单片机控制的多媒体教室监控系统研究.doc

编号： 毕业设计说明书题 目：单片机控制的多媒体教 室监控系统研究 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 电气自动化系 指导教师： 职 称： 副教授 题目类型： 理论研究 R实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 2 页摘 要根据多媒体教室电气设备使用方便的需求，本文设计了一个多媒体教室监控系统。本文阐述了多媒体教室监控系统的设计原理与实现方法。文章分别从硬件电路设计和软件实现这两个方面对系统的设计过程进行描述。此系统采用AT89S52单片机作为主控中心。单片机识别采集到的红外遥控信号，控制继电器的闭合与断开，从而达到控制多媒体教室内电气设备的目的。系统硬件结构包括红外信号发送电路、红外信号接收电路、控制输出电路等。软件部分采用C语言程序编制，分结构模块进行设计，并且通过仿真工具对系统进行仿真以及调试。依据系统功能设计，编制程序流程图，再根据流程图思路编写各功能模块程序，从而实现红外信号的接收、解码，以及完成目标控制任务。红外信号具有性能可靠、结构方式简单等特点，继电器可实现强弱电隔离，因此，本系统可实现随意控制多媒体教室的电气设备，并且具有极强的抗干扰能力。本系统将给多媒体教室的应用带来更多便捷。关键字：多媒体系统；红外遥控；单片机；继电器AbstractTo meet the demand of being convenient to use for electrical equipments in multimedia classroom, this paper introduces the design of a monitoring system in multimedia classroom. This paper describes the design principles and methods of monitoring system in multimedia classroom. It describes the design processes of this system from two aspects including the hardware design and software implementation respectively in detail. This system applies MCU AT89S52 as the controlling unit. MCU collects and recognizes infrared remote control signals to control the relays to be closed or disconnected, thus achieve the objective of controlling electrical equipments in multimedia classroom. The hardware of the system includes the infrared signal transmission circuit, infrared signal receiving circuit, and controlling output circuit. Software of this system applies C programming and structural module design. Also it was simulated by simulation tools for system simulation and commissioning. The flow chart of the software is designed according to the systematic function design. After that, every function module of the system is programmed based on the ideas of flow chart, to implement infrared signals, decoding and accomplishing the goals of controlling objective.The infrared signal has a performance-reliable, and simple structure features. Besides, relays can achieve electrical isolation between strong electricity and weak electricity. Therefore , this system can control the electrical equipment in multimedia classroom as will. Also, it owns strong