汪思遠(yuǎn)

（天津大學(xué)，天津 300072）

0 引 言

我國人口眾多，資源長期不足，隨著對(duì)于節(jié)能環(huán)保的要求日益提高，且人們對(duì)于良好生活環(huán)境的需求逐漸增加，室內(nèi)燈光需要得到重視，在不同用途的房間有其合適的光照度。在能滿足正常需求的情況下，盡可能使用更少的電能是節(jié)能環(huán)保的最有效手段。因此，通過一個(gè)智能照明系統(tǒng)，對(duì)房間的燈光加以合理設(shè)置，從而可實(shí)現(xiàn)以上需求。其中，該系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)自主控制，也可以通過其他計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)督控制。

1 硬件電路的設(shè)計(jì)

智能照明系統(tǒng)采用8086微處理器作為控制器，其中，選擇光敏電阻作為光線傳感器，通過步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)百葉窗的開合，利用光電耦合器[1]實(shí)現(xiàn)控制電路與生活用電隔離。其工作原理如圖1所示。

圖1 智能家居照明系統(tǒng)工作原理

1.1 硬件電路選擇

控制器電路：采用8086微處理器為控制系統(tǒng)的核心。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器電路：采用E2PROM。本系統(tǒng)中選用了采用I2C接口的AT24C512存儲(chǔ)芯片。

傳感器電路：選擇光敏電阻作為光線傳感器[2]，通過其電阻和照度的關(guān)系可以獲得電壓與照度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而通過A/D轉(zhuǎn)換器將其數(shù)字化，使CPU可以讀取。

A/D傳感器電路：采用ADC0808芯片將傳感器采集到的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并輸入到8086微處理器。該轉(zhuǎn)換器的輸出為并行輸出。在此裝置中，僅使用一個(gè)輸入通道即可滿足輸入要求[3]。

電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路：采用步進(jìn)電機(jī)，并利用ULN2003A進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。采用該驅(qū)動(dòng)模塊可以改善處理器直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能[4]。

LCD及按鍵電路：LCD選擇JHD-2X16-I2C。按鍵部分采用三鍵控制，功能分別為加（+）、減（-）和OK鍵。由于該設(shè)備用于家庭或者辦公場(chǎng)所等處，對(duì)于照度的需求相對(duì)固定，因此沒有經(jīng)常調(diào)整參數(shù)的需求，所以減少按鍵設(shè)計(jì)也可以縮小設(shè)備體積[5]。

RSR232通信接口電路：選用RS 232總線與上位機(jī)連接，用MAX232將數(shù)據(jù)從接口傳出，上位機(jī)通過數(shù)據(jù)線接收數(shù)據(jù)。

看門狗電路：采用硬件看門狗電路，選擇使用MAX1232芯片。

報(bào)警電路：報(bào)警電路采用一個(gè)發(fā)光二極管與一個(gè)蜂鳴器，在系統(tǒng)自檢不通過的時(shí)候，二極管亮起，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警音。

1.2 8086及其接口電路搭建

8086擁有16根數(shù)據(jù)總線，20根地址總線，但其中有16根地址線與數(shù)據(jù)線復(fù)用，因此無法同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)和地址的傳輸。但地址和數(shù)據(jù)在CPU工作時(shí)不是同時(shí)發(fā)送，因此可以采用地址鎖存的方式進(jìn)行同時(shí)訪問和傳輸數(shù)據(jù)。地址鎖存采用74LS273?？紤]到CPU的總線負(fù)載能力有限，在連接部分設(shè)備時(shí)會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力不足，因此需要增加雙向數(shù)據(jù)緩沖器74245作為驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于外部的器件連接，由于部分外設(shè)的數(shù)據(jù)引腳較多，因此采用8255A作為外部接口電路。由于8255需要片選信號(hào)才能正常工作，因此需要搭建地址譯碼電路。再次選擇常用的74LS138譯碼器，配合邏輯門電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定芯片的片選，如圖2所示。

圖2 8086及其接口搭建電路

1.3 系統(tǒng)硬件電路構(gòu)建

硬件連線如圖3、圖4所示，對(duì)8255芯片來說，復(fù)位操作十分關(guān)鍵，因此需要將看門狗復(fù)位信號(hào)同時(shí)與8086和8255相連，從而保證每次按下復(fù)位后8255也進(jìn)行復(fù)位，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖3 8086硬件電路的搭建

圖4 外圍設(shè)備的搭建

2 系統(tǒng)軟件算法

2.1 光照度轉(zhuǎn)化算法[7]

