教室照明自动控制器的设计(编辑修改稿)

教室照明自动控制器的设计(编辑修改稿)内容摘要：

准双向输入 /输出口；在接有片外存储器或扩展 I/O 接口时， P0 口地址总线低 8 位及数据总线分时复用口，一般作为扩展是地址 /数据总线口使用。 ② P1 口：为 8 位准双向 I/O 接口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入时，口锁存器必须置 1）。 ③ P2 口：为 8 位准双向 I/O 接口，但作为 I/O 接口使用时，可直接连接外部I/O 设备；在皆有片外存储器或扩展 I/O 口且寻址范围超过 256B 时， P2 口用做高 8 位地址总线，一般作为扩展时地址总线的高 8 位使用 ④ P3 口： P3 口的每一条引脚都能够独立 定义为第一功能的输入 /输出或第二功能。 P3 的第二功能如表 31 所示。 控制引脚 RST：即为 RESET,VPD 为备用电源。 该引脚位单片机的上电复位或掉电保护端。 它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现两个机器周期以上的高电平，使器件复位，只要 RST 保持高电平，单片机就保持复位状态。 ALE/PROG：地址锁存有效输出端。 ALE 在每个机器周期内输出两个脉冲。 在访问外部储存器时， ALE 输出脉冲的下降沿用于锁存 16 位地址的低 8 位。 即第三章 系统硬件设计 6 使不访问外部存储器， ALE 端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡频率的 1/6.但是，每当访问外部数据存储器时，在两个机器周期中 ALE 只出现一次，即丢失一个 ALE 脉冲。 ALE 端可以驱动 8 个 TTL 负载。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。 在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN 有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP ：当 /EA 保 持 低 电 平 时 ， 则 在 此 期 间 外 部 程 序 存 储 器 （ 0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。 注意加密方式 1 时， /EA 将内部锁定为 RESET；当 /EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。 在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ VPP）。 31 脚为片外程序储存区选用端。 表 31 P3 口的第二种功能说明表 引脚号 第二功能 RXD（串行输入） TXD(串行输出 ) INT0 （外部中断 0） （外部中断 1） T0(定时器 0 外部输入 ) T1(定时器 1 外部输入 ) WR (外部 数据存储器写选通 ) RD (外部数据存储器写选通 ) 单片机与继电器的设计 本模块功能是根据单片机的输出信号控制照明设备工作。 此模块使用弱电控制强电，故需要电路电压的隔离，避免强电串入弱电，损坏单片机。 继电器具有动作快、工作可靠、安全性高，使用寿命长、体积小等优点，使用历史悠第三章 系统硬件设计 7 久。 在工业中，它广泛的使用于电力保护，开关控制等场合。 继电器可以直接隔离强电与弱电，无需另外附加光耦隔离电路。 单片机输出无法直接驱动继电器，可以对单片机输出的信号进 行简单的放大，然后驱动继电器，控制照明设备工作。 继电器的低压控制端工作于低压直流，但对于 AT89S51 单片机的 I/O 口来说还是比较大的，所以我们通常使用图 来实现三极管开关实现单片机 I/O 与继电器的低压控制端接口。 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)1512345(MOSI)6(MISO)7(SCK)8(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30(TXD)11(RXD)10GND20VCC40AT89S51Q1D1r1PMHZ21345XQL 220V AC+5V+5VR1C110μF+5VC320pFC220pF2N4401IN4140K1GND+5V+5V 图 单片机与继电器的连接图 继电器由衔铁、铁芯、触点簧片、线圈等组成的。 