毕业设计论文教室灯光自动控制系统.doc

学学 号 号 HEBEI UNITED UNIVERSITY 毕毕业业设设计计说说明明书书 GRADUATE DESIGN 设计题目 设计题目 教室灯光自动控制系统教室灯光自动控制系统设计设计 学生姓名 贾高欣学生姓名 贾高欣 专业班级 专业班级 10 电电 3 学学 院 电气工程学院院 电气工程学院 指导教师 张瑞成指导教师 张瑞成 教授教授 2014 年年 5 月月 29 日日 摘 要 I 摘 要 针对学校教室用电浪费现象 本研究教室灯光的智能控制 分析了发展现 状教室灯光智能控制的原理和方法 提出了基于单片机的教室灯光智能控制的 设计 该系统以 AT89S52 单片机为控制装置的智能部件 采用热释电红外传感 器检测到人类存在和采用光敏电阻构成的电路检测环境光强度 根据教室光线 条件和人体的测量信号系统和环境光 系统可以做出合理 智能判断 然后控 制教室照明电路的工作 首先通过传感器检测教室门口是否有人活动 若有人 则开启教室门口的灯 然后通过光照强度检测电路检测光照强度 其检测信号 经过 ADC0804 转换为可提供单片机直接处理的数字信号 每个座位上安置机械 压力开关 根据数字信号及压力开关的变化自动执行对 LED 的恒光控制 以实 现照明的节能控制 教室门口安装内外两个光藕 用于检测人员进入情况 统 计教室人数 这是一个有效的方法来避免浪费电的教室 体积小 控制方便 可靠性高 特异性高 价格合理的优势使该系统满足大 中等技术学校教室灯光控制的要 求 极大地达到节能的目的 关键词 教室灯光控制 热释红外传感器 光敏电阻 AT89S52 目 录 II Abstract This study of intelligent control classroom lamplight analyzes the current situation of the development of the classroom light of intelligent control principle and method is proposed based on single chip microcomputer intelligent control of the classroom lamplight design This system to AT89S52 single chip computer as control device of intelligent parts adopts heat release infrared sensor detects the release of human existence and adopts photoconductive resistance constitutes circuit testing environment light intensity According to the classroom light conditions and the measured the signal of human body system and ambient light the system can make reasonable and intelligent judgment and then controls the work of classroom lighting circuit First by sensor detects whether the door of the classroom activities if someone opens the door of the classroom lights and then through the light intensity detecting circuit in light intensity the test signal after converting ADC0804 can provide single chip computer processing of digital signals directly each seat on mechanical pressure switch according to the digital signal and the change of the pressure switch automatically perform the LED constant light control to realize the energy saving of lighting control Inside and outside the door of the classroom to install two light lotus root used to detect personnel to enter statistics the number of the classroom It is a effective way to avoid the classroom of waste electricity Small