基于CAN总线的智能照明系统的设计和实现.doc

发布时间：2022-06-17 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.10M 资料格式：doc 举报版权申诉

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摘　　要

Abstract

引　　言

1绪论

1.1课题背景

1.1.1研究目的

1.1.2研究意义

1.1.3主要研究内容

1.2基于CAN总线的智能照明系统的设计及其国内外相关技术的发展现状

2 基于CAN总线的智能照明系统的设计方案

2.1 CAN总线的特点

2.2 CAN总线在智能照明系统中的应用优势

2.3智能照明系统的功能需求

吉林大学毕业设计（论文）摘要智能照明控制系统是自动化技术在照明控制领域的应用和推广，它不仅是实现照明艺术性和舒适性的有效手段，而且迎合绿色照明的发展方向，是节约能源、缓解未来能源危机的有效措施，其发展前景非常广阔。现场总线是连接现场设备和自动化系统的通信网络，具有全数字信号传输、控制功能分散、开放等特点。CAN 总线是现场总线之一，它具有可靠性高、价格低廉等优势，得到了广泛的应用。本文设计了基于 CAN 总线的智能照明控制系统。该系统是一种分布式的控制系统，既能分散控制又能集中管理，在中央控制室，管理人员可以通过合理的设置创造舒适的环境，同时又达到节约能源的效果。智能控制器通过照度传感器测得周围环境的照度，与设定值比较从而调节光源的输出使光照度达到最合适的水平；控制器通过红外传感器探测是否有人，自动将无人区域的灯关闭。本课题主要完成了以 AT89C52 为核心的 CAN 节点的硬件设计，包括数据采集模块的电路设计，执行器模块的电路设计以及网络通信部分电路设计。在软件设计中利用模块化编程思想首先讨论了控制器实现控制功能的程序设计及控制器与物理总线通信功能的程序设计,并给出设计流程图，最后对通信的实现部分包括对信息的发送和接收做了详细的说明。实验测试结果表明，本文提出的基于 CAN 总线的智能照明控制系统的方案是可行的，且系统的各个部分电路运行稳定可靠，满足设计功能和要求。关键词：CAN 总线；智能照明；调光 - 1 -

吉林大学毕业设计（论文） Abstract The intelligent illumination control system is the application and popularity of automation technology. It is not only the effective realization methods of aesthetical and comfortable light but also accordance with the “Green Illumination”and its direction of development that is an approval of saving energy and alleviating energy crisis, so that it has a promising brilliant prospect. Field-bus, a communication network for connecting equipments in field and automation system, has lots of prominent features such as totally digital transmission, distributed control function, opening system CAN-bus, which is one of Field-buses, has advantages in high real ability and low cost so as to it has been used largely in many fields. This paper introduced an intelligent lighting system based on CAN bus. The intelligent lighting system is a distributed control system, which can realize decentralized control and centralized management. In the main control room, administrative staff can create a comfortable environment via proper configuration, meanwhile, energy saving can be achieved, too. The intelligent controller detects environment illumination level through optic electric transducer. Then it compares the value with set point. Finally, it adjusts output of light to expected level. Via infrared sensor, the controller will turn off light of void area automatically. This paper mainly introduced hardware design of CAN node based on AT89C52, including circuit design of data acquisition module (DAM), actuator module, and network communication. Block programming methods were applied to software design of lighting control system, including main procedure design and communication procedure design of the controller, and communication protocol for application layer of CAN bus was made, too. The experiment shows that the intelligent lighting control system based on CAN bus proposed in this paper is feasible, and each circuit of the system can be operated stable and reliable, which meets the designed function and requirements as well. Key Words：CAN bus, Intelligent lighting, Light-adjusting - 2 -

