微處理器程序設(shè)計-以51單片機為例 課件 項目3 智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控 任務(wù)3.4

項目三智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控

馮蓉珍

《微處理器程序設(shè)計》任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)目標(biāo)

通過本任務(wù)的設(shè)計與制作，培養(yǎng)學(xué)生利用微處理器采集傳感器數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析后驅(qū)動繼電器等執(zhí)行器，實現(xiàn)對智慧工廠能源管控，以達(dá)到節(jié)能減排目的。任務(wù)實施

利用溫度傳感器、光敏傳感器和人體紅外傳感器，在仿真電路中實現(xiàn)智慧校園中能源的智能控制。當(dāng)教室、宿舍或圖書館、辦公樓里有人的時候，檢測當(dāng)前的光照度和溫度。根據(jù)光照度調(diào)節(jié)室內(nèi)照明亮度，根據(jù)溫度調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速（模擬空調(diào)溫度）。當(dāng)室內(nèi)沒人，照明燈和風(fēng)扇（空調(diào)）都關(guān)閉。以此實現(xiàn)能源智能控制，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

任務(wù)實施1、硬件電路設(shè)計

將溫度傳感器、光敏傳感器以及兩個外部中斷按鍵（模擬門外和門內(nèi)的人體紅外傳感器）分別和微處理器連接，利用三個LED燈模擬室內(nèi)的照明燈，用直流電機模擬風(fēng)扇（代替空調(diào)的作用）。八個數(shù)碼管通過38譯碼器和微處理器連接，第1到第3個數(shù)碼管顯示環(huán)境亮度，第4到第6個顯示環(huán)境溫度，第7到第8個數(shù)碼管顯示室內(nèi)人數(shù)。

任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控圖3-44電路總圖任務(wù)實施

為了清晰展現(xiàn)每個模塊的細(xì)節(jié)，將總圖進行拆分。微處理器各個引腳網(wǎng)標(biāo)如圖所示。任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控圖3-45微處理器各個引腳網(wǎng)標(biāo)圖

任務(wù)實施

圖3-46光敏傳感器部分電路圖光敏傳感器和微處理器連接的電路圖如圖所示。任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

圖3-47人體紅外傳感器部分電路圖利用兩個外部中斷按鍵模擬人體紅外傳感器以及電機模擬風(fēng)扇的電路圖如圖所示。任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

溫度傳感器采集溫度的部分電路圖如圖3-48所示，溫度傳感器的2引腳DQ連接微處理器的P2.7端

。任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

圖3-49室內(nèi)照明燈及報警燈電路圖

模擬室內(nèi)照明燈即報警提示的LED燈電路圖如圖所示。任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

數(shù)碼管顯示環(huán)境亮度、環(huán)境溫度及室內(nèi)人數(shù)的電路如圖3-39f所示。任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控圖3-49室內(nèi)照明燈及報警燈電路圖

任務(wù)實施

圖3-514個閾值設(shè)定按鈕電路圖

數(shù)碼管顯示環(huán)境亮度、環(huán)境溫度及室內(nèi)人數(shù)的電路如圖所示。任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

2軟件編程主函數(shù)中需要進行外部中斷相關(guān)寄存器的初始化設(shè)置：EA=1; //允許總中斷EX0=1;//允許外部中斷0產(chǎn)生中斷EX1=1;//允許外部中斷1產(chǎn)生中斷IT0=1;//外部中斷0的觸發(fā)方式為電平跳變方式IT1=1;//外部中斷1的觸發(fā)方式為電平跳變方式

光照亮度變量data_temp初始化：data_temp=0;//光照亮度初始值。任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

