教室人数监视及照明控制系统

1 教室人数监视及照明控制系统教室人数监视及照明控制系统 摘 要 为响应国家节能减排的号召 我们设计制作了教室人数监视及照明控制系统 本系统以 AT89S52 单片机为基础 利用 220V 交流电供电 主要可实现以下功能 1 感应光线强弱并判断是否需要开灯 利用光敏电阻 通过 A D 转换 根据需要设定修改 光线设定值 当光线达到设定值时灯亮 光线低于设定值时灯不亮 2 根据人数的多少控制 LED 灯点亮的数目 利用两组对射式光电开关 根据产生高低电平 的顺序区分人的进出 单片机对人数进行加减计数 当人数在 5 人之内亮一盏灯 5 10 人 亮两盏灯 10 15 人亮三盏灯 3 根据实际需要的不同 利用按键对亮灯人数的限定值进行修改 4 液晶 1602 实时显示当前室内人数 5 单片机和上位机进行 RS 232 通信 利用计算机实时监控室内当前人数的变化 关键词 单片机 220V 供电 光敏电阻 AD 转换 光电开关 液晶 RS 232 通信 AbstractAbstract In response to the call of the national energy saving emission reduction we designed a number of classroom monitoring and lighting control systems The system is based on a single chip AT89S52 using 220V AC power supply to achieve the following main functions 1 The light sensor to determine whether strong or weak and need to turn on the lights The use of light resistance through the AD conversion according to the need to modify configuration settings of light when the light reached when the lights settings set the value lower than the light does not shine lights 2 according to the number of how much control the number of lit LED lights The use of two photoelectric switch to radio according to the order of high to distinguish between low level entry and exit of people the number of single chip to carry out addition and subtraction of the count when the number of people in 5 bright lights a bright 5 10 2 lights 10 15 liang 3 lights 3 According to the actual needs of the different buttons on the light use of the limited value of the number of modifications 4 LCD displays the current indoor 1602 the number of real time 5 single chip microcomputer and PC to RS 232 communications the use of the computer the number of real time monitoring of changes in the current room KeyKey words words single chip power supply 220V Photosensitive resistor conversion AD Photoelectric switch LCD RS 232 communication 2 1 总体设计思路和方案 目前高校室内照明大多是依靠人工区分光线强弱和人数来控制灯的亮灭和灯点亮的数目 这样不仅非常麻烦 而且对能源产生了很大浪费 为了节约用电 我们设计制作了教室人数 监控及照明系统 本系统将主要实现以下几个功能 感应光线强弱并判断是否需要开灯 根 据人数的多少控制 LED 灯点亮的数目 利用按键对亮灯人数的限定值进行修改 液晶实时显 示当前室内人数 计算机实时监控室内当前人数的变化 我们利用光敏电阻 对射式光电开 关 上位机 以及控制模块 电源供电模块 A D 转换模块 液晶显示模块 按键控制模 块 LED 照明模块和 RS 232 通信模块七个功能模块 共同构成一个系统来实现以上功能 系统方案框图如图 1 所示 控制模块 A D 转 换模块 显示 模块 对射式 光电开 关 