四川師范大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書設(shè)計(jì)（論文）題目：基于FPGA實(shí)驗(yàn)大樓光照與通風(fēng)控制系統(tǒng)學(xué)院：工學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化學(xué)號：2011180239學(xué)生：周躍指導(dǎo)教師：冷紅英1．設(shè)計(jì)（論文）的主要任務(wù)及目標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)基于FPGA的實(shí)驗(yàn)大樓光照與通風(fēng)控制系統(tǒng)。要求系統(tǒng)能根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)，自動檢測出當(dāng)前的光照強(qiáng)度，對預(yù)先指定好的房間能自動控制電動窗簾的開啟或關(guān)閉；根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的時(shí)間自動開啟或關(guān)閉通風(fēng)機(jī)電源。2．設(shè)計(jì)（論文）的基本要求和內(nèi)容閱讀與畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)的中英文文獻(xiàn)約30篇；分析課題的可實(shí)現(xiàn)性；選擇合適的光照傳感器；劃分系統(tǒng)層次與軟件模塊；繪制出電路原理圖；在軟件平臺上完成軟件仿真。編寫出合格的畢業(yè)論文。3．主要參考文獻(xiàn)[1]包長春，石瑞珍．基于zigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)設(shè)施測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)口[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(8)：160一161．[2]蔣園園，宋良圖．農(nóng)田遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．自動化與儀器儀表，2007(6)：18—19．[3]代媛，何東健，張建鋒．基于zigBee的農(nóng)業(yè)信息無線傳輸網(wǎng)絡(luò)研究與實(shí)現(xiàn)口[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(7)：15．[4]武風(fēng)波，強(qiáng)云霄．基于zigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程無線溫濕度測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．西北大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，38(5)：732—733．[5]楊燁，董惠．基于zigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J]，測控技術(shù)，2009(17)：141—142．[6]齊文新，魯涵，孫慶虎等．基于GPRS技術(shù)的溫室自動控制系統(tǒng)，GREENHOUSEHOUTICULTURE，38—39.[7]張杰，胡世安，龍子夜等．基于GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及其應(yīng)用探討[J]，電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2009，(增刊)：154—157．[8]趙申，蔣鈴鴿．基于GPRS的無線數(shù)據(jù)采集與傳輸終端叨．通信與計(jì)算機(jī)，2004，(8)：130—基于FPGA實(shí)驗(yàn)大樓光照與通風(fēng)控制系統(tǒng)摘要實(shí)驗(yàn)大樓光照通風(fēng)條件好壞是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部環(huán)境優(yōu)劣的重要因素，實(shí)現(xiàn)對光照，通風(fēng)的自動控制是確保實(shí)驗(yàn)室內(nèi)光線充足，空氣清新的主要方式，如今最新的綠色建筑設(shè)計(jì)理念，自然通風(fēng)、自然采光已成為智能建筑舒適與健康的標(biāo)志。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)大樓光照通風(fēng)的良好，本系統(tǒng)自動檢測出當(dāng)前的光照強(qiáng)度，對預(yù)先指定好的房間能自動控制電動窗簾的開啟或關(guān)閉；根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的時(shí)間自動開啟或關(guān)閉通風(fēng)機(jī)電源，設(shè)計(jì)出一套切實(shí)可行的光照通風(fēng)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有成本低廉，性能可靠，工作穩(wěn)定，便于維護(hù)，便于擴(kuò)充等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)大樓，光照監(jiān)控，通風(fēng)控制，F(xiàn)PGA。FPGA-basedexperimentalbuildinglightingandventilationcontrolsystemSummary

Lightlaboratorybuildingventilationisanimportantfactorinthequalityoftheinternalenvironmentofthemeritsofthelaboratory,toachievethelight,airyautomaticcontrolistoensureadequatelaboratorylight,freshairandamajorway,andnowthelatestingreenbuildingdesign,naturalventilationnaturallightinghasbecometheintelligentbuildingcomfortandhealthysign.

