畢業(yè)設(shè)計--- 教室燈光控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計</p><p>　　課題名稱： 教室燈光控制系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　設(shè)計時間： 2009年 12月 </p><p>　　系 部： 電子信息工程系

2、 </p><p>　　班 級： ************** </p><p>　　姓 名： ******** </p><p>　　指導老師： ********

3、 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本研究針對教室燈光的控制方法，尤其是教室燈光的智能控制方面的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了教室燈光智能控制的原理和實現(xiàn)方法，提出了基于單片機的教室燈光智能控制系統(tǒng)的設(shè)計思路，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了智能控制系統(tǒng)的硬件裝置和相應軟件。</p><p>　　該系統(tǒng)以AT89C52單片機作為控制裝

4、置的智能部件，采用熱釋紅外人體傳感器檢測人體的存在，采用光敏三極管構(gòu)成的電路檢測環(huán)境光的強度;根據(jù)教室合理開燈的條件，系統(tǒng)通過對人體的存在信號和環(huán)境光信號的識別和智能判斷，完成對教室照明回路的智能控制，避免了教室用電的大量浪費。系統(tǒng)還具有多種報警功能;同時還采用了軟/硬件的“看門狗”技術(shù)等抗干擾措施。單片機軟件采用匯編語言編制，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計、條理清晰、通用性好，便于改進和擴充。</p><p>　　該系統(tǒng)具

5、有體積小，控制方便，可靠性高，專用性強，性價比合理等優(yōu)點，可以滿足各類大、中專院校教室燈光控制的要求，很大程度的達到節(jié)能目的。</p><p>　　關(guān)鍵詞:人體；紅外線；傳感器；自動控制；熱釋電</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Currently light intelligent control sy

6、stems are not efficiently used in the classroom. In order to improve the system, based on control and current methods of how to keep control，developing intelligent classroom light control system and developed the hardwar

7、e and software system.</p><p>　　This classroom light intelligent control system the theory of the light put forward methods ofon the basis of AT89C52 is developed, which machine of AT89C52 is a major part, a

8、nd the environment of development is better than before. This system can satisfy the following functions, such as controlling the circuit of illumination, testing and processing daylight signal, testing and processing th

9、e signal of human body that illuminates the back track exists, reporting to the warning devices,etc.In or</p><p>　　The microcontroller software was developed based on assemble language. Assemble language is

10、one kind of structured program languages, it has more advantages than other high-level languages. Assemble language adopts building block design. Its commonality is very good and easy to improve and expand. It could be u

11、sed to develop larger一scale system with more perfect performance. At the same time, the anti-jamming technologies, such as watchdog, are necessary when developing hardware and software.</p><p>　　This system

12、had many advantages. For example, the physical volume was small，the system was conveniently controlled, the credibility was high, the appropriation was strong, and its price proportion was ideal,etc. The experiment prove

13、d that the system can satisfy the control command of the classroom' s light device, so it could largely reduce the consuming of energy resources. </p><p>　　Key words: Human body, infrared ray, sensor, a

14、utomatic control，heat to release the electricity1.</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要----------------------------------------------------------1</p><p>　　ABSTRACT-----------

15、---------------------------------------2</p><p>　　1.引言--------------------------------------------------------5</p><p>　　1.1本課題研究的意義----------------------------------------5</p><p>

16、　　1.2國內(nèi)外教室燈光控制器研究的現(xiàn)狀及其存在的問題------------5</p><p>　　1.3本課題研究的內(nèi)容和目標----------------------------------7</p><p>　　1.3.1研究內(nèi)容------------------------------------------7</p><p>　　1.3.2研究目標-

17、-----------------------------------------7</p><p>　　1.4本課題擬解決的關(guān)鍵問------------------------------------8</p><p>　　2.教室燈光控制器簡介及控制方案的分析---------------------8</p><p>　　2.1教室燈光控制器簡介------

18、--------------------------------8</p><p>　　2.2系統(tǒng)控制方案的分析--------------------------------------8</p><p>　　3.系統(tǒng)控制模塊的硬件設(shè)計-----------------------------------9</p><p>　　3.1控制模塊的硬件構(gòu)成------

19、--------------------------------9</p><p>　　3.2控制系統(tǒng)的主要硬件電路--------------------------- ------9</p><p>　　3.2.1系統(tǒng)主控電路-------------------------------------10</p><p>　　3.2.2在線編程模塊電路------

20、---------------------------10</p><p>　　3.2.3系統(tǒng)供電電路-------------------------------------11</p><p>　　3.2.4數(shù)據(jù)采集電路-------------------------------------12</p><p>　　3.2.5系統(tǒng)時鐘電路-----------

21、--------------------------16</p><p>　　3.2.6系統(tǒng)看門狗電路-----------------------------------19</p><p>　　3.2.7繼電器驅(qū)動接口電路--------------------------- ---21</p><p>　　3.2.8超時報警電路----------------

22、---------------------21</p><p>　　4控制模塊軟件設(shè)計與開發(fā)-----------------------------------22</p><p>　　4.1系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊-------------------------------------23</p><p>　　4.1.1系統(tǒng)自檢初始化----------------

23、-------------------23</p><p>　　4.1.2定時中斷處理-------------------------------------24</p><p>　　4.1.3多任務操作系統(tǒng)的構(gòu)建-----------------------------24</p><p>　　4.2數(shù)據(jù)采集模塊-------------------------

24、------------------25</p><p>　　4.2.1人體存在傳感器的優(yōu)缺點---------------------------25</p><p>　　4.2.2數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計的實現(xiàn)---------------------------25</p><p>　　4.2.3人體存在傳感器的抗干擾措施-----------------------

