教室LED日光灯节能控制设计.doc

教室LED日光灯节能控制设计摘 要基于当前对教室灯光控制方法的的了解，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，并在此基础上设计了智能控制系统的硬件装置和相应软件。 该系统以AT89C52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，采用光敏电阻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强弱的识别和智能判断，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。系统还具有报警功能。单片机软件采用C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：红外传感器，单片机，热释电THE DESIGN OF SCHOOL LED LIGHT ENERGY SAVING CONTROLABSTRACTBased on the current realize of school lighting control method, especially the classroom light intelligent control development present situation, analyses the classroom light intelligent control theory and implement method, is proposed based on single-chip shool light intelligent control system design, based on the design of intelligent control system hardware and corresponding software.This system to control device of AT89C2051 single chip microcomputer as intelligent parts, using thermal infrared sensor detect the existence of of human body, using photosensitive resistance of circuit testing environment light intensity, Reasonable according to the shool light conditions, the system through the light intensity signal and the environment for the presence of the human body identification and intelligent judgment, complete the classroom light intelligent control circuit, to avoid the classroom a large amount of waste of electricity. System also has the alarm function. Single-chip microcomputer software compiled using C language, using modular design, clear structure, good versatility and facilitate improved and expanded. This system has the advantages of small size, high reliability and easy control, the price is reasonable, strong specificity etc, can satisfy all kinds of big, secondary colleges shool light control requirements, to a great degree of energy-saving objective.KEY WORDS：infrared sensors，SCM，pyroelectric 目 录前 言1第1章 概述21.1课题研究背景21.2教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题21.3课题研究的内容与意义31.3.1研究内容31.3.2研究意义31.4本课题拟解决的关键问题4第2章教室灯光控制器简介及控制方案的分析52.1 教室灯光控制器简介52.2 系统设计方案选取52.2.1系统主控芯片的选取52.2.2光照检测方式的选择52.2.3人体感应方式的选择52.2.4时钟芯片的选择62.2.5照明设备驱动的选择62.2.6 LED日光灯电压控制的选择62.3 系统控制方案的分析7第3章 系统控制模块的硬件设计83.1控制模块的硬件构成83.2 控制系统的主要硬件电路93.2.1系统主控电路93.2.2在线编程模块电路113.2.3系统供电电路123.2.4数据采集电路123.2.5 DS1302时钟电路173.2.6 数码管显示时间电路183.2.7 红外遥控接收电路183.2.8 继电器驱动接口电路193.2.9 超时报警电路193.2.10 日光灯供电电源控制电路20第4章 软件设计与开发214.1系统监控主程序模块214.1.1系统初始化224.1.2定时器中断处理224.1.3多任务操作系统的构建234.2数据采集模块234.2.1数据采集软件设计的实现234.3时钟模块244.3.1数据输入输出254.3.2时钟内部寄存器的使用254.3.3时钟程序设计264.4数码管显示模块264.4.1显示程序设计274.5红外遥控模块27第5章 系统调试运行及问题分析285.1单片机系统调试方法及步骤285.1出现的主要问题及分析解决29结 论31致谢33附录一34附录二35附录三46 河南科技大学毕业论文前 言随着国民经济的快速发展和社会进步，校园规模的不断扩大，教室的数量也大幅度增加。