教室照明控制器的設(shè)計

1、0目錄第 1 章 緒論.11.1 設(shè)計意義.11.2 國內(nèi)外教室燈光控制器研究的現(xiàn)狀及其存在的問題.11.3 本課題設(shè)計的內(nèi)容與目標(biāo).31.3.1 設(shè)計內(nèi)容.31.3.2 設(shè)計目標(biāo).31.4 本課題擬解決的關(guān)鍵問題.4第 2 章 方案論證.52.1 教室燈光控制器簡介.5 2.2 系統(tǒng)控制方案論證.5第 3 章 系統(tǒng)控制模塊的硬件設(shè)計.83.1 單片機的選擇.83.2 光照檢測方式.93.3 人體感應(yīng)方式.93.4 照明設(shè)備驅(qū)動電路.103.5 DS1302 時鐘電路.103.6 控制系統(tǒng)的主要硬件電路.113.6.1 系統(tǒng)主控電路.113.6.2 日光強度檢測模塊電路.123.6.3 熱釋電

2、紅外人體檢測模塊電路.143.6.4 系統(tǒng)時鐘電路.163.6.5 鍵盤管理模塊電路.183.6.6 8 鎖存器 74LS573 介紹.203.6.7 超時報警電路.213.6.8 系統(tǒng)供電電路.223.6.9 照明設(shè)備控制電路.233.7 智能照明控制系統(tǒng)照明負(fù)荷計算.25 3.7.1 計算結(jié)果分析.26第 4 章 控制模塊軟件設(shè)計.274.1 系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊.274.1.1 系統(tǒng)自檢初始化.284.1.2 定時中斷處理.284.1.3 多任務(wù)操作系統(tǒng)的構(gòu)建.294.2 數(shù)據(jù)采集模塊.304.2.1 存在傳感器的優(yōu)缺點.304.2.2 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計的實現(xiàn).304.2.3 人體存在傳感

3、器的抗干擾措施.314.2.4 人體存在傳感器的安裝要求.314.3 時鐘模塊.324.3.1 數(shù)據(jù)輸入輸出.324.3.2 時鐘內(nèi)部寄存器的使用.324.3.3 時鐘自檢初始化.3314.4 顯示驅(qū)動模塊.344.5 系統(tǒng)鍵功能.34第 5 章 總結(jié).355.1 出現(xiàn)的問題.355.2 建議.35致謝.37參考文獻(xiàn).380第第 1 1 章章 緒論緒論隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能產(chǎn)品深入生產(chǎn)生活各個領(lǐng)域，是生活方式產(chǎn)生巨大的變化。在節(jié)能方面，由于智能控制的介入，使得其效率大大的提高，產(chǎn)品應(yīng)用范圍更廣，適應(yīng)環(huán)境能力更強。1.11.1 設(shè)計意義設(shè)計意義隨著國名經(jīng)濟的快速發(fā)展，高等教育越來越被政府關(guān)注和

4、重視，校園規(guī)模也隨著高等教育規(guī)模的擴大而擴大，教室的數(shù)量也大幅度增加。為使師生有舒適的教學(xué)和學(xué)習(xí)的環(huán)境，在教室的面積、設(shè)施和照度方面，學(xué)校在力所能及的范圍內(nèi)予以最大的改善。但由于大學(xué)開放式的管理模式，以及部分大學(xué)生的節(jié)能意識的淺薄，高校的教室在白天室內(nèi)照度很高的情況下，仍然普遍存在開燈作業(yè)；夜間許多教室，即使有幾個學(xué)生在教室自習(xí)，但室內(nèi)照明設(shè)施全部開啟；另外，長眠燈比比皆是，人走不熄燈的現(xiàn)象到處存在。為了綠色節(jié)約型社會，本文設(shè)計了一種智能照明控制系統(tǒng)，可以合理有效地利用照明燈光，從而大大地減少高校照明能源浪費的現(xiàn)象。目前對燈光的智能控制，國內(nèi)外已經(jīng)開始采用，但對教室燈光的控制，尤其是我國教室燈