25、26</p><p>　　4.2.4人體存在傳感器的安裝要求-------------------------27</p><p>　　4.3時鐘模塊-----------------------------------------------27</p><p>　　4.3.1數(shù)據(jù)輸入輸出-------------------------------------2

26、7</p><p>　　4.3.2時鐘內(nèi)部寄存器的使用-----------------------------28</p><p>　　4.3.3時鐘自檢初始化-----------------------------------29</p><p>　　4.3.4時鐘程序設(shè)計-------------------------------------30</

27、p><p>　　4.4顯示驅(qū)動模塊-------------------------------------------30</p><p>　　4.4.1 ULN2803驅(qū)動器的應用-----------------------------32</p><p>　　4.4.2顯示程序設(shè)計-------------------------------------32&l

28、t;/p><p>　　4.5系統(tǒng)鍵功能---------------------------------------------33</p><p>　　4.5.1鍵功能處理程序-----------------------------------33</p><p>　　5系統(tǒng)調(diào)試運行及問題分析-----------------------------------34

29、</p><p>　　5.1單片機系統(tǒng)調(diào)試方法及步驟-------------------------------34</p><p>　　5.2出現(xiàn)的主要問題及分析解決-------------------------------35</p><p>　　6.結(jié)論和建議------------------------------------------------

30、-36</p><p>　　6.1結(jié)論---------------------------------------------------36</p><p>　　6.2建議---------------------------------------------------37</p><p>　　7.致謝----------------------------

31、----------------------------38</p><p>　　參考文獻-----------------------------------------------------39</p><p>　　附圖A--------------------------------------------------------40</p><p>　　附

32、圖B -------------------------------------------------------41</p><p>　　附錄一 ------------------------------------------------------42</p><p>　　附錄二---------------------------------------------------

33、----44</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　隨著社會經(jīng)濟和科學技術(shù)的發(fā)展，人類社會的進步越來越依賴于資源的開發(fā)與利用，然而與日俱增的能源需求和有限的資源數(shù)量形成了巨大的矛盾,能源短缺問題日益突出，成為一個國家經(jīng)濟發(fā)展的“瓶頸”。在尋找替代品、提高能源利用率和節(jié)約能源等幾種緩解能源危機的途徑中，節(jié)能無疑是符合可持續(xù)發(fā)展要求。英國城市大型徹

34、夜燈光照明現(xiàn)象很少見，無論公司和政府部門，都沒有虛浮華麗的所謂“照明工程”[14]。夜晚漫步在倫敦街頭，看不到大面積光華淌瀉與樓體通明的景觀，所有照明都基本以不影響人們的正常生活節(jié)奏為準。許多店鋪櫥窗的燈光在打烊后會全部關(guān)閉，有些店鋪還采用定時關(guān)燈裝置。在政府住宅樓和公寓樓內(nèi)，樓道里的公用燈也大多采用自動斷電裝置。作為提高能源使用效率最重要的途徑之一，德國政府努力推動能源公司實施“供熱供電結(jié)合”，鼓勵能源公司將發(fā)電的余熱盡可能用于供暖。

35、2002年，德國頒布了促進“供熱供電結(jié)合”的法規(guī)，根據(jù)這一法規(guī)，政府向?qū)嵤┰摯胧┑哪茉垂?，尤其是小型能源公司提供補助，幫助他們置辦相應設(shè)備。中國城市每年用于公共照明的能源支出高達280多億，節(jié)能空間巨大。其中路燈照明能耗占30%以上。發(fā)展城市道路照明的同時，路燈以</p><p>　　當今許多教室采用比較傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)：在主電源經(jīng)過一個配電箱分出多個支路，這些支路再分別向燈具供電，然后再通過串接在照明中的單雙極

36、開關(guān)來通斷供電線路[9]，所以該控制系統(tǒng)只能通過開關(guān)來控制燈具，無法實現(xiàn)比較人性化、多功能化的系統(tǒng)管理。如在國內(nèi)外有些燈光控制系統(tǒng)采用聲控形式但是其沒有經(jīng)過單片機等芯片的處理使用仍是將采集信號處理后傳遞給邏輯電路來進行燈光控制，假使外界條件惡劣如有噪聲等仍會造成電能的浪費，而且邏輯電路只能實現(xiàn)較少功能，綜合而言，整個系統(tǒng)雖然簡單但是功能不全，而且無法人性化控制?，F(xiàn)代自動化程度不斷提高，計算機技術(shù)不斷普及應用，教室燈光系統(tǒng)也應朝著更人性化

37、智能化得方向發(fā)展。本系統(tǒng)采用熱釋電紅外傳感器和光敏三極管來感知人體信息和外部光照環(huán)境改變，并通過單片機及軟件編程的技術(shù)實現(xiàn)燈光系統(tǒng)的控制，達到了部分智能化的控制。</p><p>　　課題研究的目的和主要內(nèi)容：</p><p><b>　　主要研究目的</b></p><p>　　基于AT89C52單片機的教室燈光智能設(shè)計</p>

38、<p>　　加強燈光控制智能化理念</p><p><b>　　主要研究內(nèi)容</b></p><p>　　（1）燈光控制方案的研究；</p><p>　　（2）燈光檢測方案的研究；</p><p>　　（3）教室內(nèi)人數(shù)檢測方案的研究；</p><p>　?。?）熱釋電紅外傳感器的信息處

