（农业机械化工程专业论文）基于单片机的教室灯光自动控制器的研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导老师的指导下独立完 成的研究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作 了答谢的地方外，论文中不包括其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本 研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯 他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名： 讳 品 同期5 扣7 f 二， 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学 校有权送交论文的复印件，允许论文论文彼查阅和借阅；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。 口 不保密，本论文属于不保密。医 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：1 晶 指导老师亲笔签名： f 1 期：汐衫f 二j 同期：肋卯 髟k ，l i 、 田广 福建农林大学硬士论文 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a t 8 9 c 5 2 单片机作为控制装置的智能部件，采用热释红外人体传感器检 测人体的存在，采用光敏三极管构成的电路检测环境光的强度；根据教室合理开灯的 条件，系统通过对人体的存在信号和环境光信号的识别和智能判断，完成对教室照明 回路的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。系统还具有多种报警功能；同时还采 用了软硬件的“看门狗”技术等抗干扰措旅 单片机软件采用汇编语言编制，采用模块化结构设计、条理清晰、通用性好，便 于改进和扩充。 该系统具有体积小，控制方便，可靠性高，专用性强，性价比合理等优点，可以 满足各类大、中专院校教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能目的。 关键词：人体、红外线，传感器、自动控制、热释电 福建农林大学硕士论文 a b s t r a c t c u r r e n t l yl i g h ti n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m sa r en o te f f i c i e n t l yu s e di nt h e c l a s s r o o m i no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e m ，b a s e do nt h et h e o r yo ft h e1i g h t c o n t r o la n dc u r r e n tm e t h o d so fh o wt ok e e pc o n t r 0 1 p u tf o r w a r dm e t h o d so f d e v e l o p i n g i n t e l l i g e n tc l a s s r o o m l i g h tc o n t r o ls y s t e m o n t h eb a s i so f a t 8 9 c 5 2 a n dd e v e l o p e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m ， t h i sc l a s s r o o ml i g h ti n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d 。w h i c h m a c h i n eo fa t 8 9 c 5 2i sam a j o rp a r t ，a n dt h ee n v j r o n m e n to fd e v e l o p m e n ti s b e t t e rt h a nb e f o r e t h i ss y s t e mc a ns a t i s f yt h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ，s u c ha s c o n t r o l l i n gt h ec i r c u i to fi l l u m i n a t i o n ，t e s t i n ga n dp r o c e s s i n gd a y l i g h t s i g n a l ，t e s t i n ga n dp r o c e s s i n gt h es i g n a lo fh u m a nb o d yt h a ti l l u m i n a t e st h e b a c kt r a c ke x i s t s ，r e p o r t i n gt ot h ew a r n i n gd e v i c e s ，e t c i no r d e rt os a t i