电子技术毕业论文-基于单片机教室灯光智能控制系统—环境光采集、热释红外传感系统设计

吉吉 林林 农农 业业 科科 技技 学学 院院 学学 士士 学学 位位 论论 文文 论 文 题 目： 基于单片机教室灯光智能控制系统 环境光采集、 热释红外传感系统设计 年 级 专 业： 10 级电子信息科学与技术 学 生 姓 名： 孙丽爽 学号： 1005601131 指 导 教 师： 谢艳新 评 阅 教 师： 王海波 完 成 日 期：2014 年 6 月 13 日 吉林农业科技学院 基于单片机教室灯光智能控制系统 - I 基于单片机教室灯光智能控制系统 环境光采集、热释红外传感系统设计 学生: 孙丽爽 专业: 电子信息科学与技术 指导教师: 谢艳新 摘要 本研究针对教室灯光的控制方法，尤其是教室灯光的智能控制方面的发展现状，分 析了教室灯光智能控制的原理和实现方法， 提出了基于单片机的教室灯光智能控制系统 的设计思路，并在此基础上开发了智能控制系统的硬件装置和相应软件。 该系统以 STC89C51 单片机作为控制模块的核心部件， 采用热释红外人体传感器检 测人体的存在， 采用光敏电阻构成的电路检测环境光的强度； 根据教室合理开灯的条件， 通过对人体存在信号和环境光信号的识别与判断，完成对教室灯光的智能控制，避免了 教室用电的大量浪费。系统还具有报警功能；同时还采用了软/硬件的“看门狗”等抗干 扰措施。 关键词：热释红外人体传感器；STC89C51 单片机；光敏电阻 Classroom Lighting Intelligent Control System 基于单片机教室灯光智能控制系统 - II The ambient light gathering pyroelectric infrared sensor system Name: lishuang Sun Major: Electronic Information Science and Technology Tutor: yanxin Xie Abstract The research of control method for classroom lighting, especially classroom lighting intelligent control development present situation, analyzed the principle and realization method of classroom lighting intelligent control, and proposes a new design classroom lighting intelligent control system based on single chip microcomputer, hardware device is developed based on the intelligent control system and corresponding software. The system uses STC89C51 microcontroller as a core component of the control module, the infrared sensor to detect the existence of human body, using optical detection circuit composed of environmental photosensitive resistance strength; according to the condition, reasonable, through identification and determine the existence of signals and environmental light signals to the human body, the classroom lighting intelligent control, to avoid the use of waste electric classroom. The system also has alarm function; at the same time also adopted the hardware / software “watchdog“ anti-interference measures. Keywords: Pyroelectric Infrared Body Sensor; STC89C51 Single-chip Microcomputer; Photosensitive Resistance 基于单片机教室灯光智能控制系统 - III 目录 摘要.I Abstract II 1引言.1 1.1教室灯光控制的现状及发展趋势1 1.2本设计的研究内容1 1.3本文完成主要任务2 2教室灯光智能控制系统的总体设计.3 2.1单片机的选择3 2.2感应器的选择4 3系统硬件电路设计.6 3.1主控模块设计6 3.1.1系统主控电路.6 3.1.2单片机的引脚功能.6 3.2单片机的最小系统7 3.3环境光采集模块设计8 3.3.1光敏电阻介绍.8 3.3.2LM393 电压比较器介绍9 3.4热释红外感应模块11 3.5系统时钟电路13 3.6超时报警电路14 3.7显示电路设计14 4系统软件设计.16 4.1定时中断处理17 4.1.1定时中断功能.17 4.1.2定时中断流程图.17 4.1.3定时中断说明.17 