2軟件編程初始化關(guān)燈和開燈的亮度閾值：lightH=200;//關(guān)燈閾值lightL=100;//開燈閾值初始化光敏上下限設(shè)置按鍵的默認(rèn)狀態(tài)為松開狀態(tài)：sw_gms_last=1;//設(shè)置閾值上限開關(guān)默認(rèn)狀態(tài)為松開sw_gmx_last=1;//設(shè)置閾值下限開關(guān)默認(rèn)狀態(tài)為松開初始化電機默認(rèn)狀態(tài)為停止?fàn)顟B(tài)：dc1=1;//電機不轉(zhuǎn)任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

2軟件編程初始化外部中斷0和1的中斷次數(shù)和室內(nèi)人數(shù)以及人數(shù)的十位數(shù)和個位數(shù)都為0：n0=0; //外部中斷0中斷次數(shù)n1=0; //外部中斷1中斷次數(shù)count_renshu=0;//教室里的人數(shù)renshu_shi=0; //人數(shù)十位renshu_ge=0; //人數(shù)個位報警燈初始狀態(tài)不亮：alarm=1;//不報警任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

2軟件編程風(fēng)扇電機啟動和停止的溫度閾值初始值設(shè)定為26和24度：tempH=26;//電機啟動的閾值tempL=24;//電機停止的閾值電機啟動使能標(biāo)志初始化為禁能：start_en=0;//電機啟動使能標(biāo)志初始化為禁能采集一次溫度，并延時一段時間：Read_Temperature();//采集溫度Delay(50000);//延時Delay(50000);以上是初始化設(shè)置的內(nèi)容。任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

2軟件編程在main函數(shù)的while（1）循環(huán)中，反復(fù)執(zhí)行以下幾個任務(wù)：（1）讀取設(shè)置開關(guān)照明燈的亮度閾值的按鍵狀態(tài)read_key_gmset();//讀取光照閾值的按鍵是否按下（2）利用AD0832芯片進行ad轉(zhuǎn)換獲取光照強度data_temp=ADC0832();//ad轉(zhuǎn)換獲取光照強度（3）數(shù)碼管顯示光照強度display_gm();//數(shù)碼管顯示光照強度（第1-3個數(shù)碼管）（4）根據(jù)光照強度控制照明燈亮度gm_control_led();//根據(jù)光照亮度控制燈的亮度（5）顯示室內(nèi)人數(shù)display_renshu();//顯示教室里的人數(shù)（第7-8個數(shù)碼管）（6）讀取溫度傳感器采集到的溫度Read_Temperature();//讀取溫度傳感器的值任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

2軟件編程（7）解析讀到的溫度高低字節(jié)，轉(zhuǎn)換十進制溫度值Dispose_Temperature();//處理讀取到的溫度高低字節(jié)轉(zhuǎn)換成具體溫度值，并顯示溫度（8）顯示溫度display_wd(num1);//顯示溫度（第4-6個數(shù)碼管）（9）根據(jù)當(dāng)前文檔控制風(fēng)扇啟停control_fan();//根據(jù)溫度控制風(fēng)扇以上9個子函數(shù)循環(huán)往復(fù)被執(zhí)行。每個子函數(shù)進行功能分析在之前的項目中已有解析。

任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施3.4.4能力拓展

利用溫度傳感器，當(dāng)教室里有人時并且溫度超過29度，打開風(fēng)扇或者空調(diào)；低于26度時關(guān)閉風(fēng)扇或空調(diào)；當(dāng)有人在教室，光照亮度不夠時，自動開燈；亮度夠則不開燈；當(dāng)教室沒人時，不開燈也不開空調(diào)。將上面這個任務(wù)修改代碼后移植到開發(fā)板上運行。1、硬件電路設(shè)計將仿真中運行的效果稍作修改后在開發(fā)板上展現(xiàn)出來。