s f y t h e s ef u n c t i o n s ，t h es y s t e ma d o p t e dt h eh o m o l o g o u sm e t h o d sr e s p e c t i v e l y ，a n d t ot h eg e a r i n go ft h es y s t e m ，a n a l y z i n gh o wt oi n s t a l l ，t e s ta n dr u nt h es y s t e m t h em i c r o c o n t r o l l e rs o f t w a r ew a sd e v e l o p e db a s e d0 na s s e m b l el a n g u a g e a s s e m b l el a n g u a g ei so n ek i n do fs t r u c t u r e dp r o g r a ml a n g u a g e s ，i th a sm o r e a d v a n t a g e st h a no t h e rh i g h l e v e ll a n g u a g e s a s s e m b l el a n g u a g ea d o p t sb u i l d i n g b l o c kd e s i g n i t sc o m m o n a l i t yi sv e r yg o o da n de a s yt oi m p r o v ea n de x p a n d i tc o u l db eu s e dt od e v e l o pl a r g e r s c a l es y s t e mw i t hm o r ep e r f e c tp e r f o r m a n c e a tt h es a m et i m e ，t h ea n t i j a m m i n gt e c h n o l o g i e s ，s u c ha sw a t c h d o g ，a r e n e c e s s a r yw h e nd e v e l o p i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ， 确i ss y s t e mh a dm a n ya d v a n t a g e s f o re x a m p l e ，t h ep h y s i c a l v o l u m ew a s s m a l l ，t h es y s t e mw a sc o n v e n i e n t l yc o n t r o l l e d ，t h ec r e d i b i l i t yw a sh i 曲，t h e a p p r o p r i a t i o nw a ss t r o n g 。a n di t sp r i c ep r o p e r t i o nw a si d e a l ，e t c t h e e x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h es y s t e mc a ns a t i s f yt h ec o n t r o lc o m m a n do ft h e c l a s s r o o m s1 i g h td e v i c e s oi tc o u l dl a r g e l yr e d u c et h ec o n s u m i n go fe n e r g y r e s o u r e e s k e yw o r d s ：h u m a nb o d y ，i n f r a r e dr a y ，s e n s o r ，a u t o m a ti cc o n t r o i ， h e a tt or e l e a s et h ee l e c t r i c i t y 2 搓建农转大学硕士论文 1 引言 1 1 本课题研究的意义 随着社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平也不断提高，导致用电负荷 的加剧，又由于世界性的能源危机，能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。而此问 题对我国来说尤为严重。随着各类大、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，往往造成电能的巨大浪费，这样，提高教 室用电效率就成为首要考虑的问题。 目前对灯光的智能控制，国内外已经开始采用，但对教室灯光的控制，尤其是 我国教室灯光的智能控制尤为缺乏和不完善，依然是传统式的人工管理。各类大、中 专院校不断扩招，教室不断扩建，教室的用电负荷不断加大，教室用电管理不善，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楣违背。再者，现代 自动化程度不断提高，计算机技术的普及，灯光的管理也在朝着自动化、智能化方向 发展。例如搂道灯光的自动控制等等。所有这些使得教室灯光控制也应该朝着智能的 方向发展。 于是，开发简便，实用的教室灯光自动控若4 系统便具有重要的现实意义。 