为使师生有舒适的教学和学习的环境，无论是教室的面积、设施和照度，校方在力所能及的范围内，都付出了十分的努力。但由于学校开放型的管理模式，以及全员的节能意识的淡薄，高校的教室在白天室内照度很高的情况下，仍然普遍存在开灯作业；即使室内无人或人数很少的情况下，也是全部开启室内照明。夜间许多教室，即使仅有几个学生在教室自习，但室内照明全部开启，绝不会有师生因为只有少数人而仅开几盏灯。LED被认为是21世纪的照明光源。LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10，荧光灯的50。LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。用LED替代白炽灯或荧光灯，环保无污染。使用安全可靠，便于维护。我国照明用电占总发电量的12。目前，公共建筑的照明灯具控制大多采用手动开关，经常出现没有及时开关的现象，从而造成大量的能源浪费和使用上的不便。另外，不必要的使用，也会缩短灯具的使用寿命。本文阐述了一套LED智能照明控制系统设计方案，可以根据工作环境中是否有人员和环境补光亮度等来自动控制照明的开关和亮度。采用本系统具有提高用电效率，节约电能和缓解了用电高峰的电力供应压力双重作用。 单片机的出现至今已经有30多年的历史了。微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机的应用已经渗透到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，并掀起了一场数字化技术革命。单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口/都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。本篇论文介绍了就是基于单片机STC89C52的室内灯光控制系统的研究和开发。本系统是以单片机为控制器的核心，本系统主要由光照检测电路、热释电红外线传感器及处理电路、单片机系统及控制电路组成。以此来实现对LED照明设备进行开关操作，从而实现照明控制，以达到节能的目的。第1章 概述1.1课题研究背景随着社会的发展,对照明系统的需求激增。就建筑的照明系统来说，许多地方的灯经常是从早到晚开着的，不管这些房间或楼道是否有人，也不管有多少人。或者，当自然光照度很好时，灯不能及时关闭；反之，当自然光照度难以满足人的需求时，又不能及时打开灯光。这种照明方式，不仅造成能源的浪费，而且不能满足人对照明的基本需求，同时也给人的视力造成了很大的影响。现代照明除了满足人的基本生活、学习要求之外，将更注重能量的节省和使用上的便利，以及满足人类工程学的个性方面的要求。所以要做到合理、经济、节能，首先应采用先进成熟的技术和产品，如电光源、灯具、照明控制系统。因此，适应不同个人和工作需要，结合自动调节与手动调节的智能化照明系统已经不可或缺。 而在大学校园的建设热潮中，各大高校的建设者也意识到了智能照明的重要性。相对商业楼宇而言，大学校园里的大功率动力和制冷设备比重较少，照明灯具则相对比重更多，所以控制教室照明是节能的关键。使用照明控制系统，更能体现其在节能与管理方面的优势，而且还能节省开支。1.2教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题 目前，我国照明用电约占社会总用电量的12%，采用高效照明产品代替传统的低效照明产品可节电60%到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，据测算年节约用电可达3442万千瓦时，节约电费2519.7万元。政府己经在商厦、学校、医院等更换了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照明能耗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。面临如此紧迫的能源问题，我们应该把着眼点放在“高效加强环境保”利用“清洁”能源。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，护洁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日光灯自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要课题。1.3课题研究的内容与意义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； (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；(10).研究报警等附加功能问题1.3.2研究意义I良好的节能效果和延长灯具寿命 节能是照明控制系统的最大优势。传统的楼宇公共区域照明工作模式，只能是白天关灯，晚上开灯。