单片机控制的教室照明系统设计

1、桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第1页共2页摘要针对目前高校教室照明管理不到位而造成电能严重浪费这一现状，以提高教室照明水平和节约能源为目的，设计了该单片机控制的照明系统。本文阐述了教室照明系统自 动、手动控制的设计原理与实现方法。以设计过程为主线，分别从硬件和软件两方面描 述设计过程。本文设计了一个基于AT89S52单片机的教室照明控制器系统。系统组成包括人体检 测电路、环境光采集电路、时钟电路、声光报警电路等。文中采用 HP-208人体传感器 检测人体信号的存在，光敏电阻采集环境光的强度， DS1302时钟芯片定时，蜂鸣器报 警，并通过LED显示教室灯光的状态。软件部分采用C语言程

2、序编制，模块化结构设计，并通过仿真工具进行系统仿真和 调试。依据流程图思路条理，编制控制程序，从而实现教室照明回路的控制。此外，本 文还考虑了保证教室照明控制系统稳定运行所采取的抗干扰措施。该系统控制方便，具有体积小，专用性强，性价比合理等优点，可以满足大、中专 院校教室灯光控制的要求。关键词：AT89S52；人体传感器；光敏电阻；时钟；稳定措施AbstractAccordi ng to the un satisfactory light ing man ageme nt in curre nt uni versity classroom that cause power waste seri

3、ously situati on, the light con trol system is desig ned aim at impro ving the light level of classroom and sav ing en ergy. This paper describes the desig n prin ciples and implementation methods of classroom lighting system with automatic and manual control. Taking the desig n processes as main li

4、 ne, it describes the desig n processes from two aspects -hardware and software.This paper desig ns a classroom light ing con troller system based on the sin gle-chip microcomputer AT89S52. The system consists of the detection circuit of human body, the collecti on circuit of ambie nt light, clock c

5、ircuit, the alarm circuits with sound and light ,etc. In this paper, HP-208 Huma n sen sor is used to detect the body sig nals of huma n prese nee, the in te nsity of ambie nt light is collected by Photo-resistor , time is set by DS1302 clock chip, the alarm is from the buzzer, and the con diti on o

6、f classroom is in dicated through the LED lights.The software is designed with C Ianguage to program and separate module, and the system is tested and debugged with simulation tools. According to the flow chart, the programme is programmed to control the classroom lighting circuit. In addition, this

7、 paper also takes anti-interferenee measures to guarantee the classroom lighting control system operate stably .The system can be con trol easily. Besides there are many adva ntagessuch as small volume, strong specificity , reas on able price. It can satisfy the con trol comma nd of light in college

8、 classroom.Key words: AT89S52; Huma n sen sor; Photo-resistor; Clock; Stable measures桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第1页共2页目 录1 引言11.1课题的背景及意义11.2教室照明现状及存在问题11.3设计的内容21.4本章小结 22教室照明系统的设计32.1系统整体设计方案32.2教室照明系统的硬件设计42.2.1教室照明控制器的选择42.2.2下载线接口模块62.2.3单片机最小系统62.2.4数据采集模块72.2.5时钟电路模块132.2.6声光报警模块172.2.7人机交互模块 182.3教

9、室照明系统的软件设计 192.3.1系统监控主程序设计 192.3.2按键扫描程序设计202.3.3数据采集控制程序设计 212.3.4时钟控制程序设计232.3.5控制子程序设计 242.4本章小结 243仿真与调试253.1仿真253.2调试253.2.1硬件电路调试253.2.2软件调试253.2.3调试过程出现问题及分析解决 263.3本章小结 264 系统稳定性分析 274.1元器件本身的性能与可靠性 274.2硬件抗干扰措施274.2.1供电系统 274.2.2注意印制电路板的布线与工艺 28423人体存在传感器抗干扰措施284.2.4隔离与屏蔽294.3软件抗干扰措施294.3.

