【基于单片机的教室灯控制系统设计与实现11000字（论文）】

基于单片机的教室灯控制系统设计与实现摘要：现如今智能控制和我们的生活息息相关，生活中的方方面面已经离不开智能控制，现在的学校的数量在增加，不可避免的教室数量也在急剧上升，如果能智能控制灯光开或者关，那么将节省大量的电能。本文着重分析了之前教室内照明系统和现代智能照明系统对教室的灯光的控制方法，提出了以单片机为核心模块的教室智能灯光系统控制方案，其中该单片机作为该控制系统的核心元件，处理来自各个模块传来的信息，人体的存在与否可以用人体红外线传感器来检测，教室里自然光强度可以用光敏电阻嵌入一个电路检测，分析开关灯的充分必要条件，该系统通过人体是否进入教室，光强度是否达到需要开灯的条件等判断，再将这些信息综合处理后，实现控制教室内灯光的目的，避免电力资源的大量浪费，有着稳定，安装方便，成本低的优点，很大程度上能帮助各高等院校实现对教室灯光系统智能控制的目的，实现一定范围内的对于电能的节省和高效利用。关键词：单片机控制；红外线传感器；教室灯光目录301551绪论 1213411.1研究背景及意义 1142921.2发展历史及研究现状 1144861.3本文的主要研究内容 2314352基于单片机控制教室灯光基本理论 3148262.1教室里灯光特性 3127372.2系统控制方案分析 359713教室灯控制系统硬件设计 5310513.1总体设计 5280403.2单片机 530313.3环境光采集电路 690993.4时钟模块 765253.5人体存在传感器模块 114263.6看门狗模块 14101193.7EEPROM存储模块 1595903.8超时报警模块 17320033.9继电器驱动模块 18252133.10按键电路 1933564教室灯控制系统软件设计 2124011结束语 265391参考文献 27绪论研究背景及目的现如今我国有着不完善的教室灯控制系统，以人工管理为主，当代各类高校不断扩招，需要的教室也随之增多，用电量也不断增加，由于管理不善，造成了大量的电能浪费，和我国的节约能源的理念背道而驰。再说计算机技术的不断的发展和普及，教室灯光管理也应该朝着自动化和智能化的方向提高，所以，打造一个成本低廉且实用的教室灯光管理系统便具有着重大意义。照明系统的介绍目前国内几种成本低廉且易于安装的教室灯照明控制系统有以下几种：1.Dynalite智能照明控制系统。调光模块、开关模块、控制面板、液晶显示触摸屏、智能传感器、编程插口、时钟管理器、手持式编程器和PC监控机，这些部件。这些部件采用DyNet网络连接，DyNet是一个有着分布式智能化网络，且使用RS-485通讯协议。该系统的工作原理:微型CPU控制控制模块，所有控制的部件互连至该网络上，网络上的每一个存贮器均存有着操作所需要的所有指令。用户可以利用控制面板这个按键选择1个或多个预置场景是一种最简单的控制方式。调光器一个可以设置96个不同的版本，根据教室里不同时间有着不同学生的特点，控制着照明系统。另一个系统是通用传感器，有着红外线和光强来监测遥控接收器。C-Bus智能照明控制系统。C-Bus系统由澳大利亚的一个公司在上世纪发明的，现如今很多国家地区都选择使用这个照明系统，这是一个二线制的照明系统，用于控制教室灯照明系统，也可以运用于医院，公安等公共场所和设施。该系统内所有的原件都包含着微型CPU和储存器件，由1对信号线连接网络，1个单元设置1个地址，并将控制着回路上的负载，输入单元和输出单元建立联系做出判断来控制相应的回路输出，包括时间控制，人体存在传感器控制，就地控制和开关控制等。ABB

i-bus

EIB智能安装系统。该智能系统由总线、电源、传感器驱动器和智能元件。其中，传感器的类型有，光线传感器，时间传感器和移动传感器，这就是1个现场总线系统，只要是1个元件，都是1个单独的节点，因为这些节点连接在同一根2芯双绞线介质的总线上，所以不分主从隶属关系的实现相互之间的通讯从而完成控制和被控制。本文的研究目的和内容简介这篇论文先分析学校教室的灯光的使用特点、自然光强度，学习用光的强度需求和传统系统的不足，改善了一种基于单片机的教室灯光控制系统。然后从硬件设计和软件设计两个方面进行了介绍。整个系以单片机为主控模块，其外围模块的主要木块是：环境光采集电路模块、人体存在传感器模块、时钟模块、看门狗模块、按键电路、存储模块、超时报警模块、继电器驱动模块。