多功能教室節(jié)能控制系統(tǒng)的研究畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）</b></p><p>　　基于MSP430單片機(jī)的多功能教室節(jié)能控制系統(tǒng)的研究</p><p>　　學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： </p><p>　　系 別： 電氣工程系 專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)&

2、lt;/p><p>　　指導(dǎo)教師： 評(píng)閱教師： </p><p>　　論文答辯日期 </p><p>　　答辯委員會(huì)主席 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本課題主要是以高

3、校教室對(duì)電能的嚴(yán)重浪費(fèi)和教學(xué)管理的漏洞為主要研究目的，設(shè)計(jì)了基于RS485和總線的教室控制系統(tǒng)以達(dá)到節(jié)約用電和教學(xué)管理的合理化。</p><p>　　本文主要運(yùn)用電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和相關(guān)軟件，設(shè)計(jì)了一套基于總線的智能教室控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由“教室檢測(cè)控制單元—RS485通訊線—樓層顯示控制單元—CAN總線—中央計(jì)算機(jī)單元”構(gòu)成，智能教室控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)教室的溫度、學(xué)生人數(shù)、照明亮度、使用狀

4、態(tài)的監(jiān)測(cè)與顯示，對(duì)現(xiàn)在教室電能的浪費(fèi)進(jìn)行了合理的控制與管理。</p><p>　　本文主要是選用MSP430單片機(jī)、紅外傳感器、溫度傳感器、光敏傳感器等器件進(jìn)行仿真。</p><p>　　本文主要是將單片機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)合理的組合在了一起，本系統(tǒng)包括了硬件與軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、功能、實(shí)現(xiàn)方式等。最后運(yùn)用了組態(tài)王KingView6.5構(gòu)建了一個(gè)多功能教室節(jié)能控制系統(tǒng)。</p>&l

5、t;p>　　本章主要為大家介紹的是教室檢測(cè)控制單元。</p><p>　　關(guān)鍵詞：MSP430單片機(jī)，CAN，RS485，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，組態(tài)王KingView6.5</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This topic mainly with the college classroom vulnera

6、bility to electric energy waste and teaching management as the main research objective, the design of RS485 and fieldbus control system in order to save the classroom with rational electrical and teaching management base

7、d on</p><p>　　This paper mainly uses the electronic technology, automatic control technology, network technology and related software, design a set of intelligent classroom bus control system, the whole syst

8、em is made up of "classroom control unit - RS485 communication line - floor display control unit and CAN bus - central computer unit" intelligent classroom control system achieved through sensor the temperature

9、, the number of students, the brightness of the lighting, the use of state monitoring and display</p><p>　　This paper is mainly used MSP430 microcontroller, infrared sensor, temperature sensor, a light senso

10、r and device simulation. </p><p>　　This paper mainly is the combination of MCU technology and network technology, reasonable together, this system includes hardware and software design of the structure, func

11、tion, realization methods. </p><p>　　Finally, using the KingView6.5 configuration software to build a multifunctional classroom energy-saving control system</p><p>　　This chapter mainly introduc

12、es the classroom detection control unit.</p><p>　　Keywords: MSP430, CAN, RS485, network technology, application of KingView6.5</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘

13、要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1緒 言</b></p><p><b>　　1.2國(guó)內(nèi)概況1</b></p><p>　　1.3智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)越性1</p><p>　　1.3.2改善學(xué)習(xí)時(shí)間，

14、提高學(xué)習(xí)效率2</p><p>　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的研究3</p><p>　　2.1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案3</p><p>　　2.1.2樓層顯示控制單元4</p><p>　　2.1.3中央計(jì)算機(jī)單元5</p><p>　　2.1.4通訊網(wǎng)絡(luò)5</p><p>　　2.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

15、功能5</p><p>　　2.2.1教室檢測(cè)控制單元數(shù)據(jù)的采集5</p><p>　　2.2.2教室遠(yuǎn)程端控制功能5</p><p>　　2.2.3顯示功能5</p><p>　　2.3系統(tǒng)的整個(gè)工作過(guò)程6</p><p>　　3 教室檢測(cè)控制單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7</p><p>　

16、　3.1教室檢測(cè)控制單元的器件選擇7</p><p>　　3.2教室檢測(cè)控制單元數(shù)據(jù)的采集與處理8</p><p>　　3.2.1光照信號(hào)的采集與處理8</p><p>　　3.2.2紅外數(shù)據(jù)的采集與處理11</p><p>　　3.2.3非接觸IC卡數(shù)據(jù)采集與處理14</p><p>　　3.2.4按鍵設(shè)計(jì)

17、17</p><p>　　3.3溫度控制部分的設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖及功能實(shí)現(xiàn)18</p><p>　　3.3.2單元電路原理圖19</p><p>　　3.3.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)22</p><p><b>　　4總結(jié)與展望29</b></p>

18、<p><b>　　4.1總結(jié)29</b></p><p><b>　　4.2展望29</b></p><p><b>　　致 謝30</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p><b>　　

19、1緒 言</b></p><p>　　本章闡述了多功能教室節(jié)能控制系統(tǒng)的研究背景，現(xiàn)狀以及發(fā)展方向，明</p><p>　　確指出了我國(guó)對(duì)于節(jié)能方面所面臨的問(wèn)題。</p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　教室作為學(xué)校提供教學(xué)和學(xué)習(xí)的主要場(chǎng)所，但是現(xiàn)如今許多高校面對(duì)著一個(gè)嚴(yán)峻

20、的問(wèn)題，教室資源的不合理運(yùn)用，教室的分配、衛(wèi)生、維護(hù)管理都是由管理員親自動(dòng)身去管理的，教室的自由式管理雖然給學(xué)生提供的很大的方便，但是同時(shí)也造成一些問(wèn)題的發(fā)生，教室資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，許多教室經(jīng)常沒(méi)有人或者是只有幾個(gè)人的情況，但是教室里面的燈光、風(fēng)扇還是處于運(yùn)作狀態(tài)，又或者是在白天光線強(qiáng)度足夠、室內(nèi)溫度適宜的情況下，照明燈與電扇依舊處于開(kāi)啟狀態(tài)，從而造成了大量電能的浪費(fèi)。</p><p><b>　　1.2

21、國(guó)內(nèi)概況</b></p><p>　　以某高校教學(xué)樓燈光使用為例，取一個(gè)中等教室，該教室有日光燈18盞，每盞燈的功率是40瓦，每層樓有15個(gè)教室，一共有5層，則整個(gè)樓層內(nèi)日光燈負(fù) 荷共計(jì)約為54KW，每天按長(zhǎng)明燈3小時(shí)計(jì)算，1天就浪費(fèi)162KW，按照每度電0.5元/千瓦計(jì)算，共計(jì)81元，設(shè)該校共有教學(xué)樓6座，則共計(jì)486元，一年學(xué)生在校時(shí)間按270天機(jī)算，則一年將浪費(fèi)131220元，而且上面所說(shuō)還不包