10、1数据采集误差的软件对策 294.3.2程序运行失控的软件对策 294.4本章小结 30总结31谢辞32参考文献33附录1 34附录2 40附 录3 43附 录4 43桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第5页共45页1引言现代公共环境中照明设备的大量增加，在满足人们需求的同时，用电量也大幅度增 加。高效的利用电能已成为节约能源的一种有效手段。而单片机控制的系统已在工业、 农业、电力、电子、教学楼宇等行业广泛应用。作为嵌入式控制系统的主体与核心，微 型计算机代替了传统控制系统的常规电子线路。加上控制智能化的发展与成熟，使单片 机控制的照明系统得到应用和普及。1.1课题的背景及意义随着高科技

11、的飞速发展，经济的全球化，能源紧张以及燃烧煤炭等资源带来的社会 和环境问题日益突出，党和国家对节能工作的重视度也在不断加强。1993年1月，我国 国家经贸委开始启动一项旨在节约电能、保护环境、改善照明质量的“中国绿色照明工 程”，并于1996年正式列入国家计划。2004年9月，由国家经委贸、联合国正式开发计 划署、全球环境基金合作开展的“中国绿色照明促进项目”的正式启动，对于促进绿色 照明产品在中国市场的推广应用，促进我国节能环保事业的发展具有重要意义。绿色照明是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明 电器产品，人为地创造良好的光照条件，使人舒适而高效地识别观察对象，保

12、证身心健 康，更好地投入学习、生活、工作。而教室照明节能是利用现代先进电子技术手段检测 室内光照度，在保证符合国际规定照度标准的基础上，充分利用自然光照明，通过合理 地关闭或减少人工光源的使用，而达到节约电能，保护学生视力和健康的一种绿色照明。学校作为培育高素质人才的摇篮，负担着教书育人的重要使命，提倡节约意识显得 重大而深远。节能工作，不但可以为学校省下一笔不菲的资金，而且更重要的是培养了 学生的节约意识和认知，有利他们负担起应有的使命，成为建设“节约型社会”的主力 军。节能工作是一件功在当代，利在千秋的事。1.2教室照明现状及存在问题照明是影响学习、工作环境最重要的因素之一。教室照明质量的

13、好坏直接影响学生 的视力健康和学习效率。由于技术和经济的原因，我国的学校照明一直停留在比较落后 的水平。近十几年来，高等教育在全社会范围内备受关注和重视。随着大中专院校的不 断扩招，教室群的大幅度扩建，校园规模也随之扩大，教室照明的需求也越来越多。这 在一定程度上改善和提高了教室照明水平，但总体上我国学校照明依然停留在十分落后 的状态：教室照明设计、布置不合理，使用的灯具简陋、老化，使用光效低的光源，造 成灯光频闪、照度低、均匀度低、存在眩光。落后的教室照明质量影响着学生的视觉健 康和学习效率。此外由于高校开放型的管理模式，上课、自习教室以及座位的不固定性， 学校照明管理往往不到位，加上学生节

14、能意识淡薄，于是教室在白天室内光线很强的情 况下，仍然普遍存在开灯作业；夜晚许多教室，即使只有几个学生自习，但室内照明设 施也全部开启；“长明灯”、“无人亮灯”等现象到处存在，造成电能的巨大浪费和不必 要的经济损失。1.3设计的内容本文设计的教室照明系统采用分布式智能控制，大体遵循“人在灯亮，人走灯关” 的原则。系统不再单一的依靠人体存在信号进行开关灯控制，而是根据时钟、照度、人 员分布情况实现照明控制的自动化，增强了节能效果。同时系统还增设了自动、手动相 互兼容的灯光控制方式，使得控制效果更加灵活；声光报警模块，预先延时报警通知关 灯动作，使得管理更加人性化。该教室照明系统简单实用，适用范围

15、广，减少人工管理 成本。1.4本章小结教室作为教学的重要场所，面对教室照明质量差且浪费严重这一现象，着眼大局， 为保护学生视力、提高学习效率，创造一个健康舒适、高效节能的学习环境，提高和改 善教室照明质量，优化照明控制系统势在必行。在合理布局照明设备，充分保证教室照 明的前提下，本文着重论述通过优化教室照明系统的运行来实现节能效果。2教室照明系统的设计系统设计主要包括硬件和软件两大部分。依据控制系统的工作原理和技术性能, 将硬件和软件分开设计。2.1系统整体设计方案本课题将时间、光照度和人员分布三大要素作为系统控制的依据。为了进一步加强对节能的监管，使工作时间与非工作时间的界限具体化，设计时钟

