【本科优秀毕业设计】教室节能系统设计

题目教室节能系统设计教室节能系统设计摘要本设计主要是针对目前高校教学楼教室的电能资源浪费严重，教室资源利用不合理，用电设备控制和教学管理不足的现状，设计了基于单片机的智能教室控制系统，以达到高校教室用电设备的合理使用，节约电能以及改善教学管理的目的。设计应用先进的电子技术、网络技术、自动控制技术以及实用的软件平台，成功地设计了一套功能完善的智能教室自动监测与控制系统。由传感探测单元、通讯网络RS232、控制单元构成了整个系统。智能教室控制系统核心采用AT89S51采集数据，并由控制系统实现对教室光照度、自习学生人数、教室使用状态等的监控与显示，并对教室内部用电设备进行合理控制和管理，达到高校教学楼教室控制的智能化和节约化的目标。本设计将单片机控制系统与网络技术结合起来，本系统各组成部分包括硬件和软件设计的结构、功能与实现方法。最后通过RS232方式实现与上位机通信实现数据的远程传输及上位机对教室照明状态的控制，完成一个智能教室监控系统。关键词智能控制；热释电效应；光照检测；AT89S51ENERGYEFFICIENTSYSTEMDESIGNCLASSROOMABSTRACTTHEDESIGNISMAINLYTARGETEDATTHECLASSROOMFLOOR,HIGHEREDUCATIONANDSERIOUSWASTEOFENERGYRESOURCES,CLASSROOMUNREASONABLEUSEOFRESOURCES,THEREALIZATIONOFELECTRICALEQUIPMENTCONTROLANDINADEQUATEMANAGEMENTOFTHESTATUSOFTEACHING,DESIGNOFINTELLIGENTSINGLECHIPMICROCOMPUTERBASEDCONTROLSYSTEMFORTHECLASSROOMINORDERTOACHIEVETHEREALIZATIONOFCOLLEGESANDUNIVERSITIESCLASSROOMEQUIPMENT,THERATIONALUSEOFELECTRICITY,SAVINGENERGYANDIMPROVINGTEACHINGANDLEARNINGMANAGEMENTPURPOSESINTHISPAPER,THEAPPLICATIONOFADVANCEDELECTRONICTECHNOLOGY,NETWORKTECHNOLOGY,AUTOMATICCONTROLTECHNOLOGY,ANDPRACTICALSOFTWAREPLATFORM,HASSUCCESSFULLYDESIGNEDAFULLYFUNCTIONALSMARTCLASSROOMSAUTOMATICMONITORINGANDCONTROLSYSTEMDETECTIONSENSORUNIT,COMMUNICATIONNETWORKRS232,THECONTROLUNIT“CONSTITUTESAWHOLESYSTEMINTELLIGENTCONTROLSYSTEMUSINGAT89S51CLASSROOMDATACOLLECTIONANDCONTROLSYSTEMFORTHECLASSROOMCLASSROOMLIGHT,THENUMBEROFSTUDENTSSELFSTUDY,CLASSROOMUSE,SUCHASTHEMONITORINGANDDISPLAYANDELECTRICALEQUIPMENTWITHINTHECLASSROOMTOCARRYOUTCONTROLANDMANAGEMENTTOTHECLASSROOMFLOOR,COLLEGETEACHINGOFINTELLIGENTANDECONOMICALCONTROLOFTHETARGETTHESINGLECHIPCONTROLSYSTEMDESIGNANDNETWORKTECHNOLOGYCOMBINEDWITHSPECIFICONTHEVARIOUSCOMPONENTSOFTHESYSTEMINCLUDINGHARDWAREANDSOFTWAREDESIGNOFTHESTRUCTURE,FUNCTIONANDIMPLEMENTATIONOFMETHODSFINALLY,THEWAYTHROUGHTHERS232COMMUNICATIONWITHPCFORDATATRANSMISSIONANDTHEREMOTEHOSTCOMPUTERTOCONTROLCLASSROOMLIGHTINGSTATE,THECOMPLETIONOFANINTELLIGENTCLASSROOMMONITORINGSYSTEMKEYWORDSINTELLIGENTCONTROL；THERMOELECTRICEFFECT；LIGHTDETECTION；AT89S51目录摘要IABSTRACTII第一章引言211课题背景212设计主要目的213设计研究内容2第二章系统总体方案221控制系统总体构成222系统实现功能2第三章教室控制单元的设计与通