基于单片机的教室灯光控制系统的设计_毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的教室灯光控制系统的设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

果在 内未检测到其工作，出现故障，内部定时器将 使看门狗 WD1 处于低电平状态，为系统提供保护，避免死机、程序跑飞或进入死循环等意外的发生。 数据采集电路 针对本课题数据的采集，首先分析此次研究设计的背景是在校园教学楼的教室里，主要采集的参数有 教室的环境光强度和人体存在与否。 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。 本系统采用逻辑电平输出的 HP208 型号的人体传感器。 一、环境光采集电路 光电传感器是一种能够将光转换成电量的传感器。 采用的光敏 三极管除了具有光敏二极管能将光信号转变成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。 再无光照时三极管的穿透电流很小，为暗电流。 有光照时，穿透电流增大，成为光四川理工学院本科毕业设计 11 电流。 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。 因此光敏三极管灵敏度高，而且体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点。 环境光采集电路原理图如图 35 所示。 当教室内自然光光照强度高于一定程度时 (即设定参数），则光敏三极管 D6 呈现低阻状态即小于 1 KΩ，三极管 Q8 的基极电压将增大，使三极管 Q8 饱和导通，就会使三极管 Q8 集电极输出低电平，不参与工作。 当办公场所室内自然光光照强度小于一定程度时 (即设定参数 )，则光敏三极管 D6 呈现高阻状态大于 100 KΩ，使三极管 Q8 截止， Q8 的集电极输出高电平，参与电路工作。 其中可变电阻 R9 是作为调节室内环境光光照强弱灵敏度参数的器件，其阻值的大小，将会是三极管 Q8 在不同的室内环境光照强度参数下导通，而 R C9 组成的电路是防止外界干扰而设计的，具有防干扰的作用。 图 35 环境光采集电路图 二、人体存在传感器的工作原理 自然界中存在的各种物体，如人体、 木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线，利用红外线传感器可对其进行检测。 根据工作原理，红外传感器分为热型和量子型两类，热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器。 与量子型相比，热型的红外线波长范围较宽，价格便宜，并在常温下工作。 量子型与热型的相反，而且要求冷却条件。 本系统采用的是热释电红外传感器，基于单片机的教室灯光控制系统的设计 12 人体存在传感器主要采用了红外传感器的原理，它是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、自动照明等场合，及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。 其原因为： 被测对象自身发射红外线，可 不必另设光源； 大气对 、 351Lm、 8141Lm 三个被称为“大气窗口”的特定光通量的红外线吸收较少，非常容易被检测； 中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。 人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性如下： 人体都有恒定的体温，一般在 37℃ ，所以会发出特定波长 10μM 左右的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的 10μM左右的红外线而进行工作的。 人体发射的 10μM左右的红外线通过菲尼尔滤波片增强后聚集到红外感应源上。 红外感应源采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度 发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生有人体存在的信号 [12]。 1）这种探头是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为 10μM左右的红外辐射非常敏感。 2）为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面覆盖有特殊的菲尼尔滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。 