（控制理论与控制工程专业论文）基于总线的智能教室控制系统的设计与研究.pdf

基于总线的智能教室控制系统的设计与研究 摘要 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，设计了基于总线的智能教室控制系 统，以达到实现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。 本文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基于总线的智能教室自动监测与控制系统。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- - r s 4 8 5 通讯线一楼层显示控制单元 c a n 总线一中央计算机单元”。智能教室控制系统采用基于r s 4 8 5 和c a n 总线的 分布式集散控制系统实现对教室温度、教室光照、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。 本课题将单片机控制系统与网络技术结合起来，具体论述本系统各组成部 分包括硬件和软件设计的结构、功能与实现方法。最后运用组态王k i n g v i e w 6 5 建立了一个智能教室监控系统。 关键词：智能控制、r s 4 8 5 、c a n 、网络技术、组态王 b a s e do nm a i nl i n e i n t e l l i g e n tc l a s s r o o mc o n t r o ls y s t e m d e s i g na n dr e s e a r c h a b s t r a c t t h i st o p i cm a i n l yi sa i m sa tt h ep r e s e n tu n i v e r s i t i e st e a c h i n gb u i l d i n gc l a s s r o o mt h e e l e c t r i c a le n e r g yr e s o u r c e sw a s t et ob es e r i o u s ，t h ec l a s s r o o mr e s o u r c e su s ei su n r e a s o n a b l e ， t h er e a l i z a t i o nc u r r e n tc o l l e c t o rc o n t r o la n dt h et e a c h i n gm a n a g e m e n ti si n s u f f i c i e n tt h e p r e s e n ts i t u a t i o n , h a sd e s i g n e dt h ei n t e l l i g e n tc l a s s r o o mc o n t r o ls y s t e m ，r e a l i z e st h e c l a s s r o o mc u r r e n tc o l l e c t o rr e a s o n a b l eu s e ，s a v e st h ee l e c t r i c a le n e r g ya sw e l la st h e i m p r o v e m e n tt e a c h i n gm a n a g e m e n tg o a l t h i sa r t i c l ea p p l i e st h ea d v a n c e de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，t h en e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h e a u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g ya sw e l la s t h ep r a c t i c a ls o f t w a r ep l a t f o r m , s u c c e s s f u l l y d e v e l o p e ds e to ff u n c t i o n st ob em o r ep e r f e c tb a s e do nm a i nl i n ei n t e l l i g e n tc l a s s r o o m a u t o m a t i cm o n i t o ra n dt h ec o n t r o ls y s t e m t h eo v e r a l ls y s t e mu s e st h r e eh a r d w a r et w o l e v e l so fn e t w o r k sc o n s t i t u t i o n s ，n a m e l y ”c l a s s r o o me x a m i n a t i o nc o n t r o lu n i t r s 4 8 5 t r a n s m i s s i o nl i n e f l o o rd i s p l a yc o n t r o lu n i tc a nm a i nl