Inordertoachievegoodlaboratorybuildinglightandairy,thesystemautomaticallydetectsthecurrentlightintensity,goodroomforapre-specifiedautomaticcontrolelectriccurtainsopenorclosed;agoodtimetoautomaticallyturnonoroffaccordingtopre-setthefanpower,designasetofpracticallightingventilationcontrolsystems.

Thesystemhastonotinexpensive,reliable,stable,easytomaintain,easytoexpandandsoon.Keywords:laboratorybuilding,lightcontrol,ventilationcontrol,FPGA.目錄摘要…………………………IAbstract…………………II第1章緒論………………1課題研究的背景與意義…………1國內(nèi)外研究的發(fā)展?fàn)顩r…………2系統(tǒng)的主要任務(wù)…………………3系統(tǒng)總體法案設(shè)計(jì)………………42.1系統(tǒng)方案的確定…………………42.2器件的選型………………………42.2.1控制器的選取……………42.2.2無線模塊的選取…………52.2.3顯示裝置的選取…………52.2.4光照度檢測裝置的選取…………………6第3章硬件設(shè)計(jì)…………93.1芯片介紹…………93.1.1光照度傳感器……………93.1.2ADC0809S數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片…………………93.1.3AT89C52單片機(jī)芯片……………………113.1.4MAX232TTL轉(zhuǎn)串口電平芯片……………113.1.5ULN2003達(dá)林頓陣列芯片………………123.2硬件電路的設(shè)計(jì)…………………123.2.1時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)…………123.2.2復(fù)位電路設(shè)計(jì)……………133.2.2顯示電路設(shè)計(jì)……………133.2.4光照度傳感電路設(shè)計(jì)……………………143.2.5rs232通信電路設(shè)計(jì)……………………143.2.6ULN2003驅(qū)動電路設(shè)計(jì)…………………153.3硬件總體電路原理圖設(shè)計(jì)………15系統(tǒng)軟件方案的設(shè)計(jì)……………164.1軟件應(yīng)用簡介……………………164.1.1MSCOMM控件簡介………164.1.2winsock控件簡介………174.1.3keil軟件介紹…………184.1.4STC_ISP_V483簡介……………………194.1.5protues軟件簡介……………………194.2程序設(shè)計(jì)流程圖………………204.2.1光照度采集程序流程圖………………204.2.2串口中斷程序流程圖…………………214.2.3led驅(qū)動程序設(shè)計(jì)流程圖……………224.2.4下位機(jī)界面設(shè)計(jì)………224.2.5上位機(jī)控制界面設(shè)計(jì)…………………24第5章總結(jié)……………25參考文獻(xiàn)…………………26致謝………………………27附錄………………………28附錄1：程序清單…………………28附錄2：電路原理圖………………38附錄3：實(shí)物圖……………………39第1章緒論1.1課題研究的背景與意義實(shí)驗(yàn)大樓環(huán)境非常重要，由于實(shí)驗(yàn)室存放了許多重要藥品和精密儀器，如果不能具有良好的通風(fēng)光照時(shí)間，容易造成實(shí)驗(yàn)室內(nèi)物品發(fā)霉，空氣質(zhì)量差，各種化學(xué)藥品氣味四處蔓延，精密儀器被腐蝕，甚至影響實(shí)驗(yàn)室工作人員的身體健康。所以營造一個(gè)舒適明亮的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，不僅是對里面的設(shè)備儀器的保護(hù)，也讓在里面工作的人感到心情舒暢，有助于實(shí)驗(yàn)成果的產(chǎn)生。1970年代爆發(fā)了二次能源危機(jī)，建筑能耗與室內(nèi)舒適性之間的矛盾日益凸顯，在建筑界興起了節(jié)能設(shè)計(jì)運(yùn)動，同時(shí)引發(fā)了“低能耗建筑”、“生態(tài)建筑”、“太陽能建筑”等設(shè)計(jì)思潮，形成了如今最新的綠色建筑設(shè)計(jì)理念，自然通風(fēng)、自然采光設(shè)計(jì)無疑成為其中一個(gè)重要組成部分。2003年亞洲地區(qū)SARS的爆發(fā)，大型密閉空調(diào)建筑的設(shè)計(jì)理念嚴(yán)重受創(chuàng)，使人們越發(fā)體會到自然通風(fēng)采光的建筑設(shè)計(jì)才是舒適與健康的保證。