4.2环境光采集模块的设计18 4.2.1环境光采集模块的功能.18 4.2.2环境光采集模块的流程图.18 4.2.3环境光采集模块的程序.18 4.2.4环境光采集模块的说明.19 4.3热释红外传感器的设计19 基于单片机教室灯光智能控制系统 - IV 4.3.1热释红外传感器的功能.19 4.3.2热释红外传感器的流程图.20 4.3.3人体存在传感器的程序.20 4.3.4人体存在传感器的说明.22 4.3.5人体存在传感器的安装要求.22 4.4时钟模块的设计22 4.4.1时钟模块功能.22 4.4.2时钟模块流程图.22 4.4.3时钟模块初始化程序.23 4.4.4时钟模块说明.24 4.5液晶显示模块24 4.5.1液晶显示模块的功能.24 4.5.2显示模块流程图.24 4.5.3显示模块的程序.25 4.5.4显示模块说明.26 5系统调试.27 5.1系统调试运行及问题分析27 5.2单片机系统调试方法及步骤27 结论.29 参 考 文 献.30 致谢.31 附录.31 基于单片机教室灯光智能控制系统 1 1引言 1.1教室灯光控制的现状及发展趋势 随着社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平的不断提高，导致用电负荷的加 剧，能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。中国经济持续多年的高速发展让能源问题 日益突出。虽然我国能源总储量不低，但由于我国人口众多，所以人均储量少，单位产 值的能耗是发达国家的 3-10 倍。能源问题已成为制约我国国民经济发展的关键问题。 同时各类大、中专院校的扩招，教室的扩建，教室照明的需求也越来越多，而教室照明 的管理不到位，造成学校电能浪费，经济损失，这种的浪费与当今的节约能源理念相违 背，提高教室用电效率就成为首要考虑的问题，因此需要对电灯能耗进行智能控制。所 谓智能控制是指利用现代通信技术、自动控制技术、总线技术、信号检测技术和微电子 技术对室内照明进行有效控制， 使灯光可以根据环境的变化的来满足客观实际要求而自 动进行灯光照明的调节。 目前对电灯的智能控制国外已经开始广泛采用， 产品的种类有总线类、 电力载波类、 无线类产品。总线类产品：历史悠久、国际标准、产品高档、性能可靠，但是功能复杂、 价格高、需要专业技术支持。电力载波类产品：希望通过借助于电力载波免于产品的大 规模布线，这类产品目前是国内主流产品且价格低廉，接近国人现有消费水准可以大规 模简单安装，但是，没有统一的技术认证标准，厂家各自为政，产品的可靠性难以保证， 容易发生电磁串扰。无线类产品：这类产品是目前发展速度是最快的，它解决了复杂的 系统配置及安装问题，只要普通电工就可以安装。这类产品最致命的问题是集群安装使 用时所产生交调干扰致使系统的通讯可靠性下降。于是，开发简便实用的教室灯光智能 控制系统具有重要的现实意义。 1.2本设计的研究内容 本设计是基于单片机控制的教室灯光智能控制系统。 适用于学校商场等大型室内场 所的照明智能控制，可以有效地对教室照明灯具进行智能控制，减少电能浪费，提高资 源利用率。研究的教室灯光控制系统能用于现有教室照明系统的改造，实现对照明系统 的人性化智能管理，提高用电效率；实现自动、手动灯光控制相兼容，以降低成本；通 过反复试验和改进，最终达到可靠性、实用性、推广性较好的目标。通过 STC89C51 单 片机和各个感应模块，实现对教室灯光的智能控制。主要功能有两种。 利用环境光采集电路，判断光线强弱，设置灯的开关状态。 当教室有人进入时，判断红外线的强弱，控制灯的亮暗。 基于单片机教室灯光智能控制系统 2 本设计具有制作简单、成本低、操作性强等特点，具有广泛的现实意义。该设计也 是对我大学所学东西的综合运用，增强了我的动手和提出问题，分析问题，解决问题的 能力，可以巩固自己的专业知识，为工作和学习打下坚实的基础。 1.3本文完成主要任务 本课题的研究任务有如下几点： 灯光控制系统数据采集的研究。 教室内人数监测方案的研究。 热释红外传感器与环境光信号采集与处理。 基于单片机教室灯光智能控制系统 3 2教室灯光智能控制系统的总体设计 根据设计方案分析，本系统由 STC89C51 单片机控制器，环境光采集电路，热释红 外传感器电路，按键电路，看门狗模块，显示电路，复位电路，时钟电路，电源几部分 组成。其中环境光采集电路测量教室光照强弱，热释红外传感器模块检测教室是否有人 及人数的多少，显示电路显示温度值，时钟电路为单片机提供时钟频率，电源为整个电 路供电。系统结构图如图 2-1： 中央处理器中央处理器 STC89C51STC89C51 复位按钮 时钟模块 热释电红外模块 液晶显示模块 环境光采集模块 电源模块看门狗电路 EEEPROM 存储器 继电器灯具 继电器灯具 图 2-1系统控制单元结构框图 2.1单片机的选择 为了更好实现本设计的预定目标，我们对单片机进行了仔细的对比和研究。 方案一：AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 型 8 位单片 机，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令 系统，片内置通用 8 位中央处理器(CPU)和 Flash 存储单元，功能强大。其片内的 4K 程 序存储器是 FLASH 工艺的，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间短。