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毕业设计

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dq074教室照明节能控制系统的设计,毕业设计

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毕业设计 (论文 )任务书 学生姓名 _吕新阳 _指导教师 余世明 王海伦 职称 教授 助教 系别 _信电系 _专业 工自 年级 _大三 _班级 2 课题名称 教室照明节能控制系统 的设计 任务与要求： 具统计在我国，照明耗电占年发电总量的 10%（超过 100 亿千瓦时），而对照明时间长、照明场所多的学校，照明耗电超过本单位所有耗电的 40%。 目前 ,国内大、中、小学校教室的照明灯具控制大多采用手动开关 ,即使严格管理 ,仍不可避免地出现忘记关灯的时候 ,特别是在白天 ,情 况更是如此 ,从而造成大量的能源浪费。另外 ,各种照明灯具都具有一定的使用时限 ,在光线充足的情况下仍继续使用 ,必然会缩短灯具的使用寿命。为解决上述问题 ,实现教室照明灯具的自动控制 ,我们设计出一种新型的节能控制系统。 要求： 本控制器要设置三套传感系统和严密的软件控制 ,其工作方法是 :当教室无人时，关闭电源，所有灯具均熄灭。当教室有人时，分成三种情况： 1、若室内照度 X X1时灯全部打开 2、若室内照度 X1 X X2时灯开一半（即每组开一支）3、若室内照度 X X2时所有灯均不开，见图 1。 图 1 X1、 X2的取值可根据平均照度的计算公式： E= N U K/A 计算。 式中： 光源的光通量，单位 x； N 灯具数； U 灯具的利用系数； K 维护系数； A 室内面积，单位 m2。 （国标对教室照度推荐值： 150x、 200x、 300x） 任务： 1）采用单片机实现自动控制 2）有显示和报警 3）绘出系统的硬件原理图和电路图 4）绘出软件流程图 5）编写程序清 单 nts 参考文献： 1、何立民编著 MCS51系列单片机应用系统设计系统配置与接口。 北京航空航天大学出版社 2、张毅刚、彭喜源等编 MCS51 单片机应用设计。 哈尔滨工业大学出版社 3、张达敏 教室照明智能控制器 贵州工业大学学报 4、井口征士编著 传感工程。 科学出版社 5、刘祖润、胡俊达编 毕业设计指导书。 机械工业出版社 6、何循来 高性能八位单片机 AT89C51 毕业设计进度安排： 4.设计 (论文 )完成进度计划 第 1 周：布置题目、任务，查资料。 第 2 周：确定总体控制方案 第 3 周： 建立数学模型，完成开题报告和文献综述 第 4 周 第 6 周：毕业实习 第 7 周：确定硬件草图 , 画出硬件框图 第 8 9 周：选择单片机型号，传感器、执行元件 ，完成输入通道 第 10 11 周：完成输入通道 , 完成外围电路及整个硬件部分 第 12 13 周：画出流程图 , 主程序的设计 第 14 周：完成软件部分 第 15 16 周：画硬件接线图，完成论文 第 17 周：打印图纸，准备答辩 nts 毕业设计 (论文 )任务书 学生姓名 _指导教师 余世明 王海伦 职称 教授 助教 系别 _专业 年级 _班级 课题名称 某化工厂污水处理的微机控制系统 任务与要求： 化工厂排出的废水为酸性，直接排放会导致土壤的严重污染，排放前必须经过处理使之达到中性，现采用加入电石渣液（碱性）的方法进行中和。发达国家在二级处理普及以后在污水处理设施的检测、运行、和管理方面已投入大量资金和科研力量，实现了计算机控制、报警、计算 和瞬时记录。我国起步较晚，且多是引进国外成套自控设备，国产自动控制系统在污水处理厂应用较少。 要求： 1） PH值超调量： 10% 2）静差： 0.5 3）显示给定 PH值和瞬时 PH值 4）超范围报警 任务： 1）采用单片机实现闭环自动控制 2）采用 PID控制算法 3）对沉淀池进行 5点 PH值测量取平均值 4）绘出系统的硬件原理图和电路图 5）绘出软件流程图 6）编写程序清单 参考文献： 1、何立民编著 MCS51系列单片机应用系统设计系统配置与接口。 北京航空航天大学出版社 2、孙德辉等编 微型计算机控制系统。 nts北京冶金工业出版社 3、张毅刚、彭喜源等 编 MCS51 单片机应用设计。 哈尔滨工业大学出版社 4、赵秀菊等编 单片机与测控技术。 东南大学出版社 5、井口征士编著 传感工程。 科学出版社 6、邹伯敏编 自动控制理论。 机械工业出版社 7、刘祖润、胡俊达编 毕业设计指导书。 机械工 业出版社 8、何循来 高性能八位单片机 AT89C51 9、沈曦 废水处理中 PH值计算机控制系统设计 毕业设计进度安排： 毕业实习：第 4周 第 6周 毕业设计：第 1周 第 3周 第 7周 第 12 周 第 1周：布置题目、任务，查资料。 第 2周：确定总体控制方案 第 3周：建立数学模型 ，完成开题报告和文献综述 硬件设计： 第 7周 第 9 周 第 7周：确定硬件草图画出硬件框图， 第 8周：选择单片机型号、传感器、执行元件，完成输入通道 第 9周：完成输出通道，完成外围电路及整个硬件部分 软件设计 第 10周第 12周 第 10周：画出流程图，主程序的设计 第 11周：中断程序的设计，完成软件部分 第 12周：画硬件接线图，打印图纸、 完成论文， 答辩 nts 毕业设计 (论文 )任务书 学生姓名 _指导教师 余世明 王海伦 职称 教授 助教 系别 _专业 年级 _班级 课题名称 PVC 电石给料机变频调速控制器 任务与要求： PVC 是五大通用塑料之一，由于生产成本低、应用领域宽而得到迅猛发展。目前，世界上 PVC 生产能力达 2450 万 t/a， PVC 化学建材具有良好的使用性能和经济性，尤其在节能、节材等方面具有许多优点。国外 PVC 生产路线均为乙烯法，其生产规模大、能耗少、生产成本低，然而 PVC 市场价格与国际油价的波动有着密切的关系，直接影响着国外乙烯法路线 PVC 企业的生产成本。目前，国内 PVC 生产主要有两种途径：一是以石油为原料的石油裂解法：二是以电石为原料的电石法。 70%产能均为第二种方法，技术水平和生产成本都处于劣势，能耗高、环境污染严重，因此为提高生产规模而进行技术扩建和改造十分迫切，如何在现 有装置上进一步提高生产效率和半成品质量，最大限 度地提高经济效益和社会效益，是众多企业共同面临的问题。巨化股份公司电化厂是一家专业生产烧碱、 PVC、 PVDC 的股份制企业，但在 PVC 树脂的生产过程中，电石下料振荡器的控制还是采用传统的电磁振动装置控制，采用这样的方法控制操作不方便、故障率高、电能消耗率高、停机频繁且日常维护量大，不利于企业的连续生产。由于系统中的聚合反应是连续运行的，曾多次造成停车或降流量，每年由此造成的各种经济损失累计达 400 多万元。为此 设计出采用变频器 交流电动机调速控制系统代替以往的电磁 振动装置控制 有其实际意义 。 要求： 1）采用双变频器控制 给料机的启动、变频调速、制动停机 2） 惯性振动给料机型号： GZG633 3) 启动时间 5S 4) 停机时间 3.5S nts5) 工作环境温度： -10 40 6）具有故障指示 任务： 1）采用 电动机调速控制系统取替以往的电磁振动装置控制 2） 确定最佳控制方案 3） 选择合适器件绘出电气原理图和接线图 4） 编写使用手册 毕业设计进度安排： 毕业实习：第 4周 第 6周 毕业设计：第 1周 第 3周 第 7周 第 12 周 第 1周：布置题 目、任务，查资料。 第 2 3 周：分析振荡器下料的规律确定总体控制方案 ，完成开题报告和文献综述 第 4 6 周：毕业实习 第 7 周：确定电气原理图 第 8 周：所需器件的选型。 第 9 周：完成表盘示意图 第 10 11 周：制作出振动给料机变频调速组合控制箱 第 12 周： 画电气原理图，打印图纸、 完成论文， 答辩 nts 浙江工业大学浙西分校 毕业设计（论文） 题 目： 教室 照明控制系统的设计 作 者： 吕新阳 系 （部）： 信 电 系 专业班级： 03 工业电气自动化（ 2） 指导教师： 余世明 王 海伦 职 称： 教授 助教 2006 年 6 月 6 日 nts 信息与电子工程 系毕业设计 (开题报告 ) 毕业设计 (论文 )开题报告 信 电 系 工业电气自动化 专业 03 级 2 班 课题名称： 教室照明节能控制系统 的设计 毕业设计 (论文 )起止时间： 2006 年 2 月 15 日 6 月 8 日 (共 17 周 ) 学生姓名： 吕新阳 学号： 15 指导教师： 余世 明 王海伦 报告日期： 2006 年 3 月 5 日 nts 信息与电子工程 系毕业设计 (开题报告 ) 1本课题所涉及的问题在国内 (外 )的研究现状综述 自 20世纪 70年代出现能源危机以来，节能工作引 随着社会 主义市场经济的高速增长和对外经济开放的全方位展开 起了全世界的广泛关注。