而采用了智能照明控制系统后，可以根据不同场合及人流量，进行时间段、工作模式的细分，把不必要的照明关掉，在需要时自动开启。同时，系统还能充分利用自然光，自动调节室内照度，在保证必要照明的同时，有效减少了灯具的工作时间，节省了不必要的能源开支，也延长了灯具的寿命。 II.改善工作环境，提高工作效率 良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。合理地选用光源、灯具及性能优越的照明控制系统，都能提高照明质量。智能照明控制系统具有开关和调光两种控制方法，可以有效地控制各种照明场所的平均照度值，从而提高照度均匀性。同时，系统能根据不同的时间段，人们的不同需要，自动调节照度。 III.提高管理水平 智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。在一般的情况下，不需要有人的参与，照明系统自动实现开关和调光功能，既大大减少了管理人员的数量，也排除了由于人为因素而出现的不定时开关，影响学校的正常教学、生活秩序的情况。 IV.较好的投资收益效果 智能照明控制系统在节能和节省灯具使用的同时，有效节省了电费与管理费用的支出。根据一般的办公大楼运营的经验来看，节能效果能达到40以上，一般的商场、酒店、地铁站等节能效果也能达到2530。 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；第2章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 系统设计方案选取2.2.1系统主控芯片的选取由于MCS-51单片机在功能和性价比方面均优于其它芯片，故本设计选用STC89C52 单片机STC89C52来实现。2.2.2光照检测方式的选择方案一：采用光敏二极管或三极管等光传感器件把环境亮度转换成相应的数字电平，然后直接接入单片机I/O引脚。方案二：采用光敏电阻通过AD把环境亮度转换成相应的具体数值，然后将该数值传给单片机。 由于需要采集环境光的具体数值，所以采用方案二。2.2.3人体感应方式的选择方案一：采用红外对管进行检测。红外发送管和红外接收管分别安装在通道两侧。当某一时刻红外接收管如果接收不到信号表示两者之间有遮挡物通过，可以视为有人体进入。 方案二：采用集成电路HC-SR501，该芯片是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件就可构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、蜂鸣器、自动门、电风扇等装置，特别适用于企业、宾馆、商场的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。 方案分析：由于方案一要求红外发送管和接收管必须相对才行，而且两者距离有限，实现起来较为不便，所以本设计采用方案二。2.2.4时钟芯片的选择传统的时钟芯片，如MC146818, MC68H68T, LM8365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DS1302，DS1305，DS1307，PCF8485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机资源，故本系统采用具有充电能力的低功耗1*8的用于临时性存放数据的RAM寄存器的实时时钟芯片DS1302。2.2.5照明设备驱动的选择方案一、采用可控硅控制。可控硅又称晶闸管，是一种具有三个PN 结的四层结构的大功率半导体器件。其具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。方案二、采用继电器控制。继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。其具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。根据结构不同，可以将其分为电磁继电器、热敏干簧继电器、固态继电器、磁簧继电器、光继电器等型号。方案分析：由于电磁继电器简单易用，开关状态极其容易判断，所以本设计采用电磁继电器来控制。2.2.6 LED日光灯电压控制的选择方案一：通过光敏电阻采集到的具体光强数值，来通过pwm调节LED日光灯输入电压的占空比，从而无级调压以达到日光灯亮度等级的控制。方案二：通过光敏电阻采集到的具体光强数值，分8个等级将LED日光灯输入电压分为8级，从而有级调压以达到日光灯亮度等级的控制。 方案分析：由于方案一硬件电路不易实现，故采用方案二。2.3 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11点，若还有人存在，则警报响起提醒人离开，若有特殊情况则可通过红外遥控关闭自动控制器的运行，改用红外开关来手动控制，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。本系统的整体设计思路如下图2.3-1所示：图2.3-1 整体思路图第3章 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。