22、含教室電線的損傷，日光燈的使用壽命等等，因此對(duì)高校教室能源的智能控制技術(shù)的要求迫在眉睫，其所能獲得的經(jīng)濟(jì)效益也十分可觀。</p><p>　　以上是對(duì)一所大學(xué)的簡(jiǎn)單分析，目前全國(guó)各地高校共有1684所，則每年全國(guó)高校浪費(fèi)電費(fèi)共計(jì)約22097.448萬(wàn)元，電能浪費(fèi)量如此巨大！我國(guó)是一個(gè)能源短缺大國(guó)，因此對(duì)于高校電能節(jié)約的行動(dòng)也是非常急迫，爭(zhēng)取做到白天不開(kāi)燈或少開(kāi)燈、人走燈滅、杜絕長(zhǎng)明燈等等，我國(guó)高校對(duì)電能的浪費(fèi)不僅

23、僅表現(xiàn)在對(duì)電能節(jié)約意識(shí)上的薄弱，更重要的一個(gè)原因是由于節(jié)電設(shè)備的落后，所以對(duì)于多功能教室控制系統(tǒng)的提升勢(shì)在必行。</p><p>　　我們黨在2000年10月11日召開(kāi)的第十五屆中央委員會(huì)第五次會(huì)議通過(guò)的《中國(guó)中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十個(gè)五年計(jì)劃的建議》中明確指出：“加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是今后五年至十年一項(xiàng)十分重要的任務(wù)”。其中提到的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)就包括了能源建設(shè)?！督ㄗh》還強(qiáng)調(diào)了能源建設(shè)要發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化能

24、源結(jié)構(gòu)，提高利用效率，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)。面臨如此緊迫的能源問(wèn)題，我們應(yīng)該把著眼點(diǎn)放在“高效”利用“清潔”能源上。由此可見(jiàn)，節(jié)能照明用電，對(duì)節(jié)能具有重要的意義。</p><p>　　1.3智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)越性</p><p>　　智能照明控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)管理方式相比，具有成本低、維護(hù)方便、功能豐富、優(yōu)越的可擴(kuò)展性、便于系統(tǒng)集成等特點(diǎn)，其具體表現(xiàn)為：</p><p>　　

25、1.3.1 良好的節(jié)能效果、延長(zhǎng)日光燈壽命</p><p>　　智能控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是節(jié)約能源，傳統(tǒng)的照明模式，主要是以人力來(lái)管理的，很容易造成白天關(guān)燈，晚上長(zhǎng)明的現(xiàn)象，不同的是智能照明控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同的情況采用不同的方案來(lái)選擇照明的時(shí)間、日光燈的數(shù)量，可以將不必要的照明關(guān)掉，在需要燈光時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟，從而達(dá)到良好的節(jié)能效果。系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)不同的光亮程度來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)的亮度，在保證必要的照明的同時(shí)也有效的減少了日

26、光燈的工作時(shí)間，延長(zhǎng)了日光燈的壽命。</p><p>　　1.3.2改善學(xué)習(xí)時(shí)間，提高學(xué)習(xí)效率</p><p>　　良好的學(xué)習(xí)環(huán)境是提高學(xué)習(xí)效率的必要條件，不適宜的光照強(qiáng)度對(duì)學(xué)習(xí)效率的影響很大，并且還會(huì)對(duì)我們的視力造成很不好的影響，因此合理的選擇光源、燈具、優(yōu)越的智能控制系統(tǒng)都能提高我們的學(xué)習(xí)環(huán)境。智能照明控制系統(tǒng)擁有兩種控制方法：1、自動(dòng)開(kāi)關(guān)日光燈，2、自動(dòng)調(diào)光。并且可以有效的控制和調(diào)節(jié)

27、各種場(chǎng)合的光照強(qiáng)弱，還可以為不同的人群、不同的需求提供滿意的服務(wù)。</p><p>　　1.3.3提高管理水平</p><p>　　與傳統(tǒng)的管理方式不同的是，智能照明控制系統(tǒng)采用自動(dòng)控制為主，人工控制為輔的系統(tǒng)。一般情況下，是不需要人為操作的，系統(tǒng)的自動(dòng)化管理不單單實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)開(kāi)關(guān)和調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，也減少了管理人員數(shù)量，還避免了以往許多由于人為因素而造成的不定時(shí)開(kāi)關(guān)，大大的提高了教學(xué)質(zhì)量與管理

28、水平。</p><p>　　1.3.4 減少開(kāi)支</p><p>　　雖然智能照明系統(tǒng)看似只是具備自動(dòng)開(kāi)關(guān)的功能，但是我們得知道它在提高燈管壽命、減少人力開(kāi)支的同時(shí)，還可以有效的節(jié)約能源。根據(jù)一般辦公大樓的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，節(jié)能效率可以達(dá)到40%以上，一般的商場(chǎng)、酒店、地鐵站等，節(jié)能效率也就能達(dá)到25%—30%；由于我國(guó)以前的粗放型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式已經(jīng)導(dǎo)致資源匱乏，所以調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力推廣智能照明具

29、有重大意義。</p><p><b>　　1.4研究目的</b></p><p>　　針對(duì)現(xiàn)在眾多高校教學(xué)樓的用電設(shè)備和管理的不足，以提高用電設(shè)備效率和改善教學(xué)管理為目的，開(kāi)發(fā)了一套完善的基于單片機(jī)MSP430和總線的智能教室控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要運(yùn)用電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和相關(guān)軟件，整個(gè)系統(tǒng)是由“教室監(jiān)測(cè)控制單元—R485通訊線—樓層顯示控制單元—CAN總線

30、—中央計(jì)算機(jī)單元”組成，智能教室控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)教室的溫度、學(xué)生人數(shù)、照明亮度、使用狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與顯示，并且對(duì)教室內(nèi)部的用電設(shè)備進(jìn)行了合理的控制與管理，達(dá)到了節(jié)約用電和智能化管理。</p><p>　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的研究</p><p>　　2.1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　本控制系統(tǒng)的總體組成，簡(jiǎn)要概述系統(tǒng)為“教室檢測(cè)控制單元—RS-485

31、—樓層顯示控制單元—CAN總線—中央計(jì)算機(jī)單元”結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)采用基于RS-485和CAN總線的分布式集散控制系統(tǒng)對(duì)學(xué)校教學(xué)樓用電設(shè)備進(jìn)行控制和管理。教室檢測(cè)控制單元、樓層顯示控制單元、中央計(jì)算機(jī)單元的設(shè)計(jì)是采用北京亞控公司提供的組態(tài)王KingView6.5，在組態(tài)王提供的編程環(huán)境下編制了上位機(jī)監(jiān)控程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)的教室檢測(cè)控制單元所采集到的信息接收和處理，并且組態(tài)王KingView6.5還可以為我們提供一個(gè)全中文，圖形化，動(dòng)態(tài)化的

32、監(jiān)控界面。通過(guò)仿真可以對(duì)教室用電設(shè)備開(kāi)關(guān)狀況、教室溫度、光照強(qiáng)度、學(xué)生人數(shù)、學(xué)生信息等進(jìn)行監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)。在同一樓層各教室檢測(cè)控制單元之間采用的是RS-485標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，而在樓層顯示控制單元與中央計(jì)算機(jī)單元之間利用的是CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸通道，智能教室控制系統(tǒng)整體組成如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 智能教室控制系統(tǒng)整體組成框圖</p><p>　　下面詳細(xì)介紹各級(jí)

