基于單片機(jī)的室內(nèi)燈光智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要此篇論文主要是根據(jù)大學(xué)教室中燈的日常使用情況以及教室對燈光的需求這些問題，研究并設(shè)計(jì)出了一種基于單片機(jī)控制的室內(nèi)燈光智能控制系統(tǒng)。此控制系統(tǒng)的核心部件就是AT89S51單片機(jī)，系統(tǒng)利用熱釋紅外人體傳感器這個(gè)器件來對人體的是否存在進(jìn)行檢測，并且利用光敏三極管組成的電路對室內(nèi)的自然光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測；此控制系統(tǒng)根據(jù)教室對光照的需求來進(jìn)行合理的控制燈的關(guān)閉與翻開，首先，它先通過對人體存在的信號(hào)以及室內(nèi)光照強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行綜合的分析與判斷，對信號(hào)的處理以后，通過系統(tǒng)的反響來完成對教室內(nèi)的燈光的智能控制，這樣就大大減少了教室用電的浪費(fèi)。此外系統(tǒng)還具備了報(bào)警功能；并且它還采用了軟/硬件的“看門狗〞，它可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。該系統(tǒng)能夠到達(dá)各種院校對教室燈光控制的要求，最終就可以到達(dá)節(jié)能的目的。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；智能控制；熱釋紅外傳感器；X5045AbstractCipianthesisisbasedontheuniversityclassroominlightofdailyusageandthedemandforclassroomlightingtheseissues,researchanddesignofindoorlightingintelligentcontrolsystembasedonmicroprocessorcontrolled.CorecomponentsofthiscontrolsystemisAT89S51microcontroller,thesystemusesthehumanbodypyroelectricinfraredsensorthisdevicetothehumanbodytodetecttheexistenceanduseofthecircuitphototransistoroftheindoornaturallightintensityisdetected;thiscontrolsystemaccordingtoclassroomtoLightneedstobeclosedandanopenandreasonablecontroloflight,first,thatthefirstsignalbythepresenceofthehumanbodyandinteriorlightintensitysignalintegratedanalysisanddeterminethefutureofthesignalprocessingbythefeedbacksystemtocompletetheclassroomlightingwithintheintelligentcontrol,thusgreatlyreducingthewasteofelectricityclassroom.Inadditionthesystemalsohasthealarmfunction;anditusesahardware/software"watchdog",itcanenhancetheanti-jammingcapability.Thesystemcanachieveavarietyofinstitutionsforclassroomlightingcontrolrequirements,mostmechanizedcansaveenergy.

Keywords:SCM;intelligentcontrol;pyroelectricinfraredsensor;X5045目錄41031緒論1109201.1課題研究的目的與意義 1190051.2采用智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)勢 165991.3智能照明控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 2271952教室燈光控制器簡介與方案分析276382.1大學(xué)教室照明控制現(xiàn)狀 2116632.2教室燈光控制器簡介 2293052.3系統(tǒng)控制方案分析 2113722.4本章小節(jié) 3301243系統(tǒng)控制模塊的硬件設(shè)計(jì)3166593.1系統(tǒng)控制模塊的硬件構(gòu)成 310493.2系統(tǒng)控制的主要硬件電路 4151743.2.1系統(tǒng)主控電路 413303.2.2系統(tǒng)供電電路 5185593.2.3系統(tǒng)復(fù)位電路 633503.2.4數(shù)據(jù)采集電路 7324573.2.5系統(tǒng)時(shí)鐘電路 10272623.2.6繼電器驅(qū)動(dòng)電路 11100843.2.7蜂鳴報(bào)警電路 12269603.2.8按鍵控制電路 1340064控制模塊軟件設(shè)計(jì)1357654.1系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊 1465764.1.1系統(tǒng)自檢初始化 14308554.1.2定時(shí)中斷處理設(shè)計(jì) 14214844.2數(shù)據(jù)采集模塊 1518414.2.1人體存在傳感器的優(yōu)缺點(diǎn) 15218794.2.2數(shù)據(jù)采集軟件的實(shí)現(xiàn) 15187074.2.3人體存在傳感器的抗干擾措施 16202354.2.4人體存在傳感器的安裝要求 17265484.3時(shí)鐘模塊 17312194.3.1數(shù)據(jù)輸入輸出 17232544.3.2時(shí)鐘自檢初始化 18102964.3.3時(shí)鐘程序設(shè)計(jì) 2028434.4系統(tǒng)工作總流程 21286174.5本章小節(jié) 2136965系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行及問題分析22118675.1單片機(jī)系統(tǒng)調(diào)試方法及步驟 22299905.2主要問題分析 2478216結(jié)論255297參考文獻(xiàn) 2622566附錄2725943致謝281緒論1.1課題研究的目的與意義大多數(shù)高校由于對教室的管理不善，學(xué)校中的大多數(shù)教室在白天室內(nèi)光照充足的情況下任然開著燈。由于大多數(shù)同學(xué)節(jié)約意識(shí)的淡薄，即使教室中沒有人或者人數(shù)很少的情況，教室中的燈也是全部亮，很明顯上述兩種現(xiàn)象必然會(huì)造成很大的能源浪費(fèi)。能源短缺一直是21世紀(jì)人類面臨的重大難題，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速開展和社會(huì)進(jìn)步，教育在不斷受到人們越來越多的關(guān)注，校園規(guī)模也在不斷的擴(kuò)大，節(jié)能也就成了我們要研究的課題。目前常采用的節(jié)能方式為手工控制，聲控型，太陽能燈等。然而他們都存在很大的缺陷與缺乏，因此市場上急迫需要一種操作方便，價(jià)格低廉，便于大面積推廣的新型節(jié)能方案。智能燈光照明系統(tǒng)不僅節(jié)約能源和保護(hù)了環(huán)境而且還能實(shí)現(xiàn)良好的照明光環(huán)境，還提高了工作得效率，節(jié)省了時(shí)間。1.2采用智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)勢傳統(tǒng)的照明控制系統(tǒng)大多是由人工通過控制配電箱的開關(guān)來控制燈的熄滅與翻開，有的就在在照明回路中直接串入接觸器，這樣就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制燈的滅與亮[6]，這種方式是通過手動(dòng)開關(guān)來控制燈具，它在很大程度上主要是通過人工來完成的。