毕业设计(论文)-基于AT89S51单片机的教室灯光智能控制

摘 要为了有效利用教室灯光、节约能源,设计了以 AT89C2051单片机作为控制核心的教室灯 光控制系统,能根据学校作息时间、光照情况自动调节教室灯光的打开或关闭。调试结果证 明该系统具有很好的人机交互界面,能对教室灯光进行智能控制,且电路简单,成本低,节 约能源,可移植性好。也可应用于图书馆、会议室、办公室、办公等场所,具有很好的实际 应用价值和广泛的应用空间。本课题针对教室灯光的控制,分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法, 提出了基于单片机设计教室灯光智能控制系统的思路,并在此基础上开发了智能 控制系统的硬件模块和相应软件部分。该系统以 AT89S51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,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。本系统程序部分采用 C 语言编写,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,针对性强,性 价比高等优点,可以满足各类院校对教室灯光控制的要求,很大程度的达到节能 目的。关键词 :智能控制器 热释红外传感器 单片机IAbstractIn order to make effective use of classroom lighting, energy saving, to design the AT89C2051 MCU as the control core of the lighting control system for classroom, according to the school calendar, light automatic adjustment of classroom lighting in the open or close. Debugging results show that the system has a very good man-machine interface, for classroom lighting intelligent control, and has the advantages of simple circuit, low cost, energy saving, good portability. Can also be applied in the library, conference room, office, office and other places, and has good practical application value and broad application space.The topic for classroom lighting control, analysis of classroom lighting intelligent control principle and realization method, is put forward based on the SCM design classroom lighting intelligent control system of train of thought, and on this basis the development of the intelligent control system of the hardware module and the corresponding software.The system is based on AT89S51 single chip microcomputer as control module is the core component, the pyroelectric infrared sensor to detect the presence of the human body, using photosensitive three transistor circuits to detect ambient light intensity; reasonable light conditions according to classroom, the human body through the presence of signals and ambient light signal recognition and judgement, completion of the classroom lighting intelligent control, to avoid the classroom electricity waste. The system also has the alarm function; it also uses soft / hardware watchdog and anti interference measures.The system uses C language, is designed with modular structure, clarity, good versatility, facilitate the improvement and expansion. The system has the advantages of small volume, convenient control, high reliability, strong pertinence, cost-effective advantages, can meet all kinds of institutions for classroom lighting control requirements, a large degree of achieving the purpose of energy saving.Keywords: intelligent controller for pyroelectric infrared sensor chipII邵阳学院目 录摘 要 . . I 引言 . .IV 1.1课题来源及背景 . I V 1.2国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题 . I V 第一章 教室灯光控制器简介与方案分析 . . 1 1.1教室灯光控制器简介 . 1 1.2系统控制方案分析 . 1 第二章 系统控制模块的硬件设计 . . 2 2.1系统控制模块的硬件构成及简介 . 2 2.2系统控制的主要硬件电路 . 2 2.2.1系统主控电路 . . 2 2.2.2系统供电电路 . . 3 2.2.3数据采集电路 . . 4 2.2.4系统时钟电路 . . 6 2.2.5继电器驱动电路 . . 7 2.2.6超时报警电路 . . 