基于微控制器的智能教學(xué)燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于微控制器的智能教學(xué)燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0基于教室燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)三:傳統(tǒng)分配法教學(xué)樓是學(xué)校的主要教學(xué)場(chǎng)所，其管理有很多方面，照明管理也是一個(gè)重要方面。傳統(tǒng)的控制方式是依賴人工,在特定時(shí)間樓內(nèi)的照明設(shè)施被完全關(guān)閉或打開,主要的有以下幾個(gè)方面的不足:能源浪費(fèi)、對(duì)設(shè)備的損壞、照明的分配不合理、不易掌握每個(gè)教室的實(shí)時(shí)信息、不能滿足未來數(shù)字化校園建設(shè)的需求。鑒于上述的不足,開發(fā)一套教學(xué)樓的燈光控制系統(tǒng)是很有必要的。可實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)樓燈光的總體控制,不需要人工職守,能根據(jù)教室的光線情況、使用情況和設(shè)定的要求,自動(dòng)分析各種狀態(tài)給出照明控制信號(hào),對(duì)教學(xué)樓的燈光進(jìn)行自動(dòng)控制。并能根據(jù)需要將每個(gè)教室的光線、當(dāng)前教室人數(shù)、燈光使用情況反饋到中央控制單元,經(jīng)過中央控制單元再反饋到學(xué)校的后勤管理燈光控制中心。以達(dá)到節(jié)約能源,節(jié)省設(shè)備,方便管理的目的。1系統(tǒng)的全球設(shè)計(jì)1.1主機(jī)單元的控制系統(tǒng)由主機(jī)單元和從機(jī)單元組成,從機(jī)單元通過集線器與主機(jī)單元相連,主機(jī)單元與從機(jī)單元通過RS485進(jìn)行通信。主機(jī)單元在樓管中心,負(fù)責(zé)照明的總體管理,可與各從機(jī)通過RS485進(jìn)行差分通信,收集各個(gè)分機(jī)單元的數(shù)據(jù),顯示在顯示設(shè)備上,主機(jī)單元還為從機(jī)單元提供當(dāng)前的時(shí)間信息,主機(jī)單元可以控制與它相連的各從機(jī)單元,以指令的方式實(shí)現(xiàn)教學(xué)樓照明的總體控制;從機(jī)單元分布在各個(gè)教室,負(fù)責(zé)采集光線和人數(shù)數(shù)據(jù),接受主機(jī)指令,并執(zhí)行控制指令。1.2中央控制單元和各子系統(tǒng)主要組成分機(jī)單元安裝在每個(gè)教室,每一個(gè)從機(jī)單元都有一個(gè)編號(hào),與被安裝的教室相對(duì)應(yīng),負(fù)責(zé)采集相應(yīng)教室的數(shù)據(jù)并分析,根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)和中央控制單元的要求,對(duì)相應(yīng)教室的燈光進(jìn)行控制,同時(shí)在總控制單元要求的情況下可把該教室的情況反饋到總控制單元。分機(jī)的主要組成部分有:控制器(MS-51系列單片機(jī)),光線采集電路,人數(shù)采集電路,顯示模塊,鍵盤模塊,繼電器,通信接口。其結(jié)構(gòu)框圖見圖1。1.3教室照明單元主機(jī)單元安裝在教學(xué)樓的管理中心,通過主機(jī)管理人員可以查看樓內(nèi)任何一個(gè)教室的光線情況、當(dāng)前教室人數(shù)、照明情況,并可以實(shí)時(shí)控制照明設(shè)備的開關(guān),或者設(shè)定照明的時(shí)間段。主機(jī)單元組成有:中央處理器、液晶顯示模塊、十六鍵鍵盤、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。其結(jié)構(gòu)框圖見圖2。1.4系統(tǒng)工作流1.4.1鐘同步指令的執(zhí)行(1)系統(tǒng)上電初始化各設(shè)備:包括液晶顯示屏、鍵盤模塊、讀取系統(tǒng)的時(shí)鐘,初始化完畢給出提示。(2)與分機(jī)之間始終同步:主機(jī)單元每分鐘群發(fā)一次時(shí)鐘同步指令,該指令對(duì)所有的分機(jī)有效,數(shù)據(jù)包中包含當(dāng)前的時(shí)鐘信息。(3)查看指定教室的狀況:用戶輸入教室編號(hào),確認(rèn)后主機(jī)自動(dòng)發(fā)送含有從機(jī)編號(hào)的指令,然后等待相應(yīng)的從機(jī)將相應(yīng)的數(shù)據(jù)包返回,主機(jī)分析數(shù)據(jù),并將內(nèi)容顯示給用戶。(4)控制開關(guān):管理員可以關(guān)閉單個(gè)教室或者是全局的照明,執(zhí)行是主機(jī)發(fā)送相應(yīng)的指令,分機(jī)單元響應(yīng)指令并執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。(5)設(shè)置時(shí)間段:可通過主機(jī)單元設(shè)置所有教室的照明時(shí)間段,只有在指定的時(shí)間段內(nèi)才可以開照明。1.4.2要求本機(jī)主理主機(jī)有沖突的情況(1)實(shí)時(shí)檢測(cè)教室的光線和人數(shù)變化,有變化時(shí)立即分析,顯示變化并執(zhí)行相應(yīng)的照明開關(guān)動(dòng)作。(2)如果主機(jī)有指令發(fā)送過來,分機(jī)自動(dòng)分析指令是否對(duì)本機(jī)有效,如果有效則給出相應(yīng)的響應(yīng),如果無效則丟棄。(3)當(dāng)用戶要查看當(dāng)前本教室相關(guān)狀況時(shí),可以按翻頁鍵進(jìn)行查看。