3）人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。 4）一旦有人进入探测区域内 ，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被人体存在传感器的热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，不能抵消，经信号处理而输出有人体存在的信号。 5)菲尼尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控现场，视场越多，控制越严密。 有人进入时，移动人体发出的红外线被红外传感器接收，则人体存在被感应，并输出高电平。 若人体进入最不敏感移动方向时，人体传感器所体现的信号就不会理想，有时还会产生误动作，所以要特别注意人体传感器的安装方向。 三、人体存在信号采集电路 人体传感器 HP208 基于 红外线的智能产品，它的主要特性如下： （ 1）感应为全自动方式，人进入感应范围时输出高电平（高 ），人离开四川理工学院本科毕业设计 13 感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平（低 ），其高低电平利于采集； （ 2）采用可重复触发方式。 即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时 15s 后将高电平变为低电平； （ 3） 人体传感器工作电压宽为 DC3VDC24V； （ 4） 人体传感器制作成锥面形状，感应范围大于小于 140176。 锥角，感应距离为7m 以内； （ 5） 其静态电流小于 50μA，功耗低； （ 6） 工作温度介于 15℃ 和 +70℃ 之间，适应性强； （ 7）灵敏度高，可靠性强。 人体传感器的 1 号引脚为电源信号端， 3 号引脚为地信号端， 2 号引脚为采集信号输出端。 在电路设计中，为了使人体传感器的工作更加可靠，介于人体传感器的信号引脚 2 与地信号引脚 3 之间加一个 6800pF 的电容，另外人体存在传感器的信号引脚 2 与单片机的 引脚相连 ， 引脚再接一个 100KΩ 的上拉电阻，增加人体存在传感器输出信号的可靠性，其电路原理图如图 36。 图 36 人体传感器电路图 系统时钟电路 根据教室灯光使用特性，该系统还应受到时间的控制，因此本研究还加入硬件时钟电路以保证系统的智能化运行。 传统的时钟芯片，如 MC14681 MC68H68T、 LM8365 等，这些芯片的引脚基于单片机的教室灯光控制系统的设计 14 太多，体积大，占用的口线多。 而现在流行的串行时钟芯片很多，如 DS130DS130 DS130 PCF8485 等，这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛的使用。 考虑到本系统停电时需为时钟电路提供电源、且不占用太多单片机资源，本系统采用美国 DALLAS 公司推出的具有 充电能力的低功耗 1 8 的用于临时性存放数据的 RAM 寄存器的实时时钟芯片 DS1302。 此芯片采用的是串行通信方式，可为掉电保护电源提供充电功能，也可以将此功能关闭。 该芯片对年、月、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为 ～ [13]。 DS1302 只需三根线即可与单片机进行通信，体积小，使用简单，时钟精度较高 [14]，满足系统的要求。 可为掉电保护电源提供可编程的充电功能的时钟芯片 DS1302 的引脚图如图37 所示。 图 37 DS1302 的引脚图 DS1302 与单片机接口电路连接 原理图如图 38，其中 Vcc2 外接 可充电的锂电池，为 DS1302 的备用电源。 Vcc1 外接系统供电模块的输出稳定电压 +5V，为 DS1302 的主电源。 DS1302 由 Vcc1 和 Vcc2 两者中较大者供电。 当 Vcc1 大于Vcc2+，由 Vcc1 给 DS1302 供电，系统正常运行；在主电源关闭的情况下，Vcc1 小于 Vcc2，由 Vcc2 给 DS1302 供电，保持时钟的连续运行。 X1 和 X2 是振荡源，外接 晶振。 RST 是复位 /片选线，通过把 RST 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送，与单片机的复位信 号相连。 时钟输入端 SCLK 接单片机 引脚，进行时钟控制。 数据输入 /输出端 I/O 接单片机 引脚，进行数据传输。 四川理工学院本科毕业设计 15 图 38 DS1302 与单片机接口电路连接图 继电器驱动电路 继电器驱动接口电路如图 39 所示，这里继电器由相应的 PNP 型号的 9012 三极管来驱动。 