1 2 国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题 世界各地发电的主要原料是煤炭、石油和天然气，面丹麦在能源利 用方面的成功经验提供了很好的借鉴。从1 9 7 4 年以来，尽管丹麦国民收 入增长了5 0 。丹麦总的能源消费量并没有增加。丹麦是o e c d 成员国中 能源消耗量和国民收入比值最小的国家。他们不断地提供一些节能供热 系统。例如丹麦热电周供热电厂( c h p ) 。两且，他们尽可能的有效利用 资源。这样，他们的能源使用总效率达到了9 0 。丹麦政府很重视住房空 同用电的节簏，并设立了对新建房屋节能的诸多要求。数据显示，居民 入住有节能装置的房子时，他们要支付比没有节能方案房屋高出8 的费 用。其节能项目经验在欧盟国家中广为流传。还有，欧司朗一斯维尼亚公 司不断的推出新型高输出的荧光灯，节约6 的总系统功率，并具有更高 3 福建农林大学硬士论文 的光通量和平均光通量。飞利浦照明公司推出的陶瓷金卤灯代替过去的 卤钨灯，可节能6 0 的电能n 1 。种种迹象表明世界各国都在采取不同方式 来节约能源，节约电能。 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 1 0 倍。能源问题已成为制约我国国民经济发展的关键 问题。从环境和自然资源角度出发，能源问题也是我国长期可持续发展 战略中一个关键因素。此外，能源问题不仅关系经济发展和环境生态， 在特定情况下还会对社会稳定有很大影响。鉴于能源问题的重要性，我 国在绿色照明工程新闻发布，绿色照明工程未来五年问将在公用设旅、 宾馆、商厦、居民住所等全国建筑物中推广1 5 亿只节能灯，节电2 9 0 亿度电。上海、河北等一些地方采取政府对节能灯大宗采购每只补贴3 至4 元的方式进行推广。从普通白炽灯到高效节能灯，使我国的电光源 产品结构逐步向节电型转变，荧光灯与普通白炽灯的比例由1 9 9 5 年的1 ： 6 2 5 上升到目前的1 ：1 5 】。 目前，我国照明用电约占社会总用电量的1 2 ，采用高效照明产品代 替传统的低效照明产品可节电6 0 n8 0 。如今，北京正在大力推行绿 色照明工程，己推出上百万只绿色照明光源和部分节能电器，据钡岵算年 节约用电可达3 4 4 2 万千瓦时，节约电费2 5 1 9 7 万元。政府已经在商厦、 学校、医院等更换了2 4 万只节能灯具。在奥运工程的建设上，也大量运 用节能技术，北京的奥运厂馆“水立方”，通过采用大量的节能灯具， 装备新技术，通过增强透光性白天可节约照明能耗5 0 ”1 。 我们党在2 0 0 0 年1 0 月1 1 日党第十五届中央委员会第五次会议通过 的中共中央关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划的建议中 明确指出：“加强基础设施建设是今后五年至十年一项十分重要的任 务。”其中提到的基础设施建设就包括了能源建设建议还强调了 4 福建农林大学硕士论文 能源建设要发挥资源优势，优化能源结构，提高利用效率，加强环境保 护。面临如此紧迫的能源问题，我们应该把着眼点放在“高效”利用“清 洁”能源上1 。由此可见，节能照明用电，对节能具有重要的意义。 目前国内各类院校中，由于同学们的自觉节能意识薄弱，在光线足够强时也开灯， 课上完离开教室后灯还亮着的现象普遍存在；而且，节能规划极为欠缺，教室的灯光 控制由管理人员手工代替，教室极多，管理人员忙不过来，这样就造成不必要的电能 浪费和经济损失。就我校为例，初步统计大小教室大约安装了共有5 4 0 0 盏灯，以每 天仅亮灯8 小时来计算，一年中扣除假期后，教室灯的耗电量约为5 2 2 5 万度，学校 在教室用电的经费上就得支出约为3 0 4 6 万元人民币。而以每天浪费2 小时用电来计 算，一年大约要浪费1 3 0 6 万度的电量，占教室照明用电经费的四分之一。我省各类 大中专院校及其中小学总共有6 0 0 百多所，若都象我校一样每年浪费1 3 0 6 万度电的 话，我省就会浪费近7 9 0 0 万度的电。导致电能的极大浪费。再者，每所院校不断的 扩招，教室不断的扩建，若荐没有改进教室的用电管理设备，那么用电负荷可想而知， 浪费的电能就更惊人了。 基于以上种种原因，提高教室用电效率就成为学校节能的重要且主要的措施之 一，因此节能技术的重要手段之一就是教室灯关自动控制系统的设计无疑就成为其中 一项重要课题。 1 3 本课题研究的内容和目标 1 3 1 研究内容 本课题的研究内容有如下几点： ( 1 ) 了解教室照明光强的标准 ， ( 2 ) 调研教室灯光照明需求以及环境光强弱与开、关灯的关系； ( 3 ) 研究人体存在探测技术，探测角度与范围； ( 4 ) 研究传感器在教室分布、安放问题，是否一灯一个传感器或多灯公用传感器等； ( 5 ) 研究确定人体传感器的有关参数； ( 6 ) 研究灯光控制器电源问题； 福建农韩大学硕士论文 ( 7 ) 研究控制器参数值设定的要求及方案； ( 8 ) 研究人工设置参数、掉电保存参数的问题； ( 9 ) 研究使用遥控器控制灯光控制器技术； ( 1 0 ) 研究与现有教室照明相兼容，易替代，不易被偷盗、被仿制，易于维护、维修 等控制技术； ( 1 1 ) 研究报警等附加功能问题 1 3 2 研究目标 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。 