应用电子专业毕业设计（论文）-基于单片机的公寓智能管理设计.doc

目录目录 引引言言 .2 1 研究概况和发展研究概况和发展意意义义.2 1.1 课题背景.2 1.2 课题的提出及意义.3 2 系统的硬系统的硬件件设计设计.4 2.1 系统硬件电路模块.4 2.2 基本电路模块的阐述.5 2.2.1 单片机模块.5 2.2.2 热释电红外传感器原理.7 2.2.3 智能限电报警模块.7 3 各个模块的外围控各个模块的外围控制制电路电路.9 3.1 电源电路.9 3.2 传感器信号处理电路.10 3.3 热释电红外传感器电路及继电器控制电路.10 3.4 声光报警电路设计.11 4 软件设软件设计计.13 4.1 系统总体软件设计.13 4.2 人体红外遥感控制开关软件设计.13 4.3 限电器报警软件设计.15 总结总结.18 参考文献参考文献.19 附录附录.21 附录 A 主要程序.21 致谢致谢.25 1 基基于于单单片片机机的的公公寓寓智智能能管管理理设设计计 作者 xxx 指导老师 xxx （xxxxxxxxxxxxx，湛江 524048） 摘要：随着高等学校后勤社会化改革的不断推进，各高等院校通过多种渠道建设了一批又 一批现代化、智能化的学生公寓，公寓内的配置不仅能满足学生的基本生活要求，而且装有电 热水器，电视、电脑网络和空调等等，这些用电设备需要比较完善的用电控制和管理系统，否 则会造成学校的用电量剧增，电费增加，经济负担加重。因此本文设计一种基于单片机 AT89C51 的节能断电保护、安全报警电路。该电路以 AT89C51 单片机为控制核心，利用人体 红外传感器检测有无人在，当宿舍无人超过一定时间后，会自动切断供电，起到节能与断电保 护的作用，利用 GSM 短信模块的智能防大功率用电报警系统，并从基本工作原理、电路构成进 行详细阐述。 关键词 ：AT89C51；人体红外传感器；报警；智能 Based on SCM apartment of intelligent design xxxx (School Of Information Science And Technology, Zhanjiang Normal University, Zhanjiang, 524048 ) Abstract: With the development of higher school logistics socialization reform, colleges and universities through various channels to the construction of a batch of another batch of modernization, intelligent student apartment, apartment configuration can not only meet the students basic living requirements, and is provided with an electric water heater, TV, computer network and air conditioning and so on, these electric equipment need more perfect control and management system, otherwise it will cause the school n leap, tariff increase, economic burden. Therefore this design based on single chip AT89C51energy-saving power-off protection, safety alarm circuit. The circuit takes the AT89C51single chip microcomputer as the control core, using the human body infrared sensor detects no one in, when the dormitory nobody over a certain time, can automatically cut off the power supply, saving the energy