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:ISP下载线模块、系统供电模块、DS1302时钟模块、灯光继电器驱动模块、数码管显示模块、A/D采集环境光模块、人体存在红外传感器模块、超时报警模块、IR红外遥控模块，其结构框图如图3.1-1所示：图3.1-1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STC公司的STC89C52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, 8KB的EEPROM，由于合理的安排使用片内RAM空间，所以没有扩展的片外RAM，使电路结构简捷。由于电路控制的复杂性，故采用两个STC89C52芯片（下面用STC89C52-1、STC89C52-2来表示）来实现对LED光灯的控制。STC89C52-1主要用来控制时钟模块、人体红外信号采集、继电器输出驱动日光灯、超市警报模块；STC89C52-2主要用来控制A/D环境光采集、红外遥控、日光灯供电电压控制模块。STC89C52-1的I/0端口与系统其它外围器件接口的分配情况图如下图3.2.1-1所示：图3.2.1-1 STC89C52-1STC89C52-1的I/0端口与系统其它外围器件接口的分配情况表如下表3.2.1-2所示：表3.2.1-2STC89C52-1引脚说明P0.0P0.7数码管传送数据端P1.0、P1.1数码管位选、段选P1.2光敏控制灯光亮灭位P1.3显示日期位P1.5P.17DS1302时钟引脚P2.0P2.3人体热释电信号位P2.4P2.7灯光驱动-继电器输出位P3.3红外控制警报位P3.6红外启动位/手自动控制切换位P3.7超时警报位STC89C52-2的I/0端口与系统其它外围器件接口的分配情况图如下图3.2.1-3所示：图3.2.1-3 STC89C52-2STC89C52-2的I/0端口与系统其它外围器件接口的分配情况表如下表3.2.1-4所示：表3.2.1-4STC89C52-1引脚说明P0.0P0.7日光灯供电电压模块控制位P1.0/P1.1A/D采集i2c总线位P1.2光敏控制灯光亮灭位P1.3（红外控制）显示日期位P2.4P2.7灯光驱动-继电器输出位P3.2红外接收位P3.6红外启动位/手自动控制切换位P3.7红外控制警报位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单片机学习系统，价格昂贵，近年来，随着FLASH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ISP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。 STC89C52芯片就是这样的芯片。其原理图如下图3.2.2-1所示。图3.2.2-1 程序下载模块原理图 STC89C52芯片支持在线编程(ISP)功能，用户可以通过STC89C52在线编程接口直接对电路板上的CPU进行在线编程，方便了程序的修改烧写工作。ISP进行在线编程时，用AT89C52芯片的P3.0、P3.1引脚，通过PC并口，根据ISP协议制作简单的编程器就可对CPU进行编程。使用方便、快捷，且工作显示信号清晰。3.2.3系统供电电路要取得+5V电压，若选用12V的变压器，整流滤波后输出往往大于12V，会使稳压器功耗大，自身温度较高。故不选用输出电压为12V的变压器，而选用输出电压为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C23，C24滤波，再经一只正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用了电容C25、C26，最后得到+5V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Vcc+端供电。其供电原理图如3.2.3-1所示。图3.2.3-1 供电原理图在硬件时钟模块中，为了在断电后硬件时钟能够正常运行，故采用主从双电源供电方式。硬件时钟一般在系统的+5V主电源情况下工作，而只有系统+5V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3.6V的可充电铿电池作为备用电源。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器有光敏电阻。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HC-SR501型号的人体存在传感器。I.环境光A/D采集电路 光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。还有另一种入射光弱，电阻减小，入射光强，电阻增大。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76）uM的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。其外形电路图形符号如图3.2.4-1所示：图3.2.4-1 光敏电阻光敏电阻电路如下图3.2.4-2所示：图3.2.4-2 光敏电阻电路原理图其输出随着光敏电阻的阻值变化为不同的电压值，其中AIN0引脚接A/D的AIN0引脚。 在这里选用的AD为PCF8591-8位A/D和D/A转换器，通过该型号的A/D将光敏电阻输出的电压值（模拟量）转换成数字量。来供后续电路、单片机的控制运算处理。下面介绍一下PCF8591-8位A/D和D/A转换器,由于本芯片我们只使用的是A/D转换部分，故仅对A/D部分稍作介绍。其引脚如图3.2.4-3所示：图3.2.4-3 PCF8591引脚图PCF8591是单片、单电源低功耗8位CMOS 数据采集器件，具有4个模拟输入、一个输出和一个串行I2C总线接口。