信231教室控制单元的核心器件选择232A/D转换器芯片ADC0809233现场人机交互模块234RS232串口通信2第四章教室检测单元数据采集与处理241光照信号采集与处理2411光电检测器件选择2412光敏电阻的工作原理2413光敏电阻的基本特性2414光照检测接口电路242红外数据采集与处理2421热释电传感器检测原理2422人体红外传感器电路243开关控制电路设计2431继电器原理简介2432继电器模块2433电灯开关控制电路2第五章教室节能系统软件设计251光照度采样及模数转换子程序252显示子程序253串行通讯程序设计254主程序设计2第六章总结2参考文献2附录2附录A程序2附录B设计仿真电路图2附录C设计原理电路图2致谢2第一章引言11课题背景随着能源的日益紧张，以及燃烧煤炭等资源带来的社会和环境问题的日渐突出，党和国家对节能工作的重视程度不断提高，已经将其列入“十一五”工作重点，提出了“建设节约型社会”的号召。教育部也积极响应，提出了“建设节约型高校”的口号，高校节能工作也在全国各地蓬勃开展起来。高校作为培养高素质人才的摇篮，提倡节约的意义也就显得更加重大而深远。教室作为高校教学的重要场所，一般采用开放式管理模式为主，学生学习基本上无固定的班级教室，无固定的座位；而楼层管理人员仅负责卫生或保卫工作。因此，造成了白天长明灯，晚上无人也开灯，人少灯全开以及在夏天电风扇的无效运行的浪费现象在高校司空见惯。从早晨开放到晚上清场，教室照明灯具一直处于开启的现象在不少高校中是普遍存在的。虽然教室的用电设备负荷在整个学校用电负荷中所占的比重不算太大，但是由于它们的数量众多，使用时间最长，使得它们在整个学校用电量中所占的比重一直居高不下，从而带来电力资源的极大浪费。然而，有相当一部分学校的有关部门，对此教室节能意义认识还是不到位，总认为教室就那么几盏40瓦的日光灯和风扇，不会造成多大浪费，节不节能无所谓。他们可能会为水龙头没有拧紧，滴答水而心疼，会主动地去关闭。但对用电设备浪费却熟视无睹，或者是视而不见。这主要是电能不像流水一样能看得见，是一种无形的、无法用肉眼感知的东西，浪费了也觉察不出来。但从整个学校来看的话，却是一个不小的数字，我们可以估算一下，以某校教学楼照明灯的使用为例由于每个教学楼的教室大小不一，我们取中等教室为主，该教室总共有六盏日光灯，每个日光灯为40瓦，每层楼有30个教室，共有六层，则整个教学楼教室内照明灯具负荷共计约为60KW，再加上走廊照明，整个大学教学楼照明灯具负荷约为200KW，每天如果按长明灯2小时计算这是保守的估计，1天就浪费电能400千瓦时，以该地区电费055元/千瓦时计算，折合电费220元。再以学生一年在校270天计算，一年将浪费电能10万多度，折合电费六万元左右。以上估算还未包括线损和照明灯具长时间开启而损坏的部分。从以上计算可以看出，教室照明节能绝不是微不足道的，即使单从经济效益来看，完全也是大有可为的。部分学校也意识到了教室照明中存在的巨大浪费，采取了各种各样的管理方式，企图来杜绝这种浪费。如费用包干制、任课教师负责制、组织勤工俭学学生或聘用专职人员进行专门管理，拉闸限电等等。许多学校都采取过这些方法，但始终没能长久坚持下去，也就没有取得理想效果。我们分析有如下原因一、是从生理上来看，当外界光照强度超过灯具光照度时，人眼就很难察觉有灯存在；二、是从心理上来看，教师和学生精力集中于教学和学习上，不可能分心来观察教室光照度的变化，也就不可能主动去关灯；三、教室管理人员很难了解各个楼层，各个朝向教室的实际情况，加上个人认知差异的影响，很难做出科学和准确的判断，由他们来负责开启和关闭灯具，不是关灯太早或开灯太晚造成学生看不清楚，就是关灯太晚或开灯太早而造成浪费。其次，学生对教学楼教室的利用状况的未知往往造成有些教室人满为患，有些教室无人问津的状况。从而由于管理不当而影响教学资源分配等种种问题。12设计主要目的针对目前高校教学楼用电设备控制和教学管理不足的现状，以提高教室用电设备控制的自动化和教学管理的效率为目的，开发了一套功能较完善的基于总线的智能教室控制系统。本系统应用先进的电子技术、网络技术、自动控制技术以及实用的软件平台。整个系统采用三层硬件两级网络构成，即“教室检测控制单元、RS232串行通讯线、楼层显示控制单元”。智能教室控制系统采用的单片机实现对教室光照、自习学生人数等的数据采集，并由RS232和上位机的通讯，实现教室使用状态监控与显示，并对教室内部用电设备进行合理控制和管理，达到高校教学楼教室控制的智能化和节约化的目标。13设计研究内容本课题主要是针对目前高校教学楼教室的电能资源浪费严重，教室资源利用不合理，实现用电设备控制和教学管理不足的现状，开发了一套功能较完善的智能教室控制系统。本次设计主要完成如下工作1构建一个由教室检测控制单元的布局和控制器的数据传输；控制器与上位机的通信。形成计算机对单片机控制节点的集中管理和远程控制，有利于提高高校教学楼教室教学和管理的智能化、自动化和网络化。2进行教室检测控制单元的软硬件设计工作，实现长距离通信。