用直流電機模擬風(fēng)扇或空調(diào)，將單片機的P3.0連接繼電器控制端，即開發(fā)板的J15端子。在此要特別注意一點：下載程序到開發(fā)板時先斷開P3.0和和繼電器的連接，因為下載時電腦和單片機之間有串口通信，或者可以換一個端口連接繼電器，比如用P2.1。當(dāng)P2.1輸出低電平時，繼電器工作，使得繼電器的常開端NO和公共端COM導(dǎo)通，常閉端NC和公共端COM斷開。繼電器的常開、常閉和公共端引出到開發(fā)板的P1端子。將COM端連接開發(fā)板上5V的GND。直流電流一端連接開發(fā)板+5V電源，另外一端連接繼電器的常開端NO端。開發(fā)板連線圖如圖所示。任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控圖3-52開發(fā)板連線圖圖3-53光敏傳感器連線圖任務(wù)實施1、硬件電路設(shè)計任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控圖3-54數(shù)碼管連線圖圖3-55整體連線圖任務(wù)實施1、硬件電路設(shè)計為了方便開發(fā)板連接，我們將連線圖設(shè)計成了電路原理圖，如圖3-44所示(光敏傳感器的連接方式參考開發(fā)板上的連接)。任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控圖3-56電路原理總圖任務(wù)實施1、硬件電路設(shè)計

為能看清每個模塊的連接方式，我們將上圖拆分成幾張局部的模塊圖，如圖所示。圖3-57模擬人體紅外傳感器和繼電器電路任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施1、硬件電路設(shè)計任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控光敏傳感器和驅(qū)動芯片的連接方式如圖3-58所示。任務(wù)實施1、硬件電路設(shè)計溫度傳感器電路圖如圖所示。任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控圖3-59溫度傳感器電路圖任務(wù)實施1、硬件電路設(shè)計數(shù)碼管顯示部分電路圖如圖所示。任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控圖3-60數(shù)碼管顯示部分電路圖任務(wù)實施1、硬件電路設(shè)計單片機與靜態(tài)數(shù)碼管的連接方式如圖3-61所示。任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施2、軟件編程

首先編寫主程序，因本項目涉及到外部中斷的編程，因此主函數(shù)中需要對中斷相關(guān)的寄存器進行初始化，另對本程序中涉及到的一些變量同時初始化。初始化代碼如下： count=0;//教室里人數(shù)初始為0 EA=1;//允許總中斷 EX0=1;//允許外部中斷0產(chǎn)生中斷 EX1=1;//允許外部中斷1產(chǎn)生中斷 IT0=1;//外部中斷0的觸發(fā)方式為跳變方式 IT1=1;//外部中斷1的觸發(fā)方式為跳變方式 n1=0;//外部中斷0的中斷次數(shù)，即經(jīng)過門外人體紅外傳感器1次數(shù) n2=0;//外部中斷1的中斷次數(shù)，即經(jīng)過門內(nèi)人體紅外傳感器2次數(shù) add_en=1;//人數(shù)作加法 m=0;//控制循環(huán)顯示的次數(shù)任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

主函數(shù)的while（1）循環(huán)中依次采集溫度，循環(huán)顯示溫度值100次，使溫度顯示停留一段時間，然后采集光照并顯示光照值，停留一段時間，最后顯示教室內(nèi)人數(shù)。代碼如下： while(1) { //溫度采集及顯示 datapros(Ds18b20ReadTemp()); //溫度數(shù)據(jù)處理函數(shù)

for(m=0;m<100;m++){

DigDisplay();//數(shù)碼管顯示溫度函數(shù)

}

//光照采集及顯示 dataprosGM(); //光照數(shù)據(jù)處理函數(shù) for(m=0;m<100;m++){

DigDisplayGM();//數(shù)碼管顯示光照函數(shù) }

P1=~smgduan[count]; //顯示教室里的人數(shù) }任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

讀取溫度函數(shù)Ds18b20ReadTemp()代碼如下：intDs18b20ReadTemp(){ inttemp=0; uchartmh,tml; Ds18b20ChangTemp(); //先寫入轉(zhuǎn)換命令 Ds18b20ReadTempCom(); //然后等待轉(zhuǎn)換完后發(fā)送讀取溫度命令 tml=Ds18b20ReadByte(); //讀取溫度值共16位，先讀低字節(jié) tmh=Ds18b20ReadByte(); //再讀高字節(jié) temp=tmh; temp<<=8; temp|=tml; returntemp;}任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

