ 0”，稱為空號（ space）。出現(xiàn)在傳輸線上的 mark/space 的 串行數(shù)據(jù)形式如圖 所示。 圖 mark/space 串行數(shù)據(jù) 使用 mark/space 形式通常有四種標準， TTL 標準、 RS232 標準、 20mA 電流環(huán)標準和60mA 電流環(huán)標準。 ① TTL 標準：用 +5V 電平表示邏輯“ 1”；用 0V 電平表示邏輯“ 0”，這里采用的是正邏輯。 ② RS232 標準：用 5V— 15V 之間的任意電平表示邏輯“ 1” ；用 +5V — +15V 電平表示邏輯“ 0”，這里采用的是負邏輯。 ③ 20mA 電流環(huán)標準。線路中存在 20mA 電流表示邏輯 1，不存在 20mA 電流表示邏輯 0。 ④ 60mA 電流環(huán)標準。線路中存在 60mA 電流表示邏輯 1，不存在 60mA 電流表示邏輯 0。 ⑵ 調頻方式 頻率調制方式是用兩種不同的頻率分別表示二進制中的邏輯 1 和邏輯 0，通常使用曼徹斯特編碼標準和堪薩斯城標準。 ① 曼徹斯特編碼標準，它的數(shù)據(jù)形式如圖 所示。這種標準兼有電平變化和頻率變化來表示二進制數(shù)的 0和 1。從圖中可看出。每當出現(xiàn)一個新的二進制位時，就有一個電平跳變。如果該位是邏輯 1，則在中間還有一個電平跳變；而邏輯 0僅有位邊沿跳變。所以邏輯 1的頻率比邏輯 0的頻率大一 倍。曼徹斯特編碼標準通常用在兩臺計算機之間的同步通信。 圖 曼徹斯特編碼 標準 ② 堪薩斯城標 準，它的數(shù)據(jù)形式如圖 所示。它用頻率為 1200Hz 中的 4個周期表示邏輯 0；而用頻率為 2400Hz 中的 8個周期表示邏輯 1。 第 5 頁 共 46 頁 圖 堪薩斯城標準 串行通信的 數(shù)據(jù)傳輸率 數(shù)據(jù)傳輸率是指單位時間內傳輸?shù)男畔⒘浚捎帽忍芈屎筒ㄌ芈蕘肀硎尽? ⑴比特率：比特率是指每秒傳輸?shù)亩M制位數(shù)，用 bps （ bit/s)表示。 ⑵ 波特率，波特率是指每秒傳輸?shù)姆枖?shù)，若每個符號所含的信息量為 1 比特，則波特率等于比特率。在計算機中，一個符號的含義為高低電平，它們分別代表邏輯“ 1”和邏輯“ 0”，所以每個符號 所含的信息量剛好為 1 比特，因此在計算機通信中，常將比特率稱為波特率，即： 1 波特（ B） = 1 比特（ bit） = 1 位 /秒（ 1bps） 例如 :電傳打字機最快傳輸率為每秒 10 個字符 /秒，每個字符包含 11 個二進制位 ,則數(shù)據(jù)傳輸率為 :11位 /字符 10 個字符 /秒 =110 位 /秒 =110 波特（ Baud）計算機中常用的波特率是： 1 300、600、 1200、 2400、 4800、 9600、 19200、 28800、 33600，目前最高可達 56Kbps. ⑶ 位時間 Td 位時間是指傳送一 個二進制位所需時間，用 Td 表示。 Td = 1/波特率 = 1/B 例如： B=110 波特 /秒 ， 則 Td = 1/110 ≈ 。 串行通信的 發(fā)送時鐘和接收時鐘 在串行通信中，二進制數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的信號形式出現(xiàn) ,不論是發(fā)送還是接收，都必須有時鐘信號對傳送的數(shù)據(jù)進行定位。在 TTL 標準表示的二進制數(shù)中，傳輸線上高電平表示二進制 1，低電平表示二進制 0，且每一位持續(xù)時間是固定的，由發(fā)送時鐘和接收時鐘的頻率決定。 ⑴ 發(fā)送時鐘 第 6 頁 共 46 頁 發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入移位寄存 器，然后在發(fā)送時鐘的控制下，將該并行數(shù)據(jù)逐位移位輸出。通常是在發(fā)送時鐘的下降沿將移位寄存器中的數(shù)據(jù)串行輸出，每個數(shù)據(jù)位的時間間隔由發(fā)送時鐘的周期來劃分。 ⑵ 接收時鐘 在接收串行數(shù)據(jù)時，接收時鐘的上升沿對接收數(shù)據(jù)采樣，進行數(shù)據(jù)位檢測，并將其移入接收器的移位寄存器中，最后組成并行數(shù)據(jù)輸出。 ⑶ 波特率因子 接收時鐘和發(fā)送時鐘與波特率有如下關系： F = n B 這里 F 是發(fā)送時鐘或接收時鐘的頻率 。 B 是數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈剩? n 稱為波特率因子。