and power failure protection function, using GSM SMS module of intelligent anti large power alarm system, and the basic working principle, circuit structure in detail. Key words:AT89C51;Human body infrared sensor;Alarm;Intelligence 2 引引言言 随着人们生活水平的提高，以及微电子、自动控制和计算机等技术的飞速发展 和广泛应用，智能型的住宅以及其安全防范系统的研究和应用已经日趋成熟。近年 来，我国高等教育规模迅速扩大，在校生成倍增加，满足在校学生生活电器用品也 越来越多，如空调、饮水机、电脑、吹风机等等。这些用电设备需要比较完善的用 电控制和管理系统，否则会造成学校的用电量剧增，电费增加，经济负担加重。所 以高校学生宿舍如何能够节能、智能用电安全管理等问题显得格外突出。在科技高 速发展的今天，利用科技手段来提高高校校园安全防范能力，实现“人防”到“技 防”的转变，是构建和谐校园环境的一个重要途径。 本设计是一种基于 STC89C51 单片机的远程智能短信报警和红外热释传感器控制系统。该 系统不仅能在发现寝室中无人亮灯超过一定时间就切断供电，而且当出现大功率用电时能及时 短信通知室长和管理员并切断供电，从而达到节约用电，防止用电事故的目的1。 1 研究概况和发展意义研究概况和发展意义 1.1 课题背景课题背景 长期以来，我国高校学生公寓用电基本上是实施免费电量供应或者以四到六人 的小集体为单位进行电量计算，即“大包大揽，统收统支” 。这是一种被动的管理模 式，学校只能在每月月末才能知道公寓的用电状况，而且由于校园面积大，学生公 寓较多且比较集中，漏电、偷电、超负荷用电时有发生，从而造成学校用电量大增， 经济负担极重，造成学校财产和资源在无形中流失极大，更是存在着很大的安全隐 患。从宏观的角度来看，也不符合“节能减排，绿色地球”的环保理念和不利于环 境的发展。 这种用电模式导致高校公寓用电状况一直不能有根本改变，问题主要集中在： （1）由于学生公寓以小集体为单位，学校统收统支，部分学生无个人用电负担， 从而淡薄了出门关灯，节约用电的意识，造成了寝室无人亮灯。 （2）一些房间违章用电，火灾时有发生。尽管所有高校三令五申严禁在寝室里 使用“热得快、电炉子、电饭锅”等违规电器，而且很多高校都有专人负责，进行 严查、罚款，但部分学生为了方便自己，在房间内使用大功率的违规电器的现象屡 3 禁不止，造成负荷用电，引起火灾，给学校后勤用电安全管理带来隐患。价格便宜、 使用方便的“热得快、电炉子”等容易引发事故的电器还是大受学生追捧，学生不 顾“血的教训” ，一次次地怀有侥幸心理涉足“雷区” ，值得整个社会思考。 总之，电量、电费快速增长，经济负担加重。近几年来各高校用电量增长较快， 究其原因，除正常用电增长外，部分是非正常增长造成大量浪费，其根源与各高校 目前的用电模式有较大的关系，所以智能地做到公寓用电管理势在必行。 1.2 课题的提出及意义课题的提出及意义 目前，学生宿舍的安全用电普遍存在管理难、用电量大、安全隐患严重等问题。 学生宿舍环境复杂，责任无法到人，日常生活用品堆放杂乱，在宿舍使用热得快、 电饭锅、电水壶等大功率危险用电设备，经常因线路过载过热或不正当使用引发火 灾，导致惨剧一次次发生。据统计全国重大火灾的发生有 85%是因为线路及用电设 备自身造成的，安全用电已是学校管理者必须面对并解决的的严峻问题。学生公寓 是学生学习、生活的地方，安全是首要的。学生在用电时候，难免有违规之处，仅 靠宣传或学生的自觉性，极易产生用电事故。高校的用电事故给学校带来的损失有 目共睹。 为了更清楚明了地体现出在庞大的公寓体系中，做到宿舍无人时关灯，或者走 廊上人来亮灯，人走后灯灭，这小小的一个习惯，能节省多少的用电量，使用了统 计的数据。晚上亮灯时上下楼尽量关闭整个宿舍楼走廊上的路灯（除楼梯间的灯外 的所有） ，早上起来关闭所有的路灯。宿舍一般只开一盏灯，最先满足学习等的需要。 