1 4 本课题拟解决的关键问题 本课题拟通过试验研究教室灯光的各种控制方案解决如下关键问题： ( 1 ) 照明回路的控制回路与控制器本身的节能问题； ( 2 ) 传感器与教室灯配合安装的问题； ( 3 ) 环境光参数输入采集问题 ( 4 ) 人存在传感器参数输入采集问题： ( 5 ) 开、关灯的自动与手动兼容措施； 2 教室灯光控制器简介及控制方案的分析 2 1 教室灯光控制器简介 教室灯光控制器可实现有效的教室灯光智能控制。其输入参数主要是人体存在信 号和环境光信号等的外界因素，环境光的强度达到一定值时不开灯，环境光强度在一 定阀值以下且有人存在时开灯，理论和实验证明用这种方式来对教室灯进行智能控制 可以实现上述目标。 教室灯光控制器一般安装在教室内避开电灯直射的位置，且人体传感器安置时应 使人体活动方向与人体传感器中两个热释电元连线方向垂直，这样可使人体存在信号 6 福建农林大学硕士论文 采集更加灵敏、可靠，同时还要尽可能避免外界风直接吹向人体传感器。 2 2 系统控制方案的分析 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，无论人是否存在，都不开灯； 在自然环境光较弱时，有人存在且超过一定时间，控制器自动打开电灯，直到人离开 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1 2 点，若还有 人存在，则关闭自动控制器的运行，改用遥控器或机械开关来手动控制，以解决因特 殊情况下，自动控制器的不人性化运行。 本文所研究的教室灯光控制器主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前 提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对 硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功 能，达到控制器自动与手动相结合的教室照明智能控制。 3 系统控制模块的硬件设计 考虑到本系统所安装的环境影响因素比较多，且教室控制设备中的人体存在传感 器、光敏三极管等经常会园环境情形变化而不稳定，所以在设计过程中，电子元器件 的选用、线路布置和设备的安放要充分考虑到抗干扰问题。 3 1 控制模块的硬件构成 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：i s p 下载线 模块、系统供电模块、硬件时钟模块、看门狗模块、灯光驱动模块、数码管驱动显示 模块、环境光模块、e e p r o m 存储模块、人体存在传感器模块、遥控器模块、遥控器 接收模块及超时报警模块，其结构框图如图3 - 1 所示，主电路原理图见附图a 7 福建农林大学硕士论文 图3 - 1 系统控制单元结构框图 3 2 控制系统的主要硬件电路 3 2 1 系统主控电路 本系统的主控模块主要采用a t m e l 公司的a t 8 9 5 5 2 作为主控芯片，它是一种低功 耗，8 位c m o s 工艺处理器，具有8 k 在线可编程f l a s h 存储器，片内的f l a s h 可多次 编程，为在线编程提供了方便。片内有1 2 8 字节的r a m ，4 k b 的e e p r o m 。”，由于合 理的安排使用片内r a m 空间，所以没有扩展的片外r a m ，馒电路结构简捷。因为设备 的设置参数是根据实际需要进行更改的，又要求是断电能够保存下来，所以本设备用 一片e e p r o m 来存储系统的设置参数。该芯片的主要特征见附录i a t b g f 5 2i o 端口与系统其它外围器件接口的分配情况表如表3 - 1 所示。 8 福建农林大学硕士论文 表 3 - 1 8 9 s 5 2 引脚 外围器件引脚说明 p o 0 一p o 7 u l n 2 8 0 3 数码管段码驱动接口 p 2 o - p 2 7 n p n - 9 0 1 2 基极数码管位控驱动接口 p 1 0x 5 0 4 5 s i x 5 0 4 5 串行输入端 p l - lx 5 0 4 5 s c k x 5 0 4 5 串行时钟端 p 1 2x 5 0 4 5 c s x 5 0 4 5 片选端 p 1 3x 5 0 4 5 s 0x 5 0 4 5 串行输出端 p 1 4 系统工作灯显示端口 p l _ 5d s l 3 0 2 c l k d s l 3 0 2 时钟线 p 1 6 d s l 3 0 2 i o d s l 3 0 2 数据线 p 1 7d s l 3 0 2 r s t d s l 3 0 2 复位线 p 1 5 一p 1 7i s p 在线编程端 p 3 o p 3 1数据采集输入端 p 3 2遥控器接收信号端 p 3 3 人体存在传感器输出信号端 p 3 4超时报警信号输入端 p 3 5 一p 3 6 灯光驱动输入端 p 3 7光敏三极管输入信号端 3 2 2 在线编程模块电路 以往单片机的实验往往依赖于仿真机和荜片机学习系统，价格昂贵，近年来，随 着f l a s h 型单片机的广泛应用，采用软件模拟结合写片验证成为一种经济实用的实验 方法，尤其是随着单片机技术的发展，很多单片机都具有了i s p 功能，不再需要仿真 机，将单片机的易用性推向一个新的高度。a t 8 9 c 5 2 芯片就是这样的芯片。 a t 8 9 c 5 2 芯片支持在线编程( i s p ) 功能，用户可以通过a t 8 9 c 5 2 在线编程接口 直接对电路板上的c p u 进行在线编程，方便了程序的修改烧写工作。