绿色电力机制自 20世纪 90年代中期在荷兰、美国、德国、澳大利亚等国家逐步发展起来以后，取得了令人瞩目的营销经验。到了 2002-2004，全世界开展绿色电力营销项目的国家有将近 20个。在我国，由国家经贸委负责，会同国家计委、科技部、建设部等 13个部门，在 “ 九五 ”计划期间共同组织实施了中国绿色照明工程。 1996年国家经贸委指定并印发了中国绿色照明工程实施方案，全面启动了该项工程，取得了明显的经济效益和社会效益。进入 21世纪，在总结实施经验和借 鉴国外成功方法的基础上，为进一步推进照明节能，提高能源效率，国家经贸委与联合国开发计划署合作开展了中国绿色照明工程促进项目，并在整个 “ 十五 ” 期间实施。为此指定了编写产品能效标准及建筑照明设计能效标准，组织技术交流，开展绿色照明教育和培训等一系列计划，并正在实施中 这是基于单片机的教室照明节能控制系统。单片机是把微型计算机主要部分都集中在一个芯片上的单芯片微型计算机 ,它小巧、灵活集成度高、价格低、易产品化 , 能方便地组装、成各种智能式控制器和仪器 , 做到机电一体化。 我国单片机的研制和应用始于 70 年代末 , 真正应用则在 80 年代中期 ,明显落后于美、日等发达国家。进入 90 年代 ,我国单片机的开发应用取得了飞速的进展 ,特别是在工业控制、智能仪器仪表、产品自动化、分布式控制系统中取得一些可喜成果。据不完全统计 , 现在国内每年消耗的单片机数量已超过 200 万片 , 单片机正以惊人的速度向国民经济各个领域渗透。但目前国内的单片机应用主要集中于 8 位机 ,品种比较单调。 8031 是我国单片机应用的主流机型。 Atmel 公司的 AT89C51 以其低功耗、高性能也得到广泛的应用。 国外方面，随着微电子技术和大规模、超大规模集成电路技术 (L S I/V L S I) 的迅速发展 , 使得单片机不断更新换代 , 性能越来越强 , 价格越来越低。据最新资料报道 , 单片机的性价比以 1.5 倍年增长率递增。 90 年代单片机的发展将沿着高速化、通用化、以专用 L S I 和 VL S I提高性价比、大量数据处理以及模拟和数字混合集成等多方向发展 , 具体表现是 CPU的高性能化、存贮器的发展和半导体工艺技术的发展。 利用单片机来设 具 计， 实现教室照明灯的自动控制，我们设计出一种新型的节能控制系统。 nts 信息与电子工程 系毕业设计 (开题报告 ) 2设计 (论文 )要解决的问题和拟采用的研究方法 学校教室有很多，如 果要达到节能的目的就要有专门的工作人员定时巡逻，这势必造成人员的浪费。所以我们想到了用智能的方法实现相同的目的，本文设计以MCS-8051单片机为核心，巧妙的采用了红外线遥控技术、单片机控制技术等技术。把智能控制技术用于教室照明的控制中，达到智能地控制教师里灯的开关的效果。 为解决上述的问题实现教室照明灯具的自控制，我们着手设计一种新型的节能控制系统。考虑到教室的照明控制要求并不是 太高，所以在设计节能 制 动 时尽量考虑用最少的投资达到最佳的控制效果。针对整个教学楼的光线环境差不 多在教学控系统 楼外部装一个可见光探测组件即可，而不同教室的有人或没人情况的不同均需测量，我们在每个教室的天花板安装一个检测有无人的热释红外线探测模块 HN911。用多路开关分时复用的将检测信号送到单片机系统。 结合硬件电路和控制过程，（根据控制要求），我们设计了根据教室里人的情况和光线环境相结合的智能软件（控制）方案，它可以实现：无人或有人（无论是否有人只要）光强高于某一设定值（ 300lx）满足人眼要求时不开灯；有人但光强低于某一设定值大于另一设定值（可取 200 lx）时灯开一半；有人且光线强底于另一设定值时 ，灯全开。上述功能在实际应用中具有很大的实用价值。 nts 信息与电子工程 系毕业设计 (开题报告 ) 硬件设计主要包括：传感器部分和控制器部分 传感器部分用热释红外探测传感器组件、可见光探测组件和声响探测组件。 热释组件由三个部分组成：热释传感器，匹配低噪放大器，菲涅尔光学系统。可见光探测组件， 通过对光电管、光敏电阻等光电探测器的各种性能进行比较，发现光敏电阻的光谱响应峰值比较接近人的视觉敏感区 555mm 波长，其次是当光照强度减弱时，它的响应时间相对增加，这对本套装置在光照强度变化时，输出状态保持相对稳定十分重要。考虑到光敏电阻对温度变化较为敏感，偏置电 路中的电阻可以采用与探测元件温变系数相近的光敏电阻，以防止工作点漂移，保证输出的稳定性。为避免光敏电阻受光面小的缺点，探测元件应在建筑物周围进行合理地分布（尤其是对市内光线影响较大的地方），用于探测自然光的有无及强弱（可根据需要进行调整）。声响探测组件采用驻极体话筒作为探测器，接在三极管的基极与普通电阻作分压式连接，当有声波作用于话筒时，使驻极体话筒的内阻急剧下降，改变三极管的基极偏压，促使三极管的工作状态翻转，通过电平变换电路，为控制器提供检测状态，达到判断有无声响的目的。 控制部分选用 AT89C51 单 片机为控制部分的核心。 AT89C51 是一种低损耗、高性能、 CMOS 八位微处理器，片内有 4 KB 的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入 / 擦除 1 000 次，擦写时间仅需 10 ms。 nts 信息与电子工程 系毕业设计 (开题报告 ) 3本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路 本课题的重点在于传感器组件的选择及其安装的位置，还有抗干扰设计。 本设计中有用到传感器，现在市面上的传感器组件品种繁多，每一种型号都有自己特别适用的某些用途。为了获得高保真的检测数据，我们必须根据检测的使用要求，选择最适合的传感器。通常，有下面几方面因素。 一、解决小信号、低噪声放大器的设计 传感器的输出信号很小，只有 10-4V 的量级，而且是高阻输出，为了检测这样小的信号电压，得到良好的低频响应及阻抗匹配，采用了低噪声高阻抗的前置放大器，用结型场效应晶体管 (JFET)采用源跟随器的方式作为前置放大器 。 . 二、提高信噪比，增强抗干扰能力 采取的主要措施有以下几条 。 . 采用双型传感器 ;将 JFET 源跟随器作为前置放大器并与探测器封装在一起，再加上金属屏蔽罩 ;电源线及接用电器的引线均采用屏蔽线 ; 加高频扼流圈及大电容滤波 。 . 三、保证放大器的线性 在放大器的设计 中使用大的反馈来使得增益特征与放大器的开环非线性无关，这样可以保证放大器的线性 . 四、使灵敏度可调节 (1)线性处理 (即电路处理 ):把信号放大，一般在几十 上千倍 . (2)光学处理 :加透镜通过以上两个方法处理后的控制器的灵敏度正常可达1214m。 . 红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系 .。正确的安装应满足下列条件 ： . nts 信息与电子工程 系毕业设计 (开题报告 ) 1、 红外线热释电传感器应 距 地面 2.0-2.2 米 。 2、 红外线热释电传感器远离空调 , 冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方 。 3、 红外线热释电传感器探测范围内不得 隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物 。 4、 红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方 。 红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感 , 而对于横切方向 (即与半径垂直的方向 )移动则最为敏感 . 在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环 。 