但是現(xiàn)代的智能照明控制系統(tǒng)那么具有很強(qiáng)的智能化，他可以根據(jù)不同區(qū)域的需要以及不同的時(shí)間點(diǎn)，還有光照強(qiáng)度來合理的安排燈的亮與滅，這樣它不但節(jié)省了人力，而且還節(jié)省了能源減少了環(huán)境的污染，與傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)相比而言，他可以說是符合當(dāng)今社會(huì)開展的不二之選。具體來說其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)這種智能化照明控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的智能化功能，它的整個(gè)系統(tǒng)完全處于一個(gè)全自動(dòng)化狀態(tài)，因此可以根據(jù)不同區(qū)域在不同時(shí)段中對燈具的需求，通過電腦提前輸入特定的程序來完成對燈具的合理使用，使他更加具有智能化和人性化。(2)它最突出的特點(diǎn)就是減少了電能消耗，因此可以充分利用自然光，在必要的時(shí)候就以人工光為補(bǔ)充，綜合考慮室內(nèi)的人員情況，來合理安排教室內(nèi)燈具的亮與滅，這樣就可以節(jié)省很多的電能，一般在30％左右[7]。(3)再者他還可以改善室內(nèi)氣氛，給工作人員提供一個(gè)舒適的工作環(huán)境。(4)我們將傳統(tǒng)的開關(guān)控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑墓芾碇?，不但大大提高了建筑的照明的管理水平，而且還給大樓大樓的運(yùn)行，維護(hù)減少很多的費(fèi)用開支?？傊?，這個(gè)新型照明控制系統(tǒng)，不但給社會(huì)帶來了很大好處，即節(jié)約了能源的消耗，又減少了環(huán)境的污染，而且它還大大提高了人類的生活水平。1.3智能照明控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀所謂的“智能建筑〞就是集計(jì)算機(jī)、信息通信于一體，它可以使高層建筑內(nèi)的電視、空調(diào)、冰箱、照明、防火、防盜等實(shí)現(xiàn)綜合管理上的自動(dòng)化。人工智能技術(shù)在建筑與燈光中的應(yīng)用趨勢不斷擴(kuò)大。正如英國的Glasgow市報(bào)指出：“Glasgow正在成為一個(gè)研究和開展太空時(shí)代智能建筑的國際組織的神經(jīng)中樞。在智能建筑中的智能燈光、供熱、空調(diào)、通訊及辦公設(shè)備將全部由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制與管理。〞隨著社會(huì)的快速開展，市場上也出現(xiàn)了不少關(guān)于智能燈光的設(shè)計(jì)，比方說智能的燈具、智能照明控制系統(tǒng)，還有就是關(guān)于智能照明方面的計(jì)算機(jī)以及軟件，就連智能照明方面的設(shè)計(jì)與測試也得到廣泛應(yīng)用。2教室燈光控制器簡介與方案分析2.1大學(xué)教室照明控制現(xiàn)狀很多大學(xué)的教室，在白天上課期間主要是以自然光為主，只有在陰天下雨或者有樹木遮擋的教室才使用燈光來補(bǔ)償；晚上大多數(shù)學(xué)生會(huì)去教室上自習(xí)，有的教師用來上課，為了不讓學(xué)生的視力受到燈光的損壞，給學(xué)生提供一個(gè)良好的光照環(huán)境，那么就必須考慮到燈光的合理分配，這樣就需要投入資金來安裝這些自動(dòng)控制系統(tǒng)。能夠通過兩種方法來到達(dá)節(jié)能的目的：第一可以使用節(jié)能燈，因?yàn)樵诿髻|(zhì)量到達(dá)要求的情況下，只有通過使用照明設(shè)備效率高的產(chǎn)品才能節(jié)約能源；另一種是研究出一種智能化的照明控制系統(tǒng)，在滿足照明需求的情況下，通過智能化的控制燈具來到達(dá)節(jié)約能的目的[10]。2.2教室燈光控制器簡介教室燈光控制器就是對大學(xué)教室內(nèi)的燈光進(jìn)行智能化的控制，它主要是通過對人體信號(hào)以及光環(huán)境信號(hào)進(jìn)行采集，環(huán)境強(qiáng)度只要到達(dá)一定值那么就不開燈，光照強(qiáng)度在一定值一下并且有人體存在時(shí)才開燈，只有對教室燈安裝智能控制系統(tǒng)才可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。2.3系統(tǒng)控制方案分析該控制器主要依靠輸入的自然光強(qiáng)度以及人體存在信息這些參數(shù)來進(jìn)行控制，自動(dòng)控制和手動(dòng)控制能夠同時(shí)存。一般情況下，系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)為自動(dòng)控制，只有人為的把按鍵模塊按下時(shí)，這時(shí)系統(tǒng)就會(huì)改為強(qiáng)制控制。如果燈光控制系統(tǒng)處在自動(dòng)控制模式，并且還要保證自然光照比擬足夠，那么此時(shí)無論教室內(nèi)有人還是無人，燈都不會(huì)被翻開；在自然光照強(qiáng)度較弱時(shí)，并且教室內(nèi)有人存在且超過一定時(shí)間，那么控制器就會(huì)自動(dòng)翻開電燈，只有當(dāng)室內(nèi)人全都離開后且延時(shí)一定時(shí)間后，燈就會(huì)自動(dòng)熄滅。同時(shí)，還應(yīng)該設(shè)置作息時(shí)間來進(jìn)行控制系統(tǒng)的運(yùn)行，夜晚只要超過10點(diǎn)，如果教室內(nèi)還有人在上自習(xí)，那么系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉控制器，這時(shí)就可以啟動(dòng)手動(dòng)控制，這樣就可以解決特殊情況下，自動(dòng)控制器的缺陷。關(guān)于教室中用到的燈光控制器一般都由硬件和軟件組成。整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行首先離不開硬件，硬件的作用就是為軟件中程序的運(yùn)行提供平臺(tái)。然而軟件局部的作用那么是對硬件端口所能表達(dá)出的信號(hào)加以采集，并且經(jīng)過綜合分析、處理，最后才能實(shí)現(xiàn)控制器的各種功能，最終才能到達(dá)設(shè)計(jì)的目的。2.4本章小節(jié)在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求方面有手動(dòng)和自動(dòng)控制兩種選擇，以及時(shí)間的控制上面和信息采集上。本章主要是對信息的采集進(jìn)行了簡單的分析，主要是對教室中的自然光的強(qiáng)度以及人的存情況這些信息進(jìn)行采集，并且要保證采集信息用到的電路和其他所有電路都要具備很強(qiáng)的抗干擾能力，防止動(dòng)作上的錯(cuò)誤。在系統(tǒng)的操作和安裝方面比擬簡單，便于日后我們對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。3系統(tǒng)控制模塊的硬件設(shè)計(jì)想到這個(gè)系統(tǒng)的安裝所受到的外界環(huán)境因素影響，再者室內(nèi)控制系統(tǒng)中的人體存在傳感器、光敏三極管會(huì)隨著室內(nèi)情形的變化而變化，所以在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，電子元器件的選用、線路排布和設(shè)備的安裝要考慮到抗干擾這個(gè)問題。3.1系統(tǒng)控制模塊的硬件構(gòu)成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上以AT89S51單片機(jī)主控模塊為核心，其它的一些外圍電路主要包括：環(huán)境光采集電路、時(shí)鐘模塊、人體存在傳感器模塊、看門狗模塊、按鍵電路、EEPROM存儲(chǔ)模塊、超時(shí)報(bào)警模塊、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。