5、光的智能控制尤為缺乏和不完善，依然是傳統(tǒng)式的人工管理。各類大、中專院校不斷擴招，教室不斷擴建，教室的用電負(fù)荷不斷加大，教室用電管理不善，造成學(xué)校電能浪費，經(jīng)濟損失，這種的浪費與當(dāng)今的節(jié)約能源理念相違背。再者，現(xiàn)代自動化程度不斷提高，計算機技術(shù)的普及，燈光的管理也在朝著自動化、智能化方向發(fā)展。例如樓道燈光的自動控制等等。所有這些使得教室燈光控制也應(yīng)該朝著智能的方向發(fā)展。于是，開發(fā)簡便，實用的教室燈光自動控制系統(tǒng)便具有重要的現(xiàn)實意義。 1.21.2 國內(nèi)外教室燈光控制器研究的現(xiàn)狀及其存在的問題國內(nèi)外教室燈光控制器研究的現(xiàn)狀及其存在的問題世界各地發(fā)電的主要原料是煤炭、石油和天然氣，面丹麥在能源利用方

6、面的成功經(jīng)驗提供了很好的借鑒。從 1974 年以來，盡管丹麥國民收入增長了50%。丹麥總的能源消費量并沒有增加。丹麥?zhǔn)?OECD 成員國中能源消耗量和國1民收入比值最小的國家。他們不斷地提供一些節(jié)能供熱系統(tǒng)。例如丹麥熱電周供熱電廠(CHP)。兩且，他們盡可能的有效利用資源。這樣，他們的能源使用總效率達(dá)到了 90%。丹麥政府很重視住房空同用電的節(jié)約，并設(shè)立了對新建房屋節(jié)能的諸多要求。數(shù)據(jù)顯示，居民入住有節(jié)能裝置的房子時，他們要支付比沒有節(jié)能方案房屋高出 8%的費用。其節(jié)能項目經(jīng)驗在歐盟國家中廣為流傳。還有，歐司朗斯維尼亞公司不斷的推出新型高輸出的熒光燈，節(jié)約 6%的總系統(tǒng)功率，并具有更高的光通量

7、和平均光通量。飛利浦照明公司推出的陶瓷金鹵燈代替過去的鹵鎢燈，可節(jié)能 60%的電能。種種跡象表明世界各國都在采取不同方式來節(jié)約能源，節(jié)約電能。中國經(jīng)濟持續(xù)多年的高速發(fā)展讓能源問題日益突出。雖然我國能源總儲量不低，但由于我國人口眾多，所以人均儲量少，單位產(chǎn)值的能耗是發(fā)達(dá)國家的3-10 倍。能源問題已成為制約我國國民經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵問題。從環(huán)境和自然資源角度出發(fā)，能源問題也是我國長期可持續(xù)發(fā)展 戰(zhàn)略中一個關(guān)鍵因素。此外，能源問題不僅關(guān)系經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境生態(tài)，在特定情況下還會對社會穩(wěn)定有很大影響。鑒于能源問題的重要性，我國在綠色照明工程新聞發(fā)布，綠色照明工程未來五年問將在公用設(shè)旅、 賓館、商廈、居民住所

8、等全國建筑物中推廣 1.5 億只節(jié)能燈，節(jié)電 290 億度電。上海、河北等一些地方采取政府對節(jié)能燈大宗采購每只補貼 3 至 4 元的方式進(jìn)行推廣。從普通白熾燈到高效節(jié)能燈，使我國的電光源 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)逐步向節(jié)電型轉(zhuǎn)變，熒光燈與普通白熾燈的比例由 1995 年的1：6.25 上升到目前的 1：1.5。目前，我國照明用電約占社會總用電量 12%，采用高效照明產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低效照明產(chǎn)品可節(jié)電 60%-80%。如今，北京正在大力推行綠色照明工程，己推出上百萬只綠色照明光源和部分節(jié)能電器，據(jù)估算年節(jié)約用電可達(dá) 3442 萬千瓦時，節(jié)約電費 2519.7 萬元。政府已經(jīng)在商廈、學(xué)校、醫(yī)院等更換 24 萬只節(jié)能

9、燈具。在奧運工程的建設(shè)上、也大量運用節(jié)能技術(shù)，北京的奧運場館“水立方” ，通過采用大量的節(jié)能燈具，裝備新技術(shù)，通過增強透光性白天可節(jié)約照明能耗 50%。我們黨在 2000 年 10 月 11 日黨第十五屆中央委員會第五次會議通過 的2中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十個五年計劃的建議中明確指出： “加強基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是今后五年至十年一項十分重要的任務(wù)。 ”其中提到的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)就包括了能源建設(shè)。 建議還強調(diào)了能源建設(shè)要發(fā)揮資源優(yōu)勢，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高利用效率，加強環(huán)境保護。面臨如此緊迫的能源問題，我們應(yīng)該把著眼點放在“高效”利用“清 潔”能源上。由此可見，節(jié)能照明用電，對節(jié)能具有重要的意義。

