毕业设计(论文)_基于AT89S51单片机的教室灯光智能控制系统设计说明.doc

. 摘 要本课题针对教室灯光的控制，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机设计教室灯光智能控制系统的思路，并在此基础上开发了智能控制系统的硬件模块和相应软件部分。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。本系统程序部分采用C语言编写，采用模块化结构设计、条理清晰、通用性好，便于改进和扩充。该系统具有体积小，控制方便，可靠性高，针对性强，性价比高等优点，可以满足各类院校对教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能目的。关键词：智能控制器 热释红外传感器 单片机引言 当前，随着经济的飞速发展，能源短缺问题日益突出，成为一个国家经济发展的“瓶颈”。作为工业生产和人民生活不可或缺的电力能源更是如此。尤其现今越来越提倡低碳生活，节约能源已经成为一种全球共识，而作为培养社会精英的高校更应该起到榜样的作用。但是目前在校园，教室灯火通明，却空无一人的现象屡见不鲜，这不仅造成了严重的资源浪费，也对高校的形象造成了很坏的影响。本文所研究的教室灯光控制系统就可以很好地实现节约能源的作用。1 系统硬件组成 整个系统由中央控制电路、24按键电路、光敏传感电路、继电器驱动电路、时钟电路、液晶显示电路六个模块组成。其中，光敏传感电路模块主要完成对教室当前光线明暗程度的判定，时钟电路主要实现时基功能，两者分别提供光照和定时数据供以单片机为核心的中央控制模块进行逻辑判断，单片机最终将运算结果输出到液晶显示屏，同时对教室灯光进行控制。整个系统的硬件框图如图1所示。11 中央控制模块 系统中，中央控制器主要用于接收两个外部数据，由此判断是否定时时间已到，教室光照是否充足。控制器根据这两个外部数据来进行逻辑运算，从而实现定时开关灯、刷新液晶显示屏，同时可以通过键盘设置时间日期、查看相关信息根据系统设计要求，控制器选择了宏晶科技公司提供的STCl2C4052AD型单片机。该款是一种高速、高可靠性单片机，工作电压5534V，Flash程序存储器4K字节，SRAM为256字节，2个定时器，8路8位AD转换器，可通过串口实现在线编程、AD转换、看门狗等功能。12 液晶显示电路 为了实现较好的人机交互界面，在本系统中采用1602液晶显示屏来显示用户的设定作息时间与用户所查询的信息。 点阵字符型液晶显示器是专门用于显示数字、字母、图形符号与少量自定义符号的显示器。这类显示器把LCD控制器点阵驱动器字符存贮器全做在一块印刷板上。系统选用日立公司的HD44780液晶显示。HD44780具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动闪烁等功能。与MCU的传输可采用8位并行传输或4位并行传输2种方式。液晶显示电路如图2所示。 13 其他电路 按键电路主要由一个24的按键阵列组成，主要用于完成作息时间、当前时间、定时时间段的设定。光敏传感电路实现教室光照强度数据的采集，其门限值可通过可调电阻调节。指示灯主要实现对系统工作状态，如系统工作于自动控制模式还是强制模式，灭灯或亮灯状态等的指示。2 系统工作原理 本系统能够采集室光照强度数据，并结合学校作息时间对教室灯光进行实时控制，达到方便和节约能源的目的。电路存在两种工作模式：自动控制模式和强制模式。21 自动控制模式 系统复位默认工作在自动控制模式，当教室自然光线弱，光敏传感器把感应到的光强信号送至单片机处理，输出照明命令，则打开教室灯光，但因系统定时关灯时间与学校作息时间一致，因此在非需要开灯的时间段，教室灯光自动关闭，达到节约用电的效果。 系统考虑到如果教室外自然光很强，但因某种需求需要拉上窗帘，这样室光照就不太理想，需要开灯，因而设置了两路光敏传感器，一路探测室光强，一路探测室外光强，这体现了系统设计的灵活性。22 强制模式 系统正常工作的情况下，通过按下强制按钮，就能对灯进行强制开关的控制，通过该按钮也能使电路切换回自动控制状态。设置强制按钮主要考虑到有时需要对灯进行强制控制，例如需要在教室通过投影仪观看电影时，为达到最佳的收看效果，需要关上灯。3 软件设计 系统采用STC12C4052AD单片机作为控制的核心，负责整个系统的逻辑运算，因此软件设计是系统能否稳定运行以与能否实现设计功能的关键。本系统中STCl2C4052AD单片机主要完成接收外部数据、处理数据、输出控制数据。所以软件的重点是：如何接收外部数据，如何处理以与如何输出控制数据。因此，在该软件实现中我们采用了模块化的方案，整个软件设计由初始化模块、键盘接收模块、中断处理模块、数据显示模块和定时输出模块五个模块组成，系统程序主流程框图如图3所示。 初始模块主要完成IO口、定时计数器、中断以与液晶显示屏的初始化，键盘接收模块主要用于接收初始变量，如当前时间、作息时间等的设定。同时也接受相关数据的查询，如查询设定好的作息时间、光照阈值等，数据显示模块用于显示当前的时间、定时开关时间以与用户要查询的相关数据。4 调试和总结 在整个系统设计完成之后我们在调查研究的基础上，对什么光线情况下应该开灯与系统在根据学校的作息时间上进行了设定验证、调试，结果显示本系统可以稳定运行且效果理想。 本系统主要应用于教室的灯光控制，但是对于一些公共场合，如会议室、办公室、楼道等场所，只要在本系统的基础上稍加改动，也可以很好地满足其需要，因此本系统的可移植性好，具有比较大的市场潜力和广泛的应用前景.29 / 37目录摘要I第一章教室灯光控制器简介与方案分析11.1教室灯光控制器简介11.2系统控制方案分析1第二章系统控制模块的硬件设计32.1系统控制模块的硬件构成与简介32.2系统控制的主要硬件电路32.2.1系统主控电路32.2.2系统供电电路42.2.3数据采集电路52.2.4系统时钟电路72.2.5继电器驱动电路82.2.6超时报警电路82.2.7按键控制电路92.2.8系统看门狗电路9第三章控制模块软件设计133.1系统监控主程序模块133.1.1系统自检初始化133.1.2定时中断处理设计143.2数据采集模块143.2.1人体存在传感器的优缺点143.2.2数据采集软件的实现143.3时钟模块153.3.1数据输入输出153.3.2时钟程序设计163.4显示驱动模块18第四章系统调试运行与问题分析214.1单片机系统调试方法与步骤214.2主要问题分析22第五章总结与展望255.1总结255.2展望25致27参考文献29第一章 教室灯光控制器简介与方案分析1.1教室灯光控制器简介本课题设计的控制器可有效的实现教室灯光的智能控制。其输入参数主要是人体存在信号和环境光强度信号等外界因素。环境光的强度达到一定值时不开灯，环境光强度在一定阀值以下且有人存在时开灯，实验证明这种方案可以实现对教室灯进行智能控制。