基于單片機的室內(nèi)燈光智能控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、摘 要 此篇論文主要是根據(jù)大學(xué)教室中燈的日常使用情況以及教室對燈光的需求這些問題，研究并設(shè)計出了一種基于單片機控制的室內(nèi)燈光智能控制系統(tǒng)。此控制系統(tǒng)的核心部件就是AT89S51單片機，系統(tǒng)利用熱釋紅外人體傳感器這個器件來對人體的是否存在進行檢測，并且利用光敏三極管組成的電路對室內(nèi)的自然光照強度進行檢測；此控制系統(tǒng)根據(jù)教室對光照的需求來進行合理的控制燈的關(guān)閉與打開，首先，它先通過對人體存在的信號以及室內(nèi)光照強度信號進行綜合的分析與判斷，對信號的處理以后，通過系統(tǒng)的反饋來完成對教室內(nèi)的燈光的智能控制，這樣就大大減少了教室用電的浪費。此外系統(tǒng)還具備了報警功能；并且它還采用了軟/硬件的“看門狗”，它可

2、以增強系統(tǒng)的抗干擾能力。該系統(tǒng)能夠達(dá)到各種院校對教室燈光控制的要求，最終就可以達(dá)到節(jié)能的目的。關(guān)鍵詞：單片機；智能控制；熱釋紅外傳感器；X5045AbstractCipian thesis is based on the university classroom in light of daily usage and the demand for classroom lighting these issues, research and design of indoor lighting intelligent control system based on microprocessor co

3、ntrolled. Core components of this control system is AT89S51 microcontroller, the system uses the human body pyroelectric infrared sensor this device to the human body to detect the existence and use of the circuit phototransistor of the indoor natural light intensity is detected; this control system

4、 according to classroom to Light needs to be closed and an open and reasonable control of light, first, that the first signal by the presence of the human body and interior light intensity signal integrated analysis and determine the future of the signal processing by the feedback system to complete

5、 the classroom lighting within the intelligent control, thus greatly reducing the waste of electricity classroom. In addition the system also has the alarm function; and it uses a hardware / software "watchdog", it can enhance the anti-jamming capability. The system can achieve a variety o

6、f institutions for classroom lighting control requirements, most mechanized can save energy.Keywords : SCM; intelligent control; pyroelectric infrared sensor; X5045窗體底端目 錄1 緒論11.1 課題研究的目的與意義11.2 采用智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)勢11.3 智能照明控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀22 教室燈光控制器簡介與方案分析22.1 大學(xué)教室照明控制現(xiàn)狀22.2 教室燈光控制器簡介22.3 系統(tǒng)控制方案分析22.4 本章小節(jié)3

7、3 系統(tǒng)控制模塊的硬件設(shè)計33.1 系統(tǒng)控制模塊的硬件構(gòu)成33.2 系統(tǒng)控制的主要硬件電路43.2.1 系統(tǒng)主控電路43.2.2 系統(tǒng)供電電路53.2.3 系統(tǒng)復(fù)位電路63.2.4 數(shù)據(jù)采集電路73.2.5 系統(tǒng)時鐘電路103.2.6 繼電器驅(qū)動電路113.2.7 蜂鳴報警電路123.2.8 按鍵控制電路134 控制模塊軟件設(shè)計134.1系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊144.1.1 系統(tǒng)自檢初始化144.1.2 定時中斷處理設(shè)計144.2 數(shù)據(jù)采集模塊154.2.1 人體存在傳感器的優(yōu)缺點154.2.2 數(shù)據(jù)采集軟件的實現(xiàn)154.2.3 人體存在傳感器的抗干擾措施164.2.4 人體存在傳感器的安裝要求1

8、74.3 時鐘模塊174.3.1 數(shù)據(jù)輸入輸出174.3.2 時鐘自檢初始化184.3.3 時鐘程序設(shè)計204.4 系統(tǒng)工作總流程214.5 本章小節(jié)215 系統(tǒng)調(diào)試運行及問題分析225.1 單片機系統(tǒng)調(diào)試方法及步驟225.2 主要問題分析246 結(jié)論25參考文獻26附 錄27致 謝281 緒論1.1 課題研究的目的與意義 大多數(shù)高校由于對教室的管理不善，學(xué)校中的大多數(shù)教室在白天室內(nèi)光照充足的情況下任然開著燈。由于大多數(shù)同學(xué)節(jié)約意識的淡薄，即使教室中沒有人或者人數(shù)很少的情況，教室中的燈也是全部亮，很明顯上述兩種現(xiàn)象必然會造成很大的能源浪費。能源短缺一直是21世紀(jì)人類面臨的重大難題，隨著國民經(jīng)濟

9、的快速發(fā)展和社會進步，教育在不斷受到人們越來越多的關(guān)注，校園規(guī)模也在不斷的擴大，節(jié)能也就成了我們要研究的課題。目前常采用的節(jié)能方式為手工控制，聲控型，太陽能燈等。然而他們都存在很大的缺陷與不足，因此市場上急切需要一種操作方便，價格低廉，便于大面積推廣的新型節(jié)能方案。 智能燈光照明系統(tǒng)不僅節(jié)約能源和保護了環(huán)境而且還能實現(xiàn)良好的照明光環(huán)境，還提高了工作得效率，節(jié)省了時間。1.2 采用智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)勢 傳統(tǒng)的照明控制系統(tǒng)大多是由人工通過控制配電箱的開關(guān)來控制燈的熄滅與打開，有的就在在照明回路中直接串入接觸器，這樣就可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制燈的滅與亮6，這種方式是通過手動開關(guān)來控制燈具，它在很大程度上