节约效应：新宿舍区 A7 到 A12，一个晚上(计 11 个小时)，A7 开的有楼梯间的 5 盏灯，走廊上的计 4 盏，A8 至 A12 楼梯间开的均为 10 盏，A8 与 A9 走廊上开的计 16 盏，A10 为 25 盏，A11 与 A12 走廊上各 60 盏，依据上面的节约方法，一晚上开 的灯为 5*10+5=55 盏，每盏灯平均使用量为 2 个小时，那么节约量就是注：一年以 360 天计，210 个工作日，一盏灯计 40W，电费 0.5 元每度)： 360*(9+26+26+35+70+70)*11-55*2*40/1000=37065 度，计 18533 元。事实上这 里使用率仅为 110/2574=4.3%，节约达 95%之上。 为了解决学生公寓用电控制与管理中出现的问题，目前有的高校对学生公寓进 行了限流定时的供电管理方法，并有大部分地区的高校已经采用或即将采用开放用 4 电、超额收费的办法。这样一来解决了供电与用电之间的矛盾，同时也减轻了学校 支付高额电费的负担，但在用电安全和用电节约上仍存在着诸多矛盾和隐患，如由 于用电的放开又使得电炉子和电热棒等大功率用电器大量进入学生公寓，给高校后 勤的安全用电管理增加了难度。所以为了克服以往由于学生公寓无偿供电，使很多 宿舍的开关失去作用，不熄灯现象严重，造成了很大的浪费可以采用人体红外线感 测控制开关，做到寝室无人亮灯超过一定时间就切断供电，还有系统能在发现寝室 中出现大功率用电及时短信通知室长和管理员并切断供电，这样既节约了电能又有 效地防止电火灾，做到了智能化的管理，有效地提高了寝室安全管理效率。 2 系统的硬件设计系统的硬件设计 2.1 系统硬件电路模块系统硬件电路模块 整个硬件系统由三个模块构成：一是继电器控制模块，二是人体红外信号采集 与处理模块，三是短信自动报警模块。这是将红外探测、单片机控制、通信技术结 合起来形成一个综合的节能、防用电事故控制系统2。 单片机 模块 继电器控制模块 智能限电报警模块 人体红外信号 采集与处理 模块 功率采样电路 图 2-1 系统总体结构图 寝室中装有 46 个人体红外传感器，从不同方位检测寝室中有无人在。寝室中 除照明电路和其他用电设备均采用交流 220V 输出端输出但分成两个回路。这样， 寝室中的照明设备启动后，若连续 15min 寝室中无人，则自动切断寝室的照明电源。 无论何种情况下一旦使用大功率用电设备则自动切断电器供电电源，并调用短信报 警模块自动向寝室管理人员报警。 5 2.2 基本电路模块的阐述基本电路模块的阐述 2.2.1 单片机模块单片机模块 微控制器采用 8 位单片机 AT89C51。该微处理器与 51 系列兼容。它具有比 51 系列更强大的功能，更强的抗干扰能力。它的资源丰富，8KB flash 存储，512RAM 时钟晶振实际可达 80MHz。性价比较好，在高速、低速应用场合均可使用。 芯片的选择: 图 2-2 AT89C51 芯片引脚图 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、 高性能 CMOS 8 位微处理器。 AT89C51 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦 除只读存储器 的单片机。单片机的 可擦除只读存储器可以反复擦除100 次。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准 6 的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8 位 CPU 和闪烁存 储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C51 是它的一种精简版本。AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提 供了一种灵活性高且价廉的方案 3。 主要特性： AT89C51 与 MCS-51 兼容，拥有 4K 字节可编程闪烁存储器，寿命可达 1000 写/擦，循环数据保留时间为 10 年，全静态工作时为 0Hz-24Hz，而且拥有 128*8 位 内部 RAM，32 可编程 I/O 线，两个 16 位定时器/计数器，5 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。 （1）振荡器和时钟电路 80C51 内部有一个高增益反相位放大器，用于构成振荡器。本系统中采用的是 内部时钟方式。