写入单 片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护我们的劳动成果。再者，AT89C51 目前 的售价比 8031 还低， 市场供应也很充足。 AT89C51 可构成真正的单片机最小应用系统， 缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于 8K，四个 I/O 口全部提供给用户。可用 5V 电压编程，而且擦写时间仅需 10ms。AT89C51 芯片提供 三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不 基于单片机教室灯光智能控制系统 4 被仿制。P0 口是三态双向口，统称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储 器的读/写操作。 方案二： STC89C51 系列单片机的指令系统和 AT89C51 系列的完全兼容， 但实际操 作起来却存在很多问题： AT89C51 不带 ISP 下载，要用下载器下载，STC89C51 可以用 USB 串口下载， 下载软件可以到 STC89C51 厂家网上下载。 STC89C51 单片机执行指令的速度很快，大约是 AT89C51 的 3-30 倍，尽管快是 好事，但这样一来，你在 AT89C51 上好使的程序在 STC89C51 上不一定好用，最典型 的例子就是那些对时序有严格要求的模块，用 STC89C51 时注意得加长延时，大约是 AT89C51 的 1030 倍就差不多。 STC89C51 单片机对工作环境的要求比较低， 电压低于 5 伏时仍然正常工作， 甚 至 3 伏到 4 伏之间都还可以工作，然而这样的环境下 AT89C51 肯定不行了，所以当一 个系统用 STC89C51 单片机能正常工作，但用 AT89C51 的单片机不工作时，直接检查 最小系统，看单片机的供电是否正常。 比较这两种方案，我们选择采用 STC89C51 系列芯片，因为此芯片对环境要求不严 格，执行速度快。而且学校也提供了相应的硬件操作平台，实际操作起来比较方便，故 采用 STC89C51 芯片为更合理的选择。 2.2感应器的选择 方案一：感应人体采用被动式红外传感技术，利用红外光敏器件将活动生物体发出 的微量红外线转换成相应的电信号，并进行放大处理。它能可靠的将运动着的生物体和 飘落的物体加以区别。同时它还具有监控范围大，隐蔽性好，抗干扰能力强和误报率低 等特点。被动式红外入侵报警器又称热释电红外入侵报警器，由光学系统，红外传感器 和信息处理三部分组成。目前与红外传感器配套的光学系统有三种，即反射式、透射式 和折射式。其中反射式光学系统的灵敏度最高，其探测距离可达 2560 m；透射式的灵 敏度最低，探测距离为 210 m；折射式居中，兼有反射式和透射式的优、缺点。 方案二：感应人体采用主动式红外探测器，由红外发射机、红外接收机组成。分别 置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光 束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经 过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束。接收端输出的电信号的强度会因 此产生变化，从而启动信号。 基于单片机教室灯光智能控制系统 5 比较这两种方案，主动式红外探测器由于光束较窄，收发端安装要牢固可靠，不应 受地面震动影响，而发生位移引起错误，光学系统要保持清洁，注意维护保养。因为主 动式探测器所探测的是点到点，而不是一个面的范围。其特点是探测可靠性非常高。但 若对一个空间进行检测，则需有多个主动式探测器，价格昂贵。主动式探测器常用于博 物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车 场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。 本设计适合采用被动式红外传感器。经过多方面考虑采用红外人体感应器模块，因 为此模块具有监控范围大，隐蔽性好，抗干扰能力强的特点。 基于单片机教室灯光智能控制系统 6 3系统硬件电路设计 系统控制器主要是以自然光强度和人体存在作为控制器的主要输入参数。 可以实现 自动与手动控制相兼容。在自然环境光较强光线较强时，无论是否有人体存在，都不开 灯；在环境光较弱时，有人存在且超过一定时间时，系统控制器自动打开电灯，人离开 后延时一定时间后再自动关灯。 系统控制单元是以单片机主控模块为核心， 其它外围电路主要包括： 系统供电模块、 环境光采集模块、热释红外传感器模块及继电器驱动模块。单片机作为主控芯片，热释 红外传感模块识别人体， 光敏电阻识别光线， LM393 电压比较器将光敏芯片处理给单片 机，继电器控制负载灯。 设计可以应用在教室，图书馆等一些公共场所，当光线暗并且有人时，继电器会吸 合，从而驱动任何负载，智能延时，当没有人时灯不会亮，从而实现节能、智能的效果。 3.1主控模块设计 3.1.1系统主控电路 STC89C51 的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上。使用 方便等优点，而且完全兼容 MCS5l 系列单片机的所有功能。STC89C51 是一种带 4K 字 节闪烁可编程可擦除只读存储器，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采 用 ATMEL 存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。 