基于AT89S51单片机的教室灯光智能控制系统设计.doc

基于AT89S51单片机的教室灯光智能控制系统设计一、系统设计要求：该系统以AT89S51单片机作为控制模块的核心部件，采用热释红外人体传感器检测人体的存在，采用光敏三极管构成的电路检测环境光的强度；根据教室合理开灯的条件，通过对人体存在信号和环境光信号的识别与判断，完成对教室灯光的智能控制，避免了教室用电的大量浪费.系统还具有报警功能；同时还采用了软/硬件的“看门狗”等抗干扰措施二、系统控制方案分析该控制器以自然光强度和人体存在作为控制器的主要输入参数，能够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,无论人是否存在,都不开灯；在自然环境光较弱时，有人存在且超过一定时间，控制器自动打开电灯,直到人离开后再延时一定时间后关灯。同时,还可设置作息时间来控制，夜晚超过12点，若还有人存在，则关闭自动控制器的运行，改用开关来手动控制，以解决因特殊情况下，自动控制器的不人性化运行。所研究的教室灯光控制器主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前提，是整个系统执行的基础,它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理,最终实现控制器所要实现的各项功能，达到设计目的.三、系统控制模块的硬件设计系统控制模块的硬件构成及简介系统控制单元是以AT89S51单片机主控模块为核心，其它外围电路主要包括：环境光采集电路、时钟模块、热释红外传感器模块、看门狗模块、按键电路、EEPROM存储模块、超时报警模块、数码管显示模块,其结构框图如图2-1所示。图2。1系统控制结构框图环境光模块采用光敏三极管来检测环境光的强度，有光照时,电阻减小,随着光照强度的减弱，电阻逐渐增大，把光信号转化成电信号，实现对光强度的检测。人体存在传感器模块采用HP-208是基于红外线技术的智能产品,实现对人体存在的检测。硬件时钟模块采用具有充电能力的低功耗，具有临时性存放数据的RAM寄存器的实时时钟芯片DS1302。该电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛的使用。系统数据存储及故障保护部分由X5045组成，X5045是一种串行通讯的512字节EEPROM，同时兼有看门狗和电源监控功能键盘模块。1。系统控制的主要硬件电路考虑到本系统安装时受环境影响因素比较多，且教室控制设备中的人体存在传感器、光敏三极管等经常会因环境情形变化而不稳定，所以在设计过程中,电子元器件的选用、线路布置和设备的安放要充分考虑到抗干扰问题.2.系统主控电路本系统的主控模块采用AT89S51作为主控芯片，它是一种低功耗,8位CMOS工艺处理器，具有8K在线可编程Flash存储器，片内的Flash可多次编程，为在线编程提供了方便。片内有128字节的RAM,4KB的EEPROM，由于合理的安排使用片内RAM空间，所以没有片外扩展的RAM，使电路结构简洁.该芯片的主要特征见如表2。1:表2.1 AT89S51主要特征单片机最小系统如图2-2所示：图22 单片机最小系统3。系统供电电路系统供电原理如图23所示,采用+5V电压供电。本设计采用输出电压为9V的变压器.系统接通220V交流电源后，将220V交流电变压到9V，经过二极管全波整流、电解电容C1,C2滤波，再经正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变,改善瞬态响应，输出端还采用了电容C3，C4，最后得到+5V的直流电压，用于给控制系统中单片机系统及其它外围电路的Vcc端供电。.图23 系统供电电路4。数据采集电路教室的环境光强度和人体存在与否是系统主要的输入参数,因此教室中的环境光照强度和人体存在成为系统数据采集的主要对象.常见的环境光强度采集器件主要有光敏二极管和光敏三极管，考虑抗干扰的需要,选用灵敏度较高的光敏三极管.此外，人体存在传感器要求灵敏度高，可靠性强.环境光强度采集电路光电传感器是一种能够将光转化为电量的传感器.采用的光敏三极管除了具有光敏二极管将光信号转化为电信号的功能外，还具有对电信号的放大功能。在无光照时，三极管的穿透电流很小，为暗电流，有光照时，产生的Ib增大，成为光电流Ie,光电流的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的电信号。