利用芯片内部的振荡器，然后在引脚 XTAL1 和 XTAL2 两端跨接晶 体振荡器（简称晶振），就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时 钟电路。 图 2-3 内部时钟方式图 （2）复位电路 复位是单片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位， 其作用是使 CPU 和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始 工作。因而，复位是一个重要的操作方式。但是单片机本身是不能自动进行复位的， 必须配合相应的外部复位电路才能实现。单片机的外部复位电路有上电自动复位和 按键手动复位两种。本系统中采用上电复位电路。 7 图 2-4 上电复位电路图 2.2.2 热释电红外传感器原理热释电红外传感器原理 人体红外传感器用于检测人体发出的特定波长的红外线，进行非接触式距离较 远的检测，其工作电压为 3V15V；当人体进入传感器感测区域时，传感器接收到 频率为 0.18Hz 的人体红外信号。国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超 声波、主动式红外发射，接收以及微波等技术为基础。而这里的被动式红外报警器 是美国的传感元件热释电红外传感器。这种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，并将其转变成为电信号，同时它还能鉴别出运动的生物与其 它非生物。它是基于热电效应原理的热电型红外传感器。其内部的热电元由高热电 系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及胆酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极容 易随温度的变化而变化，能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，并将其 转换为电信号输出。探头多用于检测人体发射的红外线，其检测区呈球形，建议视 角为 70左右。 2.2.3 智能限电报警模块智能限电报警模块 学生正常使用的电器也大都是小功率的家用电器，如台灯、电风扇、电脑、电 视机及其它更小功率的小电器，单台负荷一般都不超过 200 瓦。而学生使用的违章 电器大都是一些大功率加热电器如电炉、热得快、电热毯等，这些电器不仅功率较 大，而且大都是电阻型负载，很容易根据其启动的特性判断出来。所以研制一种控 8 制电器从技术上加以防范， 再加上制度管理才能起到良好的效果。传统的限电器大 都采用模拟电子电路和分离元件制造出来的，技术含量低，体积大，工作不稳定， 不能及时反映负荷状态，同时还要有人值班，一但限电跳闸，要人工复位等缺点。 本限电器针对目前各个高校的情况及现有限电器存在的缺点，采用了技术含量较高 的单片机设计技术，很好地解决了传统限电器所存在的不足，同时还增加了对负载 类型进行智能判断功能，提高了智能化程度。另外还可以采用了短信模块通信，常 见的报警系统采用固定电话报警方式，而一旦电话线路遭到意外损坏则无法达到报 警的效果。因此系统采用 JB35 中文短信模块。JB35 中文短信模块：具备短信处理、 短信控制、振铃控制、短信回传等多种功能与一体，以直观的中文作为短信遥控指 令和报警短信内容，且用户可自定义，对住在负荷经常异常房间的同学加强教育， 做到防患于未然。通过判断负载的变化，负载的特性对恶性负载进行控制，可以有 效地控制恶性负载的使用。 学生宿舍智能限电器的设计要求：用电设备在接入 220V 电回路以后，能准 确识别判断违章电器的出现；正常供电一般的用电负荷；发现违章电器时能及 时切断电源，并发出报警；当违章电器去除后经 10 秒的延时，应能自动恢复供电， 实现供电无人值班；正常使用时，有负荷显示功能，及时显示房间的负荷情况； 应设计成开放系统，稍加升级可对外联网；体积应尽量小，最好做成通用的继 电器形式，便于安装在配电箱的导轨上4。 限电装置系统的主要包括如下几个部分：单片机控制电路、时钟电路、复位电 路、功率采样电路、ADC804 应用电路、JB35 中文报警、继电器控制模块等5。 它的工作原理如下：单片机通过内部精密模拟比较器与外接 RC 组成 AD 转换 器对负荷信号进行数据采集，将采集到的数据进行一系列运算、处理和判断，从而 对用户是否使用了违章电器进行监控。