anti-interference ability. This system will bring about more convenience in application of multimedia classrooms. Keywords: Multimedia system; Infrared remote control; MCU; Electric relay目 录引言11 绪论21.1 系统背景21.2 系统设计主要任务21.2.1硬件设计21.2.2软件实现21.3 本章小结32 总体设计方案42.1 方案论证42.1.1系统的主控制器单片机42.1.2通信方式选择42.1.3红外信号处理电路的选择52.2 方案的可行性论证52.3 方案确定62.4 本章小结73 系统硬件电路设计83.1 RS-232接口通信83.1.1串行接口83.1.2 RS-232接口93.2 红外发送与接收电路103.2.1红外遥控编码103.2.2红外发射电路113.2.3红外遥控接收123.3 单片机系统模块143.3.1AT89S52介绍143.3.3单片机最小系统173.3.3电源电路183.3.4备用键盘控制电路193.4 控制驱动电路203.4.1光耦合器203.4.2继电器213.4.3直流电机及其驱动电路223.5 本章小结244 软件设计254.1 软件系统介绍254.2 程序流程图264.2.1主程序流程图264.2.2子函数流程图264.3 本章小结315 调试325.1 硬件调试325.1.1检测元器件是否能正常工作325.1.2调试中的问题及解决方法325.2 软件调试326 结论34谢 辞35参考文献36附 录137附 录243附 录344 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 45 页 共 44 页引言现代社会中，辅助教学的电气设备条件发生了翻天覆地的变化，教与学的过程中人们对教学电气设备智能化的需求不断提高。讲究教学品质，追求教学质量，是现代学校追求的教学目标。科技发展的最终目的就是用科学技术来改变我们的生活，让我们的生活智能化、时尚化、品位化。电子产品与我们的生活息息相关，已深入到我们生活的每一个空间，覆盖了每一个领域，而且很多电子产品已经成为我们日常生活的好帮手，所以今天的高科技电子产品已经不再是人们能否接受的问题，而是将以什么样的速度席卷我们的生活。改革开放二十多年发展历程中、高科技新产品的每一轮市场风暴，我们都记忆犹新，数万元的电脑，手机已经成为历史，教室里已不再只是黑板、粉笔，然而计算机、投影仪、幕布、音响等已不再是稀有贵重设备。多媒体教学创造了交互式的学习环境，把抽象的东西具体化，模拟现实世界的各种反应和现象，使教学更加生动形象、直观易懂，便于学生理解和掌握，提高学生的学习效率，使教学达到最佳效应。 随着科技的发展，传统的教学模式已不能够满足现代教育的要求，目前教学使用产品越来越趋向于自动化、智能化，节能化，越来越多的辅助教学设备走进课堂，面对众多的电气设备，老师们一方面要顾着上课，一方面要掌握如何使用并控制这些电气设备，使之能在课堂上发挥重要作用。本设计是一种基于AT89S52单片机为主控系统，介绍多媒体教室监控系统的总体设计、各组成部分和系统软件设计。该系统包括红外遥控模块、主控制模块、通信模块几个子系统。本设计的特点是“智能便捷服务”。此系统实现了一对多、多对一，随心所欲地控制设备的开关，能给课堂上带来更多便捷服务。1 绪论1.1 系统背景随着科技的不断发展，通信技术、电子技术、计算机技术、信息处理技术及多媒体技术发展迅猛，现代化技术渐渐应用于教学，越来越多的电气教学设备走进教室，大量的电子媒体如幻灯、投影、电影、录音、录像等，渐渐取代传统教学的教科书、黑板、粉笔。多媒体计算机校园网络系统，作为现代教育技术环境建设的一个重要组成部分，对学校的日常教学、素质教育、扩展学生知识面均有较大作用，现今全国许多大、中、小学已经普遍使用。合理选择和运用现代教学媒体，营造良好的学习环境，有利于教学的进行。对多媒体控制系统的设计研究越来越受到关注，如何配置一套性能稳定、质优价廉、使用方便的系统以满足现代教育发展的需求，已经成为许多学校亟待解决的问题。1.2 系统设计主要任务本文利用单片机电路制作多媒体教室监控系统的控制器。利用红外遥控信号完成对多媒体教室内电气设备的控制。设计过程中最关键的两个部分：系统硬件的设计和软件实现。1.2.1硬件设计硬件设计是通过对系统设计要求的分析，了解系统控制的要求，针对信息采集量和系统控制对象选择适当的电气设计，对各种元器件的了解，从而得出分立元件与集成块的某些电气连接方法，从而达到设计的功能要求。通过画图软件进行图纸绘制，然后把所要的器件按电气设计焊接到一块电路板子上。它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。系统硬件设计包括：红外发送及接受模块、系统主控制模块、串口通信模块、开关量设备控制模块、模拟量控制模块，系统电源设计模块。主控模块由单片机与其相关的软件组成，编写程序对单片机的工作状态进行控制。