10、主要是通過人工來完成的。但是現(xiàn)代的智能照明控制系統(tǒng)則具有很強的智能化，他可以根據(jù)不同區(qū)域的需要以及不同的時間點，還有光照強度來合理的安排燈的亮與滅，這樣它不但節(jié)省了人力，而且還節(jié)省了能源減少了環(huán)境的污染，與傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)相比而言，他可以說是符合當(dāng)今社會發(fā)展的不二之選。具體來說其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在以下幾個方面： (1)這種智能化照明控制系統(tǒng)具有很強的智能化功能，它的整個系統(tǒng)完全處于一個全自動化狀態(tài)，因此可以根據(jù)不同區(qū)域在不同時段中對燈具的需求，通過電腦提前輸入特定的程序來完成對燈具的合理使用，使他更加具有智能化和人性化。(2)它最突出的特點就是減少了電能消耗，因此可以充分利用自然光，在必要的時候就

11、以人工光為補充，綜合考慮室內(nèi)的人員情況，來合理安排教室內(nèi)燈具的亮與滅，這樣就可以節(jié)省很多的電能，一般在30左右7。(3)再者他還可以改善室內(nèi)氛圍，給工作人員提供一個舒適的工作環(huán)境。 (4)我們將傳統(tǒng)的開關(guān)控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑墓芾碇?，不但大大提高了建筑的照明的管理水平，而且還給大樓大樓的運行，維護減少很多的費用開支?？傊@個新型照明控制系統(tǒng)，不但給社會帶來了很大好處，即節(jié)約了能源的消耗，又減少了環(huán)境的污染，而且它還大大提高了人類的生活水平。1.3 智能照明控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 所謂的“智能建筑”就是集計算機、信息通信于一體，它可以使高層建筑內(nèi)的電視、空調(diào)、冰箱、照明、防火、防盜等實現(xiàn)綜合管理上的

12、自動化。人工智能技術(shù)在建筑與燈光中的應(yīng)用趨勢不斷擴大。正如英國的Glasgow市報指出：“Glasgow正在成為一個研究和發(fā)展太空時代智能建筑的國際組織的神經(jīng)中樞。在智能建筑中的智能燈光、供熱、空調(diào)、通訊及辦公設(shè)備將全部由電子計算機進行控制與管理?！彪S著社會的快速發(fā)展，市場上也出現(xiàn)了不少關(guān)于智能燈光的設(shè)計，比如說智能的燈具、智能照明控制系統(tǒng)，還有就是關(guān)于智能照明方面的計算機以及軟件，就連智能照明方面的設(shè)計與測試也得到廣泛應(yīng)用。2 教室燈光控制器簡介與方案分析2.1 大學(xué)教室照明控制現(xiàn)狀很多大學(xué)的教室，在白天上課期間主要是以自然光為主，只有在陰天下雨或者有樹木遮擋的教室才使用燈光來補償；晚上大多

13、數(shù)學(xué)生會去教室上自習(xí)，有的教師用來上課，為了不讓學(xué)生的視力受到燈光的損壞，給學(xué)生提供一個良好的光照環(huán)境，那么就必須考慮到燈光的合理分配，這樣就需要投入資金來安裝這些自動控制系統(tǒng)。能夠通過兩種方法來達(dá)到節(jié)能的目的：第一可以使用節(jié)能燈，因為在明質(zhì)量達(dá)到要求的情況下，只有通過使用照明設(shè)備效率高的產(chǎn)品才能節(jié)約能源；另一種是研究出一種智能化的照明控制系統(tǒng)，在滿足照明需求的情況下，通過智能化的控制燈具來達(dá)到節(jié)約能的目的10。2.2 教室燈光控制器簡介 教室燈光控制器就是對大學(xué)教室內(nèi)的燈光進行智能化的控制，它主要是通過對人體信號以及光環(huán)境信號進行采集，環(huán)境強度只要達(dá)到一定值那么就不開燈，光照強度在一定值一下

14、并且有人體存在時才開燈，只有對教室燈安裝智能控制系統(tǒng)才可以實現(xiàn)上述目標(biāo)。2.3 系統(tǒng)控制方案分析該控制器主要依靠輸入的自然光強度以及人體存在信息這些參數(shù)來進行控制，自動控制和手動控制能夠同時存。一般情況下，系統(tǒng)會默認(rèn)為自動控制，只有人為的把按鍵模塊按下時，這時系統(tǒng)就會改為強制控制。如果燈光控制系統(tǒng)處在自動控制模式，并且還要保證自然光照比較足夠，那么此時無論教室內(nèi)有人還是無人，燈都不會被打開；在自然光照強度較弱時，并且教室內(nèi)有人存在且超過一定時間，那么控制器就會自動打開電燈，只有當(dāng)室內(nèi)人全都離開后且延時一定時間后，燈就會自動熄滅。同時，還應(yīng)該設(shè)置作息時間來進行控制系統(tǒng)的運行，夜晚只要超過10點，

15、如果教室內(nèi)還有人在上自習(xí)，那么系統(tǒng)就會自動關(guān)閉控制器，這時就可以啟動手動控制，這樣就可以解決特殊情況下，自動控制器的缺陷。關(guān)于教室中用到的燈光控制器一般都由硬件和軟件組成。整個控制系統(tǒng)的運行首先離不開硬件，硬件的作用就是為軟件中程序的運行提供平臺。然而軟件部分的作用則是對硬件端口所能體現(xiàn)出的信號加以采集，并且經(jīng)過綜合分析、處理，最后才能實現(xiàn)控制器的各種功能，最終才能達(dá)到設(shè)計的目的。2.4 本章小節(jié)在系統(tǒng)的設(shè)計要求方面有手動和自動控制兩種選擇，以及時間的控制上面和信息采集上。本章主要是對信息的采集進行了簡單的分析，主要是對教室中的自然光的強度以及人的存情況這些信息進行采集，并且要保證采集信息用到

16、的電路和其他所有電路都要具備很強的抗干擾能力，避免動作上的錯誤。在系統(tǒng)的操作和安裝方面比較簡單，便于日后我們對系統(tǒng)進行維護。 3 系統(tǒng)控制模塊的硬件設(shè)計想到這個系統(tǒng)的安裝所受到的外界環(huán)境因素影響，再者室內(nèi)控制系統(tǒng)中的人體存在傳感器、光敏三極管會隨著室內(nèi)情形的變化而變化，所以在整個設(shè)計過程中，電子元器件的選用、線路排布和設(shè)備的安裝要考慮到抗干擾這個問題。3.1 系統(tǒng)控制模塊的硬件構(gòu)成系統(tǒng)的設(shè)計上以AT89S51單片機主控模塊為核心，其它的一些外圍電路主要包括：環(huán)境光采集電路、時鐘模塊、人體存在傳感器模塊、看門狗模塊、按鍵電路、EEPROM存儲模塊、超時報警模塊、繼電器驅(qū)動模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3.