10、目前國內(nèi)各類院校中，由于同學(xué)們的自覺節(jié)能意識薄弱，在光線足夠強時也開燈，課上完離開教室后燈還亮著的現(xiàn)象普遍存在；而且，節(jié)能規(guī)劃極為欠缺，教室的燈光 控制由管理人員手工代替，教室極多，管理人員忙不過來,這樣就造成不必要的電能 浪費和經(jīng)濟損失?；谝陨戏N種原因，提高教室用電效率就成為學(xué)校節(jié)能的重要且主要的措施之一，因此節(jié)能技術(shù)的重要手段之一就是教室燈關(guān)自動控制系統(tǒng)的設(shè)計無疑就成為其中一項重要課題。1.31.3 本課題設(shè)計的內(nèi)容與目標(biāo)本課題設(shè)計的內(nèi)容與目標(biāo)1.3.11.3.1 設(shè)計內(nèi)容設(shè)計內(nèi)容本課題設(shè)計的內(nèi)容有以下幾點：（1） 了解教室照明光強的標(biāo)準(zhǔn)；（2） 調(diào)研教室燈光照明需求以及環(huán)境光強弱與開關(guān)

11、燈的關(guān)系；（3） 設(shè)計人體存在探測技術(shù)，探測角度與范圍；（4） 設(shè)計傳感器在教室分布，安放問題、是否一燈一個傳感器或多燈共用傳感器；（5） 設(shè)計確定人體傳感器的有關(guān)參數(shù)；（6） 設(shè)計燈光控制器電源問題；（7） 設(shè)計控制器參數(shù)值設(shè)定的要求及方案；（8） 設(shè)計人工設(shè)置參數(shù)、掉電保存參數(shù)的問題；（9） 設(shè)計使用遙控器燈光控制技術(shù)；（10）設(shè)計與現(xiàn)有教室照明相兼容，以替代，不易被偷盜、被仿制，易于維護維修 等控制技術(shù)；31.3.21.3.2 設(shè)計目標(biāo)設(shè)計目標(biāo)設(shè)計的教室燈光控制系統(tǒng)能用于現(xiàn)有教室照明系統(tǒng)的人性化智能管理。實現(xiàn)自動、手動燈光控制相兼容，以降低成本；通過反復(fù)試驗和改造，最終達(dá)到可靠性、 實用

12、性、推廣性較好的目標(biāo)。1.41.4 本課題擬解決的關(guān)鍵問題本課題擬解決的關(guān)鍵問題本課題擬通過實驗設(shè)計教室燈光的各種控制方案解決如下關(guān)鍵問題；（1） 傳感器與教室燈光配合安裝的問題；（2） 環(huán)境光參數(shù)輸入采集問題；（3） 人存在傳感器參數(shù)輸入采集問題；（4） 開關(guān)燈的自動與手動兼容措施；4第第 2 2 章章 方案論證方案論證2.12.1 教室燈光控制器簡介教室燈光控制器簡介本課題設(shè)計的控制器可有效地實現(xiàn)教室燈光的智能控制。其輸入?yún)?shù)主要是人體存在信號和環(huán)境光強度信號等外界因素。環(huán)境光強度在一定閥值以下且有人存在時開燈，實驗證明這種方案可以實現(xiàn)對燈光進(jìn)行智能控制。教室燈光控制器一般安裝在教室內(nèi)避開

13、電燈直射的位置，且人體傳感器安置時應(yīng)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，同時還要盡可能避免外界風(fēng)直接吹向人體傳感器。2.22.2 系統(tǒng)控制方案論證系統(tǒng)控制方案論證 1.手動教室照明系統(tǒng)設(shè)計該控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的手動照明設(shè)計方法，采用傳統(tǒng)的手動(開和關(guān)兩種)控制方式，使用但是它已經(jīng)不能解決實際場景對照明效果的不同需求，簡單的控制方式更不便于管理和維護。以節(jié)約能源為目的，與現(xiàn)代通信技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)等相結(jié)合的智能照明技術(shù)，滿足了“綠色照明”的設(shè)計要求，具有較大的發(fā)展空間。2.基于 PLC 原理的照明系統(tǒng)設(shè)計該控制系統(tǒng)采用 PLC 控制