7 2.2.7按键控制电路 . . 82.2.8系统看门狗电路 . . 83.1系统监控主程序模块 . 10 3.1.1系统自检初始化 . . 10 3.1.2定时中断处理设计 . . 11 3.2数据采集模块 . 11 3.2.1人体存在传感器的优缺点 . . 11 3.2.2数据采集软件的实现 . . 12 3.3时钟模块 . 12 3.3.1数据输入输出 . . 12 3.3.2时钟程序设计 . . 13 3.4显示驱动模块 . 16 第四章 系统调试运行及问题分析 . . 164.1单片机系统调试方法及步骤 . 16 4.2主要问题分析 . 18 第五章 总结与展望 . . 19 5.1总结 . 19 5.2展望 . 19 致 谢 . . 20 参考文献 . . 21III邵阳学院引言1.1课题来源及背景本课题属于自选课题,来源于本人了解到现今全世界面临资源短缺问题日益 突出,造成了资源的巨大浪费。而我所在就读的邵阳学院电能管理方面存在着很 大的问题,特别是教师管理不到位。所以我选择这个课题。基于单片机控制教师 灯光自动控制器的研究。当前,随着经济的飞速发展,能源短缺问题日益突出,成为一个国家经济 发展的 “ 瓶颈 ” 。作为工业生产和人民生活不可或缺的电力能源更是如此。尤其现 今越来越提倡低碳生活,节约能源已经成为一种全球共识,而作为培养社会精英 的高校更应该起到榜样的作用。但是目前在校园内,教室灯火通明,却空无一人 的现象屡见不鲜,这不仅造成了严重的资源浪费,也对高校的形象造成了很坏的 影响。本文所研究的教室灯光控制系统就可以很好地实现节约能源的作用。本课 题设计的控制器可有效的实现教室灯光的智能控制。其输入参数主要是人体存在 信号和环境光强度信号等外界因素。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,实验证明这种方案可以实现对教室灯进 行智能控制。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。1.2国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题现今世界各地面临能源危机, 现在发电的主要原料是煤炭、 石油和天然气等, 丹麦在能源合理利用方面的成功经验给我们提供了很好的借鉴。丹麦从 1974年 以来,国民收入增长了 50%。但丹麦总的能源总消费量并没有增加。所以丹麦在 OECD 成员国中能源消耗量和国民收入比值最小的国家。他们提供的一些节能供 热系统很值得我们借鉴。例如丹麦热电周供热电厂 (CHP。而且,他们尽可能的 有效利用资源,所以他们的能源使用总效率达到了 90%。并且丹麦政府很重视住 房空同用电的节簏,还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,要支付比没有节能方案房屋高出 8%的费用。他们的节能 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,节能 6%。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 60%的电能。以上种种迹象表明世界各国都在采取不同方式来节约能源。IV邵阳学院由于我国人口有十三亿之多,经济又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高速发展的关键问题。 ,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 展和环境生态的平衡,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 290亿度 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 1995年的 1:6.25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 12%,采用高效照明产品代替传统 的低效照明产品可节电 60%-80%。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,据估算年节约用电可达 3442万千瓦 时,节约电费 2519.7万元。政府已经在商厦、学校、医院等更换 24万只节能灯 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能耗 50%。 我们党在 2000年 10月 11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。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。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 光自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要课题。V第一章 教室灯光控制器简介与方案分析1.1教室灯光控制器简介本课题设计的控制器可有效的实现教室灯光的智能控制。其输入参数主要是 人体存在信号和环境光强度信号等外界因素。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,实验证明这种方案可以实现 对教室灯进行智能控制。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。1.2系统控制方案分析该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,能够实现自 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,还可设置作息时间来控制,夜晚超过 12点,若还有人存在,则关闭自动控制器的运行,改用开关来手动控制,以解决 因特殊情况下,自动控制器的不人性化运行。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,达到设计目的。1第二章 系统控制模块的硬件设计2.1系统控制模块的硬件构成及简介系统控制单元是以 AT89S51单片机主控模块为核心,其它外围电路主要包 括:环境光采集电路、时钟模块、热释红外传感器模块、看门狗模块、按键电路、 EEPROM 存储模块、 超时报警模块、 数码管显示模块, 其结构框图如图 2-1所示。图 2-1 系统控制结构框图光模块采用光敏三极管来检测环境光的强度,有光照时,电阻减小,随着光 照强度的减弱,电阻逐渐增大,把光信号转化成电信号,实现对光强度的检测。 人体存在传感器模块采用 HP-208是基于红外线技术的智能产品,实现对人 体存在的检测。硬件时钟模块采用充电能力的低功耗,具有临时性存放数据的 RAM 寄存器 的实时时钟芯片 DS1302。该电路的接口简单、价格低廉,被广泛的使用。 