基于单片机的室内灯光智能控制系统的设计本科毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的室内灯光智能控制系统的设计本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

0 BL1 BL0 WEL WIP WD1=0， WD0=0，预置时间为 ， WD1=0， WD0=1，预置时间为 ， WD1=1， WD0=0，预置时间为 ， WD1=1， WD0=1，禁止看门狗工作。 通常可以通过控制应用程序的循环周期来决定看门狗电路的定时时间，一般情况下，只要比系统在正常工作情况下最大循环周期的时间稍微长一点即可。 X5045 硬件部分连接如图 所示。 商丘学院本科毕业设计 7 图 系统看门狗电路 由上图可以看出，系统看门狗电路分为数据存储单元和故障保护部分， X5045 是一个EEPROM,它是一个串行通信 512 字节，并且它还具 有看门狗和电源监控功能， X5045 有三种可编程看门狗周期，上电和 Vcc 低于检测门限时，输出复位信号， X5045 输出复位高电平有效，为了使复位变得更加可靠，我们在它的复位输出端上接了 10K 的上拉电阻，使它与 AT89S51 的复位端相连接。 看门狗在电源上电或者是掉电的时候会产生一个复位信号。 另外这个芯片还有一个 的看门狗定时器，我们可以通过它来监控单片机的工作。 只要在 之 内还没有检测到其工作或者说系统出现了故障，那么内部定时器就会使看门狗WD1 处于低电平，这样就可以起到保护系统的作用。 数 据采集电路 对于数据采集，我们首先应该想到的是，此次研究设计主要是针对大学校园教学楼里的灯光控制问题，我们要采集的数据有教师的环境光强度以及人体是否存。 一般情况下我们通过光敏二极管和光敏三极管来对室内环境光强度进行采集，由于要考虑到抗干扰的问题，所以最好选用灵敏度较高的光敏三极管。 除此之外，我们要注意，一定要选用灵敏度高，可靠性强的传感器，可以减少误差。 一、环境光采集电路 光电传感器可以将光转换成电量。 系统采用的光敏三极管除了可以把光信号转换成电信号外，同时它还可以对电信号进行放大。 在无光的情况下，三极管 的穿透电流很小，被称作暗电流。 相反，当在有光照时，三极管的穿透电流会增大，它就变成了光电流。 由此可以得出结论，光电流的大小与光照强度成正比，最终我们就在负载电阻上得到随室内光商丘学院本科毕业设计 8 照强度变化而不断变化的电信号了。 环境光采集电路原理图如图 所示。 自然光照强度只要高于一定程度 (即设定参数），那么光敏三极管 D6 就会 呈现低阻状态，随着电阻的减小三极管 Q8 的基极电压将会增大，三极管 Q8 就会 饱和导通，最终三极管 Q8 集电极输出低电平，也就不参与工作。 与之相反，光照强度一旦低于一定程度时 (即设定参数 )，光敏三极管 D6 就会立 即 呈现出高阻状态大于100 KΩ，那么三极管 Q8 就会 截止， Q8 的集电极就会输出高电平，最终也就参与电路的工作。 可变电阻 R9 的作用 是调节教室中环境光的光照强弱灵敏度参数，当它的阻值变化时，三极管 Q8 也会随着她阻值的不同 在不同的环境光照强度下而导通。 R C9 组成的电路则是为了防止外界的干扰而精心设计的，它们具备了抗干扰的能力。 图 环境光采集电路图 二、人体存在传感器的工作原理 我们大自然中各种各样的物体，如人体，木材，石头，等都会各自发出不同波长的红外线，所以我们可以利用红外线传感器对它们进行 检测。 红外传感器一般分为热型和量子型两类。 与量子型相比，热型的红外传感器的优点就是波长范围较宽，并且可以在常温下正常工作。 量子型与热型的恰好相反，并且要求冷却条件。 本系统采用的是热释电红外传感器，人体存在传感器主要采用了红外传感器的原理。 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： 众所周知人的体温一般都在 37℃ 左右 ，正是因为体温的存在，那么人体就会发出红外商丘学院本科毕业设计 9 线，它的波长大概为 10μM，那么被动式红外探头就可以根据人体发射出来的红外线来进行工作了。 红外感应源采用热释电元件，一旦这种元件接收到人体红外 辐射温度发生变化，它就会失去电荷平衡，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）这种探头就是专门被用来进行探测人体辐射，那么热释电元件就会对波长为 10μM左右的红外辐射极其的敏感。 