即教室检测控制单元和上位机的传输，通过RS232方式实现。3完成教室检测控制单元数据采集模块电路的设计，包括光照、热释电的选择、配置及其在教室现场的最佳布置和与单片机接口电路的设计。4完成教室检测控制单元外围电路的设计，人机交互模块包括显示模块和按键模块。本课题从提高高校教学楼管理和合理使用电能出发，应用先进的电子技术、通信技术、网络技术、自动控制技术以及实用的软件平台设计一套功能齐全的智能教室自动监测与控制系统。要求该系统具有性能稳定，运行可靠，并且各项实验结果均要达到基本设计要求。第二章系统总体方案21控制系统总体构成教室节能系统采用单片机和上位机组成的系统对学校教室照明设备进行控制和管理，教室亮度的检测、教室学生人数的统计、教室室使用状态的监控。整个系统由教室检测单元、控制单元、显示单元、通信单元组成。单片机可以实现对教室内的教室检测控制元所采集到的信息的接收、处理，并且由LCD显示教室状态，从而可以很轻松的对教室用电设备开关状况、照强度、自习学生人数，教室使用状态等进行实时监控和统计。对于通讯网络部分，教室信号通过RS232串行方式与上位机通信。检测控制单元照强度采集是采用AD0809与单片机构建的数据采集网络，教室人数是用热释电传感器通过检测电路与单片机相连进行数据采集。硬件电路是智能控制器的核心内容之一，它主要分为三部分内容一是传感探测部分,二是微控制器部分，三是通讯网络部分。下面具体阐述系统各级组成单元。1传感探测单元热释电红外探测传感器组件，该组件由三个部分组成热释电传感器，匹配低噪放大器，菲涅尔光学系统。该组件本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小、隐蔽性好、价格低廉。热释传感器包括（1）截止波长为7至10M的滤光晶片，与人体辐射红外中心线波长9至10M相对应，起带通滤波器的作用，从而把人体和其它物体区分开。（2）热释电陶瓷材料，将透过滤光晶片的红外辐射能量的变化转换成电信号，即热电转换。（3）场效应管匹配器，起阻抗变换作用，使得输入阻抗高而输出阻抗低。可见光探测组件，可见光探测组件由一些常用光敏器件和晶体管组成。特别说明这个组件必须置于本照明控制器控制照明的范围之外，用于探测自然光的有无及强弱（可根据需要进行调整），为控制器提供控制灯具亮、灭的依据。2微控制器单元控制器单元主要对该教室检测控制单元进行集中操作管理、状态显示、通讯控制和维护该每间教室的用电对象，并协调各检测控制单元之间的数据传送，提高整个智能教室控制系统的可靠性。3通讯网络通讯网络是保证整个智能教室控制系统远程控制正常运转的关键，所有的教室检测的数据和教室使用状态都连接在通讯网络的平台上，最终与计算机单元相连，实现远程的监控与显示。本系统利用计算机的串行口和单片机的串行通讯的功能，采用RS232向上位机完成信息传输实现教室控制单元显示和集中管理。上位机通过RS232串行通讯线来读取教室中的基本信息，同时每个教室控制单元中所采集的相关数据信息，并对所采集到的信息做基本显示的功能，例如显示教室状态照明灯全开或全关，以及控制电设备的开关状态。22系统实现功能智能教室控制系统的设计的目的就是为了实现教室用电设备的合理使用，节约能源以及改善教学管理，提高教室使用效率。在设计过程中，作者将整个系统分为了上述的三个部分，系统可以实现的功能则可以概括为以下几个方面1教室检测控制单元数据采集系统的底层设备教室检测控制单元具有自动采集和命令采集两种模式。自动定时采集就是教室检测控制单元可以根据内部时钟设置对教室进行循环采集数据，由控制器通过RS232通讯信道将根据需要采集相应的数据信息传送到上位机，上位机再经RS232通讯信道传送把命令传输到教室检测与控制单元。2教室远程端控制功能在远程控制中，往往都要使用远程控制软件。而这样的软件一般分为两部分，一部分在本地主机上安装，使上位机成为控制端，另一部分在现场控制器上安装，使现场控制器为服务端，也就是被控制端。通过网络，在计算机与控制器之间建立起一条数据交换的通道，从而使得控制端可以向服务端发送指令，操纵服务端完成特定的工作。在此时，现场控制器负责发送指令和显示远程计算机执行程序的结果，而运行程序所需的系统资源均由上位机机负责。系统采用了原有的教室内部用电设备控制系统，在此基础上的教室远程监控系统可以根据采集到的数据对教室实施相应的命令，使得教室的用电设备能够及时地开或关，实现节能目的。3数据与教室状态的显示采用LCD显示与LED相比它有功耗低，抗干扰能力强，体积小，重量轻、超薄、显示信息量大和接口方便等优点。另外LCD在大小和形状上更加灵活，接口简单，现在已被广泛应用于计算机和数字式仪表等领域，成为测量结果显示和人机对话的重要工具。液晶显示器按其功能可分为三类笔段式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。