如果单片机没有检测到符合违章电器特征的 负荷且总负荷小于规定的负荷，说明该用户用电是安全的，晶闸管正常导通，绿灯 一直亮，数码管显示当前的负荷大小；反之，单片机将输出关断信号，将晶闸管关 断，同时数码管显示 HH，红灯点亮（还可设蜂鸣器报警） ，发出短信，10 秒后，单 片机自动检测负荷情况，若违章电器仍然存在，单片机继续关断可控硅；若违章电 器被撤去了，则单片机发出导通信号，控制晶闸管恢复供电，数码管恢复显示当前 负荷大小。 9 单 片 机 复位电路 时钟电路 继电器控 制模块 JB35 中文 报警模块 功率采 样电路 ADC804 应用电路 图 2-5 限电装置系统设计图 3 各个模块的外围控制电路各个模块的外围控制电路 3.1 电源电路电源电路 图 3-1 电源部分电路原理图 本设计采用电源电路如图所示，JP1 插座接通电源通过变压器后产生一个 24V 的外接交流电源，分别有两路降压电源输出。图中，两个 0.1uF 的电容组成电源滤 波电容，滤去高频谐波的干扰。利用一个 1000uF 和一个 470uF 的大电容目的是起 到滤波平滑作用，使其中电压稳定输出至三端稳压芯片 LM7805、LM7812，其中产 10 生+5V 直流电源提供给单片机，+12V 直流电源提供给外围电路使用。 其中 JP1 表 示插座用来接通 220V 的市电电源，整流电桥采用 50V/2A 的规格，继电器采用的是 常开触头开关，即线圈通电后开关才闭合，F1 为最大通过电流 30A 的保险管。 3.2 传感器信号处理电路传感器信号处理电路 传感器 2 脚的输出信号经两级放大后，从 U6 的 1 脚输出，信号幅度为 0.55V，直流分量为 3V。U7，D5，D6，R14，R15，R17 组成双门电压比较强，若 U6 的 1 脚无信号输出，则 U7 的 2 脚为 3.3V，U7 的 3 脚为 2.7V，U7 的 1 脚输出低 电平；当 U6 的 1 脚输出大于 4V 或小于 2V 时，U7 的 1 脚输出电平至 CPU6。 图 3-2 传感器信号处理电路原理图 3.3 热释电红外传感器电路及继电器控制电路热释电红外传感器电路及继电器控制电路 S1 为手动电源开关。S2 按下闭合，放手断开。按下 S2，单片机启动运行经过 2s 左右，KM 闭合，交流 220V 可为电器设备持续供电。供电 5min 后，单片机根据 传感器检测到的信息控制电源的供电，当某一路传感器检测到信息使 P1.1 为高电平 时，P1.0 输出 5V 高电平至 U4 的 3 脚，而 U4 的 2 脚只有 1.5V。这样 U4 的 1 脚输 出高电平使 VT1 导通，VT2 导通，使 12V 的直流电源可以为继电器 JZC-36F 的线 圈供电。KM 闭合，使交流 220V 可为电器设备正常供电。当传感器检测到信息使 11 P1.1 为低电平时，延时 1min 后，再次检测 P1.1。若连续 5min P1.1 为低电平，使 P1.0 输出低电平至 U4 的 3 脚，使 U4 的 1 脚输出低电平至 VT1 的基极，VT1 截止， VT2 截止。继电器 JZC-36F 线圈断电断电，KM 断开，切断交流 220V 供电。 VD3、VD4 为实现线或而接的隔离二极管，VD2 为保护二极管，VD1 是为了抬高 VT1 的发射极电位，VT2 必须采用功率较大的三极管，如 JE9051 硅中功率晶体管。 为了使继电器可靠地动作电路中设计了+5V 和+12V 两种电源。 为了简单检测单片机外围电路是否能完成设定的功能。P1.1 为输入接口，用脉 冲发生器代替传感器信号处理电路传过来的脉冲信号。 图 3-3 P1.1 输入高电平时电路模拟图 3.4 声声光光报报警警电电路路设设计计 设计中将所涉及的报警器装置采用点触开关模拟，具体电路如图 3-4 所示。当 有超负荷大功率电器使用时，即是有报警事件发生，开关被按下，报警器输出低电 平，单片机由此产生一个中断事件，并对其作出相应的处理，图中 C53 是用于消除 点触开关动作时产生的干扰，防止单片机发生误动作。 12 图 3-4 报警模拟电路图 报警器硬件仿真图： 当按键按钮被按下时，此时为报警状态下，液晶显示器上显示为 0，蜂鸣器连 续发出声音。当开关被打开时，此时报警状态解除。 图 3-5 报警器硬件仿真图 13 4 软件设计软件设计 4.1 系统总体软件设计系统总体软件设计 软件设计流程图： 初始化 有无 大功率用电？ 