吉林大学毕业设计（论文）目录摘要........................................................................................................................ 1 Abstract...........................................................................................................................2 引言........................................................................................................................ 3 1 绪论.............................................................................................................................4 1.1 课题背景........................................................................................................... 4 1.1.1 研究目的..................................................................................................4 1.1.2 研究意义..................................................................................................4 1.1.3 主要研究内容..........................................................................................5 1.2 基于 CAN 总线的智能照明系统的设计及其国内外相关技术的发展现状..... 6 2 基于 CAN 总线的智能照明系统的设计方案............................................................ 7 2.1 CAN 总线的特点...............................................................................................7 2.2 CAN 总线在智能照明系统中的应用优势........................................................ 7 2.3 智能照明系统的功能需求.................................................................................8 2.4 网络拓扑结构及通讯方式................................................ 错误！未定义书签。 2.4.1 网络拓扑结构......................................................... 错误！未定义书签。 2.4.2 通讯方式................................................................. 错误！未定义书签。 2.5 CAN 总线照明系统的体系结构.......................................错误！未定义书签。 2.6 智能照明系统的硬件设计方案........................................ 错误！未定义书签。 2.6.1 方案设定原则......................................................... 错误！未定义书签。 2.6.2 硬件设计方案确定..................................................错误！未定义书签。 3 基于 CAN 总线的智能照明系统硬件设计................................ 错误！未定义书签。 3.1 控制单元硬件总体框架....................................................错误！未定义书签。 3.2 数据采集模块电路设计....................................................错误！未定义书签。 3.2.1 照度检测模块电路..................................................错误！未定义书签。 3.2.2 红外探测模块电路设计.......................................... 错误！未定义书签。 - 1 -

吉林大学毕业设计（论文） 3.3 执行器电路设计............................................................... 错误！未定义书签。 3.3.1 开关电路设计......................................................... 错误！未定义书签。 3.3.2 调光控制电路设计..................................................错误！未定义书签。 3.4 CAN 总线站点接口电路设计..........................................错误！未定义书签。 4 基于 CAN 总线的智能照明控制系统软件................................ 错误！未定义书签。 4.1 软件编程思想................................................................... 错误！未定义书签。 4.2 控制器控制功能的实现....................................................错误！未定义书签。 4.3 CAN 总线通信的实现...................................................... 错误！未定义书签。 4.3.1 初始化.....................................................................错误！未定义书签。 4.3.2 信息发送功能的实现..............................................错误！未定义书签。 4.3.3 信息接收功能的实现..............................................错误！未定义书签。结论........................................................................................错误！未定义书签。参考文献.................................................................................. 错误！未定义书签。附录 A 基于 CAN 总线的智能照明系统电路原理图................ 错误！未定义书签。致谢........................................................................................错误！未定义书签。 - 2 -

吉林大学毕业设计（论文）引言智能化已经成为当今建筑发展的主流技术，涵盖从空调系统、消防系统到安防系统以及完善的计算机网络和通信系统。随着智能建筑的发展，长期以来，智能照明系统一直是被忽略的部分，大多数的建筑物仍采用传统的照明控制方式，虽然部分智能大厦采用楼宇自控(BA)系统来监控照明，但实现的也只是简单的区域控制、定时开关和预设的场景控制。这种控制方式不能随着外界环境的变化而变化，在相对固定的电气设计下，不能提供一个舒适的工作环境，带来的便是工作效率的降低，可以说灵活性比较差，而且，在能源方面，造成的是能源的大量浪费。对于电力资源相对紧张的中国，这无疑是一种负担。现场总线是当今工业控制领域技术发展的热点。它的出现与发展，为分布式控制系统实现各节点之间实时可靠的数据通信提供了强有力的支持。CAN（Controller Area Network）是一种有效支持分布式实时控制的串行通信网络,较传统的分布式控制而言，具有明显的优越性。该系统采用 CAN 环形冗余结构，给出了系统的总体结构以及控制模块硬件设计方案，并简单介绍了网络通讯和控制软件设计及实现过程。CAN 总线控制器可工作于多种方式，并采用无损结构逐位仲裁竞争方式向总线发布数据。它废除了站地址编码，代之以对通信数据进行编码，这可使不同节点同时接受到相同的数据，使 CAN 总线构成的网络测控节点之间的数据通信实时性更强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和灵活性。设计中介绍的基于 CAN 总线的智能照明控制系统，它所具有的功能强大，稳定可靠，技术先进，便于扩展的特点，使其具有广泛的应用前景。根据系统的总体功能要求，首先简单介绍了控制的硬件总体结构，接着从硬件设计的具体内容入手，详细论述了构成控制系统的数据采集模块和执行器模块的功能要求,原理设计和实现方法等。最后简单介绍了 CAN 总线控制器和驱动器的结构和功能，并详细论述了系统中 CAN 总线接口的设计方法，从而完成了具有 CAN 通讯功能的智能照明控制器的硬件设计。对于系统的软件组成分别就控制部分程序、控制器与总线的通信部分软件作了详细的阐述。在控制器控制部分给出了控制器主程序流程图和相应的处理子程序流程图。 - 3 -