根据教室合理开灯的条件，用单片机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。最后显示了整个改善后的系统的调试过程。为表建立了四种样式：1.三线表2.表题（表序和表名）3.表标题行、标题列为表建立了四种样式：1.三线表2.表题（表序和表名）3.表标题行、标题列4.表内容（除标题行、标题列外的单元格）5.续表字样（表太长分页显示时才需要）2.1教室里灯光特性首先关注的是教室里灯光的用途，白天自然光强度足够高，足够支持学生所需要的看书要求和写作要求，晚上无自然光或者说自然光强度很低时，学生以在教室自习为主，不排除某些教室被用来上课，不管是哪一种，为了学生的身体，都需要保证教室里的灯光强度足够支持学习或者自习，但是相应的造成了很多的电能浪费。因此，在保证光强度的前提下，研究一种可以节能的智能控制系统电路。为了节约能源，最直接的方法就是改善灯泡，大量使用节能灯就能既能保证光照强度足够，并且也可以节省大量的能源，提高设备照明的效率，一般都能满足教室的用光需求。高效的智能灯光控制系统也可以大量的节省电能。教室灯开或者关由学生和光强度两个参数共同控制，自然光强度足够时，教室里绝不开灯，当自然光强不够时并且教室里有学生需要用到灯光时，该系统控制教室的灯打开，在自然光强度足够或者学生离开时，系统控制关闭灯光。而参数主要靠人体传感器和光敏电路来采集。2.2系统控制方案分析智能控制首先有控制器，人体存在与否和自然光强度是否足够为两个参数，自动控制和手动控制相互兼容，不管哪种控制，都由硬件和软件两大部分组成，硬件设施是基础，为软件实施提供保障和平台，而软件部分是将硬件部分采集的参数将由设计好的程序加以分析处理，达到控制灯光的效果。整个系统所处的环境是学校教室，由于人体传感器和光敏电路容易受环境的影响，因此需要加添相应的抗干扰措施。而且由于教室里会大量配备这种灯光控制管理系统，成本低廉也是一个重要的参考因素。教室灯控制系统硬件设计总体设计系统以单片机为核心部件，加了环境光传感器，存储器，人体存在传感器，按键电路时钟模块等作为模块，结构图如3-1所示环境光传感器模块由光敏电阻电路组成，当自然光增强，电阻很小，当无自然光或自然光强度变低时，电阻变得很大，这样就将光信号转变成电流，而电流这种电信号可以被采集起来。而电阻突变的点可以由需要的光强度来手动变化。人体存在传感器模块可以用红外线传感器模块，由人体所发出的特殊波长红外线来控制，一般市场上的红外线传感器以HP-28为主，该传感器有着成本低，抗干扰能力强的特点，适合大量配备。系统数据储存可以由X5054组成，这是一种512字节的，同时兼顾着看门狗和监测电源的作用的储存器。环境光采集传感器（光敏电路）单片环境光采集传感器（光敏电路）单片机系统EEPROM存储器模块 红外线传感器看门狗模块红外线传感器看门狗模块按键电路模块按键电路模块时钟模块图时钟模块继电器驱动模块继电器驱动模块灯光超时报警模块灯光超时报警模块图3-1系统控制单元结构图单片机本课题是基于单片机的系统设计，所以针对单片机做了AT89S51与AT89C51的比较与选择如下：1.写入方式：写入程序的方式有两种，AT89C51并行写入，不支持其他，并且同时需要烧写电压较高。AT89S51则支持在线可编程写入技术、串行写入技术、速度快、稳定性好，成本更低，烧写电压也仅仅需要4~5V即可。2.电源范围：AT89S51电源范围宽达4.5-5-5V,在此范围内都可以正常工作而AT89C51在低于4.3V和高于5.6V电压的时候则会出现死机甚至烧坏的情况。3.工作频率：目前AT89S51的性能远高于AT89C51,AT89S51极限工作频率可达到32MHz，而AT89C51工作极限频率仅为25MHz。4.市场价格：由于AT89C51已经全面停产，所以在市场价格方面，库存的AT89C51的批发价格要比AT89S51昂贵得多且购买渠道较少。5.加密功能：AT89S51算法更新，漏洞更少，不易出错，，安全系数更高，这让解密AT89S51几乎不可能，保密性能远超AT89C51.6.抗干扰性：内部自带1个看门狗计时器，AT89C51需要外接看门狗计时器电路。7.烧写寿命更长:：AT89S51对外声称1000次，实际最少是几千次，这样更有利反复调试，减少成本消耗。