前两种可显示数字、字符和符号等，而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形，达到图文并茂的效果，其应用越来越广泛。这里使用LCD1602完成显示任务。在这里显示任务包括整个智能教室控制系统各采样点数据光照度、人数、照明灯的状态。由于教室控制系统的设计了自动手动按键，有特殊情况管理人员可不必去现场只需单击此按键即可从上位机界面直接进行调整，并随时能获知各个教室实际的总体情况。第三章教室控制单元的设计与通信教室检测控制单元是智能教室控制系统中重要的部分之一，一方面，教室检测控制单元具有对教室内数据的采集、处理、存储等功能，并响应楼层显示控制单元通讯查询的命令，另一方面，教室检测控制单元根据楼层显示控制单元和中央计算机单元的具体要求控制照明灯和风扇等用电设备。教室检测控制单元硬件接口电路如图31所示，教室检测控制单元采用模块化设计，其主要部分为数据采集模块、继电器开关模块、现场人机交互模块、串口通讯模块、现场设备控制模块、电源模块等。系统的电源采用专用芯片将220V交流电转换成5V，从而给控制节点中的ADC0809及单片机和继电器供电。教室检测控制单元组成框如图31所示。12MHZ晶振内、外红外检测电路AT89S51分频器光敏传感器2AD0809LCD显示继电器组教室照明灯按键MAX232电源电路BA232通讯线220V5V供电5V供电光敏传感器1图31智能教室控制系统整体组成框图本系统中教室检测控制单元具体主要功能有1教室检测控制单元实现对教室内光照强度、进入教室的学生人数的数据采集，通过数据的转换和处理，可送入到楼层显示控制单元和计算机单元。2教室检测控制单元中光照传感器将采集到的电压值和设定电压相比较从而自动完成对教室内是否开启/关闭照明灯组的操作，实现系统中节约电能的目的。3通过手动控制教室检测控制单元中的按键可对教室内照明灯的现场开启/关闭操作。4教室检测控制单元中LCD显示教室内用电设备的开关状态。5通过RS232总线完成单片机与上位机控制单元的通讯。6可接收计算机的命令并实现相应的控制信号的传输。31教室控制单元的核心器件选择AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4KBYTESISPINSYSTEMPROGRAMMABLE的可反复擦写1000次的FLASH只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFLASH存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。它具有如下特点40个引脚，4KBYTESFLASH片内程序存储器，128BYTES的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0HZ并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。1主要特性8031CPU与MCS51兼容4K字节可编程FLASH存储器寿命1000写/擦循环全静态工作0HZ24KHZ三级程序存储器保密锁定1288位内部RAM32条可编程I/O线两个16位定时器/计数器6个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路其管脚分布如图32所示。图32AT89S51引脚图复位电路及复位引脚RST的连接RST引脚对地电阻为40220千欧姆，因此在RST引脚和电源VCC之间接一容量为1022微法的电容后，即可构成最简单的RC复位电路。如图33复位电路所示。图33复位电路32A/D转换器芯片ADC0809A/D0809是8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100S左右。ADC0809引脚图如图34所示。图34ADC0809引脚图ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADC0809的内部逻辑结构图如图35所示。图35内部逻辑结构图图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。如表31通道选择表所示表31通道选择表A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）定时传送方式对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128S，相当于6MHZ的MCS51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。（2）查询方式A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确定转换是否完成，并接着进行数据传送。