教室灯光控制器一般安装在教室避开电灯直射的位置，且人体传感器安置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灵敏、可靠，同时还要尽可能避免外界风直接吹向人体传感器。1.2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。第二章 系统控制模块的硬件设计2.1系统控制模块的硬件构成与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。AT89S51单片机最小系统热释红外传感器环境光采集电路超时报警模块按键电路数码管显示模块看门狗模块时钟模块EEPROM存储器模块图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。系统数据存储与故障保护部分由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。2.2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。2.2.1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，片的Flash可多次编程，为在线编程提供了方便。片有128字节的RAM，4KB的EEPROM，由于合理的安排使用片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AT89S51引脚外围器件引脚说明P0. 0-P0. 7ULN2803数码管段码驱动接口P2. 0-P2. 7PNP-9012基极数码管段码驱动接口P1. 0X5045SIX5045串行输入端P1. 1X5045SCKX5045串行时钟端P1. 2X5045CSX5045片选端P1. 3X504550X5045串行输出端P1. 4工作状态指示灯P1. 5DS1302CLKDS1302时钟线P1.6DS1302I/ODS1302数据线P1. 7DS1302RSTDS1302复位线P3. 0- P3. 1数据采集输入端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. 7光敏三极管输入信号端单片机最小系统如图2-2所示：图2-2 单片机最小系统(1) 40（Vcc）20（GND）脚间的电压应有5V 。(2) 18、19脚分别与20脚间有1.72.5V电压 (3) 9（RST）脚与GND间电压基本为0 。(4) 31脚 （EA）与20引脚（GND）间电压为5V 。2.2.2系统供电电路系统供电原理如图2-3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与其它外围电路的Vcc端供电。.图2-3 系统供电电路2.2.3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。一、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2-4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2-4环境光电路二、人体存在信号采集电路人体存在传感器采用HP-208-N-L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2-5。图2-5 人体存在信号采集电路HP-208-N-L功能特点：全自动感应：人进入其感应围则输出低电平，人离开感应围则自动延时关闭低电平，输出待机时的高电平。两种触发方式：a.不可重复触发方式：即感应输出低电平后，延时时间段一结束，输出将自动从低电平变为高电平；b.可重复触发方式：即感应输出低电平后，在延时时间段，如果有人体在其感应围活动，其输出将一直保持低电平，直到人离开后至延时结束，低电平跳变为高电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点).具有感应封锁时间：感应模块在每一次感应输出后，待延时时间一结束，可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。(此时间可设置在零点几秒几十秒钟)。微功耗：静态电流50微安，特别适合干电池供电的电器产品；输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接；技术参数：工作电压：DC4.5V至DC24V均可；输出低电平：0V，待机时的高电平为3.3V；延时时间：可制作围零点几秒十几分钟；封锁时间：可制作围零点几秒几十秒；触发方式：L不可重复；H可重复；感应围：Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc20； 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； /发送数据 for ( i=8； i0； i- ) SCLK = 0； temp = dat； DIO = (bit)(temp&0x01)； 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 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=dat1%16； /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 3.4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与显示数值。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。第四章 系统调试运行与问题分析4.1单片机系统调试方法与步骤单片机系统的调试应包括硬件与软件两部分，主要是通过调试发现硬件与软件中存在的问题，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、指令模拟与运行状态模拟，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与硬件电路进行诊断、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，也要与时纠正修改。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4-2单片机最小系统调试图4-3按键电路调试 图4-4显示电路调试图4-5采集电路调试4.2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