i n e c e n t r a lc o m p u t e ru n i t ”t h e i n t e l l i g e n tc l a s s r o o mc o n t r o ls y s t e mu s e sb a s e do nr s - 4 8 5a n dt h ec a nm a i nl i n e d i s t r i b u t i o n a lc o l l e c t i o nc o n t r o ls y s t e mr e a l i z a t i o nt ot h ec l a s s r o o mt e m p e r a t u r e ，c l a s s r o o m i l l u m i n a t i o n , s t u d i e sb yo n e s e l f t h es t u d e n tp o p u l a t i o n , t h ec l a s s r o o mr u n n i n gc o n d i t i o na n d s oo nt h em o n i t o r i n ga n dt h ed e m o n s t r a t i o n , a n dc a r r i e so nt h er e a s o n a b l ec o n t r o la n dt h e m a n a g e m e n tt ot h ec l a s s r o o mi n t e r i o rc u r r e n tc o l l e c t o r h a sa c h i e v e dt h eu n i v e r s i t i e s t e a c h i n gb u i l d i n gc l a s s r o o mc o n t r o li n t e l l e c t u a l i z a t i o na n ds a v e st h eg o a l t h i st o p i cu n i f i e st h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i tc o n t r o ls y s t e ma n dt h en e t w o r k t e c h n o l o g y ，s p e c i f i c a l l ye l a b o r a t e st h i ss y s t e me a c hc o n s t i t u e n tt h es t r u c t u r e ，t h ef u n c t i o n a n dt h er e a l i z a t i o nm e t h o dw h i c hd e s i g n si n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n ds o r w a r e f i n a l l yh a s e s t a b l i s h e da l li n t e l l i g e n tc l a s s r o o ms u p e r v i s o r ys y s t e mu s i n gc o n f i g u r a t i o nk i n gk i n g v i e w 6 5 k e ，rw o r d ：i n t e l l i g e n tc o n t r o l 、r s - 4 8 5 、c a n 、n e t w o r kt e c h n o l o g y 、c o n f i g u r a t i o nk i n g 插图清单 图2 1 智能教室控制系统整体组成框图4 圈3 1 教室检测控制单元组成框图，8 图3 2t m p l 0 1 引脚排列图1 0 图3 3t m p l 0 1 内部结构框图1 0 图3 4t m p l 0 1 内部结构1 1 图3 5 配置寄存器的写操作时序1 3 图3 6 对t i i p l 0 1 温度寄存器读操作的时序图1 3 图3 7 温度接口电路原理图1 3 图3 8 单片机对t m p l 0 1 温度寄存器读操作的流程图，1 5 图3 9p i c l 8 f 4 5 8 单片机对1 忡1 0 1 温度寄存器连续读取三天的温度值数据1 5 图3 1 0 光敏电阻的工作原理如图1 6 图3 1 1 光敏电阻的光照特性1 7 图3 1 2 光敏电阻的光谱特性1 7 图3 1 3 照明灯开启数与照度关系图1 8 图3 1 4 光照检测流程图1 9 图3 1 5 光照测量电路原理图1 9 图3 1 65 5 5 定时器构成的脉冲振荡器2 0 图3 1 7 电路的电压波形图2 0 图3 1 8 红外接收模块内部结构框图2 0 图3 1 9 红外发送接收原理图2 1 图3 2 0 红外检测学生人数流程图2 2 图3 2 lr c 5 2 2 接口原理图2 3 图3 2 2p i c l 8 f 4 5 8 读写r c 5 2 2 流程图2 5 图3 2 3 按键接口电路图2 6 图3 2 4p i c l 8 f 4 5 8 与7 4 h c 5 9 5 芯片的接口电路2 6 图3 2 5p i c l 8 f 4 5 8 单片机r d o 端口与继电器接口电路2 7 图3 2 6r s 一4 8 5 信号传输方式2 8 图3 2 7 砌) ( 4 8 5 与p i c l 8 f 4 8 5 单片机接口3 0 图3 2 8 教室检测控制单元与楼层显示控制单元的通讯程序3 2 图3 2 9 教室检测控制单元主流程图3 3 图4 1 楼层显示控制单元组成框图3 4 图4 2 楼层控制器显示板图，3 5 图4 3p i c l 8 f 4 5 8 的r s 一4 8 5 和c a n 总线的接口原理图3 6 图4 4 楼层控制器主监控程序流程图3 7 图4 5 组态王与外部设备通讯3 9 图t 6 中央计算机监控组态框图。