环境光采集电路光电传感器是一种将光信号转化成电信号的装置，并且还具有将光信号放大的功能，当光照强度不够甚至是无光时，三极管穿透电流为暗电流，当光照强度足够支持教室所需要时，穿透电流增大，变成光电流，此外光电流的大小和光照强度成正比，电阻和光照强度成反比，光照强度越强，光电流越大，于是光信号就被转化成电信号，而光敏三极管极其敏感，而且电流小，电压低，发光均匀稳定成本低可大量购买的优点。光敏电阻采集参数工作原理图如图3-2所示。当光照强度低于需要值时，（这个值由管理员设定好，一般都是学生读书需要的最低光照强度），光敏电阻很大，当大于100千欧时，三极管Q8输出高电平，在电路中工作，当光照强度足够时（达到设定值时），光敏电阻小于1千欧，输出低电平，在电路中不工作，其中R9是一个调整参数的器件。图3-2光敏电阻采集参数工作原理图时钟模块教室里是否有人也和时间有关，半夜十点之后和节假日放假后，教室里不太可能有人，所以这个系统也和时间有关。老旧的芯片，虽然成本低，但是这些芯片的有着引脚太多，体积大，占用的口线多的缺点，显然不适合用在现代的控制系统上。所以要挑选一个有着成本低，引脚少，体积小等优点的芯片，DS1302就符合这一条可以大量购买使用。考虑到系统停电的时候甚至作为电源为时钟电路提供电能、且不能占用太多单片机资源，DS1302这个芯片采用串行通信方式，不仅可以提供作为电源的功能，还有体积小，精度高等功能，工作电压低，基本上可以满足系统芯片的全部要求。图3-3串行时钟芯片图对于DS1302，刚买来需要做一个自检初始化，自检初始化的程序如下图所示：Function：StartcheckDS1302DSCheck:MovR6,#DS1302Sec+1;SecondTimeACallDSRd1ByteMovDSCheckData,aCjnea,#60H,$+3DSCheckNext:JncDSSetTime:a>=60HtoSetDS1302'sTimeAcallDSDelay;DS1302delay1secondMovR6,#DS1302Sec+l;a<59HReadDS1302'sSecondagainACallDSRdlByteCjnea,DSCheckData,DSOK;TwoDSSecofReadingisdifferentAJMPDSSetTimeDSOK:Ret在对DS1302进行各种操作之前，必须将其初始化，即需要把复位输入的RST端置为高电平，若RST输入为低电平，所有的数据就将传送终止，并且I/O引脚变为高阻抗状态。在数据读/写完之后，RST端应置为低电平，用来防止外部干扰对DS1302内部时钟的影响。同时，为了防止复位输入端受到外部干扰，要求上电时，在主电源引脚Vcc2大于或等于2.5V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/命令字节用于指明40个寄存器中的哪个进行哪种操作。数据在SCLK的上升沿串行输入，在开始的8个时钟周期将命令字装入移位寄存器之后，如果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，如果跟随的是读命令字节，则在下8个SCLK周期的下降输入应有的输入字节，如下图3-4所示：启动启动复位端变高启动一次数据传输工作复位端变高启动一次数据传输工作写命令字节一位写命令字节一位SCLK脉冲SCLK脉冲N够8次吗N够8次吗YY写数据字节一位写数据字节一位SCLK脉冲SCLK脉冲N够8次吗N够8次吗YY复位端变低复位端变低结束结束图3-4数据输入流程图本系统教室灯光控制的工作模式分为自动控制和强制控制。首先，系统默认的模式为自动控制模式。当系统进入初始化后，自诊断键盘是否按下，若有键按下，系统就进入强制控制模式，然后通过键盘扫描程序，确认控制灯具的亮与熄;若无键按下，则默认自动控制模式，通过自然光采集电路从P3.7口的高低电平判断自然光强度，如果光足够强，则熄灯具，如果光不够强，则继续读取人体存在传感器P3.3，如果有人存在则亮灯。最后，在亮灯时，若检测教室已经长时间无人，则10秒后熄灭灯具。灯具的亮与熄由继电器驱动P3.5/P3.6口的高低电平来控制。然后对硬件软件进行运行调试，调试完毕后，利用编程器将程序固化到单片机中，使系统运行起来。人体存在传感器模块自然界中存在的所有物体，如人体、木材、杯子、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线，用红外线传感器可对其进行检测。根据红外传感器的工作原理，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。