近年來，有很多實(shí)驗(yàn)大樓仍然是通過人工方式來調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，當(dāng)人覺得空氣凝滯不通或燥熱難耐的時(shí)候才打開窗戶，通風(fēng)換氣；或者長期依賴室內(nèi)照明。長期這樣不利于身體健康。在21世紀(jì)，人們更加注重綠色環(huán)保，更加熱愛親近自然，戶外養(yǎng)生。在大型密集建筑物內(nèi)，我們更應(yīng)該注重環(huán)境舒適。如果用有線互連方式通信。會面臨很多問題：線路過長造成施工布線困難，總線驅(qū)動能力要求很高、長距離通信速率受到限制、信號衰減和反射明顯：室外線路受滲水、雷擊等因素影響，常出現(xiàn)線路接口腐蝕，維修工作繁瑣。由于有線通信方式在智能溫室大棚自動控制系統(tǒng)中的不足，無線通信方式開始出現(xiàn)?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展使遠(yuǎn)程控制得到發(fā)展，有互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)將各傳感器，執(zhí)行器鏈接到互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)控智能化。光照度標(biāo)準(zhǔn)參見表1-1；表1-1光照度標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件光照度范圍(lux)環(huán)境條件光照度范圍(lux)一般黑夜0.001—0.02陰天室外50……500月夜0.02……0.3晴天室內(nèi)100……1000陰天室內(nèi)5……50夏天太陽光下100000閱讀報(bào)刊50……60家用攝像機(jī)標(biāo)準(zhǔn)照度1400。1.2國內(nèi)外研究的發(fā)展?fàn)顩r一、通風(fēng)系統(tǒng)的分類

1、全面通風(fēng)：在整體房間內(nèi)進(jìn)行全面的空氣交換。當(dāng)有毒有害的氣體大面積的擴(kuò)散到實(shí)驗(yàn)臺空間時(shí)，必須要及時(shí)排出，同時(shí)還要有一定的新鮮空氣進(jìn)行補(bǔ)充。把有毒有害的氣體控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。2、局部通風(fēng)：將有毒有害的氣體通過小的操作設(shè)施進(jìn)行局部的通風(fēng)處理，防止擴(kuò)散到整個(gè)房間；還可根據(jù)氣體濃度的大小選擇強(qiáng)制排風(fēng)。強(qiáng)制排風(fēng)可稱機(jī)械排風(fēng)，利用局部排風(fēng)把所產(chǎn)生的風(fēng)壓借助通風(fēng)管道進(jìn)行整體排放。對于排放到空氣中的廢氣，其有害物質(zhì)的排放標(biāo)準(zhǔn)超過國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不能直接排放到大氣中污染環(huán)境；必須根據(jù)該氣體的化學(xué)性質(zhì)經(jīng)中和反應(yīng)吸收處理使其濃度低于排放標(biāo)準(zhǔn)后，方可排放到大氣中。二、風(fēng)量的選擇風(fēng)量的選擇是根據(jù)房間排風(fēng)要求大小來進(jìn)行的，每行業(yè)每個(gè)專業(yè)都有不同的標(biāo)準(zhǔn)要求，這根本就沒有怎樣選的問題。風(fēng)機(jī)的選擇跟轉(zhuǎn)速/功率/壓值都有關(guān)系，風(fēng)機(jī)的壓力跟通風(fēng)系統(tǒng)的阻值有關(guān)系，當(dāng)然是很重要的。三、通風(fēng)管設(shè)計(jì)要點(diǎn)1、一臺通風(fēng)柜與一臺通風(fēng)機(jī)，用單一管道連接是最好的方法。

2、不能用單一管道連接的，只限于同層同一房間的可采用互相并連。

3、通風(fēng)機(jī)盡可能安裝在管道的末端（屋頂上等處）。

4、

管道長度越短越好。

5、一臺通風(fēng)柜連接的通風(fēng)柜越燒越好。排風(fēng)通道盡可能直立，而且通道越高越好。

6、如需改變風(fēng)道風(fēng)速，則應(yīng)配置相應(yīng)的變頻調(diào)整系統(tǒng)。

7、排風(fēng)通道的末端應(yīng)盡量避開補(bǔ)風(fēng)管道送氣口，防止排出的有害氣體通過排風(fēng)管道再被送至通風(fēng)柜。四、風(fēng)機(jī)選擇1、正確選擇風(fēng)機(jī)，是保證通風(fēng)系統(tǒng)正常、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個(gè)重要條件。所謂正確選擇風(fēng)機(jī)，主要是指根據(jù)被輸送氣體的性質(zhì)和用途選擇不同用途的風(fēng)機(jī)；選擇的風(fēng)機(jī)要滿足系統(tǒng)所需要的風(fēng)量，同時(shí)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓要能