4 l 图4 7 监控主画面4 2 图4 8 教室内部画面，4 2 图4 9 数据库查询界面4 3 表格清单 表3 1t m p l 0 1 内部数据寄存器指针地址1 2 表3 2 温度与数字输出的对应关系1 2 表3 3 i 肝1 0 1 内部配置寄存器的数据格式1 2 表3 4 各种光电器件特性比较1 6 表3 5 串行通讯传输模式比较2 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金匿王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 7 莎交) 式 签字日期：力曰年6 月，6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒目王些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 胁威 签字日期：御占月，上日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：詹，1 c 舟- 浚二彳坷嗥讼 计1 域。 通讯地址：l 导师签名： 阳踢 l 签字日期：0 7 年月f 彳日 ! 要：乡乒矽，) 7 邮编： 致谢 本文是在导师陈梅副教授的悉心指导下完成的，陈老师在选题、设计、研究工作 以及撰写等方面均给予了严格的要求和关键性的指导。论文的完成又承蒙老师的详细 审阅和修改。在三年硕士研究生学习期间，无论是学习工作上，还是为人处事方面都 得到了陈老师的悉心指导。陈老师渊博的知识、严谨的学风、一丝不苟的治学态度都 使我受益匪浅，在此，向陈梅老师表示最诚挚的谢意! 感谢博士研究生李鑫老师，在实验室二年多的时间里，在学习中给予我大力帮助 和指导，在此表示衷心的感谢! 感谢冯义飞、余俊以及实验室的其他同学这几年给予我的帮助，以及所有曾经帮 助过我、关心过我的老师和同学，在这里对你们表示衷心的感谢! 最后我要感谢我的父母，是他们对我生活上的关心、经济上的支持使得我能够专 心于学业，顺利完成学业! 我还要谢谢我女友及其家人的关心和鼓励! 三年光阴只是 人生短暂的一段，而硕士求学的经历对我来说是终生难忘的，它应该标志着我学生时 代的结束和事业的起航，相信自己将用更多的努力与成功回报心中对他们的感激! 作者：顾威 2 0 0 7 年0 5 月 1 1 课题背景 第一章绪论 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4 0 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1 8 盏日光灯，每个日光灯为4 0 瓦，每层楼有3 0 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 1 3 0 k w ，再加上走廊照明，整个大学教学楼照明灯具负荷约为2 0 0 k w ，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4 0 0 千瓦时，以该地区电费0 5 5 元千瓦时计算，折合电费2 2 0 元。再以学生一年在校2 7 0 天计算，一年将浪费电能 1 0 万多度，折合电费5 9 ，4 0 0 0 0 元。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， 有些教室无人问滓的状况。从而由于管理不当而影响教学资源分配等种种问题。 1 2 研究目的 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- - r s 4 8 5 通讯线 楼层显示控制单元c a n 总线中央计算机单元”。智能教室控制系统采用的基于 r s - 4 8 5 和c a n 总线的分布式集散控制系统实现对教室温度、教室光照、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。 1 3 研究内容 本文分六章对设计内容进行了详细介绍，各章节安排如下： 第一章绪论 简要介绍了高校教室用电设备运行管理和教学管理不足的现状，开发了智能教室 控制系统，提出了研究课题，介绍了论文的章节安排。 第二章系统总体设计方案 本章首先提出该控制系统的总体组成，简要概述系统“教室检测控制单元 r s 一4 8 5 总线楼层显示控制单元c a n 总线一中央计算机单元”结构，然后对整个 系统要实现的功能进行阐述。 第三章教室检测控制单元的设计与实现 本章主要是对系统中教室检测控制单元进行设计。在教室检测控制单元讲述了利 用温度传感器、光敏传感器、红外传感器、无接触i c 卡完成对教室内部相关信息的 采集、存储与处理，实现对教室内用电设备( 照明灯具、电风扇) 的控制，以及通过 r s 4 8 5 通讯线实现与楼层显示控制单元的通讯联系。 