16、控制模块。根据人体 检测模块的探测范围和教室光照明暗分布情况，参照本校教学教室，将教室分成方形区域，每个区域灯具的位置（详见附录4表2-1）及数量如图2-1所示，并分别将包含红外信号模块和室内环境光模块安装在各区域的天花板上，通过单片机的智能控制，实现 局部或整体开关灯，进一步增强节能效果。1QZI二1BDF1=1 1:111=11QZIii izzi11；IZZIA11CE1 1灯图2-1教室区域划分根据任务要求，所设计的单片机控制的教室照明系统总结构框图如图2-2所示，并简要描述各部分功能。图2-2单片机控制的教室照明系统总结构框图系统设置两种控制方式：自动控制、手动控制。系统上电，通过扫

17、描按键判断系统 初始状态：设定按键没有按下，进入自动控制模式；设定按键按下，进入手动控制模式， 等待按键释放。当系统处于自动方式下运行时，由红外检测、环境光、时钟向单片机输 入信号，经过逻辑先后判断，再由单片机输出信号控制LED状态。当系统处于手动状态，通过拨动开关控制 LED单独开启或关闭。此外，系统还设置单刀双掷开关，以便 在手动控制方式下，能避开自动系统的控制作用，增强系统工作的可靠性和灵活性。人体检测热释电扫描以判断静止、移动人体；分区扫描、分区控制，有人才亮 灯，无人继续扫描检测。环境光控制一一环境光亮度过低时受控亮灯，亮度足够时灭灯。 当热释电红外传感器没有检测到人体信号时，不管教

18、室自然光强度如何，教室照明设备 都不亮。当教室单独某个区域有人体信号存在，且自然光强度弱时，则只开启该区域的 照明设备。当再有人来教室时他们完全可以选择亮灯的区域坐，若选择其他区域情况类 似。时钟控制一一根据设定时间，使灯光在工作期间受控，非工作期间关闭。当预设时 间到达，系统延时发出报警信号，教室光源关掉，从而完成了对教室照明回路的智能控 制，起到节约能源的作用。2.2教室照明系统的硬件设计教室照明系统的硬件设计采用结构化设计方法。硬件电路包括下载线接口模块， AT89S52单片机最小系统，数据采集模块，时钟电路，声光报警电路，人机交换模块六 个部分。具体设计过程如下文所述。2.2.1教室照

19、明控制器的选择出于对单片机性能的要求和价格因素的考虑，本系统选择MCS-51系列的AT89S52单片机作为教室照明系统控制器。AT89S52具有8K在系统可编程 Flash存储器，片上 Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器，与工业 80C51产品指令和引脚完全兼容，是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个 16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结 构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路，可以在 4V到5.5V宽电压范围内正常 工作。根据不同的运行速度和功

20、耗要求，时钟频率可以设置在 0 33M之间。同时，该单片机支持计算机并口下载。另外，AT89S52支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到 下一个中断或硬件复位为止。其引脚排列如图2-3所示，各引脚功能如下：1）P0 口 ：具有8位漏极开路的双向I/O 口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻 辑电平。对其端口写“ 1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时， 不具有内部上拉电阻，作为低 8位地址/数据复用。2） P1、P2、P3 口：具有内部

21、上拉电阻的8位双向I/O 口，其输出缓冲器能驱动4 个TTL逻辑电平。对其端口写“1”时，可作为输入口使用，此时由于内部电阻的原因， 被外部拉低的引脚将输出电流（IIL）0不同的是在访问外部程序存储器或用 16位地址读 取外部数据存储器时，P2 口送出高八位地址，并使用很强的内部上拉发送 1。在使用8 位地址访问外部数据存储器时，P2 口输出P2锁存器的内容。而P1、P3 口引脚具有第 二功能。T2) P1.0 匚140: vcc(T2 EX>匚S35J PO OP1 .3 L33J9 POJ lADi)P1 3匚437 1J PO 2 (AD2)P1 4 CS-36 F0.3P1.5

