课题教室智能照明专业系统设计.doc

教室智能照明系统设计摘要本研究针对教室灯光控制办法，特别是教室灯光智能控制方面发呈现状，分析了教室灯光智能控制原理和实现办法，提出了基于单片机教室灯光智能控制系统设计思路，并在此基本上开发了智能控制系统硬件装置和相应软件。 该系统以AT89C52单片机作为控制装置智能部件，采用热释红外人体传感器检测人体存在，采用光敏三极管构成电路检测环境光强度;依照教室合理开灯条件，系统通过对人体存在信号和环境光信号辨认和智能判断，完毕对教室照明回路智能控制，避免了教室用电大量挥霍。系统还具备各种报警功能;同步还采用了软/硬件“看门狗”技术等抗干扰办法。单片机软件采用汇编语言编制，采用模块化构造设计、条理清晰、通用性好，便于改进和扩充。 该系统具备体积小，控制以便，可靠性高，专用性强，性价比合理等长处，可以满足各类大、中专院校教室灯光控制规定，很大限度达到节能目。核心词:人体；红外线；传感器；自动控制；热释电AbstractCurrently light intelligent control systems 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 hardware and software system. 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，and 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 the signal of human body that illuminates the back track exists，reporting to the warning devices,etc.In order to satisfy these functions，the system adopted the homologous methods respectively，and to the gearing of the system，analyzing how to install，test and run the system. The microcontroller software was developed based on assemble language. Assemble language is 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 used 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.This system 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 proved that the system can satisfy the control command of the classroom s light device，so it could largely reduce the consuming of energy resources. Key words： Human body，infrared ray，sensor，automatic control，heat to release the electricity1.目录摘要-1ABSTRACT-21.引言-51.1本课题研究意义-51.2国内外教室灯光控制器研究现状及其存在问题-51.3本课题研究内容和目的-7 1.3.1研究内容-7 1.3.2研究目的-71.4本课题拟解决核心问-82.教室灯光控制器简介及控制方案分析-82.1教室灯光控制器简介-82.2系统控制方案分析-83.系统控制模块硬件设计-93.1控制模块硬件构成-93.2控制系统重要硬件电路- -9 3.2.1系统主控电路-10 3.2.2在线编程模块电路-10 3.2.3系统供电电路-11 3.2.4数据采集电路-12 3.2.5系统时钟电路-16 3.2.6系统看门狗电路-19 3.2.7继电器驱动接口电路- -21 3.2.8超时报警电路-214控制模块软件设计与开发-224.1系统监控主程序模块-23 4.1.1系统自检初始化-23 4.1.2定期中断解决-24 4.1.3多任务操作系统构建-244.2数据采集模块-25 4.2.1人体存在传感器优缺陷-25 4.2.2数据采集软件设计实现-25 4.2.3人体存在传感器抗干扰办法-26 4.2.4人体存在传感器安装规定-274.3时钟模块-27 4.3.1数据输入输出-27 4.3.2时钟内部寄存器使用-28 4.3.3时钟自检初始化-29 4.3.4时钟程序设计-304.4显示驱动模块-304.4.1 ULN2803驱动器应用-32 4.4.2显示程序设计-324.5系统键功能-33 4.5.1键功能解决程序-335系统调试运营及问题分析-345.1单片机系统调试办法及环节-34 5.2浮现重要问题及分析解决-356.