毕业设计——教室光照节能系统.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）73教室光照节能系统摘 要新校园的建设要适应网络时代的发展，应引入智能化的概念。在传统的楼宇自控系统中，一般只包括了综合布线、计算机网络、安防、消防、闭路电视监控等子系统。但近年来，随着经济的发展和科技的进步，人们对照明灯具节能和科学管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化领域的地位越来越重要。针对大学校园中的大功率动力和制冷设备比重较小，而照明灯具相对较多的情况，设计了教室光照节能系统。本设计包括下位机教室智能控制器和应用组态MCGS 6.2软件编制的上位机监控系统，两者通过目前流行的Modbus协议通讯。前者使用特定的逻辑算法，利用环境光照检测和红外探测相结合的探测方式，开发教室光照节能自动控制系统，实现教室无人或者光照充足时自动关灯、有人到来且光照不足时自动开灯的功能，达到节能的目的；后者用于对下位机参数读写，显示，控制等集中式的管理，从而实现一套完整可靠的分布式光照控制系统。关键字：教室光照 ； modbus协议；节能控制；热释电效应Energy-efficient system design classroomAbstractThe new school building to adapt to the development of the Internet age, should introduce the concept of intelligent. In traditional Building Automation Systems, Generally include cabling, computer network, Safety precautions, Fire Prevention , TV monitor and other subsystems. But in recent years, With economic development and the advancement of technology, people lighting energy conservation and scientific management of higher demand, making the field of intelligent lighting control is becoming increasingly important. Power for the university campus in the proportion of low power and cooling equipment, and relatively high lighting situations, the design energy-saving control system for teachers. The design includes Smart Controller for the machine and application configuration MCGS 6.2Software for PC monitoring program, both through the popular Modbus protocol communications. The former applies a certain logic algorithms, illumination detection and infrared detection combined by active and passive detection, to develop energy-saving lighting control system of classroom. We can benefit from two aspects from it. One aspect is that it can automatically turn off lights, if there is no people or there is sufficient light in classroom . Another aspect is that if someone is coming and the light is insufficient , it can automatically turn on the lights to achieve energy saving. The latter is used for the centralized management of the read and write, display and control of the next bit plane parameter, so as to achieve a complete and reliable lighting control system for distributed.Key words: Classroom lighting; modbus protocol；Energy Saving Control；Pyroelectric effect目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 