14、，隨著我國教育事業(yè)的發(fā)展，學(xué)校照明用電量越來越大，電能損失也隨之增加。現(xiàn)在大多數(shù)教室的照明控制系統(tǒng)都是采用浪費現(xiàn)象比較嚴(yán)重。教室中的開關(guān)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)分區(qū)控制，但是有人很少去關(guān)心哪排燈由哪個開關(guān)去控制，因此就出現(xiàn)了所謂的長明燈現(xiàn)象。為了針對這種情況，本文設(shè)計出了一種用 P L C 作為控制器的節(jié)能、智能控制系統(tǒng)。使整個系統(tǒng)處于自動的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對教室照明系統(tǒng)的智能控制。一方面減少了人工的參與，更為主要的是實現(xiàn)了人走燈滅，人來燈亮，使長明燈現(xiàn)象得到解決，使教室的照明用電得到合理有效的利用。該系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)教室無人時所有的燈都自動關(guān)閉；當(dāng)教室有人時，且照度達(dá)不到設(shè)定的要求時自動打開人所在區(qū)域

15、的燈；當(dāng)教室有人時且照度達(dá)到設(shè)定的要求時自動關(guān)閉人所在區(qū)域的燈。5對于使用投影儀的多媒體教室，可以實現(xiàn)在投影儀開啟后延遲一定的時間，自動關(guān)閉講臺區(qū)對應(yīng)的燈以達(dá)到較佳的視覺效果。其控制系統(tǒng)框圖如 2-1 圖所示。圖 2-1 PLC 系統(tǒng)控制框圖3.基于單片機原理的照明系統(tǒng)設(shè)計該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)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動與手動控制相兼容。在自然光強度大于 300（lx）時，而且有人存在，都不開燈；在自然光強度小于 150（lx）時，有人存在且超過一定時間，控制器自動打開電燈，直到人離開時延時一定時間后在關(guān)燈。同時，還可設(shè)置作息時間來控制，夜晚超過 11 點時，若還有人存在，

16、則關(guān)閉自動控制器的運行，改用開關(guān)來手動控制，以解決在特殊情況下，自動控制器的不人性運行。所設(shè)計的教室燈光控制器主要有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)的各種功能，達(dá)到設(shè)計目的。系統(tǒng)控制單元是以單片機主控模塊為核心，其他外圍電路包括：系統(tǒng)供電模塊、硬件時鐘模塊、人體存在傳感器模塊、及超時報警模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 2-2 所示。根據(jù)畢業(yè)設(shè)計要求本次設(shè)計采用基于單片機原理的照明控制系統(tǒng)。6MAX485教室 1教室 2教室 8電源超時報警電路照明驅(qū)動電路89C2

17、051RST/復(fù)位光敏檢測電路 熱釋電紅外傳感器 DS1302 時鐘控制制.圖 2-2 結(jié)構(gòu)框圖7第第 3 3 章章 系統(tǒng)控制模塊的硬件設(shè)計系統(tǒng)控制模塊的硬件設(shè)計考慮到本系統(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等經(jīng)常會因環(huán)境情形變化而不穩(wěn)定，所以設(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。3.13.1 單片機的選擇單片機的選擇1.MCS-51 單片機AT89C2051 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 2k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和 128bytes 的隨機數(shù)據(jù)存儲

18、器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，AT89C2051 單片機在電子類產(chǎn)品中有廣泛的應(yīng)用。AT89C2051 是一帶有 2K 字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器（EEPROM）的低電壓，高性能 8 位 CMOS 微處理器。它采用 ATMEL 的高密非易失存儲技術(shù)制造并和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MCS-51 指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過在單塊芯片上組合通用的 CPLI 和閃速存儲器， ATMEL 的AT89C2051 是一強勁的微型處理器，它對許多嵌入式控制應(yīng)用提供一定高度靈活和成本低的解決