系统数据存储及故障保护部分由 X5045组成, X5045是一种串行通讯的 512字节 EEPROM ,同时兼有看门狗和电源监控功能键盘模块。2.2系统控制的主要硬件电路考虑到本系统安装时受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因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。2.2.1系统主控电路本系统的主控模块采用 AT89S51作为主控芯片, 它是一种低功耗, 8位 CMOS 工艺处理器,具有 8K 在线可编程 Flash 存储器,片内的 Flash 可多次编程,为在 线编程提供了方便。片内有 128字节的 RAM , 4KB 的 EEPROM ,由于合理的安 排使用片内 RAM 空间, 所以没有片外扩展的 RAM ,使电路结构简洁。该芯片的 主要特征见如表 2.1: 2邵阳学院表 2.1 AT89S51主要特征 图 2-2 单片机最小系统(1 40(Vcc 20(GND 脚间的电压应有 5V 。(2 18、 19脚分别与 20脚间有 1.7 2.5V 电压(3 9(RST 脚与 GND 间电压基本为 0 。(4 31脚 (EA 与 20引脚(GND 间电压为 5V 。2.2.2系统供电电路系统供电原理如图 2-3所示, 采用 +5V电压供电。 本设计采用输出电压为 9V 的变压器。系统接通 220V 交流电源后,将 220V 交流电变压到 9V ,经过二极管 全波整流、电解电容 C1, C2滤波,再经正输出稳压器 LM7805,为了缓冲负载 突变,改善瞬态响应,输出端还采用了电容 C3, C4,最后得到 +5V的直流电压, 用于给控制系统中单片机系统及其它外围电路的 Vcc 端供电。 .3邵阳学院 4图 2-3 系统供电电路2.2.3数据采集电路教室的环境光强度和人体存在与否是系统主要的输入参数,因此教室中的环 境光照强度和人体存在成为系统数据采集的主要对象。常见的环境光强度采集器 件主要有光敏二极管和光敏三极管,考虑抗干扰的需要,选用灵敏度较高的光敏 三极管。此外,人体存在传感器要求灵敏度高,可靠性强。一、环境光强度采集电路光电传感器是一种能够将光转化为电量的传感器。采用的光敏三极管除了具 有光敏二极管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。在 无光照时,三极管的穿透电流很小,为暗电流,有光照时,产生的 Ib 增大,成为 光电流 Ie ,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 强度变化而变化的电信号。光敏三极管具有灵敏度高,体积小,工作电压低,工 作电流小,发光均匀稳定,响应速度快,寿命长等特点。环境光采集电路原理如图为 2-4所示。当环境光照强度大于一定程度时,光 敏三极管 D6呈现低阻状态 1K, 三极管 Q12的基极电压升高, Q12管饱和导通, 集电极输出低电平。当环境光强度小于一定程度时,光敏三极管 D6呈现高阻状 态 100K,使三极管 Q12截止,集电极输出高电平。其中调节 R26阻值,可使 三极管 Q12受环境光强度影响在适当的亮度下导通。图 2-4环境光电路O邵阳学院 5二、人体存在信号采集电路人体存在传感器采用 HP-208-N-L 人体感应模块 (低电平输出 。 基于红外线技 术的自动控制产品,灵敏度高,可靠性强,广泛应用于各类自动感应电器中。人 体传感器的 1号引脚为电源信号端 VCC , 2号引脚为采集信号输出端 OUT , 3号 引脚为地信号端 GND 。其硬件连接如图 2-5。p fV CC图 2-5 人体存在信号采集电路HP-208-N-L 功能特点:全自动感应:人进入其感应范围则输出低电平,人离开感应范围则自动延时 关闭低电平,输出待机时的高电平。两种触发方式:a. 不可重复触发方式:即感应输出低电平后,延时时间段一 结束,输出将自动从低电平变为高电平; b. 可重复触发方式:即感应输出低电平 后,在延时时间段内,如果有人体在其感应范围内活动,其输出将一直保持低电 平,直到人离开后至延时结束,低电平跳变为高电平(感应模块检测到人体的每 一次活动后会自动顺延一个延时时间段,并且以最后一次活动的时间为延时时间 的起始点 .具有感应封锁时间:感应模块在每一次感应输出后,待延时时间一结束,可 以紧跟着设置一个封锁时间段,在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功 能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作,可应用于间隔探 测产品; 同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。 (此时间可设置 在零点几秒几十秒钟 。微功耗:静态电流 50微安,特别适合干电池供电的电器产品;输出高电平信号:可方便与各类电路实现对接;技术参数:工作电压:DC4.5V 至 DC24V 均可;输出低电平:0V ,待机时的高电平为 3.3V ;延时时间:可制作范围零点几秒十几分钟;封锁时间:可制作范围零点几秒几十秒;触发方式:L 不可重复; H 可重复;感应范围:Vcc1+0.2V时, 由 Vcc2向 DS1302供电,当 Vcc20; i- /循环 8次移位SCLK = 0;temp = addr;DIO = (bit(temp&0x01; /每次传输低字节 addr = 1; /右移一位SCLK = 1;/发送数据for ( i=8; i0; i- SCLK = 0;temp = dat;DIO = (bit(temp&0x01;dat = 1;SCLK = 1;CE = 0;/数据读取子程序unsigned char Read1302 ( unsigned char addr unsigned char i, temp , dat1, dat2;14邵阳学院CE=0;SCLK=0;CE = 1;/发送地址for ( i=8; i0; i- /循环 8次移位SCLK = 0;temp = addr;DIO = (bit(temp&0x01; /每次传输低字节addr = 1; /右移一位SCLK = 1;/读取数据for ( i=8; i0; i- ACC_7=DIO;SCLK = 1;ACC=1;SCLK = 0;CE=0;dat1=ACC;dat2=dat1/16; /数据进制转换dat1=dat1%16; /十六进制转十进制dat1=dat1+dat2*10;return (dat1;/初始化 DS1302void Initial(voidWrite1302 (WRITE_PROTECT, 0X00 ; /禁止写保护 Write1302 (WRITE_SECOND, 0x56 ; /秒位初始化 Write1302 (WRITE_MINUTE, 0x34 ; /分钟初始化 Write1302 (WRITE_HOUR, 0x12 ; /小时