39、理；</p><p>　?。?）人體與光照環(huán)境信號采集與處理；</p><p>　?。?）開發(fā)單片機系統(tǒng)；</p><p>　?。?）實驗測試與數(shù)據(jù)分析。</p><p>　　2.教室燈光控制器簡介及控制方案的分析</p><p>　　2.1教室燈光控制器簡介</p><p>　　教室燈光控制器

40、可實現(xiàn)有效的教室燈光智能控制。其輸入?yún)?shù)主要是人體存在信號和環(huán)境光信號等的外界因素，環(huán)境光的強度達到一定值時不開燈，環(huán)境光強度在一定閥值以下且有人存在時開燈，理論和實驗證明用這種方式來對教室燈進行智能控制可以實現(xiàn)上述目標。</p><p>　　教室燈光控制器一般安裝在教室內(nèi)避開電燈直射的位置，且人體傳感器安置時應使人體活動方向與人體傳感器中兩個熱釋電元連線方向垂直，這樣可使人體存在信號采集更加靈敏、可靠，同時還要

41、盡可能避免外界風直接吹向人體傳感器。</p><p>　　2.2系統(tǒng)控制方案的分析</p><p>　　所研制的控制器以自然光強度和人體存在作為控制器的主要輸入?yún)?shù)?？梢詫崿F(xiàn)自動與手動控制相兼容。在自然環(huán)境光較強光線足夠時，無論人是否存在，都不開燈;在自然環(huán)境光較弱時，有人存在且超過一定時間，控制器自動打開電燈，直到人離開后再延時一定時間后關(guān)燈。同時，還要按作息時間來控制，夜晚超過12點，

42、若還有人存在，則關(guān)閉自動控制器的運行，改用機械開關(guān)來手動控制，以解決因特殊情況下，自動控制器的不人性化運行。</p><p>　　本文所研究的教室燈光控制器主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運行的平臺。而軟件部分，是對硬件端口所體現(xiàn)的信號，加以采集、分析、處理，最終實現(xiàn)控制器所要實現(xiàn)的各項功能，達到控制器自動與手動相結(jié)合的教室照明智能控制。</p>

43、;<p>　　3.系統(tǒng)控制模塊的硬件設(shè)計</p><p>　　考慮到本系統(tǒng)所安裝的環(huán)境影響因素比較多，且教室控制設(shè)備中的人體存在傳感器、光敏三極管等經(jīng)常會因環(huán)境情形變化而不穩(wěn)定，所以在設(shè)計過程中，電子元器件的選用、線路布置和設(shè)備的安放要充分考慮到抗干擾問題。</p><p>　　3.1控制模塊的硬件構(gòu)成</p><p>　　系統(tǒng)控制單元是以單片主控模塊

44、為核心，其它外圍電路主要包括:ISP下載線模塊、系統(tǒng)供電模塊、硬件時鐘模塊、看門狗模塊、燈光驅(qū)動模塊、數(shù)碼管驅(qū)動顯示模塊、環(huán)境光模塊、EEPROM存儲模塊、人體存在傳感器模塊、超時報警模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示：</p><p>　　3.2控制系統(tǒng)的主要硬件電路</p><p>　　3.2.1系統(tǒng)主控電路</p><p>　　本系統(tǒng)的主控模塊主要采用Atmel公

45、司的AT89C52作為主控芯片，它是一種低功耗，8位CMOS工藝處理器，具有8K在線可編程Flash存儲器，片內(nèi)的Flash可多次編程，為在線編程提供了方便。片內(nèi)有128字節(jié)的RAM, 4KB的EEPROM，由于合理的安排使用片內(nèi)RAM空間，所以沒有擴展的片外RAM，使電路結(jié)構(gòu)簡捷。因為設(shè)備的設(shè)置參數(shù)是根據(jù)實際需要進行更改的，又要求是斷電能夠保存下來，所以本設(shè)備用一片EEPR0M來存儲系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)。AT89S52I/0端口與系統(tǒng)其它

46、外圍器件接口的分配情況表如表3-1所示。</p><p>　　表3-1外圍器件接口的分配</p><p>　　3.2.2在線編程模塊電路</p><p>　　以往單片機的實驗往往依賴于仿真機和單片機學習系統(tǒng)，價格昂貴，近年來，隨著FLASH型單片機的廣泛應用，采用軟件模擬結(jié)合寫片驗證成為一種經(jīng)濟實用的實驗方法，尤其是隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，很多單片機都具有了ISP功能

47、，不再需要仿真機，將單片機的易用性推向一個新的高度。AT89C52芯片就是這樣的芯片。</p><p>　　AT89C52芯片支持在線編程(ISP)功能，用戶可以通過AT89C52在線編程接口直接對電路板上的CPU進行在線編程，方便了程序的修改燒寫工作。ISP進行在線編程時，用AT89C52芯片的P1.5，P1.6，P1.7引腳及RST端口，通過PC并口，根據(jù)工SP協(xié)議制作簡單的編程器就可對CPU進行編程。在線編

48、程(ISP)器的紅色LED是電源指示燈，綠色LED是復位指示燈，黃色LED是時鐘信號指示燈，每個LED約消耗0.6mA的電流，它們使用獨立的緩沖器不會影響下載線和用戶板，當執(zhí)行菜單命令Reset時可以看到綠色LED閃一下，表示電腦已經(jīng)可以控制下載線;其下載線正常工作電壓為DC3.6-6V，部分電腦即使不連接VCC也可以正常工作，10心的插頭和插座有三角形標志的均為第一腳。使用方便、快捷，且工作顯示信號清晰。</p><

