基于单片机教室灯光智能控制系统

吉林农业科技学院学士学位论文论文题目基于单片机教室灯光智能控制系统环境光采集、热释红外传感系统设计年级专业10级电子信息科学与技术学生姓名孙丽爽学号1005601131指导教师谢艳新评阅教师王海波完成日期2014年6月13日吉林农业科技学院基于单片机教室灯光智能控制系统I基于单片机教室灯光智能控制系统环境光采集、热释红外传感系统设计学生孙丽爽专业电子信息科学与技术指导教师谢艳新摘要本研究针对教室灯光的控制方法，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，并在此基础上开发了智能控制系统的硬件装置和相应软件。该系统以STC89C51单片机作为控制模块的核心部件，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，通过对人体存在信号和环境光信号的识别与判断，完成对教室灯光的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。系统还具有报警功能；同时还采用了软/硬件的“看门狗”等抗干扰措施。关键词热释红外人体传感器；STC89C51单片机；光敏电阻基于单片机教室灯光智能控制系统IICLASSROOMLIGHTINGINTELLIGENTCONTROLSYSTEMTHEAMBIENTLIGHTGATHERINGPYROELECTRICINFRAREDSENSORSYSTEMNAMELISHUANGSUNMAJORELECTRONICINFORMATIONSCIENCEANDTECHNOLOGYTUTORYANXINXIEABSTRACTTHERESEARCHOFCONTROLMETHODFORCLASSROOMLIGHTING,ESPECIALLYCLASSROOMLIGHTINGINTELLIGENTCONTROLDEVELOPMENTPRESENTSITUATION,ANALYZEDTHEPRINCIPLEANDREALIZATIONMETHODOFCLASSROOMLIGHTINGINTELLIGENTCONTROL,ANDPROPOSESANEWDESIGNCLASSROOMLIGHTINGINTELLIGENTCONTROLSYSTEMBASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTER,HARDWAREDEVICEISDEVELOPEDBASEDONTHEINTELLIGENTCONTROLSYSTEMANDCORRESPONDINGSOFTWARETHESYSTEMUSESSTC89C51MICROCONTROLLERASACORECOMPONENTOFTHECONTROLMODULE,THEINFRAREDSENSORTODETECTTHEEXISTENCEOFHUMANBODY,USINGOPTICALDETECTIONCIRCUITCOMPOSEDOFENVIRONMENTALPHOTOSENSITIVERESISTANCESTRENGTHACCORDINGTOTHECONDITION,REASONABLE,THROUGHIDENTIFICATIONANDDETERMINETHEEXISTENCEOFSIGNALSANDENVIRONMENTALLIGHTSIGNALSTOTHEHUMANBODY,THECLASSROOMLIGHTINGINTELLIGENTCONTROL,TOAVOIDTHEUSEOFWASTEELECTRICCLASSROOMTHESYSTEMALSOHASALARMFUNCTIONATTHESAMETIMEALSOADOPTEDTHEHARDWARE/SOFTWARE“WATCHDOG“ANTIINTERFERENCEMEASURESKEYWORDSPYROELECTRICINFRAREDBODYSENSORSTC89C51SINGLECHIPMICROCOMPUTERPHOTOSENSITIVERESISTANCE基于单片机教室灯光智能控制系统III目录摘要IABSTRACTII1引言111教室灯光控制的现状及发展趋势112本设计的研究内容113本文完成主要任务22教室灯光智能控制系统的总体设计321单片机的选择322感应器的选择43系统硬件电路设计631主控模块设计6311系统主控电路6312单片机的引脚功能632单片机的最小系统733环境光采集模块设计8331光敏电阻介绍8332LM393电压比较器介绍934热释红外感应模块1135系统时钟电路1336超时报警电路1437显示电路设计144系统软件设计1641定时中断处理17411定时中断功能17412定时中断流程图17413定时中断说明1742环境光采集模块的设计18421环境光采集模块的功能18422环境光采集模块的流程图18423环境光采集模块的程序18424环境光采集模块的说明19基于单片机教室灯光智能控制系统IV43热释红外传感器的设计19431热释红外传感器的功能19432热释红外传感器的流程图20433人体存在传感器的程序20434人体存在传感器的说明22435人体存在传感器的安装要求2244时钟模块的设计22441时钟模块功能22442时钟模块流程图22443时钟模块初始化程序23444时钟模块说明2445液晶显示模块24451液晶显示模块的功能24452显示模块流程图24453显示模块的程序25454显示模块说明265系统调试2751系统调试运行及问题分析2752单片机系统调试方法及步骤27结论29参考文献30致谢31附录31基于单片机教室灯光智能控制系统11引言11教室灯光控制的现状及发展趋势随着社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平的不断提高，导致用电负荷的加剧，能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。