克服系統(tǒng)的阻力，而且在效率最高或經(jīng)濟(jì)使用范圍內(nèi)工作。具體選擇方法和步驟如下：2、根據(jù)被輸送氣體的性質(zhì)，選用不同用途的風(fēng)機(jī)。例如，輸送清潔空氣，或含塵氣體流經(jīng)風(fēng)機(jī)時(shí)已經(jīng)過凈化，含塵濃度不超過150mg／m3時(shí)，可選擇一般通風(fēng)換氣用的風(fēng)機(jī)；輸送腐蝕性氣體，要選用防腐風(fēng)機(jī)；輸送易燃、易爆氣體或含塵氣體時(shí)，要選用防爆風(fēng)機(jī)或排塵風(fēng)機(jī)。但在選擇具體的風(fēng)機(jī)型號和規(guī)格時(shí)，還必須根據(jù)某種類型風(fēng)機(jī)產(chǎn)品樣本上的性能表或特性曲線圖才能確定。3、除非選擇任何一臺風(fēng)機(jī)都不能滿足要求，或在使用時(shí)要求風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和風(fēng)量有大幅度變動，否則應(yīng)盡量避免把兩臺或數(shù)臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)或串聯(lián)使用。因兩臺或數(shù)臺風(fēng)機(jī)聯(lián)合工作時(shí)，每臺風(fēng)機(jī)所起的作用都要比其單獨(dú)使用時(shí)差。。1.3系統(tǒng)的主要任務(wù)1.3.1擬解決的問題室外光照的監(jiān)測，通過光敏電阻監(jiān)測光照強(qiáng)弱，從而控制自動窗簾的開啟或關(guān)閉，達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)光照的目的。設(shè)定參數(shù)，控制時(shí)間，讓鼓風(fēng)機(jī)定時(shí)給室內(nèi)輸入新鮮空氣，排風(fēng)機(jī)定時(shí)排除室內(nèi)空氣。1.3.2解決的方法光照傳感器檢測到的光照參數(shù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)過單片機(jī)處理運(yùn)用rs232發(fā)送到下位機(jī)，通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到上位機(jī)，也可以經(jīng)過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動控制。，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對光照的開環(huán)控制。

第2章系統(tǒng)總體法案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)方案的確定根據(jù)以上要求和理論依據(jù)可設(shè)計(jì)出如下機(jī)構(gòu)圖的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過上位機(jī)遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)，然后讓現(xiàn)場單片機(jī)對參數(shù)進(jìn)行控制，以后還可以根據(jù)需要對單片機(jī)的功能進(jìn)行擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)對多個(gè)參數(shù)的監(jiān)測和控制。如上圖1-1，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖有以下幾點(diǎn)意義：（1）控制系統(tǒng)通過internet實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信，不受距離的限制，能達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。該控制系統(tǒng)省略了光照檢測和控制遮光簾等裝置，有效的節(jié)約了成本，但是沒有降低控制的效果。（3）mcu采用51單片機(jī)，對于以后的擴(kuò)充功能比較方便。2.2器件的選型2.2.1控制器的選取當(dāng)前市場上常用的控制器有工業(yè)控制計(jì)算機(jī)機(jī)，可編程邏輯控制器，單片機(jī)。工控機(jī)常用于環(huán)境污染嚴(yán)重，酸堿度較高，磁干擾較嚴(yán)重的工業(yè)控制現(xiàn)場；PLC是繼電器控制的智能發(fā)展，特別適用于開關(guān)量控制，其特有的梯形圖變成結(jié)構(gòu)比較直觀；單片機(jī)成本低，壽命高，控制能力較強(qiáng)，在小規(guī)?？刂片F(xiàn)場用得比較多。針對以上課題，考慮到工控機(jī)成本較高，代價(jià)大，所以選取PLC與單片機(jī)兩套控制方案。