volume convenient control high reliability high specificity and price reasonable make this system satisfy the advantages of large secondary technical schools classroom light control requirements and greatly reach energy saving purpose Keywords the classroom light control heat release infrared sensor photoconductive resistance AT89S52 目 录 III 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪论 1 1 1 教室灯光自动控制系统的发展现状 1 1 1 1 国外灯光自动控制的发展状况 1 1 1 2 国内灯光自动控制的发展状况 1 1 1 3 教室灯光自动控制的发展现状 2 1 2 当前常用灯光自动控制系统简介 2 1 3 本设计的题目来源 3 1 4 本设计的主要内容与目标 3 1 5 本章小结 4 第 2 章 教室灯光控制器简介及控制方案的分析 5 2 1 教室灯光控制器简介 5 2 2 教室灯光系统控制方案的分析 5 2 3 本章小结 5 第 3 章 教室灯光系统控制模块的硬件设计 6 3 1 本系统需要抗干扰的原因分析 6 3 2 本系统控制模块的硬件构成分析 6 3 3 本控制系统的主要硬件电路设计 6 3 3 1 系统主控电路 6 3 3 2 系统供电路 7 3 3 3 数据采集电路 8 3 3 4 数码管驱动显示电路 11 3 3 5 数模转换电路 13 3 3 6 人数流量计数器 15 3 3 6 1 设计框图 15 3 3 6 2 光控脉冲整形部分 15 3 3 6 3 逻辑控制部分以及附加功能部分 16 3 3 6 4 两光藕距离及其产生的脉冲 18 3 3 6 5 逻辑电路部分及计数器的选用 19 3 4 本章小结 20 第 4 章 教室灯光自动控制系统软件设计与开发 21 4 1 本系统软件模块简介 21 4 2 系统监控主程序模块 21 目 录 IV 4 3 数据采集模块 22 4 3 1 人体存在传感器的优缺点 22 4 3 2 数据采集软件设计的实现 23 4 3 3 人体存在传感器的抗干扰措施 23 4 3 4 人体存在传感器的安装要求 23 4 4 显示驱动模块 24 4 4 1 74HC573 锁存器的应用 24 4 4 2 显示程序设计 25 4 5 系统键功能和存储模块 28 4 5 1 键盘分析及其采集 28 4 5 2 键功能处理程序 29 4 5 3 按键程序 29 4 6 本章小结 31 第 5 章 教室灯光自动控制系统的仿真与调试 32 5 1 软件介绍 32 5 1 1 proteus 简介 32 5 1 2 KEIL C51 编译简介 33 5 1 2 1 8051 开发 33 5 1 2 2 uVision3 集成开发环境 33 5 1 2 3 第三部分编辑器和调试器 33 5 1 2 4 C51 编辑器 34 5 2 仿真与调试 35 结 论 39 参考文献 40 谢 辞 43 附 录 A 44 附 录 B 45 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1 1 教室灯光自动控制系统的发展现状 1 1 1 国外灯光自动控制的发展状况 世界各地发电的主要原料是煤炭 石油和天然气 而丹麦在能源利用方面 的成功经验提供了很好的借鉴 从 1974 年以来 尽管丹麦国民收入增长了 50 丹麦总的能源消费量并没有增加 丹麦是 OECD 成员国中能源消耗量和 国民收入比值最小的国家 他们不断地提供一些节能供热系统 例如丹麦热电 同供热电厂 CHP 而且 他们尽可能的有效利用资源 这样 他们的能源使用 总效率达到了 90 丹麦政府很重视住房空间用电的节能 并设立了对新建房 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 他们要支付比 没有节能方案房屋高出 8 的费用 其节能项目经验在欧盟国家中广为流传 还 有 欧司朗 斯维尼亚公司不断的推出新型高输出的荧光灯 节约 6 的总系统 功率 并具有更高的光通量和平均光通量 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 1 种种迹象表明世界各国都在采取不 同方式来节约能源 节约电能 1 1 2 国内灯光自动控制的发展状况 中国经济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 但由于我国人口众多 所以人均储量少 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发展的关键问题 从环境和自然资 源角度出发 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 