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310倍。能源问题已成为制约我国国民经济发展的关键问题。同时各类大、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，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，提高教室用电效率就成为首要考虑的问题，因此需要对电灯能耗进行智能控制。所谓智能控制是指利用现代通信技术、自动控制技术、总线技术、信号检测技术和微电子技术对室内照明进行有效控制，使灯光可以根据环境的变化的来满足客观实际要求而自动进行灯光照明的调节。目前对电灯的智能控制国外已经开始广泛采用，产品的种类有总线类、电力载波类、无线类产品。总线类产品历史悠久、国际标准、产品高档、性能可靠，但是功能复杂、价格高、需要专业技术支持。电力载波类产品希望通过借助于电力载波免于产品的大规模布线，这类产品目前是国内主流产品且价格低廉，接近国人现有消费水准可以大规模简单安装，但是，没有统一的技术认证标准，厂家各自为政，产品的可靠性难以保证，容易发生电磁串扰。无线类产品这类产品是目前发展速度是最快的，它解决了复杂的系统配置及安装问题，只要普通电工就可以安装。这类产品最致命的问题是集群安装使用时所产生交调干扰致使系统的通讯可靠性下降。于是，开发简便实用的教室灯光智能控制系统具有重要的现实意义。12本设计的研究内容本设计是基于单片机控制的教室灯光智能控制系统。适用于学校商场等大型室内场所的照明智能控制，可以有效地对教室照明灯具进行智能控制，减少电能浪费，提高资源利用率。研究的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、推广性较好的目标。通过STC89C51单片机和各个感应模块，实现对教室灯光的智能控制。主要功能有两种。利用环境光采集电路，判断光线强弱，设置灯的开关状态。当教室有人进入时，判断红外线的强弱，控制灯的亮暗。基于单片机教室灯光智能控制系统2本设计具有制作简单、成本低、操作性强等特点，具有广泛的现实意义。该设计也是对我大学所学东西的综合运用，增强了我的动手和提出问题，分析问题，解决问题的能力，可以巩固自己的专业知识，为工作和学习打下坚实的基础。13本文完成主要任务本课题的研究任务有如下几点灯光控制系统数据采集的研究。教室内人数监测方案的研究。热释红外传感器与环境光信号采集与处理。基于单片机教室灯光智能控制系统32教室灯光智能控制系统的总体设计根据设计方案分析，本系统由STC89C51单片机控制器，环境光采集电路，热释红外传感器电路，按键电路，看门狗模块，显示电路，复位电路，时钟电路，电源几部分组成。其中环境光采集电路测量教室光照强弱，热释红外传感器模块检测教室是否有人及人数的多少，显示电路显示温度值，时钟电路为单片机提供时钟频率，电源为整个电路供电。系统结构图如图21中央处理器STC89C51复位按钮时钟模块热释电红外模块液晶显示模块环境光采集模块电源模块看门狗电路EEEPROM存储器模块继电器灯具继电器灯具图21系统控制单元结构框图21单片机的选择为了更好实现本设计的预定目标，我们对单片机进行了仔细的对比和研究。方案一AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS型8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器CPU和FLASH存储单元，功能强大。其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护我们的劳动成果。再者，AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。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，降低系统的成本。只要程序长度小于8K，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10MS。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，能完全保证程基于单片机教室灯光智能控制系统4序或系统不被仿制。P0口是三态双向口，统称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。