概述11.1课题背景11.2课题的主要研究工作2第二章 教室光照节能系统总体方案设计32.1教室光照节能系统存在的问题32.1.1着力克服的几种误区：32.1.2产品选型应该注意的事项62.2教室光照节能系统总体方案设计7第三章 教室光照节能系统硬件设计103.1单片机的选择103.2热释红外探测组件设计123.2.1热释电红外传感器的原理特性123.2.2热释电红外探测组件和信号处理143.3可见光探测组件设计163.3.1可见光探测选型163.3.2光敏电阻主要性能及处理电路163.4光照采样保持器设计193.4.1 A/D转换器原理193.4.2 ADC0832的主要性能203.5人机接口电路设计223.5.1键盘接口模块223.5.2 LCD显示模块233.6通信模块设计253.6.1 RS-232接口设计253.6.2 RS-485接口电路设计26第四章 教室光照节能系统的软件设计284.1系统主程序284.2光照采集子程序294.3 LCD显示子程序304.4 Modbus通信处理子程序314.5热释电红外人数采集中断子程序324.6组态MCGS监控系统设计33第五章 教室光照节能系统通信设计355.1 PC机通信组件355.2 Modbus RTU协议介绍355.2.1传送数据的格式355.2.2协议功能码定义365.2.3循环冗余校验38第六章 调试及总结396.1调试过程396.2总结39参考文献40附录A 教室控制器电路图42附录B 控制器主程序43附录C 控制器Modbus RTU子程序60致谢73第一章 概述1.1课题背景新校园的建设要适应网络时代的发展，应引入智能化、网络化的概念。在传统的楼宇自控系统中，一般只包括了综合布线、计算机网络、安防、消防、闭路电视监控等子系统。但近年来，随着经济的发展和科技的进步，人们对照明灯具节能和科学管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化、网络化领域的地位越来越重要。而在大学新校区的建设热潮中，各大高校和他们的建设者也意识到了智能化、网络化照明的重要性。相对商业楼宇而言，大学校园里的大功率动力和制冷设备比重较少，照明灯具则相对比重更多。使用现代化的节能光照系统，更能体现其在节能与管理方面的优势，提高学校的科学管理水平。节能是光照系统的最大优势。传统的楼宇公共区域照明工作模式，只能是白天关灯，晚上开灯。而采用了智能化分布式光照系统后，我们可以根据不同场合、不同的人流量，进行时间段、工作模式的细分，把不必要的照明关掉，在需要时自动开启。同时，系统还能充分利用自然光，自动调节室内光照度。控制系统实现了不同工作场合的多种照明工作模式，在保证必要照明的同时，有效减少了灯具的工作时间，节省了不必要的能源开支，也延长了灯具的寿命。在我国，照明耗电占年发电总量的10%(超过100亿kWh)，而对照明时间长，照明场所多的学校，照明超过本单位所有耗电的40%。目前，国内大、中、小学校教室的照明灯具控制大多采用手动开关，即使严格管理，仍不可避免地出现忘记关灯的疏忽，特别是在白天，情况更是如此，从而造成大量的能源浪费。另外，各种照明灯具都具有一定的使用时限，在光线充足的情况下仍继续使用，必然会缩短灯具的使用寿命1。现今的自动控制系统已经发展到了智能化、网络化阶段，智能控制是自动控制发展的高级阶段，是人工智能、控制论、系统论和信息论等多种学科的高度综合与集成，它主要包括模糊控制、神经网络控制、学习控制和专家控制等。智能控制是控制理论发展中的高级阶段，可以用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。所以我们有必要对学校的教室光照系统的节能问题加以考虑。1.2课题的主要研究工作在基于上述的客观情况下实现教室照明灯具的自动控制，我们着手设计一种新型的光照节能系统。考虑到教室的照明控制要求并不是太高，所以在设计光照节能系统时尽量考虑用最少的投资达到最佳的控制效果。针对整个教学楼的光线环境差不多在教学楼外部装一个可见光探测组件即可，而不同教室的有人或没人情况的不同均需测量，我们在每个教室的内外部各安装一个热释电红外探测组件，用中断的方式将检测信号送到单片机系统。根据控制要求，我们设计了根据教室里所在人数的情况和环境光线相结合的智能化、网络化的教室节能系统控制方案，它可以实现：无论是否有人光照度高于300lx（满足人眼要求）时不开灯；有人但光照度低于300lx大于150lx时灯可以根据教室中的人数的多少来决定灯具的开启情况；有人且光照度低于150lx时，灯全开。在本系统中还采用二级单层网络结构，即监控级、教室控制级以及modbus总线的RS485网络的分布式集散控制系统对教学楼用电设备进行控制和管理。教室控制级采用以单片机为主的控制；监控级主控上位机采用PC机，并用组态软件MCGS进行编程，用以实现对教室内的教室控制器所采集到的信息接收、处理，利用组态MCGS提供的全中文、图形化、动态化的监控界面，从而实现教室用电状况、学生人数等信息的实时监控和统计。通信网络部分，在教室同一楼层采用RS485标准构建数据采集网络. 并有控制系统实现对教室光照度，教室学生的人数，教室的使用状况等监视通过网络通信系统上传上位机显示并对教室内的设备进行合理远程控制和管理。图1.1 是教室光照节能系统结构图。