基于单片机的教室节电控制器的设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的教室节电控制器的设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

越来越复杂，灯具之间有媒介联系，方便管理和操作，智能化水平越来越高。 热释电红外传感器的研究现状 国内，对热释电红外传感器的研究已 有 20几年 之久 ，但大多 都 无法兼顾探测的 准确性 和灵敏度 ，在干扰 情况 下，信号识别率有所下降，误报率 相对较 高。 探测器产生误报 的 主要原因是因为缺乏对 PIR传感器输出的红外信号进行充分有效的分析，对信号中所含有的特征信息没有进行有效的数据挖掘，不利于产品在实际应用中的推广。 国外，很多国家 也越来越 重视这方面的研究开发。 20xx年，韩国釜山国立大学研发了基于热释电红外传感器（ PIR）阵列的室内位置检测系统， ADEMCO 西安工业大学毕业设计（论文） 3 International、德国西门子安防、加拿大 PARADOX SUCURITY SYSTEMS LTD等公司推出了智能 PIR入侵探测器。 光强传感器研究现状 在目前的光 强检测的现行方案中， 人们 大都采用光敏电阻、光敏二极管或三极管 来实现 将光信号 与 电信号 的转换 ， 并 通过光电流的大小 作为判断依据 来衡量光照强度的大小。 但 这种测量方法 也 只 能说 是模糊的给出光强是大是小的概念，完全建立在个人经验或者说个人习惯上，而 在 国家最新颁布的《建筑照明设计标准 GB 5003420xx》规定教室、阅览室等大面积公共照明场所内照度值不得低于3001x。 所以说 依靠光敏二极管或三极管 想要给出一个量化 出来 的照度值是相当困难的。 因此，光的强度依靠个人经验来定强弱，并作为开关灯的依据是不够合理的。 本课题研究的内容 该系统采用遥控模式，由遥控器和教室节电控制器两个部分组成。 遥控器部分主要内容 遥控器主要实现以下功能 : 通过键盘完成对教室节电控制器的密码、初始化时间、照度人数阈值和工作时间等的设定任务。 对教室节电控制器的参数设定完成后，通过 LCD 显示当前工作状态和工作模式。 教室节电控制器部分主要内容 教室节能控制器的主要功能如下 : 把无线数传模块发送过来的系统设置参数存储在 EEPROM 存储器内； 通过红外热释电传感器和光电传感器实时采集人体存在信号、模糊人数，通过光强传感器采集照度信号，将数据采集主控制器； 依据设置的控制模式和采集到的数据对灯组进行开关控制。 需要完成的任务： 方案选择：设计系统的实现方案，选择合适的红外热释电传感器、单片机和系统需要的外围模块； 硬件设计：根据设计的系统方案，设计系统的硬件原理图，用 Altium Designer绘制电路原理图和 PCB板图，焊接电路，并调试通过； 软件设计：分析 系统的功能要求，采用 C51语言在 Keil开发环境上设计系统的软件，并在焊接的电路板上调试通过。 主要 内容 可总结为以下几点： 西安工业大学毕业设计（论文） 4 （ 1）现有照明系统的特性及其相关情况； （ 2）遥控器控制节电控制器的方法； （ 3）人体存在信号和光照强度信号的采集与处理； （ 4）光强阈值和人数阈值的确定； （ 5）传感器在教室的分布、安放问题； （ 6）人为控制与自动控制的结合。 2 系统法案综述 5 2 系统方案综述 该系统采用遥控模式，由遥控器和教室节电控制器两个部分组成。 教室节电控制器的主要功能是把无线数传模 块发送过来的系统设置参数存储在 EEPROM 存储器内；再通过红外热释电传感器和光电传感器实时采集人体存在信号、模糊人数。 通过光强传感器采集照度信号，将数据采集主控制器；最后依据设置的控制模式 和采集到的数据对灯组进行开关控制。 这里，我们在单片机的选择上是 以STC12C5A60S2 单片机主控模块为核心； 光电传感器的核心选择为光敏电阻 ； 在红外热释电传感器的选择上，利用传感器 LHI778 检测人的存在；继电器 选择 的型号为 G5LA14 5V 直流双通电磁继电器 ,并 由 PNP 型号的 S8550 三极管来驱动三极管继电器 【 5】 ； 系 统看门狗电路系统采用芯片 X5045。 X5045 芯片能够实现：看门狗定时器功能、复位控制功能 和存储功能；如图 所示。 