EEPROMEEPROM存儲(chǔ)器模塊AT89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)環(huán)境光采集電路環(huán)境光采集電路看門狗模塊人體存在傳感器看門狗模塊人體存在傳感器按鍵電路時(shí)鐘模塊按鍵電路時(shí)鐘模塊圖3-1被控?zé)艟呃^電器驅(qū)動(dòng)模塊被控?zé)艟呃^電器驅(qū)動(dòng)模塊超時(shí)報(bào)警模塊超時(shí)報(bào)警模塊圖3.1系統(tǒng)控制單元結(jié)構(gòu)圖首先，環(huán)境光采集電路這個(gè)模塊就是用光敏三極管來對室內(nèi)環(huán)境光的強(qiáng)度進(jìn)行檢測。它的工作原理就是，只要有光線進(jìn)入到教室內(nèi)，光敏三極管的電阻就會(huì)立即減小，隨著光線的逐漸變?nèi)酰罱K三極管的電阻就會(huì)增大。這個(gè)模塊的主要功能就是把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，由此來檢測光照強(qiáng)度。人體存在傳感器模塊那么用到了HP-208這個(gè)產(chǎn)品，它與紅外線技術(shù)有關(guān)，利用它就可以對教室內(nèi)是否有人進(jìn)行檢測。硬件時(shí)鐘模塊采用了時(shí)鐘芯片DS1302,它的優(yōu)點(diǎn)是低功耗，并且具有充電能力，同時(shí)它還具有臨時(shí)存放數(shù)據(jù)的功能。關(guān)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及故障保護(hù)這兩局部那么由X5045組成，X5045是一個(gè)具有512字節(jié)的EEPROM，并且它同時(shí)具有看門狗以及電源監(jiān)控功能的鍵盤模塊。3.2系統(tǒng)控制的主要硬件電路3.2.1系統(tǒng)主控電路AT89S51單片機(jī)作為本系統(tǒng)模塊的主控芯片，該芯片的主要特征見如表3.1所示：AT89S51引腳外圍器件引腳說明P1.0X5045SIX5045串行輸入端P1.1X5045SCKX5045串行時(shí)鐘端P1.2X5045CSX5045片選端P1.3X5045S0X5045串行輸出端P1.4工作狀態(tài)指示燈P1.5DS1302CLKDS1302時(shí)鐘線P1.6DS1302I/ODS1302數(shù)據(jù)線P1.7DS1302RSTDS1302復(fù)位線P3.0-P3.1數(shù)據(jù)采集輸入端P3.3人體存在傳感器輸出信號(hào)端P3.4超時(shí)報(bào)警信號(hào)輸入端P3.7光敏三極管輸入信號(hào)端表3.1AT89S51主要特征(1)40〔Vcc〕20〔GND〕腳間的電壓應(yīng)有5V；(2)18、19腳分別與20腳間有1.7―2.5V電壓；(3)9〔RST〕腳與GND間電壓根本為0；(4)31〔EA〕腳與20〔GND〕腳間電壓為5V。3.2.2系統(tǒng)供電電路系統(tǒng)的供電電壓為+5V，此系統(tǒng)用的變壓器輸出電壓為9V。此電路一端接220V交流電，將220V電壓降為9V,然后經(jīng)二極管全波整流，再通過電解電容C1，C2的濾波，最后經(jīng)正輸出穩(wěn)壓器LM7805，為了緩沖負(fù)載突變，改善瞬態(tài)響應(yīng)，在輸出端還特地使用了電容C3，C4，為的就是得到+5V的直流電壓，用它來給單片機(jī)系統(tǒng)以及外圍電路Vcc端提供電壓。系統(tǒng)供電原理如圖3.2所示。圖3.2供電原理圖3.2.3系統(tǒng)復(fù)位電路系統(tǒng)中復(fù)位電路的用途是為了使系統(tǒng)在一些特殊情況下得到復(fù)位，使系統(tǒng)穩(wěn)定有序的工作。在單片機(jī)系統(tǒng)正常有序的工作中，極少數(shù)情況下由于外界的干擾會(huì)出現(xiàn)程序跑飛，死機(jī)等一些特殊情況。為了應(yīng)對這些突發(fā)事件，所以安裝了復(fù)位電路，并且還要在硬件設(shè)計(jì)中使用看門狗電路，它的作用是單片機(jī)在發(fā)生死機(jī)的情況下，看門狗會(huì)及時(shí)的產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)在收到信號(hào)后會(huì)及時(shí)復(fù)位并且重新執(zhí)行程序。如果你在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中使用了看門狗與EEPROM，那么芯片X5045也就少不了要被使用到。X5045同時(shí)具備三種功能：看門狗定時(shí)器、復(fù)位控制和EEPROM[11]。這三個(gè)功能全部都被集成在由8個(gè)引腳封裝的CMOS器件中，它最大的優(yōu)點(diǎn)是可以將電源監(jiān)控、看門狗功能和高速三線非易失性存儲(chǔ)器完美的組合在一起，并且系統(tǒng)的本錢大大減少了，另外它也大大降低了對電路板空間上面的要求，X5045的引腳排列如圖3.3所示。圖3.3X5045的引腳圖如表3.2狀態(tài)存放器所示，X5045狀態(tài)存放器共有6位。只有WD1、WD0與看門狗電路有關(guān)，而剩余的所有位那么與EEPROM的設(shè)置有關(guān)。表3.2狀態(tài)存放器7654321000WD1WD0BL1BL0WELWIPWD1=0，WD0=0，預(yù)置時(shí)間為1.4S，WD1=0，WD0=1，預(yù)置時(shí)間為0.6S，WD1=1，WD0=0，預(yù)置時(shí)間為0.2S，WD1=1，WD0=1，禁止看門狗工作。通?？梢酝ㄟ^控制應(yīng)用程序的循環(huán)周期來決定看門狗電路的定時(shí)時(shí)間，一般情況下，只要比系統(tǒng)在正常工作情況下最大循環(huán)周期的時(shí)間稍微長一點(diǎn)即可。X5045硬件局部連接如圖3.4所示。圖3.4系統(tǒng)看門狗電路由上圖可以看出，系統(tǒng)看門狗電路分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和故障保護(hù)局部，X5045是一個(gè)EEPROM,它是一個(gè)串行通信512字節(jié)，并且它還具有看門狗和電源監(jiān)控功能，X5045有三種可編程看門狗周期，上電和Vcc低于檢測門限時(shí)，輸出復(fù)位信號(hào)，X5045輸出復(fù)位高電平有效，為了使復(fù)位變得更加可靠，我們在它的復(fù)位輸出端上接了10K的上拉電阻，使它與AT89S51的復(fù)位端相連接?？撮T狗在電源上電或者是掉電的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)。另外這個(gè)芯片還有一個(gè)1.4s的看門狗定時(shí)器，我們可以通過它來監(jiān)控單片機(jī)的工作。只要在1.4s之內(nèi)還沒有檢測到其工作或者說系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，那么內(nèi)部定時(shí)器就會(huì)使看門狗WD1處于低電平，這樣就可以起到保護(hù)系統(tǒng)的作用。3.2.4數(shù)據(jù)采集電路對于數(shù)據(jù)采集，我們首先應(yīng)該想到的是，此次研究設(shè)計(jì)主要是針對大學(xué)校園教學(xué)樓里的燈光控制問題，我們要采集的數(shù)據(jù)有教師的環(huán)境光強(qiáng)度以及人體是否存。一般情況下我們通過光敏二極管和光敏三極管來對室內(nèi)環(huán)境光強(qiáng)度進(jìn)行采集，由于要考慮到抗干擾的問題，所以最好選用靈敏度較高的光敏三極管。除此之外，我們要注意，一定要選用靈敏度高，可靠性強(qiáng)的傳感器，可以減少誤差。一、環(huán)境光采集電路光電傳感器可以將光轉(zhuǎn)換成電量。系統(tǒng)采用的光敏三極管除了可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)外，同時(shí)它還可以對電信號(hào)進(jìn)行放大。