抗干扰方面： 1防小动物干扰： 探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生报警 2 抗电磁干扰 ： 探测器的抗电磁波干扰性能符合 GB10408 中 4.6.1 要求，一般手机电磁干扰不会引起误报 3 抗灯光干扰 ： 探测器在正常灵敏度的范围内，受 3 米外 H4 卤素灯透过玻璃照射，不产生报警 。 nts 信息与电子工程 系毕业设计 (开题报告 ) 4 完成本课题所必须的工作条件 (如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计算机辅助设计条件等等 )及解决的办法 工具书： 1 何立民 .MCS51 系列单片机应用系统设计系统配置与接口 M.北京航空航天大学出版社 ,1990,2 2 孙德辉 ,杨宁 .微型计算机控制技术 M.北京冶金工 业出版社 ,1998 3 张毅刚 ,彭喜源 . MCS51 单片机应用设计 M.哈尔滨工业大学出版社 ,1999 4 张达敏 . 教室照明智能控制器 J.贵州工业大学学报 ,1998 5 井口征士 . 传感工程 M.科学出版社 ,1998. 6 刘祖润 ,胡俊达 . 毕业设计指导书 M.机械工业出版社 ,1999. 7 何循来 . 高性能八位单片机 AT89C51J 8 教室照明的经济分析及节能措施 J.岳阳师范学院学报， 2001,2 9 刘学军 . 检测与转换技术 M. 北京：机械工业出版 社， 1999. 10 何立民 . 单片机应用系统抗干扰技术 . 北京 :北京航空航天大学出版社 ,2000. 11 何立民 . 单片机应用技术选编 (18 分册 ) . 北京 :北京航空航天大学出版社 ,2000. 12 余永权 . ATMEL89 系列 Flash 单片机原理及应用 . 北京 :电子工业出版社 ,1999. 13 沈德金 . 单片机接口技术实验指导 M . 北京： 北航大学出版社 ， 1993. 14 李广弟 . 单片机基础 M. 北京： 北京航空航天大学出版社 ， 1994. 15雷晓 平等单片计算机及其应用电子科技大学出版社， 1996 16赵秀菊等单片微机与测控技术东南大学出版， 1993 17杨宁微机控制技术高等教育出版社， 1995 18刘祖润、胡俊达毕业设计指导机械工业出版社， 1998.3 19邹伯敏自动控制理论机械工业出版社 1997 nts 信息与电子工程 系毕业设计 (开题报告 ) 5.设计 (论文 )完成进度计划 第 1 周：布置题目、任务，查资料。 第 2 周：确定总体控制方案 第 3 周： 建立数学模型，完成开题报告和文献综述 第 4 周 第 6 周：毕业实习 第 7 周：确定硬件草图 , 画出硬件框图 第 8 9 周： 选择单片机型号，传感器、执行元件 ，完成输入通道 第 10 11 周： 完成输入通道 , 完成外围电路及整个硬件部分 第 12 13 周：画出流程图 , 主程序的设计 第 14 周：完成软件部分 第 15 16 周：画硬件接线图，完成论文 第 17 周：打印图纸，准备答辩 nts 信息与电子工程 系毕业设计 (开题报告 ) 6 指导教师审阅意见 指导教师 (签字 )： 年 月 日 7 教研室主任意见 教研室主任 (签字 )： 系 (签章 ) 年 月 日 说明： 1. 本报告必须由承担毕业设计 (论文 )课题任务的学生在接到“毕业设计 (论文 )任务书”、正式开始做毕业设计 (论文 )的第 2 周或第 3 周末之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。 2.每个毕业设计 (论文 )课题撰写本报告一份，作为指导教师、教研室主任审查学生能否承担该毕业设计 (论文 )课题任务的依据，并接受学校的抽查。 nts 摘 要 针对教室等场所照明的能源浪费和灯具寿命缩短问题，设计了一种基于单片机控制的节能控制系统。单片机是把微型计算机主要部分都集中在一个芯片上的单芯片微型计算机 ,它小巧、灵活集成度高、价格低、易产品化 ,能方便地组装、成各种智能式控制器和仪器 ,做到机电一体化。 学校教室有很多，如果要达到节能的目的就要有专门的工作人员定时巡逻，这势必造成人员的浪费。所以我们想到了用智能的方法实现相同的目的，本文设计以 MCS-8051单片机为核心，巧妙的采用了红外线遥控技术、单片机控制技术等技术。把智能控制技术用于教室 照明的控制中，达到智能地控制教师里灯的开关的效果。 本文介绍了这种新型教室节能控制系统的工作原理及设计方案，并且阐述了本系统的硬件组成和软件设计。硬件主要有作为传感器部分的红外线和光敏组件， 还有 作为控制部分的执行机构 。软件 方面有主程序 ，采样程序 和抗干扰的设计。该控制系统若得到推广使用可以实现各类学校教室照明灯具得智能控制，达到节约能源，延长灯具寿命的目的。 关键词 ： 传感系统； AT89C51 单片机；节能控制系统；硬件及软件设计 nts Abstract Aimed at the waste of sources in the classroom lighting and the lives of the lamps are shortened, we have designed a Intelligence Control System Based on Single-Chip-Microprocessor. A Single-Chip-Microprocessor is chase the main parts of microcomputers all concentrated on a chip of single chip microcomputer, it is cleverly made and vivid to gather the degree is high, the price is low, the easy product turn, can assemble, become various intelligence type controller and instrument expediently, attaining the machine electricity integral whole to turn. The classroom in the school have a lot of, if to attain the purpose of economy energy and will have the specialized staff member to settle patrol, this certainly will result in personnel waste So the same purpose of method realization that we thought of to use the intelligence, this text the design take a machine of MCS-8051 as the core, skillfully adopted the infrared ray remote control technique, a machine control technique etc. technique Control the intelligence in the control of the lighting that the technique used for the classroom, attain the intelligence ground control the teacher in the light of the result of the switch The paper introduces the principle and design of an automatic control system for classroom lighting, and hardware composing and software design of this system in detail. The hardware mainly has the conduct and actions to spread the infrared ray and the light modules of the feeling machine part, being the performance organization of the control part. The spread use of the cont rollers will help realize the intelligent control of lighting in various educations so as to save energy and extend the life of the lights. Key words: sensor system; single-chip-computer; control system; hardware and software design nts 1 文献综述 由于世界经济的快速增长，各国对能源的消费量需求越来越多， 我国已成 为世界 第二大能源消费国。 