方案二STC89C51系列单片机的指令系统和AT89C51系列的完全兼容，但实际操作起来却存在很多问题AT89C51不带ISP下载，要用下载器下载，STC89C51可以用USB串口下载，下载软件可以到STC89C51厂家网上下载。STC89C51单片机执行指令的速度很快，大约是AT89C51的330倍，尽管快是好事，但这样一来，你在AT89C51上好使的程序在STC89C51上不一定好用，最典型的例子就是那些对时序有严格要求的模块，用STC89C51时注意得加长延时，大约是AT89C51的1030倍就差不多。STC89C51单片机对工作环境的要求比较低，电压低于5伏时仍然正常工作，甚至3伏到4伏之间都还可以工作，然而这样的环境下AT89C51肯定不行了，所以当一个系统用STC89C51单片机能正常工作，但用AT89C51的单片机不工作时，直接检查最小系统，看单片机的供电是否正常。比较这两种方案，我们选择采用STC89C51系列芯片，因为此芯片对环境要求不严格，执行速度快。而且学校也提供了相应的硬件操作平台，实际操作起来比较方便，故采用STC89C51芯片为更合理的选择。22感应器的选择方案一感应人体采用被动式红外传感技术，利用红外光敏器件将活动生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号，并进行放大处理。它能可靠的将运动着的生物体和飘落的物体加以区别。同时它还具有监控范围大，隐蔽性好，抗干扰能力强和误报率低等特点。被动式红外入侵报警器又称热释电红外入侵报警器，由光学系统，红外传感器和信息处理三部分组成。目前与红外传感器配套的光学系统有三种，即反射式、透射式和折射式。其中反射式光学系统的灵敏度最高，其探测距离可达2560M；透射式的灵敏度最低，探测距离为210M；折射式居中，兼有反射式和透射式的优、缺点。方案二感应人体采用主动式红外探测器，由红外发射机、红外接收机组成。分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束。接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动信号。基于单片机教室灯光智能控制系统5比较这两种方案，主动式红外探测器由于光束较窄，收发端安装要牢固可靠，不应受地面震动影响，而发生位移引起错误，光学系统要保持清洁，注意维护保养。因为主动式探测器所探测的是点到点，而不是一个面的范围。其特点是探测可靠性非常高。但若对一个空间进行检测，则需有多个主动式探测器，价格昂贵。主动式探测器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。本设计适合采用被动式红外传感器。经过多方面考虑采用红外人体感应器模块，因为此模块具有监控范围大，隐蔽性好，抗干扰能力强的特点。基于单片机教室灯光智能控制系统63系统硬件电路设计系统控制器主要是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较强时，无论是否有人体存在，都不开灯；在环境光较弱时，有人存在且超过一定时间时，系统控制器自动打开电灯，人离开后延时一定时间后再自动关灯。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系统供电模块、环境光采集模块、热释红外传感器模块及继电器驱动模块。单片机作为主控芯片，热释红外传感模块识别人体，光敏电阻识别光线，LM393电压比较器将光敏芯片处理给单片机，继电器控制负载灯。设计可以应用在教室，图书馆等一些公共场所，当光线暗并且有人时，继电器会吸合，从而驱动任何负载，智能延时，当没有人时灯不会亮，从而实现节能、智能的效果。31主控模块设计311系统主控电路STC89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上。使用方便等优点，而且完全兼容MCS5L系列单片机的所有功能。STC89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。单片机最小系统是单片机工作的最基本电路，接好最小系统对于做实物来说极其重要。312单片机的引脚功能VCC（40）电源5V。VSS（20）接地，也就是GND。XTL1（19）和XTL2（18）振荡电路。单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号。PSEN（29）片外ROM选通信号，低电平有效。基于单片机教室灯光智能控制系统7ALE/PROG（30）地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。RST/VPD（9）复位信号输入端/备用电源输入端。EA/VPP（31）内/外部ROM选择端。P0口（3932）双向I/O口。P1口（18）准双向通用I/O口。P2口（2128）准双向I/O口。32单片机的最小系统STC89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。在单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振），就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。