单片机最小系统是单片机工作的最基本电路， 接好最小系统对于做实物来说极其重 要。 3.1.2单片机的引脚功能 VCC（40）：电源+5V。 VSS（20）：接地，也就是 GND。 XTL1（19）和 XTL2（18）：振荡电路。单片机是一种时序电路，必须有脉冲 信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方 式， 只要接上两个电容和一个晶振即可； 另一种是外部振荡方式， 采用外部振荡方式时， 需在 XTL2 上加外部时钟信号。 PSEN（29）：片外 ROM 选通信号，低电平有效。 ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端/EPROM 编程脉冲输入端。 RST/VPD（9）：复位信号输入端/备用电源输入端。 基于单片机教室灯光智能控制系统 7 EA/VPP（31）：内/外部 ROM 选择端。 P0 口（39-32）：双向 I/O 口。 P1 口（1-8）：准双向通用 I/O 口。 P2 口（21-28）：准双向 I/O 口。 3.2单片机的最小系统 STC89C51 单片机的时钟信号通常有两种方式产生：一是内部时钟方式，二是外部 时钟方式。在单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的 XTAL1 和 XTAL2 引脚外接 石英晶体（简称晶振），就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。图中 电容 C1 和 C2 的作用是稳定频率和快速起振，电容值在 5-30pF，典型值为 30pF。晶振 的振荡频率范围在 1.2-12MHz 间选择，典型值为 12MHz 和 11.0592MHz。 当在 STC89C51 单片机的 RST 引脚引入高电平并保持 2 个机器周期时，单片机内 部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。 复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。 最简单的上电自动复位电路 中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。 只要 Vcc 的上升时间不超过 1ms，就可以实现自动上电复位。时钟频率用 6MHZ 时电容取 22uF，电阻取 1K。除 了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复 位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过 RST 端经过电阻与电源 Vcc 接通 而实现的。最小应用系统图如图 3-1 所示： 基于单片机教室灯光智能控制系统 8 图 3-1单片机最小系统 3.3环境光采集模块设计 光电传感器是一种能够将光照转换成电量的传感器。 光敏电阻体积小、 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。 3.3.1光敏电阻介绍 光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和 硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这 是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源 的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。 管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。 光导体吸收光子 而产生的光电效应， 只限于光照的表面薄层， 虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去， 但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电 极一般采用硫状图案，光敏电阻结构如图 3-2 所示： 基于单片机教室灯光智能控制系统 9 图 3-2光敏电阻结构图 光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变 的电阻器，又称为光电导探测器。 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。光敏电阻器对 光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4-0.76）um 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。 本设计利用光敏阻值的变化与电阻进行分压， 得到的电压值给LM393进行电压比较， 通过 10k 可调电阻可以实现光线限值的调节。 感应光线是否过弱， 将信号给单片机处理。 