這個函數(shù)有現(xiàn)成的代碼可以直接使用，看懂即可。Temp變量即溫度值，本函數(shù)完成后即能得到溫度傳感器的溫度值。本函數(shù)中調(diào)用Ds18b20ChangTemp()轉(zhuǎn)換命令;接著調(diào)用Ds18b20ReadTempCom();等待轉(zhuǎn)換完成后發(fā)送讀取溫度命令；調(diào)用Ds18b20ReadByte();讀取溫度的低8位，賦值給tml變量；再次調(diào)用Ds18b20ReadByte();讀取溫度的高8位，賦值給tmh變量；利用移位操作，將讀取到的溫度低8位和高8位拼接成一個16位的變量temp，即溫度值。datapros(inttemp)；此函數(shù)是溫度處理函數(shù)，將讀取到的溫度傳遞到此函數(shù)的形參。數(shù)組DisplayData[0]存放溫度符號，高于零度，不顯示，低于零度，顯示“-”。當(dāng)獲得溫度是負(fù)數(shù)時，將溫度值轉(zhuǎn)換成補碼形式，如果是高于零度的溫度，則直接用公式得到溫度的10進制值。temp/10000是溫度的百位，將百位數(shù)的數(shù)碼管顯示碼值放到數(shù)組DisplayData[1]；即DisplayData[1]=smgduan[temp/10000];smgduan[]數(shù)組存放的是0-9的顯示碼值。同理，將溫度的十位，個位，小數(shù)點后的一位，二位分別存到到DisplayData[2]到DisplayData[5]，顯示個位的數(shù)碼管要顯示小數(shù)點，因此需要與0x80進行或運算。任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

同時將溫度的二進制值轉(zhuǎn)換成十進制溫度后，對溫度進行判斷，若超過29度，并且教室有人，則開空調(diào)，為避免空調(diào)頻繁開關(guān)，設(shè)置當(dāng)溫度低于28度，或者教室里沒人時關(guān)閉。此處未考慮冬天開制暖功能，讀者可以自行補充。具體代碼如下：voiddatapros(inttemp) { floattp; if(temp<0) //當(dāng)溫度值為負(fù)數(shù)

{ DisplayData[0]=0x40; //-

//因為讀取的溫度是實際溫度的補碼，所以減1，再取反求出原碼 temp=temp-1; temp=~temp; tp=temp; temp=tp*0.0625*100+0.5; //留兩個小數(shù)點就*100，+0.5是四舍五入，因為C語言浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為整型的時候把小數(shù)點 //后面的數(shù)自動去掉，不管是否大于0.5，而+0.5之后大于0.5的就是進1了，小于0.5的就 //算加上0.5，還是在小數(shù)點后面。

}

任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

else { DisplayData[0]=0x00; tp=temp;//因為數(shù)據(jù)處理有小數(shù)點所以將溫度賦給一個浮點型變量 //如果溫度是正的那么，那么正數(shù)的原碼就是補碼它本身 temp=tp*0.0625*100+0.5; //留兩個小數(shù)點就*100，+0.5是四舍五入，因為C語言浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為整型的時候把小數(shù)點 //后面的數(shù)自動去掉，不管是否大于0.5，而+0.5之后大于0.5的就是進1了，小于0.5的就 //算加上0.5，還是在小數(shù)點后面。 } DisplayData[1]=smgduan[temp/10000]; DisplayData[2]=smgduan[temp%10000/1000]; DisplayData[3]=smgduan[temp%1000/100]|0x80; DisplayData[4]=smgduan[temp%100/10]; DisplayData[5]=smgduan[temp%10];