設發(fā)送或接收時鐘的周期為 Tc，頻率為 F的位傳 輸時間為 Td，則： Tc = 1/F , Td = 1/B 得到： Tc = Td /n 在實際串行通信中，波特率因子可以設定。在異步傳送時， n = 1， 16， 64，實際常采用 n = 16，即發(fā)送或接收時鐘的頻率要比數(shù)據(jù)傳送的波特率高 n倍。在同步通信時，波特率因子 n 必須等于 1。 異步通信協(xié)議 串行異步通信時的數(shù)據(jù)格式 異步方式通信 ASYNC（ Asynchronous Data Communication） ,又稱起止式異步通信，是計算機通信中最常用的數(shù)據(jù)信息傳輸方式。它是以字符為單 位進行傳輸?shù)模址g沒有固定的時間間隔要求，而每個字符中的各位則以固定的時間傳送。收、發(fā)雙方取得同步的方法是采用在字符格式中設置起始位和停止位。在一個有效字符正式發(fā)送前，發(fā)送器先發(fā)送一個起始位，然后發(fā)送有效字符位，在字符結束時再發(fā)送一個停止位，起始位至停止位構成一幀。串行異步傳輸時的數(shù)據(jù)格式如 圖 所示。 圖 串行異步數(shù)據(jù)格式 從圖中可以看到以下幾點： ⑴ 起始位：起始位必須是持續(xù)一個比特時間的邏輯“ 0”電平，標志傳送一個字符的開始。 ⑵ 數(shù)據(jù)位：數(shù)據(jù)位為 58位，它緊跟在起始位之后，是被傳送字符的有效數(shù)據(jù)位。傳送時先傳送字符的低位，后傳送字符的高位。數(shù)據(jù)位究竟是幾位，可由硬件或軟件來設定。 第 7 頁 共 46 頁 ⑶ 奇偶位：奇偶校驗位僅占一位，用于進行奇校驗或偶校驗，也可以不設奇偶位。 ⑷ 停止位：停止位為 1位、 位或 2位，可有軟件設定。它一定是邏輯“ 1”電平，標志著傳送一個字符的結束。 ⑸ 空閑位：空閑位表示線路處于空閑狀態(tài)，此時線路上為邏輯“ 1”電平。空閑位可以沒有，此時異步傳送的效率為最高。 串行異步通信時的數(shù)據(jù)接收 串行異 步通信時，接收方不斷地檢測或監(jiān)視串行輸入線上的電平變化，當檢測到有效起始位出現(xiàn)時，便知道接著是有效字符位的到來，并開始接收有效字符，當檢測到停止位時，就知道傳輸?shù)淖址Y束了。經過一段隨機時間間隔之后，又進行下一個字符的傳送過程。 通常接收端的采樣時鐘周期要比傳輸字符的位周期短，常用的采樣時鐘頻率為位頻率的 16 倍，采取這種措施是為了提高抗干擾能力，參看圖 所示。 圖 采樣時鐘周期 從圖中可知，傳輸字符的位周期 Td等于采樣時鐘周期 Tc 的 16 倍。接收器的采樣時鐘的每個上升沿對輸入 信號進行采樣，檢驗接收數(shù)據(jù)線上的低電平是否保持 8或 9 個連續(xù)的時鐘周期，以確定傳輸線上的低電平是否是真的起始位。這樣就可以避免噪聲干擾引起的誤操作，從而刪除假的起始位。相當精確地確定起始位的中間點，從而提供一個時間基準，從這個基準開始，每隔 16 個 Tc 對其余數(shù)據(jù)位采樣，以確保傳輸數(shù)據(jù)的正確性。 接收端為實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的基準，可以執(zhí)行以下步驟： ⑴ 在接收端設置一采樣時鐘頻率計數(shù)器，當檢測到起始位下降沿時，將其清零，并開始對采樣時鐘計數(shù)，即每來一個時鐘，計數(shù)器加 1。 ⑵ 當計數(shù)器計到 8時，表示已到達起始位的中 間位置，此時采樣值為 0，說明是真正的起始位，同時將計數(shù)器清零；若采樣值不為 0，則說明一開始檢測到的下降沿不是真正的起始位前沿，而是一次干擾，此次檢測應作廢，計數(shù)器清零，并重新開始檢測起始位。 第 8 頁 共 46 頁 ⑶ 檢測到真正的起始位后，計數(shù)器清零，以后每次計到 16 時，便采樣收到的信號波形（即每一位的中間），將采到的數(shù)值暫存起來，同時將計數(shù)器清零，重新計數(shù)，直至最后的停止位被采樣。 ⑷ 如果停止位采樣正確（為 1），則字符被接收，并由暫存器裝入寄存器。若停止位采樣值為 0，說明同步或傳輸有問題，此次采樣所得字符作廢 ,不被接收 。 第 9 頁 共 46 頁 2 燈控系統(tǒng) 的總體設計 家庭燈控 系統(tǒng)一般應用于小范圍區(qū)域， 機與機之間沒有主從之分， 屬于一個典型的小范圍內的分布式應用。針對這一特點，我們設計為 各機即為主機也可為從機的 結構，各機 之間的通信采用標準的 RS485 總線，可以滿足在 1200 米的范圍內實現(xiàn) 各機間的 通信。 