图1.1 教室光照控制系统结构图第二章 教室光照节能系统总体方案设计随着能源的日益紧张，以及燃烧矿物燃料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”的号召，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，学生基本上无固定的班级教室，无固定的座位；而楼宇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高校中是普遍存在的。虽然教室的照明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。以我校为例，从全年的统计来看，其所占的比重在1/3左右，因而造成的用电浪费也就十分惊人。2.1教室光照节能系统存在的问题目前，教室照明节能工作，已经成为全国许多所高校2007年的工作重点。正是看到了高校教室照明节能存在的商机，许多相应的节能产品应运而生，出现了鱼龙混杂、良莠不齐的局面。在一些教室节能工作开展的较早的学校，他们在这方面走过了不少的弯路，也积累了很多的经验教训。在这里我们将其经验总结出来，希望给正在或酝酿作教室照明节能的高校，有所启迪和借鉴，可以少走弯路，以最少的投入达到最佳的节能效果。通过我们对从事多年节能实践的学校的调查，以及对不同厂家产品的试用情况的分析。我们认为有如下几点，在做教室照明节能时，应特别重视：2.1.1着力克服的几种误区：(1) 教室节能意义不大有相当一部分学校的有关部门，对此的认识还是不到位，总认为教室就那么几盏40W的日光灯，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。但对照明浪费却熟视无睹，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。我们可以估算一下，按照国标的规定，教室照明的功率密度约为10W/ m2，假设教室的平均面积为100m2，则照明负荷约为1kW。如果每天正常使用时间为15小时，那么，一天每间教室的用电量为1kW15h15 kWh，学生年在校为270天，则年用电量约为4050kWh。如果学校按照100m2折合教室数量为200间，则照明用电量为81万度左右。若节电率以平均30%计算，则一年可节电24.3万度，可节约电费1520万元左右，以上估算还未包括线损和灯具长时间开启而损坏的部分2。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。而且节能是一项长期的收益，早做早受益。我校的实际就是很好的例证。(2) 教室照明和控制没有特殊要求教室照明和其它领域的照明不同，有着严格的照度要求。为此，国家专门颁布了中小学校教室采光和照度卫生标准，在建筑照明设计标准中，也专门为教室的采光、照明等制订了国家标准。其核心就是要保证足够的光照度，减少晕光等不利因素的影响，目的就是要保护学生的视力健康。有人宣称教室照明无特殊要求是完全错误的。所谓教室照明节能就是利用现代电子技术的手段检测室内光照度，在保证符合国标规定照度标准的基础上，充分利用自然光照明，通过合理地关闭或减少人工光源的使用，而达到节约电能，保护学生视力和健康的一种绿色照明。那种以牺牲学生视力为代价的节能是不可取的，同样，以保护学生视力为借口，不进行节能工作也是不对的。教室节能必须是使用专门照度探测技术，充分结合教室的特点而专门开发的一种控制方式；不是随便将其它领域的灯控方式，简单地套用到教室灯具控制上就可以的。(3) 以单纯的人员管理来达到节能目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：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；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。专门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。同时管理人员的素质千差万别，个体差异还可能导致矛盾激化。我们在有人员管理的教学楼做过实验，使用和不使用智能照明控制器前后2月的电量相比，节电率仍然可以达到23%，学生反映不再出现开关灯不及时的现象了，这就说明了人工管理是取代不了科学技术手段管理的。虽然智能控制器一次性的投资可能比聘用管理人员可能要高一些，但从科学管理，大学的学习氛围和长期效益来看，智能化的科学管理是要远远超过人工管理的。(4) 过于精细的控制要求有的学校在考虑做教室照明节能时，又容易走向另一个极端，即要求对每盏灯都进行精确控制。表现为每个灯位都采用人体感应控制开关来控制，或者用红外对射来计算教室的人员数量再对灯具分别进行控制。这种精细控制考虑的初衷是好的，认为可以最大限度地节约电能。但是却忽略这种方式带来的诸多问题，一是光照度难以保证。整个教室的照度是根据房间面积设计的，只开一盏或2盏灯，是很难保证照度满足国标要求。尤其是大合堂阶梯教室，前几排的层高可以到5-6米，夜晚人少开的灯少，实际的光照度很难保证。因为国标中不但规定了绝对照度值要求，而且规定了邻近照度与主照度的比值不能低于0.7。这就像在漆黑的房间，如果只开桌上的台灯，桌面照度可能满足国标的要求，但周围却还是黑暗的。在这种环境下学习，眼睛很容易疲劳，不但影响学习效果，长此以往，必将对学生视力造成无可挽回的损害。二是灯具容易老化，通过频繁地关闭灯具来节能，势必要使这些灯具要根据人员情况的变化，及时地开启或关闭。