S T C 1 2 C 5 A 6 0 S 2单片机最小系统人 体 计 数 模 块数 码 管 显 示 模 块光 强 检 测 电 路E E P R O M 模 块时 钟 模 块热 释 红 外 传 感 器遥 控 器 控 制模 块 电 路电 源 模 块 电 路 图 整体设计图 本 系统主要由 光强传感器、 激光传感器 热释红外块组成。 系统产生 信号，将信号输入到单片机， 并 结合遥控器设定 出相应的 光照强度阈值 、人数阈值 和工作时间等参数，单片机经过判断输出信号，通过控制继电器进而控制日光灯的亮灭。 在教室内部，将激光传感器模块和热释红外电模块放置在教室门两侧，用来西安工业大学毕业设计（论文） 6 检测人数和模糊 人数，将光强检测传感器 放置在教室内部，用来检测教室光强。 当教室光强高于设定阈值时，自动关闭教室灯组，即使打开电源开关，教室灯组也不会亮当。 当教室光强低于设定阈值时，比通过激光传感器模块和热释红外电模块计算人数，会依次打开部分教室灯组。 单片机的前置信号输入端主要有，光照因素、人体红外探测以及人为控制端。 光照因素 全世界有很多国家对建筑照明有明确的规范。 中华人民共和国在 20xx 年 12月 1 日也颁布了《建筑照明设计标滩 GB5003420xx》对我国的照明用电加以规范，该文件规定教室、阅览室等公共学习场 所的照度不得低于 3001x。 关于光信号的采集，如常见的声光控延时开关采用的是光敏元件（光敏电阻），利用元器件对光强的响应特性来设计电路。 而这些器件一般在光照度不同的情况下响应有 一定的 离散性（光敏电阻在同样光照度下阻值可能不同），效果不甚理想。 难以准确的确定光照度。 故而本系统采用光强传感器可以将光照度转化为数字信号，具有很高的精度。 随着电子技术的发展，这类芯片的集成度和精度也是愈来愈高。 当系统判断如果光强大于 3001x时不会开灯，而如果小于 3001x时，则会进行是否有人的判断 [9]。 人体红外探测 系统判断 是否需要开灯 还有一个重要因素，那就是教室内是否有人，而判断人体是否存在，则是利用热释电红外传感器监控人体发出的红外射线来实现的。 红外探测技术主要分为主动式和被动式，在本系统中采用被动式热释电传感器。 热释电红外 传感器 是一种被动式调制型温度敏感器件，利用热释电效应工作，它是通过目标与背景的温差来探测目标的。 它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，容易使用。 这种探测器，灵敏度高，探测面广 ，是一种可靠性很强的探测器。 因此广泛应用于各类入侵 报警器 ，自动 开关 、非接触测温、火焰报警器等，目前生产有单元、双元、四元、 180176。 等传感器和带有 PCB控制电路的传感器。 本系统 采用双元探头热释电红外传感器，而在搭建电路时应该注意其灵敏度和探测距离的选择，灵敏度过高可能出现误操作，过于迟钝也不行。 另外 人体红外辐射波 长在 9~10μm ，所以需要选择适合的滤波片，同时加上菲涅耳透镜可适当提高探测器的灵敏度。 西安工业大学毕业设计（论文） 7 人为控制开关 由于高校教室使用要求变化较多， 但 有较强的规律可循 ， 所以可通过软件和人为控制开关结合的方法来设计系统。 这样既可以大大减少人工控制也可以满足教室使用要求的多变性。 3 系统硬件 8 3 系统硬件 单片机最小系统 单 片机最小工作系统由 复位电路、 电源、晶振电路组成。 本系统单片机选择是 STC12C5A60S2，引脚图如图 所示。 图 STC12C5A60S2 引脚图 STC12C5A60S2 是 STC 生产的单时钟 /机器周期（ 1T）的单片机，是 具有 高速、低功耗、超强抗干扰 等优点 的新一代 8051 单片机，指令代码 能够 完全兼容传统 的 8051，但速度 比 8051 要 快 812 倍。 内部集成 有 MAX810 专用复位电路，2 路 PWM， 8 路高速 10 位 A/D 转换，针对电机控制，强干扰场合。 电源模块 单片机工作电压需要 5V，而我们日常用电则是 220V，所以我们需要变压器进行转换。 系统接通 220V 交流电源后， 我们选择 9V 变压器 将 220V 交流电变压到 9V， 先 经过二极管全波整流、 再通过 电解电容 C1 C21滤波，最后 经 LM7805稳压芯片得到稳定的 +5V 电源。 