17、1所示。EEPROM 存儲器模塊AT89S51單片機最小系統(tǒng)環(huán)境光采集電 路看門狗模塊人體存在傳感器按鍵電路時鐘模塊圖3-1被控?zé)艟呃^電器驅(qū)動模塊超時報警模塊 圖3.1 系統(tǒng)控制單元結(jié)構(gòu)圖首先，環(huán)境光采集電路這個模塊就是用光敏三極管來對室內(nèi)環(huán)境光的強度進行檢測。它的工作原理就是，只要有光線進入到教室內(nèi)，光敏三極管的電阻就會立即減小，隨著光線的逐漸變?nèi)?，最終三極管的電阻就會增大。這個模塊的主要功能就是把光信號轉(zhuǎn)化成電信號，由此來檢測光照強度。人體存在傳感器模塊則用到了HP-208這個產(chǎn)品，它與紅外線技術(shù)有關(guān)，利用它就可以對教室內(nèi)是否有人進行檢測。硬件時鐘模塊采用了時鐘芯片DS1302,它的優(yōu)點是

18、低功耗，并且具有充電能力，同時它還具有臨時存放數(shù)據(jù)的功能。關(guān)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲以及故障保護這兩部分則由X5045組成，X5045是一個具有512字節(jié)的EEPROM，并且它同時具有看門狗以及電源監(jiān)控功能的鍵盤模塊。3.2 系統(tǒng)控制的主要硬件電路3.2.1 系統(tǒng)主控電路AT89S51單片機作為本系統(tǒng)模塊的主控芯片，該芯片的主要特征見如表3.1所示：AT89S51引腳外圍器件引腳說明P1. 0X5045SIX5045串行輸入端P1. 1X5045SCKX5045串行時鐘端P1. 2X5045CSX5045片選端P1. 3X5045S0X5045串行輸出端P1. 4工作狀態(tài)指示燈P1. 5DS1302C

19、LKDS1302時鐘線P1. 6DS1302I/ODS1302數(shù)據(jù)線P1. 7DS1302RSTDS1302復(fù)位線P3. 0- P3. 1數(shù)據(jù)采集輸入端P3. 3人體存在傳感器輸出信號端P3. 4超時報警信號輸入端P3. 7光敏三極管輸入信號端表3.1 AT89S51主要特征 (1) 40（Vcc）20（GND）腳間的電壓應(yīng)有5V ；(2) 18、19腳分別與20腳間有1.72.5V電壓 ；(3) 9（RST）腳與GND間電壓基本為0 ；(4) 31（EA）腳與20（GND）腳間電壓為5V 。3.2.2 系統(tǒng)供電電路系統(tǒng)的供電電壓為+5V，此系統(tǒng)用的變壓器輸出電壓為9V。此電路一端接220V交

20、流電，將220V電壓降為9V,然后經(jīng)二極管全波整流，再通過電解電容C1，C2的濾波，最后經(jīng)正輸出穩(wěn)壓器LM7805，為了緩沖負(fù)載突變，改善瞬態(tài)響應(yīng)，在輸出端還特地使用了電容C3，C4，為的就是得到+5V的直流電壓，用它來給單片機系統(tǒng)以及外圍電路Vcc端提供電壓。系統(tǒng)供電原理如圖3.2所示。圖3.2 供電原理圖3.2.3 系統(tǒng)復(fù)位電路系統(tǒng)中復(fù)位電路的用途是為了使系統(tǒng)在一些特殊情況下得到復(fù)位，使系統(tǒng)穩(wěn)定有序的工作。在單片機系統(tǒng)正常有序的工作中，極少數(shù)情況下由于外界的干擾會出現(xiàn)程序跑飛，死機等一些特殊情況。為了應(yīng)對這些突發(fā)事件，所以安裝了復(fù)位電路，并且還要在硬件設(shè)計中使用看門狗電路，它的作用是單片機

21、在發(fā)生死機的情況下，看門狗會及時的產(chǎn)生一個復(fù)位信號給單片機，單片機在收到信號后會及時復(fù)位并且重新執(zhí)行程序。如果你在系統(tǒng)設(shè)計的過程中使用了看門狗與EEPROM，那么芯片X5045也就少不了要被使用到。X5045同時具備三種功能：看門狗定時器、復(fù)位控制和EEPROM11。這三個功能全部都被集成在由8個引腳封裝的CMOS器件中，它最大的優(yōu)點是可以將電源監(jiān)控、看門狗功能和高速三線非易失性存儲器完美的組合在一起，并且系統(tǒng)的成本大大減少了，另外它也大大降低了對電路板空間上面的要求，X5045的引腳排列如圖3.3所示。圖3.3 X5045的引腳圖 如表3.2狀態(tài)寄存器所示，X5045狀態(tài)寄存器共有6位。只有

22、WD1、WD0與看門狗電路有關(guān)，而剩余的所有位則與EEPROM的設(shè)置有關(guān)。表3.2 狀態(tài)寄存器7654321000WD1WD0BL1BL0WELWIPWD1=0，WD0=0，預(yù)置時間為1.4S，WD1=0，WD0=1，預(yù)置時間為0.6S，WD1=1，WD0=0，預(yù)置時間為0.2S，WD1=1，WD0=1，禁止看門狗工作。通常可以通過控制應(yīng)用程序的循環(huán)周期來決定看門狗電路的定時時間，一般情況下，只要比系統(tǒng)在正常工作情況下最大循環(huán)周期的時間稍微長一點即可。X5045硬件部分連接如圖3.4所示。圖3.4 系統(tǒng)看門狗電路由上圖可以看出，系統(tǒng)看門狗電路分為數(shù)據(jù)存儲單元和故障保護部分，X5045是一個EE