3.3.2LM393 电压比较器介绍 LM393 主要特点如下： 工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：236V，双电源： 118V； 消耗电流小，Icc=0.8mA； 输入失调电压小，VIO=2mV； 共模输入电压范围宽，Vic=0Vcc-1.5V； 输出与 TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容； 输出可以用开路集电极连接“或”门。 采用双列直插 8 脚塑料封装 （DIP8） 和微形的双列 8 脚塑料封装 （SOP8） 。 LM393 引脚图及内部框图如图 3-3 所示： 基于单片机教室灯光智能控制系统 10 图 3-3LM393 内部结构图 LM393 是高增益,宽频带器件,像大多数比较器一样,如果输出端到输入端有寄生电 容而产生耦合,则很容易产生振荡。 这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时,输出电压 过渡的间隙。 电源加旁路滤波并不能解决这个问题,标准 PC 板的设计对减小输入输出 寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于 10K 将减小反馈信号,增加很小的正反馈 量(滞回 1.0-10mV),不会产生由于寄生电容引起的振荡。除非利用滞后,否则直接插入 IC，并在引脚上加上电阻，引起输入输出在很短的转换周期内振荡。如果输入信号是 脉冲波形,并且上升和下降时间相当快,则滞后将不需要。 比较器的所有没有用的引脚必须接地。LM393 偏置网络确立的静态电流与电源电压 范围无关。通常电源不需要加旁路电容，差分输入电压可以大于 Vcc，并不损坏器件。 LM393 的输出部分是集电极开路,发射极接地的 NPN 输出晶体管,可以为集电极输出提供 或 Oring 功能。输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上,不受 Vcc 端电压值的限制。 当达到极限电流(16mA)时,输出晶体管将退出并且输出电压将很快 上升。 本设计利用光敏阻值的变化与电阻进行分压， 得到的电压值给LM393进行电压比较， 通过 10k 可调电阻可以实现光线限值的调节。 感应光线是否过弱， 将信号给单片机处理。 如图 3-4 所示： 基于单片机教室灯光智能控制系统 11 图 3-4光敏模块电路图 3.4热释红外感应模块 热释红外感应模块用来检测教室内是否有红外线，判断教室内是否有人。通过判断 教室内红外线的强弱，判断教室中人数，从而控制教室内的光照强度，是数据采集的核 心模块之一。本系统采用的热释红外传感器主要采用热释红外传感器的原理，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：被测对象自身发射红外线，可不必 另设光源；大气对 2-2.61Lm，3-51Lm，8-141Lm 三个特定光吸收甚少，非常容易被 检测；中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。人体存在传感器的热释 电红外探头的工作原理及特性如下：人体都有恒定的体温，一般在 37 度，所以会发出 特定波长的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的红外线进行工作。人体发射的 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热释红外传感信号。 这种探头是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对特定波长的红外辐射 非常敏感。 为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射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。 人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电源，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用，使其产生的释 电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。 基于单片机教室灯光智能控制系统 12 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 感器的热释电元件接收，但是两片热释电元件接收到的热量不同，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。 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。 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。 热释红外传感器 HP-208 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： 感应为全自动方式，人进入感应范围时输出高电平(高 3.3V），人离开感应范围 则自动延时关闭高电平，输出低电平(低 0.3V)，其高低电平利于采集； 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； 人体传感器工作电压宽为 DC3V-DC24V； 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； 其静态电流小于 50 微安，功耗低； 工作温度介于-15和+700之间，适应性强； 灵敏度高，可靠性强。 