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 未来五年间将在公用设施 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 河北联合大学电气工程学院 2 千瓦时 节约电费 251 9 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 北京的奥运场馆 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 1 1 3 教室灯光自动控制的发展现状 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 再者 每所院校不断的扩招 教室不断的 扩建 若再没有改进教室的用电管理设备 那么用电负荷可想而知 浪费的电 能就更惊人了 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 因此教室灯光自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要的课题 1 2 当前常用灯光自动控制系统简介 1 Dynalite智能照明控制系统 该系统主要由调光模块 开关模块 控制面板 液晶显示触摸屏 智能传 感器 编程插日 时钟管理器 手持式编程器和PC监控机等部件组成 采用 DyNet网络连接 DyNet是一个分布式智能化网络 使用RS一485通讯协议 2 C一Bus智能照明控制系统 C一Bus系统是1994年由澳大利亚奇胜电气公司开发的 现已广泛用于很多 国家和地区 C一Bus系统是一个二线制的总线型式的智能控制系统 主要用于 对照明系统的控制 也可用于消防等系统中的联动控制 3 ABB i bus EIB智能安装系统 EIB智能系统由总线 总线电源 智能传感器 光线传感器 模糊开关 时 间控制器 移动传感器 智能开关驱动器和其他智能元件 逻辑模块总线祸合 器 构成 它是典型的现场总线系统 每个元件就是一个节点 这些节点连接在 一根2芯双绞线介质的总线上 不分主从隶属关系实现相互之间的通讯从而实现 控制和被控制 1 3 本设计的题目来源 随着社会经济和科学技术的发展 人们的生活水平也不断提高 导致用电 第 1 章 绪论 3 负荷的加剧 又由于世界性的能源危机 能源缺乏已成为世界所面临的严峻问 题 而此问题对我国来说尤为严重 随着各类大 中专院校的扩招 教室的扩 建 教室照明的需求也越来越多 而教室照明的管理不到位 往往造成电能的 巨大浪费 这样 提高教室用电效率就成为首要考虑的问题 目前对灯光的智能控制 国内外己经开始采用 但对教室灯光的控制 尤 其是我国教室灯光的智能控制尤为缺乏和不完善 依然是传统式的人工管理 各类大 中专院校不断扩招 教室不断扩建 教室的用电负荷不断加大 教室 用电管理不善 造成学校电能浪费 经济损失 这种的浪费与当今的节约能源 理念相违背 再者 现代自动化程度不断提高 计算机技术的普及 灯光的管 理也在朝着自动化 智能化方向发展 例如楼道灯光的自动控制等等 2 所有 这些使得教室灯光控制也应该朝着智能的方向发展 于是 开发简便 实用的教室灯光自动控制系统便具有重要的现实意义 1 4 本设计的主要内容与目标 本课题的研究内容主要有如下几点 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 研究传感器在教室分布 安放问题 是否一灯一个传感器或多灯公用传 感器 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 研究使用键盘按键控制灯光控制器技术 10 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 11 研究报警等附加功能问题 本设计的主要研究目标是使教室灯光控制系统能用于现有教室照明系统的 改造 实现对照明系统的人性化智能管理 提高用电效率 实现自动 手动灯 光控制相兼容 以降低成本 通过反复试验和改进 最终达到可靠性 实用性 推广性较好的目地 河北联合大学电气工程学院 4 1 5 本章小结 本章主要分析和介绍了教室灯光自动控制系统的国内外发展现状和当前使 用的主要几个灯光自动控制系统 总结了教室灯光自动控制系统的当前现状 指出了当前教室灯光自动控制系统的一些问题 最后对本课题的题目来源以及 本设计的主要设计内容和研究目标进行了介绍 第 2 章 教室灯光控制器简介及控制方案的分析 5 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 3 可以实现上述目标 教室灯光控制器由机械开关和红外传感器组成 红外传感器安装在教室门 口 当有人进入且灯光较暗时打开灯 机械开关安装在教室每个座位上 用来 检测是否有人坐下 前后教室门口分别安装光藕用于检测进进出出教室的人数 2 2 教室灯光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 