23、PROM,它是一個串行通信512字節(jié)，并且它還具有看門狗和電源監(jiān)控功能，X5045有三種可編程看門狗周期，上電和Vcc低于檢測門限時，輸出復(fù)位信號，X5045輸出復(fù)位高電平有效，為了使復(fù)位變得更加可靠，我們在它的復(fù)位輸出端上接了10K的上拉電阻，使它與AT89S51的復(fù)位端相連接?？撮T狗在電源上電或者是掉電的時候會產(chǎn)生一個復(fù)位信號。另外這個芯片還有一個1.4s的看門狗定時器，我們可以通過它來監(jiān)控單片機的工作。只要在1.4s之內(nèi)還沒有檢測到其工作或者說系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，那么內(nèi)部定時器就會使看門狗WD1處于低電平，這樣就可以起到保護系統(tǒng)的作用。3.2.4 數(shù)據(jù)采集電路對于數(shù)據(jù)采集，我們首先應(yīng)該想到的

24、是，此次研究設(shè)計主要是針對大學(xué)校園教學(xué)樓里的燈光控制問題，我們要采集的數(shù)據(jù)有教師的環(huán)境光強度以及人體是否存。一般情況下我們通過光敏二極管和光敏三極管來對室內(nèi)環(huán)境光強度進行采集，由于要考慮到抗干擾的問題，所以最好選用靈敏度較高的光敏三極管。除此之外，我們要注意，一定要選用靈敏度高，可靠性強的傳感器，可以減少誤差。一、環(huán)境光采集電路光電傳感器可以將光轉(zhuǎn)換成電量。系統(tǒng)采用的光敏三極管除了可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號外，同時它還可以對電信號進行放大。在無光的情況下，三極管的穿透電流很小，被稱作暗電流。相反，當(dāng)在有光照時，三極管的穿透電流會增大，它就變成了光電流。由此可以得出結(jié)論，光電流的大小與光照強度成正

25、比，最終我們就在負(fù)載電阻上得到隨室內(nèi)光照強度變化而不斷變化的電信號了。環(huán)境光采集電路原理圖如圖3.5所示。自然光照強度只要高于一定程度(即設(shè)定參數(shù)），那么光敏三極管D6就會呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，隨著電阻的減小三極管Q8的基極電壓將會增大，三極管Q8就會飽和導(dǎo)通，最終三極管Q8集電極輸出低電平，也就不參與工作。與之相反，光照強度一旦低于一定程度時(即設(shè)定參數(shù))，光敏三極管D6就會立即呈現(xiàn)出高阻狀態(tài)大于100 K，那么三極管Q8就會截止，Q8的集電極就會輸出高電平，最終也就參與電路的工作。可變電阻R9的作用是調(diào)節(jié)教室中環(huán)境光的光照強弱靈敏度參數(shù)，當(dāng)它的阻值變化時，三極管Q8也會隨著她阻值的不同在不同的環(huán)境

26、光照強度下而導(dǎo)通。R10、C9組成的電路則是為了防止外界的干擾而精心設(shè)計的，它們具備了抗干擾的能力。 圖3.5 環(huán)境光采集電路圖二、人體存在傳感器的工作原理我們大自然中各種各樣的物體，如人體，木材，石頭，等都會各自發(fā)出不同波長的紅外線，所以我們可以利用紅外線傳感器對它們進行檢測。紅外傳感器一般分為熱型和量子型兩類。與量子型相比，熱型的紅外傳感器的優(yōu)點就是波長范圍較寬，并且可以在常溫下正常工作。量子型與熱型的恰好相反，并且要求冷卻條件。本系統(tǒng)采用的是熱釋電紅外傳感器，人體存在傳感器主要采用了紅外傳感器的原理。人體存在傳感器的熱釋電紅外探頭的工作原理及特性如下：眾所周知人的體溫一般都在37左右，正

27、是因為體溫的存在，那么人體就會發(fā)出紅外線，它的波長大概為10M，那么被動式紅外探頭就可以根據(jù)人體發(fā)射出來的紅外線來進行工作了。紅外感應(yīng)源采用熱釋電元件，一旦這種元件接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化，它就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生有人體存在的信號12。1）這種探頭就是專門被用來進行探測人體輻射，那么熱釋電元件就會對波長為10M左右的紅外輻射極其的敏感。2）為了增強使它只對人體紅外輻射的敏感程度，可以在它的輻射照面上覆蓋菲尼爾濾光片，這樣它就不容易受到外界環(huán)境的干擾。3）對人體是否存在進行探測，這個傳感器是由兩個互相串聯(lián)的熱釋電元組成，而且這兩個電極化方向正好相反，環(huán)

28、境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測器無信號輸出。4）只要有人進入到探測區(qū)域之內(nèi)，那么人體發(fā)射出的紅外線就會立即被部分鏡面聚焦，人體存在傳感器的熱釋電元就會及時的接收到它，由于兩片熱釋電元各自接收到的熱量不不一樣，所以他們就不能相互抵消，最后經(jīng)過信號處理以后就會輸出人體存在信號。5)當(dāng)設(shè)計對菲尼爾濾光片性能的要求不一樣時，它就會產(chǎn)生不一樣的焦距（感應(yīng)距離），因此也就會產(chǎn)生不一樣的監(jiān)控現(xiàn)場，隨著視場的增多，控制就會變得越嚴(yán)密。只要有人進入到特定區(qū)域之內(nèi)，不斷移動的人體就會發(fā)出紅外線，紅外傳感器此時就會及時的接收到它，因此人體是否存在就會被及時感應(yīng)到，一旦