33、單元及其之間的通訊網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　2.1.1教室檢測(cè)控制單元</p><p>　　每個(gè)教室安裝的教室檢測(cè)控制單元是以單片機(jī)MSP430為核心的數(shù)據(jù)采集和控制裝置。它直接與各種I/O設(shè)備相連，通過(guò)這些I/O設(shè)備接口實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)溫度、光照強(qiáng)度、教室內(nèi)的學(xué)生人數(shù)、學(xué)生上課等信息采集、存儲(chǔ)與處理，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)用電設(shè)備開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制，同時(shí)通過(guò)RS-485通訊錄與樓層

34、顯示控制單元通訊，最終可通過(guò)CAN總線與中央計(jì)算機(jī)單元通訊。教室檢測(cè)控制單元可以接收樓層顯示控制單元和中央控制計(jì)算機(jī)的命令并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的自動(dòng)控制用電設(shè)備，每個(gè)教室檢測(cè)控制單元都是由數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、人機(jī)交互模塊、電源模塊、通訊模塊等組成。此控制單元采用了積木式的組合結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)不同的需要選用不同的控制模塊進(jìn)行組合，其框圖如圖2.2所示。同時(shí)為了便于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，在每個(gè)教室安裝一個(gè)控制面板，其布局如圖2.3所示。<

35、;/p><p>　　圖2.2 教室控制器的組成框圖</p><p>　　圖2.3 教室控制器面板顯示圖</p><p>　　2.1.2樓層顯示控制單元</p><p>　　樓層顯示控制單元主要對(duì)該樓層教室檢測(cè)單元進(jìn)行集中操作管理、狀態(tài)顯示、通訊控制和維護(hù)每間教室的用電對(duì)象，并協(xié)調(diào)各教室檢測(cè)控制單元之間的數(shù)據(jù)傳輸，使樓層間的管理相互對(duì)立，提高整

36、個(gè)智能教室控制系統(tǒng)的可靠性。樓層顯示控制單元向下通過(guò)RS-485總線實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)教室檢測(cè)控制單元的數(shù)據(jù)采集信息、狀態(tài)顯示和集中管理，向上都統(tǒng)一掛在CAN總線和RS485通訊線來(lái)讀取各個(gè)教室中由每個(gè)教室控制單元中所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并對(duì)所采集到的信息做基本顯示的功能，例如顯示教室狀態(tài)（空或滿），以及控制整個(gè)樓層用電設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，同時(shí)將中央控制計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令傳送給各個(gè)教室控制單元。其組成框圖如圖2.4所示。</p><

37、;p>　　圖2.4 樓層控制器的組成框圖</p><p>　　2.1.3中央計(jì)算機(jī)單元</p><p>　　中央控制計(jì)算機(jī)采用常用PC機(jī)，在PC機(jī)上配置CAN總線配卡，用于同CAN總線相連。中央控制計(jì)算機(jī)是整個(gè)智能教室控制系統(tǒng)的控制和管理的中心，其功能是將樓層顯示控制單元及教室控制單元發(fā)送過(guò)來(lái)的信息進(jìn)行處理，按要求控制輸出單元，可自動(dòng)或手動(dòng)去對(duì)各控制裝置發(fā)出指令，并可按要求進(jìn)行各類

38、參數(shù)圖像的顯示，軟件主要是由組態(tài)王KingView6.5和ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，通過(guò)組態(tài)監(jiān)控畫面對(duì)教室檢測(cè)單元和樓層顯示單元進(jìn)行集中管理與控制。</p><p><b>　　2.1.4通訊網(wǎng)絡(luò)</b></p><p>　　通訊網(wǎng)絡(luò)是保證整個(gè)智能教室控制系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，所有的教室檢測(cè)控制單元和樓層顯示控制單元都連接在通訊網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)上，最終與中央計(jì)算機(jī)單元相連。本系

39、統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)的串行口和單片機(jī)的串行通訊的功能，采用RS-485和CAN通訊模塊分別實(shí)現(xiàn)教室控制單元中的MSP430單片機(jī)與樓層顯示控制單元中的MSP430單片機(jī)，樓層顯示控制單元中的MSP430單片機(jī)與中央控制計(jì)算機(jī)之間的遠(yuǎn)距離通訊。</p><p><b>　　2.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能</b></p><p>　　智能教室控制系統(tǒng)的最終目的就是為了實(shí)現(xiàn)教室的節(jié)能、改善教學(xué)

40、管理。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能概括為以下幾點(diǎn)：</p><p>　　2.2.1教室檢測(cè)控制單元數(shù)據(jù)的采集</p><p>　　系統(tǒng)的底層設(shè)備教室檢測(cè)控制單元具有自動(dòng)采集和命令采集兩種模式。自動(dòng)定時(shí)采集就是教師檢測(cè)控制單元可以根據(jù)內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)置對(duì)教室進(jìn)行循環(huán)采集數(shù)據(jù)，命令采集模式是指當(dāng)教室管理人員發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令后，先由中央計(jì)算機(jī)單元通過(guò)CAN通訊信道將命令信息傳送到中央控制器，中央控制器在經(jīng)RS-

41、485通訊信道傳送到教室檢測(cè)控制單元，最后根據(jù)需要采集相應(yīng)的信息。</p><p>　　2.2.2教室遠(yuǎn)程端控制功能</p><p>　　系統(tǒng)采用了原有的教室內(nèi)部用電設(shè)備控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上的教室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對(duì)教室實(shí)施相應(yīng)的命令，是的教室的用電設(shè)備能夠及時(shí)的開(kāi)或關(guān)。</p><p><b>　　2.2.3顯示功能</b>&l

42、t;/p><p>　　可以將采集到的數(shù)據(jù)最終顯示在中央計(jì)算機(jī)控制單元，組態(tài)王KingView6.5實(shí)行的是全中文化、圖形化、動(dòng)態(tài)的監(jiān)控界面。在計(jì)算機(jī)上面能顯示部分畫面以及教室使用狀態(tài)和相關(guān)信息在PC機(jī)上顯示出來(lái)。 </p><p>　　2.3系統(tǒng)的整個(gè)工作過(guò)程</p><p>　　本系統(tǒng)的工作過(guò)程包括兩個(gè)部分，第一部分是教室監(jiān)控單元對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)的采集，并進(jìn)行初步處理。這一

43、部分主要是采集傳感器信號(hào)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)并且經(jīng)過(guò)單片機(jī)MSP430收集處理，送到存儲(chǔ)器。第二部分是主控上位機(jī)數(shù)據(jù)的采集、處理。主控上位機(jī)的信息采集是由監(jiān)控軟件組態(tài)王采用DDE方式從CAN適配卡中獲取樓層控制器傳來(lái)的數(shù)據(jù)，而樓層控制器的數(shù)據(jù)是通過(guò)RS485通訊從教室控制器獲取教室的信息。反之，主控上位機(jī)對(duì)教室的用電設(shè)備發(fā)出命令時(shí)，則是主控上位機(jī)通過(guò)CAN總線把命令傳給樓層控制器，然后再由樓層控制器經(jīng)RS485通訊把主控上位機(jī)的命令傳至教室控制

44、器，教室控制器根據(jù)上位機(jī)的命令做出相應(yīng)的動(dòng)作，最后通過(guò)組態(tài)王自身的圖形界面制作功能和動(dòng)態(tài)鏈接特性，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況及各性能參數(shù)進(jìn)行處理，生動(dòng)的表現(xiàn)于上位機(jī)界面。</p><p>　　3 教室檢測(cè)控制單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　教室檢測(cè)單元是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分之一，它主要的功能表現(xiàn)在對(duì)教室內(nèi)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)等功能上面，它還會(huì)根據(jù)樓層顯示控制單元和中央計(jì)算機(jī)單元的不同要求去控