22、匚3&尸0.4(MISO> Pt .6 r734l PO.S(SCK Pi .7 ra337IRST匚932 PO-7 (AD7>(RXD> P3 0 匚ID31 EA/VPPP3.1 匚1 130 ALE'PROG(INTO> P3 2 匚122 PSEN(INTI) P3.3 L132a：_l P2.7TO P3.4 匚1427-尸畫呂（A 14）(T1 > P3.S EIS26H F2 5 (Al 3)(WRJ P3.6 匚i&25P2.4 (A 11 2>(RD P3.7 r1724H P2.3 (Al 1)XTAL2 C18

23、23i P2.2 (AIO)XTAL1 C1922 P21 (Ai9>GfND I2021j F2.O (A8>图2-3AT89S52引脚排列P1 口某些引脚具有第二功能，具体如下：P1.0 T2 （定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1 T2EX （定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI （在系统编程用）P1.6 MISO （在系统编程用）P1.7 SCK （在系统编程用）P3 口第二功能，具体如下：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2INT0（外中断 0）P3.3INT1（外中断 1）P3.4 TO（定

24、时/计数器0）P3.5 T1（定时/计数器1）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）3）flash编程和校验：flash编程，P0 口用来接收指令字节；程序校验，外接上拉 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第9页共45页电阻并输出指令字节。P1 口接收低8位地址字节。P2 口接收高8位地址字节和一些控 制信号。P3 口还接收一些控制信号。4) RST:复位信号输入端，高电平有效。5) EA/VPP:访问芯片内部和芯片外部程序存储器的选择信号。 FLASH存储器编 程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP,当然这必须是该器件是使用12V编程电 压 VP

25、P。6) PSEN :外部程序存储器的读选通信号，每个机器周期两次PSEN有效。7) ALE/ PROG :低8位地址锁存信号/编程脉冲输入。8) XTAL1/XTAL2 :振荡器反相放大器输入/输出端，同时XTAL1也是内部时钟发 生电路的输入端。9) VCC/GND :电源电压的输入引脚/电源地引脚。2.2.2下载线接口模块AT89S52芯片支持在线编程功能，不需要编程器就可以进行单片机的实验和开发， 免去了调试时由于频繁地插入取出芯片对芯片和电路板带来的不便，具有极强的可塑 性。ISP进行在线编程时，使用 AT89S52的P1.5、P16 P1.7 口及复位端。2.2.3单片机最小系统(

26、1) 电源电路系统设计需要的电压输出为 5V。要取得5V电压，若选用12V变压器，整流滤波 后输出往往大于12V，这样会使稳压器功耗大，自身温度高。故采用输出为9V电压的变压器。电路原理如图2-4所示。系统从电网中接入220V交流电源，通过变压器降压， 得到9V电压，再经整流电桥整流，输出直流电压，然后经 CT1滤波电容滤波后送入集 成稳压器LM7805输入端，由输出端再经 CT2滤波，最后得到+5V的直流工作电源， 用于给单片机控制系统及其它外围电路的 VCC端供电。图中D1 LED为电源工作指示 灯。当输出电流较大时，7805应配上散热板。图2-4电源电路（2）复位电路系统复位电路的作用：

27、一是单片机启动运行时，使CPU以及其他功能部件处于一个确定的初始状态；二是单片机工作过程中，使其重新回到开始状态（包括死机）。该系统采用按键复位如图 2-5所示，它能有效实现上电自动复位和手动复位。单片机的 REST引脚是高电平有效的，其有效时间持续24个振荡周期以上才能完成复位操作。上 电自动复位是通过RC电容充电来实现的。手动复位是通过外部按键实现的。当复位按 键按下，电容CT3被充电，REST/Vpd端的电位逐渐升高为高电平，实现复位操作，按 键释放后，电容器经内部下拉电阻放电，REST/Vpd端恢复低电平。O 0图2-5复位电路（3）晶振电路单片机的时钟信号可以由两种方式产生：内部时钟

28、和外部时钟。内部时钟是利用单片机芯片内部的振荡电路实现的，通过单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接定时元件。定时元件由晶体振荡器和电容组成并联谐振回路，内部反相放大器自激震荡，产生时钟。单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作。根据AT89S52单片机时钟周期的要求，晶振频率选用12MHZ，电容C3、C4选30pf,如图2-6所示。IHT"I ICYlI 12MHZ图2-6晶振电路2.2.4数据采集模块人体存在信号和环境光信号是单片机控制的教室照明系统的两个主要输入参数，因此教室数据采集部分分为红外信号采集和室内环境光采集。为了实现教室灯光的智能控制，必须根据这两个参数发出的命令，来确