自 20世纪 70年代出现能源危机以来，节能工作引起了全世界的广泛关注。绿色电力机制自 20世纪 90年代中期在荷兰、美国、德国、澳大利亚等国家逐步发展起来以后，取得了令人瞩目的营销经验。到了 2002-2004，全世界开展绿色电力营销项目的国家有将近 20个。在我国，由国家经贸委负责，会同国家计委、科技部、建设部等 13个部门，在“九五”计划期间共同组织实施了中国绿色照明工程。1996年国家经贸委指定并印发了中国 绿色照明工程实施方案，全面启动了该项工程，取得了明显的经济效益和社会效益。进入 21世纪，在总结实施经验和借鉴国外成功方法的基础上，为进一步推进照明节能，提高能源效率，国家经贸委与联合国开发计划署合作开展了中国绿色照明工程促进项目，并在整个“十五”期间实施。为此指定了编写产品能效标准及建筑照明设计能效标准，组织技术交流，开展绿色照明教育和培训等一系列计划，并正在实施中 我国的能源问题非常严峻，特别是电能资源。 去年夏天， 7月份上海的最高用电负荷达到 1343万千瓦；而与上海毗邻的浙江省，缺电额接近 40%。为解燃眉之急，浙江省出高价向兄弟省市买电。 7月 28日，京、津、唐地区的用电负荷达到 1938万千瓦，创历史最高记录 。 由于南方持续高温，全国用电负荷不断创历史新高，电力供需不平衡使全国电网面临前所未有的考验。 7月，华东、华中、华南等地持续高温酷暑，用电负荷接连创历史新高， 19个省区市拉闸限电，重灾区浙江向外省市高价购电却无电可买，因为大家都缺电。 在 我国，照明耗电占年发电总量的 10%(超过 100亿 kW h)。目前，国内的各个学校大多采用传统的开关不可避免的有忘记关的现象，造成大量的浪费 。 为解决上述问题，实现教室照明灯具 的自动控制，我们设计出一种新型的节能控制系统。 这是基于单片机的教室照明节能控制系统。 nts 2 单片机是把微型计算机主要部分都集中在一个芯片上的单芯片微型计算机 ,它小巧、灵活集成度高、价格低、易产品化 ,能方便地组装、成各种智能式控制器和仪器 ,做到机电一体化。单片机以其超小型化、高可靠性和高性价比的特点 ,广泛应用于各个领域 ,使传统的电子技术产生了一场巨变 ,成为计算机发展史上一个新的里程碑 我国单片机的研制和应用始于 70年代末 ,真正应用则在 80年代中期 ,明显落后于美、日等发达国家。进入 90 年代 ,我国单片机的开发应用取得了 飞速的进展 ,特别是在工业控制、智能仪器仪表、产品自动化、分布式控制系统中取得一些可喜成果。据不完全统计 ,现在国内每年消耗的单片机数量已超过 200 万片 ,单片机正以惊人的速度向国民经济各个领域渗透。但目前国内的单片机应用主要集中于8位机 ,品种比较单调。 8031是我国单片机应用的主流机型。 Atmel公司的 AT89C51以其低功耗、高性能也得到广泛的应用。 国外方面，随着微电子技术和大规模、超大规模集成电路技术 (LSI/VLSI)的迅速发展 ,使得单片机不断更新换代 ,性能越来越强 ,价格越来越低。据最新资料报道 ,单片机 的性价比以 1.5倍年增长率递增。 90年代单片机的发展将沿着高速化、通用化、以专用 LSI和 VLSI提高性价比、大量数据处理以及模拟和数字混合集成等多方向发展 ,具体表现是 CPU的高性能化、存贮器的发展和半导体工艺技术的发展。 目前 CPU性能改进主要在以下几方面： (1)为了提高系统性能 ,采用双 CPU或多 CPU结构提高处理能力 ,构成功能强大的并行处理系统 ,这是单片机的发展方向之一 ,如 Rockwell的 R6500/21和 R65C29等。 (2)增加数据总线宽度 :为了适应一些通用单片机难以胜任的场合 (如要求实时 处理及实时控制 ),发展了 16位、 32位的单片机。 (3)采用流水线结构 :指令以队列形式出现在 CPU中 ,提高了运算速度。 (4)特殊结构的单片机 Tranputer。 Transputer译为“超级传输式计算机” ,它是 Inmos公司推出的高性能单片机 ,包括 T212、 T414、 T800系列 ,在单个芯片上集成了包括处理器、高速缓存、浮点运算器、存贮器控制器及用于 Transputer之间点到点相连的串行联接接口。 nts 3 存贮器的发展是推动单片机进展的重要因素之一 ,其发展方向主要是大容量存贮器、 ROM的易写和不丢失、软件保密及 专用存贮器等。 (1)加大存贮容量 : (2)EEPROM和 Flash EPROM (3)编程保密化 (4)专用存贮器 : 早期的单片机采用 PMOS工艺 ,接着由 PMOS发展到 NMOS工艺。目前高档单片机已基本上采用性能更好的 HMOS或 CMOS工艺。半导体工艺技术的发展 ,推动了单片机芯片技术的发展 ,使得单个芯片的计算机规模越来越大 ,功能越来越强 ,CMOS工艺制作芯片的功耗越来越小。 加工技术对提高单片机的性能具有十分重要的作用。加工工艺水平主要表现在晶体管的栅极长度上。普通单片机采用 5Lm加工技术 ,目前采用 2Lm工艺的产品已批量生产 ,预计用小于 1Lm工艺的产品也将很快投入批量生产。由于微细化加工技术的发展 ,每块芯片上晶体管元件的集成度成倍提高。如 80860单片机使用了100万只晶体管 ,这种集成度已与 80486的集成度相当。随着集成度的不断提高 ,就有可能把众多的各种外围功能器件集成在芯片上 ,如 ADC、 DAC、 DMA控制器、 CRT控制器、声音发生器、锁相环、译码驱动器、比较器和预定标器等。单片机功能器件的增加 ,使得它几乎在所有领域都能畅通无阻 ,成为在工业控制领域中最广泛使用的计算机。 在控制领域单片机控制有着无可比拟的 自身优势，用它来实现教室照明的节能控制也是非常具有实际意义的。根据一定的数据， 在扣除学校其他用电正常递增的基础上学校的用电量与使用这套装置之前同期相比，降低了 30%，同时，教室内照明灯具、开关的维修量大为减少，使用寿命也相应增加了 10%，取得了较好的经济效益。 同时 本设计也适用于车站候车室、办公楼等场所。 值得推广。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 1 目 录 第 1 章 概 述 .1 第 2 章 系统的组成原理及灯具的处理 .3 2.1 系统设计 .3 2.2 人体红外线检测 .3 2.3 系统组成 .5 2.4 系统工作原理 .6 第 3章 系统硬件设计 . 7 3.1 单片机的选择 .7 3.1.1 AT89C51 的介绍 .7 3.1.2 AT89C51 的程序存储器的扩展 . 11 3.2 热释红外探测组件 .14 3.2.1 工作原理 .16 3.3 可见光探测组件 .16 3.4 辅助电路设计 .16 3.5 多路开关 .18 3.6 采样保持器 .20 3.6.1 AD346 的主要性能 .20 3.6.2 AD346 的引脚图以及引脚名称 .21 3.6.3 极限 参数 .21 3.7 A/D 转换器 .23 3.7.1 逐次逼近式 A/D 转换器 .23 3.7.2 双积分型 A/D 转换器 .24 3.8 译码器 .31 3.9. 显示器的选择 .33 3.9.1 键盘接口 .34 3.9.2 键盘工作原理 .34 3.10 单片机复位电路 .35 3.11 执行机构 .36 3.12 电源的选择 .37 第 4 章 系统的软件设计 .38 4.1 系统主程序 .38 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 2 4.2 程序清单如 下 .40 参考文献 47 结束语 48 致谢 49 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 1 第 1 章 概 述 在我国，照明耗电占年发电 总量的 10%(超过 100亿 kWh)，而对照明时间长，照明场所多的学校，照明超过本单位所有耗电的 40%。