多功能教室节能控制系统的研究毕业论文(编辑修改稿)

多功能教室节能控制系统的研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。 在系统中共有一种活动模式（ AM）和五种低功耗模式（ LPM0~LPM4）。 在实时时钟模式下，可达 ，在 RAM 保持模式下，最低可达。 （ 4） 片内资源丰富 MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。 它们分别是 看门狗 （ WDT）、 模拟比较器 A、定时器 A0（ Timer_A0）、定时器 A1（ Timer_A1）、定时器 B0（ Timer_B0）、 UART、 SPI、 I2C、 硬件乘法器 、液晶驱动器、 10 位 /12位ADC、 16 位 Σ Δ ADC 、 DMA、 I/O 端口、基本定时器（ Basic Timer）、 实时时钟（ RTC）和 USB 控制器等若干外围模块的不同组合。 其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出 A/D 转换器； 16 位定时器（ Timer_A 和 Timer_B）具有捕获 /比较功能，大量的捕获 /比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、 PWM 等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口， P0、 P P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入； 10/12 位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达 200kbps ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位 D/A 转换；硬件 I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加 数据传输速度 ，而采用的 DMA模块。 MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。 另外， MSP430 系列单片机的 中断 源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。 当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需 5μs。 （ 5） 方便高效的开发环境 MSP430 系列有 OTP 型、 FLASH 型和 ROM 型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。 对于 OTP 型和 ROM 型的器件是使用 仿真器 开发成功之后 制成的芯片；对于 FLASH 型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有 JTAG 调试接口，还有 用 电擦写的 FLASH 存储器，因此采用先下载程序到 FLASH 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。 这种方式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器，而不需要仿真器和 编程器。 开发语言有 汇编语言 和 C 语言。 教室检测控制单元数据采集模块对教室内温度、光照强度、 教室内的学生人数，上课时对学生信息的采集主要是依靠温度传感器、光照传感器、红外传感器、无接触 IC 卡来完成，各个器件将检测到的非电量转化成各自对应的电量进而传给 MSP430 单片机进行处理， MSP 单片机可实现对各个传感器的定时采集，并且会根据各自参量的对应关系转换成相应的温度、光照强度。 通过通讯接口将数据向楼层显示控制单元传送。 同时，通过该通讯接口，教室检测控制单元接收楼层显示控制单元和中央计算机单元的控制指令，实现相应的控制命令操作。 光照信号的采集与处理 光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁 多，主要有： 光电管 、 光电倍增管 、 光敏电阻 、 光敏三极管 、 太阳能电池 、 红外线传感器 、 紫外线传感器 、光纤 式光电传感器、 色彩传感器 、 CCD 和 CMOS 图像传感器 等。 光传感器是目前 9 产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。 最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。 工作原理 ： 光传感器是利用光敏 元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。 