教室照明控制器的设计

教室照明控制器的设计内容摘要：

将其分为电磁继电器、热敏干簧继电器、固态继电器、磁簧继电器、光继电器等型号。 由于电磁继电器简单易用，开关状态极其容易判断，所以本设计采用电磁继电器来控制。 DS1302 时钟电路 DS1302 存在时钟精度不高，易受环境影响，出现时钟混乱等缺点。 DS1302 可以用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。 这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。 传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此，只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采 11 用计数器 ,占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且，某些测控系统可能不允许。 但是，如果在系统中采用时钟芯片 DS1302，则能很好地解决这个问题。 控制系统的主要硬件电路 系统主控电路 本系统的主控模块主要采用 ATMAL 公司的 AT89C2051 作为主控芯片，AT89C2051 是个低功耗，高性能的 COMS8 位单片机，片内含 2KB 的可反复擦写的只读 Flash 程序存储器和 128KB 的随机存取数据存储器（ RAM） ,器件采用 ATMAL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS51 指令系统，片内置通用 8位中 央处理器和 Flash 存储单元。 AT89C2051 只有 20 个引脚， 15 个 I/O 口（其中 PI 是个完整的 8 位双向 I/O 口）， 2 个外中断口， 2 个 16 位可编程定时计数器， 2 个全双向串行通信口， 1 个模拟比较放大器。 指令系统与 MCS51 系列完全兼容，除 了没有外部数据存储器和外部程序存储器等扩展功能外，它具有80C31 单片机的所有功能。 其主要特点位： （ 1） MCS51产品完全兼容； （ 2） 2K 字节可编程闪烁内存； （ 3） 编程次数可达 1000次； （ 4）两级程序加密防盗； （ 5） 15 个可编程 I/O 口、 2个 16 位定时器 /计数器、可直接驱动 LED显示，5个中断源； （ 6）二级中断优 Flash 存储先级、全双工串行口。 正是因为 AT89C2051 单片机具有上述特点，尤其是自带 Flash 存储器，并且能够有效擦除 1000 次，是整个系统的硬件电路变得简单，大大缩短了开发 周期。 AT89C2051 的 CPU有两种节电工作方式既空闲和掉电方式，遥控器采用了空闲节电方式。 当 CPU 执行完 IDL=1（ =1）指令后，系统进入了空闲工作方式，这时内部始终不向 CPU 提供，而只供给中断、串行口、定时器部分。 AT89C2051的 P1是一组 8位双向 I/O口， ， MAX485 12 和 内部没有上拉电阻。 P1 口输出缓冲器可以吸收 20mA 电流并可以直接驱动 LED 当 P1 口引入脚写入“ 1”时可以做输入端，当引脚 被外部拉低时，它们将内部的 上拉电阻而输出电流。 P3口还用于实现 AT89C2051特殊功能，如表 31所示。 表 31 P3 口特殊功能 口引脚 功能特性 RXD（串行输入口） RXD（串行输入口） TXD(串行输出口 ) INTO(外中断 0) INY1(外中断 1) TO(定时 /计数 0 外部输入 ) T1(定时 /计数 1 外部输入 ) AT89C2051 的 P3口只要七个引脚， 没有引出。 P3 口的 ， 是带有内部上拉电阻的 7 个可吸收双向 I/O 口， P3 口 缓冲器可以吸收 20mA 电流，当 P3 口写入“ 1”时，它们内部上拉电阻拉高并可作为输入端口，作输入端时，被外部拉低的 P3口将用上拉电阻输出电流。 日光强度检测模块电路 考虑到教室内部距离窗户远近不同，接受日光度不同的特点，为避免光电探测器受光面的缺点，应在教室周围进行合理的分布光电探测器 ,用于探测自然光的强弱。 根据我校主教学楼中日光灯的分布情况如图 31 所示： 窗 户 门 图 31 日光灯的分布图 那么光电探测器在教室中的布局则根据此分布情况进行安置，即在每个远离灯 分 布 黑板 13 窗户最远的地方安放一个光电探测器。 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。 此外相邻两个区域装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强。 这样，当外界环境中的自然光能满足所需的光强度时，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。 当教室用作特殊使用时如多媒体教室则拉上窗帘，关闭所有灯具或点亮少许微弱的灯具。 当教室光强不够教室中有一个同学单独处于某一个区域时，只有他周围的日光灯亮；当在有人来这个教室时他们完全可以选择亮灯的地方坐，若选择其他区域情况相似。 这样就完成了教室照明智能控制，起到了节约用电的作用。 图 32则体现了考虑因教室的走向与太阳光的夹角不同而造成亮暗区位置不同对光电探测器装置布局造成的影响。 太阳光 太阳光 图 32 教室采光情况 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 极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。 在无光照时三极管的穿透电流很小，当暗电流 Iceo有光照时，产生的 Ib 增大，成为光电流 Ie。 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 图 33 环境光采集电路原理图 暗 区 亮 区 暗 亮 14 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 33所示。 当自然光强大于一定程度时，光敏三极管 D6呈现底阻状态 1千欧，三极管 Q12 的基极电压升高， Q12 管饱和导通，集电极输出低电平。 