教室灯光自动控制器的设计与应用

教室灯光自动控制器的设计与应用内容摘要：

系统所需要解决的问题有 以下几点。 (1) 照明系统本身的节能问题； (2) 传感器与教室灯配合安装的问题； (3) 环境光参数输入采集的问题； (4) 人体存在传感器参数输入采集问题； (5) 开、关灯的自动与手动兼容的措施。 本章小结 本章主要讲述了系统的整体设计思想和系统的方案分析，以及所需要解决的关键问题。 目的在于 叙述 本系统所要实现的目标和系统所解决的问题，以及实现的方式和方法 ，通过对本系统的研究内容和所需要解决的问题让使用者熟悉和了解本系统。 本章的第一小节重点阐述本系统的设计整体思想，便于使用者更多的了解本系统的理念 ； 本章的第二小节是对系统控制方案 原理 的分析，主要阐述系统的主要 控制原理 ； 本章的第三小节是对系统控制方案的分析， 对系统的功能和实现的目标作概述； 本章的第 四 小节是对系统研究的内容作的整体归纳 ； 最后一小节是本系统所需要解决的问题的整体概括。 教室灯光自动控制器 的设计与应用 5 3 系统控制模块的硬件设计 教室灯光自动控制系统首先要考 虑的就是环境因素，因为系统直接与环境光的强弱以及人体存在的因素 有关。 另外，系统本身所用到的人体存在传感器、光敏三极管等都会因环境的变化而出现不稳定的现象，所以，本系统在设计过程中，特意考虑了抗干扰问题。 系统功能的实现首先是在硬件电路的基础上再附上相应的软件程序，以达到系统对教室灯光的控制。 本章的主要目的就是介绍系统控制模块的硬件电路的基本原理和实现的基本电路，以及相应与电路联系的有关知识。 控制模块的硬件构成 系统控制单元是以 AT89C51 单片机主控模块为核心， 外加实现各个功能的外围电路。 系统的控制 单元 外围电路主要包括： ISP 下载线模块、系统供电模块、硬件时钟模块、看门狗模块、灯光驱动模块、数码管驱动显示模块、环境光模块、 EEPROM 存储模块、人体存在传感器模块 及 超时报警模块。 控制系统主控电路 系统主控电路 本系统的主控模块主要采用 Atmel公司的 AT89C52 作为主控芯片，它是一种低功耗， 8 位 CMOS 工艺处理器，具有 8K 在线可编程 Flash 存储器，片内的 Flash 可多次编程，为在线编程提供了方便。 片内有 128 字节的 RAM， 4KB 的 EEPROM，由于合理的安排使用片内 RAM 空间， 所以没有扩展的片外 RAM，使电路结构简单。 因为设备的设置参数是根据实际需要进行更改的，又要求是断电能够保存下来，所以本设备用一片EEPROM 来存储系统的设置参数。 在线编程模块电路 AT89C52 芯片支持在线编程功能，用户可以通过 AT89C52 在线编程接口直接对电路板上的 CPU 进行在线编程，方便了程序的修改烧写工作。 ISP 进行在线编程时，使用AT89C52 芯片的 、 、 引脚及 RST 端口，通过 PC 并口，根据 ISP 协议制作简单的编程器可对 CPU 进行编程。 在线编程器的红色 LED 是 电源指示灯，绿色 LED 是复位指示灯，黄色 LED 是时钟信号指示灯，每个 LED 约消耗 的电流，它们使用独立的缓冲器不会影响下载线和用户板，当执行菜单命令 RESET 时可以看到绿 LED 闪一下，表示电脑已经可以控制下载线；其下载线正常工作电压为 ~6V，部分电脑即使不连接 VCC 也可以正常工作， 10 心的插头和插座有三角形标志的均为第一脚。 使用方便、快捷，且工作显示信号清晰。 在线编程模块 原理图 如图 2 所示。 教室灯光自动控制器 的设计与应用 6 图 2 在线编程模块原理图 系统供电电路 本系统的供电电路图选用 9V 的电压器，目的是为了 避免 12V 的变压器在整流滤波后输出会大于 12V 使稳压器功耗大，自身温度较高的缺点。 系统 供电原理图如图 3 所示。 图 3 系统供电原理图 数据采集电路 本系统是以环境光和人体存在与否为主要参数，环境光和人体存在 是 系统的主要采集对象。 我们用灵敏度较高的光敏三极管设计环境光采集电路， 采用逻辑电平输出的HP208 型号的人体存在传感器。 (1) 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。 环境光采集电路原理图如图 4 所示。 当自然光强大于一定程度时，光敏三极管 D6 呈现低阻状态，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 呈现高祖状态，使三极管 Q12 截止，集电极输出高电平 ， 其 R26 可调节。 教室灯光自动控制器 的设计与应用 7 图 4 环境光采集原理图 (2) 人体存在信号采集电路 人体传感器 HP208 型号的 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，为了使人体存在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 100K 的上拉电阻，增加人体存在传感器输出信号的可靠性。 人体存在信号采集 原理图 如图 5 所示。 图 5 人体存在信号采集原理图 系统时钟电路 由于本系统是使用于各个学校的教室当中，根据全国各个学校的实际情况，系统控制的时间应该符合学校的作息时间。 比如晚间休息时间和放假期间应该关掉教室灯光系统，以 节约学校用电量，因此本系统还加入了硬件时钟电路以保证系统的智能控制 运行。 (1) 硬件时钟芯片的选取及其接口电路 本系统采用美国 DALLAS 公司推出的具有充电能力的低功耗的 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，还可以掉电保护电源提供的可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。 