系统硬件的设计需要用到单片机、模电、数电、电器控制及红外信号处理等相关知识。在解决这一个问题的过程中，需要查阅大量资料。1.2.2软件实现系统软件设计是分析设计的硬件，用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。系统硬件的确定，系统软件功能也确定。深刻理解硬件特性，工作原理和工作过程，确定合理的方案，然后采用C语言编写红外信号接收处理软件、控制被控对象软件，并且调试、优化产品功能。本系统软件部分设计包括：红外信号接收处理部分、系统信息整合部分、控制动作执行部分。系统总体设计思路框图如图1-1所示：总方案确定电气总构思模块确定原理图绘制制作PCB各模块整合软件总构思了解各芯片操作子程序编写程序整合软件结合硬件调试图1-1 系统设计思路框图1.3 本章小结我国多媒体教室的使用正处于“奔小康”的阶段，普及率也将会进一步提高，多媒体教室使用率也将进一步提高。目前全国各大、中、小学在教学中使用多媒体教室越来越频繁。随着科技的不断发展，教室的设备控制将是一个越来越受到重视的问题。研究设计经济、便捷的多媒体监控系统将备受关注。设计一个简易而可靠的多媒体控制系统，以便适合大众使用，可以增大推广面，使更多的用户感受到多媒体教室的便利。2 总体设计方案系统包括了这几个部分：下位机与上位机的通信；主控制器部分；红外信号的发送与接收；开关量设备的电源控制；模拟量设备的控制；备用手动键盘。2.1 方案论证2.1.1系统的主控制器单片机方案一：选用目前较为通用的51系列单片机作为主控制器。通用的51系列单片机的运算能力较强，软件编程较灵活，自由度大，此类CPU在市场上比较常见、价格便宜而且技术比较成熟容易实现。方案二：采用凌阳的16位单片机SPCE061A作为控制核心。与51系列单片机相比，SPCE061A具有更加丰厚的资源，内部具有32个可编程的I/O端口，且有14个中断源。但此类单片机市场上比较少见，价格比较昂贵，技术还不够成熟，具有不稳定因数存在的可能。考虑到在本设计没有用到太多的资源，51系列单片机已经能够满足系统需求，综合分析考虑，选择方案一，即选择物美价廉的51系列单片机作为系统的主控制器。本设计中采用型号为AT89S52的单片机作为控制核心。2.1.2通信方式选择方案一：选择并行通信方式。并行通信的特点是数据的每一位被同时传输出去或同时接收进来，传输速度比较快、效率较高，数据处理比较简单，多用在实时、快速的场合。并行接口的数据传输速率比串口快8倍，标准的并口的数据传输速率理论值为1Mbps（兆比特/秒）。并行传输数据宽度可达1128位，甚至更宽，但有多少数据位就需要连接多少根数据线，所以传输的成本比较高。以计算机的字长来说，通常是8位、16位或32位作为传输单位，一次传送一个字长的数据。这种方式成本比较高，适合于外部设备与微机之间进行较近距离、较大量和快速的信息交换。方案二：选择串行通信方式。串行通信的特点是使用一根数据线，将数据一位一位地一次传输，每一位数据占用一个固定的时间长度，其在系统间交换信息时只要少数的连接线，特别使用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信，大量降低成本，但传输速率较低。虽然串行通信速度比并行通信慢，但采用串行通信，不管发送或者接收的数据为多少，最多只用到两根线，一根用于数据发送，一根用于数据接收。实际应用中可能还需要加一些信号线，但在多字节数据的通信中，串口通信与并行通信相比，工程造价要低得多。因此，串行通信在实际应用较为广泛。串行通信接口中，RS-232是主流之一。RS-232接口是1970年美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统和调制解调器厂家以及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通信的标准。随着设备的不断改进，RS-232接口中出现了代替DB25的DB9接口。本系统中采用的51系列单片内部集成了供数据串行通信的的串行接口电路，SBUF为单片机的串行口收发缓冲器，是一个可寻址的包含接收器和发送器的专用寄存器，可以实现全双工通信。单片机通过引脚RXD（串行数据接收端P3.0）和TXD（串行数据发送端P3.1）与外界通信。若在串行口的输入/输出引脚加上电平转换器，就可以方便地构成标准的RS-232接口。因此本系统设计中选择方案二，使用标准的RS-232接口的串口通信。2.1.3红外信号处理电路的选择方案一：采用单片机加专用解码芯片此方案中，采用专用的编码芯片编码，并采用与之相对应的专用解码芯片进行解码，比如配套的编码/解码芯片：MC145026/MC145027，然后将数据并行送给单片机译码。此方案的优点是软件设计简单，占用较少的CPU内存，但增加了大量外围电路的设计，并且占用单片机较多的I/O端口，使得单片机的I/O端口减少，不利于多路开关电路的扩展。方案二：采用单片机软件解码此方案中，采用通用的编码芯片进行编码，由接收头接收信号后采用单片机进行解码及译码。