第四章楼层显示控制单元的设计及与中央计算机单元的通讯 本章简要讲述楼层显示控制单元的设计方案和功能，并介绍了楼层显示控制单元 与中央计算机单元之间的通讯联系，对中央计算机单元组态软件技术进行了介绍，利 用系统组态、监控界面，数据库组态、报表组态，完成此系统所要求的监测、控制、 显示及管理的综合能力。 2 第五章系统总体性能评估 针对智能教室控制系统，从软硬件方面对整个系统进行了分析。 第六章结论 本章总结了作者所做的研究工作，以及在系统软硬件设计中得到的经验，并指出 了需改进的地方。 2 1 系统总体组成 第二章系统总体设计方案 基于总线的智能教室控制系统采用基于r s - 4 8 5 和c a n 总线的分布式集散控制系 统对学校教学楼用电设备进行控制和管理，教室温度的检测、教室学生人数的统计、 教室使用状态( 上课自习) 的监控。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r s 4 8 5 总线一楼层显示控制单元c n 总线一中央计算机单元。教室 检测控制单元、楼层显示控制单元的设计采用的是p i c 系列单片机p i c l 8 f 4 5 8 为主的 控制系统。中央计算机单元则使用的是北京亚控公司提供的组态王k i n g v i e w 6 5 ，在 组态王提供的编程环境下编制了上位机监控程序，可以实现对教室内的教室检测控制 单元所采集到的信息的接收、处理，并且采用了可视化软件编程，提供了一个全中文， 图形化，动态化的监控界面，从而可以很轻松的对教室用电设备开关状况、教室温度、 光照强度、自习学生人数，上课学生信息等进行实时监控和统计。对于通讯网络部分， 在同一楼层各教室检测控制单元之间是采用的r s - 4 8 5 标准构建的数据采集网络，而 在楼层显示控制单元与中央计算机单元之间利用的是c a n 网络的数据传输通道，智 能教室控制系统整体组成框图如2 1 所示。 图2 1 智能教室控制系统整体组成框图 下面具体阐述系统各级控制单元及其之间通讯网络。 4 2 1 1 教室检测控制单元 在每个教室的用电设备开关装置上安装的教室检测控制单元是以单片机 p i c l 8 f 4 5 8 为核心的数据采集和控制装置。它的主要任务是通过各种传感器以及非接 触i c 卡实现对教室内温度、光照强度、进入教室的学生人数，学生上课等信息采集， 存储与处理，并可实现对教室内用电设备( 照明灯具、电风扇) 开关状态检测以及现 场手动控制，同时通过r s 一4 8 5 通讯线与楼层显示控制单元通讯，最终可通过c a n 总线 与中央计算机单元通讯。教室检测控制单元可以接收楼层显示控制单元和中央控制计 算机的命令并实现相应的自动控制用电设备，每个教室检测控制单元都是由数据采集 模块、控制模块、人机交互模块、电源模块、通讯模块等组成。 2 1 2 楼层显示控制单元 楼层显示控制单元主要对该层楼每个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，并协调各教室检测控制单元之间的数 据传送，使楼层间的管理相互独立，提高整个智能教室控制系统的可靠性。楼层显示 控制单元向下通过r s 一4 8 5 总线实现对每个教室检测控制单元的数据采集信息、状态 显示和集中管理，向上都统一挂在c a n 总线上与中央控制计算机相接，它可根据中央 控制计算机的指令并通过c a n 总线和r s 4 8 5 通讯线来读取各个教室中由每个教室控 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( 空或满) ，以及控制整个楼层用电设备的开关状态，同时将中央控制计算 机发送的指令传给各个教室控制单元。 2 1 3 中央计算机单元 中央控制计算机采用常用的p c 机，在p c 机上配置c a n 总线适配卡，用于同 c a n 总线相连。中央控制计算机是整个智能教室控制系统的控制和管理中心，其功 能是将楼层显示控制单元及教室控制单元送来的信号进行处理，按要求控制输出单 元，可自动或手动对各控制装置发出指令，并可按要求进行各类参数图像的显示。其 管理软件由监控软件组态王k i n g v i e w 6 5 和a c c e s s 数据库构成，通过组态监控画面 对教室检测控制单元和楼层显示控制单元进行集中管理与统一控制。 2 1 4 通讯网络 通讯网络是保证整个智能教室控制系统正常运转的关键，所有的教室检测控制单 元和楼层显示控制单元都连接在通讯网络的平台上，最终与中央计算机单元相连。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r s - 4 8 5 和c a n 通讯模块 分别实现教室控制单元中的p i c l g f 4 5 8 单片机与楼层显示控制单元中的p i c l 8 f 4 5 8 单 5 片机，楼层显示控制单元中的p i c l 8 f 4 5 8 单片机与中央控制计算机之间的远距离通 讯。 