19、辦法。AT89C2051 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 2K 字節(jié)閃速存儲器， 128 字節(jié)RAM，15 根 I/O 口，兩個 16 位定時器，一個五向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行口，一個精密模擬比較器以及兩種可選 的軟件節(jié)電工作方式?？臻e方式停止 CPU 工作但允許 RAM、定時器/計數(shù)器、串行工作口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 內(nèi)容但振蕩器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一個硬件復(fù)位。2.AVR 單片機1997 年,由 ATMEL 公司挪威設(shè)計中心的 A 先生與 V 先生利用 ATMEL 公司的Flash 新技術(shù), 共同研發(fā)出 RISC 精簡指令集的高速 8 位單片機，簡稱 AVR。

20、相對于出現(xiàn)較早也較為成熟的 51 系列單片機，AVR 系列單片機片內(nèi)資源更為豐富，8接口也更為強大，同時由于其價格低等優(yōu)勢，在很多場合可以替代 51 系列單片機。由于采用了高性能的 MCU,省掉了大量的外圍器件,如外擴 RAM、ROM 存儲器等,使硬件結(jié)構(gòu)大大簡化,提高了系統(tǒng)的可靠性。它與其它結(jié)構(gòu)類型單片機相比，AVR 具有以下一系列的優(yōu)點：（1）在相同的系統(tǒng)時鐘下 AVR 運行速度最快；（2）芯片內(nèi)部的 Flash、EEPROM、SRAM 容量較大；（3）所有型號的 Flash、EEPROM 都可以反復(fù)燒寫、全部支持在線編程寫(ISP)；（4）多種頻率的內(nèi)部 RC 振蕩器、上電自動復(fù)位、看門

21、狗、啟動延時等功能，零外圍電路也可以工作；每個 IO 口都可以以推挽驅(qū)動的方式輸出高、低電平，驅(qū)動能力；內(nèi)部資源豐富，一般都集成 AD、DA 模數(shù)器、PWM、SPI、USART、TWI、CI2通信口、豐富的中斷源等。方案分析：除了以上幾種單片機，市場上還有好的其它結(jié)構(gòu)單片機。如果實現(xiàn)本系統(tǒng)，基本上上述三種類型的單片機都可以實現(xiàn)?？紤]到 MCS-51 單片機具有較強的代表性以及該系列單片機資料較多，本設(shè)計采用 AT89C2051 來實現(xiàn)。3.23.2 光照檢測方式光照檢測方式（1）采用光敏二極管或三極管等光傳感器件把環(huán)境亮度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字電平，然后直接接入單片機 IO 引腳。（2）采用光敏電阻

22、把環(huán)境亮度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值（模擬值） ，然后通過運放后給單片機輸入一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號。由于光敏電阻屬于純阻性器件，所以采用方案一。3.33.3 人體感應(yīng)方式人體感應(yīng)方式（1）采用紅外對管進(jìn)行檢測。紅外發(fā)送管和紅外接收管分別安裝在通道兩側(cè)。當(dāng)某一時刻紅外接收管如果接收不到信號表示兩者之間有遮擋物通過，可9以視為有人體進(jìn)入。（2）采用集成電路 BIS0001，該芯片是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件就可構(gòu)成被動式的熱釋電紅外開關(guān)、報警用人體熱釋電傳感器等。它能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風(fēng)扇、烘干機和自動洗手池等裝置，特別適用于

23、企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的過道、走廊等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報警系統(tǒng)。 由于方案 1 要求紅外發(fā)送管和接收管必須相對才行，而且兩者距離有限，實現(xiàn)起來較為不便，所以本設(shè)計采用二。3.43.4 照明設(shè)備驅(qū)動電路照明設(shè)備驅(qū)動電路1.采用可控硅控制可控硅又稱晶閘管，是一種具有三個 PN 結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件。其具有體積小、結(jié)構(gòu)相對簡單、功能強等特點，是比較常用的半導(dǎo)體器件之一。2.采用繼電器控制繼電器是一種當(dāng)輸入量（電、磁、聲、光、熱）達(dá)到一定值時，輸出量將發(fā)生跳躍式變化的自動控制器件。其具有動作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長、體積小等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于電力保護、自動化、運動