目前，国内大、中、小学校教室的照明灯具控制大多采用手动开关，即使严格管理，仍不可避免地出现忘记关灯的疏忽，特别是在白天，情况更是如此，从而造成大量的能源浪费。另外，各种照明灯具都具有一定的使用时限，在光线充足的情况下仍继续使用，必然会缩短灯具的使用寿命。 现今的自动控制系统已经发展到了智能化阶段，智能控制是自动控制发展的高级阶段，是人工智能、控制论、系统论和信息论等多种学科的高度综合与集成，它主要包括模糊 控制、神经网络控制、学习控制和专家控制等。智能控制是控制理论发展中的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。 为解决上述的问题实现教室照明灯具的自动控制，我们着手设计一种新型的节能控制系统。考虑到教室的照明控制要求并不是太高，所以在设计节能 控制系统时尽量考虑用最少的投资达到最佳的控制效果。针对整个教学楼的光线环境差不多在教学楼外部装一个可见光探测组件即可，而不同教室的有人或没人情况的不同均需测量，我们在每个教室的天花板安装一个检测有无人的热释红外线探测模块 HN911，在教学楼外部装 一个可见光探测组件。用多路开关分时复用的将检测信号送到单片机系统。 根据控制要求，我们设计了根据教室里人的情况和光线环境相结合的智能控制方案，它可以实现：无论是否有人光照度高于 300lx（满足人眼要求）时不开灯；有人但光 照度 低于 300lx大于 150lx时灯开一半；有人且光照度低于 150lx时，灯全开。上述等功能在实际应用中具有很大的实用价值。 据国家统计局城调队于 1999 年的调查显示 , 我国学生配带眼镜的比例为小学34 61% , 初中 68% , 高中 90%; 台湾学生的视力低下率为六年级 28% , 初 中三年级62% , 高中三年级 76%; 总的学生视力低下率日本为 57% , 新加坡为 78% , 美国为 25% , 瑞典为 9% 。相比而言 , 我国的学生视力低下率普遍偏高 , 而且随着年级的增高而急nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 2 剧增加。分析其原因 , 除先天因素外主要是后天环境诸多因素造成的 , 如长时间近距离阅读和书写、课业负担过重、超负荷用眼 , 照成眼睛过度疲劳、得不到足够的休息和调整 , 同时也与阅读姿势、身体健康及营养状况有关 , 此外 , 学校教室以及家庭照明不佳、照明度低也是造成视力低下和形成近视的重要原因。 2000年对北京六所大学16个 教室的调查结果表明 , 我国大学教室的平均照度水平约在 200勒克斯左右 , 而国际照明委员会 (CIE)29.2 号制定的标准为 300-7500 勒克斯。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 3 第 2 章 系统的组成原理及灯具的处理 2.1 系统设计 整个系统由人体传感器感应信号，输入到单片机进行处理，再由单片机输出信号控制灯光。同时把环境亮度、时间控制、人工控制等功能加入到系统中。 由人体传感器、环境亮度、时钟、人工控制这 4 个模块向单片机输入信号，再由单片机输出信号经固态继电器控制灯光，并对相关的器件型号 进行了选择。 2.2 人体红外线检测 因在人体探测方面红外线传感器相对于光电传感器具有范围大、功耗小、灵敏度高的优点。所以我选择了红外传感器。 第一种方案是在教室门口安装传感器，统计教室内人数，从而决定室内亮灯数量。这种方案成本低、设计方便，但灵活性小，而且在教室门口出现人群拥挤或人流不断的情况就难以正常计数。 第二种方案是将教室分为几个区域，每个区内装一个传感器统计区内人数，从而决定区内亮灯数量，同时其他区不受影响。这种方案效果较好，但市面上的人体传感器都只对运动物体有反应，如用来感应静止人体则灵敏度会 大为下降而不能满足要求。 第三种方案是在教室天花板中央安装旋转云台，使传感器扫描室内，从而统计人数和位置。这种方案性能好，完全能满足设计要求，但成本、功耗都较高，且设计难度大。我选择了第三种方案。 人体红外检测装置如图 2-1所示，在天花板中央安装旋转云台，并安装一个红外nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 4 探测器。随着云台的旋转，红外探测器的探测范围扫过整个教室，测出人数。将教室划分 4个区，分别统计人数。在云台上装 4个限位开关来分区。 图 2-1 教室扫描示意 检测教室环境的光照强度要用到可见光探测组件。 通过对光电管、光敏电阻等光电探测 器的各种性能进行比较，发现光敏电阻的光谱响应峰值比较接近人的视觉敏感区 555mm 波长，其次是当光照强度减弱时，它的响应时间相对增加，这对本套装置在光照强度变化时，输出状态保持相对稳定十分重要。考虑到光敏电阻对温度变化较为敏感，偏置电路中的电阻可以采用与探测元件温变系数相近的光敏电阻，以防止工作点漂移，保证输出的稳定性，原理图见图 2-2。为避免光敏电阻受光面小的缺点，探测元件应在建筑物周围进行合理地分布（尤其是对市内光线影响较大的地方），用于探测自然光的有无及强弱（可根据需要进行调整）。 图 2-2 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 5 根据国 标对教室照度推荐值 :150、 200、 300 lx，取教室工作面平均照度 200 lx。设教室的面积为 10 8 2m ，高为 3.5m，桌面高度为 0.7m，工作面至灯具之间的高度为 2.8m，顶棚 /墙壁 /桌面的反射系数分别为 70%,50%,10%。使用 TLD36W/33 细管径灯管 16盏（ =3000lm,U=0.65， K=0.55）。 根据平均照度的计算公式 : E= N U K/A 式中： 光源的光通量，单位 流明； N 灯具数； U 灯具的利用系数； K 维护系数； A 室内面积，单位 m2。 当灯开一半时 E=3000 8 0.65 0.55/80 =107.25(lx) (取 X1 为 100 lx) 当照度小于 X1时灯全开，当 E=X2=200lx 时灯全熄灭。 当介于两者之间时灯开一半。 2.3 系统组成 图 2-3 单片机智能控制系统图 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 6 2.4 系统工作原理： 热释红外线 传感器组件将各个教室中有人无人的情况采集进来，经过多路开关，连同光敏传感器组件采集的光线信号经过采样保持器到达 A/D 转换器。经过 A/D转换送到单片机处理。单片机将送来的信号进行判断，当无人或光强大于设定值中的最大值时，向执行机构发出不开灯的指令；当教室有人而光强值介于所设两个值之间时，向该教室的执行机构发出只开每组中的一只的指令；当教室有人且光强值小于所设的最小值时发出灯全开的指令。同时，显示当时的光强，当出现错误时，报警装置会发出报警音。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 7 第 3 章 系统硬件设计 系统的硬件设计主要按照输入通道和输出通道中具体所使用的硬件来考虑。输入通道包括：热释红外线传感器组件，可见光探测组件多路开关，采样保持器以及 A/D 转换器。输出通道包括：译码器和执行结构等。单片机是整个系统的核心部分，应当首先选择。 3.1 单片机的选择 本设计是基于单片机控制的教室照明节能控制系统的设计，单片机固然是整个设计控制的核心。单片微型计算机自问世以来，作为微型计算机一个重要的分支，应用广泛，发展迅速。它以集成度高、处理功能强、可靠性高、抗干扰能力强、系统结构简单和价格低廉等特点应用在智能仪器仪表 、工业检测控制、机电一体化上已取得了令人瞩目的成果，获得了较高的经济效益，对人类社会产生了巨大的影响。 尽管目前世界上有不同型号的单片机不断问世，但是由美国 Intel 公司生产的MCS-51系列单片机易于学习、掌握，性能价格比高，所以在今后若干年内，根据我国的实际情况， MCS-51系列单片机仍是广大技术人员首选的机型。