光敏三极管具有灵敏度高，体积小，工作电压低，工作电流小,发光均匀稳定，响应速度快，寿命长等特点。环境光采集电路原理如图为24所示。当环境光照强度大于一定程度时，光敏三极管D6呈现低阻状态1K,三极管Q12的基极电压升高，Q12管饱和导通，集电极输出低电平。当环境光强度小于一定程度时，光敏三极管D6呈现高阻状态100，使三极管Q12截止,集电极输出高电平.其中调节R26阻值,可使三极管Q12受环境光强度影响在适当的亮度下导通。图24环境光电路人体存在信号采集电路人体存在传感器采用HP208NL人体感应模块（低电平输出)。基于红外线技术的自动控制产品,灵敏度高，可靠性强，广泛应用于各类自动感应电器中。人体传感器的1号引脚为电源信号端VCC,2号引脚为采集信号输出端OUT，3号引脚为地信号端GND.其硬件连接如图25图25 人体存在信号采集电路5。系统时钟电路根据教室灯光使用特性,该系统还应受到时间的控制,因此本研究还加入硬件时钟电路以保证系统的智能化运行。考虑到本系统停电时需为时钟电路提供电源、且不占用太多单片机资源，于是采用具有充电能力的实时时钟芯片DS1302，作为临时性存放数据的RAM寄存器。此芯片采用的是串行通信方式,还可为掉电保护电源提供充电功能，也可以将此功能关闭。该芯片对年、月、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2。5V5.5V.DS1302只需三根线即可与单片机进行通信，体积小，使用简单,时钟精度较高，满足系统的要求，其引脚图如图26所示。图2-6 DS1302的引脚图各引脚的功能为： Vcc1：主电源；Vcc2：备份电源.当Vcc2Vcc1+0。2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc20； i ) /循环8次移位 SCLK = 0； temp = addr; DIO = （bit）（temp0x01）； /每次传输低字节addr = 1； /右移一位 SCLK = 1； /发送数据 for ( i=8； i0； i ） SCLK = 0； temp = dat； DIO = （bit）（temp0x01）;dat = 1； SCLK = 1； CE = 0； /数据读取子程序unsigned char Read1302 ( unsigned char addr ） unsigned char i，temp，dat1，dat2； CE=0； SCLK=0； CE = 1； /发送地址16 for ( i=8； i0； i- ） /循环8次移位 SCLK = 0； temp = addr； DIO = (bit）（temp&0x01)； /每次传输低字节addr = 1; /右移一位 SCLK = 1； /读取数据 for （ i=8； i0； i- ） ACC_7=DIO； SCLK = 1; ACC=1； SCLK = 0； CE=0； dat1=ACC； dat2=dat1/16； /数据进制转换 dat1=dat116； /十六进制转十进制 dat1=dat1+dat2*10; return (dat1）； /初始化DS1302 void Initial（void) Write1302 （WRITE_PROTECT,0X00)； /禁止写保护 Write1302 （WRITE_SECOND,0x56）； /秒位初始化 Write1302 （WRITE_MINUTE，0x34）； /分钟初始化 Write1302 (WRITE_HOUR,0x12）； /小时初始化 Write1302 (WRITE_PROTECT，0x80）； /允许写保护 4。显示驱动模块系统运行过程中的数据显示是人机交互对话的一个重要通道。通过的显示系统数据,我们才可以更好的了解系统运行的状态,从而方便对整个系统进行必要的操作。本系统中采用共阳极的数码管，其中采用ULN2803作为驱动数码管的段选的芯片，采用简单又便宜的9012三极管来驱动数码管的位选,节约成本，程序编写简单.考虑到数码管驱动信号要求的电流较大，采用功率驱动器件ULN2803芯片。此芯片是八组NPN型达林顿功放三极管集成芯片,典型的输入电压是5V，集电极输出功率可达50V0。6A.因此采用ULN2803共阳极数码管的段信号驱动器.而共阳极数码管的位信号驱动则采用8个晶体管9012来实现。