光敏 电阻 LED 照 明模块 上位机 显示人 数 RS232 通信 模块 按键 控制 模块 电源供 电模块 感应光线强弱高低电平计数 图 1 系统方案框图 2 方案比较与论证 2 1 控制方式的选择 方案一 采用 PLC 控制 PLC 控制比较简单方便 系统也比较稳定 但是 PLC 价格昂 贵 成本高 不适合小型电路设计 方案二 采用单片机控制 单片机价格便宜 成本低 易于操作 特别是常用的 AT89S52 单片机控制 技术已经比较熟练 完全可以实现本系统所需要的各种功能 考虑到成本问题 我们选择方案二 针对单片机不稳定的缺点 可以采用隔离等措施解 决 2 2 电源的选择 方案一 采用干电池 用干电池方便稳定 但是电压会随着使用慢慢降低 使用时间也 受到限制 需要经常更换电池或给电池充电 方案二 采用稳压电源 自行设计制作电源 输入 220V 交流电 输出 5V 直流电 大 大增加了使用时间 3 因为照明控制系统应长时间供电 所以选择方案二 2 3 显示模块的选择 方案一 采用数码管 数码管价格便宜 操作简单 显示清晰 但是要显示较多字符 则需要的数码管就很多 这就使得单片机的管脚过多被占用 造成单片机管脚资源紧张 方案二 采用 LCD1602 液晶 LCD1602 可以显示 2 行 16 列字符 可通过 8 位或 4 位 数据总线控制 使用方便 占用 I O 口少 为了节省单片机管脚资源 我们选择方案二 2 4 按键的选择 方案一 采用 4X4 矩阵式键盘 占用 8 个 I O 口 且键盘数目多 方案二 采用独立式键盘 一个键盘占用一个 I O 口 适应于键盘数目少的场合 因为本系统用到 8 个按键 数目比较少 因此我们选择方案二 2 5 上位机编程语言的选择 方案一 采用组态软件 组态软件使用方便 动画丰富 主要用于工控 控制单片机有 时还需开发驱动 比较麻烦 如果购买正版组态软件 成本较高 方案二 采用 Visual Basic6 0 语言 VB 软件下载方便 成本低 与单片机通信的编程 技术比较成熟 可以完成本系统所需的控制需求 综合以上 我们选择方案二 2 6 光电开关的选择 方案一 采用对射式光电开关 检测距离为 1 至 20m 工作电压为直流 5 36V 它的价 格比较贵 但是反应灵敏 检测距离远 测量结果精确 方案二 采用漫反射式光电开关 漫反射式光电开关价格比较便宜 反射板式检测距离 为 10cm 至 50cm 检测距离近 测量结果不准确 因为本制作重在演示 只要达到演示效果即可 为了降低成本 我们选择方案二 3 系统硬件设计 3 1 电源电路设计 图 2 电源模块电路 如图 2 所示为系统的电源电路 220V 交流电经过变压器变成 7 5V 交流电 经整流 滤 波电路后送到 7805 进行稳压得到 5V 直流电 最后再次经滤波电路 为系统提供 5V 电源 4 用来给单片机 继电器和其他原件供电 3 2 光敏电阻 系统采用型号为 5537 的光敏电阻 实物图和结构图如图 3 所示 图 3 光敏电阻 它的技术参数如下 响应时间 ms 亮电阻 10Lux K 暗电阻 M 光谱 峰值 nm 最大 电压 VDC 最大 功耗 mw 上升下降 光线强弱的不同导致光敏电阻的变化 从而导致光敏电阻分压的不同 将它所分的电压 输入到 ADC0809 的 IN0 另外 可以通过调节电位器 R1 的阻值来修改感应光线的强弱 具 体的连线电路图如图 4 所示 图 4 光电开关电路 3 3 A D 转换电路设计 30 5035401501002030 5 系统采用 ADC0809 芯片搭建 A D 转换电路 ADC0809 是采样频率 8 位的 以逐次逼近 原理进行模 数转换的器件 其内部有一个 8 通道多路开关 它可以根据地址码锁存 译码后的信号 只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A D 转换 它的主要特性为 1 8 路 8 位 A D 转换器 即分辨率 8 位 2 具有转换起停控制端 3 转换时间为 100 s 4 单个 5V 电源供电 5 模拟输入电压范围 0 5V 不需零点和满刻度 校准 6 工作温度范围为 40 85 摄氏度 7 低功耗 约 15mW ADC0809 芯片有 28 条引脚 IN0 IN7 8 路模拟量输入端 2 1 2 8 8 位数字量 输出端 ADDA ADDB ADDC 3 位地址输入线 用于选通 8 路模拟输入中的一路 ALE 地址锁存允许信号 输入 高电平有效 START A D 转换启动信号 输入 高 电平有效 EOC A D 转换结束信号 输出 当 A D 转换结束时 此端输出一个高电 平 转换期间一直为低电平 OE 数据输出允许信号 输入 高电平有效 当 A D 转换结束时 此端输入一个高电平 才能打开输出三态门 输出数字量 CLK 时钟脉 冲输入端 要求时钟频率不高于 640KHZ REF REF 基准电压 Vcc 电 源 单一 5V GND 地 ADC0809 的工作过程是 首先输入 3 位地址 并使 ALE 1 将地址存入地址锁存器 中 此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器 START 