图中电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值在530PF，典型值为30PF。晶振的振荡频率范围在1212MHZ间选择，典型值为12MHZ和110592MHZ。当在STC89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要VCC的上升时间不超过1MS，就可以实现自动上电复位。时钟频率用6MHZ时电容取22UF，电阻取1K。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经过电阻与电源VCC接通而实现的。最小应用系统图如图31所示基于单片机教室灯光智能控制系统8P10234567RST9XDINWALGE/OVCUYMKUF图31单片机最小系统33环境光采集模块设计光电传感器是一种能够将光照转换成电量的传感器。光敏电阻体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点。331光敏电阻介绍光敏电阻又称光导管，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。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案，光敏电阻结构如图32所示基于单片机教室灯光智能控制系统9图32光敏电阻结构图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。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（04076）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（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。本设计利用光敏阻值的变化与电阻进行分压，得到的电压值给LM393进行电压比较，通过10K可调电阻可以实现光线限值的调节。感应光线是否过弱，将信号给单片机处理。332LM393电压比较器介绍LM393主要特点如下工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源236V，双电源118V；消耗电流小，ICC08MA；输入失调电压小，VIO2MV；共模输入电压范围宽，VIC0VCC15V；输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门。采用双列直插8脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8脚塑料封装（SOP8）。LM393引脚图及内部框图如图33所示基于单片机教室灯光智能控制系统10图33LM393内部结构图LM393是高增益,宽频带器件,像大多数比较器一样,如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合,则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时,输出电压过渡的间隙。电源加旁路滤波并不能解决这个问题,标准PC板的设计对减小输入输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号,增加很小的正反馈量滞回1010MV,不会产生由于寄生电容引起的振荡。除非利用滞后,否则直接插入IC，并在引脚上加上电阻，引起输入输出在很短的转换周期内振荡。如果输入信号是脉冲波形,并且上升和下降时间相当快,则滞后将不需要。比较器的所有没有用的引脚必须接地。LM393偏置网络确立的静态电流与电源电压范围无关。通常电源不需要加旁路电容，差分输入电压可以大于VCC，并不损坏器件。LM393的输出部分是集电极开路,发射极接地的NPN输出晶体管,可以为集电极输出提供或ORING功能。输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上,不受VCC端电压值的限制。当达到极限电流16MA时,输出晶体管将退出并且输出电压将很快上升。本设计利用光敏阻值的变化与电阻进行分压，得到的电压值给LM393进行电压比较，通过10K可调电阻可以实现光线限值的调节。感应光线是否过弱，将信号给单片机处理。如图34所示基于单片机教室灯光智能控制系统11GR1OUTAIN23D4B567VC8LM90KK图34光敏模块电路图34热释红外感应模块热释红外感应模块用来检测教室内是否有红外线，判断教室内是否有人。通过判断教室内红外线的强弱，判断教室中人数，从而控制教室内的光照强度，是数据采集的核心模块之一。本系统采用的热释红外传感器主要采用热释红外传感器的原理，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2261LM，351LM，8141LM三个特定光吸收甚少，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的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的红外线进行工作。