方案：FPGAFPGA（Field－ProgrammableGateArray），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（LogicCellArray）這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（ConfigurableLogicBlock）、輸入輸出模塊IOB（InputOutputBlock）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）是可編程器件，與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，F(xiàn)PGA具有不同的結(jié)構(gòu)。FPGA利用小型查找表（16×1RAM）來實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動I/O，由此構(gòu)成了既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程。2.2.2無線模塊的選取。方案2：nrf24l01無線通信RF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置。幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。市場上一個(gè)GPRS最少100元左右，一般300元左右，如果每一處傳感器，每一處執(zhí)行器都用上GPRS模塊成本就太高，而一個(gè)NRF24l01模塊才只有15元，滿足經(jīng)濟(jì)性的的要求，而且NRF24L01模塊能在一般條件下能達(dá)到80米的有效距離，如果以60m性能穩(wěn)定的距離來計(jì)算，一個(gè)圓形溫室大棚的面積可以達(dá)到=3.14*60*60=11304平方米，完全能滿足現(xiàn)階段現(xiàn)階段溫室大棚面積大小的要求。綜上所述我們選擇NRF24l01作為無線通信模塊，實(shí)現(xiàn)短距離的無線通信。2.2.3顯示裝置的選取目前，由于單片機(jī)較小的控制能力，常選用的顯示器件有兩種，一種是液晶顯示器，常見的是LCD1602，另一種常見的是數(shù)碼管。方案1：LCD顯示器LCD1602圖2-1LCD1602工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。（16列2行）。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。市面上字符液晶大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。如圖2-1為單片機(jī)常用的液晶顯示器1602外觀圖。方案2：八段數(shù)碼管led數(shù)碼管（LEDSegmentDisplays）是由多個(gè)發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個(gè)筆劃，公共電極。led數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段有的另加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，還有一種是類似于3位“+1”型。位數(shù)有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等，led數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽兩類，了解LED的這些特性，對編程是很重要的，因?yàn)椴煌愋偷臄?shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的。圖2是共陰和共陽極數(shù)碼管的內(nèi)部電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。顏色有紅，綠，藍(lán)，黃等幾種。led數(shù)碼管廣泛用于儀表，時(shí)鐘，車站，家電等場合。選用時(shí)要注意產(chǎn)品尺寸顏色，功耗，亮度，波長等。下面將介紹常用LED數(shù)碼管內(nèi)部引腳圖片圖2-2這是一個(gè)7段兩位帶小數(shù)點(diǎn)10引腳的LED數(shù)碼管圖2-3引腳定義每一筆劃都是對應(yīng)一個(gè)字母表示DP是小數(shù)點(diǎn).圖2-2LED數(shù)碼管引腳定義圖2-310引腳的LED數(shù)碼管由項(xiàng)目要求可知，我們的顯示裝置要顯示實(shí)時(shí)的光照度和預(yù)定的光照度，顯示的數(shù)據(jù)比較簡單，我們采取數(shù)碼管分段顯示或者分時(shí)顯示都能達(dá)到顯示效果，而且數(shù)碼管控制原理簡單明了，易于控制，成本低，綜上所述我們選擇數(shù)碼管作為顯示裝置。2.2.4光照度檢測裝置的選取方案1：光敏電阻利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料制成的光敏傳感器稱為光敏電阻。目前，光敏電阻應(yīng)用的極為廣泛，可見光波段和大氣透過的幾個(gè)窗口都有適用的光敏電阻。利用光敏電阻制成的光控開關(guān)在我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見。