这方案的优点是外围电路设计较简单，只需与少量的单片机I/O端口连接，有利于单片机扩展多路开关电路的设计，然而软件设计相对较复杂，占用系统CPU比较多。考虑到本设计需要控制多媒体教室内众多的设备，需要单片机较多的I/O端口，而且AT89S52的内存也足够大，可以满足本设计的要求，所以采用方案二，利用单片机软件进行解码。2.2 方案的可行性论证实用性：本系统具有灵活性、实时性、稳定性以及多功能同时控制等特点，方便用户对多个设备进行控制。经济可行性：系统所用到的都是市场上物美价廉的器件，花费不大，适合大众需求。技术可行性：单片机对数据进行处理，硬件相对简单，较容易实现，软件相对复杂，需要精心设计。虽然软件有些难度，但整体技术可行，理论上完全可以实现。整个系统的设计抗干扰能力较强，需要强弱电隔离；操作简单，维护较方便，总体造价低。2.3 方案确定经过上述方案的综合分析，总体设计采取最优方案，可得出系统硬件由以下几部分组成：RS-232接口通信接口，电视红外遥控器，51单片机最小系统，红外信号接收与放大于一体的集成红外接收头，H桥驱动直流电机，LED灯模拟继电器控制220V设备电源的开与关。整体设计思路为：根据多媒体教室中老师或者其他人的请求，按下红外遥控器按键，发送红外控制信号。由一体化红外接收头接收红外信号并且进行放大处理，然后送到主控制器AT89S52。主控制器AT89S52内部不停地扫描检测红外信号，当检测到有红外控制请求信号时，对信号进行译码，并判断按键值。由主控器发出AT89S52控制执行指令，执行相对应的控制操作，驱动继电器闭合或者断开，从而接通或关断某设备的电源，转动云台调整投影仪方向等。由于红外遥控器是使用蓄电池供电，会有没电的时候，教室内上课期间遥控器没电的话，会影响到课堂，于是本设计多加了一个矩阵键盘，其功能与红外遥控器一致，作设备控制的备用控制输入。系统框图如图2-1所示：AT89S52红外遥控编码红外信号解调放大备用矩阵键盘继电器驱动光电耦合PC机继电器各种设备的电源模拟量设备控制图2-1 系统框图2.4 本章小结通过上述的分析，我大致对本课题有了一个全面的了解，同时也完成了一个基本的构思，为本课题的后续设计工作提供了依据和指导，为硬件部分的具体工作做出了方向性的确定，也为下一步工作打下基础。通过此次方案的确立，我深入了解了单片机AT89S52、红外技术、电器控制及与本课题相关知识。了解了这些知识在多媒体系统设计中的具体应用，并掌握了如何确立具体方案的方法。此次方案的确定可以实现整个系统的设计抗干扰能力较强，操作简单，维护较方便，总体造价低。3 系统硬件电路设计根据系统设计思路及系统框图，对系统硬件进行分模块设计，包括：RS-232接口外围电路，主控制器单片机系统，红外发送与接收部分，控制及驱动模块等。3.1 RS-232接口通信3.1.1串行接口AT89S52本身提供了简单的串行接口，通过引脚RXD(P3.0)和TXD(P3.1)与外界进行通讯。其内部结构图如图3-1所示：波特率控制SBUF(发送)发送控制接收控制SBUF(接受)发送端口接收端口接受移位寄存器DBDBRXDTXD读SBUF串行中断写SBUFRITI图3-1 单片机内部串行接口结构示意图由图3-1可见，51单片机内部有一个全双工的串行通信接口，即串行接收和发送缓冲器（SBUF），这两个在物理上相互独立的接收发送器，既可以接收数据也可以发送数据。但接收缓冲器只可以读出不可以写入，而发送缓冲器则只可以写入不可以读出，它们的地址为99H。这个通信口可以实现串行异步通信。除此以外，从图中可看出，接收缓冲器前还加上一个输入移位寄存器，MCS-51这种结构目的在于接收数据时避免发生数据帧重叠现象，以免出错，部分文献称这种结构为双缓冲器结构。而发送数据时就不需要这样设置，因为发送时，CPU是主动的，不可能出现这个现象。3.1.2 RS-232接口本系统中，单片机与外部通信采用标准的RS-232接口的串口通信。单片机与上位机PC机进行通信时，两者的电平不同，不能直接进行通信，因此采用MAX232进行电平的转换。MAX232芯片是美信公司专门为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电 ，芯片功耗低，典型的供电电流为5mA，内部集成2个RS-232C驱动器与2个RS-232C接收器。其管脚图如图3-2所示：图3-2 MAX232管脚图其管脚介绍如下：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4个10000PF电容构成。功能是产生+12v与-12v两个电源，供给RS-232串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。 其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）是第一数据通道；8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）是第二数据通道。 TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入并转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入并转换成TTL/CMOS数据之后从R1OUT、R2OUT输出。 第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。本系统中RS-232接口外部电路设计如图3-3所示：图3-3 MAX232电路连接图3.2 红外发送与接收电路红外遥控本质上是用红外来传递数字编码信号。一般的红外遥控系统有红外遥控信号发射器、接收器和微控制器及其他外围电路等三部分组成，如图3-4所示。遥控发射器遥控接收头CPU图3-4 红外遥控系统遥控信号发射器是用来产生遥控编码脉冲，然后驱动红外发射管输出红外遥控信号，遥控接收头完成对遥控信号的放大、检波、整形，从而解调出遥控编码脉冲。遥控编码脉冲是一组组串行二进制码，对一般的红外遥控系统，此串行码输入到微控制器中，由其内部CPU完成对遥控信号指令的解码，并且执行相应的遥控功能。在红外遥控系统中，解码核心是CPU。CPU接收解调出的串行二进制码，在内部根据本系统的遥控信号编码格式将串行码对应于遥控器上的按键。本设计中以单片机作为红外遥控系统的CPU，直接对遥控接收头解调出的遥控信号编码脉冲进行解码，获取原始的按键信息。3.2.1红外遥控编码本系统采用TC9012芯片编码的遥控器。TC9012芯片是用于东芝系列红外遥控系统中的专用发射集成电路。它采用CMOS工艺制造，可以外接32个按键，能提供8种用户编码，此外，还具有3种双重按键功能。TC9012的管脚设置和外围应用电路都进行了高度的优化，以配合电路图绘制中PCB的布图和低成本的要求。红外遥控发射器以TC9012作为核心组成按键扫描、编码、发射电路。TC9012的管脚图如图3-5所示图3-5 TC9012管脚图TC9012芯片低压CMOS工艺制造，低功耗超小静态电流，低工作电压，精简指令码，还具有8种用户编码可选择，适合本系统的控制需求。3.2.2红外发射电路将脉冲编码信号调制在载波振荡器产生的载波上，也称脉码调制，然后将这脉冲编码调制信号送去驱动红外发射二极管，用来发出经过调制的红外光波。红外遥控系统框图如图3-6所示：38KHz载波TC9012芯片编码控制盘调制驱动电路红外发射图3-6 红外遥控系统框图通常，红外遥控器将遥控信号，即二进制脉冲码，调制在38KHz的载波上，经过缓冲放大后送到红外发射二极管，转化成为红外信号发射出去。二进制脉冲码的形式有多种，其中较为常用的是脉冲宽度调制PWM码和脉冲位置调制PPW码。本设计采用PPM码对红外数据进行发送。遥控编码脉冲信号由引导码、系统码、系统反码、功能码、功能反码等信号码组成。引导码也称为系统起始码，由宽度为4.5ms的高电平以及宽度为4.5ms的低电平构成，用来标志遥控编码脉冲信号的起始。如图3-7所示。4.5ms4.5ms图3-7 信号引导码图示系统码也称为识别码，用来区分遥控系统的种类，以便与其他遥控系统分别开来，防止各遥控系统的误动作。功能码也称为指令码，代表相应的控制功能，接收机可以根据功能码的数据完成各种功能的操作。系统反码与功能反码分别为系统码和功能码的反码，加入反码是为了可以在接收端校对传输过程中的数据，防止产生差错。TC9012作为红外遥控器的控制核心，以脉冲位置调制PPM码把红外数据调制到38KHz的载波上，然后对外发送信号。3.2.3红外遥控接收红外遥控器发射调制的红外信号后，接下来就要进行接收的任务了。接收到的串行红外信号要经过解调和放大后才可送到单片机译码。系统的红外接收电路设计中采用一体化集成红外接收头TL1838进行红外接收。一体化集成红外接收头TL1838是集红外接收、红外解调及红外放大于一体的小型一体化接收头，不需要任何外接元件，就能完成从红外接收到输出与TTL电平信号相互兼容的所有工作。TL1838具有宽角度及长距离接收、抗干扰能力强、能抵挡环境干扰光线、低电压工作的特性。TL1838的内部电路包含红外线光电二极管、放大器、限幅器、带通滤波器、积分电路及比较器等。实际上红外接收头是由红外光电二极管与红外接收器CX20106组成。红外光电二极管监测到红外信号，之后把信号送到放大器及限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定水平，而不论红外发射器与接收器距离的远近。交流信号进入可以通过30KHz到60KHz的负载波的带通滤波器后，通过解调电路及积分电路后进入比较器，比较器输出高低电平，还原发射端的信号波形。为了提高接收的灵敏度，输出的高低电平与发射端是反相的。TL1838的内部工作流程框图如图3-8所示：前置放大增益控制控制电路带通滤波解调电路内部电路OUTGND图3-8 TL1838的内部工作流程图VSSTL1838的体积和普通的塑封三极管大小一样，它的外壳用铁皮封装，构成一个抗电磁干扰的屏蔽盒，对外只有三个引脚。适合于各种红外遥控和红外数据的传输，它的中心频率为38.0KHz。TL1838的管脚如图3-8所示：输出 接地 +5V图3-8 TL1838的管脚图尽管TL1838外部不需要接其他元器件就可以完成红外信号接收及处理工作，但其内部放大器的增益很大，较容易引起干扰，因此在接收头的供电管脚上加上滤波电容。