45、制日光燈和電風(fēng)扇等用電設(shè)備。</p><p>　　教室檢測(cè)控制單元主要功能：</p><p>　　教室檢測(cè)控制單元實(shí)現(xiàn)了對(duì)教室內(nèi)溫度、光線強(qiáng)度、學(xué)生人數(shù)等信息的采集，通過(guò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和處理，可以傳送到樓層顯示單元和中央計(jì)算機(jī)單元。</p><p>　　教室檢測(cè)控制單元中有非接觸IC卡，可以完成學(xué)生上課的基本信息，有助于教學(xué)管理的效率。</p><p

46、>　　教室檢測(cè)控制單元中光照傳感器將采集到的電壓值和設(shè)定電壓相比較而自動(dòng)完成教室內(nèi)部日光燈的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。</p><p>　　教室檢測(cè)控制單元中數(shù)碼顯示管可以顯示教室內(nèi)用電設(shè)備的狀況。</p><p>　　通過(guò)RS485總線完成與樓層顯示控制單元的通訊。</p><p>　　可以接收樓層顯示控制單元和中央控制計(jì)算機(jī)的命令并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制輸出。</

47、p><p>　　可以手動(dòng)操作教室檢測(cè)控制單元中的按鍵來(lái)對(duì)教室內(nèi)部的用電設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。</p><p>　　3.1教室檢測(cè)控制單元的器件選擇</p><p>　　智能教室控制系統(tǒng)要求智能化、功耗低、可靠性高、使用方便、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，我們選用MSP430單片機(jī)，MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的

48、混合信號(hào)處理器。稱之為混合信號(hào)處理器，是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，將多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微小處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供單片機(jī)解決方案。其具體特點(diǎn)有：</p><p><b>　?。?）處理能力強(qiáng)</b></p><p>　　MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數(shù)尋址、4 種目

49、的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。</p><p>　?。?）運(yùn)算速度快 </p><p>　　MSP430 系列單片機(jī)能在25MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)40n

50、s的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如FFT等）。</p><p><b>　?。?）超低功耗</b></p><p>　　MSP430 單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷汉挽`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。</p><p>　

51、　首先，MSP430 系列單片機(jī)的電源電壓采用的是1.8-3.6V 電壓。因而可使其在1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流最低將會(huì)在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。</p><p>　　其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在 MSP430 系列中有兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)（FLL 和FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)和DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。可以只使用一個(gè)晶體振蕩器（32.768kHz）DT

52、-26 OR DT-38[4]，也可以使用兩個(gè)晶體振蕩器。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開(kāi)和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。</p><p>　　由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)開(kāi)啟的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0~LPM4）。在實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式下，可達(dá)2.5μA ，在RAM 保持模式下，最低可

53、達(dá)0.1μA 。</p><p><b>　　（4）片內(nèi)資源豐富</b></p><p>　　MSP430 系列單片機(jī)的各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時(shí)器A0（Timer_A0）、定時(shí)器A1（Timer_A1）、定時(shí)器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位ADC、16位Σ

54、-Δ ADC、DMA、I/O端口、基本定時(shí)器（Basic Timer）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和USB控制器等若干外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出A/D 轉(zhuǎn)換器；16 位定時(shí)器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、PWM等；有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問(wèn)串行通信接口可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等

55、應(yīng)用；具有較多的 I/O 端口，P0、P1、P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；10/12位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá) 160 段；實(shí)現(xiàn)兩路的 12 位D/A轉(zhuǎn)換；硬件I2C串行總線接口實(shí)</p><p>　?。?）方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境</p><p>　　MSP430 系列有 OTP 型、 FL

56、ASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開(kāi)發(fā)手段不同。對(duì)于 OTP 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開(kāi)發(fā)成功之后制成的芯片；對(duì)于 FLASH 型則有十分方便的開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有用電擦寫的 FLASH 存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過(guò)軟件控制程序的運(yùn)行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這種方式只需要一臺(tái) PC 機(jī)和一個(gè) JTAG 調(diào)試

57、器，而不需要仿真器和編程器。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和C 語(yǔ)言。</p><p>　　3.2教室檢測(cè)控制單元數(shù)據(jù)的采集與處理</p><p>　　教室檢測(cè)控制單元數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)教室內(nèi)溫度、光照強(qiáng)度、教室內(nèi)的學(xué)生人數(shù)，上課時(shí)對(duì)學(xué)生信息的采集主要是依靠溫度傳感器、光照傳感器、紅外傳感器、無(wú)接觸IC卡來(lái)完成，各個(gè)器件將檢測(cè)到的非電量轉(zhuǎn)化成各自對(duì)應(yīng)的電量進(jìn)而傳給MSP430單片機(jī)進(jìn)行處理，MSP單片機(jī)可

58、實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)傳感器的定時(shí)采集，并且會(huì)根據(jù)各自參量的對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度、光照強(qiáng)度。通過(guò)通訊接口將數(shù)據(jù)向樓層顯示控制單元傳送。同時(shí)，通過(guò)該通訊接口，教室檢測(cè)控制單元接收樓層顯示控制單元和中央計(jì)算機(jī)單元的控制指令，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制命令操作。</p><p>　　3.2.1光照信號(hào)的采集與處理</p><p>　　光敏傳感器是最常見(jiàn)的傳感器之一，它的種類繁多，主要有：光電管、光電倍增管、光敏電阻

59、、光敏三極管、太陽(yáng)能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、CCD和CMOS圖像傳感器等。光傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一，它在自動(dòng)控制和非電量電測(cè)技術(shù)中占有非常重要的地位。最簡(jiǎn)單的光敏傳感器是光敏電阻，當(dāng)光子沖擊接合處就會(huì)產(chǎn)生電流。 </p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　光傳感器是利用光敏元件將光

60、信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，它的敏感波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波長(zhǎng)附近，包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)。光傳感器不只局限于對(duì)光的探測(cè)，它還可以作為探測(cè)元件組成其他傳感器，對(duì)許多非電量進(jìn)行檢測(cè)，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化即可。</p><p><b>　　注意事項(xiàng)：</b></p><p>　　敏傳感器采用防靜電袋封裝。在使用的過(guò)程中應(yīng)該避免在潮濕的環(huán)境中使用，還應(yīng)該注意表面的損傷

61、和污染程度，應(yīng)該它們均會(huì)影響光電流。</p><p><b>　　應(yīng)用領(lǐng)域：</b></p><p>　　光敏傳感器主要應(yīng)用于太陽(yáng)能草坪燈、光控小夜燈、照相機(jī)、監(jiān)控器、光控玩具、聲光控開(kāi)關(guān)、攝像頭、防盜錢包、光控音樂(lè)盒、生日音樂(lè)蠟燭、音樂(lè)杯、人體感應(yīng)燈、人體感應(yīng)開(kāi)關(guān)等電子產(chǎn)品光自動(dòng)控制領(lǐng)域。</p><p><b>　　應(yīng)用：<