和量子型相比，热型的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可以在常温下工作。但是量子型与热型的相反，而且要求冷却条件。所以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、自动旋转门、自动水龙头、电梯、自动照明等场合，及非接触温度测量等领域应用得最广泛的传感器。其原因为：①被测对象自身能发射红外线，大可不必另设光源；②大气内对2-2.61Lm、3-51Lm、8-141Lm三个被称为“大气窗口”的特定的光通量的红外线吸收较少，非常容易被检测；③中、远型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：1.人体都有恒定的体温，一般在37°C左右，所以会发出特定波长10μM左右的红外线，被动式的红外探头就靠探测人体发射的10μM左右的红外线而进行工作的。人体发射10uM左右的红外线通过菲尼尔滤波片增强后聚集到红外感应源上。红外线感应源采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射或者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有人体存在的信号。1)这种探头是以探测人体辐射为目的的，所以热释电元件对波长为10μM左右的红外线辐射非常敏感。2)为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面覆盖有特殊的菲尼尔滤光片，使环境的干扰大大降低。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2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，使得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，不能抵消，经过信号处理后，输出1个有人体存在的信号。5)菲尼尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的探测距离，从而产生不同的监控现场，视场越多，控制越严密。当有人进入时，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。但当人体进入最不敏感移动方向时，人体传感器所体现的信号就不会理想，有的时候还会产生误动作，所以要特别注意人体传感器的安装方向。2.人体存在信号采集电路人体传感器HP-208是一种基于红外线的智能产品，它的主要特性如下：1)感应是全自动的方式，当人进入感应范围时输出高电平(高3。3V)，当人离开感应范围时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，其输出将始终保持高电平，直到人离开后才延时15s后，才将高电平变为低电平；3)人体传感器工作电压宽为DC3V-DC24V；4)人体传感器制作为锥面形状，感应范围大于小于140°锥角，感应距离为7m左右；5)其静态电流小于50μA，耗能低；6)工作温度介于-15°C和+70C之间，可适应极端天气；7)灵敏度极高，可靠性强。人体传感器的1号引脚是电源信号端，3号引脚是地信号端，2号引脚是采集信号输出端。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1个6800pF的电容，另外在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100千欧的上拉电阻，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3-5。图3-5电路原理图DS1302与单片机接口电路连接原理图如图3-6，其中Vcc2外接3.6V可充电的锂电池，为DS1302的备用电源。Vccl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Vcc2两者中较大者供电。当Vcc1大于Vcc2+0.2V，由Vcc1给DS1302供电，系统正常运行，在主电源关闭的情况下，Vcc1小于Vcc2，由Vcc2给DS1302供电，保持时钟的连续运行。