为了进一步降低电源干扰，也可以在供电脚和电源之间接入阻值为300欧姆左右的电阻。本系统设计中将TL1838的输出接到单片机的INT0（P3.2）端口，采用外部中断进行数据接收处理。每当接收到红外信号，外部中断就向系统发出一次中断服务请求，单片机内部就可以做出相应的动作。红外接收电路图如图3-9所示：图3-9 红外接收电路3.3 单片机系统模块本系统采用AT89S52芯片作为主控中心，其兼容标准MCS-51指令系统及AT80C51引脚结构。3.3.1AT89S52介绍AT89S52是一种低功耗、高性能CMCS8位微控制器，具有如下特点：40个引脚，8k 字节在系统可编程Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部可编程双向输入/输出（I/O）口，内部看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时器/计数器，1个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外，AT89S52可以降到0Hz静态逻辑操作，支持两种软件可选择省电模式 。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、中断、定时器/计数器、串口继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机的一切工作被停止，直到下一个中断或硬件复位才开始工作。其内部功能结构如图3-10所示： CPU时钟电路ROMROM定时器/计数器并行I/O口串行接口中断系统P0 P1 P2 P3TXD RXDINT0 INT1 IIININT1图3-10 AT89S52内部功能结构图 (1) 主要特性： 8K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000次写/擦周期)； 全静态工作：0Hz-33Hz； 三级程序存储器保密锁定； 128*8位内部RAM； 32个可编程I/O线； 三个16位定时器/计数器； 八个中断源； 低功耗的闲置和掉电模式； 全双工UART串行通道； 片内振荡器和时钟电路； 掉电后中断可唤醒； 看门狗定时器； 双数据指针； 掉电标识符。(2) 管脚介绍如下：VCC：供电电压端。GND：接地端。P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，当作为输出口使用时，每位可以驱动8个TTL逻辑电平。当向P0端口写入“1”时，它的引脚被定义为高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0端口被作为低8位地址/数据复用，此种模式下，P0端口具有内部上拉电阻。在 flash编程时，P0端口用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节，此时需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1端口被写入“1”后，端口电平被内部上拉为高，此时可用作输入口。P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流（IIL），这是内部有上拉电阻的缘故。另外，P1.0和P1.2分别作为定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表3-3所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。表3-3 P1口的第二功能表引脚号第二功能P1.0定时器/计数器T2的外部计数输入（T2），时钟输出P1.1定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制（T2EX）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P2口：P2口为一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2端口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，此时P2端口可以作为输入口使用。并因此作为输入时，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流（IIL），这是内部有上拉电阻的缘故。在flash编程和校验时，P2端口接收高8位地址字节以及一些控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入使用时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（IIL），这是由于上拉的缘故。P3口也作为AT89S52的特殊功能（第二功能）使用，其第二功能如表3-4。