62、/b></p><p>　　光敏傳感器中最簡(jiǎn)單的電子器件是光敏電阻，它能感應(yīng)光線的明暗變化，輸出微弱的電信號(hào)，通過(guò)簡(jiǎn)單電子線路放大處理，可以控制LED燈具的自動(dòng)開(kāi)關(guān)。對(duì)于遠(yuǎn)程的照明燈具，如街燈、庭院燈、草坪燈等都可經(jīng)濟(jì)而簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)節(jié)能自動(dòng)控制。</p><p>　　太陽(yáng)能路燈本身就是利用太陽(yáng)光發(fā)電、儲(chǔ)能的LED照明燈具，它不需要電網(wǎng)供電，也就無(wú)需架設(shè)成本不菲的輸電線路，因此使用光敏傳

63、感器可以實(shí)現(xiàn)極低成本、自動(dòng)開(kāi)啟關(guān)閉的節(jié)能管理。</p><p>　　教室光照強(qiáng)度是控制教室內(nèi)用電設(shè)備開(kāi)或關(guān)的重要因素，也是節(jié)約電能的手段之一，下面對(duì)光敏傳感器的研究做具體介紹。</p><p>　　光電探測(cè)器的教室中的布局</p><p>　　考慮到教室里面離窗子的距離的不同，接受日光強(qiáng)度不一樣的特點(diǎn)，為了避免光電探測(cè)器受光面小的缺點(diǎn)，應(yīng)該在教室周圍進(jìn)行合理的分布光

64、電探測(cè)器，用在探測(cè)自然光的強(qiáng)弱。根據(jù)教室中日光燈的分布情況如圖所示，那么光電探測(cè)器在教室里面的分布也應(yīng)該根據(jù)這個(gè)分布來(lái)進(jìn)行安置，即在每個(gè)區(qū)域的最遠(yuǎn)地方放一個(gè)光電探測(cè)器。每個(gè)區(qū)域的日光燈則由安置在教室內(nèi)的按鍵或遠(yuǎn)端的主控上位機(jī)來(lái)控制。此外，相鄰兩個(gè)區(qū)域安置的探測(cè)范圍都有一定的重疊以確保當(dāng)有人在兩個(gè)區(qū)域中間學(xué)習(xí)時(shí)能夠得到足夠的光亮。當(dāng)外界環(huán)境中的自然光能滿足所需要的光照強(qiáng)度時(shí)，不管教室是否有人，教室燈都不亮，控制教室日光燈的自動(dòng)熄滅，當(dāng)教室

65、有特殊使用時(shí)，則拉上窗簾，關(guān)閉所有教室燈光或點(diǎn)亮少許燈光。當(dāng)只有一個(gè)學(xué)生處于某一區(qū)域時(shí)，只有他的周圍日光燈亮；當(dāng)再有人進(jìn)來(lái)時(shí)他們完全可以選擇有亮光的地方就坐，若選擇其他地方情況類似。這樣就完成了教室照明智能控制，起到節(jié)約電能的作用。圖3.2則體現(xiàn)了考慮教室的走向與太陽(yáng)光的夾角的不同而造成亮暗區(qū)位置不同對(duì)光電探測(cè)裝置布局造成的影響。</p><p><b>　　硬件設(shè)計(jì)</b></p&g

66、t;<p>　　通過(guò)對(duì)光電管、光耦合器、光敏電阻等光電探測(cè)器的各種性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)光敏電阻的光譜響應(yīng)峰值比較接近人視覺(jué)敏感區(qū)的波長(zhǎng)；其次是當(dāng)光照強(qiáng)度減弱時(shí)，光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間相對(duì)增加，這對(duì)本系統(tǒng)在光照強(qiáng)度變化時(shí)，輸出狀態(tài)保持相對(duì)穩(wěn)定十分重要，因此本系統(tǒng)選用光敏電阻來(lái)測(cè)量教室的光照強(qiáng)度，其原理圖如圖3.3所示。途中R0為光敏電阻，其阻值隨著周圍的光線變亮而下降；R為負(fù)載電阻；VCC為+5V電壓；V為光敏電阻兩端電壓；C為去

67、耦電容。</p><p>　　圖3.3 光照測(cè)量電路原理圖</p><p><b>　　由圖3.3可知：</b></p><p>　　I=VCC/ (R0+R), V=R0*VCC/(R+R0)</p><p>　　當(dāng)R>>R0時(shí)，I=VCC/R。負(fù)載電流與光敏電阻無(wú)關(guān)，近似常熟。此時(shí)是恒流偏置。</

68、p><p>　　當(dāng)R<<R0時(shí)，V=0.因此光敏電阻電壓V近似等于VCC。此時(shí)為恒壓偏置。</p><p>　　當(dāng)R=RO時(shí)，表示負(fù)載匹配，探測(cè)器輸出功率最大。此時(shí)的工作狀態(tài)為恒功率偏置。</p><p><b>　　軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　單片機(jī)光敏傳感器部分軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是對(duì)光敏傳感器的輸出

69、數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理。流程圖如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 光照采集流程圖</p><p>　　3.2.2紅外數(shù)據(jù)的采集與處理</p><p>　　紅外技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)為大家所熟知，這項(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)代科技、國(guó)防科技和工農(nóng)業(yè)科技等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：</p><

70、p>　?。?）輻射計(jì)，用于輻射和光譜測(cè)量；</p><p>　?。?）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤；</p><p>　?。?）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；</p><p>　?。?）紅外測(cè)距和通信系統(tǒng)；</p><p>　?。?）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個(gè)或者多個(gè)

71、的組合。</p><p>　　紅外傳感器根據(jù)探測(cè)機(jī)理可分成為：光子探測(cè)器（基于光電效應(yīng)）和熱探測(cè)器（基于熱效應(yīng)）。</p><p><b>　　待測(cè)目標(biāo)：</b></p><p>　　根據(jù)待測(cè)目標(biāo)的紅外輻射特性可進(jìn)行紅外系統(tǒng)的設(shè)定。</p><p><b>　　大氣衰減：</b></p>

72、<p>　　待測(cè)目標(biāo)的紅外輻射通過(guò)地球大氣層時(shí)，由于氣體分子和各種氣體以及各種膠粒的散射和吸收，將使得紅外源發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。</p><p><b>　　光學(xué)接收器：</b></p><p>　　它接收目標(biāo)的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當(dāng)于雷達(dá)天線，常用是物鏡。</p><p>　　（4）輻射調(diào)制器。對(duì)來(lái)自待測(cè)目標(biāo)的

73、輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標(biāo)方位信息，并可濾除大面積的干擾信號(hào)。又稱調(diào)制盤和斬波器，它具有多種結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　紅外探測(cè)器：</b></p><p>　　這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來(lái)的物理效應(yīng)探測(cè)紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出的電學(xué)效應(yīng)。此類探測(cè)器可分為光子探測(cè)器和熱敏感探測(cè)器兩大類型。&l

74、t;/p><p><b>　　探測(cè)器制冷器：</b></p><p>　　由于某些探測(cè)器必須要在低溫下工作，所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過(guò)制冷，設(shè)備可以縮短響應(yīng)時(shí)間，提高探測(cè)靈敏度。</p><p>　?。?）信號(hào)處理系統(tǒng)。將探測(cè)的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，并從這些信號(hào)中提取出信息。然后將此類信息轉(zhuǎn)化成為所需要的格式，最后輸送到控制設(shè)備或者顯示器中。