X1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P1.5引脚，进行时钟控制。数据输入/输出端IO接单片机P1.6引脚，进行数据传输。图3-6DS1302与单片机接口电路连接原理图看门狗模块看门狗定时器的预置时间是通过X5045的状态寄存器的相应位来设定的。如表3-1状态寄存器所示，X5045状态寄存器共有6位。其中WD1、WD0和看门狗电路有关，其余位和EEPROM的工作设置有关。表3-1看门狗定时器的预置时间表7654321000WD1WD0BL1BL0WELWIPWD1=0，WD0=0，预置时间1.4sWD1=0，WD0=1，预置时间0.6sWD1=1，WD0=0，预置时间0.2sWD1=1,WD0=1,禁止看门狗工作看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。X5045硬件部分连接如图3-7。图3-7硬件部分连接图系统看门狗电路由系统数据存储和故障保护部分组成，X5045是一种串行通信512字节的EEPROM，同时兼有看门狗和电源监控功能，X5045有三种可编程看门狗周期，上电和Vcc低于检测门限时，输出复位信号，X5045输出复位高电平有效,为了复位更加可靠,其复位输出端外接--个10K的上拉电阻,与AT89S51的复位端相连。看门狗可以在电源上电和掉电期间产生-一个复位信号。该芯片还带有一个1.4s的看门狗定时器可用来监测单片机的工作。如果在1.4s内未检测到其工作，出现故障,内部定时器将使看门狗WD1处于低电平状态，为系统提供保护,达到避免死机、程序跑飞或进入死循环等意外的目的。针对本课题数据的采集，首先分析此次研究设计的背景是在校园教学楼的教室里，主要采集的参数有教室的环境光强度和人体存在与否。常见的环境光强度采集器件主要有光敏二极管和光敏三极管，考虑抗干扰的需要，选用灵敏度较高的光敏三极管。此外，人体存在传感器要求灵敏度高，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。EEPROM存储模块AT89S51是一种低功耗，8位CMOS工艺处理器，具有8K在线可编程Flash存储器的单片机。其优势在于片内的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，由于合理的安排使用片内RAM空间，所以没有片外扩展的RAM，使电路结构变得简洁。因此，个人认为本课题基于单片机的教室灯光控制系统的设计更适合选用AT89S51单片机作为本系统模块的主控芯片。该芯片的主要特征见如表3-2所示：表3-2芯片主要特征表AT89S51引脚外围器件引脚说明P1.0X504SIX5045串行输入端P1.1X5045SCKX5045串行时钟端P1.2X5045CSX5045片选端P1.3X5045S0X5045串行输出端P1.4工作状态指示灯P1.5DS1302CLKP1.6DS1302I/OP1.7DS1302RSTP3.0-P3.1数据采集输入端P3.3人体存在传感器输出信号端P3.4超时报警信号输入端P3.7光敏三极管输入信号段这个系统采用+5V电压供电。本设计采用的是输出电压为9V的变压器。当系统接通220V交流电源时，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，然后再经正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端采用了电容C3，C4，最后得到+5V的直流电压，将得到的直流电压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。系统供电原理如图3-8所示。图3-8系统供电原理图系统复位电路的作用是让系统得到充分复位，实现稳定可靠工作。在单片机工作的过程中，不可避免的会由于外界的干扰而产生程序死机造成整机瘫痪等情况。为了能够及时恢复单片机的工作，只能采用重新复位法，所以还应该在硬件设计中使用看门狗电路，这样单片机发生死机的情况下，看门狗将产生1个复位信号给单片机，当单片机复位后，重新执行程序。由于此次系统设计同时需要看门狗和EEPROM，因此本设计中使用芯片X5045。X5045具有三种常见功能:看门狗定时器、复位控制和EEPROM。