在無光的情況下，三極管的穿透電流很小，被稱作暗電流。相反，當(dāng)在有光照時(shí)，三極管的穿透電流會(huì)增大，它就變成了光電流。由此可以得出結(jié)論，光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，最終我們就在負(fù)載電阻上得到隨室內(nèi)光照強(qiáng)度變化而不斷變化的電信號(hào)了。環(huán)境光采集電路原理圖如圖3.5所示。自然光照強(qiáng)度只要高于一定程度(即設(shè)定參數(shù)〕，那么光敏三極管D6就會(huì)呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，隨著電阻的減小三極管Q8的基極電壓將會(huì)增大，三極管Q8就會(huì)飽和導(dǎo)通，最終三極管Q8集電極輸出低電平，也就不參與工作。與之相反，光照強(qiáng)度一旦低于一定程度時(shí)(即設(shè)定參數(shù))，光敏三極管D6就會(huì)立即呈現(xiàn)出高阻狀態(tài)大于100KΩ，那么三極管Q8就會(huì)截止，Q8的集電極就會(huì)輸出高電平，最終也就參與電路的工作?？勺冸娮鑂9的作用是調(diào)節(jié)教室中環(huán)境光的光照強(qiáng)弱靈敏度參數(shù)，當(dāng)它的阻值變化時(shí)，三極管Q8也會(huì)隨著她阻值的不同在不同的環(huán)境光照強(qiáng)度下而導(dǎo)通。R10、C9組成的電路那么是為了防止外界的干擾而精心設(shè)計(jì)的，它們具備了抗干擾的能力。圖3.5環(huán)境光采集電路圖二、人體存在傳感器的工作原理我們大自然中各種各樣的物體，如人體，木材，石頭，等都會(huì)各自發(fā)出不同波長的紅外線，所以我們可以利用紅外線傳感器對它們進(jìn)行檢測。紅外傳感器一般分為熱型和量子型兩類。與量子型相比，熱型的紅外傳感器的優(yōu)點(diǎn)就是波長范圍較寬，并且可以在常溫下正常工作。量子型與熱型的恰好相反，并且要求冷卻條件。本系統(tǒng)采用的是熱釋電紅外傳感器，人體存在傳感器主要采用了紅外傳感器的原理。人體存在傳感器的熱釋電紅外探頭的工作原理及特性如下：眾所周知人的體溫一般都在37℃左右，正是因?yàn)轶w溫的存在，那么人體就會(huì)發(fā)出紅外線，它的波長大概為10μM，那么被動(dòng)式紅外探頭就可以根據(jù)人體發(fā)射出來的紅外線來進(jìn)行工作了。紅外感應(yīng)源采用熱釋電元件，一旦這種元件接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化，它就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生有人體存在的信號(hào)[12]。1〕這種探頭就是專門被用來進(jìn)行探測人體輻射，那么熱釋電元件就會(huì)對波長為10μM左右的紅外輻射極其的敏感。2〕為了增強(qiáng)使它只對人體紅外輻射的敏感程度，可以在它的輻射照面上覆蓋菲尼爾濾光片，這樣它就不容易受到外界環(huán)境的干擾。3〕對人體是否存在進(jìn)行探測，這個(gè)傳感器是由兩個(gè)互相串聯(lián)的熱釋電元組成，而且這兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測器無信號(hào)輸出。4〕只要有人進(jìn)入到探測區(qū)域之內(nèi)，那么人體發(fā)射出的紅外線就會(huì)立即被局部鏡面聚焦，人體存在傳感器的熱釋電元就會(huì)及時(shí)的接收到它，由于兩片熱釋電元各自接收到的熱量不不一樣，所以他們就不能相互抵消，最后經(jīng)過信號(hào)處理以后就會(huì)輸出人體存在信號(hào)。5)當(dāng)設(shè)計(jì)對菲尼爾濾光片性能的要求不一樣時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生不一樣的焦距〔感應(yīng)距離〕，因此也就會(huì)產(chǎn)生不一樣的監(jiān)控現(xiàn)場，隨著視場的增多，控制就會(huì)變得越嚴(yán)密。只要有人進(jìn)入到特定區(qū)域之內(nèi)，不斷移動(dòng)的人體就會(huì)發(fā)出紅外線，紅外傳感器此時(shí)就會(huì)及時(shí)的接收到它，因此人體是否存在就會(huì)被及時(shí)感應(yīng)到，一旦被感應(yīng)到就會(huì)輸出高電平。三、人體存在信號(hào)采集電路人體傳感器HP-208基于紅外線的智能產(chǎn)品，它的主要特性如下：〔1〕感應(yīng)的方式是全自動(dòng)的，只要有人體進(jìn)入到感應(yīng)范圍區(qū)域之內(nèi)，它就會(huì)立即輸出高電平〔高3.3V〕。與之相反，當(dāng)人體不在感應(yīng)范圍區(qū)域之內(nèi)時(shí)，那么它就會(huì)自動(dòng)的延時(shí)及時(shí)關(guān)閉高電平，并且輸出低電平〔低0.3V〕，上下電平有利于信號(hào)的采集；〔2〕通常一定要記著采用可重復(fù)這種觸發(fā)方式來進(jìn)行。即使有時(shí)它感應(yīng)輸出了高電平，只要在延時(shí)這段時(shí)間范圍內(nèi)，如果此時(shí)有人體依然在它能感應(yīng)的范圍活動(dòng)之內(nèi)，那么輸出就會(huì)一直保持高電平，一直等到人體離開，延時(shí)15s之后高電平就會(huì)立即變?yōu)榈碗娖?；人體傳感器工作電壓寬為DC3V-DC24V；〔4〕其靜態(tài)電流小于50μA，功耗低；〔5〕工作溫度介于-15℃和+70℃之間，適應(yīng)性強(qiáng)；〔6〕靈敏度高，可靠性強(qiáng)。正如以下圖所示，電源的信號(hào)端接在了人體傳感器的1號(hào)引腳上面，接地信號(hào)端接在了3號(hào)引腳上面，采集信號(hào)輸出端接在了2號(hào)引腳上面。電路中的電容可以使傳感器的工作更加可靠，100KΩ的上拉電阻可以增加人體存在傳感器輸出信號(hào)的可靠性，其電路原理圖如圖3.6所示。圖3.6人體傳感器電路圖3.2.5系統(tǒng)時(shí)鐘電路為了滿足教室燈光使用的要求，此系統(tǒng)在某些情況下還受到了時(shí)間的控制，因此為了使系統(tǒng)智能化的進(jìn)行還應(yīng)該參加時(shí)鐘電路。因?yàn)橄到y(tǒng)停電后，需要及時(shí)的為時(shí)鐘電路提供電源、并且又不能占用太多單片機(jī)資源，所以本系統(tǒng)采用美國DALLAS公司推出的具有充電能力的低功耗1×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM存放器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302。這種芯片用到的是串行通信方式，它的作用是可以為掉電保護(hù)電源充電，我們有時(shí)也可將此項(xiàng)功能關(guān)閉。該芯片對年、月、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5V～5.5V[13]。DS1302只需三根線即可與單片機(jī)進(jìn)行通信，體積小，使用簡單，時(shí)鐘精度較高[14]，滿足系統(tǒng)的要求。可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能的時(shí)鐘芯片DS1302的引腳圖如圖3.7所示。圖3.7DS1302的引腳圖DS1302與單片機(jī)接口電路的連接原理圖如圖3.8所示。其中Vcc2為系統(tǒng)的備用電源，它外接了3.6V可以充電的鋰電池。Vcc1外接系統(tǒng)供電模塊的輸出穩(wěn)定電壓+5V，為DS1302的主電源。DS1302由Vcc1和Vcc2兩者中較大者供電。只要Vcc1大于Vcc2+0.2V，Vcc1就會(huì)給DS1302提供電能，此時(shí)系統(tǒng)就會(huì)正常的運(yùn)行；主電源關(guān)閉時(shí)，Vcc1就會(huì)小于Vcc2，這時(shí)Vcc2就會(huì)給DS1302供電，這樣時(shí)鐘就可以持續(xù)的運(yùn)行了。