家庭 概況 假如我們在一個房間或者一層樓中，想控制其它房間或者其它樓層的照明燈的亮滅情況，我們可以通過控制板首先按下所要選擇的房間或者樓層，然后控制板上就會顯示你所選房間或者樓層的 照明燈的亮滅情況，接著根據(jù)需要按下各個燈的亮滅控制鍵，每次按下那就的燈就會由亮到滅或者由滅到亮，并且每次按下控制板都會將燈的狀態(tài)送回所選擇的房間或者樓層，從而達到控制的目的。 家庭最多可以有八個房間或者樓層，每個房間或者樓層中有八個照明燈和一個控制板，而各個控制板是互相通信的，可以互相進行通信控制。 無主從機的通信 系統(tǒng)解決方案 每個單片機中的程序都是一樣的，平時都處于接收信息的狀態(tài)，一旦有 按鍵按下則調用相應的處理程序進行相應的選擇房間或者照明燈的狀態(tài)處理。 當接收到信息時則進行中斷，然后判斷是否是 選擇本機的地址，是則進行相應的標志設定，不是則返回主程序中繼續(xù)偵聽總線信息。 燈控 系統(tǒng)的總體結構 圖 中 各機都掛接 485 總線上平時都處于偵聽狀態(tài)，隨時等待其它機的呼叫。 圖 總體結構圖 在 RS485 總線上，同一時刻，只能有一個機 間的 通信， RS485 通信的可靠性從軟件RS485 1 號機 2 號機 3 號機 第 10 頁 共 46 頁 通信協(xié)議上要做處理，硬件上也要做相應的可靠性設計。 單個控制板的總體原理圖 圖 2. 總體 原理 圖 按鍵 主控制器 控制 輸出 RS485 器件 狀態(tài)顯示 第 11 頁 共 46 頁 3 系統(tǒng) 的硬件設計 主要元 器件的選取 主控制器的選擇 硬件設計過程中控制器是系統(tǒng)的核心部分，它能夠控制系統(tǒng)的信號的采集及處理功能，它的性能的好壞決定著系統(tǒng)設計的成敗與否，因此 ，必須對 主控制器從功能和應用性能進行選擇。 可選用控制器主要有 FPGA、 PLC、單片機兩類， 它們各有自己的有缺點。 方案一：采用 FPGA 為系統(tǒng)的控制器， FPGA 可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應用 EDA軟件仿真、調試，易于進行功能控制。 FPGA 采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的 處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。但是由于本設計對數(shù)據(jù)處理的時間要求不高， FPGA 的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復雜，加重了電路設計和實際焊接的工作。 方案二： 可編程控制器 （ PLC)是專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，、用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入、輸出控制各種類型的機械或生產過程。 它的主要功能是邏輯控制、定時控制、計數(shù)控制、 步進控制、 PID 控制、數(shù)據(jù)控制、通信和聯(lián)網等。 因此它的 抗 干 擾能力強，工作可靠，但其無法讀取外部存儲器的數(shù)據(jù)。 而 本 課題家庭 照明控制系統(tǒng)要實現(xiàn)對照明的人性化管理，也就是根據(jù)人的控制輸入出現(xiàn)相應的照明場景和自動執(zhí)行相應控制輸出相結合，具備很大的靈活性。方便修改相應的場景參數(shù)，易于功能擴展，還可以與其它 控制模塊 進行通 信。 方案二：采用 AT89S51 單片機 作為 控制 系統(tǒng)的方案。單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。由于其功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優(yōu)點，各個領域應用廣泛 。并且，由于芯片引腳少，在硬件很容易實現(xiàn)。 AT89S51單片機自身帶資源有兩個定時器， 2 個外部中斷，和一格串行通信中斷。 綜合上述 三 種方案， 方案一和二功能強大、控制編成復雜且成本較高，與 方案 三對比，方案三硬件簡單、靈活度大、成本較低，而且就目前所要設計的系統(tǒng)， AT89S51 單片機自帶功能基本都能滿足設計需求 。 由于單片機技術在各個領域得到越來越廣泛的應用，世界上許多集成電路生產廠家相繼推出了各種類型的單片機。而 單片機的設計在滿足