人体发射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热释红外传感信号。这种探头是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对特定波长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。人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电源，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，使其产生的释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。基于单片机教室灯光智能控制系统12一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件接收，但是两片热释电元件接收到的热量不同，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。菲泥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。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。热释红外传感器HP208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，它的主要特性如下感应为全自动方式，人进入感应范围时输出高电平高33V），人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平低03V，其高低电平利于采集；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；人体传感器工作电压宽为DC3VDC24V；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；其静态电流小于50微安，功耗低；工作温度介于15和700之间，适应性强；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，增加一个三极管驱动人体存在传感器输出信号的可靠性，同时可以驱动一个LED充当指示作用。其电路原理图如图35所示基于单片机教室灯光智能控制系统13图35人体传感器电路图当教室有人员出入时，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。当人员在教室移动到红外传感器探测盲区时，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。35系统时钟电路本系统采用美国DALLAS公司推出的具有充电能力的用于临时性存放数据的RAM寄存器的实时时钟芯片DS1302。此芯片采用的是串行通信方式，还可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。工作电压为25V55V。可为掉电保护电源提供可编程的充电功能的时钟芯片DS1302的引脚图如图36所示图29DS1302引脚图36时钟芯片DS1302引脚图其中VCC2外接36V可充电的铿电池，为DS1302的备用电源。VCC1外接系统供电模块的输出稳定电压5V，为DS1302的主电源。DS1302由VCC1和VCC2两者中较基于单片机教室灯光智能控制系统14大者供电。系统正常运行时，VCC1大于VCC2，因此由VCC1给DS1302供电，在主电源关闭的情况下，则由VCC2给DS1302供电，保持时钟的连续运行。XL和X2是振荡源，外接32768KHZ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P15引脚，进行时钟控制。数据输入/输出端I/O接单片机P16引脚，进行数据传输。36超时报警电路在教室中，若采用手动方式控制时，可能会出现学生及管理人员的工作疏忽，教室里在没有人时候，导致教室灯工作超时，造成能源浪费，因此系统采用超时报警电路，以声音的方式来提醒管理人员是否关闭电源。另一方面由于学生学习紧张，在夜里忘了时间点，学习期间开灯时间过长，致使教室电灯工作超时，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，还可以更好地保护公共设施。系统采用超时报警的电路如图37的P34端口外加一个10K的上拉电阻，再经过限流电阻100欧与三极管C945的基极相连。当P34端口为低电平，即基极为低电平时，三极管导通，驱动蜂鸣器发出声音，以示教室灯工作超时。若P34端口为高电平，即基极为高电平时，三极管截止，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37超时报警的电路37显示电路设计为了实现较好的人机交互界面，在本系统中采用1602液晶显示屏来显示用户的设定作息时间及用户所查询的信息。基于单片机教室灯光智能控制系统15点阵字符型液晶显示器是专门用于显示数字、字母、图形符号及少量自定义符号的显示器。这类显示器把LCD控制器/点阵驱动器/字符存贮器全做在一块印刷板上。