當(dāng)內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)生時(shí)，光敏電阻電導(dǎo)率的改變量為：……式2-1在（1）式中，e為電荷電量，為空穴濃度的改變量，為電子濃度的改變量，表示遷移率。當(dāng)兩端加上電壓U后，光電流為：…………式2-2式中A為與電流垂直的表面，d為電極間的間距。在一定的光照度下，為恒定的值，因而光電流和電壓成線性關(guān)系。光敏電阻的伏安特性如圖2-4所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明電阻值隨光照度發(fā)生變化。光照度不變的情況下，電壓越高，光電流也越大，而且沒有飽和現(xiàn)象。當(dāng)然，與一般電阻一樣光敏電阻的工作電壓和電流都不能超過規(guī)定的最高額定值。圖2-4光敏電阻的伏安特性曲線圖2-5光敏電阻的光照特性曲線光敏電阻的光照特性則如圖2-5所示。不同的光敏電阻的光照特性是不同的，但是在大多數(shù)的情況下，曲線的形狀都與圖6的結(jié)果類似。由于光敏電阻的光照特性是非線性的，因此不適宜作線性敏感元件，這是光敏電阻的缺點(diǎn)之一。所以在自動控制中光敏電阻常用作開關(guān)量的光電傳感器。方案2：光敏二極管光敏二極管的伏安特性相當(dāng)于向下平移了的普通二極管，光敏二極管的伏安特性如圖2-6所示。但光敏三極管的光電流比同類型的光敏二極管大好幾十倍，零偏壓時(shí)，光敏二極管有光電流輸出，而光敏三極管則無光電流輸出。原因是它們都能產(chǎn)生光生電動勢，只因光電三極管的集電結(jié)在無反向偏壓時(shí)沒有放大作用，所以此時(shí)沒有電流輸出（或僅有很小的漏電流）。圖2-6光敏二極管的伏安特性曲線圖2-7光敏二極管的光照特性曲線光敏二極管的光照特性亦呈良好線性，這是由于它的電流靈敏度一般為常數(shù)。而光敏三極管在弱光時(shí)靈敏度低些，在強(qiáng)光時(shí)則有飽和現(xiàn)象，這是由于電流放大倍數(shù)的非線性所至，對弱信號的檢測不利。故一般在作線性檢測元件時(shí)，可選擇光敏二極管而不能用光敏三極管。比較光敏二極管和光敏電阻的光照特性可知，光敏二極管的光照特性線性度非常好，而光敏電阻非線性非常差，開關(guān)特性比較好。由此可見，如果是做光照開關(guān)使用，光敏電阻擁有更好的效果；如果是用作關(guān)照檢測元件，光敏電阻效果更好，良好的線性對于數(shù)據(jù)的讀取和處理都很方便。綜上所述，我們選擇光敏電阻作為光照度檢測元件。第3章硬件設(shè)計(jì)3.1芯片（模塊）介紹3.1.1光照度傳感器簡介光敏二極管也叫光電二極管。光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的,其管芯是一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦裕虼斯ぷ鲿r(shí)需加上反向電壓。無光照時(shí),有很小的飽和反向漏電流,即暗電流，此時(shí)光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時(shí),飽和反向漏電流大大增加，形成光電流,它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。當(dāng)光線照射PN結(jié)時(shí)，可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子一空穴對，使少數(shù)載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增加。因此可以利用光照強(qiáng)弱來改變電路中的電流。常見的有2CU、2DU等系列。光敏三極管和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時(shí)也受光輻射的控制。通?；鶚O不引出，但一些光敏三極管的基極有引出，用于溫度補(bǔ)償和附加控制等作用。當(dāng)具有光敏特性的PN結(jié)受到光輻射時(shí)，形成光電流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個(gè)放大了相當(dāng)于β倍的信號電流。不同材料制成的光敏三極管具有不同的光譜特性，與光敏二極管相比，具有很大的光電流放大作用，即很高的靈敏度。3.1.2ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。圖2-8ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（1）ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖8，由圖8可知，ADC0809由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。（2）．ADC0809引腳結(jié)構(gòu)圖3-1ADC0809引腳圖ADC0809各腳功能如下：D7……D0：8位數(shù)字量輸出引腳。IN0……IN7：8位模擬量輸入引腳。