任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

//根據(jù)溫度控制電機

if((temp>=2900)&&(count!=0)){//教室有人并且溫度超過29度，開空調(diào) dc1=0;//繼電器導(dǎo)通 } elseif((temp<2800)||(count==0)){//教室里沒人或溫度低于28度，關(guān)空調(diào)

dc1=1; }

}任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

//根據(jù)溫度控制電機

if((temp>=2900)&&(count!=0)){//教室有人并且溫度超過29度，開空調(diào) dc1=0;//繼電器導(dǎo)通 } elseif((temp<2800)||(count==0)){//教室里沒人或溫度低于28度，關(guān)空調(diào) dc1=1; }

}

顯示溫度值，調(diào)用DigDisplay();函數(shù)。依次選擇被點亮的數(shù)碼管，讓此數(shù)碼管顯示相應(yīng)的值。LSA=0;LSB=0;LSC=0;表示顯示第0位。LSA=1;LSB=0;LSC=0;顯示第1位，依次類推，利用switch語句完成。P0=DisplayData[ii];表示顯示第ii位數(shù)據(jù)。延時一段時間后，消隱。這個顯示過程循環(huán)100次，使得溫度顯示能維持一段時間，避免和亮度顯示輪流顯示閃爍現(xiàn)象。任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施程序代碼如下：voidDigDisplay(){ u8ii; for(ii=0;ii<6;ii++)

{ switch(ii) //位選，選擇點亮的數(shù)碼管，

{ case(0): LSA=0;LSB=0;LSC=0;break;//顯示第0位 case(1): LSA=1;LSB=0;LSC=0;break;//顯示第1位 case(2): LSA=0;LSB=1;LSC=0;break;//顯示第2位 case(3): LSA=1;LSB=1;LSC=0;break;//顯示第3位 case(4): LSA=0;LSB=0;LSC=1;break;//顯示第4位 case(5): LSA=1;LSB=0;LSC=1;break;//顯示第5位

}

任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

P0=DisplayData[ii];//發(fā)送數(shù)據(jù) delay(100);//間隔一段時間掃描

P0=0x00;//消隱 } }

光照采集函數(shù)dataprosGM();調(diào)用Read_AD_Data(0xA4);直接讀取AIN2通道上的光照模擬值，賦給變量temp。將此變量解析成千位、百位和個位。利用smgduan[]數(shù)組將亮度的每一位賦值給數(shù)組disp[]。顯示完成后，將亮度值小于設(shè)定值light1_value值并且教室里有人，即count不為0，開燈；當(dāng)亮度值高于light2_value,或者沒有人，則熄滅led燈。任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施具體代碼如下：voiddataprosGM(){ u16temp;

temp=Read_AD_Data(0xA4); //AIN2光敏電阻

disp[0]=smgduan[temp/1000];//千位 disp[1]=smgduan[temp%1000/100];//百位 disp[2]=smgduan[temp%1000%100/10];//個位 disp[3]=smgduan[temp%1000%100%10]; //添加控制led燈的代碼 //當(dāng)亮度值低于light1_value，并且有人則點亮led燈 if((temp<light1_value)&&(count!=0)){ led=0; } //當(dāng)亮度值高于light2_value,或者沒有人，則熄滅led燈

if((temp>light2_value)||(count==0)){ led=1; }}任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

光照亮度的顯示代碼基本和溫度顯示一致，只是P0=disp[i];disp[]數(shù)組里存放的是光照亮度值。

靜態(tài)數(shù)碼管顯示教室里的人數(shù)。用外部中斷0和1分別表示門外和的門內(nèi)的人體紅外傳感器的值，因開人體紅外傳感器反饋的只是0和1的數(shù)字，0表示有人經(jīng)過，1表示人離開，此處利用開發(fā)板上的k1和k2模擬人體紅外傳感器1和2。

外部中斷0函數(shù)處理經(jīng)過門外人體紅外傳感器1的次數(shù)。任務(wù)3.4企業(yè)案例——實現(xiàn)智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控任務(wù)實施

從門外進入