29、被感應(yīng)到就會輸出高電平。三、人體存在信號采集電路人體傳感器HP-208基于紅外線的智能產(chǎn)品，它的主要特性如下： （1）感應(yīng)的方式是全自動的，只要有人體進入到感應(yīng)范圍區(qū)域之內(nèi)，它就會立即輸出高電平（高3.3V）。與之相反，當(dāng)人體不在感應(yīng)范圍區(qū)域之內(nèi)時，那么它就會自動的延時及時關(guān)閉高電平，并且輸出低電平（低0.3V），高低電平有利于信號的采集； （2）通常一定要記著采用可重復(fù)這種觸發(fā)方式來進行。即使有時它感應(yīng)輸出了高電平，只要在延時這段時間范圍內(nèi)，如果此時有人體依然在它能感應(yīng)的范圍活動之內(nèi)，那么輸出就會一直保持高電平，一直等到人體離開，延時15s之后高電平就會立即變?yōu)榈碗娖剑?（3） 人體傳感器工

30、作電壓寬為DC3V-DC24V； （4） 其靜態(tài)電流小于50A，功耗低； （5）工作溫度介于-15和+70之間，適應(yīng)性強； （6）靈敏度高，可靠性強。 正如下圖所示，電源的信號端接在了人體傳感器的1號引腳上面，接地信號端接在了3號引腳上面，采集信號輸出端接在了2號引腳上面。電路中的電容可以使傳感器的工作更加可靠，100K的上拉電阻可以增加人體存在傳感器輸出信號的可靠性，其電路原理圖如圖3.6所示。圖3.6人體傳感器電路圖3.2.5 系統(tǒng)時鐘電路為了滿足教室燈光使用的要求，此系統(tǒng)在某些情況下還受到了時間的控制，因此為了使系統(tǒng)智能化的進行還應(yīng)該加入時鐘電路。因為系統(tǒng)停電后，需要及時的為時鐘電路提供

31、電源、并且又不能占用太多單片機資源，所以本系統(tǒng)采用美國DALLAS公司推出的具有充電能力的低功耗1×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器的實時時鐘芯片DS1302。這種芯片用到的是串行通信方式，它的作用是可以為掉電保護電源充電，我們有時也可將此項功能關(guān)閉。該芯片對年、月、日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V5.5V13。DS1302只需三根線即可與單片機進行通信，體積小，使用簡單，時鐘精度較高14，滿足系統(tǒng)的要求?？蔀榈綦姳Ｗo電源提供可編程的充電功能的時鐘芯片DS1302的引腳圖如圖3.7所示。圖3.7DS1302的引腳圖DS1302與單片機接口電路的連接原理

32、圖如圖3.8所示。其中Vcc2為系統(tǒng)的備用電源，它外接了3.6V可以充電的鋰電池。Vcc1外接系統(tǒng)供電模塊的輸出穩(wěn)定電壓+5V，為DS1302的主電源。DS1302由Vcc1和Vcc2兩者中較大者供電。只要Vcc1大于Vcc2+0.2V，Vcc1就會給DS1302提供電能，此時系統(tǒng)就會正常的運行；主電源關(guān)閉時，Vcc1就會小于Vcc2，這時Vcc2就會給DS1302供電，這樣時鐘就可以持續(xù)的運行了。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST與單片機的復(fù)位信號相連接，當(dāng)RST被置為高電平時，它就可以啟動全部的數(shù)據(jù)傳送。時鐘輸入端SCLK接單片機P1.5引腳，進行時鐘控制。數(shù)據(jù)輸入/輸

33、出端I/O接單片機P1.6引腳，進行數(shù)據(jù)傳輸。圖3.8 DS1302與單片機接口電路連接圖3.2.6 繼電器驅(qū)動電路繼電器驅(qū)動接口電路如圖3.9所示。開機時，由于單片機剛剛被初始化，所以P3.5/P3.6 為高電平，此時三極管就處于截止?fàn)顟B(tài)，因此開機后繼電器將會處于釋放狀態(tài)。當(dāng)P3.5/P3.6 為低電平時，三極管的基極就會被拉低而產(chǎn)生足夠的基極電流，使三極管導(dǎo)通，繼電器就會得電吸合，從而驅(qū)動負(fù)載，點亮相應(yīng)電燈。圖3.9 繼電器驅(qū)動電路3.2.7 蜂鳴報警電路通常情況下，人們會經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在教室無人或者自然光充足的情況下，由于學(xué)生的疏忽教室內(nèi)的燈任然亮著，這樣就會造成很大的能源浪費，這種現(xiàn)象在我們

34、大學(xué)校園里很常見。為了杜絕這種浪費現(xiàn)象的發(fā)生，我們在設(shè)計的過程中使用了蜂鳴報警電路，它可以以聲音的方式來提醒教師的學(xué)生來及時關(guān)閉電源，避免一些浪費現(xiàn)象的發(fā)生；另一方面一些學(xué)生會有時會因為學(xué)習(xí)的過分投入以至于忘了時間，那么就會造成開燈時間過長，教室里的燈就會工作超時，這時蜂鳴報警電路就會發(fā)出聲音，它可以及時的提醒學(xué)生休息的時間到了。這樣可以有效地保護公共設(shè)施，延長燈的壽命。本系統(tǒng)采用超時報警的電路如圖3.10所示。當(dāng)我們把P3.4端口置為低電平時，也就是說基極為低電平時，三極管就會導(dǎo)通，此時驅(qū)動蜂鳴器就會發(fā)出聲音，她就代表教室的燈工作超時。當(dāng)P3.4端口被置為高電平時，三極管就會截止，此時蜂鳴器

35、就不會工作，那么教室的燈就會正常工作。此奉命報警裝置可以及時的提醒管理人員，以免造成浪費。圖3.10 蜂鳴報警電路3.2.8 按鍵控制電路按鍵控制電路如圖3.11所示。按鍵控制電路采用單片機P2口的低4個口作按鍵的輸入信號端，信號取自電阻的分壓。當(dāng)按鍵沒有被按下時，P2.0P2.3端口的電壓就會接近電源電壓，則為高電平。當(dāng)某一按鍵被按下時，對應(yīng)端口短接到地，則為低電平。鍵盤的工作方式采用了中斷掃描的方式，4個二極管與10K電阻組成了與門電路，不管按下任何一鍵，P3.2引腳的電平全部都會由高變低。 圖3.11 按鍵控制電路電路圖4 控制模塊軟件設(shè)計只有單片機硬件是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，為了使系統(tǒng)正常的運行