只要在线圈两端加电压，线圈中就会流过电流，从而产生电磁效应，继电器线圈只有两个头，加上额定电压后线圈流过额定电流，产生的电磁力就克服弹簧力，通过电磁机构使常开第三章 系统硬件设计 8 触点闭合、常闭触点断开。 通常只有接触器才分主触 点和辅助触点。 继电器使用时通常就是把一般触点串联或者并联用在主回路和控制回路中，完成控制任务。 吸引衔铁的电磁力，克服弹簧的张力被吸引到铁芯，主触点与衔铁驱动的辅助触点（常开触点）吸合。 当线圈断电时，吸力消失，弹簧的反作用力将使衔铁返回到原来的位置，从而使可动触点与原来的静止触点（常闭触点）释放。 通过吸合、释放，从而达到电路的导通、断开的目的。 对于继电器的“常开，常闭”触点，它可以理解为继电器线圈不通电时处于断开状态的静触点称为“常开触点”。 在接通状态，静触点是“常闭触点”。 技术参数： 1 额定工作电压是指在 继电器线圈正常运行所需的电压。 根据继电器的型号有所不同，电磁继电器可以用交流电压，也可以是直流电压。 2 直流电阻是指继电器线圈的直流电阻，由万用表测量。 3 产生的最小电流是继电器通电吸合电流。 在正常使用中，电流必须稍大于一个给定的上拉电流，使继电器可以产生稳定的效果。 对于所施加的线圈电压，一般不超过 倍的额定电压，否则会产生较大的电流导致线圈烧毁。 4 放电电流是继电器产生的最大脱扣动作时的电流。 继电器闭合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。 此时电流远小于上拉电流。 5 触电切换电 压和电流 是 继电器装置允许施加的电压和电流。 它决定了继电器控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。 继电器的选用： 1 首先要了解的必要条件 ①控制电路的电源电压，可提供的最大电流。 ②所述控制电路的电压和电流。 ③被控电路需要几组，什么样的形式的接触。 继电器的选择，一般控制电第三章 系统硬件设计 9 路的电源电压可以作为选择的依据。 应该给继电器控制电路提供足够的电流，否则继电器不稳定。 2 获得相关数据，以确定使用条件，可以找到相关信息，确定需求和规格的继电器型号。 如果继电器已经在手，可以根据数据是否匹配。 最后确认大小是否适当。 3 本论文主要用于一般电器所以主要考虑小型继电器电路板安装布局。 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。 继电器的作用是 在电路中起着自动调节、安全保护、以弱控强，转换电路等作用。 继电器 K1 的控制端（ 4,5）有三极管 Q1 来驱动，只要单片机 输出高电平则三极管 Q1 导通，继电器 K1 的控制端 通过 电流，电磁铁工作吸引衔铁，于是 K1 的接触端 1,3 导通，电灯 L 工 作。 当 为低电平时，三极管 Q1 截止，K1 的控制端没有电流通过，电磁铁不工作，于是接触 1,3 断开，灯停止工作，可见继电器帮助单片机 I/O 口实现了低压 5VDC 控制高压 220VAC 的目的。 由于继电器 K1 的电磁铁有一定的电感，在断电瞬间可能会产生较大的反向电压对三极管 Q1 不利，因此在继电器 K1 控制端反接一个二极管 D1 用于放电。 光敏模块的设计 光敏二极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优 点。 光电管在一个真空的玻璃泡内装有两个电极，光电阴极 和阳极。 光电阴极有的是贴附在玻璃泡内壁，有的是涂在半圆筒形的金属片上，阴极对光敏感的一面是向内的，在阴极前装有单根金属丝或环状的阳极，当阴极受到适当波长的光线照射时变发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，这样在光电内管就产生了电子流，在外电路中便产生了电流。 光敏二极管的结构与一般二极管相似，装在透明的玻璃外壳中，它的 PN 结装在管顶，可直接受到光照射，光电二极管在电路中一般是处于反向工作状态第三章 系统硬件设计 10 的。 在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，称为暗电流。 当光照射在 PN 结上，光子打在 PN 结附近时，使 PN 结附近产生 光生电子和光生空穴对，使少数载流子的浓度大大增加，因此通过 PN 结的反向电流也随之增加。 如果入射光照度产生变化，光生电子 空穴对的浓度也相应变动，通过外电路的光电强度也随之变动。 可见，光敏二极管能将光信号转换为电信号输出。 照度为照射到表面一点处的面元上的光通量除以该面元的面积。 