当自然光强小于一定程度时，光敏三极管 D6呈现高阻状态 ,100千欧，使三极管 Q12截止，集电极输出高电平。 其中可变电阻 R26可调节，调 R26 阻值的大小，使 Q12 三极管受环境光影响在适当的亮度下导通。 热释电红外人体检测模块电路 1．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，响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可在常温下工作。 量子型与热型的特点相反，而且要求冷却条件。 本系统采用的是热释电红外传感器，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： （ 1）被测对象自身发射红外线，可不必另设光源； （ 2）大气对 、 351LM、 81411M 三个被称为“大气窗口”的特定光通量的红外线吸收甚少，可非常容易被检测； （ 3） 中、 远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测； ： （ 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 10μ M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泥尔滤光片，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 15 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，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而输出有人体存在的信号。 （ 5）菲泥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视场，视场越多，控制越严密。 人体都有恒定的体温，一般在 37 度，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 叫左右的红外线通过菲泥尔滤光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由人体存在的信号。 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，则人体传感器所体现的信号就会不理想，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。 2．人体存在信号采集电路 人体传感器 HP208 是深圳市浩博特电子有限公司研发和生产的基于红外线技术的智能产品，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 8秒 15 秒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，小于 140 度锥角，感应距离 为 7米以内； （ 5） 其静态电流小于 50 微安，功耗低； （ 6） 工作温度介于 15176。 和 +700176。 之间，适应性强； （ 7）灵敏度高，可靠性强。 16 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 34。 图 34 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，控制系统的时间应符合学校的作息时间。 比如晚间休息、假期等时间段应该关掉教室灯光控制系统，以节约能源，因此本设计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 MCL4681 MC68H68T、 LM8365 等，这些芯片的引脚太多，体积大，占用的口线多。 而现在流行的串行时钟芯片很多，如 DSL30 DSL30DSL30 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只需对时钟电路提供电源、且不 需要占用太多单片机资源，本系统采用美国 DALLAS 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 OS1302 的是串行通信方式，还可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。 它可以对年、月、日、周日、时、 分、秒，进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为 ,DL302 的升级产品与 DS1202 兼容，但增加了主电源／后背电源，双电源引脚，同时还提供了对后背电源进行电流充电的能力。 而且本系统采用的 DS1302 只需三根线即可与单 17 片机进行通信，体积小，使用简单，时钟 精度较高，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 35 所示。 图 35 时钟芯片 DS1302 的引脚图 DS1302 与单片机接口电路连接原理图如图 36，其中 Vcc2：外接 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。 系统正常运行时， Vcc1 大于 Vcc2， 因此由 Vcc1 给 DS1302 供电，在主电源关闭的情况下，则由 Vcc2 给 DS1302 供电，保持时钟的连续运行。 X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 ，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 36 DS1302 与单片机接口电路连接原理图 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。 RST输入有两种功能：首先， RST 接通控制逻辑，允许地 址 /命令序列送入移位寄存器；其次 RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。 当 RST为高电平时， 18 所有。