24、、遙控、測量和通信等裝置中。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，可以將其分為電磁繼電器、熱敏干簧繼電器、固態(tài)繼電器、磁簧繼電器、光繼電器等型號。由于電磁繼電器簡單易用，開關(guān)狀態(tài)極其容易判斷，所以本設(shè)計采用電磁繼電器來控制。3.53.5 DS1302DS1302 時鐘電路時鐘電路DS1302 存在時鐘精度不高，易受環(huán)境影響，出現(xiàn)時鐘混亂等缺點。DS1302 可以用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄。這種記錄對長時間的連續(xù)測控系統(tǒng)結(jié)果的分析及對異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因的查找具有重要意義。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記10錄方式是隔時采樣或定時采樣，沒有具體的時間記錄，因此，只能記錄數(shù)據(jù)而無

25、法準(zhǔn)確記錄其出現(xiàn)的時間；若采用單片機計時，一方面需要采用計數(shù)器,占用硬件資源，另一方面需要設(shè)置中斷、查詢等，同樣耗費單片機的資源，而且，某些測控系統(tǒng)可能不允許。但是，如果在系統(tǒng)中采用時鐘芯片DS1302，則能很好地解決這個問題。3.63.6 控制系統(tǒng)的主要硬件電路控制系統(tǒng)的主要硬件電路3.6.13.6.1 系統(tǒng)主控電路系統(tǒng)主控電路本系統(tǒng)的主控模塊主要采用 ATMAL 公司的 AT89C2051 作為主控芯片，AT89C2051 是個低功耗，高性能的 COMS8 位單片機，片內(nèi)含 2KB 的可反復(fù)擦寫的只讀 Flash 程序存儲器和 128KB 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）,器件采用ATMAL

26、 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元。AT89C2051 只有 20 個引腳，15個 I/O 口（其中 PI 是個完整的 8 位雙向 I/O 口），2 個外中斷口，2 個 16 位可編程定時計數(shù)器，2 個全雙向串行通信口，1 個模擬比較放大器。指令系統(tǒng)與MCS-51 系列完全兼容，除了沒有外部數(shù)據(jù)存儲器和外部程序存儲器等擴展功能外，它具有 80C31 單片機的所有功能。其主要特點位：（1）MCS-51 產(chǎn)品完全兼容；（2）2K 字節(jié)可編程閃爍內(nèi)存；（3）編程次數(shù)可達(dá) 1000 次；（4）兩級程序加密防盜；（

27、5）15 個可編程 I/O 口、2 個 16 位定時器/計數(shù)器、可直接驅(qū)動 LED 顯示，5 個中斷源；（6）二級中斷優(yōu) Flash 存儲先級、全雙工串行口。正是因為 AT89C2051 單片機具有上述特點，尤其是自帶 Flash 存儲器，并且能夠有效擦除 1000 次，是整個系統(tǒng)的硬件電路變得簡單，大大縮短了開發(fā)周期。AT89C2051 的 CPU 有兩種節(jié)電工作方式既空閑和掉電方式，遙控器采用了空閑節(jié)電方式。當(dāng) CPU 執(zhí)行完 IDL=1（PCON.0=1）指令后，系統(tǒng)進(jìn)入了空閑工MAX485MAX48511作方式，這時內(nèi)部始終不向 CPU 提供，而只供給中斷、串行口、定時器部分。AT89

28、C2051 的 P1 是一組 8 位雙向 I/O 口，P1.2-P1.7 提供內(nèi)部上拉電阻，P1.0 和 P1.1 內(nèi)部沒有上拉電阻。P1 口輸出緩沖器可以吸收 20mA 電流并可以直接驅(qū)動 LED 當(dāng) P1 口引入腳寫入“1”時可以做輸入端，當(dāng)引腳 P1.2-P1.7 用作輸入并被外部拉低時，它們將內(nèi)部的上拉電阻而輸出電流。P3 口還用于實現(xiàn)AT89C2051 特殊功能，如表 3-1 所示。表 3-1 P3 口特殊功能口引腳功能特性 RXD（串行輸入口）P3.ORXD（串行輸入口）P3.1TXD(串行輸出口)P3.2INTO(外中斷 0)P3.3INY1(外中斷 1)P3.4TO(定時/計數(shù)