上升沿将逐次逼近寄存器复 位 下降沿启动 A D 转换 之后 EOC 输出信号变低 指示转换正在进行 直到A D 转换完成 EOC 变为高电平 指示 A D 转换结束 结果数据已存入锁存器 这个信号可 用作中断申请 当 OE 输入高电平时 输出三态门打开 转换结果的数字量输出到数据总 线上 本系统中 当 IN0 端接收到电压模拟量时 经过 ADC0809 转换成 8 位数字量 设定由 D0 D7 中的某一个口输出的数字量输入到与门 与非门 74LS00 取反 当它为 1 时转为光 线暗模式 此时允许 LED 照明模块点亮 3 4 液晶显示电路设计 本系统使用带背光的液晶模块 TC1602EL TC1602EL 采用标准的 16 脚接口 其引脚功能 如下 第 1 脚 VSS 为电源地 接 GND 第 2 脚 VDD 接 5V 正电源 第 3 脚 VL 为液晶显示 器对比度调整端 接正电源时对比度最弱 接地电源时对比度最高 对比度过高时会产生 鬼影 使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度 第 4 脚 RS 为寄存器选择 高电 平时选择数据寄存器 低电平时选择指令寄存器 第 5 脚 RW 为读写信号线 高电平时进 行读操作 低电平时进行写操作 当 RS 和 RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址 当 RS 为低电平 RW 为高电平时可以读忙信号 当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数据 第 6 脚 E 端为使能端 当 E 端由高电平跳变成低电平时 液晶模块执行命令 第 7 14 脚 D0 D7 为 8 位双向数据线 第 15 脚 BLA 背光电源正极 5V 输入引脚 第 16 脚 BLK 背 光电源负极 接 GND TC1602EL 液晶的主要技术参数如下 逻辑工作电压 VDD 4 5 5 5V LCD 驱动电压 VDD VL 4 5 13 0V 工作电流 2 0mA TC1602EL 液晶显示模块可以和 52 系列单片机直接接口 通过向单片机输入程序来控制 液晶上显示的内容 本系统可显示两项内容 当前室内人数 the number is 和设定的 点亮 1 2 3 盏灯的人数限制 1 2 3 图 5 为单片机和液晶接口电路图 6 图 5 单片机和液晶接口电路图 3 5 LED 照明模块电路设计 光电开关在无人经过时保持高电平 有人经过时产生低电平 两对光电开关 I1 I2 的 位置不同 因此人进和出时产生低电平的先后顺序不同 分别将他们产生的高低电平输入单 片机的 P10 和 P11 管脚 根据两端口的高低电平的不同区分进出 并利用单片机进行计数 进一个人加一 出一个人减一 当人数达到设定值 1 时 P25 管脚输出高电平 当数目达到 设定值 2 时 P26 管脚输出管脚高电平 当数目达到设定值 3 时 P27 输出高电平 光电开 关位置的示意图如图 6 所示 图 6 光电开关位置示意图 系统用 LED 灯代替电灯进行演示 电路图如图 7 所示 7 图 7 LED 显示电路 3 6 RS 232 通信模块电路 单片机和计算机要实现串口通信 需要用到 9 针串口和 MAX232 芯片 RS 232 串口有 9 个引脚 各针脚的定义为 1 载波检测 DCD 2 接收数据 RXD 3 发送数据 TXD 4 数据终端准备 DTR 5 信号地 SG 6 数据准备就绪 DSR 7 请求发送 RTS 8 清除发送 CTS 9 振铃提示 RI 本系统用到的是 2 3 引脚具体如 8 图所示 图 8 串口引脚图 MAX232 是专门为电脑的 RS 232 标准串口设计的接口电路 使用 5v 单电源供电 内部结构基本可分三部分 一是电荷泵电路 由 1 2 3 4 5 6 脚和 4 只电容构成 功能是产生 12v 和 12v 两个电源 提供给 RS 232 串口电平的需要 二是数据转换 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 为第一数据通道 8 脚 R2IN 9 脚 R2OUT 10 脚 T2IN 7 脚 T2OUT 为第二数据通道 TTL CMOS 数据从 T1IN 8 T2IN 输入转换成 RS 232 数据从 T1OUT T2OUT 送到电脑 DB9 插头 DB9 插头的 RS 2 32 数据从 R1IN R2IN 输入转换成 TTL CMOS 数据后从 R1OUT R2OUT 输出 三是供电 15 脚 GND 16 脚 VCC 5v 图 9 为 MAX232 与单片机和串口的管脚接线图 图 9 MAX232 与单片机和串口的管脚接线图 3 7 按键电路设计 按键的电路图如图 10 所示 图 10 按键电路 其中 S1 控制电源通断 S2 取消操作 S3 S4 对第一盏灯点亮的限制人数进行加减 S5 S6 对第二盏灯点亮的限制人数进行加减 S7 S8 对第三盏灯点亮的限制人数进行加减 9 4 系统软件设计 系统主流程图如下 10 开始 单片机初始化 监测人数 监测亮度 到指定值 1 模式选择 人数加人数减 到指定值 2到指