教室照明一般使用的是日光灯，启动时，依靠的是加热灯丝上涂覆的氧化物产生的电子来启辉的，每启动一次，氧化物就消耗一些，如果消耗尽，日光灯就不能点亮而报废了。过于精细的控制，就会使灯的起动过于频繁。很容易造成灯管的提前老化，严重缩短其寿命，出现“节电不节钱”的现象。三是容易造成错误控制，在采用计算人数的控制器中，极易出现由于人员进出的不规则和不确定性而出现错判的情况，要么在有人的情况下关灯而影响学习，要么在无人的情况下长时间不关灯而影响节电效果。在有固定座次位置的教室中，这种控制方式就更是无法使用了。因此，从整个节能效益和保证学生视力健康等方面的综合考虑，教室照明最好采用大范围的多灯位控制方式。多年的实践数据和经验表明，节约的电能大部分还是在白天的长明灯浪费，夜晚开部分灯的节约比重相对较低。2.1.2产品选型应该注意的事项(1) 照度的控制精度要准确教室照明节能不同于其它领域和场合的节电，最重要的就是要保证照度的控制精度。因为学生要长期在教室学习，不正常的光照度不仅影响学习效果，而且还关系到他们的身体健康。那种不顾学生视力健康的节电措施是不可取的，也是和大学的学习氛围不相称的。因此，要把照度控制精度作为头等指标来考虑。首先，从器件方面来说，光电管由于价格便宜，在许多光控场合得到广泛应用。但是由于存在其阻值随照度变化的非线性，阻值间的离散性和温度特性的不确定性等缺点，决定它只能用于楼道、走廊和卫生间等对照度要求不高的场合使用。在教室的光控中使用是不合适的，根本难以达到国标规定的10%的照度控制要求。为了降低成本采用了光电管作为光控元件，这是以牺牲学生视力为代价的节能，是不可取的。为提高照度检测精确度，首先要选择光照度线性度好、性能稳定、一致性好、温度特性小的优质器件。同时采用视觉校正、温度补偿、抗干扰等技术处理。确保照度值线性，能够在使用现场测量和设置参数。优先选用可编程的数字型照度控制器。(2) 人体感应控制器必须选用照度优先、准静态检测型红外人体感应（PIR）是一种人体运动传感器，它的输出与人体运动幅度成正比。由于学习时人员动作幅度较小，尤其在自习时、人少时更是如此，如果不采取特殊的处理方法，是很难检测出来的。若人体检测精度不高，极易造成漏检或错检而关灯，影响学生学习和灯管寿命。在人体感应控制器中，有人体感应优先和照度优先两种控制方式。现有的人体感应检测集成电路采用的都是人体感应优先型，即先进行人体检测，检测到人体存在时，再去检测照度值是否满足要求，如不满足则开启灯具，在这之后的整个开启段内就不再检测照度了，即使照度满足要求了，灯具也不会关闭。直至人员离开，检测不到人体存在的信号了，再关闭灯具。这种控制方式是为走廊等灯具的控制而设计的，用以克服开灯后可能存在的光反馈造成的不稳定。直接将这种集成电路移植用于教室的灯控，显然是不合适的。主要问题是白天时一旦灯具开启，而一直有人存在时，灯具将不会关闭，造成不必要的浪费。另一种是照度优先型，即照度检测和人体检测同时进行，而照度控制优先于人体检测，一旦照度满足要求，不管是否存在人员，都会关闭灯具，这样就可以克服上述的问题。是完全与教室节能相适应的一种控制方式。这两种控制方式的鉴别方法很简单，就是白天在照度满足要求的情况下，用手挡住控制器镜头，使灯具开启。手离开后人体在控制范围内动作，如果灯一直点亮，就是人体感应优先型，否则就是照度优先型。由于人体感应集成电路是为运动的人体检测所设计的，对运动量很小的静止人员的检测精度较低，简单地移植到教室灯控上，只是将检测延时加长，以弥补检测精度不高的问题。但缺点依然没有得到有效克服，很容易造成灯具的频繁启停，不但影响学习，而且加速灯具的老化，严重影响节能的经济效益。这个问题只有采用针对教室灯控的专门设计的“准静态”检测技术，才能得到较好地解决3。因此，在采用人体感应控制器时，应该采用照度优先控制，同时采用准静态人体检测型的控制器，才能真正满足教室照明节能的要求。同时尽量采用大范围控制区域方式，以保证夜晚人少时的光照度值，也降低总投资额。节能工作是一件功在当代，利在千秋的事业。高校担负着教书育人的重要使命，它的节能工作，不但可以为学校节省下一笔不菲的资金，而且更重要的是培养了学生的节约意识和认知。才能担负起应有的历史使命，成为建设“节约型社会”的生力军。高校节能工作大有可为。2.2教室光照节能系统总体方案设计对于一些照明时间较长，照明设备较多的场所（如学校教室，商场等），其照明系统的使用浪费现象屡见不鲜。由于缺乏科学管理和管理人员的责任人员的责任心不强，有时借助外界环境你能正常工作和夜晚室内空无一人时，整个房间内也是灯火通明。这样下来，无形中浪费的电能是非常惊人的。据测算，这种现象的耗电占其单位所有耗电的40%左右参考。因此，有必要在保证照明质量的前提下，实施照明节能措施。这不仅可以节约能源，而且会产生明显的经济效益。故设计了教室光照节能系统，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。目前，高校教学楼照明用电的管理一般有三种模式：一是无专人管理，由学生自行控制开启与关闭；二是利用定时开关，根据作息时间开启和关闭整个教学楼的照明电源；三是由专人负责，即管理人员根据作息时间和天气情况分层送电。由于大多数人的节能意识淡薄，并且强光下人的眼睛对弱光不敏感，在自然光照大于灯具光照的情况下，难以觉察到灯光的存在，因此，在白天自然光很强的情况下，教室内的长明灯仍到处可见。根据不完全统计：80的教学楼存在着在白天光照良好的情况下教室灯具开启和在午休时间长明灯的现象4。