4 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 本文所研究的教室灯光控制器 5 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 6 2 3 本章小结 本章仅对教室灯光自动控制器进行了一下简要的介绍 并对教室灯光自动 控制系统的方案进行了分析与简介 第 3 章 教室灯光系统控制模块的硬件设计 6 第 3 章 教室灯光系统控制模块的硬件设计 3 1 本系统需要抗干扰的原因分析 考虑到本系统 7 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 光敏电阻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 2 本系统控制模块的硬件构成分析 图 3 1 系统控制模块硬件组成 3 3 本控制系统的主要硬件电路设计 3 3 1 系统主控电路 本系统的主控模块主要采用 Atmel 公司的 AT89S52 作为主控芯片 8 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 9 由于合理的安排使用片内 RAM 空间 10 所以没有扩展的片外 RAM 使电路结构简捷 该芯片具有以下主要特征 l 与 MCS 51 系列单片机兼容 2 8K Bytes Flash 存储器 在线编程 可写 1000 次 3 4 0 5 5V 的工作电压 4 自带 256 8bit RAM A T 8 9 S 5 2 显示电路 电源电路 灯控电路 ADC0804 晶振电路 按键 光敏电阻 报警电路 河北联合大学电气工程学院 7 5 32 个可编程 I O 管脚 6 3 个 16 Bit 定时器 计数器 7 8 个中断源 8 自带看门狗 AT89S52 I O 端口与系统其它外围器件接口的分配情况表如表 3 1 所示 表表 3 1 单片机接口分配表单片机接口分配表 单片机最小系统模块电路如图 3 2 所示 图 3 2 单片机最小系统电路 3 3 2 系统供电路 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 89S52 引脚外围器件引脚说明 P0 0 P0 774HC573数码管显示驱动接口 P2 0 P2 3独立按键键盘输入接口 P2 674HC573数码管段码选择接口 P2 774HC573数码管位码选择接口 P1 0 P1 7ADC0804AD 转换接口 P3 6 P3 7数模转换读写输入端口 第 3 章 教室灯光系统控制模块的硬件设计 8 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 C3 C4 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 其供电原理图如图 3 3 图 3 3 系统供电电路 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 电锂电池作为备用电源 3 3 3 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 11 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 传感器有光敏二极管 光敏三极管和光敏电阻 根据需求 选用灵敏度较高的 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 HP 208 型号 12 的人体存在传感器 1 环境光采集电路 光强采集 采用光敏电阻进行设计 敏电阻又称光导管 常用的制作材料 为硫化镉 另外还有硒 硫化铝 硫化铅和硫化铋等材料 这些制作材料具有 在特定波长的光照射下 其阻值迅速减小的特性 这是由于光照产生的载流子 都参与导电 在外加电场的作用下作漂移运动 电子奔向电源的正极 空穴奔 向电源的负极 从而使光敏电阻器的阻值迅速下降 采用分压原理 设计电路 如图 3 4 所示 河北联合大学电气工程学院 9 图 3 4 环境光采集电路 2 人体存在传感器的工作原理 自然界中存在的各种物体 如人体 木材 石头 火焰 冰等都会发出不 同波长的红外线 利用红外传感器 13 可对其进行检测 根据工作原理 红外传 感器分为热型和量子型两类 热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红 外传感器 与量子型相比 响应的红外线波长范围较宽 价格便宜 并可在常 温下工作 量子型与热型的特点相反 而且要求冷却条件 本系统采用的是热 释电红外传感器 人体存在传感器主要采用了红外传感器的原理 它是目前在 防盗报警 火灾检测 自动门 自动水龙头 自动电梯 自动照明等场合 及 非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器 其原因为 被测对象自身发射 红外线 可不必另设光源 大气对 2 2 6 m 3 5 m 8 14 m 