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，增加一个三极管驱动人体 存在传感器输出信号的可靠性，同时可以驱动一个 LED 充当指示作用。其电路原理图如 图 3-5 所示： 基于单片机教室灯光智能控制系统 13 图 3-5人体传感器电路图 当教室有人员出入时，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。当人员在教室移动到红外传感器探测盲区时，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。 3.5系统时钟电路 本系统采用美国DALLAS公司推出的具有充电能力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。工作电压为 2.5V-5. 5V。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 3-6 所示： 图 2-9 DS1302 引脚 图 3-6时钟芯片 DS1302 引脚图 其中 Vcc2 外接 3.6V 可充电的铿电池， 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 基于单片机教室灯光智能控制系统 14 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 32. 768kHz 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 P1.5 引脚，进行 时钟控制。数据输入/输出端 I/O 接单片机 P1.6 引脚，进行数据传输。 3.6超时报警电路 在教室中，若采用手动方式控制时，可能会出现学生及管理人员的工作疏忽，教室 里在没有人时候，导致教室灯工作超时，造成能源浪费，因此系统采用超时报警电路， 以声音的方式来提醒管理人员是否关闭电源。另一方面由于学生学习紧张，在夜里忘了 时间点，学习期间开灯时间过长，致使教室电灯工作超时，于是本系统超时报警电路就 会发出声音，提醒学生应该休息或必需改用遥控器手动方式来控制灯了。这样，还可以 更好地保护公共设施。系统采用超时报警的电路如图 3-7 的 P3.4 端口外加一个 10K 的 上拉电阻，再经过限流电阻 100 欧与三极管 C945 的基极相连。当 P3.4 端口为低电平， 即基极为低电平时，三极管导通，驱动蜂鸣器发出声音，以示教室灯工作超时。若 P3. 4 端口为高电平，即基极为高电平时，三极管截止，蜂鸣器不工作，教室灯工作正常。本 系统采用超时报警电路方便了管理人员对教室的管理，能够更好地、及时地管理教室。 图 3-7超时报警的电路 3.7显示电路设计 为了实现较好的人机交互界面，在本系统中采用 1602 液晶显示屏来显示用户的设 定作息时间及用户所查询的信息。 点阵字符型液晶显示器是专门用于显示数字、字母、图形符号及少量自定义符号的 显示器。这类显示器把 LCD 控制器/点阵驱动器/字符存贮器全做在一块印刷板上。系统 基于单片机教室灯光智能控制系统 15 选用日立公司的 HD44780 液晶显示。HD44780 具有简单而功能较强的指令集，可实现 字符移动/闪烁等功能。与 MCU 的传输可采用 8 位并行传输或 4 位并行传输 2 种方式。 基于单片机教室灯光智能控制系统 16 4系统软件设计 监控程序按模块分为监控主程序和命令处理子程序。由于单片机，系统资源有限， 主程序通常是一个无限循环的过程，即是一个反复调用子程序的过程。子程序主要分为 中断子程序和功能子程序，它们之间以互相嵌套和调用，即中断子程序可以调用功能子 程序。在应用软件的设计中，尽可能把各个功能模块写成子程序的形式，并通过主程序 调用。而命令处理子程序完成各种命令所规定的具体操作，它按各种命令再分为不同的 子程序模块，它一般总是把其余部分连接起来构成一个无限循环，系统所有功能都在这 一循环中周而复始的有选择的执行。其监控主程序流程图如图 4-1 所示: 初始 系统初始化 设置定时器，允许定时中断 按键处理任务 环境光处理任务 人体传感器处理任务 定时管理系统 结束 图 4-1监控主程序流程图 基于单片机教室灯光智能控制系统 17 4.1定时中断处理 4.1.1定时中断功能 定时中断是利用单片机内部的定时器定时，时间到或计数值已满引起的中断，内部 定时器的计数器可以对内部时钟或从外部引线 T0 和 T1 输入的外部脉冲进行计数。 计数 器的溢出信号作为中断请求信号，去置位定时器溢出标志位，向单片机的 CPU 申请中 断。定时中断为周期性中断，每隔一定的时间会中断一次。本系统中设定的定时中断主 要用来构造多任务操作系统，在系统响应中断后，无需对断点实施现场保护，可直接进 行多任务时间的划分工作，使相应的操作任务进入就绪状态，即该中断可以启动有关的 任务操作。 4.1.2定时中断流程图 该定时中断处理程序框图如图 4-2 所示 开始 定时中断 下一步 多项任务启动时间 Y N 图 4-2定时中断处理程序框 4.1.3定时中断说明 所研制的控制器以自然光强度和人体存在作为控制器的主要输入参数。 可以实现自 动与手动控制相兼容。在自然环境光较强光线足够时，无论人员是否存在，都不开灯； 在自然环境光较弱时，有人员存在且超过一定时间，控制器自动打开电灯，直到人员离 开后再延时一定时间后关灯。