29、定灯具的亮灭时刻及位置，这样在节能的同 时，也为使用者提供舒适的视觉效果。（1）人体信号采集经过日益发展，传感器技术已渗透到人们的日常生活中。本系统红外信号的采集使 用热释电红外传感器。采集人体信号的作用是对进入教室的人员分布区域进行检测，为 单片机提供教室可能亮灯区域的信息。体传感器的基本结构和原理热释电红外人体传感器由探测元、滤光窗和场效应管阻抗变换器等三大部分组成， 如图2-7所示。对不同型号传感器，探测元的制造材料有所区别。将这些材料制成很薄 的薄片，每一薄片相对的两面各引出一根电极，电极两端则形成一个等效的小电容。而 这两个小电容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小电容能自身产生极

30、化，从而在 电容的两端产生极性相反的正、负电荷。传感器中两个极性相反的电容是串联在一起的图2-7热释电红外传感器结构当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，电容两端产生极性相反、电量相 等的正、负电荷，所以，正负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。当人体静 止在传感器的检测区域内时，照射到两个电容上的红外线光能能量相等，且达到平衡， 极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消，传感器仍然没有信号输出。当人体在 传感器的检测区域内移动时，照射到两个电容上的红外线能量不相等，光电流在回路中 不能相互抵消，传感器有信号输出。综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近 似人体的物体起作用。

31、滤光窗是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，能够有效地滤除7.014um波长以外的红外线。人体的正常体温为 36375C，即309310.5K,其辐射的最强的红 外线的波长为入m=2989/ (309310.5) =9.679.64um,中心波长为9.65um，正好落在滤 光窗的响应波长的中心。所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度 地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于探测元输出的是电荷信号，不能直接使用，因而需要将其转换为电压形式。场效应管输入阻抗高 达104M Q，接成共漏极形式来完成阻

32、抗变换。使用时 D端接电源正极，G端接电源负 极，S端为信号输出。人体检测电路设计热释电红人体红外传感器是一种检测物体辐射红外能量的传感器。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号输出，而利用该信号可以实现照明控制。但由于热释电传感器输出的信号变化缓慢、幅值小（小于1mV），不能直接作为照明系统的控制信号，因此传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路，使得传 感器输出信号的不规则波形转变成适合于单片机处理的数字信号。而实际应用时，需在 热释电传感器前安装菲涅尔透镜，这样可大大提高接收灵敏度，增加检测距离及范围。 综上述，热释电检测电路组成框图如图 2-8所示。图2-8

33、人体检测电路组成框图人体传感器要求灵敏性高，可靠性强，本系统采用逻辑电平输出的HP-208型号的人体传感器。HP-208是基于红外线技术的自动控制产品，它的主要特性有：全自动感 应，人进入其感应范围则输出高电平（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；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将高电平变为低电平；工作电压范围宽为DC3V-24V;人体传感器制成锥面形状，感应范围大，小于140度椎角，感应距离为7米内；其静态电流50微 安，低功耗；工作

34、温度介于-*：打！亠廿：之间，适应性强。人体存在传感器的1号引脚为电源信号端，3号引脚为接地信号端，2号引脚为信 号输出端。在电路设计中，介于人体存在传感器的信号引脚2与接地信号引脚3之间接一个1.5K的电阻，并连到三极管，三接管的集电极与单片机的P1.3引脚相连，增强人体传感器工作的可靠性。此外，在集电极和 VCC间连接LED。当传感器感应到人体存 在时，LED发光指示传感器产生作用。其电路原理图 2-9所示。（2）室内环境光采集环境光采集是检测光照度，为单片机提供光照强弱参数，以便判断是否启动照明设采光器件的选择在光电技术中，常用的采光器件有光敏电阻（CdS）、光电池、光电二极管、光电三桂