49、;p>　　3.2.3系統(tǒng)供電電路</p><p>　　要取得+5V電壓，若選用12V的變壓器，整流濾波后輸出往往大于12V，會使穩(wěn)壓器功耗大，自身溫度較高。故不選用輸出電壓為12V的變壓器，而選用輸出電壓為9V的變壓器。系統(tǒng)接通220V交流電源后，將220V交流電變壓到9V，經(jīng)過二極管全波整流、電解電容Cl，C2濾波，再經(jīng)一只正輸出穩(wěn)壓器LM7805，為了緩沖負載突變，改善瞬態(tài)響應，輸出端還采用了電容C3、

50、C4，最后得到+5V的直流工作電源，用于給控制系統(tǒng)中單片機系統(tǒng)及其它外圍電路的Vcc+端供電。其供電原理圖如3.2.3</p><p>　　圖3.2.3 供電原理圖</p><p>　　在硬件時鐘模塊中，為了在斷電后硬件時鐘能夠正常運行，故采用主從雙電源供電方式。硬件時鐘一般在系統(tǒng)的+5V主電源情況下工作，而只有系統(tǒng)+5V主電源消失的情況下，為確保硬件時鐘的正常運行，設(shè)計一個3. 6V的可

51、充電鏗電池作為備用電源。具體電路及其原理將在后面的系統(tǒng)時鐘電路部分詳細說明。</p><p>　　3.2.4數(shù)據(jù)采集電路</p><p>　　教室中的環(huán)境光和人體存在與否是系統(tǒng)的主要輸入?yún)?shù)，因此教室中的環(huán)境光和人體存在成為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的主要對象。常見的環(huán)境光采集器件光電傳感器有光敏二極管和光敏三極管，根據(jù)需求，選用靈敏度較高的光敏三極管。此外，人體傳感器要求靈敏度高，可靠性強，本系統(tǒng)采用

52、了邏輯電平輸出的HP-208型號的人體存在傳感器。</p><p><b>　　1.環(huán)境光采集電路</b></p><p>　　光電傳感器是一種能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)換成電量的傳感器。采用的光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。在無光照時三極管的穿透電流很小，為暗電流Iceo有光照時，產(chǎn)生的Ib增大，成為光電流Ie。光電流的大小與光照

53、強度成正比，于是在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。因此光敏三極管靈敏度高，而且體積小、工作電壓低、工作電流小、發(fā)光均勻穩(wěn)定、響應速度快、壽命長等優(yōu)點，其外形電路圖形符號如圖3.2.4. 1-1</p><p>　　圖3.2.4. 1-1</p><p>　　環(huán)境光采集電路原理圖如圖3.2.4 1-2所示。當自然光強大于一定程度時，光敏三極管D6呈現(xiàn)底阻狀態(tài)<1千歐，三

54、極管Q12的基極電壓升高，Q12管飽和導通，集電極輸出低電平。當自然光強小于一定程度時，光敏三極管D6呈現(xiàn)高阻狀態(tài),100千歐，使三極管Q12截止，集電極輸出高電平。其中可變電阻R26可調(diào)節(jié)，調(diào)R26阻值的大小，使Q12三極管受環(huán)境光影響在適當?shù)牧炼认聦ā?lt;/p><p>　　圖 3.2.4.1-2環(huán)境光采集電路原理圖</p><p>　　2.人體存在傳感器的工作原理</p>

55、<p>　　自然界中存在的各種物體，如人體、木材、石頭、火焰、冰等都會發(fā)出不同波長的紅外線，利用紅外傳感器可對其進行檢測。根據(jù)工作原理，紅外傳感器分為熱型和量子型兩類，熱型紅外傳感器也稱熱釋電紅外傳感器或被動紅外傳感器。與量子型相比，響應的紅外線波長范圍較寬，價格便宜，并可在常溫下工作。量子型與熱型的特點相反，而且要求冷卻條件。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，它是目前在防盜報警、火

56、災檢測、自動門、自動水龍頭、自動電梯、自動照明等場合，及非接觸溫度測量等領(lǐng)域應用最廣泛的傳感器。其原因為:①被測對象自身發(fā)射紅外線，可不必另設(shè)光源；②大氣對2-2.61Lm,3-51Lm, 8-141Lm三個被稱為“大氣窗口”的特定光通量的紅外線吸收甚少，可非常容易被檢測；③中、遠紅外線不受可見光影響，可不分晝夜進行檢測。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:人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發(fā)出特定波長 左右的紅外

57、線，被動式紅外探頭就靠探測人體發(fā)射的左右的紅外線而進行工作的。人體發(fā)射的左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應源采用熱釋電</p><p>　　1)這種探頭是以探測人體輻射為目標的，所以熱釋電元件對波長為左右的紅外輻射非常敏感。</p><p>　　2)為了僅僅對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面覆蓋有特殊的菲泥爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的抑制作用。</p

58、><p>　　3)人體存在的探測，其傳感器包含兩個互相串聯(lián)的熱釋電元，而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)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)生釋電效應相互抵消，于是探測器無信號輸出。</p><p>　　4)一旦有人進入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被人體存在傳感器的熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號處理而輸出有人體存在

59、的信號。</p><p>　　5)菲泥爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距(感應距離)，從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場，視場越多，控制越嚴密。</p><p>　　人體傳感器透鏡的信號采集敏感區(qū)示意圖如圖4. 2. 2-1</p><p>　　圖4. 2. 2-1信號采集敏感區(qū)示意圖</p><p>　　有人進入時，移動人體發(fā)出的紅外線被紅外傳感