结论和建议-366.1结论-366.2建议-377.道谢-38参照文献-39附图A-40附图B -41附录一 -42附录二-441.引言1.1本课题研究意义随着社会经济和科学技术发展，人们生活水平也不断提高，导致用电负荷加剧，又由于世界性能源危机，能源缺少已成为世界所面临严峻问题。而此问题对国内来说尤为严重。随着各类大、中专院校扩招，教室扩建，教室照明需求也越来越多，而教室照明管理不到位，往往导致电能巨大挥霍，这样，提高教室用电效率就成为首要考虑问题。 当前对灯光智能控制，国内外己经开始采用，但对教室灯光控制，特别是国内教室灯光智能控制尤为缺少和不完善，依然是老式式人工管理。各类大、中专院校不断扩招，教室不断扩建，教室用电负荷不断加大，教室用电管理不善，导致学校电能挥霍，经济损失，这种挥霍与当今节约能源理念相违背。再者，当代自动化限度不断提高，计算机技术普及，灯光管理也在朝着自动化、智能化方向发展。例如楼道灯光自动控制等等。所有这些使得教室灯光控制也应当朝着智能方向发展。于是，开发简便、实用教室灯光自动控制系统便具备重要现实意义。1.2国内外教室灯光控制器研究现状及其存在问题 世界各地发电重要原料是煤炭、石油和天然气，而丹麦在能源运用方面成功经验提供了较好借鉴。从1974年以来，尽管丹麦国民收入增长了50%，丹麦总能源消费量并没有增长。丹麦是OECD成员国中能源消耗量和国民收入比值最小国家。她们不断地提供某些节能供热系统，例如丹麦热电同供热电厂(CHP)，并且，她们尽量有效运用资源。这样，她们能源使用总效率达到了90%。丹麦政府很注重住房空间用电节能，并设立了对新建房屋节能诸多规定。数据显示，居民入住有节能装置房子时，她们要支付比没有节能方案房屋高出8%费用。其节能项目经验在欧盟国家中广为流传。尚有，欧司朗一斯维尼亚公司不断推出新型高输出荧光灯，节约6%总系统功率，并具备更高光通和平均光通量。飞利浦照明公司推出陶瓷金卤灯代替过去卤钨灯，可节能60%电能。种种迹象表白世界各国都在采用不同方式来节约能源，节约电能。中华人民共和国经济持续近年高速发展让能源问题日益突出。虽然国内能源总储量不低，但由于国内人口众多，因此人均储量少，单位产值能耗是发达国家3-10倍。能源问题已成为制约国内国民经济发展核心问题。从环境和自然资源角度出发，能源问题也是国内长期可持续发展战略中一种核心因素。此外，能源问题不但关系经济发展和环境生态，在特定状况下还会对社会稳定有很大影响。鉴于能源问题重要性，国内在绿色照明工程新闻发布，绿色照明工程将来五年间将在公用设施、宾馆、商厦、居民住所等全国建筑物中推广1.5亿只节能灯，节电290亿度电。上海、河北等某些地方采用政府对节能灯大宗采购每只补贴3至4元方式进行推广。从普通白炽灯到高效节能灯，使国内电光源产品构造逐渐向节电型转变，荧光灯与普通白炽灯比例由1995年l:6.25前l：1. 5。 当前，国内照明用电约占社会总用电量12%，采用高效照明产品代替老式低效照明产品可节电60%到80%。如今，北京正在大力履行绿色照明工程，己推出上百万只绿色照明光源和某些节能电器，据测算年节约用电可达3442万千瓦时，节约电费2519.7万元。政府己经在商厦、学校、医院等更换了24万只节能灯具。在奥运工程建设上，也大量运用节能技术，北京奥运厂馆“水立方”，通过采用大量节能灯具，装备新技术，通过增强透光性白天可节约照明能耗50%。 咱们党在10月11日党第十五届中央委员会第五次会议通过中共中央关于制定国民经济和社会发展第十个五年筹划建议中明确指出:“加强基本设施建设是此后五年至十年一项十分重要任务。”其中提到基本设施建设就涉及了能源建设。建议还强调了能源建设要发挥资源优势，优化能源构造，提高运用效率。面临如此急迫能源问题，咱们应当把着眼点放在“高效加强环境保”运用“清洁”能源。由此可见，节能照明用电，对节能具备重要意义。当前国内各类院校中，由于同窗们自觉节能意识薄弱，在光线足够强时也开灯，护洁课上完离开教室后灯还亮着现象普遍存在;并且，节能规划极为欠缺，教室灯光控制由管理人员手工代替，教室极多，管理人员忙但是来，这样就导致不必要电能挥霍和经济损失。就我校为例，初步记录大小教室大概安装了共有5400盏灯，以每天仅亮灯8小时来计算，一年中扣除假期后，教室灯耗电量约为52.25万度，学校在教室用电经费上就得支出约为30.46万元人民币。而以每天挥霍2小时用电来计算，一年大概要挥霍13.06万度电量，占教室照明用电经费四分之一。我省各类大中专院校及其中小学总共有600百多所，若都象我校同样每年挥霍13.06万度电话，我省就会挥霍近7900万度电。导致电能极大挥霍。再者，每所院校不断扩招，教室不断扩建，若再没有改进教室用电管理设备，那么用电负荷可想而知，挥霍电能就更、凉人了。 基于以上种种因素，提高教室用电效率就成为学校节能重要且重要办法之一，因而节能技术重要手段之一就是教室灯关自动控制系统设计无疑就成为其中一项重要课题。