表3-4 P3口的第二功能表引脚号第二功能P3.0串行通信输入：/RXDP3.1串行通信输出：/TXDP3.2外部中断0：/INT0P3.3外部中断1：/INT1P3.4定时器0外部输入：/T0P3.5定时器1外部输入：/T1P3.6外部数据存储器写选通：/WRP3.7外部数据存储器读选通：/RDI/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。看门狗计时完成后，RST 脚将输出96个晶振周期的高电平。ALE/ PROG：当访问外部程序存储器时，地址锁存控制信号（ALE）用于锁存地址的低位字节。flash编程时，此引脚（/PROG）也用作编程输入脉冲。在此处键入公式。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期中/PSEN被激活两次。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入端及内部时钟工作电路的输入端。XTAL2：反向振荡放大器的输出端。（3）存储器特点51系列单片机的存储器与一般的微机存储器的配置不一样，一般微机把程序和数据共同储存于一个存储空间，各存储单元对应于唯一的地址。而51单片机的存储器严格区分程序和数据的存储空间。以上就是本系统的核心芯片AT89S52介绍，下面对部分控制模块进行说明。3.3.3单片机最小系统单片机的最小系统中包含时钟电路和复位电路。（1）时钟电路单片机的时钟信号有两种产生方式，即内部时钟方式与外部时钟方式。外部时钟时钟方式是将外部时钟接到单片机XTAL1及XTAL2其中一个引脚，另一个引脚接地即可。内部时钟方式是利用单片机芯片内部的振荡电路实现，需通过单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接定时元器件。定时元器件选用晶体振荡器和电容组成并联谐振回路，内部反相放大器自激震荡，产生时钟。本系统中采用内部时钟方式，选用一个12M晶振及两个30PF电容组成系统的晶振电路。晶振电路如图3-11所示：图3-11 系统晶振电路（2）复位电路复位是单片机初始化操作，其主要功能是使系统程序指针指向主程序起始位置，让单片机从主程序起始位置开始执行程序。单片机在启动运行时需要复位使CPU和其他功能部件处于一个确定的初始状态，并且从这个初始状态开始工作。另外，如果在单片机工作过程中出现死机现象，也必须对单片机进行复位，让它重新开始工作。复位电路采用上电复位和手动复位两种方式。上电复位电路利用电容器充电来实现单片机复位。上电复位方式中，上电的瞬间RST引脚获得高电平，单片机复位电路随着电容充电电流的减少，RST引脚的高电平逐渐下降。只要RST引脚的高电平能保持2个机器周期，单片机就可以进行复位操作。系统的机器周期为T=62112M=1ms （3-1）系统设置充电常数为47ms，大于2ms，满足要求。手动复位方式中，按键按下，直接将高电平送到RST引脚，实现复位操作。复位电路如图3-12所示：图3-12 系统复位电路单片机复位后，程序计数器PC为0000H，指向程序存储器0000H单元，使得CPU从首地址重新开始执行程序，而复位时，单片机内部RAM中的数据将保持不变。3.3.3电源电路因为单片机工作电源为+5V，电路功耗很小。采用LM7805三端稳压管即可满足电路电源需求。LM7805三端稳压管有三个输入端子：输入端Ui、输出端Uo公共端COM。其内部由采样、基准、放大、调整及保护等电路组成。保护电路具有过流、过热以及短路保护功能。电源电路设计中，从电网接入220V交流电源，通过降压变压器（220/15V）降压降到15V交流电，再经过整流电桥硅堆整流，输出直流电压，然后经过集成稳压管LM7805的稳压以及滤波电容的滤波，可以为整个系统提供+5V的直流电压。当输出电流较大时，LM7805比较容易发热，应该给其配上散热片，防止稳压管被烧坏。系统云台转动的硬件电路设计部分的电机驱动H桥电路是用+12V供电，因此电源设计时还增加了一个输出+12V直流电压的稳压电源设计。+12V直流电源采用与LM7805一个系列的稳压管LM7812进行稳压。LM7812的内部电路组成与LM7805相似，输出的三个端子也相同。当然也要给LM7812配上散热片。电源的具体电路如图3-13所示：图3-13 电源输入模块3.3.4备用键盘控制电路51系列单片机应用系统中，除了复位按键有专门的复位电路和专一的复位功能外，其它的按键或键盘均是以开关状态来设置控制功能或输入数据。键盘有编码和非编码两种形式。编码式键盘需要用到编码芯片，硬件电路较为复杂，非编码键盘硬件电路极为简单，而两者的软件设计难度相当，故本系统采用非编码键盘控制。键盘控制电路采用33按键形式，并分成A、B两组，其中A组七个，B组两个。A组作为开关量设备电源控制选择按键，在实际中对应于用户对多媒体教室中不同设备电源开关的选择。B组是模拟量控制按键，在实际中对应于用户对多媒体教室云台转动控制的开关。其功能与红外遥控器相一致，作为备用键盘。33矩阵式键盘示意图如图3-14所示。