2）为了增强使它只对人体红外辐射的敏感程度，可以在它的辐射照面上覆盖菲尼尔滤光片，这样它就不容易受到外界环境的干扰。 3）对人体是否存在进行探测，这个传感器是由两个互相串联的热释电元组成，而且这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）只要有人进入到探测区域之内，那么人体发射出的红外线就会立即被部分镜面聚焦，人体存在传感器的热释电元就会及时的接收到它，由于两片热释电元各自接收到的热量不不一样，所以他们就不能相互抵消，最后经过信号处理以后就会输出人体存在信号。 5)当设计对菲尼尔滤光片性能的要求不一样时，它就会产生不一样的焦距（感应距离），因此也就会产生不一样的监控现场，随着视场的增多，控制就会变得越严密。 只要有人进入到特定区域之内，不断移动的人体就会发出红外线，红外传感器此时就会及时的接收到它，因此人体是否存在就会被 及时感应到，一旦被感应到就会输出高电平。 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）感应的方式是全自动的，只要有人体进入到感应范围区域之内，它就会立即输出高电平（高 ）。 与之相反，当人体不在感应范围区域之内时，那么它就会自动的延时及时关闭高电平，并且输出低电平（低 ），高低电平有利于信号的采集； （ 2）通常一定要记着采用可重复这种触发方式来进行。 即使有时它感应输出了高电平，只要在延时这段时间范围内，如果此时有人体依然在它能 感应的范围活动之内，那么输出就会一直保持高电平，一直等到人体离开，延时 15s 之后 高电平就会立即变为低电平； （ 3） 人体传感器工作电压宽为 DC3VDC24V； （ 4） 其静态电流小于 50μA，功耗低； （ 5）工作温度介于 15℃ 和 +70℃ 之间，适应性强； （ 6）灵敏度高，可靠性强。 商丘学院本科毕业设计 10 正如下图所示，电源的信号端接在了人体传感器的 1 号引脚上面，接地信号端接在了3 号引脚上面，采集信号输出端接在了 2 号引脚上面。 电路中的电容可以使传感器的工作更加可靠， 100KΩ 的 上拉电阻可以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 所示。 图 人体传感器电路图 系统时钟电路 为了满足教室灯光使用的要求，此系统在某些情况下还受到了时间的控制，因此为了使系统智能化的进行还应该加入时钟电路。 因为系统停电后，需要及时的为时钟电路提供电源、并且又不能占用太多单片机资源，所以本系统采用美国 DALLAS 公司推出的具有充电能力的低功耗 18 的用于临时性存放数据的 RAM 寄存器的实时时钟芯片 DS1302。 这种芯片用到的是串行通信方式，它的作用是可以为掉电保护电源充 电，我们有时也可将此项功能关闭。 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 所示。 商丘学院本科毕业设计 11 图 的引脚图 DS1302 与单片机接口电路的连接原理图如图 所示。 其中 Vcc2 为系统的备用电源，它 外接了。 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。 只要 Vcc1 大于 Vcc2+， Vcc1就会 给 DS1302 提 供电能，此时系统就会正常的运行；主电源关闭时， Vcc1 就会 小于 Vcc2，这时 Vcc2 就会 给 DS1302 供电，这样时钟就可以持续的运行了。 X1 和 X2 是振荡源，外接 晶振。 RST 与单片机的复位信号相连接 ，当 RST 被 置为高电平时，它就可以启动全部的数据传送。 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。 图 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 所示。 开机时，由于单片机刚刚被初始化，所以 为高电平，此时三极管就处于截止状态，因此开机后继电器将会处于释放状态。 当 商丘学院本科毕业设计 12 为低电平时，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。 