1.3本课题研究内容和目的1.3.1研究内容本课题研究内容有如下几点:(1)理解教室照明光强原则；(2)调研教室灯光照明需求以及环境光强弱与开、关灯关系；(3)研究人体存在探测技术，探测角度与范畴；(4)研究传感器教室分布、安放问题，与否一灯一种传感器或多灯公用传感器等；(5)研究拟定人体传感器关于参数；(6)研究灯光控制器电源问题； (7)研究控制器参数值设定规定及方案；(8)研究人工设立参数、掉电保存参数问题；(9)研究与既有教室照明相兼容，易代替，不易被偷盗、被仿制，易于维护、维修等控制技术；(10)研究报警等附加功能问题1.3.2研究目的 研究教室灯光控制系统能用于既有教室照明系统改造，实现对照明系统人性化智能管理，提高用电效率;实现自动、手动灯光控制相兼容，以减少成本;通过重复实验和改进，最后达到可靠性、实用性、推广性较好目的。1.4本课题拟解决核心问题本课题拟通过实验研究教室灯光各种控制方案解决如下核心问题:(1)照明回路控制回路与控制器自身节能问题；(2)传感器与教室灯配合安装问题；(3)环境光参数输入采集问题；(4)人存在传感器参数输入采集问题；(5)开、关灯自动与手动兼容办法；2.教室灯光控制器简介及控制方案分析2.1教室灯光控制器简介 教室灯光控制器可实既有效教室灯光智能控制。其输入参数重要是人体存在信号和环境光信号等外界因素，环境光强度达到一定值时不开灯，环境光强度在一定阀值如下且有人存在时开灯，理论和实验证明用这种方式来对教室灯进行智能控制可以实现上述目的。 教室灯光控制器普通安装在教室内避开电灯直射位置，且人体传感器安顿时应使人体活动方向与人体传感器中两个热释电元连线方向垂直，这样可使人体存在信号采集更加敏捷、可靠，同步还要尽量避免外界风直接吹向人体传感器。2.2系统控制方案分析 所研制控制器以自然光强度和人体存在作为控制器重要输入参数。可以实现自动与手动控制相兼容。在自然环境光较强光线足够时，无论人与否存在，都不开灯;在自然环境光较弱时，有人存在且超过一定期间，控制器自动打开电灯，直到人离开后再延时一定期间后关灯。同步，还要按作息时间来控制，夜晚超过12点，若尚有人存在，则关闭自动控制器运营，改用机械开关来手动控制，以解决因特殊状况下，自动控制器不人性化运营。 本文所研究教室灯光控制器重要是由硬件和软件两大某些构成。硬件某些是前提，是整个系统执行基本，它重要为软件提供程序运营平台。而软件某些，是对硬件端口所体现信号，加以采集、分析、解决，最后实现控制器所要实现各项功能，达到控制器自动与手动相结合教室照明智能控制。3.系统控制模块硬件设计 考虑到本系统所安装环境影响因素比较多，且教室控制设备中人体存在传感器、光敏三极管等经常会因环境情形变化而不稳定，因此在设计过程中，电子元器件选用、线路布置和设备安放要充分考虑到抗干扰问题。3.1控制模块硬件构成系统控制单元是以单片主控模块为核心，其他外围电路重要涉及:ISP下载线模块、系统供电模块、硬件时钟模块、看门狗模块、灯光驱动模块、数码管驱动显示模块、环境光模块、EEPROM存储模块、人体存在传感器模块、超时报警模块，其构造框图如图3-1所示：51系统模块ISP下载线模块看门狗模块硬件时钟模块数码管显示模块灯光驱动模块环境光模块EEEPROM存储器模块电源模块人体存在传感器模块图3-1系统控制单元构造框图3.2控制系统重要硬件电路3.2.1系统主控电路 本系统主控模块重要采用Atmel公司AT89C52作为主控芯片，它是一种低功耗，8位CMOS工艺解决器，具备8K在线可编程Flash存储器，片内Flash可多次编程，为在线编程提供了以便。片内有128字节RAM， 4KBEEPROM，由于合理安排使用片内RAM空间，因此没有扩展片外RAM，使电路构造简捷。由于设备设立参数是依照实际需要进行更改，又规定是断电可以保存下来，因此本设备用一片EEPR0M来存储系统设立参数。AT89S52I/0端口与系统其他外围器件接口分派状况表如表3-1所示。89552引脚外围器件引脚阐明P0.0-P0.7ULN2803数码管段码驱动接口P2.0-P2.7NPN-9012基极数码管位控驱动接口P1.0X5045SIX5045串行输入端Pl.1X5045SCKX5045串行时钟端P1.2X5045CSX5045片选端P1.3X5045S0X5045串行输出端P1.4系统工作灯显示端口P1.5DS1302CLKDS1302时钟线P1.6DS1302I0DS1302数据线P1.7DS1302RSTDS1302复位线P1.5一P1.7工SP在线编程端P3.0一P3.1数据采集输入端P3.2遥控器接受信号端P3.3人体存在传感器输出信号端P3.4超时报警信号输入端P3.5一P3.6灯光驱动输入端P3.7光敏三极管输入信号端表3-1外围器件接口分派3.2.2在线编程模块电路 以往单片机实验往往依赖于仿真机和单片机学习系统，价格昂贵，近年来，随着FLASH型单片机广泛应用，采用软件模仿结合写片验证成为一种经济实用实验办法，特别是随着单片机技术发展，诸多单片机都具备了ISP功能，不再需要仿真机，将单片机易用性推向一种新高度。