35、林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第13页共45页极管等，参照表2-2合理选择适当的光照度传感器表2-2 各种光电传感器特性比较特性器件光谱和光电特性线性度伏安特性电特性输出电流噪声特性光谱响应灵敏度光敏电阻可见光至红外高差电阻型大低光电池可见光至红外低一般光伏型最大低光电二极管可见光至红外一般好光伏型和饱和型小高光电三极管可见光至近红外高差饱和型大高通过上述光电传感器的性能比较，因光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性， 而且体积小，质量轻，性能稳定，价格便宜，所以本文选择用光敏电阻作为采光元件。 为确保模拟信号在数字流中被准确地表示，选择较常见的模数转换器件ADC0809作为采光数据

36、处理。光敏电阻 工作原理光敏电阻是利用光电导效应制成的光电探测器件，对光照特别敏感。在光敏电阻两 极加上一定的电压后，当光照射在光电导体上时，由光照产生的光电载流子在外加电场 作用下沿一定方向运动，电路中产生电流，流过光敏电阻的电流随着光照强度的增加而半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。在黑暗的环境里，光敏 电阻的阻值很高。当它受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带 中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，成为自由电子，同时并在价带中产生一 个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子一空穴对增加了半导体材料中载流子的数 目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下

37、降。光强愈强，阻值愈低。入射光消失 后，由光子激发产生的电子一空穴对逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。主要参数1）暗电阻、暗电流 在无光照射条件下，光敏电阻的阻值称为暗电阻；此时在规 定的外加电压下通过的电流称为暗电流。2）亮电阻、亮电流 在受到光照射条件下，光敏电阻的阻值称为亮电阻；此时在规 定的外加电压下所通过的电流称为亮电流。3）灵敏度 光敏电阻在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化。基本特性光敏电阻的基本特性有伏安特性、光谱特性、照度特性和温度特性等。这里我们只 说明其光照特性。光照特性是指外加一定电压时，光敏电阻的光电流（或光电阻）和照 度之间的关系。其CdS的光照特性如图2

38、-11所示。不同材料的光照特性是不同的，绝利用光敏电阻对教室内光照强度进行采集， 从而控制照明设备是依据：教室无人时, 不论照度如何，所有照明灯熄灭；教室有人时，分成两种情况：1）教室内照度小于设定值时，照明灯全部打开。2）室内光照度大于设定值，则所有照明灯熄灭。在建筑照明设计标准中，以课桌面作为参考平面，对教室的推荐照度为300IX而根据平均照度的计算公式“ U “ K/A（其中一光源的光源通，N 照明灯具数 量，U 灯具的利用系数，K 维护系数，A 室内面积），可以设定光照强度范围，这 样便可对教室灯具实现自动控制。A/D转换器芯片一ADC0809内部结构ADC0809是一个8位逐次逼近式

39、 A/D转换器，由8路模拟开关、地址锁存与译 码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成组成。其内部结构如图 2-12所示。 多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用 A/D转换器进行转换。 三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当0E端为高电平时，才可以从三态输出 锁存器取走转换完的数据。SIAR1 CLOCKHit. We ffMSAR5EZ挖制更轴対R电口I分版胖转播铝；柬仲断EOC、OVCCvacF (+)图2-12 ADC0809的内部结构图工作过程首先输入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。STAR

40、T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 0E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。A/D转换后得到的数据及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确 认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行数据传送。为此可采用三种方式。1）定时传送方式对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如 ADC0809转换时间为128卩，相当于6MHz的MCS-51单片机共64

41、个机器周期。可据 此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已 经完成了，接着就可进行数据传送。2）查询方式A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。3）中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。 不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送 出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。 应用说明1） ADC0809内部带有输出锁存器，可以与 AT

42、89S52单片机直接相连2）初始化时，使ST和0E信号全为低电平。3）送要转换的哪个通道的地址到 A、B、C端口上。4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。5）是否转换完毕，我们根据 EOC信号来判断。6）当EOC变为高电平时，这时给0E为高电平，转换的数据就输出给单片机。环境光采集接口电路环境光采集接口电路如图2-13所示。光敏电阻与电阻Rg构成方向比例放大电路。 由于光敏电阻是敏感性原件，对光照强度、距离等有一定的敏感性，已经电源的噪声等 引起的各种干扰都会随设备进入到单片机控制系统中，系统的干扰影响了需要采集的真实信号，给光敏电阻检测判读和进一步数据处理带来了不利因素，从而影

