基于单片机控制的校园智能照明控制系统的硬件电路设计

陆超顺

摘要：照明用电在我国电能总消费中占有相当大的比重，在全国的总发电量中，约10%～1 2%为照明耗电。近些年，我国年均发电总量大概达到32 458亿千瓦，根据发电量的10%进行运算，每年照明耗损的电量大概达到3245亿千瓦时，此照明耗能为三峡水利工程年发电能力的3.9倍。因此，如果能通过各种技术手段实现绿色照明、节能照明，其节省的电能所产生的效益——包括经济效益和社会效益将不可估量，不仅能使我国的电荒得到有效缓解，节约的电能可以少建25万千瓦的发电厂6～8家，为国家节约资金60～80亿元，而且对保护环境、减少二氧化碳、二氧化硫等污染物的排放也大有益处。文章介绍校园智能照明控制系统的硬件设计，系统硬件电路包括两个部分：上位机（主节点）硬件电路和下位机（从节点）电路设计。

关键词：单片机；智能照明；硬件电路

1 上位机（主节点）框图设计

由于主节点带动的模块较多，用以往的AT89系列的单片机己不能完全胜任，改成LPC2119ARM7微处理器，可以在该微处理器上加载GT1565-VTBA触摸屏输入串口通信、TFT彩色显示屏、CAN总线驱动电路，蜂鸣报警器，独立式键盘和电源电路等模块，上位机（主节点）硬件结构方框如图l所示。

2 下位机（从节点）框图设计

由于从节点的控制相比上位机来说简单得多，而且去控制的区域也较单一，因此选用AT89C或STC89C系列的单片机就能完全胜任，因为从节点主要驱动的是较小的液晶显示器LCM1602、串口、键盘和CAN控制器电路以及由其中某一个口来驱动继电器来控制学校的某一处照明设备。下位机（从节点）硬件结构方框如图2所示。

3 上位机（主节点）单元电路设计

3.1显示电路设计

选用TFT彩屏TFTLCD-34P电路模块以及控制器与TFT彩屏模块之间的接口组成，因为彩屏模块由TFT液晶电路、触摸屏电路和背光源电路组成。选用4线电阻式触摸屏结构，控制器采用12位精准A/D转换的集成电路XPT2046芯片组成。

3.2 TFT液晶模块接口电路设计

选用TFTLCD-34P作为TFT液晶模块与处理器之间的接口电路，TFTLCD是一块3431脚的大规模集成电路，因此，只要在外围加入少量的电阻和电容就能够完成，为液晶模块提供了一个可直插的接口，方便插入TFT液晶显示器。

3.3 CAN总线电路设计

选用NXP公司生产的目前全球应用最广泛的CAN总线收发器PCA82C250，因为PCA82C250是連接CAN总线和微处理器的物理总线的接口电路，能对总线提供差动方式的传送能力，不仅能以差动方式从CAN总线发送数据，也能以同样的速率接收有CAN总线传送来的数据。通信的距离远远大于RS485通信，而且它具有优异的瞬间抗任何外部干扰能力，可极大地降低电力线、无线电、RF射频的干扰，提高了数据的传送误码率，从而更有效地保护了总线的传送数据的安全性。而且在芯片内部有各种限制过负荷的限流电路装置，并可防止发送和接收数据端时对电源造成负荷超重而功耗增大所造成的负荷瞬间短路进而造成数据传送失败，在输出极也增加了安全保护功能，若芯片内部温升达到了160℃时，则自动限流减少输出，从而保护了芯片不致温升过高而损坏。PCA82C250符合IS0-11898标准，且传送速率达到了lMbPS。

3.4串口通信电路的设计

为实现在不同的电平上能进行数据通信，引入了串口通信电路的设计，为了能应用于程序的烧录以及在开发过程中的程序进行修改调试，选用SIPEX公司的顶级产品SP3232EEA芯片进行TTL电平与下位机RS232电平的转换。因为SP3232EEA的电路非常简单，只要在芯片的不同管脚加上4个0.1μF的瓷片电容就可完成TTL电平的转换。串口通信电路如图3所示。

4 下位机（从节点）单元电路设计

4.1单片机时钟振荡电路

单片机STC89C52有两种时钟振荡可供选择，一种是外部供给某一独立的时钟信号，可以通过XTAL1管脚为单片机提供时钟信号，另一种则是通过单片机外接一个晶振和两个20 PF左右的瓷片电容与单片机内部的反相器组成内部振荡电路，产生的振荡信号再通过内部12分频电路进行分频后提供给单片机作为工作时钟信号，因为此种方式简单，所以选用了这种方式提供给单片机。单片机时钟振荡电路如图4所示。

4.2下位机液晶显示电路设计

因为下位机只要显示一些最基本的信息，因此选用了SMC1602A液晶模块，SMC1602A通过3条控制线和8条数据线与单片机STC89C52相连，当RS为低电平时，传送数据总线上的命令，当RS为高电平时，则单片机上的数据总线上的数据根据WR控制线来区分是读还是写数据。当WR为低电平时，为写LCD液晶显示器数据；WR为高电平时，为读取液晶显示器模块的数据。EN是使能端，当EN下降时，写LCD有效；当EN上升时，为LCD读有效。

4.3从节点串口通信电路设计

从节点串口通信电路选用了美国生产的Max 232芯片，它要应用于实现TTL电平与RS232电平的转换，因为Max232通信接口电路都是相当成熟的电路，只要在相应的管脚接入相应的电容就可完成它们之间的电平转换，非常方便。从节点串口通信电路如图5所示。

4.4蜂鸣报警器电路设计

为了能及时提示用户目前的工作状态，为此，在ARM单片机LPC2119微处理器的P0.2口通过2 kΩ电阻相连接，通过2 kΩ电阻限流加于PNP_极管的基极（可选用8550或9012三极管），在三极管的发射极串接一个蜂鸣器，当微处理器P0.2口输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器此时因无Ie电流通过而无声。当P0.2口输出低电平时，三极管导通，此时Ie电流通过蜂鸣器而发出呜叫声，提醒操作者注意。蜂鸣报警器电路如图6所示。

[参考文献]

[1]郭秀梅，姜滦生，李艳萍，等基于PLCBUS协议教室照明智能控制系统设计[J].照明工程学报，2010，21（2）：38-42

[2]孙志刚.PLC与IPC在机电系统中的应用.工业仪表与自动化装置[J].2000，32 （1）：43-45.