75、</p><p>　　（8）顯示設(shè)備。這是紅外設(shè)備的終端設(shè)備。常用的顯示器有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。</p><p><b>　?。?）硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　采用紅外傳感器統(tǒng)計(jì)教室內(nèi)學(xué)生人數(shù)，具有成本低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)。紅外傳感器不僅僅是教室統(tǒng)計(jì)教室內(nèi)的學(xué)生人數(shù)，而且是由其統(tǒng)計(jì)的人數(shù)決定教室內(nèi)日光燈

76、數(shù)量的基本依據(jù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。</p><p>　　本系統(tǒng)采用發(fā)射式紅外傳感器，在教室門安裝兩個(gè)紅外傳感器，分別位于們的內(nèi)外兩側(cè)來(lái)完成對(duì)人體的探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)教室學(xué)生人數(shù)的統(tǒng)計(jì)。本紅外傳感器將紅外接收管與放大電路集成在一起，封裝在一個(gè)屏蔽盒里，具有與體積小、密封性好、靈敏度和抗干擾能力強(qiáng)、耐低溫和使用方便等特點(diǎn)，主要用于來(lái)探測(cè)人體發(fā)射出的紅外線能量。它只有三條管腳，分別是電源的正極，電源負(fù)極和信號(hào)輸出端，其工作電

77、壓大約5V。只要給它街上電源就是一個(gè)完整的紅外接收放大器，其遠(yuǎn)離如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 紅外發(fā)送接收原理圖</p><p>　　由圖3.5可知，紅外發(fā)射模塊包括脈沖振蕩器，紅外發(fā)射管等部分。脈沖振蕩器由555定時(shí)器，電阻，電容組成，用來(lái)產(chǎn)生38KHZ的脈沖序列作為載波信號(hào)。并且利用了紅外發(fā)射管以光脈沖的形成向外發(fā)射。通過(guò)改變電阻或者電容的參數(shù)可以改變振蕩的頻率。&

78、lt;/p><p>　　當(dāng)紅外接收模塊接收到頻率信號(hào)時(shí)，輸出低電壓，否則輸出為高電平。為了保證紅外接收模塊的準(zhǔn)確性，要求紅外發(fā)送端載波信號(hào)的頻率盡可能的接近38KHZ，因此，再設(shè)計(jì)555定時(shí)器構(gòu)成的脈沖振蕩器時(shí)注意選用精密元器件并保證電源電壓的穩(wěn)定。</p><p><b>　　（2）軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　采用紅外傳感器測(cè)量教室內(nèi)的

79、學(xué)生人數(shù)。系統(tǒng)在初始狀態(tài)時(shí)教室內(nèi)學(xué)生人數(shù)初值設(shè)為0.當(dāng)有人先經(jīng)過(guò)教室門外側(cè)的紅外接收和發(fā)射裝置時(shí)，接收管接收不到發(fā)射信號(hào)，返回一個(gè)低電壓，經(jīng)RC0口送入微型控制器；隨后，當(dāng)該學(xué)生進(jìn)入教室后，放置在教室內(nèi)外側(cè)的紅外接收和發(fā)射裝置也會(huì)返回一個(gè)低電壓，送入微型控制器的RC1口，此時(shí)計(jì)數(shù)器加1，數(shù)碼管將顯示當(dāng)前的人數(shù)自動(dòng)加1，表明有人進(jìn)入了教室。同樣的道理，當(dāng)學(xué)生先經(jīng)過(guò)教室內(nèi)側(cè)的紅外發(fā)送和接收裝置，在經(jīng)過(guò)教室門外側(cè)的紅外發(fā)送和接收裝置時(shí)，計(jì)數(shù)器

80、減掉1，表明教室有人離開(kāi)，從而計(jì)量教室學(xué)生人數(shù)情況，當(dāng)數(shù)碼管的顯示統(tǒng)計(jì)的人數(shù)大于50人時(shí)，傳送給上位機(jī)的信息為當(dāng)前教室內(nèi)人數(shù)為滿狀態(tài)。當(dāng)數(shù)碼管的顯示統(tǒng)計(jì)的人數(shù)小于50時(shí)，傳送給上位機(jī)的信息為當(dāng)前教室內(nèi)人數(shù)為空狀態(tài)。軟件流程如圖3.6所示</p><p>　　圖3.6 學(xué)生人數(shù)統(tǒng)計(jì)流程圖</p><p>　　3.2.3非接觸IC卡數(shù)據(jù)采集與處理</p><p>&l

81、t;b>　?。?）非接觸IC</b></p><p>　　大學(xué)校園里面都是實(shí)行的無(wú)固定座位的管理模式，因此給許多任課老師帶來(lái)了許多的麻煩，每次上課時(shí)需要花費(fèi)大量時(shí)間去點(diǎn)名，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了無(wú)接觸IC卡，學(xué)生只需在上課前刷卡并且通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理就可以完成點(diǎn)名及相關(guān)操作，從而簡(jiǎn)化了原始的考勤問(wèn)題，節(jié)約了寶貴的課堂時(shí)間，減少了人為因素。本設(shè)計(jì)采用的是PHILIPS的MFRC522非接觸讀卡芯

82、片來(lái)完成學(xué)生基本信息的讀取。</p><p>　　MFRC522內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近距離操作的天線，而且緩沖輸出接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的調(diào)解和解碼電路，用于ISO14443A兼容的應(yīng)答器信號(hào)，讀、寫卡的距離可以達(dá)到5cm，數(shù)字部分支持CRYPTOl加密算法用于驗(yàn)證Mifare系列產(chǎn)品，該芯片支持與ISO14443A卡進(jìn)行106kibt/s以及更高速度212kbit/s和424k

83、bit的數(shù)據(jù)傳輸。具有充裕的64字節(jié)的發(fā)送接收緩沖區(qū)，內(nèi)置CRC協(xié)處理器，靈活的中斷模式。帶低功耗功能的硬件復(fù)位和軟件掉電模式，還有內(nèi)部的自檢電路。此外，MFRC522還帶有靈活告訴的串行接口I2C、SPI、serialUART，方便連接到各種各樣的MCU上。本設(shè)計(jì)采用的是SPI接口方式，其電路原理如圖3.7所示。除了通用的4條SPI信號(hào)線以外，RC522要求額外的兩個(gè)引腳I2C和EA分別接低電壓和高電平，這兩個(gè)引腳不參與SPI總線傳輸

84、，只起到設(shè)定RC522數(shù)字界面采用SPI接口的作用。需要注意的是，由于RC522支持的數(shù)字接口形式多種多樣，因此芯片在每次復(fù)位時(shí)都會(huì)檢測(cè)外部引腳連接關(guān)系。</p><p>　　圖3.7 RC522接口原理圖</p><p>　?。?）非接觸IC卡的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　PIC18F458首先對(duì)RC522進(jìn)行初始配置，寄存器設(shè)置好后，RC522可以接收控制命