系统选用日立公司的HD44780液晶显示。HD44780具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动/闪烁等功能。与MCU的传输可采用8位并行传输或4位并行传输2种方式。基于单片机教室灯光智能控制系统164系统软件设计监控程序按模块分为监控主程序和命令处理子程序。由于单片机，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，尽可能把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41所示初始系统初始化设置定时器，允许定时中断按键处理任务环境光处理任务人体传感器处理任务定时管理系统结束图41监控主程序流程图基于单片机教室灯光智能控制系统1741定时中断处理411定时中断功能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T0和T1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操作。412定时中断流程图该定时中断处理程序框图如图42所示开始定时中断下一步多项任务启动时间YN图42定时中断处理程序框413定时中断说明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，无论人员是否存在，都不开灯；在自然环境光较弱时，有人员存在且超过一定时间，控制器自动打开电灯，直到人员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12点，若还有人员存在，则关闭自动控制器的运行，改用机械开关来手动控制，以解决因特殊情况下，自动控制器人性化控制运行问题。基于单片机教室灯光智能控制系统1842环境光采集模块的设计421环境光采集模块的功能利用传感器将光转化为电量。采用的光敏三极管除了将光信号转化为电信号的功能外，还具有对电信号的放大功能。422环境光采集模块的流程图环境光采集模块的流程图如图43所示开始系统初始化是否自动控制模式强制模式N光照是否过弱Y灭灯N检测人体红外线Y图43环境光采集模块流程图423环境光采集模块的程序INCLUDE/调用单片机头文件DEFINEUCHARUNSIGNEDCHAR/无符号字符型宏定义变量范围0255DEFINEUINTUNSIGNEDINT/无符号整型宏定义变量范围065535SBITGMP10；/光敏SBITHWP16；/人体红外SBITRELAYP34；/继电器控制灯SBITYELLOWP15；/红外指示灯/电位器往右调光敏传感器的灵敏度增加/基于单片机教室灯光智能控制系统19VOIDDELAY_1MSUINTX/延时函数UINTI,J；FORI0；I10VALUE0；MIAO；IFMIAO10/10秒的时间MIAO0；RELAY1；/关闭继电器VOIDMAIN/主函数HW0；DELAY_1MS500；/延时500MSP0P1P2P30XFF；WHILE1/循环WORK；/调用工作函数YELLOWHW；/红外感应指示灯DELAY_1MS100；/100MS基于单片机教室灯光智能控制系统22434人体存在传感器的说明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。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，不产生信号。抗电磁干扰探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。抗灯光干扰探测器正常灵敏度范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生信号。435人体存在传感器的安装要求人体存在传感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人体存在传感器应离地面2022米。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。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。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还和人的运动方向关系很大。人体存在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。44时钟模块的设计441时钟模块功能在对DS1302进行读操作时，读出的数据为BCD码，同样在写操作时，写入的数据一也必须为BCD码，这就需要在数据写入之前、读出之后进行必要的数据进制之间的转换，以便与系统其它数据在比较时相对应。