2 2 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 述的四个部分，系统可以实现的功能则可以概括为以下几个方面： 2 2 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定时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，命 令采集模式是指当教室管理人员发出数据采集命令后，先由中央计算机单元通过c a n 通讯信道将命令信息传送到中央控制器，中央控制器再经r s 一4 8 5 通讯信道传送到教 室检测与控制单元，最后根据需要采集相应的数据信息。 2 2 2 教室远程端控制功能 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。 2 2 3 教室状态数据实时模拟显示功能 我们采用组态王k i n g v i e w 6 5 组态软件进行二次开发，实现接收各教室检测控制 单元的数据信息，并进行记录和数据统计。我们提供了全中文、图形化、动态的监控 界面，在计算机屏幕上分别显示出若干幅画面，将教室使用状态，内部相关信息在相 应画面上显示出来。 6 第三章教室检测控制单元的设计与实现 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3 1 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、拨码开关模 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2 2 0 v 交流电转换成+ 5 v ，+ 2 4 v ，从而给控制节点中的p i c l 8 f 4 5 8 单 片机和继电器供电。教室检测控制单元组成框如图3 1 所示。 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温度、光照强度、进入教室的学生人数等值 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中央计算机单元。 ( 2 ) 教室检测控制单元中设计了非接触i c 卡，供在上课状态下完成对学生点名、 基本信息的读取，实现系统所需的提高教学效率的目的。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 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、风扇等用电设 备的现场开启关闭操作。 ( 5 ) 教室检测控制单元中数码显示管显示教室内用电设备的开关状态。 ( 6 ) 通过4 8 5 总线完成与楼层显示控制单元的通讯。 ( 7 ) 可以接收楼层显示控制单元和中央控制计算机的命令并实现相应的控制输 出。 7 图3 1 教室检测控制单元组成框图 3 1 教室检测控制单元的核心器件选择 考虑到智能教室控制系统所要求的智能化高、可靠性高、功耗低、使用方便和功 能强大等特点，我们选用p i c 系列单片机p i c l 8 f 4 5 8 ，美国m i c r o c h i p 公司生产的p i c 系列单片机的硬件系统设计简洁，指令系统设计精练。它具有哈佛总线结构，精简指 令集( r i s c ) 技术，运算速度高，驱动能力强等优点。p i c 系列单片机已被广泛用于 工业控制、仪器仪表、计算机外设、家用电器等许多领域中，在国内具有极为广阔的 发展前景，p i c l 8 f 4 5 8 单片机是美国微芯( m i c r o c h i p ) 公司推出的高档产品，其具体 特点主要有： ( 1 ) 具有高性能r i s cc p u 高达2 m b 的程序存储器，4k b 的数据存储器，高达1 0 m i p s 的执行速度，d c 4 0 m h z 的时钟输入，4 l o m i - i z 带p l l 锁相环有源晶振时钟输入；1 6 位宽指令，8 位宽数据通道；带优先级的中断；8 8 单周期硬件乘法器。 ( 2 ) f l a s h 技术 低功耗、高速增强型f l a s h 技术，全静态设计，宽范围的工作电压2 0 5 5 v ， 工业级和扩展级温度范围，低功耗。 ( 3 ) 高级的模数转换特性 1 0 位，高达8 个通道的模数转换模块( d ) ；模拟比较模块具有可编程多路输 入偷出技术。可编程的低电压探测模块支持低电压检测时产生中断；可编程定复位。 ( 4 ) 外围功能模块特性 最大拉电流灌电流可达2 5 m a ，可以直接驱动l e d ，3 个外部中断引脚。定时器 8 嗍带8 位可编程前分频器8 位或1 6 位定时器计数器。定时器喇r 1 是1 6 位定 时器计数器。定时器1 m r 2 带有8 位周期寄存器的8 位定时器计数器( 作为p w m 的时基) 。定时器t m r 3 为1 6 位定时器计数器。2 种震荡时钟选择：定时器t m r l 、 定时器t m r 3 。有两种工作方式的主同步串行通讯( m s s p ) ：3 线s p i 主控方式，1 2 c 主控从动方式。可寻址的u s a r t 模块：支持中断地址位。高级的模数转换特性： 1 0 位，高达8 个通道的模数转换模块( 休眠时可以转换，8 个输入通道可用) ，模拟 比较模块，c a n 总线模块特性，特殊的单片机特性：上电复位，上电延时定时器和 振荡器起振定时器，带有片内r c 振荡器的监视定时器( w d t ) ，可选择不同的振荡 器工作方式，通过2 个引脚可进行在线串行编程。 3 。