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST與單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)相連接，當(dāng)RST被置為高電平時(shí)，它就可以啟動(dòng)全部的數(shù)據(jù)傳送。時(shí)鐘輸入端SCLK接單片機(jī)P1.5引腳，進(jìn)行時(shí)鐘控制。數(shù)據(jù)輸入/輸出端I/O接單片機(jī)P1.6引腳，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖3.8DS1302與單片機(jī)接口電路連接圖3.2.6繼電器驅(qū)動(dòng)電路繼電器驅(qū)動(dòng)接口電路如圖3.9所示。開機(jī)時(shí)，由于單片機(jī)剛剛被初始化，所以P3.5/P3.6為高電平，此時(shí)三極管就處于截止?fàn)顟B(tài)，因此開機(jī)后繼電器將會(huì)處于釋放狀態(tài)。當(dāng)P3.5/P3.6為低電平時(shí)，三極管的基極就會(huì)被拉低而產(chǎn)生足夠的基極電流，使三極管導(dǎo)通，繼電器就會(huì)得電吸合，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載，點(diǎn)亮相應(yīng)電燈。圖3.9繼電器驅(qū)動(dòng)電路3.2.7蜂鳴報(bào)警電路通常情況下，人們會(huì)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在教室無人或者自然光充足的情況下，由于學(xué)生的疏忽教室內(nèi)的燈任然亮著，這樣就會(huì)造成很大的能源浪費(fèi)，這種現(xiàn)象在我們大學(xué)校園里很常見。為了杜絕這種浪費(fèi)現(xiàn)象的發(fā)生，我們在設(shè)計(jì)的過程中使用了蜂鳴報(bào)警電路，它可以以聲音的方式來提醒教師的學(xué)生來及時(shí)關(guān)閉電源，防止一些浪費(fèi)現(xiàn)象的發(fā)生；另一方面一些學(xué)生會(huì)有時(shí)會(huì)因?yàn)閷W(xué)習(xí)的過分投入以至于忘了時(shí)間，那么就會(huì)造成開燈時(shí)間過長，教室里的燈就會(huì)工作超時(shí)，這時(shí)蜂鳴報(bào)警電路就會(huì)發(fā)出聲音，它可以及時(shí)的提醒學(xué)生休息的時(shí)間到了。這樣可以有效地保護(hù)公共設(shè)施，延長燈的壽命。本系統(tǒng)采用超時(shí)報(bào)警的電路如圖3.10所示。當(dāng)我們把P3.4端口置為低電平時(shí)，也就是說基極為低電平時(shí)，三極管就會(huì)導(dǎo)通，此時(shí)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器就會(huì)發(fā)出聲音，她就代表教室的燈工作超時(shí)。當(dāng)P3.4端口被置為高電平時(shí)，三極管就會(huì)截止，此時(shí)蜂鳴器就不會(huì)工作，那么教室的燈就會(huì)正常工作。此奉命報(bào)警裝置可以及時(shí)的提醒管理人員，以免造成浪費(fèi)。圖3.10蜂鳴報(bào)警電路3.2.8按鍵控制電路按鍵控制電路如圖3.11所示。按鍵控制電路采用單片機(jī)P2口的低4個(gè)口作按鍵的輸入信號(hào)端，信號(hào)取自電阻的分壓。當(dāng)按鍵沒有被按下時(shí)，P2.0—P2.3端口的電壓就會(huì)接近電源電壓，那么為高電平。當(dāng)某一按鍵被按下時(shí)，對應(yīng)端口短接到地，那么為低電平。鍵盤的工作方式采用了中斷掃描的方式，4個(gè)二極管與10K電阻組成了與門電路，不管按下任何一鍵，P3.2引腳的電平全部都會(huì)由高變低。圖3.11按鍵控制電路電路圖4控制模塊軟件設(shè)計(jì)只有單片機(jī)硬件是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，為了使系統(tǒng)正常的運(yùn)行，我們還要配上相應(yīng)的軟件，只有這樣才能夠成一個(gè)完整的系統(tǒng)。用戶軟件的開發(fā)與系統(tǒng)硬件聯(lián)系緊密。只有系統(tǒng)的硬件及輸入輸出的方法確定后，程序軟件才可以完全獨(dú)立的進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)。4.1系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊監(jiān)控程序按模塊分為監(jiān)控主程序和命令處理子程序[15]。一個(gè)主程序能夠調(diào)用多個(gè)子程序，對51系列單片機(jī)來說，由于系統(tǒng)資源有限，主程序一般是一個(gè)無限循環(huán)的過程，也就是說是一個(gè)反復(fù)調(diào)用子程序的過程。我們在設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件的時(shí)候，一定要盡可能的把每個(gè)功能模塊寫成子程序的形式，并且要通過主程序調(diào)用。整個(gè)控制系統(tǒng)的核心就是監(jiān)控主程序，所有外圍的模塊一般都需要經(jīng)過監(jiān)控模塊來實(shí)現(xiàn)它們在系統(tǒng)中所起到的作用。我們通過鍵盤輸入相關(guān)程序，當(dāng)監(jiān)控主程序接受到這些命令后，經(jīng)過綜合分析，然后把它傳輸?shù)较鄳?yīng)的處理子程序的入口，起引導(dǎo)作用。監(jiān)控主程序模塊主要就是對系統(tǒng)外圍器件的輸入、輸出參數(shù)進(jìn)行初始化自檢和看門狗的激活，還有就是對多任務(wù)操作模塊的調(diào)用(系統(tǒng)中的信號(hào)采集處理、時(shí)鐘管理、按鍵接收處理)，有時(shí)還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)中斷處理等。除初始化和自檢外，監(jiān)控主程序一般總是把其余局部連接起來構(gòu)成一個(gè)無限循環(huán)，系統(tǒng)所有功能都在這一循環(huán)中周而復(fù)始的有選擇的執(zhí)行[16]。4.1.1系統(tǒng)自檢初始化對系統(tǒng)進(jìn)行自檢初始化后，整個(gè)控制系統(tǒng)就能夠正常的運(yùn)行。當(dāng)我們對系統(tǒng)加電復(fù)位以后，系統(tǒng)就可以立即進(jìn)入自檢初始化程序，然后就完成了系統(tǒng)的自檢以及初始化。有時(shí)對各個(gè)接口芯片進(jìn)行檢測主要是為了檢測各個(gè)芯片的準(zhǔn)備工作是否準(zhǔn)備就緒，有沒有硬件故障等。如果說時(shí)鐘芯片處在啟動(dòng)的狀態(tài)，那么我們就要對它進(jìn)行初始化并且還要啟動(dòng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。系統(tǒng)內(nèi)部存放器初始化主要是指在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，各用戶定義的數(shù)據(jù)變量的初始化賦值及局部特殊功能存放器SFR的復(fù)位初始化。單片機(jī)復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器PC指向程序存儲(chǔ)器的入口地址0000單元，程序狀態(tài)字存放器PSW清零，片內(nèi)存儲(chǔ)器選擇Ⅰ區(qū)工作存放器，用戶標(biāo)志位F0為0狀態(tài)，堆棧指針SP指向07H,其它定時(shí)器、中斷允許存放器IE,累加器ACC等皆為00H。4.1.2定時(shí)中斷處理設(shè)計(jì)定時(shí)中斷就是當(dāng)有時(shí)用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)，計(jì)數(shù)值已滿而引起的中斷。內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)數(shù)器可以對內(nèi)部時(shí)鐘或從外部引線T0和T1輸入的外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的溢出信號(hào)作為中斷請求信號(hào)，去置位定時(shí)器溢出標(biāo)志位，向單片機(jī)的CPU申請中斷[17]。