一个教室的长明灯，看起来耗能不大，但从整个学校来看，却是一个不小的数字，这是一种极大的浪费。造成电能浪费的现象除了节能意识薄弱以外，另一个重要的原因就是节能的硬件设施跟不上。为此，根据学校的实际情况，设计与实施教室照明节能控制系统，在白天光线达到一定照度时，教室内照明灯自动关闭，室内照度下降到一定程度时自动开启照明灯，在充分保证教室照度的前提下，达到节能的目的。本设计教室光照系统采用了较为先进的电力电子技术、网络通信技术和现场总线技术以及上位机的监控、控制的集散控制系统。本系统主要由光照检测电路、热释电红外传感器及处理电路、单片机系统及控制电路、RS485网络和PC端RS232-RS485转换器以及PC机软件平台组成。其教室光照节能系统的整体网络结构图如图2.1所示。图2.1 教室光照节能系统整体网络结构图采用一光敏电阻为核心构成的光电探测组件测量光照度，根据光敏电阻的电阻在较大范围内与光照强度的关系再通过光照补偿得以线性关系，可实现连续的光照强的模拟量输出和较高的精度，然后，通过ADC0832转换为数字量将光照强度信息送至单片机，并根据外界光照强度优先级的调节教室照明灯具的开启和关断，可有效的改善照明的质量。通过热释电红外探测组件模块采集教室内人数信息，在此，设计中使用的是外部中断的方式对热释电红外探测组件采集的人数进行统计，结合上面的光照强度的测试结果，该系统设置了以下的智能控制策略：当光照度X1 LX，由于光照度低为保证对用眼的安全性进行如下参数设置，教室无人时，关闭整个教室灯具；教室人数6时，全部开启所有灯具，以满足国家教学光照度标准。当x1 lx=光照度x2 lx,教室无人时，关闭所有照明灯具；教室人数=15人时，开启第一排灯具；15教室人数25时，全部开启所有灯具。当光照度X2 LX，所有灯具不打开。X1,X2的取值可根据平均照度的公式计算： E=NUKA (2-1)式中：一光源的光通量；N一灯具数；U一灯具的利用系数；K一维护系数；A一室内面积，单位m2总系统控制方案设计思想为：监控PC机和教室级控制单片机组成一个分布式控制光照节能系统,各个教室级控制单片机都是独立的控制单元,并采用上述的控制策略对教室用电情况加以控制，同时可以接收监控PC机发来的控制指令。系统分自动控制和手动控制两种模式,当监控PC机通过RS485总线下发自动控制命令后,单片机开始采集外部光照数据,经处理分析后输出调光控制信息。在经过输出执行器控制教室照明灯具。当远程控制出现异常时,设置有独立的手动控制回路,可以通过手动方式来控制照明。第三章 教室光照节能系统硬件设计教室检测控制单元是教室光照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等用电设备。图3.1是教室光照节能系统教室控制器的硬件结构图。图3.1 教室光照节能系统教室控制器硬件结构图3.1单片机的选择目前较为流行的单片机有AVR和51单片机，从系统设计的功能需求及成本考虑，51单片机性价比更高。STC89C52是8k Bytes Flash片内程序存储器，512 bytes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4。中心控制模块采用STC89C52单片机以完全满足设计需要，可以实现整个系统控制，而且允许在系统内改写或用编程器编程，使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容，整个STC系列单片机结构图如图3.2所示。图3.2 STC系列单片机结构图核心器件STC89C52拥有40个引脚，其引脚图如图3.3所示。图3.3 STC89C52引脚图在引脚图上没画出VCC和GND，实际上VCC和GND在芯片上已经给出。此引脚图只显示38条引脚中，而VCC和GND是专用于主电源的引脚，GND：接地；VCC：正常操作时接+5V电源。在38条引脚中，2条外界晶体的引脚，4条控制引脚，3条I/O引脚，下面分别叙述主要的引脚的功能。(1)外界晶体引脚XTAL1和XTAL2当外界晶体振荡时，XTAL1和XTAL2分别接外接晶体的两端；当采用外部时钟时，XTAL1接地，XTAL2接外来振荡信号。(2)控制引脚RET、ALE/P、PSEN、EA/VPPRET引脚是复位信号引脚。当89C52通电时，在RET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。ALE/P是地址锁存允许/编程引脚。当访问外部存储器时，ALE的输出用于锁存地址的低位字节，以便P0口实现地址/数据复用。当不访问外部程序存储器时，ALE端将输出一个1/6时钟频率的正脉冲信号。ALE/P是复用引脚，其第二功能是对EPROM型芯片(如8751)进行编程和校验时，此引脚传送52ms宽的负脉冲选通信号，程序计数器的16位地址数据出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令码放到P0口上，有CPU读入并执行。PSEN为程序存储器选择端，接高电平，程序从内部执行，就是单片机内部的程序存储器有效；接低电平，程序从外面扩展的ROM开始执行。EA/VPP为访问片外程序存储器/编程电源引脚。片内无程序存储器的MCS-51单片机(如8031)必须接地。片内有程序存储器的MCS-51单片机(如8051)必须接高电平。EA/VPP是复用引脚，其第二功能是作为片内EPROM编程/校时时的电源线，在编程时，VPP引脚需加上21V的编程电压。