36、，我們還要配上相應(yīng)的軟件，只有這樣才能夠成一個完整的系統(tǒng)。用戶軟件的開發(fā)與系統(tǒng)硬件聯(lián)系緊密。只有系統(tǒng)的硬件及輸入輸出的方法確定后，程序軟件才可以完全獨立的進行設(shè)計、開發(fā)。4.1系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊監(jiān)控程序按模塊分為監(jiān)控主程序和命令處理子程序15。一個主程序能夠調(diào)用多個子程序，對51系列單片機來說，由于系統(tǒng)資源有限，主程序一般是一個無限循環(huán)的過程，也就是說是一個反復(fù)調(diào)用子程序的過程。我們在設(shè)計應(yīng)用軟件的時候，一定要盡可能的把每個功能模塊寫成子程序的形式，并且要通過主程序調(diào)用。整個控制系統(tǒng)的核心就是監(jiān)控主程序，所有外圍的模塊一般都需要經(jīng)過監(jiān)控模塊來實現(xiàn)它們在系統(tǒng)中所起到的作用。我們通過鍵盤輸入相關(guān)程

37、序，當(dāng)監(jiān)控主程序接受到這些命令后，經(jīng)過綜合分析，然后把它傳輸?shù)较鄳?yīng)的處理子程序的入口，起引導(dǎo)作用。監(jiān)控主程序模塊主要就是對系統(tǒng)外圍器件的輸入、輸出參數(shù)進行初始化自檢和看門狗的激活，還有就是對多任務(wù)操作模塊的調(diào)用(系統(tǒng)中的信號采集處理、時鐘管理、按鍵接收處理)，有時還可以進行實時中斷處理等。除初始化和自檢外，監(jiān)控主程序一般總是把其余部分連接起來構(gòu)成一個無限循環(huán)，系統(tǒng)所有功能都在這一循環(huán)中周而復(fù)始的有選擇的執(zhí)行16。4.1.1 系統(tǒng)自檢初始化對系統(tǒng)進行自檢初始化后，整個控制系統(tǒng)就能夠正常的運行。當(dāng)我們對系統(tǒng)加電復(fù)位以后，系統(tǒng)就可以立即進入自檢初始化程序，然后就完成了系統(tǒng)的自檢以及初始化。有時對各個

38、接口芯片進行檢測主要是為了檢測各個芯片的準(zhǔn)備工作是否準(zhǔn)備就緒，有沒有硬件故障等。如果說時鐘芯片處在啟動的狀態(tài)，那么我們就要對它進行初始化并且還要啟動實時時鐘。系統(tǒng)內(nèi)部寄存器初始化主要是指在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，各用戶定義的數(shù)據(jù)變量的初始化賦值及部分特殊功能寄存器SFR的復(fù)位初始化。單片機復(fù)位后，程序計數(shù)器PC指向程序存儲器的入口地址0000單元，程序狀態(tài)字寄存器PSW清零，片內(nèi)存儲器選擇區(qū)工作寄存器，用戶標(biāo)志位F0為0狀態(tài)，堆棧指針SP指向07H,其它定時器、中斷允許寄存器IE,累加器ACC等皆為00H。4.1.2 定時中斷處理設(shè)計定時中斷就是當(dāng)有時用單片機內(nèi)部的定時器進行定時，計數(shù)值已滿而引起的中斷

39、。內(nèi)部定時器的計數(shù)器可以對內(nèi)部時鐘或從外部引線T0和T1輸入的外部脈沖進行計數(shù)。計數(shù)器的溢出信號作為中斷請求信號，去置位定時器溢出標(biāo)志位，向單片機的CPU申請中斷17。定時中斷為周期性的，它每隔一定的時間就會中斷一次。定時中斷可以用來構(gòu)造多任務(wù)操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)響應(yīng)中斷后，不需要對斷點實施現(xiàn)場保護，可以立即進行多任務(wù)時間的劃分工作，使相應(yīng)的操作任務(wù)進入就緒狀態(tài)。該定時中斷處理程序框圖如圖4.1所示。 開始定時中斷到？Y多任務(wù)時間啟動劃分 N下一步圖4.1 定時中斷處理程序框圖4.2 數(shù)據(jù)采集模塊 本控制系統(tǒng)主要對環(huán)境光信號和人體存在信號進行采集的數(shù)據(jù)采集，在程序設(shè)計中對這兩個數(shù)據(jù)的采集放置在多任

40、務(wù)模塊中實施定時采集。4.2.1 人體存在傳感器的優(yōu)缺點人體存在傳感器的優(yōu)點有很多，首先它絕對不會發(fā)出任何類型的輻射，再者它的功耗很小并且價格非常低廉。然而它的缺點為抗干擾能力非常差。然而正是由于紅外線穿透力特別差的原因，就會導(dǎo)致人體的紅外輻射很輕易被一些物體所遮擋，那么它就不易被探頭所接收到；易受射頻輻射的干擾；另外如果環(huán)境溫度達(dá)到人體的溫度時，這時傳感器的探測和靈敏度就會下降，嚴(yán)重時會造成短時失靈。當(dāng)人體存在但并沒有活動的情況下，人體傳感器就會認(rèn)為沒有人體存在。為杜絕這種現(xiàn)象的發(fā)生，程序設(shè)計為在探測到有人體存在的狀態(tài)后間隔1min或更長的時間來對人體存在參數(shù)信號進行再次的采集。4.2.2