i s p 进行在线编 9 福建农林大学硕士论文 程时，使用a t 8 9 c 5 2 芯片的p 1 5 、p i 6 、p i 7 引脚及r s t 端口，通过p c 并口，根据 i s p 协议制作简单的编程器就可对c p u 进行编程。在线编程( i s p ) 器的红色l e d 是 电源指示灯，绿色l e o 是复位指示灯，黄色l e d 是时钟信号指示灯，每个l e d 约消耗 0 6 m a 的电流，它们使用独立的缓冲器不会影响下载线和用户板，当执行菜单命令 r e s e t 时可以看到绿色l e d 闪一下，表示电脑已经可以控制下载线；其下载线正常工 作电压为d c 3 6 6 v ，部分电脑即使不连接v c c 也可以正常工作，1 0 心的插头和插座 有三角形标志的均为第一脚。使用方便、快捷，且工作显示信号清晰，其在线编程制 作的电路原理图”见附图b 。 3 2 3 系统供电电路 要取得+ 5 v 电压，若选用1 2 v 的变压器，整流滤波后输出往往大于1 2 v ，会使稳 压器功耗大，自身温度较高。故不选用输出电压为1 2 v 的变压器，而选用输出电压为 9 v 的变压器。系统接通2 2 0 v 交流电源后，将2 2 0 v 交流电变压到9 v ，经过二极管全 波整流、电解电容c l 、c 2 滤波，再经一只正输出稳压器l m 7 8 0 5 ，为了缓冲负载突变， 改善瞬态响应，输出端还采用了电容c 3 、c 4 ，最后得n + 5 v 的直流工作电源，用于给 控制系统中单片机系统及其它外围电路的v c c + 端供电。其供电原理图如图3 2 3 匍滏旺 j 啦v a t n f 口 z 入 o co 当q圈唾f当。圈中f 一4 n f一4 n f | 1 i 图3 2 3 在硬件时钟模块中，为了在断电后硬件时钟能够正常运行，故采用主从双电源 t o 福建农林大学硕士论文 供电方式。硬件时钟一般在系统的+ 5 v 主电源情况下工作，而只有系统+ 5 v 主电源消 失的情况下，为确保硬件时钟的正常运行，设计一个3 f i v 的可充电锂电池作为备用 电源。具体电路及其原理将在后面的系统时钟电路部分详细说明。 3 2 4 数据采集电路 教室中的环境光和人体存在与否是系统的主要输入参数，因此教室中的环境光 和人体存在成为系统数据采集的主要对象。常见的环境光采集器件光电传感嚣有光敏 二极管和光敏三极管，根据需求，选用灵敏度较高的光敏三极管9 1 。此外，人体传感 器要求灵敏度高，可靠性强，本系统采用了逻辑电平输出的h p - 2 0 8 型号的人体存在 传感器。 3 2 4 i 环境光采集电路 光电传感器是一种能够将光转换成电量的传感器。采用的光敏三极管除了具有 光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。在无光照 时三极管的穿透电流很小，为暗电流i 。= ( 1 + b ) i 。有光照时，产生的i 。增大，成 为光电流i 。= ( 1 + b ) i t 。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得 到随光照强度交化而变化的电信号。因此光敏三极管灵敏度高，而且体积小、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，其外形电路图形符 号如图3 ，2 4 卜1 图3 2 4 1 - i 环境光采集电路原理图如图3 2 4 ，i - 2 所示。当自然光强大于一定程度时，光 敏三极管d 6 呈现底阻状态1 k q ，三极管0 1 2 的基极电压升高，q 1 2 管饱和导通， 集电极输出低电平。当自然光强小于一定程度时，光敏三极管d 6 呈现高阻状态 1 0 0 k q ，使三极管q 1 2 截止，集电极输出高电平。其中可变电阻r 2 6 可调节，调节 福建农林大学硕士论文 r 2 6 阻值的大小，使q 1 2 三极管受环境光影响在适当的亮度下导通。 图3 2 4 1 2 3 2 4 2 人体存在传感器的工作原理 自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波 长的红外线，利用红外传感器可对其进行检测。根据工作原理，红外传感器分为热型 和量子型两类“1 ，热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器。与量子 型相比，响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可在常温下工作。量子型与热型 的特点相反，而且要求冷却条件。本系统采用的是热释电红外传感器，人体存在传感 器主要采用了红外传感器的原理，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 6 1 l m 、 3 5 1 l m 、8 一1 4 1 1 m 三个被称为“大气窗口”的特定光通量的红外线吸收甚少，可非 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n 堋如下： 人体都有恒定的体温，一般在3 7 度，所以会发出特定波长1 0 洲左右的红外线， 福建农林大学硕士论文 被动式红外探头就靠探测人体发射的l o 州左右的红外线而进行工作的。