三个被称为 大气窗口 的特定光通量的红外线吸收甚少 可非常容易被检测 中 远红 外线不受可见光影响 可不分昼夜进行检测 人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性 14 如下 人体都有恒定的体温 一般在 37 所以会发出特定波长 10 m 左右的红 外线 被动式红外探头就靠探测人体发射的 10 m 左右的红外线而进行工作的 人体发射的 10 m 左右的红外线通过菲尼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 15 1 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 10 m 左右的红外辐射非常敏感 2 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 使环境的干扰受到明显的抑制作用 第 3 章 教室灯光系统控制模块的硬件设计 10 3 人体存在的探测 其传感器包含两个互相串联的热释电元 而且制成的 两个电极化方向正好相反 环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用 使其产生释电效应相互抵消 于是探测器无信号输出 4 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 16 5 菲尼尔滤光片根据性能要求不同 具有不同的焦距 感应距离 从而产生 不同的监控视场 视场越多 控制越严密 人体传感器透镜的信号采集敏感区示意图 3 5 如下所示 图 3 5 信号采集敏感区示意图 有人进入时 移动人体发出的红外线被红外传感器接收 则人体存在被感 应 并输出高电平 若人体进入最不敏感移动方向时 则人体传感器所体现的 信号就会不理想 有时还会产生误动作 所以要特别注意人体传感器的安装方 向 人体存在信号采集电路 人体传感器 HP 208 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 l 感应为全自动方式 人进入感应范围时输出高电平 高 3 3V 人离开感 应范围则自动延时关闭高电平 输出低电平 低 0 3V 其高低电平利于采集 2 采用可重复触发方式 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 其输出将一直保持高电平 直到人离开后才延时 8 秒 15 秒后将高电平变为低电平 3 人体传感器工作电压宽为 DC5V DC20V 4 人体传感器制作成锥面形状 感应范围大 小于 140 度锥角 感应距离 为 7 米以内 5 其静态电流小于 50 微安 功耗低 最敏感移动方向 传感器 最不敏感移动方向 河北联合大学电气工程学院 11 6 工作温度介于 20 和 70 之间 适应性强 7 灵敏度高 可靠性强 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 在电路设计中 为了使人体传感器的工作更加可靠 介于人体 传感器的信号引脚 2 与地信号引脚 3 之间加一个 6800pF 的电容 另外人体存在 传感器的信号引脚 2 与单片机的 P3 3 引脚相连 p3 3 引脚再接一个 l00K 的上 拉电阻 增加人体存在传感器输出信号的可靠性 其电路原理图如图 3 6 图 3 6 人体采集电路 3 3 4 数码管驱动显示电路 荧光数码管是一种分段式真空显示器件 其优点是工作电压低 电流小 寿命长 清晰悦目 稳定可靠 视距较大 液晶显示器是利用液态晶体的光学特性来工作的 由于它具有工作电压低 耗电省 成本低等优点 缺点是显示不够清晰 工作温度范围较窄 10 60 因为我们这里并不需要太丰富的显示内容 而且液晶显示器太贵 终上所 述我们选择数码管来显示 数码管的驱动我们选择74HC573芯片 下图为74HC573的功能表和引脚图 表表3 2 74HC573功能表功能表 OELEDQ LHHH LHLL LLXQ0 HXXZ 第 3 章 教室灯光系统控制模块的硬件设计 12 图3 7 74HC573引脚图 74HC573管脚1脚三态允许控制端低电平有效 17 1D 8D 为数据输入端 1Q 8Q 为数据输出端 74HC573是高性能硅门 CMOS 器件 它具有 三态总线 驱动输出 置数全并行存取 缓冲控制输入 使能输入有改善抗扰度的滞后作 用 其原理说明 74HC573的八个锁存器都是透明的 D 型锁存器 当使能 G 为高时 Q 输出 将随数据 D 输入而变 当使能为低时 输出将锁存在 已建立的数据电平上 输出控制不影响锁存器的内部工作 即老数据可以保持 18 甚至当输出被关闭时 新的数据也可以置入 这种电路可以驱动大电容或 低阻抗负载 可以直接与系统总线接口并驱动总线 而不需要外接口 特别适 用于缓冲寄存器 I O 通道 双向总线驱动器和工作寄存器 数据锁存 当输入的数据消失时 在芯片的输出端 数据仍然保持 从其功能和价格方面考虑 我们选择了74HC573来驱动数码管 数码管驱动显示电路如图3 7 河北联合大学电气工程学院 13 