调用短信模块 发短信 切断电源 是否长时间 无人亮灯？ Y N Y N Y 图 4-1 软件设计模块图 4.2 人体红外遥感控制开关软件设计人体红外遥感控制开关软件设计 需要开启电器设备时，按下 S2 两秒左右，启动单片机，使 P1.0 为高电平，KM 闭合为电器设备持续供电，使 P1.1 为高电平，设 P1.1 为输入状态。5min 后开始检 测 P1.1，若 P1.1 为高电平，使 P1.0 为高电平，R0 赋值 05H，返回再次检测 P1.1； 若 P1.1 为低电平，延时 1min。若 R0 减一不为 0，返回再次检测 P1.1；若 R0 减 1 为 0，使 P1.0 变为低电平，切断电器设备的供电。 14 使 P1.1 为高电平 延时 5min P1.1 为高电平？ 延时 1min R0 减 1=0? 使 P1.0 为低电平结束 使 P1.0 为高电平， R0 赋值 05H N Y Y N 开始 图 4-2 人体红外遥感控制开关软件设计流程图 15 4.3 限电器报警软件设计限电器报警软件设计 程序初始化 设置限电功率 采样 AD 转换 单片机处理 是否超出 限电功率？ 停止供电 保持供电发送短信 N Y Y 图 4-3 限电器报警软件设计流程图 16 上电复位 EA=0 数码管初始化 INT0、INT1 设为下降沿触发 EA = 1 解除报警信号 检测 P3.4 终止 P3.4 是否为 0？ 是 否 图 4-4 报警器主程序流程图 17 中断入口 显示报警信号 声光报警 退出中断 图 4-5 中断函数流程图 18 总结总结 通过本次基于单片机的公寓智能设计，我对目前的公寓用管理，公寓用电，如 何才能智能用电，做到环保用电，绿化地球有更深刻的理解，另外对单片机的最小 系统，单片机外围电路的设计也有更进一步的能力提高，但是由于自己的能力有限 和知识水平不够，从图书馆借阅书籍，利用网络不时地给自己提出问题，如何解决 问题，进一步完善自己的论文设计成果。虽然设计作品并不成熟，存在有不少的漏 洞。但是在自己的努力和老师的悉心指导下，能力也得到了提高，从中获益良多。 19 参考文献参考文献 1 苏家健.曹柏荣.汪志峰.单片机原理及应用技术M.北京：北京高等教育出版社， 20012012-3. 2 李建忠.单片机原理及应用M.西安：西安电子科技大学出版社，20022012-3. 3 唐俊翟.许雷.张群瞻.单片机原理与应用M.北京：冶金工业出版社， 20032012-4. 4 徐煜明.韩雁.单片机原理及接口技术M.北京：电子工业出版社，2005 2012- 4. 5 张齐.朱宁西.单片机应用系统设计技术.北京：电子工业出版社，20072012-4. 6 VASILIS HAMILAKIS，N.C VOULGARIS.An Accurate Method for the Measurement and Its Deviation Using a Micro-computerM.IEEE Trans InstrMeas IM-36，19872012-4. 20 附录附录 附录 A 主要程序 #include #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int /uchar table_data=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x00; /uchar code table_select=0 xfe,0 xfd,0 xfb,0 xf7,0 xef,0 xdf,0 xbf,0 x7f; /uchar table_buffer=0,0; uchar count0,count1; sbit LEDREDCON=P00; sbit LEDGREENCON=P01; sbit spe=P20; sbit Kint0=P32; sbit Kint1=P33; sbit RS=P37; sbit RW=P36; sbit E=P35; uchar FRQ=0 x00; void delay(uint x) uint i,j; for(i=x;i0;i-) for(j=50;j0;j-); 21 void check_busy() /判断 LCD 忙，要不停的检测，所以需要有个大循 环 while(1) E=0; /当