(4)當(dāng)有應(yīng)急需要時(shí),用戶可以按強(qiáng)制開關(guān),系統(tǒng)將給出20秒的照明時(shí)間。上述即為本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案及工作過程。2硬件電路設(shè)計(jì)2.1從計(jì)算機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)從機(jī)的電路主要包括:從機(jī)鍵盤模塊,數(shù)碼管顯示模塊,光線采集模塊,A/D轉(zhuǎn)換模塊,繼電器驅(qū)動(dòng)電路,人數(shù)采集模塊和通信接口。2.1.1片選地址的選取顯示部分的組成為6位LED數(shù)碼管,系統(tǒng)的片選地址為0x9FFF,位選地址為0x7FFF。只要將相應(yīng)的顯示值送入相應(yīng)的片,即可以實(shí)現(xiàn)顯示。2.1.2輸出端讀取點(diǎn)發(fā)該部分的核心部件為74HC573鎖存器,通過給不同的位循環(huán)置0,檢測(cè)輸出端是否為零,即可以實(shí)現(xiàn)鍵值的讀取。該部分占用的地址為0x1FFF。2.1.3通信接口為了實(shí)驗(yàn)方便,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用RS232代替RS485差分通信,但最終系統(tǒng)采用差分通信時(shí),軟件可以直接移植。電路圖見圖3。2.1.4數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)本系統(tǒng)需要分析光線強(qiáng)度的等級(jí),故必須將采集到的光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),然后送入控制器處理,分析得出光線等級(jí)。A/D轉(zhuǎn)換部分的電路圖見圖4。2.1.5繼電器控制功能由于系統(tǒng)要控制的為市電220V,但控制器給出的僅為5V的控制信號(hào),所以必須要用繼電器來達(dá)到控制目的。本設(shè)計(jì)中使用的繼電器控制電路如圖5?？梢钥闯稣加每刂破鞯腜3.5口。紅外檢測(cè)電路:系統(tǒng)中紅外檢測(cè)器件采用ST178模擬;光線檢測(cè)電路:本設(shè)計(jì)中采用光敏電阻。2.2主機(jī)硬件設(shè)計(jì)2.2.1顯示設(shè)備工作原理為實(shí)現(xiàn)友好的操作界面,本系統(tǒng)主機(jī)采用帶字庫的12864液晶屏作顯示設(shè)備。它占用單片機(jī)的P0作為數(shù)據(jù)輸入口,P1.2,P1.3,P1.4作控制口。可加電位器調(diào)節(jié)顯示的對(duì)比度,開關(guān)用于背光控制。2.2.2zolg鋼盤顯示控制芯片鍵盤電路用ZLG7290鍵盤顯示專用控制芯片來實(shí)現(xiàn)。ZLG7290是廣州周立功公司生產(chǎn)的一款專用的鍵盤顯示控制芯片,自動(dòng)掃描鍵盤,以I2C總線的方式與控制器相連。通信接口電路與從機(jī)的相同。3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1機(jī)單元的軟件設(shè)計(jì)從機(jī)的主要任務(wù)為采集數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù),給出照明控制動(dòng)作并實(shí)時(shí)掃描鍵盤和顯示數(shù)據(jù)。3.1.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的數(shù)碼管顯示,鍵盤掃描和光線數(shù)據(jù)采集使用定時(shí)的方法實(shí)現(xiàn),所以系統(tǒng)主程序的任務(wù)為監(jiān)視是否有人進(jìn)出教室,鍵值處理和強(qiáng)制照明處理。圖6為系統(tǒng)主程序的流程圖。3.1.2脈沖信號(hào)的上傳該部分的硬件電路由紅外傳感器組成,安裝在教室門位置(示意圖見圖4)。工作原理為:當(dāng)有人通過傳感器1時(shí),傳感器1給出相應(yīng)的電平變化,傳感器2同傳感器1。當(dāng)兩個(gè)傳感器的電平有變化時(shí),經(jīng)過相應(yīng)的模擬電路處理,轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)被送入單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)不同的結(jié)果做出不同的判斷,斷定是否有人進(jìn)入或離開。例如:當(dāng)傳感器1先感應(yīng)到有人通過,傳感器2隨后感應(yīng)到有人通過則判定有人進(jìn)入教室。程序流程圖如圖7。3.2程序的流程圖主機(jī)的主要任務(wù)是顯示和通信,這里僅給出主程序的流程圖如圖8,具體程序不在此給出。以上為系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì),其中包括主機(jī)和從機(jī),采用模塊式程序設(shè)計(jì),基本上滿足了系統(tǒng)要求。4顯示設(shè)備選型該系統(tǒng)中人數(shù)檢測(cè)采用了紅外傳感器,判斷人員的進(jìn)入與走出,從而獲得教室的人數(shù)信息;光線檢測(cè)采用光敏電阻,電阻變化時(shí)模塊的輸出電壓也變化,通過A/D變換就可得到光線等級(jí);顯示設(shè)備使用字符型液晶顯示屏,顯示內(nèi)容更豐富,操作更簡(jiǎn)單,界面更友好。系統(tǒng)配有實(shí)時(shí)時(shí)鐘,方便用戶查看時(shí)間,更重要的是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄時(shí)間和異常時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài),為用戶分析