光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。 注意事项 ： 敏传感器采用防静电袋封装。 在使用的过程中应该避免在潮湿的环境中使用，还应该注意表面的损伤和污染程度，应该它们均会影响光电流。 应用领域 ： 光敏传感器主要应用于太阳能草坪灯、光控小夜灯、照相机、监控器、光控玩具、声光控开关、摄像头、防盗钱包、光控音乐盒、生日音乐蜡烛、音乐杯、人体 感应灯、人体感应开关等电子产品光自动控制领域。 应用 ： 光敏传感器中最简单的电子器件是光敏电阻，它能感应光线的明暗变化，输出微弱的电信号，通过简单电子线路放大处理，可以控制 LED 灯具的自动开关。 对于远程的照明灯具，如街灯、庭院灯、草坪灯等都可经济而简单的实现节能自动控制。 太阳能路灯本身就是利用太阳光发电、储能的 LED 照明灯具，它不需要电网供电，也就无需架设成本不菲的输电线路，因此使用光敏传感器可以实现极低成本、自动开启关闭的节能管理。 教室光照强度是控制教室内用电设备开或关的重要因素，也是节约电能 的手段之一，下面对光敏传感器的研究做具体介绍。 （ 1） 光电探测器的教室中的布局 考虑到教室里面 离窗子的距离的不同，接受日光强度不一样的特点，为了避免光电探测器受光面小的缺点，应该在教室周围进行合理的分布光电探测器，用在探测自然光的强弱。 根据教室中日光灯的分布情况如图所示，那么光电探测器在教室里面的分布也应该根据这个分布来进行安置，即在每个区域的最远地方放一个光电探测器。 每个区域的日光灯则由安置在教室内的按键或远端的主控上位机来控制。 此外，相邻两个区域安置的探测范围都有一定的重叠以确保当有人在两个区域中间学习时能够 得到足够的光亮。 当外界环境中的自然光能满足所需要的光照强度时，不管教室是否有人，教室灯都不亮，控制教室日光灯的自动熄灭，当教室有特殊使用时，则拉上窗帘，关闭所有教室灯光或点亮少许灯光。 当只有一个学生处于某一区域时，只有他的周围日光灯亮；当再有人进来时他们完全可以选择有亮光的地方就坐，若选择其他地方情况类似。 这样就完成了教室照明智能控制，起到节约电能的作用。 图 则体现了考虑教室的走向与太阳光的夹角的不同而造成亮暗区位置不同对光电探测装置布局造成的影响。 （ 2） 硬件设计 通过对光电管、光耦合器、光敏电阻等光电探测 器的各种性能进行比较，发现光敏电阻的光谱响应峰值比较接近人视觉敏感区的波长；其次是当光照强度减弱时，光敏电阻的响应时间相对增加，这对本系统在光照强度变化时，输出状态保持相对稳定十分重要，因此本系统选用光敏电阻来测量教室的光照强度，其原 10 理图如图 所示。 途中 R0 为光敏电阻，其阻值随着周围的光线变亮而下降； R为负载电阻； VCC 为 +5V 电压； V 为光敏电阻两端电压； C为去耦电容。 图 光照测量电路原理图 由图 ： I=VCC/ (R0+R), V=R0*VCC/(R+R0) ○ 1当 RR0 时， I=VCC/R。 负载电流与光敏电阻无关，近似常熟。 此时是恒流偏置。 ○ 2当 RR0 时， V= V近似等于 VCC。 此时为恒压偏置。 ○ 3当 R=RO 时，表示负载匹配，探测器输出功率最大。 此时的工作状态为恒功率偏置。 （ 3） 软件设计 单片机光敏传感器部分软件设计的主要任务是对光敏传感器的输出数据进行数据采集、数据处理。 流程图如图 所示。 11 图 光照采集流程图 红外数据的采集与处理 红外技术 发展到现在，已经为大家所熟知，这项技术在现代科技、国防科技和工农业科技等领域得到了广泛的应用。 红外传感系统是用红外线为介质的 测量系统 ，按照功能能够分成五类： （ 1）辐射计，用于辐射和光谱测量； （ 2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标， 确定其空间位置并对它的运动进行跟踪； （ 3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像； （ 4）红外测距和通信系统； （ 5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。 红外传感器根据探测机理可分成为：光子探测器（基于 光电效应 ）和 热探测器 （ 基于热效应）。 待测目标 ： 根据待 测 目标的红外辐射特性可进行 红外系统 的设定。 大气衰减 ： 待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种胶 粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。 光学接收器 ： 12 它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。 相当于雷达天线，常用是物镜。 （ 4）辐射调制器。 对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并 可滤除大面积的 干扰信号。 