开机时，单片机初始化后的 ，三极管截止，所以开机后继电器始终处于释放状态。 如果 ，三极管的基极就会被拉低而产生足够的基极电流，使三极管导通，继电器就会得电吸合，从而驱动负载 ，点亮相应电灯。 继电器的输出端并联 100Ω 的电阻和 6800pF 电容，目的是避免继电器吸合与释放期间产生火花。 继电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管，这种继电器驱动方式硬件结构比较简单。 图 39 继电器驱动电路 基于单片机的教室灯光控制系统的设计 16 蜂鸣报警电路 在教室中，若采用手动方式控制时，一方面由于学生及管理人员的疏忽，教室里没有人而灯还亮着，导致教室灯工作超时，能源浪费。 于是本系统采用蜂鸣报警电路，以声音的方式来教室无人并关闭电源；另一方面由于学生学习紧张，在夜里忘了时间点，学习期 间开灯时间过长，致使教室灯工作超时，于是本系统蜂鸣报警电路就会发出声音，在晚上 10 点时提醒学生应该休息或必须改用手动强制控制灯了。 这样，还可以更好的保护公共设施。 本系统采用超时报警的电路如图 310 所示，单片机的 端口外加一个 10K的上拉电阻，在经过限流电阻 100Ω 与三极管 C945 的基极相连。 当 端口为低电平，即基极为低电平时，三极管导通，驱动蜂鸣器发出声音，以示教室灯工作超时。 若 端口为高电平，即基极为高电平时，三极管截止，蜂鸣器不工作，教室灯工作正常。 本系统采用超时报警电路方便了管理 人员对教室的管理，能够更好地、及时地管理教室。 图 310 蜂鸣报警电路 按键控制电路 按键控制电路如图 311 所示。 按键的输入信号分别接到 ， ， ，用二极管和与门电路将按键信号引到外中断 0 的引脚。 按键控制电路采用单片机 P2 口的低 4 个口作按键的输入信号端，信号取自电阻的分压。 当按键未按下时， — 端口的电压接近电源电压，为高电平，当某一按键按下时，对四川理工学院本科毕业设计 17 应端口被按纽开关短接到地，为低电平。 单片机检测 4 个端口电平的变化，从而确定是哪个键被按下。 键盘 工作方式采用中断扫描方式， 4 个二极管和 10K 电阻组成与门电路，当任一键按下时，与门输出 引脚的电平都会由高变低。 第二功能是外部中断 0 的输入引脚，我们利用其电平的变化产生中断，在中断服务程序中读入 P2 口低 4 位信号，确定哪个键按下，执行相应的按键功能， 电容和 10K 电阻组成滤波电路，消除按键的抖动。 图 311 按键控制电路 本章小节 针对本研究设计的任务要求， 本章首先对主控芯片单片机进行了比较选取，最终选取了在大学期间学习 的较为熟悉且功能强大的 AT89S51 单片机，然后分别对外围电路各大模块（按键控制、时钟控制、环境光采集、人体存在传感器等等）进行了具体的研究分析，阐述了它们的工作原理，完成了教室灯光控制系统的硬件部分设计。 基于单片机的教室灯光控制系统的设计 18 第 4 章 控制模块软件设计 在单片机硬件系统的基础上，再配上相应的软件，才能构成一个完整的系统。 用户软件的开发与系统硬件有着密切的关系。 在系统的硬件及输入输出的方法确定后，程序软件就可以完全独立的进行设计、开发。 系统监控主程序模块 监控程序按模块分为监控主程序和命令处理子程序 [15]。 监控主程序的基本任务是调用子程序，一个主程序可以调用多个子程序，对于 51 系列单片机，系统资源有限，主程序通常是一个无限循环的过程，即是一个反复调用子程序的过程。 子程序主要分为中断子程序和功能子程序，它们之间可以互相嵌套和调用，即中断子程序可以调用功能子程序。 在应用软件的设计中，尽可能各个功能模块写成子程序的形式，并通过主程序调用。 而命令处理子程序完成各种命令所规定的具体操作，它按各种命令再分为不同的子程序模块，它的编程方法与功能要求及系统应用密切相关。 监控主程序是整个控制系统的核心部分，其它外围模块 一般都需经过监控模块实现其在控制系统中的作用。 监控主程序接受和分析来自键盘的命令，进而把控制转到相应的处理子程序的入口，起引导作用。 本系统监控主程序模块主要包括对系统外围器件输入、输出参数的初始化自检，看门狗的激活，多任务操作模块的调用 (系统中的信号采集处理、时钟管理、按键接收处理 )，实时中断处理等。 除初始化和自检外，监控主程序一般总是把其余部分连接起来构成一个无限循环，系统所有功能都在这一循环中周而复始的有选择的执行 [16]。 系统自检初始化 系统自检初始化是保证整个控制系统能够正常运行的重 要条件，系统加电复位后，直接进入自检初始化程序，完成系统的自检及初始化。 本系统中的自检初始化主要指各接口芯片的检测、芯片内部设定参数的初始化及系统内部寄存器的初始化。 各接口芯片的检测主要检测各芯片是否已处于准备工作的就绪状态，有无硬四川理工学院本科毕业设计 19 N。