摘要：針對自動開關(guān)控制技術(shù)的需求，提出一種基于單片機和光照檢測的開關(guān)控制裝置設(shè)計。該裝置的主要特點為具有光照度檢測功能，可以采集環(huán)境的光照度并根據(jù)設(shè)定的光照度自動實現(xiàn)開關(guān)的開或關(guān)等操作。詳細介紹了該裝置的硬件和單片機程序的設(shè)計方法，并對設(shè)計的裝置進行了功能測試。測試結(jié)果表明，設(shè)計的裝置能實現(xiàn)光照檢測、光照度上下限值設(shè)定、開關(guān)自動控制和數(shù)據(jù)顯示等各種功能，運行效果良好。

0 引言

自動開關(guān)控制能根據(jù)需要的情況自動打開或切斷開關(guān)，有利于節(jié)省人力和提高控制效率，為人們的生產(chǎn)生活帶來便利和節(jié)省能源。

隨著電子技術(shù)和微機技術(shù)的發(fā)展，自動開關(guān)控制技術(shù)發(fā)展迅速，提出了各種類型的自動開關(guān)控制裝置，如基于MCS-51單片機的多路開關(guān)控制裝置、單片機控制的熱釋電紅外節(jié)能照明開關(guān)、基于AT89S52單片機的聲光控制開關(guān)、基于SPCE061A的語音手動雙控制開關(guān)和智能計量與開關(guān)控制插座等。

針對自動開關(guān)控制技術(shù)的需求和發(fā)展趨勢，本文提出一種基于單片機和光照檢測的開關(guān)控制裝置設(shè)計。此裝置具有光照度檢測功能，可以采集環(huán)境的光照度并根據(jù)設(shè)定的光照度自動實現(xiàn)開關(guān)的開或關(guān)等操作。

1 裝置工作原理和功能

基于單片機和光照檢測的開關(guān)控制裝置的工作原理示意圖如圖1所示，其工作原理為：單片機檢測環(huán)境光照度，若在一定的時間間隔內(nèi)兩次檢測的光照度都小于設(shè)定的光照度下限值且開關(guān)狀態(tài)為關(guān)，則打開開關(guān);若在一定的時間間隔內(nèi)兩次檢測的光照度都大于設(shè)定的光照度上限值且開關(guān)狀態(tài)為開，則關(guān)閉開關(guān)。

基于單片機和光照檢測的開關(guān)控制裝置需要實現(xiàn)的功能為：1)光照檢測;2)光照度下限值和上限值設(shè)定;3)開關(guān)自動控制;4)數(shù)據(jù)顯示：顯示采集的光照度和設(shè)定的光照度下限值和上限值。

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)需要實現(xiàn)的功能，基于單片機和光照檢測的開關(guān)控制裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。裝置以AT89C51單片機為核心，外圍電路包括時鐘電路、復位電路、光照檢測電路、LM016L液晶顯示電路、開關(guān)控制電路和鍵盤電路。

2.2 光照檢測電路

光照檢測電路的詳細設(shè)計如圖3所示，其工作原理為：1)利用硅光電池BPW34將光照度信號轉(zhuǎn)換為電流信號，BPW34具有產(chǎn)生的短路電流與光照度成正比的特性;2)通過以運算放大器LM358為核心構(gòu)成的放大電路將BPW34產(chǎn)生的短路電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并放大;3)AT89C51單片機控制ADC器件ADC0809采集放大電路輸出的電壓信號并計算實際的光照度值。

2.3 開關(guān)控制電路

開關(guān)控制電路的詳細設(shè)計如圖4所示，其工作原理為：1)光電耦合器TIL 117起光電隔離作用，實現(xiàn)將單片機AT89C51與開關(guān)控制部分隔離，從而減小開關(guān)控制部分對AT89C51的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性，其中驅(qū)動芯片7407的作用是為TIL 117提供輸入電流;2)繼電器G2R-14-DC5實現(xiàn)直接的開關(guān)控制，其中晶體管9013的作用是為G2R-14-DC5提供驅(qū)動電流，二極管1N4001的作用是防止G2R-14-DC5的感應(yīng)電壓損壞901 3;3)當AT89C51的P2.1引腳輸出低電平時，TIL 117產(chǎn)生光電流，使三極管9013導通，從而繼電器G2R-14-DC5的線圈得電，常開開關(guān)K1閉合，反之則K1斷開。