43、响其测量结果 的准确性。对光敏电阻的前端供电加上稳压管，以避免电源的噪声的影响获取更接近真 实的信号，单片机的模拟信号输入端 GM 口。当光敏电阻的阻值发生变化时，GM端上 的应发生变化，该信号被单片机的模拟通道 GM，采集到光敏电阻上的光为暗时，光敏 电阻上的阻值接近5V，光强时，大约为0V，模拟和数字量的转换范围为0255。从图中可知：I = Vcc/（R + Rp）1 = R Vcc（R+Rp）1）当盘雰畸时，v=Vcc。即光敏电阻电压 V与Vcc近似。此时为恒压偏置。2）当恿嶺环时，-二X。负载电压与电阻R无关，近似为常数。此时为恒流 偏置。3） 当；：-时，表示负载匹配，探测器输出功

44、率最大。此时的工作状态为恒功率 偏置。2.2.5时钟电路模块根据智能化系统的控制要求，教室照明还应与学校的作息时间相一致，比如晚间休 息时间到，自动系统能发出警报并关掉教室光源，而强制控制时亦能发出到时报警信号 提醒断电，以方便管理，节约能源。因此系统加入时钟定时以保证系统的智能化运行。桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第14页共45页(1) 时钟产生万式选择通常通过单片机设计电子时钟有两种方法：一是通过单片机内部的定时器/计数器。采用软件编程实现时钟计数，一般称为软时钟。这种方法硬件线路简单，能减少芯片的 使用，且节约成本，但是偶然掉电或晶振误差都会造成时间的错乱，更甚的是，若完全 用

45、程序设计时钟，占用大量的系统资源，实现的时间误差较大，通常用在对时间精度要 求不高的场合；而是采用时钟芯片。时钟芯片功能强大，功能部件集成在芯片内部，可 自动对秒、分、时、日、周、月、年进行计数。硬件成本相对较高，软件编程简单，通 常用在对时钟精度要求较高的场合。两种方法比较，因教室照明系统要求准确定时，对 时间精度要求较高，故本系统选用时钟芯片实现定时功能。现在相应的时钟芯片有并行 接口和串行接口两种方式。考虑节约I/O 口占用问题，选用串行接口方式。而 DS1302时钟芯片占用单片机I/O 口少，主电源掉电后备电源能保持时钟正常运行，满足设计要 求，故本系统采用时钟芯片 DS1302实现教

46、室照明定时报警关灯功能。(2) DS1302芯片概述DS1302是美国DALLAS公司推出的SPI总线涓流充电时钟芯片，内含有一个实时 时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、星期、日、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调 整，时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24或12小时格式，工作电压为2.5V5.5V。 DS1302与单片机能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：RST复位、I/O数据线、SLCK串行时钟。时钟/RAM的读/写数据以一个字节或多达 31个字节 的字符组方式通信。DS1302工作时的功耗

47、很低，保持数据和时钟信息时的功率小于 1mW。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双 电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302的引脚排列如图2-14所示。I寸caI SCLK| I/O I RSTD匚匚U匚DS1302a-pihr djpooomil)图2-14DS1302引脚排列(3) DS1302引脚结构及功能描述 Vcc2:主电源，一般接七茁电源。 Vcc1 :备份电源，一般接 3.6V可充电电池。 X1和X2 :晶振引脚，接32.768kHz晶振，通常该引脚还要外接补偿电容。 GND :电源接地端，接主电源及备份电

48、源的地端。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第33页共45页SCLK :串行时钟输入端I/O:数据输入/输出端。RST:复位输入端。为了在断电后硬件时钟能正常走时，系统时钟模块采用双电源供电方式。在主电源关闭的情况下，由后备电源保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当 Vcc2大于Vcc1：|O2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时, DS1302由Vcc1供电。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。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送 入移位寄存器；其次，RST提

49、供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对 DS1302进行操作。如果在传送过程中 RST置 为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在 Vcc>2.5V之 前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为 串行数据输入输出端（双向），SCLK始终是输入端。（4） DS1302的基本控制操作串行时钟芯片主要由寄存器、控制寄存器、振荡器、实时时钟以及RAM组成。其内部结构如图2-15所示。为了初始化任何数据的传输， RST引脚信号应由低变高，并 且应将地址和控制信息的8位数据（控制字）