照度的符号为 E(Ev)；单位为勒克斯 (流明／单位面积 )，符号为 其中，  —— 光通量， A—— 面积。 光通量的单位为“流明”。 光通量通常用Φ来表示，在理论上其单位相当 于电学单位瓦特，因视觉对此尚与光色有关。 所以依标准光源及正常视力度量单位采用“流明”，符号： lm。 、离开或通过曲面的光能量。 流明 (lm) 是国际单位体系 (SI) 和美国单位体系 (AS) 的光通量单位。 如果将光作为穿越空间的粒子（即光子），那么到达曲面的光束的光通量与 1 秒钟时间间隔内撞击曲面的粒子数成一定比例。 光通量的物理表达式为： 0d=ddKV     （ ） （ ） 式中： K： 光敏度、感光度（类比：胶卷的感光度）、人眼对于彩色的感知能力 K = lm/W。 K 值使光通量的单位与辐射功率的单位得到统一。 λ：波长，事实上人眼只对波长位于 380nm~780nm 的可见光有反应，习惯ddAE 第三章 系统硬件设计 11 上我们把低于 380nm 的光波称为紫外线 (Ultraviolet，简称 UV)， 把高于 780nm的光波称为红外线 (Infrared，简称 IR)，这一点也反映在了视见函数 V(λ)中。 V(λ)：称为人眼相对光谱敏感度曲线，亦作视见函数曲线，是总结了众多针对人眼的测试经验而得到的，它描述了人眼对不同 波长的光的反应强弱。 人眼对亮度的敏感程度与颜色有关，在整个可见光范围内并不是均匀的 .可以用相对敏感函数 曲线 进行描述 . 在环境明亮时，人眼对于波长 X=555nm（环境黑暗时为 507nm）的光线最为敏感 ,我们定义这时的相对视敏度 Vs(555)= X 为其它值时， Vs(X)均小于 X 的单色光 ,其辐射功率为 P(X),相对视敏函数为 Vs(X),则可以定义光通量为 Y(X)=P(X)*Vs(X)。 当 P(X)以瓦为单位时， Y(X)的单位为光瓦 .只有当 X=555nm 时 ,1 瓦光辐射功率产生 683lm(流明）的光通量。 光敏电阻使用光电导体制成的光电器件，又称光导管，它是基于半导体内光电效应工作的。 光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可见直流偏压，也可加交流电压。 光敏电阻的工作原理是当无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。 当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，因此电路中的电流迅速增加。 光敏电阻的管心是一块安装在绝缘衬底上的带有两个欧姆接触电极的光电导体。 半导体 吸收光子而产生的光电效应，仅限于光照的表面薄层。 虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但深入厚度有限，因此光电导体一般都做成薄层。 为了获得很高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状，所以提高了光敏电阻的灵敏度。 光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体密封在带有玻璃的壳体中。 光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性，光谱响应从紫外区一直到红外区，而且体积小、重量轻、性能稳定。 常用的光敏三极管型号有： 3DU5C 3DU31 3DU33 3DU107 3DU303 L14C1 PT334 等 3DU 系列为金属壳封装，顶端为玻璃透光窗，对 880nm 的光线第三章 系统硬件设计 12 灵敏度最高，常与红外发光二极管配套使用，具有灵敏度高，响应速度快的特点。 常用的红外发光二极管型号有： GL3S 2GLA LN303 5GLA 等 光敏元件的选择 LX1970，包含 PIN 型光电二极管，高增益放大器和两个互补电流输出端。 芯片特点： PIN 光电二极管光谱特性及灵敏度都与人的眼睛相似，可代替人 眼 感受亮度的明暗变化，并将接受的可见光装换成电流信号。 光电二极管阵列峰值响应波长为 520mm 电流灵敏度为 A/lx,暗 电流为 10μ A。 ⑴ LX1970 非线性误差小，无需使用蓝光滤光片，即可以有效的衰减紫外光及红外光。 ⑵两个互补输出端电流不对称仅为177。 ％，可任选一段作为输出。 ⑶微功耗，低压供电。 采用 +2～ + 电源，电源电流低至 85μ A(典型值 )工作温度范围是 40℃～ +85℃，外型尺寸 3mm 1mm，其结构如图 所示。 图 LX1970。