（3）中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址，RD信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接收。ADC0809应用说明（1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。（2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。（3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）在ST端给出一个至少有100NS宽的正脉冲信号。（5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。（6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机。33现场人机交互模块人机交互模块包括按键、LCD显示。人机交互部件可以实现在教室现场内对教室检测控制单元进行手动操作控制，并通过LCD显示观察到当前教室用电设备开关状态。这里采用字符型液晶显示模块，它是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用161，162，202和402行等的模块。下面以长LCD1602字符型液晶显示器为例做介绍。一般1602字符型液晶显示器实物如图36图36LCD1602字符型液晶显示器实物图1602LCD主要技术参数显示容量162个字符芯片工作电压4555V工作电流20MA50V模块最佳工作电压50V字符尺寸295435WHMM引脚功能说明1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表32所示表32引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚VSS为地电源。第2脚VDD接5V正电源。第3脚VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚D0D7为8位双向数据线。第15脚背光源正极。第16脚背光源负极。人机交互模块中使用两个按键，这两个按键都采用微动开关，此开关一端通过与门接单片机的INT1脚，另一端接地；即通过单片机的外部中断来执行手动操作，它也可做为一般的按键使用。按键接口电路图如图37所示。两个按键分别是自动手动键、全开全关键。通过控制模块上的开关按键并由第二排LCD显示显示O/C教室照明灯的开关状态。图37按键接口电路34RS232串口通信串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议。在进行串行通信接口设计时，主要考虑的问题是接口方法、传输介质及电平转换等。大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。RS232C的RS的英文意思就是RECOMMENDEDSTANDARD的缩写，意为推荐标准。C表示为此协议为第三版（1962年的版本）。P30和P31是STC89S51的两根全双工串行通信传输线，其中RXD（P30）为输入线、TXD（P31）为输出线。从理论上讲，它是可以实现全双工工作的，但CPU是不可能同时执行“接收”和“发送”两种指令的，因此该“全双工”的定义只是对串行接口有独立的接收通道和发送通道而言。AT89S51有两个物理上独立的发送缓冲器和接收缓冲器，它们是特殊功能寄存器SBUF，共用一个地址（99H），SBUF是不可位寻址的；发送缓冲器只能写入发送数据，但不能读出；接收缓冲器只能读出接收的数据，但不能写入。当然也可以用其它口模拟串口协议实现串口通信，但没有使用AT89S51自己提供的串口方便。接口如下图图38RS232通讯接口串口通信的概念就是串口按位（BIT）发送和接收字节。尽管比按字节（BYTE）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总长不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达15米。典型地，串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成（1）地线，（2）发送，（3）接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配A波特率这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的BIT的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个BIT。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率例如如果协议需要4800波特率，那么时钟是4800HZ。