人体发射的 l o 叫左右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由人体存在的信号。 1 ) 这种探头是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为l o t x m 左右的 红外辐射非常敏感。 2 ) 为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照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。 3 ) 人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元，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，使其产生释 电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。 4 ) 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 感器的热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，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。 5 ) 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。 人体传感器透镜的信号采集敏感区示意图“1 1 如图4 2 2 - 1 ， 图4 2 2 - 1 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， 福建农林大学硕士论文 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 2 4 3 人体存在信号采集电路 人体传感器l i p 一2 0 8 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m 1 如下： ( 1 )感应为全自动方式，人进入感应范围时输出高电平( 高3 3 v ) ，人离开感 应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平( 低o 3 v ) ，其高低电平利于采集； ( 2 )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 - 1 5 秒后将高电平变为低电平； ( 3 )人体传感器工作电压宽为d c 3 v - d c 2 4 v ； ( 4 )人体传感器制作成锥面形状，感应范围大，小于1 4 0 度锥角，感应距离 为7 米以内； ( 5 )其静态电流小于5 0 微安，功耗低； ( 6 ) 工作温度介于一1 5 0 和+ 7 0 0 之间，适应性强； ( 7 ) 灵敏度高，可靠性强。 人体传感器h p - 2 0 8 型号的正视图如图3 2 4 2 - 1 所示： 图3 2 4 2 一1 人体传感器的l 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，介于人体传感器的信 号引脚2 与地信号引脚3 之间加一个6 8 0 0 p f 的电容，另外人体存在传感器的信号引 福建农林大学硕士论文 脚2 与单片机的p 3 3 引脚相连，p 3 3 引脚再接一个1 0 0 kq 的上拉电阻，增加人体 存在传感器输出信号的可靠性，其电路原理图如图3 2 4 2 - 2 图3 2 4 2 - 2 3 2 5 系统时钟电路 根据教室灯光使用特性，该系统还应受到时间的控制，控制系统的时间应符合 学校的作息时闯。比如晚间休息、假期等时闻段应该关掉教室灯光控制系统，以节约 能源，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。 3 2 5 1 硬件时钟芯片的选取及其接口电路 传统的时钟芯片，如m c l 4 6 8 1 8 、i c 6 8 h 6 8 t 、l m 8 3 6 5 等，这些芯片的引脚太多， 体积大，占用的口线多。而现在流行的串行时钟芯片很多，如d s l 3 0 2 、d s l 3 0 5 、d s l 3 0 7 、 p c f 8 4 8 5 等，这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛的使用“”。考虑到 本系统停电时只需对时钟电路提供电源、且不需要占用太多单片杌资源，本系统采用 美国d a l l a s 公司推出的具有充电能力的低功耗“”l 8 的用于临时性存放数据的r a m 寄存器的实时时钟芯片0 s 1 3 0 2 。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。它可以对年、月、日、周日、时、 分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2 5 v 5 5 v ，d s l 3 0 2 是d s l 2 0 2 的升级产品，与0 s 1 2 0 2 兼容，但增加了主电源后背电源双电源引脚，同时提供了对 后背电源进行涓细电流充电的能力。