为了 使 缓冲负载突变，输出端还 需要 电容 CC22，最后得到 +5V 的直流工作电源。 电源模块原理图如图 所示。 西安工业大学毕业设计（论文） 9 图 电源模块原理图 复位电路 在 单片机工作 的 过程中，会 因为 外界的干扰而产生程序跑飞、死机 、 甚至 说整机瘫痪等情况， 这种情况 会 时有发生， 为了 使 单片机 能够 正常 的 工作， 就 必须采用复位的方法。 所以，需要在硬件中设计 看门狗电路 ，防止单片机发生状况。 这样单片机 如果 发生死机，看门狗 就会 产生一个复位信号， 能够 使单片机复位，这样的话就可 以 重新执行程序。 本次 设计 会 使用芯片 是 X5045。 其特点如下： 可编程的看门狗定时器； 低电压检测和复位信号提供； 5种标准复位端电压； 使用特殊编程序列可重复对低 VCC 复位电压编程； 低功耗。 看 门狗定时器的预置时间是 由 X5045 的状态寄存器的相应位 决 定的。 X5045共有 6 位，其中 的 WD WD0 两项 和看门狗电路有关，其余位和 EEPROM 的设置有关。 如表 所示。 表 X5045状态寄存器 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 WD1 WD0 BL1 BL0 WEL WIP WD0=0， WD1=0，预置时间为 ； WD0=1， WD1=0，预置时间为 ； WD0=0， WD1=1，预置时间为 ； WD0=1， WD1=1，禁止看门狗工作。 看门狗复位电路图如 图 所示。 西安工业大学毕业设计（论文） 10 图 看门狗复位电路 为了 使 复位 可以 更加可靠， 在 其复位输出端外接 了 一个 10K 的上拉电阻，并与 STC12C5A60S2 单片机 的复位端相连。 看门狗可以 在电源上电、掉电 的 期间产生一个复位信号。 X5045 芯片还带着 一个 秒的看门狗定时器 ，这样就 可用来监控单片机的工作。 如果 系统 在 秒内未检测到其工 作， 就会判定系统 出现故障，看门狗 WD1 就会 处于 一个 低电平状态， 这样可以 为系统提供保护， 就会 避免死机、 进入死循环 或 程序跑飞等意外的发生。 晶振电路 本系统 的时钟信号采用外部时钟方式，只要 单片机的 XTAL1和 XTAL2引脚外接 上 晶振即可。 时钟模块主要 是 由 两个 5~30pF的负载电容 和 一个高速石英晶振接地组成。 在本设计中， 电容选择 30pF， 振荡晶体选择 12MHz，石英晶振的两端 可以 直接接单片机的时钟输入输出 管 脚。 在设计电路时， 电容和 晶体应尽可能靠近单片机芯片安装， 这样可以减少寄生电容， 保证振荡器稳定和可 靠地工作。 晶振 电路如图。 图 晶振电路 结合 电源 电路 、晶振电路、复位电路 ，单片机最小系统原理图如图 所示。 西安工业大学毕业设计（论文） 11 图 最小系统原理图 光强检测电路 教 室的环境光 强 是系统主要参数 之一。 大量 的性能研究成果表明，光敏电阻所产生 的光谱响应峰值与人视觉敏感区的光 的 波长非常接近；而且当外部光 强发生减弱 的同 时，光敏电阻的响应时 长 也会相应增加。 所以 ，本次设计 要 选用GM5516 光敏电阻作为教室光强 的采集和处理单元。 图 是光强检测电路。 图 光强检测电路 图中 的 R5 为光敏电阻， AR1 是 滑线变阻器， 其作用是 确定光强 检测的临界电压。 C C11 的作用是滤除电源杂波，这样就不会 影响电源的稳定性； D4是电压为 的稳压二极管，作用是 稳定电源。 由于 单片机 STC12C5A60S2 内部集成有 8 路高速 的 10 位 A/D 转换，所以，光强检测 电路可以直接与单片机连接，光照参数在单片机 的 内部经过 A/D 转换后 就可以 通过 LCD 显示屏显示， 最西安工业大学毕业设计（论文） 12 后通过 与 我们 人为设置的光照阈值进行比较， 就可以控制灯组的亮灭了。 热释电红外人体检测电路 热 释电红外传感器是本系统的人数位置信的号检测器， 本系统采用 的是 德国原装进口 LHI778，其 特点是 灵敏度高，可靠性强， 可以 广泛 的 应用于各类自动感应电器设备。 在 信号处理端我们选用的处理芯片 是 BISS000。