而且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，满足系统的要求。 DS1302 与单片机接口电路连接原理图如图 6 所示 ，其中 VCC1 外接 可充电的锂电池，为 DS1302的备用电源。 VCC2 外接系统供电模块的输出稳定电压 +5V，为 DS1302教室灯光自动控制器 的设计与应用 8 的主电源。 DS1302 由 VCC1 和 VCC2 两者中的较大者供电。 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。 Xl 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。 图 6 DS1302 与单片机接口电路连接原理图 (2) 硬件时钟芯片的引脚功能及其工作原理 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，所有的数据传送被初始化，允许对 DS1302 进行操作。 如果在传送过程中 RST 置为低电平，则会终止此次数据传送， I/O 引脚变为高阻态。 上电运行时，在 VCC 大于 5V 之 前， RST 必须保持低电平。 只有在 SCLK 为低电平时，才能将 RST 置为高电平。 I/O 为串行数据输入输出端 (双向 )， SCLK 始终是输入端。 硬件时钟芯片 DS1302 与微处理器进行数据交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高位 MSB(D7)必须为逻辑 1，如果 D7=0，则禁止写 DS1302，即写保护 ： D6=0，指定时钟数据， D6=1，指定 RAM 数据 ； D5~D1 指定输入或输出的特定寄存器 ； 最低位 LSB(D0)为逻辑 0，指定写操作 (输入 )， D0=1，指定读操作 (输出 )。 在DS1302 的时钟日历或 RAM 进行数据传送时， DS1302 必须首先发送命令字节。 若进行单字节传送， 8 位命令字节传送结束之后，在下 2 个 SCLK 周期的上升沿输入数据字节，或在下 8 个 SCLK 周期的下降沿输出数据字节。 DS1302 与以 M 相关的寄存器分为两类 ： 一类是单个 RAM 单元，共 31 个，每个单元组态为一 个 8 位的字节，其命令控制字为 COH~FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作 ； 再一类为突发方式下的 RAM 寄存器，在此方式下可一次性读、写所有的 RAM的 31 个字节。 要特别说明的是备用电源，可以用电池或者超级电容器 ( 以上 )。 虽然 DS1302在主电源掉电后的耗电很小，但是，如果要长时间保证时钟正常，最好选用小型充 电 电教室灯光自动控制器 的设计与应用 9 池。 可以用老式电脑主板上的 充电电池。 如果断电时间较短 (几小时或几天 )时，就可以用漏电较小的普通电解电容器代替 ， 100pF 就可以保证 l小时的正常走时。 DS1302在第一次加电后，必须进行 初始化操作。 初始化后就可以按正常方法调整时间。 系统看门狗电路 在单片机工作过程中，不可避免的会由于外界的干扰而产生程序跑飞、死机甚至造成整机瘫痪 等情况，为了能够恢复单片机的工作，只能采用重新复位的方法。 虽然在程序设计中，可以使用软件陷阱的方法来减少这种情况的发生，但是不能完全解决这个问题，因此还应该在硬件设计中使用看门狗电路，这样在单片机发生死机的情况下，看门狗将产生一个复位信号给单片机，使单片机复位，重新执行程序。 现在的 MCU 被集成了越来越多的功能，有的集成了看门狗，如 IMP813L。 还有的芯片更是把 EEPROM 也集成进去，如 X5045 芯片。 由于系统需要看门狗和 EEPROM，所以本硬件设计中使用了美国 XICOR 公司生产的芯片 X5045。 X5045 具有三种常用的功能：看门狗定时器、复位控制和 EEPROM 集成在单个 8引脚封装的 CMOS 器件内，将电源监控和看门狗功能与高速三线非易失性存储器组合在一起，从而在很人程度上降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。 看门狗电路的定时时间长短可 以 按照 具体应用程序的循环 周 期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。 本系统中 X5045 的硬件连接 原理图 如图 7 所示。 图 7 X5045 硬件连接原理图 系统数据存储及故障保护部分由 X5045 组成， X5045 是一种串行通讯的 512 字节EEPROM，同时兼有看门 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，为了复位更加可靠，其复位输出端外接一个 10K 的上拉电阻，并与 AT89C52 的复位端相连。 看门狗能在电源上电、掉电期间产生一个复位信号。 该芯片还带有一个 秒的看门狗定时器可监控单片机的工作。 如果在 秒内未检测到其工作，出现故障，内部定时器将使看门狗 WDI 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。 教室灯光自动控制器 的设计与应用 10 继电器驱动接口电路 继电器驱动接口电 路 原理图 如图 8 所示，这里继电器由相应的 PNP 型号的 S9012三极管来驱动，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 1K 欧的电阻和 电容，目的是避免继电器吸合与释放期间产生火花。 每个继电器都有一对常开常闭的触点，便于在其他电路中使用，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 8 继电器。