VCC：+5V工作電壓。GND：地。REF（+）：參考電壓正端。REF（……）：參考電壓負(fù)端。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。ALE：地址鎖存允許信號輸入端。（以上兩種信號用于啟動A/D轉(zhuǎn)換）.EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK：時(shí)鐘信號輸入端（一般為500KHz）。A、B、C：地址輸入線。。（3）ADC0809應(yīng)用說明ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機(jī)直接相連；初始化時(shí)，使ST和OE信號全為低電平；送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上；在ST端給出一個(gè)至少有100ns寬的正脈沖信號；是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷；當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這時(shí)給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。3.1.3AT89C52單片機(jī)芯片AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS……51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。AT89C52為8位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52相同，其主要用于會聚調(diào)整時(shí)的功能控制。功能包括對會聚主IC內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd（9腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40腳）和VSS（20腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0~P3為可編程通用I/O腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計(jì)中，P0端口（32~39腳）被定義為N1功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13腳定義為IR輸入端，10腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12腳、27腳及28腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。圖3-2AT89C52外觀和引腳圖3.1.4MAX232TTL轉(zhuǎn)串口電平芯片MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS……232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5v單電源供電。MAX220–MAX249系列線驅(qū)動器/接收器，專EIA/TIA……232E以及V.28/V.24通信接口設(shè)計(jì)，尤其是無法提供±12V電源的應(yīng)用。這些器件特別適合電池供電系統(tǒng)，這是由于其低功耗關(guān)斷模式可以將功耗減小到5uW以內(nèi)。MAX225，MAXX233，MAX235以及MAX245/MAX246/MAX247不需要外部元件，推薦用于印刷電路板面積有限的應(yīng)用。3.1.5高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列—ULN2003ULN2003是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成。ULN2003的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。圖3-3達(dá)林頓陳列—ULN2003ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。3.3硬件電路的設(shè)計(jì)3.3.1時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路就是產(chǎn)生象時(shí)鐘一樣準(zhǔn)確的振蕩電路。任何工作都按時(shí)間順序。用于產(chǎn)生這個(gè)時(shí)間的電路就是時(shí)鐘電路。時(shí)鐘電路一般由晶體振蕩器、晶震控制芯片和電容組成。AT89C52單片機(jī)內(nèi)部設(shè)有一個(gè)翻身相放大器所構(gòu)成的震蕩器，XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入端和圖3-4時(shí)鐘電路輸出端，時(shí)鐘可以有內(nèi)部或外部產(chǎn)生。