60、器接收，則人體存在被感應，并輸出高電平。若人體進入最不敏感移動方向時，則人體傳感器所體現(xiàn)的信號就會不理想，有時還會產(chǎn)生誤動作，所以要特別注意人體傳感器的安裝方向。</p><p>　　3.人體存在信號采集電路</p><p>　　人體傳感器HP-208是深圳市浩博特電子有限公司研發(fā)和生產(chǎn)的基于紅外線</p><p>　　術(shù)的智能產(chǎn)品，它的主要特性如下:</p&

61、gt;<p>　　(1)感應為全自動方式，人進入感應范圍時輸出高電平(高3.3V)，人離開應范圍則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平(低0.3V)，其高低電平利于采集；</p><p>　　(2)采用可重復觸發(fā)方式。即感應輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果二人體在其感應范圍活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時8，15秒后將高電平變?yōu)榈碗娖剑?lt;/p><p>　　(3)

62、人體傳感器工作電壓寬為DC3V-DC24V；</p><p>　　(4)人體傳感器制作成錐面形狀，感應范圍大，小于140度錐角，感應距了為7米以內(nèi)；</p><p>　　(5)其靜態(tài)電流小于50微安，功耗低；</p><p>　　(6)工作溫度介于－15度和+70度之間，適應性強；</p><p>　　(7)靈敏度高，可靠性強。</p&

63、gt;<p>　　人體傳感器HP-208型號的正視圖如圖3.2.4.2-1所示: </p><p>　　圖3.2.4.2-2</p><p>　　人體傳感器的1號引腳為電源信號端，3號引腳為地信號端，2號引腳為采集信號輸出端。在電路設(shè)計中，為了使人體傳感器的工作更加可靠，介于人體傳感器的信號引腳2與地信號引腳3之間加一個6800pF的電容，另外人體存在傳感器的信號引腳2與單片

64、機的P3.3引腳相連，P3.3引腳再接一個100的上拉電阻，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. 2. 4. 2-3 </p><p>　　圖3.2.4.2-3 HP-208傳感器電路原理圖</p><p>　　3.2.5系統(tǒng)時鐘電路</p><p>　　根據(jù)教室燈光使用特性，該系統(tǒng)還應受到時間的控制，控制系統(tǒng)的時間應符合學校的作息時間。比如晚間

65、休息、假期等時間段應該關(guān)掉教室燈光控制系統(tǒng)，以節(jié)約能源，因此本研究還加入硬件時鐘電路以保證系統(tǒng)的智能化運行。</p><p>　　1.硬件時鐘芯片的選取及其接口電路</p><p>　　傳統(tǒng)的時鐘芯片，如MC146818, MC68H68T, LM8365等，這些芯片的引腳太多，體積大，占用的口線多。而現(xiàn)在流行的串行時鐘芯片很多，如DS1302，DS1305，DS1307，PCF8485等

66、，這些電路的接口簡單、價格低廉、使用方便，被廣泛的使用?？紤]到本系統(tǒng)停電時只需對時鐘電路提供電源、且不需要占用太多單片機資源，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。</p><p>　　此芯片采用的是串行通信方式，還可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年

67、補償功能，工作電壓為2.5V-5. 5V, DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源、后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。而且本系統(tǒng)采用的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，滿足系統(tǒng)的要求，其主要特征見附錄一?？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1所示。</p><p>　　圖1

68、 DS1302引腳</p><p>　　DS1302與單片機接口電路連接原理圖如圖3.2.5其中Vcc2外接3.6V可充電的鏗電池，為DS1302的備用電源。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。系統(tǒng)正常運行時，Vcc1大于Vcc2，因此由Vcc1給DS1302供電，在主電源關(guān)閉的情況下，則由Vcc2給DS1302供電，保持時鐘的連

69、續(xù)運行。Xl和X2是振蕩源，外接32. 768kHz晶振。RST是復位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送，與單片機的復位信號相連。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/輸出端I/0接單片機P1.6引腳，進行數(shù)據(jù)傳輸。</p><p>　　圖3.2.5DS1302與單片機接口電路連接原理圖</p><p>　　2.硬件時鐘芯片的引腳功能及其工

70、作原理</p><p>　　RST是復位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能:首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器; 其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/0引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在Vcc>2.

71、 5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/0為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，后面有詳細說明。SCLK始終是輸入端。 硬件時鐘芯片DS1302與微處理器進行數(shù)據(jù)交換時，首先由微處理器向電路發(fā)送命令字節(jié)，命令字節(jié)最高位MSB (D7)必須為邏輯1，如果D7=0，則禁止寫DS1302，即寫保護:D6=0，指定時鐘數(shù)據(jù)，D6=1，指定RAM數(shù)據(jù);D5~D1指定輸入或輸出的特定寄存器;最低位LSB (D

72、O)為邏輯0，指定寫操作(輸入)，DO=1，指定讀操作(輸出)。</p><p>　　在DS1302的時鐘日歷或RAM進行數(shù)據(jù)傳送時，DS1302必須首先發(fā)送命令字節(jié)。若進行單字節(jié)傳送，8位命令字節(jié)傳送結(jié)束之后，在下2個SCLK周期的上升沿輸入數(shù)據(jù)字節(jié)，或在下8個SCLK周期的下降沿輸出數(shù)據(jù)字節(jié)。</p><p>　　DS1302與RAM相關(guān)的寄存器分為兩類:一類是單個RAM單元，共31個

73、，每個單元組態(tài)為一個8位的字節(jié)，其命令控制字為COH~FDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作;再一類為突發(fā)方式下的RAM寄存器，在此方式下可一次性讀、寫所有的RAM的31個字節(jié)。</p><p>　　要特別說明的是備用電源，可以用電池或者超級電容器((0.1F以上)。雖然DS1302在主電源掉電后的耗電很小，但是，如果要長時一間保證時鐘正常，最好選用小型充電電池?？梢杂美鲜诫娔X主板上的3. 6V充電電池。如果斷電