29、 0 外部輸入)P3.5T1(定時/計數(shù) 1 外部輸入)AT89C2051 的 P3 口只要七個引腳，P3.6 沒有引出。P3 口的 P3.0-P3.5，P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻的 7 個可吸收雙向 I/O 口，P3 口緩沖器可以吸收 20mA 電流，當(dāng) P3 口寫入“1”時，它們內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口，作輸入端時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流。 3.6.23.6.2 日光強度檢測模塊電路日光強度檢測模塊電路考慮到教室內(nèi)部距離窗戶遠(yuǎn)近不同，接受日光度不同的特點，為避免光電探測器受光面的缺點，應(yīng)在教室周圍進(jìn)行合理的分布光電探測器,用于探測自然光的強弱。根據(jù)我校主教學(xué)樓中

30、日光燈的分布情況如圖 3-1 所示： 窗戶 門燈分布黑板12圖 3-1 日光燈的分布圖那么光電探測器在教室中的布局則根據(jù)此分布情況進(jìn)行安置，即在每個遠(yuǎn)離窗戶最遠(yuǎn)的地方安放一個光電探測器。每個區(qū)域的日光燈則由安置在教室內(nèi)的按鍵或遠(yuǎn)端的主控上位機來控制。此外相鄰兩個區(qū)域裝置的探測范圍都有一定的重疊以確保當(dāng)有人在兩個區(qū)域中間學(xué)習(xí)時能夠得到足夠的光強。這樣，當(dāng)外界環(huán)境中的自然光能滿足所需的光強度時，不管教室是否有人，教室燈都不亮，控制教室日光燈的自動熄滅。當(dāng)教室用作特殊使用時如多媒體教室則拉上窗簾，關(guān)閉所有燈具或點亮少許微弱的燈具。當(dāng)教室光強不夠教室中有一個同學(xué)單獨處于某一個區(qū)域時，只有他周圍的日光燈

31、亮；當(dāng)在有人來這個教室時他們完全可以選擇亮燈的地方坐，若選擇其他區(qū)域情況相似。這樣就完成了教室照明智能控制，起到了節(jié)約用電的作用。圖 3-2 則體現(xiàn)了考慮因教室的走向與太陽光的夾角不同而造成亮暗區(qū)位置不同對光電探測器裝置布局造成的影響。 太陽光 太陽光圖 3-2 教室采光情況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，當(dāng)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強度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨暗區(qū)亮區(qū)暗亮13圖 3-3 環(huán)境光

32、采集電路原理圖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(yīng)速度快、壽命長等優(yōu)點。 環(huán)境光采集電路原理圖如圖 3-3 所示。當(dāng)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)2. 5V 之前，RST 必須為邏輯 0。無論是讀操作還是寫操作，都必須在開頭的 8 個時鐘周期把提供地址和命令信息的 8 位數(shù)據(jù)裝入到 DS1302 的移位寄存器。數(shù)據(jù)在 SCLK 的上升沿串行輸入，在開始的 8 個時鐘周期把命令字裝入移位寄存器之后，若跟隨的是寫命令字節(jié)，則在下 8 個 SCLK 周期的上升沿輸入數(shù)據(jù)字節(jié)，若跟隨在讀命令字節(jié)的 8 個 S

33、CLK 周期之后，在下 8 個 SCLK 周期的下降沿輸出數(shù)據(jù)字節(jié)。4.3.24.3.2 時鐘內(nèi)部寄存器的使用時鐘內(nèi)部寄存器的使用DS1302 有控制寄存器和年、月、日、周、時、分、秒等工作寄存器組成。本系統(tǒng)中只用到工作寄存器中的時分秒及控制寄存器，所應(yīng)用的各寄存器地址(命令)及數(shù)據(jù)寄存器分配情況如表 4-2 所示。 表 4-2 內(nèi)部寄存器命令字各位內(nèi)容寄存器名寫操作讀操作取值范圍76543210SEC80H81H0059CH10SECSECMIN82H83H0059010MINMIN3310HR84H85H0102或002312/240A/PHRCONTROL8EH8FHWP0000000C

34、HARGER90H91HTCSTCSTCSTCSDSDSRSRSCLOCKBURSTBEHBFH說明：（1）上表中，時鐘寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)是以 BCD 碼的形式存在的。其中秒寄存器的位定義為時鐘暫停位，當(dāng)此位設(shè)置為邏輯 1 時，時鐘振蕩器停止，DS1302進(jìn)入低功耗的備份狀態(tài);當(dāng)把此位置為 0 時，時鐘將啟動。（2）小時寄存器的位 7 定義為 12 或 24 小時方式選擇位。當(dāng)為低電平時，選擇 24 小時方式，本系統(tǒng)在設(shè)計中采用的就為 24 小時方式。（3）寫保護寄存器的位 7 是寫保護位，在對時鐘進(jìn)行操作之前，位 7 應(yīng)先置為 0,當(dāng)它是高電平時，寫保護防止對任何其它寄存器進(jìn)行寫操作。此外，充電