內(nèi)部時(shí)鐘電路是在XTAL1和XTAL2引腳上外界定時(shí)元件，內(nèi)部震蕩電路就產(chǎn)生自己震蕩，定時(shí)元件通常采用四應(yīng)警惕和電容組成的并聯(lián)諧振回路（如下圖）。晶振頻率可以在1.2MHZ到12MHZ之間選擇，電容取值為5pf到30pf，電容可以對頻率起微調(diào)的作用。3.3.2復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路，就是利用它把電路恢復(fù)到起始狀態(tài)。為確保微機(jī)系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。一般微機(jī)電路正常工作需要供電電源為5V±5%，即4.75～5.25V。由于微機(jī)電路是時(shí)序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時(shí)鐘信號，因此在電源上電時(shí)，只有當(dāng)VCC超過4.75V低于5.25V以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)，復(fù)位信號才被撤除，微機(jī)電路開始正常工作。單片機(jī)在啟動時(shí)都需要復(fù)位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。89系列單片機(jī)的復(fù)位信號是從RST引腳輸入圖3-551單片機(jī)復(fù)位電路到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個(gè)高電平并維持2個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)振蕩周期)以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。3.3.2顯示電路設(shè)計(jì)顯示電路是有六個(gè)八段共陰極數(shù)碼管和兩個(gè)74hc573八位鎖存器組成，鎖存器的功能是實(shí)現(xiàn)當(dāng)對應(yīng)端口需要另作他用時(shí)可以讓數(shù)碼管的顯示不變化。圖3-6八段數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)3.3.4光照度傳感電路設(shè)計(jì)圖3-7光照度傳感電路3.3.5RS232通信電路設(shè)計(jì)Max232芯片能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)5vttl電平與pc機(jī)12v串口標(biāo)準(zhǔn)電平的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)pc機(jī)串口與單片機(jī)串口TXD/P3.5，RXD/P3.4之間交換數(shù)據(jù)，如下圖，電容選擇104能保證電路的穩(wěn)定性，兩個(gè)指示燈能直觀的反映數(shù)據(jù)是否傳送。圖3-8RS232通信電路3.3.6ULN2003驅(qū)動電路設(shè)計(jì)Uln2003能提供更大的輸出電流驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)圖3-9ULN2003驅(qū)動電路設(shè)計(jì)3.4硬件總體電路原理圖設(shè)計(jì)見附錄第4章系統(tǒng)軟件方案的設(shè)計(jì)4.1軟件應(yīng)用簡介4.2程序設(shè)計(jì)流程圖4.2.1光照度采集程序流程圖采集程序開始運(yùn)行，啟動adc0804進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，把數(shù)模轉(zhuǎn)換取得的數(shù)值通過查表分析得到對應(yīng)的光照度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將光照度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與設(shè)定值相比較，如果實(shí)時(shí)光照小于設(shè)定光照，則開啟一個(gè)單位的led燈，延時(shí)1s等待led燈完全點(diǎn)亮達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)亮度，繼續(xù)光照采集，比較數(shù)據(jù)，如果實(shí)時(shí)光照還是小于設(shè)定光照則按照上面的過程繼續(xù)點(diǎn)亮led燈，如果實(shí)時(shí)光照大于設(shè)定光照則圖4-5光照度采集程序流程圖延時(shí)半個(gè)小時(shí)，半個(gè)小時(shí)后繼續(xù)采集光照度數(shù)據(jù)。4.2.2串口中斷程序流程圖該系統(tǒng)有兩個(gè)中斷方式可能引起燈的開啟狀態(tài)的變化，一種是串口發(fā)來了數(shù)據(jù)，表示蔬菜的類型發(fā)生了變化，第二種是當(dāng)光照達(dá)到一定的值時(shí)自動開啟led燈，本流程圖針對的就是第一種情況。