图 继电器驱动电路 蜂鸣报警电路 通常情况下，人们会经常发现在教室无人或者自然光充足的情况下，由于 学生的疏忽教室内的灯任然亮着，这样就会造成很大的能源浪费，这种现象在我们大学校园里很常见。 为了杜绝这种浪费现象的发生，我们在设计的过程中使用了蜂鸣报警电路，它可以以声音的方式来提醒教师的学生来及时关闭电源，避免一些浪费现象的发生；另一方面一些学生会有时会因为学习的过分投入以至于忘了时间，那么就会造成开灯时间过长，教室里的灯就会工作超时，这时蜂鸣报警电路就会发出声音，它可以及时的提醒学生休息的时间到了。 这样可以有效地保护公共设施，延长灯的寿命。 本系统采用超时报警的电路如图 所示。 当我们把 端口置 为低电平时，也就是说基极为低电平时，三极管就会导通，此时驱动蜂鸣器就会发出声音，她就代表教室的灯工作超时。 当 端口被置为高电平时，三极管就会截止，此时蜂鸣器就不会工作，那么教室的灯就会正常工作。 此奉命报警装置可以及时的提醒管理人员，以免造成浪费。 商丘学院本科毕业设计 13 图 蜂鸣报警电路 按键控制电路 按键控制电路如图 所示。 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。 当按键没有被按下时， — 端口的电压就会接近电源电压，则为高电平。 当某一按键被按下 时，对应端口短接到地，则为低电平。 键盘的工作方式采用了中断扫描的方式， 4 个二极管与 10K 电阻组成了与门电路，不管按下任何一键， 引脚的电平全部都会由高变低。 图 按键控制电路电路图 4 控制模块软件设计 只有单片机硬件是远远不够的，为了使系统正常的运行，我们还要配上相应的软件，商丘学院本科毕业设计 14 只有这样才能够成一个完整的系统。 用户软件的开发与系统硬件联系紧密。 只有系统的硬件及输入输出的方法确定后，程序软件才可以完全独立的进行设计、开发。 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]。 一个主程序能够调用多个子程序，对 51 系列单片机来说，由于系统资源有限，主程序一般是一个无限循环的过程，也就是说是一个反复调用子程序的过程。 我们在设计应用软件的时候，一定要尽可能的把每个功能模块写成子程序的形式，并且要通过主程序调用。 整个控制系统的核心就是监控主程序，所有外围的模块一般都需要经过监控模块来实现它们在系统中所起到的作用。 我们通过键盘输入相关程序，当监控主程序接受到这些命令后，经过综合分析，然后把它传输到相应的处理子程序的入口，起 引导作用。 监控主程序模块主要就是对系统外围器件的输入、输出参数进行初始化自检和看门狗的激活，还有就是对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 )，有时还可以进行实时中断处理等。 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 对系统进行自检初始化后，整个控制系统就能够正常的运行。 当我们对系统加电复位以后，系统就可以立即进入自检初始化程序，然后就完成了系统的自检以及初始化。 有时对各个接口芯片进行检测主要是为了检测各个芯片的准备工作是否准备就绪，有没有硬件故障等。 如果说时钟芯片处在启动的状态，那么我们就要对它进行初始化并且还要启动实时时钟。 系统内部寄存器初始化主要是指在数据缓冲区内，各用户定义的数据变量的初始化赋值及部分特殊功能寄存器 SFR 的复位初始化。 单片机复位后，程序计数器 PC 指向程序存储器的入口地址 0000 单元，程序状态字寄存器 PSW 清零，片内存储器选择 Ⅰ 区工作寄存器，用户标志位 F0 为 0 状态，堆栈指针 SP 指向 07H,其它定时器、中断允许寄存器 IE,累加器 ACC 等皆为 00H。 定时中断处理设计 定时中断就是当有时用单片机内部的定时器进行定时，计数值已满而引起的中断。 内部定时器的计数器可以对内部时钟或从外部引线 T0 和 T1 输入的外部脉冲进行计数。 计数器的溢出信号作为中断请求信号，去置位定时器溢出标志位，向单片机的 CPU申请中断 [17]。 商丘学院本科毕业设计 15 N Y 定时中断为周期性的，它每隔一定的时间就会中断一次。 定时中断可以用来构造多任务操作系统，在系统响应中断后，不需要对断点实施现场保护，可以立即进行多任务时间的划分工作，使相应的。