图 3 8 数码管驱动电路 3 3 5 数模转换电路 ADC0804 是单片机集成 A D 转换器 19 它采用 CMOS 工艺 20 引脚集成芯 片 分辨率为 8 位 转换时间为 100 s 输入电压范围为 0 5V 芯片内具有三 态输出数据锁存器 可以直接连在数据总线上 图 3 8 为 ADC0804 双列直插式 引脚分布图 图 3 9 ADC0804 引脚分布图 各引脚名称及作用 20 VIN VIN 两模拟信号输入端 用以接受单极性 双极性和差模输入信号 DB7 DB0 具有三态特性数字信号输出口 AGND 模拟信号地 DGND 数字信号地 CLK 时钟信号输入端 CLKR 内部时钟发生器的外接电阻端 与 CLK 端配合可由芯片自身产生时钟 脉冲 其频率为 1 1 1RC CS 片选信号输入端 低电平有效 一旦 CS 有效 表明 A D 转换器被选中 可以启动工作 WR 写信号输入 低电平启动 A D 转换 RD 读信号输入 低电平输出端有效 INTR A D 转换结束信号 低电平表示本次转换已完成 VREF 2 参考电平输入 决定量化单位 VCC 芯片电源 5V 输入 第 3 章 教室灯光系统控制模块的硬件设计 14 图3 10 A D 与单片机连接接法 ADC0804转换器的工作时序图 21 图3 11 ADC0804转换器的工作时序图 CS 先为低电平 WR 随后置低 经过至少 tw WR L 时间后 WR 拉高 随 后 A D 转换器被启动 并且经过 1 8个 A D 时钟周期 内部 TC 时间后 A D 转 换完成 转换结果存入数据锁存器 同时 INTR 自动变为低电平 通知单片机 河北联合大学电气工程学院 15 本次转换已结束 当 INTR 变成低电平后 将 CS 先置低 接着再将 RD 置低 在 RD 置低至少经过 tACC 时间后 数字输出口上的数据达到稳定状态 22 此 时直接读取数字输出端口数据便可得到转换后的数字信号 读走数据后 马上 将 RD 拉高 然后再将 CA 拉高 INTR 是自动变换的 当 RD 置低 tR1间后 INTR 自动拉高 3 3 6 人数流量计数器 3 3 6 1 设计框图 3 3 6 2 光控脉冲整形部分 当有人通过时 根据触发电路的先后顺序 经过施密特触发器整形后 在 两个输出端先后产生两个脉冲 即先触发哪个光控电路的输出端就先产生脉冲 设计此部分用到了的元件有光电三极管和施密特触发器40106 如下图所示 光控 电路 内 脉 冲 整 形 脉 冲 整 形 控 制 逻 辑 电 路 加 减 可 逆 计 数 器 显 示 译 码 数码 十位 数码 个位 光控 电路 外 手动 复位 第 3 章 教室灯光系统控制模块的硬件设计 16 图3 12 光电三极管 图3 13 光脉冲整形电路 经过设计 简化以后 得到光控脉冲整形部分的电路图 在这个图中 我 用开关 K1 K2起到模拟人通过光电门的运动 在平常不过人的时候 上下两 个单刀双掷开关都掷向 5V 一端 发光二极管都导通发光 导致光电三极管导 通 使施密特触发器的输入端为高电平 经过整形后输出为低电平 当有人通 过一个光电门时 即光电三极管没有接到发光二极管的光而不导通时 在电路 图中我将单刀双掷开关掷向低电平来代替这个过程 此时光电三极管不导通使 施密特触发器 23 的输出端为低电平 经过整形后在输出端为高电平 人继续通 过光电门后 光电三极管又重新接收到发光二极管的光而导通 经过整形后输 出端又变成低电平 从上述分析 人走过一个光电门过程中 24 对应的光电门 电路的输出端就产生一个脉冲电压 3 3 6 3 逻辑控制部分以及附加功能部分 逻辑电路部分是整个电路的核心 此部分电路是控制计数器究竟是加计数 还是减计数 根据74LS192的电路逻辑特性 我用两片74LS192以及数码管组成 图 的输出电路 有三个重要的输出端 一个是加法脉冲输入端 与其相对应的 还有一个减法脉冲输入端 两个输入端均是上升沿触发计数 其中一个输入端 上升沿触发计数时另一个输入端必须是高电平才能保证计数 例如 当加法脉 冲输入端为高电平时 减法脉冲输入端有上升沿触发 此时计数器减一 还有 一个输入端是清零输入端 工作时为低电平 清零时接高电平 此图使用异步 清零端 CLK 将预置数置成0000 河北联合大学电气工程学院 17 图3 14 74LS192管脚 图3 15 74LS192电路符号 此计数器的工作特点是运算性质取决于脉冲所加的输入端 此时还要求另 一个输入端输入为高电平才可以正常计数 74LS192管脚功能如下表3 3 表表3 3 74LS192管脚功能管脚功能 管脚功能 CPU加计数时钟输入 CPD减计数时钟输入 LD预置控制输入 RD异步清零 A B C D预置输入 QA QB QC QD计数输出端 BO借位输出 CO进位输出 第 3 章 教室灯光系统控制模块的硬件设计 18 3 3 6 4 两光藕距离及其产生的脉冲 当两光藕放置距离不同时 他们产生的脉冲在时域范围内可能重叠 25 也 可能相互独立 下图 图3 16 两光藕产生的脉冲 相互独立 对应实际情况 当内外两个光电门相隔距离比较远时 26 人从第一个光电 门触发一个一个上升沿后 