定時(shí)中斷為周期性的，它每隔一定的時(shí)間就會(huì)中斷一次。定時(shí)中斷可以用來構(gòu)造多任務(wù)操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)響應(yīng)中斷后，不需要對斷點(diǎn)實(shí)施現(xiàn)場保護(hù)，可以立即進(jìn)行多任務(wù)時(shí)間的劃分工作，使相應(yīng)的操作任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)。該定時(shí)中斷處理程序框圖如圖4.1所示。開始開始定時(shí)中斷到？Y定時(shí)中斷到？Y多任務(wù)時(shí)間啟動(dòng)劃分多任務(wù)時(shí)間啟動(dòng)劃分NN下一步下一步圖4.1定時(shí)中斷處理程序框圖4.2數(shù)據(jù)采集模塊本控制系統(tǒng)主要對環(huán)境光信號(hào)和人體存在信號(hào)進(jìn)行采集的數(shù)據(jù)采集，在程序設(shè)計(jì)中對這兩個(gè)數(shù)據(jù)的采集放置在多任務(wù)模塊中實(shí)施定時(shí)采集。4.2.1人體存在傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)人體存在傳感器的優(yōu)點(diǎn)有很多，首先它絕對不會(huì)發(fā)出任何類型的輻射，再者它的功耗很小并且價(jià)格非常低廉。然而它的缺點(diǎn)為抗干擾能力非常差。然而正是由于紅外線穿透力特別差的原因，就會(huì)導(dǎo)致人體的紅外輻射很輕易被一些物體所遮擋，那么它就不易被探頭所接收到；易受射頻輻射的干擾；另外如果環(huán)境溫度到達(dá)人體的溫度時(shí)，這時(shí)傳感器的探測和靈敏度就會(huì)下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成短時(shí)失靈。當(dāng)人體存在但并沒有活動(dòng)的情況下，人體傳感器就會(huì)認(rèn)為沒有人體存在。為杜絕這種現(xiàn)象的發(fā)生，程序設(shè)計(jì)為在探測到有人體存在的狀態(tài)后間隔1min或更長的時(shí)間來對人體存在參數(shù)信號(hào)進(jìn)行再次的采集。4.2.2數(shù)據(jù)采集軟件的實(shí)現(xiàn)由于本系統(tǒng)所控制的對象多數(shù)為大學(xué)教室，而每個(gè)教室中一般僅有一面墻受到太陽光的照射，并且教室內(nèi)的不同區(qū)域距離窗戶的距離也不一樣，那么不同區(qū)域得到的太陽光照也就不一致。自然光極易受到天氣及建筑所處位置的那么影響，所以說它的變化是非線形的。所以，只有合理地布置自然光采集電路模塊的位置，才能夠如實(shí)的反映實(shí)際情況。在教室中，人們會(huì)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)即使自然光充足的情況下，教室內(nèi)的照明燈任然亮著，那么這就會(huì)造成極大的浪費(fèi)。所以只要室內(nèi)光照足夠時(shí)，無論有無人體存在都不開燈；當(dāng)光照不充足時(shí)，有人體存在才開燈，無人體存在那么不開燈。本系統(tǒng)邏輯定義為：環(huán)境光亮?xí)r為邏輯0(符合光采集電路輸出信號(hào)狀態(tài))，否者為1，人體存在為1，否者為0，開燈為1，否者為0。環(huán)境光和人體存在的邏輯關(guān)系如表4.1所示。表4.1環(huán)境光與人體存在邏輯關(guān)系環(huán)境光參數(shù)人體存在參數(shù)教室燈狀態(tài)000100010111表4.1數(shù)據(jù)說明可將環(huán)境光參數(shù)與人體存在參數(shù)進(jìn)行與操作，又由于繼電器是低電平驅(qū)動(dòng)，所以要將采集處理后的信號(hào)進(jìn)行非操作，才可以驅(qū)動(dòng)繼電器工作，即可得到教室燈的狀態(tài)，其軟件程序?yàn)椋?---------------------------------------------------------Function:BodySensorandlighttolightport356DoSensLight:Movc,port33;SignalofSensorAnlc,port37Cplc;havepersonandnolightmovport35,c;onrelay1movport36,c;onrelay2JncSensOut;nopersontooutHaveperson:MovSensDelayBuf,#5;delay5minuteSensOut:Ret------------------------------------------------------------4.2.3人體存在傳感器的抗干擾措施抗干擾措施有以下幾點(diǎn)?！?〕防小動(dòng)物干擾：探測器要安置我們精心選定的位置，并且要保證對探測范圍內(nèi)的小動(dòng)物不能夠產(chǎn)生信號(hào)。〔2〕抗電磁干擾：探測器一定要符合GB10408要求，只有這樣發(fā)出的電磁波才不會(huì)干擾到它?！?〕抗燈光干擾：探測器只要在正常的靈敏度范圍之內(nèi)，即使受到3m外H4鹵素?zé)敉高^玻璃照射，它也不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)。4.2.4人體存在傳感器的安裝要求人體存在傳感器只能夠安裝在室內(nèi)，如果安裝的位置或者方式不合理，那么通常就會(huì)引起誤報(bào)，所以正確的安裝必須要滿足以下條件：〔1)人體存在傳感器應(yīng)離地面。(2)人體存在傳感器一定要遠(yuǎn)離空調(diào)、火爐等這些空氣溫度變化比擬一般敏感的地方。(3)人體存在傳感器所能探測得到范圍內(nèi)不得有隔屏、大型盆景或者其它隔離物。(4)人體存在傳感器不能正面直接對著窗口，不然的話，窗戶外面的熱氣流擾動(dòng)以及人員走動(dòng)就會(huì)引起誤報(bào)。人體存在傳感器也不要安裝在有強(qiáng)氣流活動(dòng)的地方。實(shí)際使用中，人體存在傳感器前面必須安裝菲尼爾透鏡，它可以配合熱釋電紅外傳感器提高接收靈敏度，這樣就可以提高檢測距離和范圍?？稍黾拥?0M以上，甚至可達(dá)20M以上。人體存在傳感器對于徑向移動(dòng)反響最不敏感，而對于橫切方向〔即與半徑垂直的方向〕移動(dòng)卻極為敏感。一定要選擇適宜的位置來安裝，只有這樣才可以防止紅外探頭的誤報(bào)以及得到最正確檢測靈敏度。4.3時(shí)鐘模塊當(dāng)自檢初始化啟動(dòng)后，第一要對時(shí)鐘芯片DS1302的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，只有DS1302處于啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)才對其進(jìn)行初始化，啟動(dòng)時(shí)鐘。實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302的初始化及其讀寫程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要遵循其時(shí)序要求。4.3.1數(shù)據(jù)輸入輸出如果想要對DS1302進(jìn)行操作，那么就先對其初始化，這時(shí)就要把RST端設(shè)置為高電平，如果RST輸入為低電平，所有數(shù)據(jù)傳送就會(huì)被終止，且I/O引腳變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)讀/寫完之后，一定要及時(shí)的把RST端設(shè)置為低電平，這樣就可以防止外部干擾對DS1302內(nèi)部時(shí)鐘所造成的影響。同時(shí)，為了不讓復(fù)位輸入端受到外部環(huán)境的干擾，要求上電時(shí)，在主電源引腳Vcc2的端電壓大于或者等于2.5V之前，RST必須為邏輯0。無論是執(zhí)行讀操作或者是寫操作，都要在開頭的8個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)把提供地址和命令信息的8位數(shù)據(jù)輸入到DS1302的移位存放器。