同时，还要按作息时间来控制，夜晚超过 12 点，若还有 人员存在， 则关闭自动控制器的运行， 改用机械开关来手动控制， 以解决因特殊情况下， 自动控制器人性化控制运行问题。 基于单片机教室灯光智能控制系统 18 4.2环境光采集模块的设计 4.2.1环境光采集模块的功能 利用传感器将光转化为电量。 采用的光敏三极管除了将光信号转化为电信号的功能 外，还具有对电信号的放大功能。 4.2.2环境光采集模块的流程图 环境光采集模块的流程图如图 4-3 所示： 开始 系统初始化 是否自动控制模强制模式 N 光照是否过弱 Y 灭灯 N 检测人体红外线 Y 图 4-3环境光采集模块流程图 4.2.3环境光采集模块的程序 #include /调用单片机头文件 #define uchar unsigned char/无符号字符型 宏定义变量范围 0255 #define uintunsigned int/无符号整型 宏定义变量范围 065535 sbit GM=P10；/光敏 sbit hw=P16；/人体红外 sbit relay=P34；/继电器控制灯 sbit yellow = P15；/红外指示灯 /* 电位器往右调 光敏传感器的灵敏度增加 */ 基于单片机教室灯光智能控制系统 19 void delay_1ms(uint x)/延时函数 uint i,j； for(i=0；i= 10)/10 秒的时间 miao = 0； relay = 1；/关闭继电器 void main()/主函数 hw = 0； delay_1ms(500)；/延时 500ms P0 = P1 = P2 = P3 = 0XFF； while(1)/循环 work()；/调用工作函数 yellow = hw；/红外感应指示灯 delay_1ms(100)；/100ms 基于单片机教室灯光智能控制系统 22 4.3.4人体存在传感器的说明 人体存在传感器易受外界影响，于是要在使用时特别注意抗干扰性能。 防小动物干扰 探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上的小动物，不产生信号。 抗电磁干扰 探测器的抗电磁波干扰性能符合 GB10408 中要求，一般手机电磁干扰不会引起误 报。 抗灯光干扰 探测器正常灵敏度范围内，受 3 米外 H4 卤素灯透过玻璃照射，不产生信号。 4.3.5人体存在传感器的安装要求 人体存在传感的安装要求：人体存在传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位 置和方式有极大的关系，正确的安装应满足下列条件： 人体存在传感器应离地面 2.0-2.2 米。 人体存在传感器远离空调，冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。 人体存在传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。 人体存在传感器不要直对窗口， 否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报， 有条件的最好把窗帘拉上。人体存在传感器也不要安装在有强气流活动的地方。人体存 在传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。 人体存在传感器对于径向移动 反应最不敏感，而对于横切方向(即与半径垂直的方向)移动则最为敏感。在现场选择合 适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。 4.4时钟模块的设计 4.4.1时钟模块功能 在对 DS1302 进行读操作时，读出的数据为 BCD 码，同样在写操作时，写入的数 据一也必须为 BCD 码，这就需要在数据写入之前、读出之后进行必要的数据进制之间 的转换，以便与系统其它数据在比较时相对应。 4.4.2时钟模块流程图 DS1302 进行读写的程序流程图如图 4-5 所示: 基于单片机教室灯光智能控制系统 23 图 4-5时钟模块流程图 4.4.3时钟模块初始化程序 DS1302 初始化子程序如下所示： void ds1302_init() /1302 芯片初始化子函数(2010-01-07，12：00：00，week4) RST=0； SCLK=0； write_1302(0x8e，0x00)； /允许写，禁止写保护 /write_1302(0x80，0x00)； /向 DS1302 内写秒寄存器 80H 写入初始秒数据 00 /write_1302(0x82，0x00)；/向 DS1302 内写分寄存器 82H 写入初始分数据 00 /write_1302(0x84，0x12)；/向 DS1302 内写小时寄存器 84H 写入初始小时数据 12 /write_1302(0x8a，0x04)；/向 DS1302 内写周寄存器 8aH 写入初始周数据 4 /write_1302(0x86，0x07)；/向 DS1302 内写日期寄存器 86H 写入初始日期数据 07 向该地址写入数据 变量初始化 开始 将读出的数据暂存，待显示 数据写完了 写 DS1302 地址 RST端送高电平 RST端送高电平 去除写保护 写入 DS1302 读地址 将该地址数据读出 数据读完了 将 DS1302 写保护 结束 开始 基于单片机教室灯光智能控制系统 24 /write_1302(0x88，0x01)；/向 DS1302 内写月份寄存器 88H 写入初始月份数据 01 /write_1302(0x8c，0x10)；/向 DS1302 内写年份寄存器 8cH 写入初始年份数据 10 write_1302(0x8e，0x80)；/打开写保护 4.4.4时钟模块说明 在本系统中， 因设定的时间参数一般都为二进制或十六进制数， 为了便于同 DS1302 的时钟数据进行比较，故在程序中需进行二进制与 BCD 码之间的转换，根据教室灯光 使用特性，该系统还应受到时间的控制，因此本研究还加入硬件时钟电路以保证系统的 智能化运行。 