没到第二个光电门时 已经离开第一个光电门 因 此触发的第一个脉冲和第二个脉冲在时间上没有都是高电平的重合部分 这样 的脉冲存在一个致命的弱点 试想如果门内外光电门相距的距离比较远 一次 进门的人数比较多 就有可能发生当第一个光电门的脉冲触发了三 四次 第 二个光电门脉冲还没有触发的情况 反应的信号脉冲上的情况见下图 图3 17 两光藕距离较远时产生的信号脉冲 这样的信号输入此电路 通过对电路的分析 可以预测其结果 计数器先 加一 然后每通过一个人就减一 从外向内通过为例 这将给系统造成极大的 混乱 然而 根据设计原理中 逻辑电路控制部分 我看到本实验需要的是下图 所示的部分重叠脉冲信号 这就需要两光藕距离较近 从而避免了上述问题的 出现 光藕在未挡光时是高电平 挡光时产生低电平 而且产生信号很不规则 河北联合大学电气工程学院 19 所以选用施密特触发器进行整形 图3 18 本实验所需脉冲信号 3 3 6 5 逻辑电路部分及计数器的选用 此电路的设计没有用到任何逻辑门 这个方案的优点在于输入端可以得到 期望的脉冲 因而系统比较稳定 由于两个光电门距离较近 所以不会出现上 述方案中出现的造成系统混乱的脉冲 方案一设计逻辑电路图如下 图3 19 方案一逻辑电路图 光藕发出的信号经施密特触发器后一条给 CP 端 另一条给 U D 端 不难 看出 人进门经过外光藕时 若内光藕受到干扰产生高电平 则计数器将做减 法 较为理想的情况是 当人触发外光藕时 逻辑电路能自动将另一条信号锁 在低电平 从而有效避免干扰 可是过于简单的电路无法实现该功能 因此设 计方案二 第 3 章 教室灯光系统控制模块的硬件设计 20 采用74LS192计数器 以及连线电路 因为此电路可以自动将一条信号锁 在低电平 从而有效避免干扰 其电路图如图3 20 图3 20 方案二逻辑电路图 3 4 本章小结 本章主要介绍了该教室灯光自动控制系统需要抗干扰的原因以及控制模块 的结构分析 并分析介绍了本控制系统的主要硬件电路设计 其硬件电路主要 包括 系统供电模块 灯光驱动模块 数码管驱动显示模块 27 环境光模块 人体存在传感器模块 按键输入模块 人数流量计数器 28 A D 转换模块等内 容 河北联合大学电气工程学院 21 河北联合大学电气工程学院 22 第 4 章 教室灯光自动控制系统软件设计与开发 4 1 本系统软件模块简介 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 显 示驱动模块及系统键功能和 A D 转换模块 4 2 系统监控主程序模块 监控程序按模块分为监控主程序和命令处理子程序 29 监控主程序的基本 任务是调用子程序 一个主程序可以调用多个子程序 对于 51 系列单片机 系 统资源有限 主程序通常是一个无限循环的过程 即是一个反复调用子程序的 过程 子程序主要分为中断子程序和功能子程序 它们之间可以互相嵌套和调 用 即中断子程序可以调用功能子程序 在应用软件的设计中 尽可能各个功 能模块写成子程序的形式 并通过主程序调用 而命令处理子程序完成各种命 令所规定的具体操作 它按各种命令再分为不同的子程序模块 它的编程方法 与功能要求及系统应用密切相关 监控主程序是整个控制系统的核心部分 其它外围模块一般都需经过监控 模块实现其在控制系统中的作用 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主要包括对系统外围器件输入 输出参数的初始化 自检 除初始化和自检外 监控主程序一般总是把其余部分连接起来构成一个 无限循环 系统所有功能都在这一循环中周而复始的有选择的执行 其监控主 程序流程图如图 4 1 所示 第 4 章 教室灯光自动控制系统软件设计与开发 23 图 4 1 监控主程序流程图 4 3 数据采集模块 本控制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在多任务模块中实施定时采集 4 3 1 人体存在传感器的优缺点 人体存在传感器有优点 也有缺点 优点便是本身不发任何类型的辐射 器件功耗很小 隐蔽性好 价格低廉 而缺点是容易受各种热源 光源干扰 由于红外穿透力差 因此人体的红外辐射容易被遮挡 30 不易被探头接收 易 受射频辐射的干扰 环境温度和人体温度接近时 探测和灵敏度明显下降 有 时还会造成短时失灵 试验检测也证明了这点 只要人体存在却有 15 秒左右没 有活动 人体传感器则认为没有人体存在 为避免这种现象的出现 本系统软 件程序中设计为有人体存在状态后间隔 2 分钟或更长的时间来对人体存在参数 信号的采集 上电 RESET 系统初始化 环 境 光 处 理 任 务 人 体 传 感 器 处 理 任 务 显 示 刷 新 任 务 河北联合大学电气工程学院 24 4 3 2 数据采集软件设计的实现 本系统考虑到环境光足够亮时 无论有否人体存在都不应开灯 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 符合光采集电路输出信号状态 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 