而且本系统采用的0 s 1 3 0 2 只需三根线即可与单 片机进行通信，体积小，使用简单，时钟精度较高n 5 1 ，满足系统的要求，其主要特征 见附录i 福建农林大学硕士论文 不 可为掉电保护电源提供可编程的充电功能的时钟芯片d s l 3 0 2 的引脚图如图l 所 v t t 。 x l x ： 妇一l 、毫觑 s c f k lr t ) 孔s f 嘲i麓示力u s l 3 0 2 的 i 舟鹦 d s l 3 0 2 与单片机接口电路连接原理图如图3 2 5 ，其中v 。：外接3 6 v 可充电的 锂电池，为d s l 3 0 2 的备用电源。，外接系统供电模块的输出稳定电压+ 5 v ，为d s l 3 0 2 的主电源。d s l 3 0 2 由u 。，和k 。两者中较大者供电。系统正常运行时，k 。大于v 。， 因此由v c 。，给d s l 3 0 2 供电，在主电源关闭的情况下，则由v o 。：给d s l 3 0 2 供电，保持 时钟的连续运行。x 1 和x 2 是振荡源，外接3 2 7 6 8 k h z 晶振。r s t 是复位片选线，通 过把r s t 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s c l k 接单片机p 1 5 引脚，进行时钟控制。数据输入输出端i o 接单片机p 1 6 引脚，进行数据传输。 、( 【u 图3 2 5 3 2 5 2 硬件时钟芯片的弓i 脚功能及其工作原理 r s t 是复位片选线，通过把r s t 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。r s t 输入有两种功能：首先，r s t 接通控制逻辑，允许地址命令序列送入移位寄存器； 福建农林大学硬士论文 其次，r s t 提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当r s t 为高电平时，所有的数 据传送被初始化，允许对d s l 3 0 2 迸行操作如果在传送过程中r s t 置为低电平，刚 会终止此次数据传送，i o 引脚变为高阻态。上电运行时，在v 。2 5 v 之前，r s t 必须保持低电平。只有在s c l k 为低电平时才能将r s t 置为高电平。i o 为串行数 据输入输出端( 双向) ，后面有详细说明。s c l k 始终是输入端。 硬件时钟芯片d s l 3 0 2 与微处理器进行数据交换时，首先由微处理器向电路发送 命令字节，命令字节最高位m s b ( d 7 ) 必须为逻辑1 ，如果d 7 = o ，则禁止写d s l 3 0 2 ，即 写保护；d 6 = o ，指定时钟数据，d 6 = i ，指定r a m 数据；d 5 d i 指定输入或输出的特 定寄存器；最低位l s b ( d o ) 为逻辑0 ，指定写操作( 输入) ，d o = i ，指定读操作( 输出) 。 在d s l 3 0 2 的时钟日历或r a m 进行数据传送时，d s l 3 0 2 必须首先发送命令字节。 若进行单字节传送，8 位命令字节传送结束之后，在下2 个s c l k 周期的上升沿输入 数据字节，或在下8 个s c l k 周期的下降沿输出数据字节。 d s l 3 0 2 与r a m 相关的寄存器分为两类“”：一类是单个r a m 单元，共3 1 个，每个 单元组态为一个8 位的字节，其命令控制字为c o h f d h ，其中奇数为读操作，偶数 为写操作；再一类为突发方式下的r a m 寄存器，在此方式下可一次性读、写所有的 r a m 的3 1 个字节。 要特别说明的是备用电源，可以用电池或者超级电容器( 0 i f 以上) 。虽然d s l 3 0 2 在主电源掉电后的耗电很小，但是，如果要长时间保证时钟正常，最好选用小型充电 电池，可以用老式电脑主板上的3 6 v 充电电池。如果断电时间较短( 几小时或几天) 时，就可以用漏电较小的普通电解电容器代替。1 0 0uf 就可以保证1 小时的正常走 时。d s l 3 0 2 在第一次加电后，必须进行初始化操作。初始化后就可以按正常方法调 整时间。 3 2 ，6 系统看门狗电路 在! 靼片机工作过程中，不可避免的会由于外界的千扰而产生程序跑飞、死机甚至 造成整机瘫痪等情况，为了能够恢复单片机的工作，只能采用霹新复位的方法。虽然 在程序设计中，可以往用软件陷阱的方法来减少这种情况的发生，但是不能完全解决 1 7 福建农林大学硬士论文 这个问题，因此还应该在硬件设计中使用看门狗电路，这样在单片机发生死机的情况 下，看门狗将产生一个复位信号给单片机，使单片机复位，重新执行程序。现在的 m c u 被集成了越来越多的功能，有的集成了看门狗，如i m p 8 1 3 l 。还有的芯片更是把 e e p r o m 也集成进去，如x 5 0 4 5 芯片。由于系统需要看门狗和e e p r o m ，所以奉硬件设 计中使用了荚园x i c o r 公司生产的芯片x 5 0 4 5 。 x 5 0 4 5 具有三种常用的功能“”：看门狗定时器、复位控制和e f f ，r o m 集成在单个8 引脚封装的c m o s 器件内，将电源监控和看门狗功能与高速三线j # 易失性存储器组台 在一起，从而在很大程度上降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求，x 5 0 4 5 的 引脚排列如图3 2 6 - 1 ，其备引脚功能附录i 。 