50、装入芯片的移位寄存器内。数据的读/写可以用单字节或多字节的突发方式进行。所有的数据应该在时钟的下降沿变化，而在时钟 的上升沿，在芯片或与之相连的设备进行输入。I/O*:I 裁人移位6132分魏魁S4 I.KRsr使令与彳控制逻辑AD 8US图 2-15DS1302内部结构DS1302的控制字节DS1302的控制字如表2-3示。数据的每次传输都是由控制字节开始的，控制字节 的最高有效位（位7）必须是逻辑1,如果它为0,则不能把数据写入 DS1302中，位6如 果为0,则表示存取时钟/日历数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1定义片内寄 存器的地址；最低有效位（位0）如果为0表示要进行写操作，为

51、1表示进行读操作，控 制字节的传输时钟总是从最低位开始的。表2-3DS1302的控制字节D7(MSB)D6D5D4D3D2D1D0(LSB)1RAM/ RSTA4A3A2A1A0RD/WDS1302的数据输入输出（I/O）对芯片的所有写入或读出操作都是由控制字节为引导的。每次仅写入或读出1B数据的操作称为单字节操作。每次对时钟/日历的8B或31个RAM字节进行全体写入或读 出操作，称为多字节突发模式操作。向 DS1302写入数据时，数据在控制字节字输入后 的下一个SCLK时钟的上升沿被写入，数据从低位即位 0开始写入。同样，从DS1302 读取数据时，数据在紧跟控制字节后的下一个 SCLK脉冲

52、的下降沿读出，从低位（0位） 到高位（7位）读出数据。只要RST保持高电平，额外的SCLK将导致数据字节的持续 读出，这个特性用于实现该芯片的突发读模式。突发模式下，可以一次行读出所有日历 时钟数据或RAM数据。数据读写时序如图2-16所示。6字节传送方式RSTSCLKVOJL控制字苹突岀传送模式RSTSCLKJY曲亍更“卫亍IZATCC g伏J滋i 21屮I专匕込?）图2-16DS1302数据的读写时序DS1302的寄存器DS1302有12个寄存器，其中日历/时钟寄存器共有秒、分、时、日、月、星期、年7个寄存器，存放的数据位为BCD码形式，其日历、时间寄存器及其控制字见表2-4。此外，DS1

53、302还有控制寄存器、涓流充电寄存器、时钟突发模式寄存器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：一类是单个 RAM单元，共31个，每8位的 字节为一个单元组态，其命令控制字为C0HFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作； 另一类为突发模式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的 RAM的31个字节, 命令控制字为FEH（写）、FFH（读）。表2-4日历、时间寄存器及其控制字寄存器名称命令字取值范围各位内容写操作读操作765432 1 0秒寄存器80H81H00-59CH10SECSEC分寄存器82H8

54、3H00-59010MINMIN时寄存器84H85H01-12 或00-2312/24010/APHRHR日寄存器86H87H01-28， 29，30，310010DATEDATE月寄存器88H89H01-1200010MMONTH周寄存器8AH8BH01-0700000DAY年寄存器8CH8DH00-9910YEARYEAR（5） DS1302与单片机的接口DS1302只有三根线连接到单片机的 P1.0、P1.1、P1.2,控制相对计较容易。其接口 示意图如图2-17所示。图中要特别说明的是备用电源，若断电时间较短（几小时或几 天），可用漏电较小的普通电解电容代替。 但是，如果DS1302要

55、在主电源掉电后长时间 保证正常走时，最好选用小型充电电池。此外，DS1302在第一次加电后，必须进行初始操作。初始化后就可按正常方法调整时间。CT*冃DlavcciXISCLK1302X210GNDRST$7FIOFl 1$ver图2-17DS1302与单片机接口2.2.6声光报警模块工作的压力，学习的紧张容易造成人们的疏忽。而报警模块能适时发出声音和灯光 提示。一方面向学生传达系统关灯时间已到， 教室即将关灯，请同学尽快离开这一信息 另一方面，如若系统处于手动控制方式，还能提醒学生或管理人员教室处于亮灯状态， 记得关闭光源。系统既设置声音报警电路，又设置灯光报警电路，目的在于提高系统运 行的可靠性。声音报警电路如图2-