4.5液晶显示模块 运行过程中的数据显示是人机交互对话的一个重要通道。通过系统数据的显示，我 们才可以更好的了解系统运行的状态，从而便于对整个系统进行必要的操作。 4.5.1液晶显示模块的功能 显示主要是通过从芯片中毒如程序，分别对秒、分、时、日、月、年进行显示，并 且通过主键盘的操作，对时间进行加减操作，使时间更新显示。 4.5.2显示模块流程图 系统显示流程图如图 4-6 所示 基于单片机教室灯光智能控制系统 25 开始 1602 初始化 读取数据 第一行显示 读取数据 第二行显示 结束 图 4-6显示模块流程图 4.5.3显示模块的程序 液晶显示初始化程序如下： write_1602com(0x38)；/设置液晶工作模式，意思：16*2 行显示，5*7 点阵，8 位数据 write_1602com(0x0c)；/开显示不显示光标 write_1602com(0x06)；/整屏不移动，光标自动右移 write_1602com(0x01)；/清显示 写命令函数解释如下： void write_1602com(uchar com)/*液晶写入指令函数* rs=0；/数据/指令选择置为指令 rw=0；/读写选择置为写 P0=com；/送入数据 delay(1)； en=1；/拉高使能端，为制造有效的下降沿做准备 基于单片机教室灯光智能控制系统 26 delay(1)； en=0；/en 由高变低，产生下降沿，液晶执行命令 write_1602dat(uchar dat)/*液晶写入数据函数* rs=1；/数据/指令选择置为数据 rw=0；/读写选择置为写 P0=dat；/送入数据 delay(1)； en=1； /en 置高电平，为制造下降沿做准备 delay(1)； en=0； /en 由高变低，产生下降沿，液晶执行命令 4.5.4显示模块说明 LCD1602 的热命令操作和读数据操作分别用两个独立的函数来完成， 函数内部唯一 的区别就是液晶数据命令选择端的电平。进入主程序后，执行 LCD1602 的初始化函数， 然后用 write_com(0x80)指令，命令先将数据指针定位在第一个字行，然后写入第一行要 现 实 的 数 据 ， 在 每 个 字 之 间 简 短 的 延 时 ； 在 第 二 行 重 新 定 位 数 据 指 针 write_com(0x80+0x40)，将数据指针定位在第二行，然后再将第二行所显示的数据写入， 继而显示。 基于单片机教室灯光智能控制系统 27 5系统调试 5.1系统调试运行及问题分析 整个系统设计完成后，要进行运行调试，排除软件和硬件的故障，同时验证系统的 可靠性及稳定性， 使系统符合设计要求。 本系统的调试主要分两个步骤:单片机系统调试 (硬件调试和软件调试)及整个控制系统试运行调试。 5.2单片机系统调试方法及步骤 单片机系统的调试应包括硬件及软件两部分， 主要是通过调试发现硬件及软件中存 在的问题，查看其运行结果是否符合设计要求。 系统硬件和软件的研制可以相互独立的平行进行，软件调试可以在硬件完成之前， 硬件也可以在无完整应用软件的情况下进行调试， 但它们需要借助另外的工具提供调试 环境。硬件和软件分调完成之后，还要再进行软件和硬件的联调，在调试中找出问题， 判断故障源，修改软硬件。 在对系统进行实际调试时，首先应对硬件进行静态调试，同时对系统软件进行初步 调试，此后再对软件和硬件进行动态调试，最后才能使系统进入正常工作。 静态调试:静态调试主要是排除明显的硬件故障。在电路搭建好后，对其进行仔 细检查，查看端口是否正确连接，连接是否可靠。同时还应当用万用表检查电路，看应 当开路的地方是否开路， 应当短路的地方是否短路， 电源地线连接是否可靠。 在焊接后， 查看焊接是否牢固，有无虚焊或短路等。在将芯片、传感器等元件插到电路板上时，要 保证各处电源极性、电压正确，以防止因电源极性接反或电压过高损坏芯片或传感器。 此外，插入芯片必须在断电的情况下进行，特别注意芯片的方向不要插反。 软件调试:系统软件程序在编制好以后，可通过汇编软件对源程序进行汇编，变 为可执行的目标代码，在汇编过程中出现的错误，要及时纠正。在软件调试时采用软件 模拟开发系统对程序进行调试， 这种模拟开发系统是在计算机上利用模拟软件实现对单 片机的硬件模拟、指令模拟及运行状态模拟，从而完成应用软件开发的全过程。调试过 程中的运行状态、各寄存器状态、端口状态等都可以在指定的窗口区域显示出来，通过 这些显示结果随时跟踪程序运行状态，以确定程序运行无错误。 动态调试:控制系统的软件和硬件是密切相关的，软件模拟开发系统不能对硬件 部分进行诊断， 同时也不能实时在线仿真， 所以用户程序还需跟硬件连接起来进行联调， 同时对软件和硬件进行检查和诊断。整个单片机系统进行在线调试时，需借助仿真开发 工具来对用户软件及硬件电路进行诊断、调试。在应用系统各电路板调试成功后，将用 基于单片机教室灯光智能控制系统 28 户程序加载到在线仿真器上，这时就能单步、多步或连续地执行目标程序，同时也可以 根据需要分段设置断点执行用户程序。系统中的硬件故障(如各个部件内部存在的故障 和部件之间连接的逻辑错误)主要是靠联机仿真