74、時間較短(幾小時或幾天)時，就可以用漏電較小的普通電解電容器代替。100就可以保證1小時的正常走時。DS1302在第一次加電后，必須進行初始化操作。初始化后就可以按正常方法調(diào)整時間。</p><p>　　3.2.6系統(tǒng)看門狗電路</p><p>　　在單片機工炸過一程中，不可避免的會由于外界的干擾而產(chǎn)生程序跑飛、死機甚至造成整機癱瘓等情況，為了能夠恢復單片機的工作，只能采用重新復位的方法，

75、雖然在程序設(shè)計中，一可以使用軟件陷阱的方法來減少這種情沉的發(fā)生，但是不能完全解決這個問題，因此還應該在硬件設(shè)計中使用看門狗電路，這樣在單片機發(fā)生死機的情況下，看門狗將產(chǎn)生一個夏位信號給單片機，使單片機復位重新執(zhí)行程序:.現(xiàn)在的MCU被集成了越來越多的功能，有的集成了看門狗，如工IMP813L。還有的芯片更是把EEPROM也集成進去，如X5045芯片。由于系統(tǒng)需要看門狗和EEPROM，所以本硬件設(shè)計中使用了美國Xicor公司生產(chǎn)的芯片X5

76、045。</p><p>　　X5045具有三種常用的功能：看門狗定時器、復位控制和EEPROM集成在單個8個引腳封裝的CMOS器件內(nèi)，將電源監(jiān)控和看門狗功能與高速三線非易失性存儲器組合莊一起，從而在很人程度上降低了系統(tǒng)成本并減少了對電路板空間的要求，X5045的引腳排列如圖3.2.6-1 </p><p>　　圖 3.2.6-1X5045的引腳排列</p><p

77、>　　看門狗定時器的預置時間是通過X5045的狀態(tài)寄存器的相應位來設(shè)定的。如表3. 2. 6狀態(tài)寄存器所示，X5045狀態(tài)寄存器共有6位有含義。其中WD l , WDO和看門狗電路有關(guān)，其余位和EEPROVI的工作設(shè)置有關(guān)。</p><p>　　表3. 2. 6狀態(tài)寄存器</p><p>　　WD1=0，WD0=0，預置時間為１.４S。</p><p>　　W

78、D1=0，WD0=1，預置時間為０.６S。</p><p>　　WD1=1，WD0=0，預置時間為０.２S。</p><p>　　WD1=1，WD0=1，禁止看門狗工作。</p><p>　　看門狗電路的定時時間長短可山具體應用程序的循環(huán)屁期決定，通常比系統(tǒng)正常工作時最大循環(huán)周期的時間略長即可。本系統(tǒng)中X5045的硬件連接圖如圖3.2.6-2所示。</p>

79、;<p>　　3.6.2-2 X5045的硬件連接圖</p><p>　　系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲及故障保護部分由X5045組成，X5045是一種串行通訊的512字節(jié)EEPROM，同時兼有看門狗和電源監(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，輸出復位信號，X5045輸出復位高電平有效，為了復位更加可靠，其復位輸出端外接一個10K的上拉電阻，并與AT89C52的復位端相連?？撮T狗能在

80、電源上電、掉電期間產(chǎn)生一個復位信號。該芯片還帶有一個1. 4秒的看門狗定時器可監(jiān)控單片機的工作。如果在1. 4秒內(nèi)未檢測到其工作，出現(xiàn)故障，內(nèi)部定時器將使看門狗WD I處于低電平狀態(tài)，為系統(tǒng)提供保護，避免死機、程序跑飛或進入死循環(huán)等意外的發(fā)生。</p><p>　　X5045代表了新一代串行EEPROM的發(fā)展趨勢，它的運用極大的節(jié)省了系統(tǒng)空間和資源，同時簡化了電路設(shè)計，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。</p>&

81、lt;p>　　3.2.7繼電器驅(qū)動接口電路</p><p>　　繼電器驅(qū)動接口電路如圖3.2.7所示，這里繼電器由相應的PNP型號的59012三極管來驅(qū)動，開機時，單片機初始化后的P3. 5/P3. 6為高電平，三極管截止，所以開機后繼電器始終處于釋放狀態(tài)，如果P3. 5/P3. 6為低電平，三極管的基極就會被拉低而產(chǎn)生足夠的基極電流，使三極管導通，繼電器就會得電吸合，從而驅(qū)動負載，點亮相應電燈。繼電器的輸

82、出端并聯(lián)100歐的電阻和6800皮法電容，目的是避免繼電器吸合與釋放期間產(chǎn)生火花。每個繼電器都有一對常開常閉的觸點，便于在其他電路中使用，繼電器線圈兩端反相并聯(lián)的二極管是起到吸收反向電動勢的功能，保護相應的驅(qū)動三極管，這種繼電器驅(qū)動方式硬件結(jié)構(gòu)比較簡單。</p><p>　　圖3.2.7繼電器驅(qū)動電路圖</p><p>　　3.2.8 超時報警電路</p><p>