85、令執(zhí)行操作，實(shí)現(xiàn)與MIFAREIS50卡片通訊；MIFAREIS50卡根據(jù)接收到的指令進(jìn)行相應(yīng)操作。但是PIC18F458并不是通過(guò)簡(jiǎn)單的指令就可以讀寫IC卡片，需要一系列的操作才能完成通訊。主要包括：請(qǐng)求喚醒、防重疊、選擇卡片、密碼認(rèn)證、讀寫操作。</p><p>　　請(qǐng)求Request Std/Request All</p><p>　　當(dāng)有天線有效工作距離內(nèi)檢測(cè)到卡片，RC522發(fā)送

86、Request Std/Request ALL請(qǐng)求指令，卡片接收到請(qǐng)求指令后返回握手信號(hào)，從而判斷操作是否成功。</p><p>　　Anticonlision（防止沖突）</p><p>　　MFRC522能夠防止多張卡片沖突造成的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。在某一時(shí)刻，若多個(gè)卡占用射頻信道與讀卡器通訊。則讀卡器將會(huì)檢測(cè)到比特流的沖突位置；然后重新啟動(dòng)另一個(gè)與卡的通訊過(guò)程，在過(guò)程中將沖突位置上的比特值，置

87、為確定值（一般為1）后展開(kāi)二進(jìn)制搜索，直到?jīng)]有沖突錯(cuò)誤被檢測(cè)到為止。MIFARE卡內(nèi)有4字節(jié)的全球唯一序列號(hào)UID，而RC522防止沖突處理的目的就在于最終確定MIFARE卡的UID。防止沖突指令格式如下：</p><p>　　其中，命令代碼93代表要處理的卡UID只有4個(gè)字節(jié)；NVM表示此次防止沖突命令的UID域中正確的比特?cái)?shù)；BCC字節(jié)只有在NVM為70時(shí)才存在。它表示此時(shí)整個(gè)UID都被識(shí)別，防止沖突流程結(jié)束

88、。</p><p>　　Select（選擇卡片）</p><p>　　將Anticolision操作讀取的序列SN4個(gè)字節(jié)還有異或的校驗(yàn)碼發(fā)送到MifareIS50卡上，卡片接收后與自身SN及校驗(yàn)碼核對(duì)，只有完全一樣才能選定卡片。</p><p>　　Authentication（密碼認(rèn)證）</p><p>　　MifareIS50卡有1KB

89、容量，氛圍16個(gè)扇區(qū)；Sector0至Sector15，每個(gè)Sector扇區(qū)包括4個(gè)Block，每個(gè)Block具有16個(gè)bye的存儲(chǔ)容量。Block分為Block0至Block3，整個(gè)MifareIS50非接觸式智能卡共有64個(gè)Block。玫瑰粉Sector的Block3都存放在本扇區(qū)自己的密碼KeyA、KeyB和Access Bits。通過(guò)Access Bits設(shè)置密碼方式和數(shù)據(jù)塊類型。只有完全通過(guò)認(rèn)證后，才可以對(duì)卡片進(jìn)行Write/

90、Read操作。</p><p>　　Write/Read（讀寫操作）</p><p>　　Authentication密碼認(rèn)證后，可以對(duì)64Block進(jìn)行讀寫操作。14443A協(xié)議中并沒(méi)有具體規(guī)定對(duì)卡的讀寫操作方式，故對(duì)每種卡的讀寫操作必須考慮該卡的存儲(chǔ)區(qū)域組織形式和應(yīng)答形式。MIFARE卡內(nèi)部存儲(chǔ)是由E2PROM組成的，共劃分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)4個(gè)塊，每塊16個(gè)字節(jié)，對(duì)E2PROM的

91、讀寫都以塊為單位進(jìn)行，即每次讀/寫16個(gè)字節(jié)。以寫卡指令為例，MIFARE卡要求兩步握手，指令格式分別如下所示：</p><p>　　StepA：查詢塊狀態(tài) </p><p>　　若‘塊’準(zhǔn)備好了，則MIFARE卡返回4比特應(yīng)答。若值為1010，則可以進(jìn)行下一步驟；若值不是1010，則表示塊沒(méi)有準(zhǔn)備好，必須等待直至塊準(zhǔn)備好為止。</p><p><b>

92、　　StepB：寫數(shù)據(jù)</b></p><p>　　若寫入成功，則MIFARE卡返回4比特應(yīng)答，數(shù)值還是1010；若不是1010，則表示寫入失敗。</p><p><b>　　讀卡指令格式如下：</b></p><p>　　若執(zhí)行成功，則MIFARE卡返回18字節(jié)應(yīng)答比特。需要注意的是，其中只有16個(gè)字節(jié)是讀取的塊數(shù)據(jù)，另外兩個(gè)字節(jié)

93、為填充字節(jié)。若字節(jié)數(shù)不為18，則可以判斷讀卡操作錯(cuò)誤。</p><p>　　MIFARE卡數(shù)據(jù)加密時(shí)以扇區(qū)為單位，一次加密認(rèn)證僅僅能操作一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)。這位用戶實(shí)現(xiàn)了1卡通功能，提供了便利，用戶可以在不同的扇區(qū)內(nèi)采用不同的加密方式互不干擾的存在各種目的應(yīng)用數(shù)據(jù)。對(duì)卡的寫才做必須按照一定的格式進(jìn)行，一個(gè)塊的數(shù)據(jù)組成如下：</p><p>　　15

94、 11 87 43 0</p><p>　　注意：address值無(wú)意義，但是number值寫入時(shí)必須在4到7字節(jié)中存入取反值。</p><p>　　PIC18F458對(duì)MIFAREIS50卡片操作流程，如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 PIC18F458讀寫RC522流程圖</

95、p><p><b>　　3.2.4按鍵設(shè)計(jì)</b></p><p>　　對(duì)用電設(shè)備的控制方式有兩種，一是采用現(xiàn)場(chǎng)按鍵進(jìn)行開(kāi)關(guān)；二是利用上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)。在這里簡(jiǎn)要說(shuō)明按鍵對(duì)用電設(shè)備的控制。為了節(jié)省單片機(jī)的I/O端口，每個(gè)按鍵都采用一鍵多功能的方式對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，系統(tǒng)中采用三個(gè)獨(dú)立的按鍵，即日光燈開(kāi)關(guān)組按鍵、風(fēng)扇開(kāi)關(guān)按鍵、開(kāi)關(guān)指示按鍵來(lái)開(kāi)啟或者關(guān)閉教室用電設(shè)備，如

96、圖3.9所示。圖中按鍵K1為整個(gè)教室用電設(shè)備的開(kāi)關(guān)按鍵，它與按鍵K2和K3聯(lián)合使用來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉教室內(nèi)的用電設(shè)備。例如，如果需要開(kāi)啟教室內(nèi)的第一組和第二組日光燈，我們首先要按下K1按鍵，然后按一次K2按鍵，此時(shí)教室內(nèi)的第一組日光燈就打開(kāi)了，緊接著再按一次K2按鍵，教室內(nèi)的第二組日光燈也打開(kāi)了，從而完成了教室內(nèi)第一組和第二組日光燈的開(kāi)啟。同理，利用K3與K1按鍵可以開(kāi)啟或者關(guān)閉教室內(nèi)的風(fēng)扇。圖中并聯(lián)在按鍵兩端的電容用于按鍵的消抖。</

97、p><p>　　在教室控制器中還有對(duì)教室溫度采集、學(xué)生信息的采集等。采集教室溫度可實(shí)現(xiàn)當(dāng)室內(nèi)溫度較高時(shí)及時(shí)開(kāi)啟風(fēng)扇，當(dāng)室內(nèi)溫度較低時(shí)及時(shí)向教室送暖；而學(xué)生信息的采集則是通過(guò)無(wú)接觸IC卡，學(xué)生只需要在上課前刷卡并經(jīng)由相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理就可以完成點(diǎn)名及有關(guān)的操作，從而簡(jiǎn)化對(duì)學(xué)生考勤的程序，節(jié)約老師點(diǎn)名的時(shí)間。</p><p>　　圖3.9 按鍵原理圖</p><p>　　3.