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800HZ。通常电话线的波特率为14400，28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典型的例子就是GPIB设备的通信。B数据位这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0127（7位）。扩展的ASCII码是0255（8位）。如果数据使用简单的文本（标准ASCII码），那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。C停止位用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，15和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。D奇偶校验位在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位位1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。第四章教室检测单元数据采集与处理41光照信号采集与处理教室检测控制单元数据采集模块对教室内光照强度、自习时进入教室的学生人数，教室内的灯状态，主要通过光照传感器、红外传感器来完成，各器件将检测到的非电量转化成各自对应的电量进而传送给单片机进行处理，单片机可实现对各传感器的定时采集并根据设定值进行比较处理。同时通过通讯接口将处理后的数据向上位机控制单元传送。也可通过该通讯接口，上位机单元发出的控制指令，现场控制单元实现相应的控制命令操作。411光电检测器件选择目前，在光电检测技术中常用的一些光电检测器件有光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管等，选择光照传感器可根据参考表41来进行比较选择。表41各种光电器件特性比较特性器件光敏电阻光电池光电二极管光电三极管光谱和光电特性光谱响应灵敏度可见光至红外可见光至红外可见光至红外可见光至近红外高低一般高线性度差一般好差伏安特性电阻型光伏型光伏型和饱和型饱和型电特性输出电流大最大小大噪声特性低低高高光敏电阻和其它光电检测器件相比具有以下特点A光谱响应范围宽根据光电导材料的不同，光谱响应可从可见光、近红外扩展到远红外，尤其对红外和红外辐射有较高的响应度。B灵敏度高，光电导增益大于1。C工作电流大，可达数毫安。D所测光强范围宽度，既可检测强光也可检测弱光。其缺点是在强光照射下光电转换线性较差，频率响应（器件检测变化很快的光信号的能力）低。412光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理是在其两极加上一定的电压后，当光照射在光电导体时，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动。在电路中产生电流，达到光电转换的目的。光敏电阻的工作原理如图41所示光照光电导体IP电极电极图41光敏电阻工作原理光敏电阻随光照强度的增加起导电性能变好，既光敏电阻的电导率增加，流过其内的光电流增加，其本身的电阻值减小，随光照强度的增加起导电性能变差，既光敏电阻的电导率减小，流过其内的光电流增加，其本身的电阻值增加。根据热平衡状态下半导体电导率公式，在光照射作用下产生的光电流IPQNVTNNTPP/L241式4L中，QN是光电子形成的内部电流，V是光敏电阻两端的电压，L是光电导体色长度，TN，TP是光辐射下每单位时间产生的N个电子一空穴对的各自寿命，N，P，分别是电子和空穴的迁移率。由此可见，光敏电阻的光电流与入射的光子数、量子效率和光电导体的长度L以及加在其两端的电压大小等因数有关，其电流大小与L的平方成反比。所以，在设计光敏电阻时，常设法将L减小，使光电流增大。光敏电阻主要参数A暗电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。B亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。C光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。413光敏电阻的基本特性A伏安特性在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。B光照特性光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。图42为硫化镉光敏电阻的光照特性。C光谱特性光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。图43为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。