83、　　在教室中，若采用手動方式控制時，一方面由于學生及管理人員的疏忽，教室里沒有人而燈還亮著，導致教室燈工作超時，能源浪費，于是本系統(tǒng)采用超時報警電路，以聲音的方式來提醒管理人員是否關(guān)閉電源。另一方面由于學生學習緊張，在夜里忘了時間點，學習期間開燈時間過長，致使教室燈工作超時，于是本系統(tǒng)超時報警電路就會發(fā)出聲音，提醒學生應該休息或必需改用遙控器手動方式來控制燈了。這樣，還可以更好地保護公共設(shè)施。本系統(tǒng)采用超時報警的電路如圖3.2.9的P3

84、.4端口外加一個10K的上拉電阻，再經(jīng)過限流電阻100歐與三極管C945的基極相連。當P3.4端口為低電平，即基極為低電平時，三極管導通，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音，以示教室燈工作超時。若P3. 4端口為高電平，即基極為高電平時，三極管截止，蜂鳴器不工作，教室燈工作正常。本系統(tǒng)采用超時報警電路方便了管理人員對教室的管理，能夠更好地、及時地管理教室。</p><p>　　圖 3.2.9 超時報警的電路</p>

85、<p>　　4控制模塊軟件設(shè)計與開發(fā)</p><p>　　在單片機硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再配上相應的軟件，才能構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。用戶軟件的開發(fā)與系統(tǒng)硬件有著密切的關(guān)系。在系統(tǒng)的硬件及輸入輸出方法確定后，程序軟件就可以完全獨立的進行設(shè)計、開發(fā)。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)計采用自上至下的設(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

86、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。</p><p>　　本控制系統(tǒng)軟件模塊主要包括:系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、時鐘模塊、顯示驅(qū)動模塊及系統(tǒng)鍵功能和存儲模塊。</p><p>　　4.1系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊</p><p>　　監(jiān)控程序按模塊分為監(jiān)控主程序和命令處理子程序。監(jiān)控主程序的基本任務是調(diào)用子程序，一個主程序可

87、以調(diào)用多個子程序，對于51系列單片機，系統(tǒng)資源有限，主程序通常是一個無限循環(huán)的過程，即是一個反復調(diào)用子程序的過程。子程序主要分為中斷子程序和功能子程序，它們之間可以互相嵌套和調(diào)用，即中斷子程序可以調(diào)用功能子程序。在應用軟件的設(shè)計中，盡可能各個功能模塊寫成子程序的形式，并通過主程序調(diào)用。而命令處理子程序完成各種命令所規(guī)定的具體操作，它按各種命令再分為不同的子程序模塊，它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

88、周而復始的有選擇的執(zhí)行。其監(jiān)控主程序流程圖如圖4-1所示: </p><p>　　圖 4-1 監(jiān)控主程序流程圖</p><p>　　4.1.1系統(tǒng)自檢初始化</p><p>　　系統(tǒng)自檢初始化是保證整個控制系統(tǒng)能夠正常運行的重要條件，系統(tǒng)加電復位后，直接進入自檢初始化程序，完成系統(tǒng)的自檢及初始化。初始化過程主要是對一些控制寄存器(如中斷控制)、數(shù)據(jù)區(qū)和外部芯片(如時

89、鐘芯片DS1302等)進行初始參數(shù)設(shè)置和定義。本系統(tǒng)中的自檢初始化主要指各接口芯片的檢測、芯片內(nèi)部設(shè)定參數(shù)的初始化及系統(tǒng)內(nèi)部寄存器的初始化。</p><p>　　各接口芯片的檢測主要檢測各芯片是否己處于準備工作的就緒狀態(tài)，有無硬件故障等，如檢測各位LED是否正常顯示系統(tǒng)設(shè)置開機時的界面，檢測硬件時鐘DS1302是處于更換芯片后初次使用為起振狀態(tài)，還是處于備用電源供電振蕩保持狀態(tài)，即檢測系統(tǒng)中控制時間表的有效性，檢

90、測人體傳感器輸出信號是否正常體現(xiàn)人體存在的信息，檢測環(huán)境光是如何影響光采集電路輸出的信號等。若時鐘芯片處于啟動狀態(tài)，系統(tǒng)控制時間表無效，則需要對其進行初始化并啟動實時時鐘。</p><p>　　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的復位初始化，單片機復位后，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

91、擇工區(qū)工作寄存器，用戶標志位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。</p><p>　　4.1.2定時中斷處理</p><p>　　定時中斷是利用單片機內(nèi)部的定時器定時時間到或計數(shù)值已滿引起的中斷，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TO和TI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志位，

92、向單片機的CPU申請中斷。</p><p>　　定時中斷為周期性中斷，每隔一定的時間會中斷一次。本系統(tǒng)中設(shè)定的定時中斷主要用來構(gòu)造多任務操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)響應中斷后，無需對斷點實施現(xiàn)場保護，可直接進行多任務時間的劃分工作，使相應的操作任務進入就緒狀態(tài)，即該中斷可以啟動有關(guān)的任務就緒。該定時中斷處理程序框圖如圖4-I-2所示。</p><p>　　圖 4-1-2 定時中斷處理程序框圖</

93、p><p>　　本系統(tǒng)還采用了外部中斷，此外部中斷主要用來判斷是否有遙控器信號，若有，就采集下來并加以處理；若無，則返回到主循環(huán)。</p><p>　　4.1.3多任務操作系統(tǒng)的構(gòu)建</p><p>　　多任務操作是將用戶應用程序分成多個任務，在操作系統(tǒng)的管理下，以某種準則調(diào)度并分配任務由處理器去執(zhí)行。多任務運行實現(xiàn)一般是靠CPU運行實時內(nèi)核，對多任務進行分配和調(diào)度，使