吉林大学毕业设计（论文） 1 绪论 1.1 课题背景 1.1.1 研究目的在现代化生活中，灯光照明设备无处不在，而对其进行有效的控制显然至关重要。传统的控制方法需要将被控制设备的电力线路引入控制室，不仅造成电力电缆铺设过多，增加了投资成本，而且还增加了照明回路的电磁辐射干扰，降低了系统的可靠性。运用网络控制技术进行控制是照明控制系统的发展方向。然而目前的照明控制系统普遍存在通信距离短，数据传输速率慢，误码率高，可靠性差等问题。因而迫切需要在照明控制系统中引入新技术，研究新方案解决上述问题。现场总线是当今工业控制领域技术发展的热点。它的出现与发展，为分布式控制系统实现各节点之间实时可靠的数据通信提供了强有力的支持。CAN（Controller Area Network）是一种有效支持分布式实时控制的串行通信网络，较传统的基于 RS485 总结构建的分布式控制系统而言，具有明显的优越性。CAN 总线控制器可工作于多种方式，并采用无损结构，逐位仲裁竞争方式向总线发布数据。它废除了站地址编码，代之以对通信数据进行编码，这可使不同节点同时接收到相同的数据，使 CAN 总线构成的网络测控节点之间的数据通信实时性更强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和灵活性。其次，CAN 总线通过 CAN 控制器接口芯片 PAC82C250 的 2 个输出端 CANH 和 CANL 与物理总线相连。当系统有错误出现多节点同时向总线发送数据时，系统将不会出现总线短路，损坏某些节点的问题，而且 CAN 节点在错误严重情况下具有自动关闭功能，保证不会出现 RS485 网络中因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。最后，CAN 总线所需的完善的通信协议可由 CAN 控制器芯片和接口芯片来实现，降低了系统的开发难度和系统的组成成本，缩短了开发周期。 1.1.2 研究意义早在二十世纪九十年代初国际上就针对节约电能，保护环境的照明系统提出了“绿色照明”的形象性说法。80 年代末期，一些发达国家如美国、日本、英国、荷兰等率先开展了“绿色照明”的推广工作。1996 年 l0 月我国启动了“中国绿色照明工程”。 “中国绿色照明工程”旨在发展和推广高效照明电器产品，节约照明用电，减少环境污染，满足人民群众日益增长的对照明质量、照明环境和减少环境污染的需要，建立一个优质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境的照明系统。 - 4 -