目前上市较多的 AT89系列产品，与 51 系列单片机产品完全兼容，各种性能较全，在设计中被较多的选用。所以我们在设计系统时，考虑选用 AT89 系列中的 AT89C51单片机。 3.1.1 AT89C51 的介绍 AT89C51是由北京集成电路设计中心在 MCS- 51单片机的基础上精心设计 , 由美国生产的至今为止世界上最新型的高性能八位单片机。 3.1.1.1 特点 AT89C51与 MCS251系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容 ; 片内有 4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器 ; nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 8 全静态工作 , 工作范围 : 0Hz 24MHz; 三级程序存储器加密 ; 128 8 位内部 RAM ; 32 位双向输入输出线 ; 两个十六位定时器 /计数器 ; 五个中断源 , 两级中断优先级 ; 一个全双工的异步串行口 ; 间歇和掉电工作方式。 3.1.1.2 功能描述 AT89C51是一种低损耗、高性能、 CMOS八位微处理器 ,片内有 4k字节的在线可重复编程快擦快写程度存储器 ,能重复写入 /擦除解 1000次 ,数据保存时间为十年。它与MCA251系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容 ,不仅可完全代替 MCS251系列单片机 , 而且能使系统具有许多 MCS251系列产品没有的功能。 AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统 ,缩小系统体积 ,增加系统的可靠性 ,降低了系统成本。只要程序长度小于4k,四个 I/O口全部提供给用户。可用 5V 电压编程 ,而且擦写时间仅需 10毫秒 ,仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一 ,与 8751/87C51的 12V电压擦写相比 ,不易损坏器件 , 没有两种电源的要求 ,改写时不拔下芯片 ,适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽2.7V 6V , 全静态工作 ,工作频率宽 , 在 0Hz 24MHz内 , 比 8751/87C51等 51系列的6MHz 12MHz更具有灵活性 , 系统能快能慢。 AT89C51芯片提供三级程序存储器加密 , 提供了方便灵活而可靠的硬加密手段 , 能完全保证程序或系统不被仿制。 另外 , AT89C51 还 具有 MCS251 系列单片机的所有优点。 128 8位内部 RAM,32位双向输入输出线 , 两个十六位定时 /计时器 , 5个中断源 , 两级中断优先级 , 一个全双工异步串行口及时钟发生器等。 3.1.1.3 管脚功能 AT89C51单片机为 40引脚芯片如图 3-1所示。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 9 图 3-1 AT89C51单片机的引脚 1） I/O 口线 : P0、 P1、 P2、 P3 共四个八位口 P0口是三态双向口 , 通称数据总线口 , 因为只有该口能直接用于对外部存储器的读 /写操作。 P0口也用以输出外部存储器的低 8 位地址。由于是分时输出 , 故应在外部加锁存器将此地址数据锁存 , 地址锁存信号用 ALE。 表 3-1 AT89C51单片机引脚的功能 第一功能标记 第二功能 P3. 0 RXD 串行输入口 P3. 1 TXD 串行输出口 P3. 2 NT0 外部中断 0输入 P3. 3 NT1 外部中断 1输入 P3. 4 T0 定时 /计数器 0外部输入 P3. 5 T1 定时 /计数器 1部输入 P3. 6 WD 外部数据存储器写选通 P3. 7 RD 外部数据存储器读选通 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 10 P1 口是专门供用户使用的 I/O口 , 是准双向口。 P2 口 是从系统扩展时作高 8位地址线用。不扩展外部存储器时 , P口也可以作为用户 I/O口线使用 , P2口也是准双向口。 P3 口是双功能口 , 该口的每一位均可独立地定义为第一 I/O 功能或第二 I/O功能。作为第一功能使用时操作同 P1口。 P3口的第二功能如表 3-1。 2) 控制口线 : PSEN(片外取控制 )、 ALE(地址锁存控制 )、 EA(片外储器选择 )、RE2SET(复位控制 ) ; 3) 电源及时钟 : CCC、 VSS; XTAL1, XTAL2 3.1.1.4 操作方法 1） 程序存储器加密 AT89C51芯片程序存储 器有三级硬件加密 , 能够有效地保证系统不被仿制和软件不被复制 , 加密等级设置如表 3-2。 表 3-2 程序存储器加密 程序存储器加密位 加 密 类 型 1 U U U 程序存储器不加密 2 U U U MOVC指令可以执行外部程序存储器代码，但禁止从内部存储器读出代码，禁止再次刷新 3 U U U MOVC指令可以执行外部程序存储器代码，但禁止从内部存储器读出代码，禁止再次，而且禁止校验 4 U U U MOVC指令可以执行外部程序存储器代码，但禁止从内部存储器读出代码， 禁止再次刷新，而且禁止校验，禁止执行外部指令 2) 工作模式 AT89C51有间歇和掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的 , 当外围器件仍然处于工作状态时 , CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态 , 内部 RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 11 掉电模式是 VCC电压低于电源下限 , 振荡器停振 , CPU停止执行指令。该芯片内 RAM和特殊功能寄存器值保持不变 , 直到掉电模式被终止。只有 VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后 , 通过硬件复位掉电模式可被 终止。 3.1.2 AT89C51的程序存储器的扩展 系统设计时，当片内的存储器容量不够用或用了之后纯粹当接口方便、简化接线图，这样就需要外扩存储器了。一般的，程序存储器的扩展有以下几步： 1）根据应用系统容量要求来选择 EPROM 芯片的容量。选择原则是尽量选择大容量芯片，因为选择大容量芯片不仅可以减少芯片的组合数量，而且具有价格相对便宜，程序量可扩展的优点； 2）根据 EPROM 的最大读取时间、电源容差、工作温度等主要参数选择 EPROM的型号； 3）选择的地址锁存器不同，电路连接就不同。 Intel 公司的通 用 EPROM 芯片引脚具有一定的兼容性，而 74LS373是目前常用的地址锁存器； 4）按照所选的组件，画出扩展电路。 2716， 2732， 2764， 27128 等 EPROM 是单片机程序存储器扩展的常用芯片，但由 2716， 2732价格贵，容量小，在电路设计中一般不选用。我们在考虑软件设计的基础上，初步选择扩展单片的 2764EPROM。 下面对 2764EPROM 进行介绍： 3.1.2.1 芯片及引脚功能 A0 A15为地址线 D0 D7为数据输出线 _CE 为片 选 _OE 为输出允许 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 12 _PGM 为编程脉冲端 NC为未联接端 Vpp为编程电压端 Vcc为 +5V GND为地 3.1.2.2 工作方式 1）读方式：一般系统工作在这种方式。进入这种方式的条件是使片选控制线 _CE为低电平，同时让输出控制线 _OE 为低电平，就可将指定单元的内容从数据总线上读出 2）维持方式：当片选控制 _CE 为高电平时，芯片进入维持方式，这时输出高阻抗悬浮状态，不占用数据总线。 3）编程方式：在 Vpp端加上规定好的高压， _CE 和 _OE 端加上合适的电平（不同芯片要求不同），就能将数据线上的数据固化到指定的地址单元。 