442时钟模块流程图DS1302进行读写的程序流程图如图45所示基于单片机教室灯光智能控制系统23图45时钟模块流程图443时钟模块初始化程序DS1302初始化子程序如下所示VOIDDS1302_INIT/1302芯片初始化子函数20100107，120000，WEEK4RST0；SCLK0；WRITE_13020X8E，0X00；/允许写，禁止写保护/WRITE_13020X80，0X00；/向DS1302内写秒寄存器80H写入初始秒数据00/WRITE_13020X82，0X00；/向DS1302内写分寄存器82H写入初始分数据00/WRITE_13020X84，0X12；/向DS1302内写小时寄存器84H写入初始小时数据12/WRITE_13020X8A，0X04；/向DS1302内写周寄存器8AH写入初始周数据4/WRITE_13020X86，0X07；/向DS1302内写日期寄存器86H写入初始日期数据07向该地址写入数据变量初始化开始将读出的数据暂存，待显示数据写完了写DS1302地址RST端送高电平RST端送高电平去除写保护写入DS1302读地址将该地址数据读出数据读完了将DS1302写保护结束开始基于单片机教室灯光智能控制系统24/WRITE_13020X88，0X01；/向DS1302内写月份寄存器88H写入初始月份数据01/WRITE_13020X8C，0X10；/向DS1302内写年份寄存器8CH写入初始年份数据10WRITE_13020X8E，0X80；/打开写保护444时钟模块说明在本系统中，因设定的时间参数一般都为二进制或十六进制数，为了便于同DS1302的时钟数据进行比较，故在程序中需进行二进制与BCD码之间的转换，根据教室灯光使用特性，该系统还应受到时间的控制，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。45液晶显示模块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。451液晶显示模块的功能显示主要是通过从芯片中毒如程序，分别对秒、分、时、日、月、年进行显示，并且通过主键盘的操作，对时间进行加减操作，使时间更新显示。452显示模块流程图系统显示流程图如图46所示基于单片机教室灯光智能控制系统25开始1602初始化读取数据第一行显示读取数据第二行显示结束图46显示模块流程图453显示模块的程序液晶显示初始化程序如下WRITE_1602COM0X38；/设置液晶工作模式，意思162行显示，57点阵，8位数据WRITE_1602COM0X0C；/开显示不显示光标WRITE_1602COM0X06；/整屏不移动，光标自动右移WRITE_1602COM0X01；/清显示写命令函数解释如下VOIDWRITE_1602COMUCHARCOM/液晶写入指令函数RS0；/数据/指令选择置为指令RW0；/读写选择置为写P0COM；/送入数据DELAY1；EN1；/拉高使能端，为制造有效的下降沿做准备基于单片机教室灯光智能控制系统26DELAY1；EN0；/EN由高变低，产生下降沿，液晶执行命令WRITE_1602DATUCHARDAT/液晶写入数据函数RS1；/数据/指令选择置为数据RW0；/读写选择置为写P0DAT；/送入数据DELAY1；EN1；/EN置高电平，为制造下降沿做准备DELAY1；EN0；/EN由高变低，产生下降沿，液晶执行命令454显示模块说明LCD1602的热命令操作和读数据操作分别用两个独立的函数来完成，函数内部唯一的区别就是液晶数据命令选择端的电平。进入主程序后，执行LCD1602的初始化函数，然后用WRITE_COM0X80指令，命令先将数据指针定位在第一个字行，然后写入第一行要现实的数据，在每个字之间简短的延时；在第二行重新定位数据指针WRITE_COM0X800X40，将数据指针定位在第二行，然后再将第二行所显示的数据写入，继而显示。基于单片机教室灯光智能控制系统275系统调试51系统调试运行及问题分析整个系统设计完成后，要进行运行调试，排除软件和硬件的故障，同时验证系统的可靠性及稳定性，使系统符合设计要求。本系统的调试主要分两个步骤单片机系统调试硬件调试和软件调试及整个控制系统试运行调试。52单片机系统调试方法及步骤单片机系统的调试应包括硬件及软件两部分，主要是通过调试发现硬件及软件中存在的问题，查看其运行结果是否符合设计要求。系统硬件和软件的研制可以相互独立的平行进行，软件调试可以在硬件完成之前，硬件也可以在无完整应用软件的情况下进行调试，但它们需要借助另外的工具提供调试环境。硬件和软件分调完成之后，还要再进行软件和硬件的联调，在调试中找出问题，判断故障源，修改软硬件。在对系统进行实际调试时，首先应对硬件进行静态调试，同时对系统软件进行初步调试，此后再对软件和硬件进行动态调试，最后才能使系统进入正常工作。静态调试静态调试主要是排除明显的硬件故障。在电路搭建好后，对其进行仔细检查，查看端口是否正确连接，连接是否可靠。同时还应当用万用表检查电路，看应当开路的地方是否开路，应当短路的地方是否短路，电源地线连接是否可靠。在焊接后，查看焊接是否牢固，有无虚焊或短路等。在将芯片、传感器等元件插到电路板上时，要保证各处电源极性、电压正确，以防止因电源极性接反或电压过高损坏芯片或传感器。此外，插入芯片必须在断电的情况下进行，特别注意芯片的方向不要插反。软件调试系统软件程序在编制好以后，可通过汇编软件对源程序进行汇编，变为可执行的目标代码，在汇编过程中出现的错误，要及时纠正。在软件调试时采用软件模拟开发系统对程序进行调试，这种模拟开发系统是在计算机上利用模拟软件实现对单片机的硬件模拟、指令模拟及运行状态模拟，从而完成应用软件开发的全过程。