3个地址引脚A0、A1和A2用于编程硬件地址，允许将最多8个器件连接至I2C总线而不需要额外硬件。器件的地址、控制和数据通过两线双向I2C总线传输。器件功能包括多路复用模拟输入、片上跟踪和保持功能、8位模数转换和8 位数模拟转换。最大转换速率取决于I2C总线的最高速率。A/D部分的电路连线如下图3.2.4-4所示：图3.2.4-4 A/D模块电路图由于I2C总线系统中的每一片PCF8591通过发送有效地址到该器件来激活。该地址包括固定部分和可编程部分。可编程部分必须根据地址引脚A0、A1和A2来设置。上图中A0A2均与地线连接，所以PCF8591的编程地址后三位为000B。电路中A/D通道AIN0与图3.2.4-2中的标号AIN0相连。电路中的串行数据线SDA和串行时钟线SCL必须通过上拉电路连接至正电源。数据传输只能在总线不忙时启动。其中SCL连接至单片机STC89C52-2的P1.0引脚，SDA连接至单片机STC89C52-2的P1.1引脚。II人体存在信号采集电路人体热释电红外传感器HC-SR501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，它的主要特性如下:（1）全自动感应：人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。（2）温度补偿：在夏天当环境温度升高至3032，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。（3）两种触发方式：（可跳线选择）a、不可重复触发方式:即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变成低电平；b、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，其输出将保持高电平，直到人离开后才将高电平变为低电平。（4）具有感应封锁时间：感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），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。（5）工作电压范围宽：默认工作电压DC4.5V-20V。人体传感器HC-SR501的视图如图3.2.4-5所示:图3.2.4-5人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性如下:人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10uM左右的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的10uM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10uM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。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10uM左右的红外辐射非常敏感。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（菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距，从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密），使环境的干扰受到明显的抑制作用。人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元，构成差分电路，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。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。人体传感器透镜的信号采集敏感区示意图如图3.2.4-6所示图3.2.4-6 信号采集敏感区示意图人体存在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，正确的安装应满足的条件有：应离地面2.0-2.2米；远离空调，冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方；在探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物；不要直对窗口；不要安装在有强气流活动的地方。人体存在传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。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。人体传感器HC-SR501模块的外接连线：人体传感器的1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。本系统使用4个HC-SR501模块来控制路LED日光灯，故其2号引脚分别连接单片机STC89C52-1的P2.0P2.4引脚，其外接电路原理如图3. 2. 4. 2-7所示。 图3.2.4-7 HC-SR501传感器外接电路原理图3.2.5 DS1302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间。