又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。 红外探测器 ： 这是红外系统的核心。 它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的 物理效应 探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。 此类探测器可分为光子探测器和 热敏感探测器两大类型。 探测器制冷器 ： 由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。 经过制冷，设备可以缩短 响应时间 ，提高探测灵敏度。 （ 7） 信号 处理系统。 将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。 然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。 （ 8）显示设备。 这是红外设备的终端设备。 常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。 （ 1）硬件设计 采用红外传感器统计教室内学生人数，具有成本低，设计简单方便的特点。 红外传感器不仅仅是教室统计教室内的学生人数，而且是由其统计的人数决定教室内日光灯数量的基本依据，来实现节能的目的。 本系统采用发射式红外传感器，在教室门安装两个红外传感器，分 别位于们的内外两侧来完成对人体的探测，实现对教室学生人数的统计。 本红外传感器将红外接收管与放大电路集成在一起，封装在一个屏蔽盒里，具有与体积小、密封性好、灵敏度和抗干扰能力强、耐低温和使用方便等特点，主要用于来探测人体发射出的红外线能量。 它只有三条管脚，分别是电源的正极，电源负极和信号输出端，其工作电压大约 5V。 只要给它街上电源就是一个完整的红外接收放大器，其远离如图 所示。 13 图 红外发送接收原理图 由图 可知，红外发射模块包括脉冲振荡器，红外发射管等部分。 脉冲振荡器由 555 定 时器，电阻，电容组成，用来产生 38KHZ 的脉冲序列作为载波信号。 并且利用了红外发射管以光脉冲的形成向外发射。 通过改变电阻或者电容的参数可以改变振荡的频率。 当红外接收模块接收到频率信号时，输出低电压，否则输出为高电平。 为了保证红外接收模块的准确性，要求红外发送端载波信号的频率尽可能的接近38KHZ，因此，再设计 555 定时器构成的脉冲振荡器时注意选用精密元器件并保证电源电压的稳定。 （ 2）软件设计 采用红外传感器测量教室内的学生人数。 系统在初始状态时教室内学生人数初值设为 侧的红外接收和发射装置时，接收管接收不到发射信号，返回一个低电压，经 RC0 口送入微型控制器；随后，当该学生进入教室后，放置在教室内外侧的红外接收和发射装置也会返回一个低电压，送入微型控制器的 RC1 口，此时计数器加 1，数码管 将 显示当前的人数自动加 1，表明有人进入了教室。 同样的道理，当学生先经过教室内侧的红外发送和接收装置，在经过教室门外侧的红外发送和接收装置时，计数器减掉 1，表明教室有人离开，从而计量教室学生人数情况，当数码管 的 显示统计的人数大于 50 人时，传送给上位机的信息为当前教室内人数为满状态。 当数码管 的 显示统计的人数小于 50时，传送给上位机的信息为当前教室内人数为空状态。 软件流程如图 所示 14 图 学生人数统计流程图 非接触 IC卡数据采集与处理 （ 1）非接触 IC 大学校园里面都是实行的无固定座位的管理模式，因此给许多任课老师带来了许多的麻烦，每次上课时需要花费大量时间去点名，费时又费力，本系统设计了无接触 IC 卡，学生只需在上课前刷卡并且通过相应的数据处理就可以完成点名及相关操作，从而简化了原始的考勤问题，节约了宝贵的课堂时间，减少了人为因素。 本设计采用的是 PHILIPS 的 MFRC522 非接触读卡芯片来完成学生基本信息的读取。 MFRC522 内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近 距离操作 的天线，而且缓冲输出接收器部分提供一个坚固而有效的调解和解码电路，用于 ISO14443A 兼容的应答器信号，读 、 写卡 的 距离可以达到 5cm，数字部分支持CRYPTOl 加密算法用于验证 Mifare 系列产品，该芯片支持与 ISO14443A 卡进行106kibt/s 以及更高速度 212kbit/s 和 424kbit 的数据传输。 具有充裕的 64 字节的发送接收缓冲区，内置 CRC 协处理器，灵活的中断 模式。 带低功耗功能的硬件复位和软件掉电模式，还有内部的自检电路。 此外， MFRC522 还带有灵活告诉的串行接口 I2C、 SPI、 serialUART，方便连接到各种各样的 MCU 上。 本设计采用的是 SPI 接口方式，其电路原理如图 所示。 除了通用的 4条 SPI 信号线以外，。