这三个功能是集成在单个8引脚封装的CMOS器件内，将电源监控和看门狗功能以及高速三线非易失性存储器组合在一起，所以在很大程度上降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求，X5045的引脚排列如图3-9。图3-9引脚排列图超时报警模块在教室中，如果采用手动方式控制时，一方面由于学生或者管理人员的疏忽，教.室里没有人而灯还亮着，导致、、就会教室灯工作超时，能源浪费。于是本系统采用蜂鸣报警电路，以声音的方式来让教室无人时关闭电源；还有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，导致教室灯工作超时，于是本系统蜂鸣报警电路就会发出声音，在晚上10点时提醒学生休息或者必须改用手动强制控制灯了。这样，就可以更好的保护公共设施。本系统采用超时报警的电路如图3-10所示，单片机的P3.4端口外加一个10000欧姆.的上拉电阻，在经过限流电阻100欧姆与三极管C945的基极相连。当P3.4端口为低电平，即基极为低电平时，三极管就导通，驱动蜂鸣器发出声音，提醒教室灯工作超时。若P3.4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，教室灯正常工作。本系统采用超时报警电路不仅方便了管理人员对教室的管理，还能够更好地、及时地管理教室。图3-10超时报警电路图继电器驱动模块继电器驱动接口电路如图3-11所示，这里继电器由相应的PNP型号的9012三极管来驱动。开机后，单片机初始化后的P3.5/P3.6为高电平，三极管就截止，然后开机后，继电器始终处于释放状态。如果P3.5/P3.6为低电平，三极管的基极就会被拉低，然后就会产生足够的基极电流，使三极管导通，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欧姆的电阻和6800pF电容，月的是避免继电器吸合与释放期间产生火花。所以继电器线圈两端反相并联的二二极管是起到吸收反向电动势的功能，用来保护相应的驱动三极管，这种继电器驱动方式硬件结构相对比较简单。图3-11继电器驱动接口电路图按键电路按键控制电路如图3-12所示。按键的输入信号分别接到P2.0，P2.1，P2.2，P2.3，用二极管和与门电路将按键信号引到外中断0的引脚P3.2。按键控制电路采用单片机P2口的低4个口作按键的输入信号端，信号取自电阻的分压。当按键未按下时，P2.0—P2.3端口的电压接近电源电压，为高电平，当某一按键按下时，对应端口被按纽开关短接到地，为低电平。单片机检测4个端口电平的变化，从而确定是哪个键被按下。键盘工作方式采用中断扫描方式，4个二极管和10K电阻组成与门电路，当任一键按下时，与门输出P3.2引脚的电平都会由高变低。P3.2第二功能是外部中断0的输入引脚，我们利用其电平的变化产生中断，在中断服务程序中读入P2口低4位信号，确定哪个键按下，执行相应的按键功能，0.1pF电容和10K电阻组成滤波电路，消除按键的抖动。图3-12按键控制电路针对本研究设计的任务要求，本章首先对主控芯片单片机进行了比较选取，最后选取了在大学期间学习的较为熟悉且功能强大的AT89S51单片机，然后分别对外围的电路各大模块(按键控制、时钟控制、环境光采集、人体存在传感器等等)进行了具体的研究分析，简单描述了它们的工作原理，完成了教室灯光控制系统的部分设计。教室灯控制系统软件设计系统总体流程图系统的总流程框图如图4-1所示自诊断开始自诊断开始系统初始化系统初始化按键否？键盘扫描程序Y按键否？键盘扫描程序YNNNN有有人吗？YYY光照强度够Y光照强度够吗？NN亮灯亮灯延时10秒延时10秒YY有人吗？有人吗？NN熄灯熄灯图4-1系统的流程图监控程序按模块分为监控主程序和命令处理子程序5。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包括对系统外围器件输入、输出参数的初始化自检，看门狗的激活，多任务操作模块的调用(系统中的信号采集处理、时钟管理、按键接收处理)，实时中断处理等。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有选择的执行。系统自检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，直接进入自检初始化程序，完成系统的自检及初始化。