2 教室检测控制单元数据采集与处理 教室检测控制单元数据采集模块对教室内温度、光照强度、自习时进入教室的学 生人数，上课时对学生信息等采集，主要通过温度传感器、光照传感器、红外传感器、 无接触i c 卡来完成，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 p i c l 8 f 4 5 8 单片机进行处理，p i c l 8 f 4 5 8 荦片机可实现对各传感器的定时采集并根据其 各自参量的对应关系转换成相应的温度、光照值。并通过通讯接口将数据向楼层显示 控制单元传送。同时，通过该通讯接口，教室检测控制单元接收楼层显示控制单元和 中央计算机单元的控制指令，实现相应的控制命令操作。 3 2 。1 温度数据采集与处理 1 温度传感器 随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益繁多，应用逐渐广泛， 并且开始由模拟式向着数字式、单总线式、双总线式和三总线式方向发展。而数字温 度传感器因更适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统且具有可以克服模 拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和a d 转换器的弊端等优点，被广泛应 用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。其中，比较有代表性 的数字温度传感器有d s l 8 2 0 、m a ) 【6 5 7 5 、t m p l 0 1 、d s l 7 2 2 、1 a x 6 6 3 5 等。美国t i 公司 推出的一种基于1 2 c 串行总线接口的数字式温度传感器t i p 1 0 1 ，它将温度传感器、a d 转换器、i c 串行总线接口等集成在同一个芯片中，能够在现场采集温度数据，可直 接将被测温度物理量转化为数字信号并以总线方式传送给微处理器进行数据处理，同 时t 咿1 0 1 内部可编程的温度上下限寄存器及报警输出功能、故障排队功能，可防止 噪声干扰引起的误触发，提高温控系统的可靠性。低成本、高精度、稳定可靠的数字 温度传感器t m p l 0 1 在许多温度测量领域从而可以代替传统的温度传感器。 t m p l 0 1 是基于1 2 c 串行总线接口的低功耗、高精度数字温度传感器。较宽 的温度测量范围和较高的分辨率使其广泛应用于多领域的温度测量系统、多路 9 温度测控系统以及各种恒温控制装置。t m p i o i 具有以下性能特点： ( 1 ) t m p i o i 通过带有1 2 c 总线的串行接口( s d a ，s c l ) ，来实现与单片 机之间的通讯，它的1 2 c 总线上可连接3 个t m p i o i 器件，构成多点温度测控系 统。 ( 2 ) t m p i o i 温度测量范围为- 5 5 1 2 5 可编程为9 1 2 位a d 转换精 度，1 2 位时的分辨率达0 0 6 2 5 被测温度值用符号扩展的1 6 位数字量方式串 行输出。 ( 3 ) t m p i o i 电源电压范围宽( + 2 7 + 5 5 v ) ，静态电流小( 待机状态下 为0 1 u a ) 。 ( 4 ) t m p i o i 内部具有可编程的温度上下限寄存器及报警( 中断) 输出功 能，内部的故障排队功能，可防止噪声干扰引起的误触发，提高温控系统的可 靠性。 t m p i o i 引脚功能和内部结构 t m p i o i 采用s o t 2 3 6 封装，引脚排列如图3 2 所示：1 脚s c l ：串行时钟输 入端；2 脚g n d ：接地端；3 脚a l e r t ：总线报警( 中断) 输出端，漏极开路输出；4 脚v + ：电源端；5 脚a d d o ：用户设置的地址输入；6 脚s d a ：串行数据输入输 出端。 s c l g n d 札e r t s d a a d v + 胃国 国审 国圜 图3 2 t m p i o i 引脚排列图图3 3 t m p i o i 内部结构框图 t m p i o i 内部结构框图如图3 3 所示，t m p i o i 内部带有二极管温度传感器， a 一a d 转换器，时钟振荡器，控制逻辑，配置寄存器，温度寄存器以及故障 排队计数器。t m p i o i 首先通过二极管温度传感器将被测温度转换成电压信号， 再通过1 2 位一a d 转换器转换为数字量并存储在内部的温度寄存器中。器件 根据用户在温度上下限寄存器中设定的t h i g h 和t l o w 来在温度窗口比较器中决 定是否启动报警输出。系统上电后器件处于一种缺省阈值状态，其温度报警缺 省阈值为：上限温度t h i g h = 8 0 ，下限温度t l o w = 7 5 。 2 温度传感器工作原理 t m p i o i 温度传感器的i t 总线串行数据接口线s d a 和串行时钟接口线s c l 由主控 器进行控制，以主控器作为主机，t m p i o i 作为从机并支持i t 总线协议的读写操作 1 0 命令，一条1 2 c 总线上最多可连接3 个t m p i o i 器件，可实现一点或者多点的温度测量 系统。 1 2 c 总线( i n t e r - - i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 是由p h i l i p s 公司开发的一种高 性能芯片间串行同步传输总线。