地址/命令字節(jié)用于指明40個(gè)存放器中的哪個(gè)進(jìn)行何種操縱數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿串行輸入，在開始的8個(gè)時(shí)鐘周期把命令字裝入移位存放器之后，假設(shè)是寫命令字節(jié)，那么在下8個(gè)SCLK周期的上升沿輸入數(shù)據(jù)字節(jié)，假設(shè)跟隨的是讀命令字節(jié)，那么在下8個(gè)SCLK周期的下降沿輸入數(shù)據(jù)字節(jié)。程序流程如圖4.2所示。啟動(dòng)啟動(dòng)復(fù)位端變高啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)傳輸工作復(fù)位端變高啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)傳輸工作寫命令字節(jié)一位寫命令字節(jié)一位SCLK脈沖SCLK脈沖N夠8次嗎N夠8次嗎YY寫數(shù)據(jù)字節(jié)一位寫數(shù)據(jù)字節(jié)一位SCLK脈沖SCLK脈沖N夠8次嗎N夠8次嗎YY復(fù)位端變低復(fù)位端變低結(jié)束結(jié)束圖4.2數(shù)據(jù)輸入輸出流程圖4.3.2時(shí)鐘自檢初始化如果像對RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，那么DS1302就要先發(fā)送命令字節(jié)。如果我們要進(jìn)行的是單字節(jié)傳送，在8位命令字節(jié)傳送結(jié)束后，下2個(gè)SCLK周期的上升沿就要輸入數(shù)據(jù)字節(jié)，或者在下8個(gè)SCLK周期的下降沿輸出數(shù)據(jù)字節(jié)。DS1302第一次加電后，我們必須對其進(jìn)行初始化操作。一旦它被初始化后就可以按正常方法調(diào)整時(shí)間。剛買來的時(shí)鐘芯片很可能處于一切未知狀態(tài)，于是我們必須對DS1302進(jìn)行自檢初始化。DS1302的自檢初始化程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4.3所示。開始開始讀取DS1302秒鐘時(shí)間讀取DS1302秒鐘時(shí)間Y秒鐘大于60HY秒鐘大于60HNN延時(shí)1秒延時(shí)1秒再次讀取秒鐘數(shù)據(jù)再次讀取秒鐘數(shù)據(jù)YYN設(shè)置DS1302初始時(shí)間再次讀取的秒鐘數(shù)據(jù)是否相同N設(shè)置DS1302初始時(shí)間再次讀取的秒鐘數(shù)據(jù)是否相同返回主程序DS1302正常工作返回主程序DS1302正常工作圖4.3DS1302的自檢初始化程序設(shè)計(jì)流程圖DS1302的自檢初始化程序如下所示:---------------------------------------------------------------Function：StartcheckDS1302DSCheck:MovR6,#DS1302Sec+1;SecondTimeACallDSRd1ByteMovDSCheckData,aCjnea,#60H,$+3DSCheckNext:JncDSSetTime:a>=60HtoSetDS1302'sTimeAcallDSDelay;DS1302delay1secondMovR6,#DS1302Sec+l;a<59HReadDS1302'sSecondagainACallDSRdlByteCjnea,DSCheckData,DSOK;TwoDSSecofReadingisdifferentAJMPDSSetTimeDSOK:Ret------------------------------------------------------------檢查DS1302芯片是否是正常工作，本系統(tǒng)中通過先讀取秒鐘存放器的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，且將此數(shù)據(jù)與60H相比擬，假設(shè)大于60H，說明時(shí)鐘數(shù)據(jù)不正常，轉(zhuǎn)去設(shè)置時(shí)鐘時(shí)間；假設(shè)小于或等于60H，延時(shí)一秒鐘后，再次讀取秒鐘存放器的數(shù)據(jù)，與第一次讀取的數(shù)據(jù)相比擬，假設(shè)兩次數(shù)據(jù)相同，說明時(shí)鐘數(shù)據(jù)不正常，轉(zhuǎn)去設(shè)置時(shí)鐘時(shí)間；假設(shè)正常，那么退出到主程序。初始化DS1302的充電狀態(tài)及其初始時(shí)間的設(shè)置。4.3.3時(shí)鐘程序設(shè)計(jì)對DS1302進(jìn)行讀寫的程序流程圖如圖4.4所示：結(jié)束將讀出的數(shù)據(jù)暫存數(shù)據(jù)讀完了將該地址數(shù)據(jù)輸出寫入DS1302讀地址RST一端送高電平將DS1302寫保護(hù)開始結(jié)束將讀出的數(shù)據(jù)暫存數(shù)據(jù)讀完了將該地址數(shù)據(jù)輸出寫入DS1302讀地址RST一端送高電平將DS1302寫保護(hù)開始變量初始化變量初始化去除寫保護(hù)去除寫保護(hù)RST一端送高電平RST一端送高電平寫DS1302地址寫DS1302地址向該地址寫入數(shù)據(jù)向該地址寫入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寫完了數(shù)據(jù)寫完了圖4.4 DS1302進(jìn)行讀寫的程序流程圖在對DS1302進(jìn)行讀寫操作時(shí)，為了保證讀出的數(shù)據(jù)和寫入的數(shù)據(jù)一致為為BCD碼，我們就必須在數(shù)據(jù)寫入之前，讀出之后進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。在這個(gè)系統(tǒng)中，由于設(shè)定的時(shí)間參數(shù)大多為二進(jìn)制或十六進(jìn)制數(shù)，為了方便于同DS1302的時(shí)鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行比擬，所以在程序中很有必要進(jìn)行二進(jìn)制與BCD碼之間的轉(zhuǎn)換，其相互間的轉(zhuǎn)換程序如下：-------------------------------------------------------二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為BCD碼Function:DisTimeBCD:DisTimeBCD:MovA,@R0AnlA,#OFHMov@Rl，AIncRlMovA,@R0SwapAAnlA,#0FHMov@R1，AIncRlIncR0Ret------------------------------------------------------------4.4系統(tǒng)工作總流程一般情況下，設(shè)計(jì)的這個(gè)教室燈光控制的工作模式可以分兩種：自動(dòng)控制和強(qiáng)制控制。系統(tǒng)首先默認(rèn)為自動(dòng)控制模式。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入初始化后，假設(shè)自診斷鍵盤按下，那么系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入強(qiáng)制控制模式，這時(shí)系統(tǒng)就會(huì)通過鍵盤掃描程序，確認(rèn)控制燈具的亮與熄；假設(shè)沒有鍵按下，那么它就為自動(dòng)控制模式，它可以利用自然光采集電路，從P3.7口的上下電平由此來判斷自然光強(qiáng)度，如果光照強(qiáng)，那么燈具就會(huì)被熄滅；假設(shè)光照強(qiáng)度弱，那塔就會(huì)繼續(xù)讀取人體存在傳感器的P3.3這個(gè)引腳，如果有人存在那么亮燈。最后，如果教室內(nèi)的燈還亮著時(shí)，并且系統(tǒng)檢測到教室內(nèi)已經(jīng)無人，那么蜂鳴報(bào)警就會(huì)響10秒后熄滅燈具。