98、3溫度控制部分的設(shè)計(jì)</p><p>　　本章根據(jù)溫度監(jiān)控系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)和需要，繪制了單片機(jī)MSP430F449及其外圍電路，單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，日歷時(shí)鐘芯片DS1302，液晶顯示模塊OCMJ4x8B等的電路原理圖和系統(tǒng)總圖及印制板圖，編寫了單片機(jī)初始化，溫度傳感器復(fù)位、讀寫子程序，日歷時(shí)鐘芯片和液晶顯示模塊的寫入等子程序，并對(duì)程序進(jìn)行了調(diào)試。</p><p>　　3.3.

99、1系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖及功能實(shí)現(xiàn)</p><p>　　圖3.10所示為本次溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖。選用的單片機(jī)型號(hào)為MSP430F449，單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，日歷/時(shí)鐘芯片DS1302，OCMJ4x8B液晶顯示模塊，獨(dú)立式鍵盤。</p><p>　　圖 3.10 溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　該系統(tǒng)的工作流程為：開(kāi)機(jī)后，八路溫度傳感器獲取溫度數(shù)據(jù)

100、，并實(shí)時(shí)的循環(huán)送至單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理在顯示器上顯示出來(lái)，編程可實(shí)現(xiàn)顯示間隔得調(diào)整，可以一秒也可以兩秒。當(dāng)需要查看某一路的溫度時(shí)，只需按下對(duì)應(yīng)的按鍵，即可在顯示器上顯示出所選路數(shù)及其溫度值，此時(shí)定時(shí)器A關(guān)閉，時(shí)間和溫度循環(huán)顯示停止。當(dāng)把數(shù)據(jù)記錄完畢后，按返回鍵，即可從中斷停止處重新開(kāi)始溫度循環(huán)顯示。同時(shí)，開(kāi)機(jī)上電后，若無(wú)任何操作，則時(shí)間從程序設(shè)計(jì)的時(shí)間開(kāi)始計(jì)時(shí)，每過(guò)一秒鐘加一，讀取溫度值時(shí)停止，由于時(shí)間值是從專用的日歷時(shí)鐘芯片中獲得

101、的，所以停止定時(shí)器A再返回時(shí)并不會(huì)影響時(shí)間的顯示。</p><p>　　3.3.2單元電路原理圖</p><p>　　本節(jié)主要討論各級(jí)電路圖的原理及實(shí)現(xiàn)方法。</p><p>　　3.3.2.1芯片原理圖</p><p>　　如圖3.11所示為MSP430F449芯片及其外圍電路原理圖。其中XTAL1、XTAL2分別為單片機(jī)提供正常工作時(shí)鐘脈

102、沖。</p><p>　　圖 3.11 MSP430F449芯片及其外圍電路原理圖</p><p>　　3.3.2.2 DS18B20電路原理圖</p><p>　　如圖3.12所示為溫度傳感器與單片機(jī)的連接電路圖。圖中每一個(gè)I/O口上都連接了一個(gè)溫度傳感器，程序?qū)崿F(xiàn)中只需執(zhí)行Skip ROM命令后即可對(duì)所有在線器件進(jìn)行操作；為典型的單總線制，允許與一個(gè)I/O口相連

103、的線上連接多個(gè)器件，開(kāi)機(jī)后需逐個(gè)上電獲取64bit序列號(hào)，并存儲(chǔ)到數(shù)組中。當(dāng)需要使用時(shí)，通過(guò)發(fā)送匹配ROM命令并發(fā)送對(duì)應(yīng)器件的64bit序列號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)器件的操作。本次設(shè)計(jì)均采用寄生電源供電，如前所述，為保證電路的正常運(yùn)行，溫度值的精確獲取，盡量采用電源供電方式。</p><p>　　圖3.12溫度傳感器與單片機(jī)的連接電路圖</p><p>　　3.3.2.3液晶電路原理圖</

104、p><p>　　如圖3.13所示為液晶顯示電路原理圖。該電路為混合電壓系統(tǒng)，液晶顯示模塊OCMJ4x8B需5V電壓，單片機(jī)需3.3V電壓，I/O口的最大邏輯電平是3.3V，不可以直接相連，所以必須通過(guò)電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電平的匹配，這里采用TI的雙向驅(qū)動(dòng)器74LS245來(lái)實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　圖3.13液晶顯示電路原理圖</p><p>　　3.3.2.4 DS

105、1302日歷時(shí)鐘芯片電路原理圖</p><p>　　DS1302的VCC2在單電源與電池供電的系統(tǒng)中提供電能并為低電源提供低功率的電池備份。在雙電源系統(tǒng)中VCC2提供主電源，VCC1連接到備份電源，以便在沒(méi)有主電源的情況下能保存時(shí)間信息以及數(shù)據(jù)。DS1302由VCC2或VCC1與VCC2兩者中的較大者供電。當(dāng)VCC2大于VCC1+0.2V時(shí)，VCC2給DS1302供電。當(dāng)小于時(shí)，DS1302由VCC1供電。X1，

106、X2連接32.768KHZ的石英晶振，為芯片提供實(shí)時(shí)的電脈沖。與CPU的連接僅需要三條線，即SCLK（7）、I/O(6）、RST（5）。如圖3.14所示。</p><p>　　圖3.14 DS1302日歷時(shí)鐘芯片電路原理圖</p><p>　　3.3.2.5 獨(dú)立式鍵盤電路</p><p>　　由于其他外圍器件多采用串行數(shù)據(jù)傳輸，單片機(jī)接口剩余較多，所以采用獨(dú)立式鍵

107、盤，分別連接P1.0-P1.7，并利用I/O口的中斷功能，喚醒休眠的CPU。無(wú)鍵按下時(shí)均為高電平，若有鍵按下，則為低電平。</p><p>　　圖3.15 矩陣式鍵盤 </p><p>　　注：在繪制完電路圖，生成網(wǎng)絡(luò)表后，若要生成對(duì)應(yīng)電路的印制板圖，則需要對(duì)各元器件的封裝進(jìn)行設(shè)置。電子元器件的封裝實(shí)際是指零件焊接到電路板時(shí)的外觀和焊點(diǎn)的位置，目前的封裝主要有針腳式和表面貼片式（SMT），

108、本次設(shè)計(jì)中所使用的相關(guān)元件的封裝主要有：</p><p>　　電阻：RESx；封裝屬性為AXIAL0.3-AXIAL0.7，其中0.3指電阻在板上的焊盤間的距離為300mil（1mil=0.0254mm），一般用AXIAL0.4；</p><p>　　電容：對(duì)于無(wú)極性電容：CAP；RAD0.1-RAD0.4，一般用RAD0.1；對(duì)于電解電容：ELETROI，RB.1/.2-RB.5/1.0