本系统中的自检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已处于准备工作的就绪状态，有无硬件故障等，如检测硬件时钟DS1302是处于更换芯片后初次使用未起振状态，还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，检测热释红外传感器输出信号是否正常体现人体存在的信息，检测光采集电路输出的信号等。若时钟芯片处于启动状态，则需要对其进行初始化并启动实时时钟。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，单片机复位后，程序计数器PC指向程序存储器的入口地址0000单元，程序状态字寄存器清零，片内存储器选择I区作为工作寄存器，用户标志位为0状态，堆栈指针指向07H,其它定时器和中断允许寄存器，累加器等皆为00H。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，去置位定时器溢出的标志位，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1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，程序图如图4-1所示。开始开始定时中断到？Y定时中断到？Y多任务时间启动划分多任务时间启动划分NN下一步下一步图4-1定时中断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外来信号输入，如果有，就采集下来并加以处理;如果没有，则返回到主循环。由于本系统的控制对象为大学教室，教室中一般只有一边有窗户，所以室内不同区域由于距离窗户的远近不同会影响其接收的光照多少。就要合理控制教室内的照度，必须探测室内自然光的照度。而自然光的变化有明显的非线性，是与天气的变化和建筑物的不同位置有关系的。所以，必须合理布置自然光采集电路装置的位置，才可以更好的反映实际情况。教室中，电能的浪费很大一部分原因是由于室内长明灯的出现，即在室内自然光照充足的情况下，照明灯具仍然开启的情况。考虑到环境光足够亮时，无论是否有人体存在都不开灯；而环境光不够亮时，有人体存在才开灯，无人体存在则不开灯。本系统逻辑定义为：环境光亮时为逻辑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用以下的逻辑关系表来表示，如表4-1所示：表4-1灯光状态与参数关系逻辑表环境光参数人体存在参数教室的灯状态000100010111表4-1数据表明可将环境光参数与人体存在参数进行与操作，又由于继电器采用的是是低电平驱动，所以要将采集处理后的信号进行操作，才可以驱动继电器工作，即可得到教室灯的状态，其软件程序为Function:BodySensorandlighttolightport356DoSensLight:Movc,port33;SignalofSensorAnlc,port37Cplc;havepersonandnolightMovport35,c;onrelay1Movport36,c;onrelay2JncSensOut;nopersontooutHaveperson:MovsensDelayBuf,#5;delay5minuteSensOut:out由于动物也会发出和人类相似的红外线，所以还得加一些抗干扰的元件，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:探测器安装在推荐的使用高度，需要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要求，一般手机产生的电磁干扰不会引起误报。3.抗灯光干扰:探测器应该在正常灵敏度的范围内，受3m外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生信号。通电运行，用万用表测量输出电压通电运行，用万用表测量输出电压供电部分是否稳定N供电部分是否稳定N检查电路寻找原因检查电路寻找原因YY电源部分成功电源部分成功图4-2电源流程图下载一个正确的小程序到最小系统中下载一个正确的小程序到最小系统中N最小系统是否工作N最小系统是否工作检查电路寻找原因检查电路寻找原因YY最小系统部分成功最小系统部分成功图4-3最小系统调试图下载按键