繼電器驅(qū)動(dòng)P3.5/P3.6口的上下電平控制著燈具的熄滅與照亮。另外，系統(tǒng)也會(huì)受到時(shí)間的控制當(dāng)晚上10點(diǎn)以后，如果教室內(nèi)的燈光仍然亮著，那么蜂鳴報(bào)警就會(huì)提示學(xué)生系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)強(qiáng)制模式，這時(shí)就會(huì)由學(xué)生自動(dòng)控制。系統(tǒng)的總流程框圖如圖4.5所示。4.5本章小節(jié)本章結(jié)合此次教室燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件局部分析研究了其軟件局部，主要包括：系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、時(shí)鐘模塊。在程序設(shè)計(jì)過程中，采用合理的程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，總體設(shè)計(jì)采用自上而下的設(shè)計(jì)思想將主程序設(shè)計(jì)好，而在各個(gè)局部展開成附屬程序或子程序時(shí)，是將各個(gè)小模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和編程，同時(shí)在編程的過程中又用到了結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)的思想。NYYNNNY熄燈具有人嗎？蜂鳴警告延時(shí)10秒亮燈有人嗎？鍵盤掃描程序有自然光嗎？按鍵否？自診斷開始NYYNNNY熄燈具有人嗎？蜂鳴警告延時(shí)10秒亮燈有人嗎？鍵盤掃描程序有自然光嗎？按鍵否？自診斷開始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化YY延時(shí)10秒延時(shí)10秒圖4.5總流程框圖5系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行及問題分析5.1單片機(jī)系統(tǒng)調(diào)試方法及步驟一般在完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，為了驗(yàn)證系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行，檢驗(yàn)軟件和硬件的好壞，通常要對其進(jìn)行調(diào)試。單片機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試主要是對硬件及軟件兩局部進(jìn)行調(diào)試，對其進(jìn)行調(diào)試的目的是為了及時(shí)的發(fā)現(xiàn)硬件及軟件中可能存在的問題，并且查看其運(yùn)行結(jié)果是否到達(dá)了設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)硬件和軟件的研制可以互不影響的相互獨(dú)立的進(jìn)行，在硬件完成之前我們就可以對軟件進(jìn)行調(diào)試，同樣硬件也可以在沒有完整應(yīng)用軟件的情況下進(jìn)行調(diào)試，但是它們都需要借助其他的工具提供調(diào)試環(huán)境。就算對硬件和軟件進(jìn)行分調(diào)之后還不能算結(jié)束，接下來還要對硬件和軟件進(jìn)行聯(lián)調(diào)，在調(diào)試的過程中找出問題，推斷出故障源所在，再對軟硬件進(jìn)行修改。當(dāng)對系統(tǒng)進(jìn)行初步調(diào)試時(shí)，要按一定順序進(jìn)行，第一應(yīng)對硬件進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，與此同時(shí)還要對系統(tǒng)軟件進(jìn)行初步調(diào)試，再者對軟件和硬件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試，最后系統(tǒng)才能進(jìn)入正?；墓ぷ?(1)靜態(tài)調(diào)試：可以通過靜態(tài)調(diào)試來排除硬件故障。當(dāng)把將芯片、傳感器等元件安裝到電路板上的時(shí)侯，為了防止因電源極性接反或電壓過高而對芯片或傳感器造成損壞，通常一定要檢查好電源極性以及電壓的上下。此外你還應(yīng)該注意，插入芯片的時(shí)候，必須要切斷電源，芯片的方向也不要插反。(2)軟件調(diào)試：軟件調(diào)試這塊可以在計(jì)算機(jī)上利用模擬軟件來完成，它可以對單片機(jī)的硬件模擬、指令模擬及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，以此來完成對應(yīng)用軟件開發(fā)的全過程。(3)動(dòng)態(tài)調(diào)試：系統(tǒng)的軟件和硬件是聯(lián)系緊密結(jié)合在一起的，考慮到模擬開發(fā)系統(tǒng)對硬件的某些局部不能進(jìn)行診斷，再者也不能在線仿真，因此用戶程序必須要和硬件連接起來進(jìn)行聯(lián)調(diào)，再者還要對軟件和硬件進(jìn)行檢查和診斷。整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行在線調(diào)試時(shí)，需借助仿真開發(fā)工具來對用戶軟件及硬件電路進(jìn)行診斷、調(diào)試。一旦將系統(tǒng)各模塊電路調(diào)試完成后，那么就可以直接將程序加載到在線仿真器上，這樣目標(biāo)程序就能單步或連續(xù)地被執(zhí)行，并且我們還可以根據(jù)需要分段設(shè)置斷點(diǎn)執(zhí)行程序。而對于一些與硬件相關(guān)的用戶程序，如接口驅(qū)動(dòng)程序等，那么需要配合硬件，進(jìn)行在線調(diào)試，如果有邏輯錯(cuò)誤，也要及時(shí)糾正修改。程序調(diào)試完畢后，利用編程器將程序固化到單片機(jī)中，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行起來。各模塊電路調(diào)試流程圖如圖5.1、圖5.2、圖5.3、圖5.4所示：通電運(yùn)行，用萬用表測量輸出電壓下載一個(gè)正確的小程序到最小系統(tǒng)中通電運(yùn)行，用萬用表測量輸出電壓下載一個(gè)正確的小程序到最小系統(tǒng)中NNYY供電局部是否穩(wěn)定檢查電路尋找原因檢查電路尋找原因NNYY供電局部是否穩(wěn)定檢查電路尋找原因檢查電路尋找原因最小系統(tǒng)是否工作最小系統(tǒng)是否工作最小系統(tǒng)局部成功電源局部成功最小系統(tǒng)局部成功電源局部成功圖5.1電源調(diào)試圖5.2單片機(jī)最小系統(tǒng)調(diào)試硬件連接無誤硬件連接無誤下載按鍵程序下載按鍵程序查看硬件和相應(yīng)軟件是否正確查看硬件和相應(yīng)軟件是否正確按鍵是否工作N按鍵是否工作NYY按鍵調(diào)試局部成功按鍵調(diào)試局部成功圖5.3按鍵電路調(diào)試圖5.4采集電路調(diào)試5.2主要問題分析通常在系統(tǒng)的調(diào)試過程中會(huì)遇到一些常見的問題，那么針對這些問題的分析和解決方案如下?！?〕電源供電電路中集成穩(wěn)壓器溫度過高。分析解決：造成穩(wěn)壓器溫度過高的原因有：變壓器在整流濾波后加到穩(wěn)壓器上的電壓較高，以至于使7805上的壓降過大。解決此問題可以通過選用輸出電壓較低的變壓器，并且在集成穩(wěn)壓器前串入兩只二極管，這樣就可以起到降壓作用，同時(shí)還可以通過增大散熱片來解決這樣的問題?！?〕人體存在傳感器有人存在時(shí)輸出高電平的電壓偏低。分析解決：我們可以在人體存在傳感器的輸出端添加一個(gè)100KΩ的上拉電阻，這樣就可以解決人體存在傳感器輸出高電平的電壓偏低這個(gè)問題了，此問題有時(shí)會(huì)造成單片機(jī)產(chǎn)生誤判或者是采集不到信號(hào)?！?〕人存在的教室中，假設(shè)人體超過十秒沒有活動(dòng)，人體傳感器是不會(huì)有信號(hào)輸出的，那么如何判定教室此時(shí)