35、寄存器各位的作用及工作原理等在本論文前半部分 DS1302 的硬件設(shè)計中己作過介紹，此處不再詳述。4.3.34.3.3 時鐘自檢初始化時鐘自檢初始化考慮剛買來的時鐘芯片處于一切未知狀態(tài)，于是必須對 DS1302 進(jìn)行自檢初始化。DS1302 的自檢初始化程序設(shè)計流程圖如圖 4-4 所示。 兩次讀取的秒鐘數(shù)據(jù)是否相同讀取 DS1302 秒鐘時間開始返回主程序DS1302 正常工作再次讀取秒鐘數(shù)據(jù)延時 1.5 秒設(shè)置 DS1302 初始時間秒鐘大于 60H？34圖 4-4 DS1302 的自檢初始化程序設(shè)計流程圖4.44.4 顯示驅(qū)動模塊顯示驅(qū)動模塊系統(tǒng)運行過程中的數(shù)據(jù)顯示是人機相互對話的一個重要

36、通道。通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)的顯示，我們才可以更好的了解系統(tǒng)運行的狀態(tài)，從而便于對整個系統(tǒng)進(jìn)行必要的操作。本系統(tǒng)中采用共陽極的數(shù)碼管，采用簡單又便宜的 A1015 三極管來驅(qū)動數(shù)碼管的位選，節(jié)約成本，程序編寫簡單。4.54.5 系統(tǒng)鍵功能系統(tǒng)鍵功能在執(zhí)行完鍵盤采集工作后，如果有鍵按下，程序轉(zhuǎn)入鍵處理功能程序。系統(tǒng)根據(jù)鍵采集過程中得到的鍵號，散轉(zhuǎn)到相應(yīng)的鍵處理子程序，通過鍵盤設(shè)置修改系統(tǒng)工作參數(shù)。第第 5 5 章章 總結(jié)總結(jié)5.15.1 出現(xiàn)的問題出現(xiàn)的問題 本課題對適合應(yīng)用于教室燈光控制系統(tǒng)的控制部分進(jìn)行了設(shè)計。以環(huán)境光、35人體存在狀況等外界環(huán)境為控制器的輸入?yún)?shù)，比單純的人員管理教室燈光更合理，更有

37、效的降低教室燈光的資源費用;同時還加入了時間控制參數(shù)，使教室燈光的控制更加符合學(xué)校的作息時間。本控制系統(tǒng)的設(shè)計對于各類大、中專院校的教室燈光管理具有重要的意義，也適用于各類辦公室的燈光控制。該教室燈光系統(tǒng)的控制是以 AT89C2051 單片機主控單元為核心，通過相關(guān)電路的驅(qū)動，完成對系統(tǒng)設(shè)備(電燈)的控制，采用一個二極管閃爍顯示整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)了對教室燈光的自動開燈、關(guān)燈控制。系統(tǒng)設(shè)計在實現(xiàn)智能化控制的同時，還設(shè)置了手動，這樣在系統(tǒng)智能控制偶爾出現(xiàn)故障時，可采用手動操縱，不至于影響教室燈光的正常應(yīng)用。系統(tǒng)控制單元的硬件電路中多采用簡易芯片(ULN2803, DS1302, X5045 等)，簡化了電路設(shè)計，同時節(jié)省了單片機 I/0 口資源，為系統(tǒng)進(jìn)一步擴展留下了空間。系統(tǒng)功能的實現(xiàn)通過采用多任務(wù)模塊編寫，省去了一些不必要的延時程序，提高了系統(tǒng)的運行效率。系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計，經(jīng)實驗初步證實了系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，提高了電能資源的利用率。在保證裝置能穩(wěn)定可靠工作的前提下，硬件設(shè)計上盡量采用性價比高的元器件，以降低成本。軟件設(shè)計上采用多任務(wù)形式對信號的采集、處理，達(dá)到最終控制燈光的目的。本控制系統(tǒng)與已有的教室燈光配套使用