3 單片機程序設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

結(jié)合硬件設(shè)計和需要實現(xiàn)的功能，裝置的單片機程序主要包括如下程序模塊：1)光照檢測：根據(jù)ADC0809的控制邏輯采集光照度轉(zhuǎn)換而來的電壓信號，并根據(jù)對應(yīng)公式計算實際的光照度值;2)光照度上下限值設(shè)定：通過鍵盤電路和LM016L液晶顯示電路，并采取外部中斷的方式，實現(xiàn)光照度上下限值設(shè)定;3)開關(guān)自動控制：根據(jù)檢測的光照度和設(shè)定的光照度上下限值控制開關(guān)控制電路，實現(xiàn)開關(guān)自動控制;4)數(shù)據(jù)顯示：控制液晶器件LM016L顯示采集的光照度和設(shè)定的光照度上下限值。

3.2 光照檢測

光照檢測程序模塊主要包含如下兩個步驟：1)根據(jù)ADC0809的控制方法進行電壓信號采集，ADC0809的關(guān)鍵控制引腳為S7ART、EOC、OE和CLK，分別為啟動信號輸入端、轉(zhuǎn)換結(jié)束信號端、輸出允許端和時鐘信號輸入端;2)根據(jù)電壓和光照度轉(zhuǎn)換公式計算實際的光照度值。實現(xiàn)光照檢測的方法如算法1所示。

算法1：光照檢測算法。

sbit START=P2^2;//ADC0809啟動信號輸入端

sbit EOC=P3^5;//ADC0809轉(zhuǎn)換結(jié)束信號端

sbit OE=P2^3;//ADC0809輸出允許端

sbit CLK=P3^6;//ADC0809時鐘信號輸入端

START=0;//ADC0809開始轉(zhuǎn)換

OE=0;//ADC0809不允許輸出

if(EOC=1)//如果ADC0809轉(zhuǎn)換結(jié)束

{

START=1;//ADC0809停止轉(zhuǎn)換

OE=1;//ADC0809允許輸出

ADdata=P0;//讀取采集的電壓信號

OE=0;//ADC0809不允許輸出

illu=ADdata*1.96*4.16667;//將采集的電壓信號轉(zhuǎn)換為實際的光照度值

}

3.3 開關(guān)自動控制

開關(guān)自動控制程序模塊的實現(xiàn)流程為：1)若開關(guān)狀態(tài)為關(guān)，則關(guān)計數(shù)變量offCounter置0;2)若檢測的光照度小于光照度下限值且開關(guān)狀態(tài)為關(guān)，則開計數(shù)變量onCounter累加1;3)若檢測的光照度大于光照度下限值且開關(guān)狀態(tài)為關(guān)，則開計數(shù)變量onCounter置0：4)若開關(guān)狀態(tài)為開，則開計數(shù)變量onCounter置0：5)若檢測的光照度大于光照度上限值且開關(guān)狀態(tài)為開，則關(guān)計數(shù)變量offCounter累加1;6)若檢測的光照度小于光照度上限值且開關(guān)狀態(tài)為開，則關(guān)計數(shù)變量offCounter置0;7)若onCounter>=2500，則控制開關(guān)閉合;8)若offCounter>=2500，則控制開關(guān)斷開。實現(xiàn)開關(guān)自動控制的方法如算法2所示。

算法2：開關(guān)自動控制算法。

if(state==1)//若開關(guān)狀態(tài)為關(guān)

{offCounter=O//關(guān)計數(shù)變量offCounter置0

if(illu<=lowLimit)onCounter=onCounter+1;

if(illu>lowLimit)onCounter=0;}

if(state==0)//若開關(guān)狀態(tài)為開

{onCounter=0//開計數(shù)變量onCounter置0

if(illu>=upLimit)offCounter=offCounter+1;

if(illu

if(onCounter>=2500)state=0;//控制開關(guān)閉合

if(offCounter>=2500)state=1;//控制開關(guān)斷開

4 裝置測試與分析

為了測試基于單片機和光照檢測的開關(guān)控制裝置的性能，對裝置進行了20次各個功能的測試，測試結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明，裝置能實現(xiàn)設(shè)計的自動開關(guān)控制、設(shè)定光照度上下限值和數(shù)據(jù)顯示等各種功能，運行效果良好。

5 結(jié)語

本文提出一種基于單片機和光照檢測的開關(guān)控制裝置的設(shè)計，此裝置具有光照檢測、光照度上下限值設(shè)定、開關(guān)自動控制和數(shù)據(jù)顯示等功能。本文詳細介紹了此裝置的硬件和單片機程序的設(shè)計方法，并對設(shè)計的裝置進行了功能測試，測試結(jié)果表明，設(shè)計的裝置能實現(xiàn)設(shè)計的等各種功能，運行效果良好。