比如晚间休息、假期等时间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。DS1302与单片机接口电路连接原理图如图3.2.5-1所示：图3.2.5-1 DS1302与单片机接口电路连接原理图其中Vcc1外接3.6V可充电的铿电池，为DS1302的备用电源（可以用电池或者超级电容器。虽然DS1302在主电源掉电后的耗电很小，但是如果要长时一间保证时钟正常，最好选用小型充电电池。如果断电时间较短时，就可以用漏电较小的普通电解电容器代替。）。在主电源关闭的情况下，由Vcc1给DS1302供电，保持时钟的连续运行。Xl和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST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SCLK接单片机STC89C52-1的P1.5引脚，进行时钟控制。数据输入/输出端I/0接单片机STC89C52-1的P1.6引脚，进行数据传输。RST接单片机STC89C52-1的P1.7引脚。DS1302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 数码管显示时间电路由于教室日光灯的控制在自动控制模式下是严格按照作息制度控制的，为了更加直观的提醒教室人员时间，以确保及时合理利用自己的时间，故添加此时间显示模块。数码管显示时间模块电路图如下图3.2.6-1所示：图3.2.6-1 数码管显示电路 该电路用到了两个74LS373锁存器（74LS373为常用芯片，故在此不做详细介绍），用来对8位数码管的段数据和位数据的选择控制，硬件连线两个74LS373的1D7D引脚均连接到单片机STC89C52-1的P0端口。上图中代号为U2的74LS373芯片的C引脚接连接到单片机STC89C52-1的P1.1引脚，上图中代号为U4的74LS373芯片的C引脚接连接到单片机STC89C52-1的P1.0引脚。3.2.7 红外遥控接收电路 为了便于更加灵活的对该系统进行控制，特设计了红外控制，在此不做控制介绍（后续章节会给出），其接收硬件电路如下图3.2.7-1所示：图3.2.7-1 红外接收硬件电路 该电路中采用微机一体化红外接头IR1308，适合各种红外线遥控和红外线数据传输的红外线接收器其红外线接收器。此红外线接收器是一种集红外线接收和放大于一体，不需要任何外接元件，只是焊上一个10uf的滤波电容，可以使接收器工作更可靠。遥控器信号的接收模块与单片机的连接如上图，OUT引脚用来接收从红外遥控器接收到的数据控制信息。其OUT引脚连接到单片机STC89C52-2的P3.2引脚，便于遥控信号采集。3.2.8 继电器驱动接口电路继电器驱动接口电路如图3.2.8-1所示，这里继电器由芯片ULN2003来驱动，开机时，单片机STC89C52-1初始化后的P2.4P2.7为高电平，ULN2003输出为高阻状态，所以开机后继电器始终处于释放状态，如果P2.4P2.7为低电平，ULN2003输出为低电平故导通，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100欧的电阻和6800皮法电容，目的是避免继电器吸合与释放期间产生火花，从而使用起来更加安全。这种继电器驱动方式硬件结构比较简单。图3.2.8-1中1、3接口连接负载电路，LED（03）连接芯片ULN2003的OUT端引脚，其对应的IN引脚连接单片机STC89C52-1的P2.4P2.7引脚。图3.2.8-1 继电器驱动电路3.2.9 超时报警电路在教室中，由于学生学习紧张，在夜里忘了时间点，致使教室灯工作超时，于是本系统超时报警电路就会发出声音，提醒学生应该休息或必需改用遥控器手动方式来控制灯了。这样，可以更好地保护公共设施。本系统采用超时报警的电路如图3.2.9-1所示。这里蜂鸣器是由ULN2003驱动，其硬件连线为单片机STC89C52-1的P3.7引脚连接ULN2003的IN引脚对应的OUT引脚连接下图所示的SPK线。当单片机STC89C52-1的P3.7引脚为低电平时，ULN2003导通，驱动蜂鸣器发出声音，以示教室灯工作超时。若单片机STC89C52-1的P3.7引脚为高电平，即ULN2003输出为高阻，蜂鸣器不工作，教室灯工作正常。本系统采用超时报警电路方便了管理人员对教室的管理，能够更好地、及时地管理教室。图3.2.9-1 超时报警电路3.2.10 日光灯供电电源控制电路 日光灯供电电压通过控制变压器的变压匝数比来实现变压，其原理如下图3.2.10-1所示：图3.2.10-1 日光灯供电电路该电路通过单片机STC89C52-2的P0端口控制来实现，将前面A/D采集环境光电路所得的数值分为8个等级，通过P0口的通断来实现对应匝数比的改变，来实现LED日光灯输入电压的变化。由于上图中SB1SB7开关上通过的电压值过大，故P0口需通过驱动电路来实现对相应开关的控制，在此我们选用前面所提到的继电器驱动电路来驱动控制SB1SB7的通断。 第4章 软件设计与开发在单片机硬件系统的基础上，再配上相应的软件，才能构成一个完整的系统。用户软件的开发与系统硬件有着密切的关系。在系统的硬件及输入输出方法确定后，程序软件就可以完全独立的进行设计、开发。在程序设计过程中，采用合理的程序设计结构是一项关键技术。在本系统的设计过程中，总体设计采用自上至下的设计思想将主程序设计好，而在各个部分展开成从属程序或子程序时，是将各个小模块分别进行设计和编程，同时在编程的过程中又用到了结构程序设计的思想。本控制系统软件模块主要包括:系统监控主程序模块、数据采集模块、时钟模块、显示驱动模块及系统键功能。