41、數(shù)據(jù)采集軟件的實現(xiàn)由于本系統(tǒng)所控制的對象多數(shù)為大學(xué)教室，而每個教室中一般僅有一面墻受到太陽光的照射，并且教室內(nèi)的不同區(qū)域距離窗戶的距離也不一樣，那么不同區(qū)域得到的太陽光照也就不一致。自然光極易受到天氣及建筑所處位置的則影響，所以說它的變化是非線形的。所以，只有合理地布置自然光采集電路模塊的位置，才能夠如實的反映實際情況。在教室中，人們會經(jīng)常發(fā)現(xiàn)即使自然光充足的情況下，教室內(nèi)的照明燈任然亮著，那么這就會造成極大的浪費。所以只要室內(nèi)光照足夠時，無論有無人體存在都不開燈；當(dāng)光照不充足時，有人體存在才開燈，無人體存在則不開燈。本系統(tǒng)邏輯定義為：環(huán)境光亮?xí)r為邏輯0(符合光采集電路輸出信號狀態(tài))，否者為1

42、，人體存在為1，否者為0，開燈為1，否者為0。環(huán)境光和人體存在的邏輯關(guān)系如表4.1所示。表4.1 環(huán)境光與人體存在邏輯關(guān)系環(huán)境光參數(shù)人體存在參數(shù)教室燈狀態(tài)000100010111表4.1數(shù)據(jù)表明可將環(huán)境光參數(shù)與人體存在參數(shù)進行與操作，又由于繼電器是低電平驅(qū)動，所以要將采集處理后的信號進行非操作，才可以驅(qū)動繼電器工作，即可得到教室燈的狀態(tài)，其軟件程序為：­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

43、73;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­Function: BodySensor and light to light port356DoSensLight: Mov c,port33 ;S

44、ignal of SensorAnl c,port37Cpl c ;have person and no lightmov port35,c ;on relay 1mov port36,c ;on relay 2Jnc SensOut ;no person to outHaveperson: Mov SensDelayBuf,#5 ;delay 5 minuteSensOut: Ret­­­­­­­­­­­­­­­­­

45、3;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­4.2.3 人體存在傳感器的抗干擾措施抗干擾措施有以下幾點。（1）防小動物干擾：探測器要安置

46、我們精心選定的位置，并且要保證對探測范圍內(nèi)的小動物不能夠產(chǎn)生信號。（2）抗電磁干擾：探測器一定要符合GB10408要求，只有這樣手機發(fā)出的電磁波才不會干擾到它。（3）抗燈光干擾：探測器只要在正常的靈敏度范圍之內(nèi)，即使受到3m外H4鹵素?zé)敉高^玻璃照射，它也不會產(chǎn)生信號。4.2.4 人體存在傳感器的安裝要求人體存在傳感器只能夠安裝在室內(nèi)，如果安裝的位置或者方式不合理，那么通常就會引起誤報，所以正確的安裝必須要滿足下列條件： （1)人體存在傳感器應(yīng)離地面。(2)人體存在傳感器一定要遠(yuǎn)離空調(diào)、火爐等這些空氣溫度變化比較一般敏感的地方。(3)人體存在傳感器所能探測得到范圍內(nèi)不得有隔屏、大型盆景或者其它隔

47、離物。(4)人體存在傳感器不能正面直接對著窗口，不然的話，窗戶外面的熱氣流擾動以及人員走動就會引起誤報。人體存在傳感器也不要安裝在有強氣流活動的地方。實際使用中，人體存在傳感器前面必須安裝菲尼爾透鏡，它可以配合熱釋電紅外傳感器提高接收靈敏度，這樣就可以提高檢測距離和范圍?？稍黾拥?0M以上，甚至可達(dá)20M以上。人體存在傳感器對于徑向移動反應(yīng)最不敏感，而對于橫切方向（即與半徑垂直的方向）移動卻極為敏感。一定要選擇合適的位置來安裝，只有這樣才可以避免紅外探頭的誤報以及得到最佳檢測靈敏度。4.3 時鐘模塊當(dāng)自檢初始化啟動后，第一要對時鐘芯片DS1302的運行狀態(tài)進行判斷，只有DS1302處于啟動狀態(tài)

48、時才對其進行初始化，啟動時鐘。實時時鐘芯片DS1302的初始化及其讀寫程序設(shè)計的關(guān)鍵是要遵循其時序要求。4.3.1 數(shù)據(jù)輸入輸出如果想要對DS1302進行操作，那么就先對其初始化，這時就要把RST端設(shè)置為高電平，如果RST輸入為低電平，所有數(shù)據(jù)傳送就會被終止，且I/O引腳變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)讀/寫完之后，一定要及時的把RST端設(shè)置為低電平，這樣就可以防止外部干擾對DS1302內(nèi)部時鐘所造成的影響。同時，為了不讓復(fù)位輸入端受到外部環(huán)境的干擾，要求上電時，在主電源引腳Vcc2的端電壓大于或者等于2.5V之前，RST必須為邏輯0。無論是執(zhí)行讀操作或者是寫操作，都要在開頭的8個時鐘周期內(nèi)把提供地址和

49、命令信息的8位數(shù)據(jù)輸入到DS1302的移位寄存器。地址/命令字節(jié)用于指明40個寄存器中的哪個進行何種操縱數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿串行輸入，在開始的8個時鐘周期把命令字裝入移位寄存器之后，若是寫命令字節(jié)，則在下8個SCLK周期的上升沿輸入數(shù)據(jù)字節(jié)，若跟隨的是讀命令字節(jié)，則在下8個SCLK周期的下降沿輸入數(shù)據(jù)字節(jié)。程序流程如圖4.2所示。啟動復(fù)位端變高啟動一次數(shù)據(jù)傳輸工作寫命令字節(jié)一位SCLK脈沖N夠8次嗎Y寫數(shù)據(jù)字節(jié)一位SCLK脈沖N夠8次嗎Y復(fù)位端變低結(jié)束圖4.2 數(shù)據(jù)輸入輸出流程圖4.3.2 時鐘自檢初始化如果像對RAM進行數(shù)據(jù)傳送，那么DS1302就要先發(fā)送命令字節(jié)。如果我們要進行的是單字節(jié)