吉林大学毕业设计（论文）目前，我国照明用电占建筑用电的 20％～30％，而目前几家专注于智能照明的电气公司所生产的调光产品或场景控制器基本上都是开环控制，当人们进入工作区域，会按照需要的工作需求来打开所需的光源，调节光源的光输出，使其达到所期望的照度水平，但一般调好一个照度水平后，基本不会再根据室内的光线强度来改变，光线很好时更容易忽略去调节光源的输出，这样不仅不会创造良好的、舒适的工作环境，而且还造成了不必要的能源浪费和经济损失。另外增加了用电负荷，在增加额外的电力投资的同时，还造成了大量的污染，鉴于以上问题，本课题设计了基于 CAN 总线的智能照明控制系统。该系统是一种分布式的智能控制系统。与传统的照明控制系统相比克服了过多依赖控制者的个人能力、控制相对分散和无法有效管理、其实时性和自动化程度较低等缺点，同时也实现了自动照明控制方式所不能实现的调光控制。其主要功能特点概括如下： (1)照明控制器能够合理利用自然光，及时调节光源的输出使照度达到最合适的水平，并且可以及时关闭无人房间的灯。 (2)该系统是分布式的控制系统，控制器的控制功能进一步下放至最末端的灯具，其上层管理软件是对控制的运行起监控与管理，从而提高了系统的可靠性和增加某些辅助功能，但它不是中央式的控制系统，不会因监控管理系统本身有故障影响整个控制系统的正常控制。 (3)本系统的突出特点就是 CAN 总线的应用。因为 CAN 总线具有实时性好，可靠性高，配置灵活，抗干扰能力强等优点。因此将 CAN 总线技术应用到照明控制系统中可以有效解决目前灯光控制系统中采用通信网络如 RS232、RS485、20mA 电流环等所普遍存在通信距离短，数据传输速度慢，误码率高，可靠性差等问题。 1.1.3 主要研究内容论文中分析了智能照明控制系统的发展历史与国内外智能照明控制系统的现状，提出了基于 CAN 总线的智能照明控制系统的设计方案，对智能照明控制系统的现场控制节点进行相应的硬件和软件设计，全文的安排如下：第一章对国内外智能照明控制系统的现状，照明控制方式的发展和智能照明控制系统的发展进行了简单阐述，并明确指出本课题的意义，确定本文的主要内容。第二章首先对 CAN 总线的特点和应用进行了概述，确定了 CAN 总线作为该系统的通信网络。接下来对系统所要完成的功能进行了分析，最后根据系统所要完成的功能确定系统软硬件的设计方案。 - 5 -

吉林大学毕业设计（论文）第三章围绕第二章的设计方案，对照明控制系统核心部分进行了相应的硬件电路设计，完成了以 AT89C52 为核心芯片的数据采集模块电路设计，执行器部分电路设计以及系统通信模块电路设计。第四章为软件设计，利用模块化编程思想，首先讨论了控制器实现控制功能的程序设计及控制器与物理总线通信功能的程序设计,并给出设计流程图，最后对通信的实现部分包括对信息的发送和接收做了详细的说明。最后对本文的研究工作进行了回顾总结，并指出系统需要完善的环节。 1.2 基于 CAN 总线的智能照明系统的设计及其国内外相关技术的发展现状随着社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平也不断提高，导致用电负荷的加剧，又由于世界性的能源危机，能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。而此问题对我国来说尤为严重。运用网络控制技术进行分布式控制是照明控制系统的发展方向，针对传统的灯光照明设备控制存在通信距离短、数据传输速率慢、误码率高、可靠性差等问题，提出了一种基于 CAN 总线的智能照明控制系统。 CAN（Controller Area Network）是一种有效支持分布式实时控制的串行通信网络, 较传统的分布式控制而言，具有明显的优越性。该系统功能强、投资少、可靠性高，便于扩展，有着广阔的应用前景。所谓照明控制就是利用一定的元器件组成控制装置，控制照明系统，以满足人们的使用要求，营造不同的气氛，产生满意的效果。同时，让使用者最有效地使用照明器，尽量减少不必要的电能浪费，使照明控制节能又具有良好的照明效果。合理和正确的选用照明控制方式是实现照明艺术性和舒适性的有效手段，是节约能源的有效措施。国外从上个世纪 90 年代就开始从事智能照明系统的开发与应用，如今已开发出不少的智能灯具和照明的智能控制与管理系统，如澳大利亚奇胜(elispal)的 C-BUS 总线，德国 ABB 公司的 I-BUS 总线，邦奇(Dynalim)Dynet 总线协议，Philips 的 DALL 协议，日本松下的 HBS 协议，以及 X-10 的电力线载波协议。采用无线网络技术的智能灯光控制系统产品最近也相继出现。与电力线载波方案一样，由于没有专用的网络线，安装或扩展非常灵活方便，这个方案甚至可以使用电池供电，不用连接电源线，使用灵活方便，同时也降低了用户的总体成本。然而我国在灯光调控、节能方面的研究起步较晚。灯光调控在美国的使用率在 70％，欧洲占 40％～50％，亚洲占 l0％～15％，在日、韩占 15％～20％，而中国还不到 1‰。但是国内在智能照明控制技术方面的研究也相当迅速，如智能住宅中心控制系统(IHCC)，和“真善美”品牌的智能照明控制开关等。 - 6 -

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