4.1系统监控主程序模块监控主程序是整个控制系统的核心部分，其外围模块一般都需要经过监控模块实现其在监控系统中的作用。监控主程序接受和分析来自键盘的命令，进而把控制转到相应的处理子程序的入口，起引导作用。本系统监控主程序模块包括对系统外围器件输入、输出参数的初始化自检，多任务操作模块的调用，实时中断处理等。其监控主程序流程图如图4.1-1所示：图4.1-1 监控主程序流程图4.1.1系统初始化系统初始化是保证整个控制系统能够正常运行的重要条件。系统加电复位后，直接进入初始化程序完成系统的初始化。初始化过程主要是对一些控制寄存器、数据区和外部芯片进行初始参数设置和定义。本系统中的初始化主要指各接口芯片的检测、芯片内部设定参数的初始化及系统内部寄存器的初始化。 各接口芯片的检测主要检测各芯片是否己处于准备工作的就绪状态，有无硬件故障等，如检测各位LED是否正常显示系统设置开机时的界面，检测硬件时钟DS1302是处于更换芯片后初次使用为起振状态，还是处于备用电源供电振荡保持状态，即检测系统中控制时间表的有效性，检测人体传感器输出信号是否正常体现人体存在的信息，检测环境光是如何影响光采集电路输出的信号等。 系统内部寄存器初始化主要是指在数据缓冲区内，各用户定义的数据变量的初始化赋值及部分特殊功能寄存器SFR的复位初始化。4.1.2定时器中断处理定时中断是利用单片机内部的定时器定时时间到或计数值已满引起的中断，内部定时器的计数器可以对内部时钟或从外部引线TO和TI输入的外部脉冲进行计数。计数器的溢出信号作为中断请求信号，去置位定时器溢出标志位，向单片机的CPU申请中断。定时中断为周期性中断，每隔一定的时间会中断一次。本系统中设定的定时中断主要用来构造多任务操作系统，在系统响应中断后，无需对断点实施现场保护，可直接进行多任务时间的划分工作，使相应的操作任务进入就绪状态，即该中断可以启动有关的任务就绪。该定时中断处理程序框图如图4.1.2-1所示:图 4.1.2-1 定时中断处理程序框图 本系统还采用了外部中断，此外部中断主要用来判断是否有遥控器信号(或警报信号)，若有，就采集下来并加以处理；若无，则返回到主循环。4.1.3多任务操作系统的构建多任务操作是将用户应用程序分成多个任务，在操作系统的管理下，以某种准则调度并分配任务由处理器去执行。多任务运行实现一般是靠CPU运行实时内核，对多任务进行分配和调度，使CPU不停地执行这些任务中的某一个任务，以至能最大限度地提高CPU的利用率，加快运行速度，各任务(程序)不被耽误运行。本系统多任务的执行是对定时中断中设置的实时标志进行检测，通过标志位的状态决定各任务的调用。任务的执行在微观上是分时顺序进行的，但在宏观上认为是同时执行的。因此各任务在实时系统中的就会处于如下四种状态之一，这四种状态如图4.1.3-1所示：图 4.1.3-1当某个任务获得CPU的执行权时，CPU执行该任务，此时任务处于运行状态。等待状态是指任务的执行需要等待某一事件发生，则由运行状态退出，进入等待状态。就绪状态是任务满足所有启动条件后所进入的状态。休眠状态是任务己执行完的状态。4.2数据采集模块本系统中的数据采集对象为环境光信号及人体存在信号，在程序设计中对这两个数据的采集放置多任务模块中实施定时采集。4.2.1数据采集软件设计的实现本系统考虑到环境观足够亮时，无论有否人体存在都不应该开灯：而环境光不够亮时，有人体存在才开灯,无人体存在不开灯。本系统逻辑定义为环境光亮时为二进制的“0”，暗时为“1”，人体存在为“1”，人体不存在为“0”，开灯为“1”，关灯为“0”，那么环境光与人体存在可以有以下的逻辑关系表表示，如表4.2.1-1所列：表4.2.1-1环境光参数人体存在参数灯光状态010000111100上表数据表明可将环境光参数与人体存在参数相与门操作，又由于继电器是低平驱动，所以要将采集处理后的信号进行非操作，才可以驱动继电器工作，即可得到教室灯的状态，其软件子程序为： hr_test()，具体内容会在附录中给出。其流程图4.2.1-2如下所示：图4.2.1-2 数据采集流程图4.3时钟模块在系统启动自检初始化时，首先会对时钟芯片DS1302的运行状态进行判断，当检测到DS1302处于启动状态时才对其进行初始化启动时。实时时钟芯片DS1302的初始化及其读写程序设计的关键是要遵循其时序要求。4.3.1数据输入输出在对DS1302进行的各种操作之前，必须先对其初始化，即需要把复位输入RST端置为高电平，如果RST输入为低电平，那么所有的数据传送中止，且I/0引脚变为高阻抗状态。在数据读/写完后，RST端应置成低电平，以防止外部干扰对DS1302内部时钟的影响。 同时，为了防止复位输入端受到外部的干扰，要求上电时，在主电源引脚 Vcc22.5V之前，RST必须为逻辑0。无论是读操作还是写操作，都必须在开头的8个时钟周期把提供地址和命令信息的8位数据装入到DS1302的移位寄存器。地址/命令子节用于指明40个寄存器中的哪个进行何种操作。数据在SCLK的上升沿串行输入，在开始的8个时钟周期把命令字装入移位寄存器之后，若跟随的是写命令字节，则在下8个SCLK周期的上升沿输入数据字节，若跟随在读命令字节的8个SCLK周期之后，在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。4.3.2时钟内部寄存器的使用DS1302有控制寄存器和年、月、日、周、时、分、秒等工作寄存器组成。本系统中只用到工作寄存器中的时分秒及控制寄存器，所应用的各寄存器地址(命令)及数据寄存器分配情况如表4.3.2-1所示:表4.3.2-1 DS1302内部寄存器寄存器名命令字取值范围各位内容写操作读操作7654321