94、CPU不停地執(zhí)行這些任務中的某一個任務，以至能最大限度地提高CPU的利用率，加快運行速度，各任務(程序)不被耽誤運行。</p><p>　　本系統(tǒng)多任務的執(zhí)行是對定時中斷中設(shè)置的實時標志進行檢測，通過標志位的狀態(tài)決定各任務的調(diào)用。任務的執(zhí)行在微觀上是分時順序進行的，但在宏觀上可以認為是同時執(zhí)行的。因此，各任務在實時系統(tǒng)中的就會處于四種狀態(tài)中的某</p><p><b>　　圖 4

95、-1-3</b></p><p>　　種狀態(tài)之下，這四種狀態(tài)如圖4-1-3所示。</p><p>　　當某個任務獲得CPU的執(zhí)行權(quán)時，CPU執(zhí)行該任務，此時任務處于運行狀態(tài)。等待狀態(tài)是指任務的執(zhí)行需要等待某一事件發(fā)生，則由運行狀態(tài)退出，進入等待狀態(tài)。就緒狀態(tài)是任務滿足所有啟動條件后所進入的狀態(tài)。休眠狀態(tài)是任務己執(zhí)行完的狀態(tài)。</p><p><b&

96、gt;　　4.2數(shù)據(jù)采集模塊</b></p><p>　　本控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集對象為環(huán)境光信號及人體存在信號，在程序設(shè)計中對這兩個數(shù)據(jù)的采集放置在多任務模塊中實施定時采集。</p><p>　　4.2.1存在傳感器的優(yōu)缺點</p><p>　　人體存在傳感器有優(yōu)點，也有缺點。優(yōu)點便是本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好，價格低廉。而缺點是容易

97、受各種熱源、光源干擾;由于紅外穿透力差，因此人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；易受射頻輻射的干擾;環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時還會造成短時失靈。試驗檢測也證明了這點，只要人體存在卻有巧秒左右沒有活動，人體傳感器則認為沒有人體存在。為避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，本系統(tǒng)軟件程序中設(shè)計為有人體存在狀態(tài)后間隔2分鐘或更長的時間來對人體存在參數(shù)信號的采集。</p><p>　　4.2.2數(shù)據(jù)采集軟件

98、設(shè)計的實現(xiàn)</p><p>　　本系統(tǒng)考慮到環(huán)境光足夠亮時，無論有否人體存在都不應開燈;而環(huán)境光不夠亮時，有人體存在才開燈，無人體存在不開燈。本系統(tǒng)邏輯定義為環(huán)境光亮時為二進制的“0”(符合光采集電路輸出信號狀態(tài))，暗時為“1”，人體存在為“1”，人體不存在為“0”，開燈為“1”，關(guān)燈為“0”，那么環(huán)境光與人體存在可以有以下的邏輯關(guān)系表表示，如表4. 2. 2所示:</p><p><

99、;b>　　表4. 2. 2</b></p><p>　　上表數(shù)據(jù)表明可將環(huán)境光參數(shù)與人體存在參數(shù)相與門操作，又由于繼電器是低平驅(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:</p><p>　　；--------------------------------------------------------------

100、</p><p>　　Function： BodySensor and Iight to light port356</p><p>　　DoSensLight：Mov c, port33 ；Signal of Sensor</p><p>　　Anl c, port37</p><p>　　Cpl

101、c ;have person and no light</p><p>　　Mov port35, c ;on relay 1</p><p>　　Mov port36, c ;on relay 2</p><p>　　Jnc SensOut ;no person to out</p><p&g

102、t;　　Haveperson：mov SensDelayBuf, #5 ;delay 5 minute</p><p>　　SensOut: Ret</p><p>　　4.2.3人體存在傳感器的抗干擾措施</p><p>　　人體存在傳感器易受外界影響，于是要在使用時特別注意抗干擾性能。</p><p><b>　　

103、1.防小動物干擾</b></p><p>　　探測器安裝在推薦地使用高度，對探測范圍內(nèi)地面上的小動物，不產(chǎn)生信號。</p><p><b>　　2.抗電磁干擾</b></p><p>　　探測器的抗電磁波干擾性能符合GB10408中4. 6. 1要求，一般手機電磁干擾不會引起誤報。</p><p><b

104、>　　3.抗燈光干擾</b></p><p>　　探測器正常靈敏度范圍內(nèi)，受3米外H4鹵素燈透過玻璃照射，不產(chǎn)生信號。</p><p>　　4.2.4人體存在傳感器的安裝要求</p><p>　　人體存在傳感的安裝要求：人體存在傳感器只能安裝在室內(nèi)，其誤報率與安裝的位置和方式有極大的關(guān)系，正確的安裝應滿足下列條件：</p><p

105、>　　1.人體存在傳感器應離地面2.0-2.2米。</p><p>　　2.人體存在傳感器遠離空調(diào)，冰箱，火爐等空氣溫度變化敏感的地方。</p><p>　　3.人體存在傳感器探測范圍內(nèi)不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。</p><p>　　4.人體存在傳感器不要直對窗口，否則窗外的熱氣流擾動和人員走動會引起誤報，有條件的最好把窗簾拉上。人體存在傳感器也不

106、要安裝在有強氣流活動的地方。人體存在傳感器對人體的敏感程度還和人的運動方向關(guān)系很大。人體存在傳感器對于徑向移動反應最不敏感，而對于橫切方向(即與半徑垂直的方向)移動則最為敏感.在現(xiàn)場選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報、求得最佳檢測靈敏度極為重要的一環(huán)。</p><p><b>　　4.3時鐘模塊</b></p><p>　　在系統(tǒng)啟動自檢初始化時，首先會對時鐘芯片D