4）编程校核方式：在 Vpp 端保持相应的高压，再按读出方式操作，读出编程固化好的内容，以校核方式写入的内容是否正确。 5）编程禁止方式：当片选信号 _CE 无效时，输出呈高阻状态。 3.1.2.3 扩展中锁存器的使用 在 AT89C51 单片机中的 16位地址，分为高 8位（ A15 A8）和低 8位（ A7 A0）。高 8位由 P2口输出，低 8位由 P0口输出。而 P0口同时又是数据输入 /输出接口，故在传送时采用分时方式，先输出低 8位地址，然后再传送数据。但是，在对外部存储器进行读 /写操作时，地址必须保持不变，这就需要选用适当的寄存器存放低 8 位地址，在设计中一般较多的选择是 74LS373。 74LS373的芯片及引脚功能如下： D0 D7： 8位数据输入线。 Q0 Q7： 8位数据输出线。 G:数据输入锁存选通信号，高电 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 13 平有效。当该信号为高电平时，外 部数据选通到内部锁存器，负跳变 时，数据锁存。 _OE ：数据输出允许信号，低电平有效。 74LS373 的菜单： nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 14 3.1.2.4 AT89C51 外扩单片 2764EPROM 的线路图 3.2 热释红外探测组件 要检测教室里有没有人就要用到热释红外探测组件。 该组件由三个部分组成：热释传感器 ，匹配低噪放大器，菲涅尔光学系统。 热释传感器包括： 1）截止波长为 7 10 m 的滤光芯片，与人体辐射红外中心线波长 9 10 m 相对应，起带通滤波器的作用，从而把人体和其它物体区分开。 2） 热释电陶瓷材料，将透过滤光芯片的红外辐射能量的变化转换成电信号，即热电转换。 3） 场效应管匹配器，起阻抗变换作用，使得输入阻抗高而输出阻抗低。 匹配低噪放大器的作用是当探测器所处的环境温度上升，尤其是接近人体正常体nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 15 温（ 37 38）时，传感器的灵敏度下降，因而由它对放大器的增益进行补偿，以便自动适应不同季节，不同地区。 菲涅尔光 学系统不仅要监测空间辐射来的红外光线聚焦到红外能量传感器，还要能敏锐地体现这些红外线能量的变化，而菲涅尔光学系统通过对光滑的光学镜面作棱状或柱状处理，将监测空间割裂为一系列交替的狭小红外“感应区”和“空白区”，人在其间移动，就会使有些“感应区”内的红外线时有时无，传感器接收到的是相应变化来的光脉冲，因而提高接收灵敏度，使探测距离提高到 10 20m。 本设计里我们选用 HN911型热释电红外探测器。 HN911是一款新型热释电红外探测器，采用双列 6脚直插式封装。其管脚排列如图3-5所示。该传感器由于内部放大器 集 成了温度补偿功能，可以将人体辐射信号从恶劣的环境辐射信号中分离出来进行处理， 保证了传感器的工作稳定性。因而， HN911可在严寒或炎热等恶劣环境地区使用。表 3-3为 HN911红外探测模块的性能指标。 图 3-5 HN911 的引脚图 表 3-3 HN911红外探测模块的性能指标 型号 参数名称 通用型 HN911T 微功耗型 HN911L 低温型 HN911D 工作电压 DC5V+10% DC6V+10% DC5V+10% 静态电流 2s 内 部 放大器 增益 70dB 频宽 0.3 7Hz 探测范围（加透镜） 10m nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 16 3.2.1工作原理 HN911红外探测模块内部电路主要由热释电红外传感器、放大器、比较器、信号处理电路和延时输出电路组成。电路静态工作时， 1脚输出高电平， 2脚输出低电平。动态时，即有移动发热物体进入探测范围时，传感器接收到红外辐射能量，输出幅度约 1mV、频率 0.3 7Hz的微弱信号。该信号经放大器放大，由比较器比较，经信号处理电路处理，最后由延时输出电路输出用做驱动信号 。 HN911模块内放大器具有温度补偿功能。探测器工作时，人体辐射和周围环境红外辐射一起进入传感器。当气温升高时，背景红外辐射增强，传感器自身极化强度即传感器输出的热释电信号减小，将明显影响对人体的探测。因此，内部的温度补偿电路，使放大器的增益随环境温度的升高而升高，从而保证了该传感器的温度稳定性。 3.3 可见光探测组件 每天不同时间，不同季节光线的强弱不同，不同的天气情况有较大的影响，光控装置必须充分考虑到这些因素的影响。此外，也必须考虑到诸如闪电，车灯，浮云等一些干扰光源对探测器件的影响，特别是应 该避免日出，日落时，大气层对光线的影。 在日出，日落时，通过实验的测定：由于输入信号（光线）的不断变化，光控输出信号不断地围绕规定的输出阀值上下抖动。反映到一次输出设备交流接触器上，接触器触头抖动频率可达到 10 20次 /s，持续时间约 2 5min。这样的频闪，对于照明负荷，是绝对不允许的。 3.4 辅助电路设计 1) 主控线路 设主控开关一个，输出采用交流接触器进行控制。负荷较大且较为分散时，可通过中间继电器增加控制容量。 2) 强制供电 如果用电的时间在已编定的定时控制之外，控制系统可增加强制nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 17 供电 装置，实际上就是跳过上述控制装置，用按钮直接控制输出接触器线圈的直接供电方式。强制供电后，可规定爱一定是内控制系统恢复到程控状态下，可采用较为简单的定时器对强制时间进行设定。 3) 强制停电 在假期过某些教室需要停止供电时，通过强停按钮断开输出交流接触器线圈，使控制装置处于空载状态。因控制装置本身功率仅为 5W，强制停电时，不必拉掉主控开关，以保证定时器程序不被丢失和随时对备用电池进行充电。在强供状态下，也可以通过强制停止供电方式切换到自控状态。强供，强停均可以就地控制。 4) 考虑到由两个传感器送出的信号 都是非隔离的信号，且周围的环境也容易对其产生干扰，所以我们还需要设计隔离电路。 过程通道是输入接口、输出接口与主机或主机相互之间进行信息传输的路径，在过程通道中长线传输的干扰是主要因素。随着系统主振频率越来越高，微机系统过程通道的长线传输不可避免，防止干扰的问题也就显得越来越重要。干扰抑制的方法很多，光电耦合器件构成的电路可有效地抑制干扰信号。此外，光电耦合器提供了较好的带宽、较低的输入失调漂移和增益温度系数，因此能较好地满足工业过程控制信号传输的要求，而且与变压器隔离装置比，光电隔离器的成本低，体积小，电 路容易实现。所以本设计采用了光电隔离器作为抑制干扰的元器件。 光电隔离的电路图如下图 3-7所示： 图 3-7 光电隔离的电路图 C E + - B nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 18 3.5 多路开关 在实际应用中，被控制或被测量的信号往往是几路，几十路甚至更多，多路模拟开关的作用是将多路被测信号按照顺序或随机的采样方式，逐一送到输入信道后级的公共测量部件上，以实现对每个通道分时进行转换的目的。 多路模拟开关是由计算机过程控制的分时接通开关，一般是多路（比如 8路）输入，一路输出。集成在一个芯片上的各种多 路开关，它们的功能基本相同，仅在某些参数（如切换通道数目，接通及断开电阻，漏电流及输入电压等）方面有所差异。 多路开关的一些参数： 1）开关参数的含义 : Ron:接通电阻 Ronvs:接通电阻的零度漂移； Ic:开关接通电流； Is:漏电流，开关断开时通过开关的电流； Cs: 开关断开时，开关对地电容； Cout: 开关断开时，输出端对地电容； Ton:选通信号 EN达到 50%这一点时到开关接通时的时间延迟； Toff: 选通信号 EN达到 50%这一点时到开关断开时的时延； Topen:切换时间，从一个通道的接 通状态到另一通道接通状态之间，两个开关的断开时间。 2） AD7501、 AD7503和 AD7506开关性能比较： 其中 AD7501 和 AD7503二者除在 EN（使能）端的控制逻辑电平相反外，其它完全一样。