又由于ULN2803为低电平驱动,所以数据送到单片机端口前，应在程序中先将数据取反。然后将数据送到ULN2803输入端相连接单片机的P0端口即可。每次先送一位要显示的数据字节，然后再送该位数码管的地址字节，直到8位显示完全。本系统在运行过程中需要显示查看的数据有时钟及显示数值。正常工作中8位显示器显示实时时钟,显示小时、分钟、秒,其中有两位用来显示“-”,用以分隔显示小时、分钟和秒，这样显示更加清晰。五、系统调试运行及问题分析1。单片机系统调试方法及步骤单片机系统的调试应包括硬件及软件两部分,主要是通过调试发现硬件及软件中存在的问题，查看其运行结果是否符合设计要求。在对系统进行实际调试时，首先应对硬件进行静态调试，同时对系统软件进行初步调试,此后再对软件和硬件进行动态调试，最后才能使系统进入正常工作。 （1)静态调试:静态调试主要是排除明显的硬件故障。在将芯片、传感器等元件连接到电路板上时，要保证各处电源极性、电压正确,以防止因电源极性接反或电压过高损坏芯片或传感器。此外，插入芯片必须在断电的情况下进行，特别注意芯片的方向不要插反。（2)软件调试：在软件调试时采用在计算机上利用模拟软件实现对单片机的硬件模拟、指令模拟及运行状态模拟，从而完成应用软件开发的全过程。调试过程中的运行状态、各寄存器状态、端口状态等都可以在指定的窗口区域显示出来，通过这些显示结果随时跟踪程序运行状态,以确定程序运行无错误。 （3）动态调试:控制系统的软件和硬件是密切相关的，由于软件模拟开发系统不能对硬件部分进行诊断，同时也不能实时在线仿真，所以用户程序还需跟硬件连接起来进行联调,同时对软件和硬件进行检查和诊断。整个单片机系统进行在线调试时，需借助仿真开发工具来对用户软件及硬件电路进行诊断、调试.在应用系统各模块电路调试成功后，将程序加载到在线仿真器上，这时就能单步或连续地执行目标程序，同时也可以根据需要分段设置断点执行程序.而对于一些与硬件相关的用户程序,如接口驱动程序等，则需要配合硬件，进行在线调试，如果有逻辑错误，也要及时纠正修改。程序调试完毕后，利用编程器将程序固化到单片机中，使整个系统运行起来。各模块电路调试流程图如下示:图4-1电源调试图42单片机最小系统调试图4-3按键电路调试图44显示电路调试图45采集电路调试2.主要问题分析在本系统的调试过程中遇到的主要问题的分析与解决方案.1 电源供电电路中集成稳压器温度过高。分析解决：稳压器温度过高的原因之一是:变压器整流滤波后加到集成稳压器上的电压较高，使7805上的压降过大.此问题可通过选用输出电压低些的变压器,并在集成稳压器前串入两只二极管降压，同时增大散热片来解决。 2人体存在传感器有人存在时输出高电平的电压偏低分析解决：人体存在传感器输出高电平的电压偏低,单片机会产生误判，或采集不到正确的信号，于是在人体存在传感器的输出端加一个100K的上拉电阻。 3人存在的教室中，若人体超过十秒没有活动,人体传感器是不会有信号输出的，那么如何判定教室此时有人的问题。分析解决:此问题在系统软件设计时，可将采集有人体信号存在的状态适当延长保持二至五分钟，并加以后续处理。 4单片机控制信号输出后，继电器没按预定设计产生动作.分析解决：单片机输出控制信号,在控制继电器时，必须加三极管来驱动,否则信号电流过小将不能使继电器产生吸合动作,而且必须采用三极管的集电极来驱动继电器，最后再带动负载.继电器驱动电路中还需注意的是要与继电器线圈并联一个续流二极管，增加对驱动三极管的保护。 5每次开机插上电源后，硬件时钟显示的时间都从所设初始值开始计时。分析解决：硬件时钟显示的时间不正常.解决办法：一方面是充电电池没有充电功能；另一方面是应对硬件时钟进行自检。六、总结该教室灯光系统的控制是以AT89S51单片机芯片为核心，通过相关电路的驱动，完成对系统设备（电灯)的控制，采用一个二极管闪烁显示整个系统的工作状态，实现了对教室灯光的自动开灯、关灯控制.系统控制单元的硬件电路中多采用集成电路(ULN2803，DS1302，X5045等),简化了电路设计,同时节省了单片机I/O口资源，为系统进一步扩展留下了空间.系统的硬件及软件设计，经实验初步证实了系统具有很好的稳定性，提高了电能的利用率。在保证稳定、可靠工作的前提下，硬件设计上尽量采用性价比高的元器件，以降低成本。软件设计上采用多任务形式对信号的采集、处理，达到最终控制灯光的目的。基于AT89S51单片机的教室灯光智能控制系统设计姓名：学号：专业：探测制导与控制技术