嚣月d i d l8 b 慨 s o q 2x 5 0 4 57 p r e s e t y pq36 口s c = l ( 晦q 唾5 口s i 图3 2 6 - i 看门狗定时器的预置时问是通过x 5 0 4 5 的状态寄存器的相应位来设定的。如表 3 ，2 6 状态寄存器所示，x 5 0 4 5 状态寄存器共有6 位有含义。其中w d i 、w d o 和看门狗 电路有关，其余位和e e p r o m 的工作设置有关。 表3 ，2 6 状态寄存器 l d 71 ) 6 i ) 5d 4d 3d 2o l， i xxw d l1 i i d 0b l ib i ，0 w e i ， 霄i pi 霄d 1 ：o ，w d o = o ，预置时间为1 4 s 。 w o l 卸，w d 0 = l ，预置时间为0 6 s 。 w d 】= l ，w d o = o ，预嚣时问为0 2 s 。 l s 福建农林大学硕士论文 w d i = i ，w d o = i ，蔡j j ：看门狮工作。 看门狗电路的定时时问长短可由具体应用程序的循环爝期决定，通常比系统芷 常工作时最大循环眉期的时问略长即可。 本系统中x 5 0 4 5 的硬件连接图如图3 2 6 2 所示。 ! x 删i 图3 2 6 - 2 系统数据存储及故障保护部分由x 5 0 4 5 组成，x 5 0 4 5 是一种串行通讯的5 1 2 字节 e e p r o m ，同时兼有看门狗和电源监控功能，x 5 0 4 5 有三种可编程看门狗周期，上电和 v c c 低于检测门限时，输出复位信号，x 5 0 4 5 输出复位高电平有效，为了复位更加可 靠，其复位输出端外接一个i o k 的上拉电阻，并与a t 8 9 c 5 2 的复位端相连。看门狗能 在电源上电、掉电期间产生个复位信号。该芯片还带有一个1 4 秒的看门狗定时器 可监控单片机的工作。如果在1 4 秒内未检测到其工作，出现故障，内部定时器将使 看门狗w d i 处于低电平状态，为系统提供保护，避免死机、程序跑飞或进入死循环等 意外的发生。 x 5 0 4 5 代表了新代串行e e p r o m 的发展趋势，它的运用极大的节省了系统空间 和资源，同时简化了电路设计，缩短产品开发周期n 8 “1 。 3 2 7 继电器驱动接口电路 继电器驱动接口电路如图3 2 7 所示，这里继电器由相应的p n p 型号的$ 9 0 1 2 三极管来驱动，开机时，单片机初始化后的p 3 5 p 3 6 为高电平，三极管截止，所以 开机后继电器始终处于释放状态，如果p 3 5 p 3 6 为低电平，三极管的基极就会被拉 某啦| 出节忑篡! 面 ，一 亚一艘5肥憾 。囊 福建农林大学顼士论文 低而产生足够的基极电流，使三极管导通，继电器就会得电吸合，从而驱动负载，点 亮相应电灯。继电器的输出端并联1 0 0 欧的电阻和6 8 0 0 皮法电容，目的是避免继电 器吸合与释放期间产生火花。每个继电器都有一对常开常闭的触点，便于在其他电路 中使用，继电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收反向电动势的功能，保护相应 的驱动三极管，这种继电器驱动方式硬件结构比较简单。 呵 旦 图3 ，2 7 继电器驱动电路图 3 2 8 遥控键盘管理模块电路 红外线遥控是目前使用最广泛的一种遥控手段。由于红外线遥控装置具有体积 小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响 设备、空凋机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。工业设备中， 在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅可靠而且能有效地隔 离电气干扰。我们采用的是从市场上很容易就能买到，且信号较稳定的j v gr m - c 4 5 7 型号遥控器作为灯光控制的键盘，其遥控器外形如图3 2 8 所示。 福建农转大学硕士论文 图3 2 8 遥控器外形图 3 2 8 1 红外遥控数据流的编码结构 目前，各国电器生产厂家对遥控脉冲编码及码流还没有统一的标准。常见的是 如图3 2 8 卜1 所示的方法来表示数据“0 ”和“1 ”，其中t w 是一定的，t p o = 6 0 ht o s e td s l 3 0 2 st i m e a c a l ld s d e l a y ：d s l 3 0 2d e l a y 1s e c o n d m o vr 6 ，# d s l 3 0 2 s e c + i ：a 5 9 hr e a dd s l 3 0 2 ss e c o n da g a i n a c a l ld s r d l b y t e c j n ea ，d s c h e c k d a t a ，d s o k ：t w od s s e co fr e a d i n gi sd i f f e r e n t a j m p d s s e t t i m e d s o k ：r e t 检查0 s 1 3 0 2 芯片是否正常工作，本系统中通过先读取秒钟寄存器的数据，将数 据存储起来，且将此数据与6 0 h 相比较，若大于6 0 h ，说明时钟数据不正常，转去设 置时钟时间；若小于并等于6 0 h ，延时秒钟后，再次读取秒钟寄存器的数据，与第 一次读取的秒钟数据相比较，若这两次的数据相同，说明时钟数据不正常，转去设置 时钟时间；若正常，则退出到主程序。初