与s p i 、m i c r o w i r e 接口不同，它仅仅需要两根 信号线( 串行数据线s d a 和串行时钟线s c l ) 就实现了完善的双工同步数据传 送，能够极其方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。i2 c 总线采用器件地 址的硬件设置方法。通过软件寻址完全避免了器件的片选线寻址的弊端，从而 使硬件具有更简单、更灵活的扩展方法。 t m p l 0 1 地址设定 通过主控器对其进行地址设定，使主控器对连接在总线上的t m p l 0 1 温度传感器 进行地址识别。根据1 2 c 串行总线规范，t m p i o i 有一个7 位作为从器件的地址码，其 最高位有效位为“1 0 0 1 0 ”，其余两位根据其引脚a d d o 接地、悬空和接电源端的不同 分别设置为“o o ”，“0 1 ”，“1 0 ”。 t m p l 0 1 初始设定 为了能够正确获取t m p i o i 内部温度值寄存器中的温度值数据，主控器首先要通 过1 2 c 总线向t m p l 0 1 内部相关寄存器写特定的数据，从而设定温度转换结果的分辨率、 转换时间、报警输出端的工作模式和极性以及报警输出的上、下限温度值等，也就是 对t m p i o i 内部的配置寄存器、上限温度寄存器和下限温度寄存器迸行写操作等一系 列的初始化设置。 ( 1 ) t m p i o i 的控制寄存器 t m p i o i 的功能实现和工作方式主要由内部的5 个寄存器来确定，这些寄存 器分别是地址指针寄存器、温度寄存器、配置寄存器、上限温度( t l ) 寄存器 和下限温度( t h ) 寄存器，i o 口控制接口，其中后4 位寄存器均属于数据寄存 器。t m p i o i 内部结构框图如图3 4 所示。 图3 4t m p i o i 内部结构框图 地址指针寄存器：8 位可读写寄存器，内部存储了指向要读写的其余4 个数 据寄存器的地址，在读写过程中，通过设定地址指针寄存器的操作来说明要访问 哪个寄存器。在8 位数据字节中，前6 位全部设置为0 ，后两位p o ，p 1 用来选择 寄存器，后两位p o ，p 1 的值与选择的寄存器关系如表3 1 所示。 表3 1t m p l 0 1 内部数据寄存器指针地址 p l p 0 寄存器 00 温度寄存器( 只读) ol 配置寄存器( 读，写) 10 温度上限寄存器( 醒，写) t1 温度下限寄存器( 读，写) 温度值寄存器：1 6 位可读寄存器，温度值寄存器存储着由a d 转换器送来的 1 2 位温度值数据，后4 位全补为0 ，以构成2 个字节的可读寄存器。可以通过设 置配置寄存器的内容来获得9 ，1 0 ，1 1 ，1 2 位不同的转换结果。温度与数字输出的 对应关系如表3 2 所示。 表3 2 温度与数字输出的对应关系 温度数字输出( 二进制)数字输出( 十六制) + 1 2 00 1 1 l1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 07 8 h + 2 50 0 0 11 0 0 10 0 0 10 0 0 01 9 1 0 h 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 h - 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1l l l 00 0 f 5 e o h 2 5 1 1 1 00 1 1 01 1 1 10 0 0 0 e 6 f o h 配置寄存器：8 可读写的寄存器。通过对配置寄存器的配置来设置器件的 工作方式。r 1 r o ：温度传感器转换分辨率配置位，可以设定内部a d 转换器的分 辨率及转换时间。f 1 f o ：故障排队次数配置位，当被测温度连续超过n ( 通过设 置f 1 f o 位) 次，就会有报警输出。p o l ：a l e r t 极性位，通过p o l 的设置，可以使 控制器和a l e r t 输出的极性一致；s d ：设置器件是否工作在关断模式，o s a l e r t ： 在关断模式下，向该位写1 可以开启一次温度转换；在温度比较模式下，该数 据位可提供比较模式的状态。t m p l 0 1 内部配置寄存器的数据格式如表3 3 所示。 表3 3t m p l 0 1 内部配置寄存器的数据格式 l 塑些! 剜! !j 墅j ! !l 墼i 坠 i型l 塑 ( 2 ) 写配置寄存器、上限温度寄存器、下限温度寄存器。 主控制器向t m p l 0 1 配置寄存器写数据的过程是先写t m p l 0 1 地址，再写配 置寄存器地址到指针寄存器，然后写配置寄存器数据，写配置寄存器的写操作 时序如图3 5 所示( 其中上限温度下限温度寄存器的写时序与配置寄存器的写 时序基本相同) 。 面n 。：恐八：怂压：) ( ) ) 、r _ 一 1 瓦i 八二入a 风层a 厂n l 飞，a 风雁t 一 s t a r t l x 蒯b 刮矧l 1 涯而一u a c kl 瓦丽一u a c k s t o p 起始 i 地址码写i 应箐位i 数据 i 应答位i数据i 应答位 停止 信号t m p i o it m p i o i 写寄存器t m p l 0 1写寄存器t m t p l o l 信号 地址字节 应簪 地址字节 应管 教据字节 应簪 图3 5 配置寄存器的写操