3.2热释红外探测组件设计3.2.1热释电红外传感器的原理特性热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。所谓热电效应就是：当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，热释电效应形成的原理如图3.4所示。图3.4 热释电效应原理能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶（LiTaO3等）、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有T的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱电压V。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷Q会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，T=0，传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生T，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动5。热释电红外传感器的结构及内部电路如图3.5所示。图3.5 热释电红外传感器的结构及内部电路传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。热释电元件PZT将波长在8mm12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。菲涅耳透镜（图3.6）根据菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器 （PIR） 灵敏度大大增加6。菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化电信号。图3.6 菲涅耳透镜如果我们在热电元件接上适当的电阻，当元件受热时，电阻上就有电流流过，在两端得到电压信号。人体辐射的红外线中心波长为910um，而探测元件的波长灵敏度在0.220um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为710um，正好适合于人体红外辐射的探测，采用菲涅耳透镜组探测移动人体如图3.7所示，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器7。图3.7 菲涅耳透镜组探测移动人体3.2.2热释电红外探测组件和信号处理热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号。热释电传感器具有成本低，不需要用红外线或电磁波等发射源，灵敏度高，可流动安装等特点。实际使用时，在热释电传感器前安装菲捏尓透镜，这样可大大提高接收灵敏度，增加检测距离及范围。实验证明，热释电红外传感器若不加菲捏尓透镜，则其检测距离仅2M左右；而配上菲捏尓透镜后，其检测距离可增加到10M以上。由于热释电传感器输出的信号变化缓慢，幅度小（小于1mv），不能直接作为照明系统的控制信号，因此传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路，使得传感器输出信号的不规则波形转变成适合单片机处理的数字信号。根据以上要求，人体热释电检测电路组成框图如图3.8所示。图3.8 人体热释电检测电路组成框图本设计采用BIS0001来完成对热释电传感器输出信号的处理。BIS0001是一款具有较高性能的热释电传感器信号处理集成电路，它主要由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成8。由BIS0001构成的信号处理电路如图3.9所示。热释电传感器S极输出信号送入BIS0001的14脚，经内部第一级运算放大器放大后，由C。耦合从12脚输入至内部第二级运算放大器放大，再经电压比较器构成的鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延迟时间定时器，最后从12脚输出信号(V。)送人单片机进行照明控制9。实验所得，当传感器检测室内有人时，V。为4 V；无人时0V 。图3.9 信号处理电路BIS0001的1脚接高电平，使芯片处于可重复触发工作方式。输出V。(高电平)的延迟时间T由外部R和C的大小调整；触发封锁时间T。由外部R。和电容C。的大小调整。3.3可见光探测组件设计3.3.1可见光探测选型通过对光电管、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的视觉敏感区555mm波长；其次是当光照强度减弱时，它的响应时间相对增加，这对本套装置在光照强度变化时，输出状态保持相对稳定十分重要。3.3.2光敏电阻主要性能及处理电路光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达110M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76）m的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化，而光敏电阻的主要参数是：（1）光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。