调试过程中的运行状态、各寄存器状态、端口状态等都可以在指定的窗口区域显示出来，通过这些显示结果随时跟踪程序运行状态，以确定程序运行无错误。动态调试控制系统的软件和硬件是密切相关的，软件模拟开发系统不能对硬件部分进行诊断，同时也不能实时在线仿真，所以用户程序还需跟硬件连接起来进行联调，同时对软件和硬件进行检查和诊断。整个单片机系统进行在线调试时，需借助仿基于单片机教室灯光智能控制系统28真开发工具来对用户软件及硬件电路进行诊断、调试。在应用系统各电路板调试成功后，将用户程序加载到在线仿真器上，这时就能单步、多步或连续地执行目标程序，同时也可以根据需要分段设置断点执行用户程序。系统中的硬件故障如各个部件内部存在的故障和部件之间连接的逻辑错误主要是靠联机仿真来排除的。对于与硬件无联系的用户程序，例如定时标志等，虽然已经没有语法错误，但可能存在逻辑错误，这时，就借助于动态在线调试手段发现逻辑错误，直至逻辑错误纠正为止。而对于一些与硬件相关的用户程序，如接口驱动程序等，则需要配合硬件，进行在线调试，如果有逻辑错误，也要及时纠正修改。程序调试完毕后，利用在线编程器将程序固化到单片机中，使整个系统运行起来。基于单片机教室灯光智能控制系统29结论本课题对适合应用于教室灯光控制系统的控制部分进行了研究。以环境光、人体存在状况等外界环境为控制器的输入参数，比单纯的人员管理教室灯光更合理，更有效的降低教室灯光的资源费用；同时还加入了时间控制参数，使教室灯光的控制更加符合学校的作息时间。本控制系统的设计对于各类大、中专院校的教室灯光管理具有重要的意义，也适用于各类办公室的灯光控制。该教室灯光系统的控制是以STC89C51单片机主控单元为核心，通过相关电路的驱动，完成对系统设备电灯的控制，采用一个二极管闪烁显示整个系统的工作状态，实现了对教室灯光的自动开灯、关灯控制。系统设计在实现智能化控制的同时，还设置了手动，这样在系统智能控制偶尔出现故障时，可采用手动操纵，不至于影响教室灯光的正常应用。系统控制单元的硬件电路中多采用简易芯片ULN2803,DS1302,X5045等，简化了电路设计，同时节省了单片机I/0口资源，为系统进一步扩展留下了空间。系统功能的实现通过采用多任务模块编写，省去了一些不必要的延时程序，提高了系统的运行效率。系统的硬件及软件设计，经实验初步证实了系统具有很好的稳定性，提高了电能资源的利用率。在保证装置能稳定可靠工作的前提下，硬件设计上尽量采用性价比高的元器件，以降低成本。软件设计上采用多任务形式对信号的采集、处理，达到最终控制灯光的目的。本控制系统与己有的教室灯光配套使用时，不需要对原有设备电路进行大的改动，以降低成本实现了教室灯光的智能控制。基于单片机教室灯光智能控制系统30参考文献1陈明荧8051单片机课程设计实训教材M北京清华大学出版社，20032徐新艳单片机原理、应用与实践M北京高等教育出版社，20053吴金戌，沈庆阳，郭庭吉8051单片机实践与应用M北京清华大学出版社，20024冯博琴微型计算机原理与接口技术M北京清华大学出版社，20045张毅刚MCS51单片机应用设计M哈尔滨工业大学出版社，20046张淑清，姜万录等单片微型计算机接口技术及应用M国防工业出版社，20037吴金戌，沈庆阳，郭庭吉8051单片机实践与应用M北京清华大学出版社，20018冯博琴微型计算机原理与接口技术M清华大学出版社，20049张毅刚MCS51单片机应用设计M哈尔滨工业大学出版社，200410沈嘉3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计M北京人民邮电出版社,200711胡宏林，徐景3GPPLTE无线链路关键技术M北京电子工业技术,200812李岳梦，赵绍刚TDLTE网络部署运营关键技术M北京电子工业出版社，201313林辉LTEADVANCED关键技术详解M北京人民邮电出版社，201314白炜，张欣LTE系统的小区间干扰协调技术M北京人民邮电出版社，200815王映民TDLTE技术HSPA演进及LTEM北京人民邮电出版社，201016华为技术有限公司无线网络规划与优化M北京人民邮电出版社，2013基于单片机教室灯光智能控制系统31致谢在此论文完成之际，首先我要感谢我的论文指导老师，本论文是在老师的全面指导中完成的，毕业设计的顺利完成离不开老师的帮助。在学习生活中，老师严谨的治学态度和灵活务实的工作作风时刻影响着我。特向老师致以深深的谢意，并感谢踏出在我写论文期间给予的指导和关注。其次感谢我的同学们，他们给予我无私的帮助和无穷的精神动力。在我遇到知识上或技术上的难点时，他们总是能给我及时的援助和很多宝贵的资料。感谢我宿舍的其他同学，谢谢他们在这大学四年里给我的关心和帮助。基于单片机教室灯光智能控制系统31附录INCLUDE/调用单片机头文件DEFINEUCHARUNSIGNEDCHAR/无符号字符型宏定义变量范围0255DEFINEUINTUNSIGNEDINT/无符号整型宏定义变量范围065535SBITGMP10/光敏SBITHWP16/人体红外SBITRELAYP34/继电器控制灯SBITYELLOWP15/红外指示灯/电位器往右调光敏传感器的灵敏度增加/VOIDDELAY_1MSUINTX/延时函数UINTI,JFORI0I10VALUE0MIAOIFMIAO10/10秒的时间MIAO0RELAY1/关闭继电器VOIDMAIN/主函数HW0DELAY_1M