1 所示 表表 4 14 1 环境光与人体存在逻辑关系表环境光与人体存在逻辑关系表 环境光参数人体存在参数教师灯状态 010 000 111 100 4 3 3 人体存在传感器的抗干扰措施 人体存在传感器易受外界影响 于是要在使用时特别注意抗干扰性能 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的小动物 一般不产 生信号 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 生信号 4 3 4 人体存在传感器的安装要求 人体存在传感器的安装要求 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 正确的安装应满足下列条件 1 人体存在传感器应离地面 2 0 2 2 米 2 人体存在传感器远离空调 冰箱 火炉等空气温度变化敏感的地方 第 4 章 教室灯光自动控制系统软件设计与开发 25 3 人体存在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 人体存在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 人体存在传感器也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 24 还和人的运动方向关系很大 人体存 在传感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 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 4 4 显示驱动模块 系统运行过程中的数据显示是人机交互对话的一个重要通道 通过系统数 据的显示 我们才可以更好的了解系统运行的状态 从而便于对整个系统进行 必要的操作 本系统中采用 4 位一体共阴极 8 段数码管和 2 位一体共阴极 8 段 数码管 其中采用 74HC573 为驱动数码管的段选位选与驱动芯片 目的是节约 成本 并使程序编写简单 4 4 1 74HC573 锁存器的应用 考虑到数码管驱动信号要求的驱动电流较大 采用 74HC573 锁存器作为其 驱动芯片 此芯片是八进制 3 态非反转透明锁存器 高性能硅门 CMOS 器件 该器件的输入是和标准 CMOS 输出兼容的 31 加上拉电阻 它们能和 LS ALSTTL 输出兼容 当锁存使能端为高时 这些器件的锁存对于数据是透明 的 也就是说输出同步 当锁存使能变低时 符合建立时间和保持时间的数 据会被锁存 其输出能直接接到 CMOS NMOS 和 TTL 接口上 操作电压范 围为 2 0V 6 0V 低输入电流是 1 0uA 并且 CMOS 器件具有高噪声抵抗特性 本芯片还有如下特点 三态总线驱动输出 置数全并行存取 缓冲控制 输入 使能输入有改善抗扰度的滞后作用 74HC573 的原理是其八个锁存器都是透明的 D 型锁存器 当使能 G 为 高时 Q 输出将随数据 D 输入而变 当使能为低时 输出将锁存在已建立 的数据电平上 输出控制不影响锁存器的内部工作 即老数据可以保持 甚至 当输出被关闭时 新的数据也可以置入 这种电路可以驱动大电容或低阻抗负 载 可以直接与系统总线接口并驱动总线 而不需要外接口 特别适用于缓冲 寄存器 I O 通道 双向总线驱动器和工作寄存器 其内部原理图如图 4 2 所 河北联合大学电气工程学院 26 示 图 4 2 74HC573 内部原理图 4 4 2 显示程序设计 include 52 系列单片机头文件 include define uchar unsigned char define uint unsigned int uchar adval sbit dula P2 6 申明 U1 锁存器的锁存端 sbit wela P2 7 申明 U2 锁存器的锁存端 sbit adwr P3 6 定义 A D 的 WR 端口 sbit adrd P3 7 定义 A D 的 RD 端口 uchar code table 0 x3f 0 x06 0 x5b 0 x4f 0 x66 0 x6d 0 x7d 0 x07 0 x7f 0 x6f 0 x77 0 x7c 0 x39 0 x5e 0 x79 0 x71 void delayms uint xms 第 4 章 教室灯光自动控制系统软件设计与开发 27 uint i j for i xms i 0 i 延时约 x 毫秒 for j 110 j 0 j void display0 uchar A1 uchar A2 uchar A3 显示子函数 dula 1 P0 table A1 送段选数据 dula 0 P0 0 xff 送位选数据前关闭所有显示 防止打开位选锁存 时 wela 1 原来段选数据通过位选锁存器造成混乱 P0 0 x7e 送位选数据 wela 0 delayms 200 延时 dula 1 P0 table A2 dula 0 P0 0 xff wela 1 P0 0 x7d wela 0 delayms 200 dula