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 19 表 3-4 AD7501、 AD7503 和 AD7506 开关性能比较 经过以上的比较，我们再结合自己的设计考虑，本设计对反应速度要求不是特别高，且实际电路有 32 路，如选用 8 路的就要四个，数量多容易发生竞争冒险，所以决定选用两个 AD7506 作为要用的多路开关。 芯片管脚如图 3-8所示 ： 图 3-8 AD7506芯片管脚 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 20 3.6 采样保持器 采样 /保持器的主要作用在于保证 A/D 转换器进行转换期间，输入电压保持不变，以免引起 A/D的转换误差。它有两个工作模式：一是采样，一是保持。在采样状态时，其输出能跟随输入电压的变化而变化，故该状态亦称跟踪状态；而当处于保持状态时，其输出将保持在进入保持状态瞬间的输入电压的值不变。 在选择采样 /保持器时，应考虑以下几个主要参数： 1) 孔径时间：电路接到保持信号后，模拟开关由导通转变为断开所需的时间。显然，对于一个动态的模拟输入信号在此期间会发生变化，这将导 致 A/D 转换产生不确性误差（孔径误差）。 2) 捕捉时间：电路接到采样控制信号后，输入电压 Vo 达到指定跟踪误差范围内所需的时间。 A/D 转换器的采样周期应大于捕捉时间。 3) 保持时间：模拟开关断开的时间，由采样速率决定。 4) 变化率 dVo/dt：反映在保持阶段，由于保持电容 C 漏电或放大器 A2 的漏电流所引起的保持电压的变化。 5) 馈送：在保持模式时，由于输入信号耦合到保持电容，故存在寄生电容。因此，输入电压的变化也将引起输入电压的微小变化。 考虑到采样后还需要加功率放大电路，所以在选择采样保持器时，选 择了本身带有功率放大功能的 AD346芯片。 AD346是一种高速采样 /保持放大器，在 2 s内可达到 0.01%的精度。该芯片的低失调、低下降率、高采样率和低孔径抖动时间的特点，使得它非常适合频率高达97KHz的快速 A/D 变换中，同时也使用于 D/A变换、峰值保持、选通测量系统和同步采样转换系统等领域中。 3.6.1 AD346 的主要性能 高速采样 /保持放大器 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 21 片内含有保持电容和补偿网络 采用激光调整技术 无需外围元件就能正常工作 双电源供电 采 样时间： 10V级，到 0.01%： 2 s(max); 20V级，到 0.01%： 2.5 s(max) 增益误差： 0.02%FSR（ max） 失调电压： 3mV/（ max） 下降率： 0.5mV/ s（ max） 工作温度范围宽： -55C +125C 功耗： 500mW（ max） 孔径抖动时间： 400ps AD346 芯片内部具有保持电容和补偿网络，所以它是一个完整的采样 /保持放大器。这种结构不仅能减小采样 /保持放大器电荷的失调，而且还大大简化了芯片外围电路的设计。激光调整技术的运用，不仅省掉外围失调调零电位器，而且使调零技术走向新的领域。并且 AD346还具有以下特性： 1) 有较低的捕捉时间； 2) 有较高的采样保持电流比； 3) 在采样保持模式时有较高的输入阻抗； 4) 输入信号电平可达电源电压 Vs，可适用于 12位模数转换电路； 5) 供了相互隔离开的模拟地，数字地，从而提高了抗干扰能力。所以我们选择AD346作为此设计所需的采样 /保持放大器。 3.6.2 AD346 的引脚图以及引脚名称 图 3-9所示 3.6.3 极限参数 ： 正电源电压： +19V； nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 22 负电源电压： -19V； 正电源电流： +18mA； 负电源电流： -10mA； 贮存温度： -65C +150C ； 引线焊接温度： +300C 图 3-9 AD346 的引脚图 表 3-5 AD346 的引脚功能 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 23 3.7 A/D 转换器 经过多路转换开关和采样 /保持器后的模拟量必须被变成数字量才能送入计算机，完成上诉转换任务的器件叫做 A/D 转换器，它是输入通道最关键的部件。 A/D转换器主要有以下技术指标： 1） 分辨率 :A/D 转换器的分辨率是指输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量、一般以输出二进制的位数表示。 2） 精度 : 失调误差或零值误差。指输入信号为零时， 输出信号不为零的值。 增益误差或满刻度误差。是指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差。线性度 : 线性度是指转换器实际的转移函数与理想直线的最大偏移。 3） 转换速率： A/D转换器的转换速率是指能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。 4） 电源灵敏度：当电源电压变化时，将 A/D转换器的输出发生变化，从而产生误差。通常 A/D 转换器对电源变化的灵敏度用相当于同样变化的模拟输入值的百分数来表示。 常用的 A/D转换器的工作原理有逐次逼近型和双积分型。 3.7.1 逐次逼近式 A/D 转换器 下图 为逐次逼近式 A/D 转换电路原理图。它主要是由逐次逼近寄存器 SAR、 D/A转换器、比较器、控制时序及逻辑电路、输出锁存器等 5部分组成。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 24 图 3-10 逐次逼近式 A/D 转换器 它的工作过程是：把逐次设定在 SAR 中的数字量所对应的模拟量电压 Vf与模拟量输入电压 Vi进行比较。转换开始时，首先由控制电路将 SAR 中的最高位设定为“ 1”，其余位为“ 0”，将此设定数据输入到 D/A 转换器转换成模拟电压 Vf，然后将 Vf与 Vi在电压比较器中进行比较。若 ViVf，即输入电压 Vi比此设定的数字量所代表的电压值小，说明最高位设 成“ 1”不合适，应重新设置成“ 0”；若 Vi Vf,说明该位设置“ 1”是合适的。然后，按上述方法继续对次高位进行转换、比较和判断，并决定应取“ 1”还是“ 0”。重复上述过程，直至确 定了 SAR最低位为止。此时 SAR中的内容就是输入量转换成的二进制数字量。将此结果存入输出锁存器，等待输出。 3.7.2 双积分型 A/D 转换器 双积分型 A/D 转换原理如下图所示，在“转换开始”信号控制下，输入的模拟电压 Vi在固定时间内对积分器上的电容充电（正向积分），时间一到，控制逻辑将模拟转换到与 Vi极性相反的基准电源上，开始使电容 放电（反向积分），同时计数器开始记数。当比较器判定放电完毕时就输出信号，使计数器停止记数，并由逻辑控制发出“转换结束”信号。这时计数器所计脉冲个数反映了放电的时间。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 25 图 3-11 双积分型 A/D 转换器 图 3-12 双积分原理图 可以看出，放电时间 T1或 T2正比于输入电压 Vi，输入电压大，则放电时间长， 计数器的记数值越大。因此，计数器记数值的大小反映了输入电压 Vi在固定积分时 间 T内 的平均值。经过以上的比较，虽然双积分式 A/D转换器的抗干扰和抗电源噪声能力强，精度高，但转换速率慢，而逐次逼 近式 A/D转换器转换速度较快，分辨率高，控制电路也简单，应用最广泛，而且对于干扰我们可以另加装置进行抗干扰，所以初步选择逐次逼近式 A/D转换器。其次，根据输入通道的总误差（确定 A/D转换器的位数为 8位）和检测对象信号的变化率和转换精度要求（确定 A/D 转换速率，以保证系nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计 (论文 ) 26 统的实时性要求），再结合环境参数要求，如工作温度、功耗、可靠性等级， A/D转换器的输出方式等，最后考虑要求成本低，资源丰富和要为流行芯片等因素。我们选择使用 8位混合集成的高速转换芯片 ADC0809。 ADC0809 是一种 8 路模拟输入逐次比较 型 A/D 转换器 , 由于价格适中 , 与单片机的接口、软件操作均比较简单 , 目前在 8位单片机系统中有着广泛的使用。 3.7.2.1 ADC0