50、傳送，在8位命令字節(jié)傳送結(jié)束后，下2個SCLK周期的上升沿就要輸入數(shù)據(jù)字節(jié)，或者在下8個SCLK周期的下降沿輸出數(shù)據(jù)字節(jié)。DS1302第一次加電后，我們必須對其進行初始化操作。一旦它被初始化后就可以按正常方法調(diào)整時間。剛買來的時鐘芯片很可能處于一切未知狀態(tài)，于是我們必須對DS1302進行自檢初始化。DS1302的自檢初始化程序設(shè)計流程圖如圖4.3所示。開始讀取DS1302秒鐘時間Y秒鐘大于60HN延時1秒再次讀取秒鐘數(shù)據(jù)YN設(shè)置DS1302初始時間再次讀取的秒鐘數(shù)據(jù)是否相同返回主程序DS1302正常工作 圖4.3 DS1302的自檢初始化程序設(shè)計流程圖DS1302的自檢初始化程序如下所示:&#

51、173;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­&#

52、173;­­­­­­­­­­­­Function：Start check DS1302DSCheck: Mov R6,#DS1302Sec+1 ;Second TimeACall DSRd1ByteMov DSCheckData,aCjne a,#60H,$+3DSCheckNext:Jnc DSSetTime :a>=60H to Set DS1302's TimeAcall DSDelay ;DS1302 delay 1 secondMov R6, #DS1

53、302Sec+l;a<59H Read DS1302's Second againACall DSRdlByteCjne a,DSCheckData,DSOK;Two DSSec of Reading is differentAJMP DSSetTimeDSOK: Ret­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­&

54、#173;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­檢查DS1302芯片是否是正常工作，本系統(tǒng)中通過先讀取秒鐘寄存器的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲起來，且將此數(shù)據(jù)與60H相比較，若大于60H，說明時鐘數(shù)據(jù)不正常，轉(zhuǎn)去設(shè)置時鐘時間；若小于或等于60H，延時一秒

55、鐘后，再次讀取秒鐘寄存器的數(shù)據(jù)，與第一次讀取的數(shù)據(jù)相比較，若兩次數(shù)據(jù)相同，說明時鐘數(shù)據(jù)不正常，轉(zhuǎn)去設(shè)置時鐘時間；若正常，則退出到主程序。初始化DS1302的充電狀態(tài)及其初始時間的設(shè)置。4.3.3 時鐘程序設(shè)計對DS1302進行讀寫的程序流程圖如圖4.4所示：結(jié)束將讀出的數(shù)據(jù)暫存數(shù)據(jù)讀完了將該地址數(shù)據(jù)輸出寫入DS1302讀地址RST一端送高電平將DS1302寫保護開始變量初始化去除寫保護RST一端送高電平寫DS1302地址向該地址寫入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寫完了 圖4.4 DS1302進行讀寫的程序流程圖在對DS1302進行讀寫操作時，為了保證讀出的數(shù)據(jù)和寫入的數(shù)據(jù)一致為為BCD碼，我們就必須在數(shù)據(jù)寫入之前，

56、讀出之后進行數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。在這個系統(tǒng)中，由于設(shè)定的時間參數(shù)大多為二進制或十六進制數(shù)，為了方便于同DS1302的時鐘數(shù)據(jù)進行比較，所以在程序中很有必要進行二進制與BCD碼之間的轉(zhuǎn)換，其相互間的轉(zhuǎn)換程序如下：­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

57、;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­二進制轉(zhuǎn)換為BCD碼Function: DisTimeBCD:DisTimeBCD: Mov A, R0Anl A, #OFHMov Rl，AInc RlMov A, R0Swap AAnl A, #0FHMov R1，AInc RlInc R0Ret­­­­­­­

58、;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

59、;­­­4.4 系統(tǒng)工作總流程一般情況下，設(shè)計的這個教室燈光控制的工作模式可以分兩種：自動控制和強制控制。系統(tǒng)首先默認(rèn)為自動控制模式。當(dāng)系統(tǒng)進入初始化后，若自診斷鍵盤按下，那么系統(tǒng)就會進入強制控制模式，這時系統(tǒng)就會通過鍵盤掃描程序，確認(rèn)控制燈具的亮與熄；若沒有鍵按下，那么它就為自動控制模式，它可以利用自然光采集電路，從P3.7口的高低電平由此來判斷自然光強度，如果光照強，則燈具就會被熄滅；若光照強度弱，那塔就會繼續(xù)讀取人體存在傳感器的P3.3這個引腳，如果有人存在則亮燈。最后，如果教室內(nèi)的燈還亮著時，并且系統(tǒng)檢測到教室內(nèi)已經(jīng)無人，則蜂鳴報警就會響10秒后熄滅燈具。

60、繼電器驅(qū)動P3.5/P3.6口的高低電平控制著燈具的熄滅與照亮。另外，系統(tǒng)也會受到時間的控制當(dāng)晚上10點以后，如果教室內(nèi)的燈光仍然亮著，那么蜂鳴報警就會提示學(xué)生系統(tǒng)進入手動強制模式，這時就會由學(xué)生自動控制。系統(tǒng)的總流程框圖如圖4.5所示。4.5 本章小節(jié)本章結(jié)合此次教室燈光控制系統(tǒng)設(shè)計的硬件部分分析研究了其軟件部分，主要包括：系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、時鐘模塊。在程序設(shè)計過程中，采用合理的程序設(shè)計結(jié)構(gòu)是一項關(guān)鍵技術(shù)。在本系統(tǒng)的設(shè)計過程中，總體設(shè)計采用自上而下的設(shè)計思想將主程序設(shè)計好，而在各個部分展開成從屬程序或子程序時，是將各個小模塊分別進行設(shè)計和編程，同時在編程的過程中又用到了結(jié)構(gòu)程序設(shè)計的思想。NYYNNNY熄燈具有人嗎？蜂鳴警告延時10秒亮燈有人嗎？鍵盤掃描程序有自然光嗎？按鍵否？自診斷開始系統(tǒng)初始化Y延時10秒圖4.5 總流程框圖5 系統(tǒng)調(diào)試運行