AT89C52芯片就是这样芯片。 AT89C52芯片支持在线编程(ISP)功能，顾客可以通过AT89C52在线编程接口直接对电路板上CPU进行在线编程，以便了程序修改烧写工作。ISP进行在线编程时，用AT89C52芯片P1.5，P1.6，P1.7引脚及RST端口，通过PC并口，依照工SP合同制作简朴编程器就可对CPU进行编程。在线编程(ISP)器红色LED是电源批示灯，绿色LED是复位批示灯，黄色LED是时钟信号批示灯，每个LED约消耗0.6mA电流，它们使用独立缓冲器不会影响下载线和顾客板，当执行菜单命令Reset时可以看到绿色LED闪一下，表达电脑已经可以控制下载线;其下载线正常工作电压为DC3.6-6V，某些电脑虽然不连接VCC也可以正常工作，10心插头和插座有三角形标志均为第一脚。使用以便、快捷，且工作显示信号清晰。3.2.3系统供电电路要获得+5V电压，若选用12V变压器，整流滤波后输出往往不不大于12V，会使稳压器功耗大，自身温度较高。故不选用输出电压为12V变压器，而选用输出电压为9V变压器。系统接通220V交流电源后，将220V交流电变压到9V，通过二极管全波整流、电解电容Cl，C2滤波，再经一只正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变，改进瞬态响应，输出端还采用了电容C3、C4，最后得到+5V直流工作电源，用于给控制系统中单片机系统及其他外围电路Vcc+端供电。其供电原理图如3.2.3图3.2.3 供电原理图在硬件时钟模块中，为了在断电后硬件时钟可以正常运营，故采用主从双电源供电方式。硬件时钟普通在系统+5V主电源状况下工作，而只有系统+5V主电源消失状况下，为保证硬件时钟正常运营，设计一种3. 6V可充电铿电池作为备用电源。详细电路及其原理将在背面系统时钟电路某些详细阐明。3.2.4数据采集电路 教室中环境光和人体存在与否是系统重要输入参数，因而教室中环境光和人体存在成为系统数据采集重要对象。常用环境光采集器件光电传感器有光敏二极管和光敏三极管，依照需求，选用敏捷度较高光敏三极管。此外，人体传感器规定敏捷度高，可靠性强，本系统采用了逻辑电平输出HP-208型号人体存在传感器。1.环境光采集电路 光电传感器是一种可以将光转换成电量传感器。采用光敏三极管除了具备光敏二极管能将光信号转换成电信号功能外，尚有对电信号放大功能。在无光照时三极管穿透电流很小，为暗电流Iceo有光照时，产生Ib增大，成为光电流Ie。光电流大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化电信号。因而光敏三极管敏捷度高，并且体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等长处，其外形电路图形符号如图3.2.4. 1-1 图3.2.4. 1-1环境光采集电路原理图如图3.2.4 1-2所示。当自然光强不不大于一定限度时，光敏三极管D6呈现底阻状态2. 5V之前，RST必要保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才干将RST置为高电平。I/0为串行数据输入输出端(双向)，背面有详细阐明。SCLK始终是输入端。 硬件时钟芯片DS1302与微解决器进行数据互换时，一方面由微解决器向电路发送命令字节，命令字节最高位MSB (D7)必要为逻辑1，如果D7=0，则禁止写DS1302，即写保护:D6=0，指定期钟数据，D6=1，指定RAM数据;D5D1指定输入或输出特定寄存器;最低位LSB (DO)为逻辑0，指定写操作(输入)，DO=1，指定读操作(输出)。 在DS1302时钟日历或RAM进行数据传送时，DS1302必要一方面发送命令字节。若进行单字节传送，8位命令字节传送结束之后，在下2个SCLK周期上升沿输入数据字节，或在下8个SCLK周期下降沿输出数据字节。 DS1302与RAM有关寄存器分为两类:一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一种8位字节，其命令控制字为COHFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作;再一类为突发方式下RAM寄存器，在此方式下可一次性读、写所有RAM31个字节。 要特别阐明是备用电源，可以用电池或者超级电容器(0.1F以上)。虽然DS1302在主电源掉电后耗电很小，但是，如果要长时一间保证时钟正常，最佳选用小型充电电池。可以用老式电脑主板上3. 6V充电电池。如坚决电时间较短(几小时或几天)时，就可以用漏电较小普通电解电容器代替。100就可以保证1小时正常走时。DS1302在第一次加电后，必要进行初始化操作。初始化后就可以按正常办法调节时间。3.2.6系统看门狗电路在单片