行1列1 列2 列3行2行3图3-14 33矩阵式键盘示意图当用户想开启多媒体教室中某设备的电源时，可以按下相应的按键；当想关闭该设备的电源时只需再按一次同一按键。本系统键盘具体的按键排列如图3-15所示。电视电脑照明灯音响云台上转投影仪空调窗帘云台下转列1 列2 列3行1行2行3图3-15 键盘的按键功能安排图及引脚图按键开关状态可靠输入有两种解决方法：一种是软件去抖动；另一种为硬件去抖动。使用软件去抖动，是在检测到有键按下时，执行一个10ms的延时子程序后，再次确认该键电平是否仍保持闭合状态的电平，如保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从而消除了抖动的影响。使用硬件去抖动，是为按键添加一个锁存器。两种方法都较简单易行，本设计采用的是软件去抖动方法。3.4 控制驱动电路多媒体教室中被控制对象可以分成两大类：开关量控制类和模拟量控制类。系统中开关量控制类是指功耗较大的设备电源控制。通过用功耗小的系统控制功耗较大的设备，需要做好强弱电气的隔离，防止电气干扰，影响控制效果。控制驱动电路包括光电耦合电气隔离电路、继电器驱动电路、继电器连接电路、电动机驱动电路等。3.4.1光耦合器系统采用光耦合器对系统中强弱电进行电气隔离。光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）也称光电隔离器，简称光耦。光电耦合器以光作为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号具有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。现在它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一，也是开关电源电路中最常用的器件。光电耦合器一般由三个部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。发光二极管被输入电信号放大而发出一定波长的光，光探测器接收到此光而产生光电流，再经过进一步的放大后输出。这就是“电光电”的转换，从而起到输入与输出隔离的作用。由于光耦合器的输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力以及抗干扰能力。再者光耦合器的输入端是电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中用作终端隔离元件时可以大大提高系统信噪比。在计算机数字通信及实时控制中用作信号隔离的接口器件，可以大大提高计算机工作的可靠性。（1）光耦合器的主要特点信号单向传输，输入与输出完全实现电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力极强，工作较稳定，无触点，使用寿命长，传输效率较高。光电耦合器是70年代发展起来的新型器件，现今已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、脉冲放大电路、信号隔离、级间隔离 、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、仪器仪表、固态继电器(SSR)、通信设备及微机接口中。在单片机开关电源中，利用线性光耦合器可以构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，可以达到精密稳压目的。(2)光耦合器的性能及类型光耦合器中用于传递模拟信号的发光器件为二极管，光接收器为光敏三极管。当发光二极管有电流通过时，便形成一个光源，该光源照射到光敏三极管表面上，使光敏三极管产生一个集电极电流，这个电流的大小与光照的强弱，即流过二极管正向电流的大小成正比。由于光耦合器的输入端和输出端之间是通过光信号来传输的，因而两部分之间在电气上是完全隔离的，没有电信号的反馈及干扰，所以性能稳定，抗干扰能力强。发光管和光敏三级管之间的耦合电容较小（2pf左右）、耐压较高(2.5KV左右)，因此共模抑制比很高。由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。（3）东芝TLP521-4是一个四路相互独立的光电耦合器件，电流传输特性特性曲线接近直线，且在小信号时性能比较好，能够以线性特性进行隔离控制。TLP521-4的内部结构图如图3-16所示：图3-16 TLP521-4的内部结构图及引脚图3.4.2继电器系统中继电器控制设备电源起着驱动、安全保护、转换电路的作用。继电器是当输入量（如电压、电流、温度等）的变化达到规定的值时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器件。继电器有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。在电力保护、自动化、运动、遥控、测量以及通信等装置中得到广泛应用。继电器是一种电子控制器件，它具有控制