002040608101214035030025020015010005图42光敏电阻的光照特性015310080604020硫化铅硫化铊硫化镉图43光敏电阻的光谱特性通过对光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管等光电传感器的各种性能进行比较，以及通过分析光敏电阻的工作原理、基本特性，发现光敏电阻的光谱响应峰值比较接近人的视觉敏感区555NM波长以及当光照强度减弱时，它的响应时间相对增加，这对光敏电阻在光照强度变化进行检测时输出状态保持相对稳定十分重要，为避免光敏电阻受光面小的光敏电阻件应在教室周围进行合理地分布，用于探测自然光的有无及强弱（可根据需要进行调整）。414光照检测接口电路光敏电阻与电阻R构成反向比例放大电路。由于光敏电阻是敏感性元件，对光照强度、距离等有一定的敏感性，以及电源的噪声等引起的各种干扰都会随设备进入到单片机控制系统中，系统的干扰影响了需要采集的真实信号，给光敏电阻检测判断和进一步数据分析处理带来了不利因素，从而影响其测量结果的准确性。对光敏电阻的前端供电加上稳压管，以避免电源的噪声的影响获取更接近真实的信号，单片机的模拟信号输入端GM口。当光敏电阻的阻值发生变化时，GM端上的应发生变化，该信号被单片机的模拟通道GM采集，采集的是光敏电阻上的暗时，光敏电阻上的电压值接近5V，光强时，大约0V，模数转换为数字量后0255。图44中可知IVCC/RRP（42）VRVCCRRP（43）图44光电测量电路原理图1当RRP时，VVCC。因此光敏电阻电压V近似等于VCC。此时为恒压偏置。2当RINCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTSBITRSP20SBITLCD_ENP21SBITEOCP32SBITADDRP25SBITBAOJINGP26SBITSTP27BITFLAG0SBITLED_1P22SBITLED_2P23SBITLED_3P24SBITKEY1P34SBITKEY2P35SBITKEY3P36SBITKEY4P37BITA_MBITQK_QGUCHARRENSHUUCHARSET_GZ0X78UCHARAD_DATA1,AD_DATA2UCHARBAI_1,SHI_1,GE_1,BAI_2,SHI_2,GE_2UCHARCODETABLE“RENSHU“UCHARCODETABLE1“D1“UCHARCODETABLE2“D2“UCHARCODETABLE3“D3“/VOIDDELAYUINTZUINTX,YFORXZX0XFORY1Y0Y/VOIDADC_0809EA0IFFLAG0ADDR0ELSEADDR1ST0ST1ST0DELAY10EA1VOIDEXT0VOIDINTERRUPT0IFFLAG0FLAG1AD_DATA1P1BAI_1AD_DATA1/100SHI_1AD_DATA1100/10GE_1AD_DATA110ELSEFLAG0AD_DATA2P1BAI_2AD_DATA2/100SHI_2AD_DATA2100/10GE_2AD_DATA210/VOIDKONGZHIIFA_M0IFAD_DATA10LED_20LED_30ELSELED_10LED_20LED_30/暗处没有接近暗时/ELSEIFRENSHU0LED_20LED_30ELSEIFQK_QG0LED_10LED_20LED_30ELSELED_11LED_21LED_31/VOIDEXT1VOIDINTERRUPT2IFKEY10DELAY10IFKEY10IFRENSHU255BAOJING1RENSHU255ELSEBAOJING0RENSHUIFKEY20DELAY10IFKEY20IFRENSHU0RENSHU0BAOJING1ELSERENSHUBAOJING0IFKEY30DELAY10IFKEY30IFQK_QG0QK_QG1ELSEQK_QG0IFKEY40DELAY10IFKEY40IFA_M0A_M1ELSEA_M0/VOIDWRITE_COMUCHARCOMP00XFFDELAY5RS0LCD_EN0P0COMDELAY5LCD_EN1DELAY5LCD_EN0VOIDWRITE_DATEUCHARDIS_DATAP00XFFDELAY5RS1LCD_EN0P0DIS_DATADELAY5LCD_EN1DELAY5LCD_EN0VOIDLCD_INITP00XFFDELAY5P00X00LCD_EN0WRITE_COM0X38WRITE_COM0X0CWRITE_COM0X06WRITE_COM0X01/VOIDLCD_DISUCHARNUMUCHARBAI,SHI,GEBAIRENSHU/100SHIRENSHU100/10GERENSHU10/第一行显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