（2）暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。（3）灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值10。用不同的材料制成的光敏电阻有着不同的光谱特性，见图3.10光敏电阻的光谱特性曲线。当不同波长的入射光照到光敏电阻的光敏面上，光敏电阻就有不同的灵敏度。图3.10 光敏电阻的光谱特性曲线（4）光敏电阻的光电特性：在一定的电压作用下，光敏电阻的光电流与照射光通量的关系为图3.11所示。图3.11 光电流与照射光通量的关系光敏电阻的工作原理：光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体 及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少，光敏电阻工作原理如图3.12所示。图3.12 光敏电阻工作原理可见光探测组件接口电路：系统选用光敏电阻来检测教室的光照强度，其电路原理如图3.13所示，考虑到光敏电阻对温度变化较为敏感，偏置电路中的电阻可以采用与探测元件温变系数相近的光敏电阻，以防止工作点漂移，保证输出的稳定性。当教室光照度达到一定强度时，光敏电阻呈现低阻状态(1K)，输出高电平；当光照度减弱到一定程度，光敏电阻呈现高阻状态(5M)，此时光敏电阻的分压增加，输出低电平如果把以上信号接到ADC0832上，通过AD转换把光照度的模拟量转换为单片机可以接收的数字量输送给单片机检测，就可以按预定算法对教室灯光完成自动控制。图3.13 可见光探测组件接口电路3.4光照采样保持器设计3.4.1 A/D转换器原理 A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。A/D转换器的工作原理， 主要介绍以下三种方法： 逐次逼近法 双积分法 电压频率转换法(1) 逐次逼近法逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成，如图3.14所示。基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。图3.14 逐次逼近法AD转换原理框图(2) 双积分法采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成，如图3.15所示。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。图3.15 双积分AD转换原理框图(3) 电压频率转换法采用电压频率转换法的A/D转换器，由计数器、控制门及一个具有恒定时间的时钟门控制信号组成，如图3.16所示。它的工作原理是/F转换电路把输入的模拟电压转换成与模拟电压成正比的脉冲信号。图3.16电压频率式A/D转换原理框3.4.2 ADC0832的主要性能ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用ADC0832 可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。ADC0832 具有以下特点： 8位分辨率； 双通道A/D转换； 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容； 5V电源供电时输入电压在05V之间； 工作频率为250KHZ，转换时间为32S； 一般功耗仅为15mW；单片机对ADC0832的控制原理：正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意，当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束11。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下降之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2,3个脉冲下降之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能，其功能项见表3.1。表3.1 选择模拟输入通道信号工作模式MUX 地址通道号SGL/DIFODD/SIGN01差分模式00+-01-+单通道模式10+11+如表3.1所示，当此2 位数据为“1”、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2 位数据为“0”、 “0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。到第3 个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATD0。随后输出8位数据，到第19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片。直接将转换的数据进行处理，其时序如图3.17所示。图3.17 ADC0832时序图ADCO0832与单片机的接口电