通過A/D采集的數(shù)據(jù)均為模擬電壓的值，需要將其轉(zhuǎn)化為照度值。根據(jù)資料可知光敏電阻的電壓-照度函數(shù)并非線性相關(guān)，且沒有實(shí)際的數(shù)學(xué)模型描述。對(duì)于此問題的解決，需要找到合適的數(shù)學(xué)模型描述此關(guān)系。常用的方式有兩種，第一種為擬合，第二種為插值。這兩種方式從理論上均可解決該問題，但在工程實(shí)際應(yīng)用中，由于分段線性插值計(jì)算量較小，且原理簡(jiǎn)單，因此在此方案中采取線性插值的方式。線性插值的公式為：

通過該公式可以看出，實(shí)現(xiàn)線性插值的條件是要進(jìn)行取點(diǎn)操作。取點(diǎn)操作可以利用標(biāo)準(zhǔn)的照度檢測(cè)裝置與亮度可調(diào)的光源以及電壓表進(jìn)行測(cè)量。實(shí)現(xiàn)插值計(jì)算后，可以得出電壓-照度近似函數(shù)，據(jù)此可以進(jìn)行標(biāo)度轉(zhuǎn)換。可以尋找模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出為0時(shí)的照度值以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器信號(hào)恰好達(dá)到FFH，即采集到的電壓值恰好為5 V時(shí)的照度值。采用分段函數(shù)的思想，將標(biāo)度轉(zhuǎn)換按照取點(diǎn)情況進(jìn)行分段，在每一段采用不同的標(biāo)度轉(zhuǎn)換算法，從而實(shí)現(xiàn)照度的轉(zhuǎn)換。線性情況下標(biāo)度轉(zhuǎn)換的公式為：

在每個(gè)線性化的區(qū)間均采用此公式，可以算出不同的參數(shù)，從而獲得一個(gè)較為準(zhǔn)確的分段函數(shù)。事實(shí)上，如果光敏電阻的阻值非線性程度并不顯著，可以將其簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的一次函數(shù)，但鑒于檢測(cè)效果，仍決定采用分段線性插值。

2.2 數(shù)字PID控制算法

常用的模擬PID的計(jì)算公式為：

式中：e(t)為輸入的誤差信號(hào)；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)；u(t)為控制器輸出。

系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 PID控制系統(tǒng)框圖

實(shí)際上，計(jì)算機(jī)為數(shù)字系統(tǒng)，因此需要對(duì)該公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其適用于數(shù)字控制。采用離散化的方法將式（4）進(jìn)行近似，可得到k采樣時(shí)刻的離散PID表達(dá)式為：

式中：T為采樣周期；k為采樣序號(hào)，k=1, 2, ...；e(k-1)，e(k)為第k-1和第k時(shí)刻所得到的系統(tǒng)偏差信號(hào)。該式需要累計(jì)偏差e(j)，不僅要占用較多存儲(chǔ)空間，而且不利于編程，因此一般采用增量型算式[8]，如下：

式中：T為采樣周期；k為采樣序號(hào)，k=1, 2, ...；e(k-2)，e(k-1)及e(k)分別為第k-2和第k-1和第k時(shí)刻所得到的系統(tǒng)偏差信號(hào)。

2.3 軟件抗干擾技術(shù)

在本案例中，抗干擾選用復(fù)合數(shù)字濾波，將一階滯后濾波與算術(shù)平均值濾波復(fù)合。其中，算術(shù)平均值濾波計(jì)算公式為：

一階滯后濾波的計(jì)算公式為：

在每次測(cè)量值中，均使用一階滯后濾波，但在第10次時(shí)，用10次測(cè)量值的算術(shù)平均值代替當(dāng)前次的一階滯后濾波值。復(fù)合濾波[9]的程序流程如圖6所示。

圖6 復(fù)合濾波的程序流程

3 傳感器運(yùn)行流程

3.1 按鍵調(diào)整參數(shù)

在程序開始前已經(jīng)存在關(guān)于參數(shù)調(diào)整的設(shè)定，已經(jīng)定義好首先需要調(diào)整的參數(shù)及其對(duì)應(yīng)步長，并從E2PROM中讀取已保存的參數(shù)，其按鍵調(diào)整參數(shù)如圖7所示。

圖7 按鍵調(diào)整參數(shù)程序流程

ADD子程序：按照步長，對(duì)參數(shù)進(jìn)行加法操作，操作結(jié)束后返回。

SUB子程序：按照步長，對(duì)參數(shù)進(jìn)行減法操作，操作結(jié)束后返回。

保存和跳轉(zhuǎn)子程序：將參數(shù)保存到AT24C512中，然后跳轉(zhuǎn)至另一參數(shù)的調(diào)整，并定義該參數(shù)調(diào)整步長。

顯示子程序：由于采用1602顯示屏，因此在第二行實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的參數(shù)值及參數(shù)類型。

3.2 傳感器數(shù)據(jù)采集

從A/D中讀取數(shù)據(jù)，對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波操作。在CPU中通過線性插值與標(biāo)度轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)到照度值的轉(zhuǎn)換。利用顯示屏，在第一行實(shí)時(shí)顯示每次檢測(cè)到的照度值，將照度保存到E2PROM中。

3.3 電機(jī)運(yùn)行與燈光調(diào)節(jié)

比較照度與設(shè)定值大小關(guān)系：設(shè)定值大，則向電機(jī)發(fā)送多個(gè)脈沖，向開啟百葉窗的方向旋轉(zhuǎn)，在每個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)都進(jìn)行第一步照度判斷；設(shè)定值小，則向另一個(gè)控制端發(fā)送多個(gè)脈沖，向關(guān)閉百葉窗的方向旋轉(zhuǎn)，在每個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)都進(jìn)行第一步照度判斷。在誤差范圍內(nèi)相等，結(jié)束程序。在設(shè)定脈沖數(shù)內(nèi)，若光照度未達(dá)到設(shè)定值，繼續(xù)執(zhí)行以下程序，再次判斷與設(shè)定值的大小關(guān)系：設(shè)定值大，調(diào)整PWM波的脈寬，提高燈具亮度，調(diào)用PID算法；設(shè)定值小，減小脈寬，使燈具變暗，調(diào)用PID算法。在誤差范圍內(nèi)相等，結(jié)束程序。

3.4 看門狗定時(shí)器

根據(jù)看門狗電路硬件設(shè)定的定時(shí)時(shí)間，確定“喂狗”時(shí)間（該時(shí)間需要明顯短于定時(shí)時(shí)間）。在規(guī)定時(shí)間給予看門狗信號(hào)，使其計(jì)數(shù)清零[9]。

3.5 利用PID控制PWM波的產(chǎn)生

利用PID控制PWM波的產(chǎn)生流程如圖8所示。

圖8 利用PID控制PWM波的產(chǎn)生流程

3.6 RS 232串口通信流程

通過串口通信，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換以及上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，形成監(jiān)督控制系統(tǒng)。對(duì)于上位機(jī)，也需要專門的RS 232相關(guān)驅(qū)動(dòng)來讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送至專用的軟件。通過該軟件還可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的修改，其原理與串口通信[2]完全一致。由于該軟件內(nèi)容并不屬于本設(shè)計(jì)內(nèi)容，在此不加以贅述。RS 232串口通信流程如圖9所示。

圖9 RS 232串口通信流程

3.7 系統(tǒng)運(yùn)行流程

在上電過程中，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，使其處于初始狀態(tài)。然后，系統(tǒng)從存儲(chǔ)器中讀取程序到內(nèi)存中，之后展開自檢工作，確定各模塊的狀態(tài)。如果此時(shí)有模塊損壞導(dǎo)致系統(tǒng)自檢無法通過，跳轉(zhuǎn)至報(bào)警，待修復(fù)完成后重新上電。自檢完成后，開始鍵盤輸入?yún)?shù)的環(huán)節(jié)，并在此環(huán)節(jié)開始調(diào)用傳感器，讀取傳感器數(shù)據(jù)，之后把所調(diào)整的參數(shù)與傳感器數(shù)據(jù)均顯示在LCD上。參數(shù)設(shè)定完成后，電機(jī)開始工作，首先通過百葉窗的開合調(diào)整房間光線亮度。如果該方法未完成調(diào)節(jié)，在燈光調(diào)節(jié)子程序中開始利用PID控制的PWM波調(diào)節(jié)燈光亮度。在照度調(diào)整結(jié)束后，需要對(duì)看門狗進(jìn)行喂狗操作，使其計(jì)數(shù)復(fù)位，然后返回到鍵盤輸入部分。如果程序運(yùn)行失常，看門狗計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)束輸出復(fù)位電平，使整個(gè)系統(tǒng)全部復(fù)位，從程序起始處重新開始運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)流程如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)運(yùn)行流程

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)一種智能控制的家居照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)中的過程通道、抗干擾、總線、數(shù)據(jù)處理、控制策略等技術(shù)，可以滿足實(shí)際需求。目前，該設(shè)計(jì)方案基本正確完成了電路的搭建以及程序流程的設(shè)計(jì)，后期可以通過串口附加網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在線控制。