教室智能灯.docx

摘要本课题针对教室灯光的控制，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法， 提出了基于单片机设计教室灯光智能控制系统的思路，并在此基础上开发了智能 控制系统的硬件模块和相应软件部分该系统以 AT89S51 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，采用光敏三极管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”等抗干扰措施本系统程序部分采用 C 语言编写，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，针对性强，性 价比高等优点，可以满足各类院校对教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能 目的关键词：智能控制器 热释红外传感器 单片机目录摘 要 I第一章 教室灯光控制器简介与方案分析 11.1教室灯光控制器简介 11.2 系统控制方案分析 1第二章 系统控制模块的硬件设计 32.1系统控制模块的硬件构成及简介 32.2系统控制的主要硬件电路 32.2.1 系统主控电路 32.2.2 系统供电电路 42.2.3 数据采集电路 52.2.4 系统时钟电路 72.2.5 继电器驱动电路 82.2.6 超时报警电路 82.2.7 按键控制电路 92.2.8 系统看门狗电路 9第三章 控制模块软件设计 133.1系统监控主程序模块 133.1.1 系统自检初始化 133.1.2 定时中断处理设计 143.2数据采集模块 143.2.1 人体存在传感器的优缺点 143.2.2 数据采集软件的实现 143.3时钟模块 153.3.1 数据输入输出 153.3.2 时钟程序设计 163.4 显示驱动模块 18第四章 系统调试运行及问题分析 214.1单片机系统调试方法及步骤 214.2主要问题分析 22第五章 总结与展望 255.1总结 255.2展望 25致 谢 27参考文献 29第一章 教室灯光控制器简介与方案分析1.1教室灯光控制器简介本课题设计的控制器可有效的实现教室灯光的智能控制。

其输入参数主要是 人体存在信号和环境光强度信号等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，实验证明这种方案可以实现 对教室灯进行智能控制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 1.2系统控制方案分析该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，能够实现自 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，还可设置作息时间来控制，夜晚超过 12 点，若还有人存在，则关闭自动控制器的运行，改用开关来手动控制，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，达到设计目的。

第二章 系统控制模块的硬件设计2.1系统控制模块的硬件构成及简介系统控制单元是以 AT89S51 单片机主控模块为核心，其它外围电路主要包 括：环境光采集电路、时钟模块、热释红外传感器模块、看门狗模块、按键电路 EEPROM 存储模块、超时报警模块、数码管显示模块，其结构框图如图 2-1 所示图 2-1 系统控制结构框图 环境光模块采用光敏三极管来检测环境光的强度，有光照时，电阻减小，随 着光照强度的减弱，电阻逐渐增大，把光信号转化成电信号，实现对光强度的检 测人体存在传感器模块采用 HP-208 是基于红外线技术的智能产品，实现对人 体存在的检测硬件时钟模块采用具有充电能力的低功耗，具有临时性存放数据的 RAM 寄 存器的实时时钟芯片DS1302该电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广 泛的使用系统数据存储及故障保护部分由 X5045 组成， X5045 是一种串行通讯的 512 字节EEPROM，同时兼有看门狗和电源监控功能键盘模块2.2系统控制的主要硬件电路考虑到本系统安装时受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。

2.2.1系统主控电路本系统的主控模块采用AT89S51作为主控芯片，它是一种低功耗,8位CMOS 工艺处理器，具有8K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，由于合理的安排使用片内RAM空间，所以没有片外扩展的RAM,使电路结构简洁该芯片的 主要特征见如表2.1：表2.1 AT89S51主要特征AT89S51 引脚外围器件引脚说明P0. 0-P0. 7ULN2803数码管段码驱动接口P2. 0-P2. 7PNP-9012 基极数码管段码驱动接口P1. 0X5045SIX5045串行输入端P1. 1X5045SCKX5045串行时钟端P1. 2X5045CSX5045片选端P1. 3X504550X5045串行输出端P1. 4工作状态指示灯P1. 5DS1302CLKDS1302时钟线P1.6DS1302I/ODS1302数据线P1. 7DS1302RSTDS1302复位线P3. 0- P3. 1数据米集输入端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端单片机最小系统如图2-2所示:40311S9S519181920图2-2单片机最小系统⑴ 40 (Vcc) 20 (GND)脚间的电压应有5V。

⑵ 18、19脚分别与20脚间有1.7 — 2.5V电压⑶ 9 (RST)脚与GND间电压基本为0⑷ 31脚(EA)与20引脚(GND)间电压为5V2.2.2系统供电电路系统供电原理如图2-3所示，采用+5V电压供电本设计采用输出电压为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端供电图2-3系统供电电路2.2.3数据采集电路教室的环境光强度和人体存在与否是系统主要的输入参数，因此教室中的环 境光照强度和人体存在成为系统数据采集的主要对象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，可靠性强一、环境光强度采集电路光电传感器是一种能够将光转化为电量的传感器采用的光敏三极管除了具 有光敏二极管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在 无光照时，三极管的穿透电流很小，为暗电流，有光照时，产生的lb增大，成为 光电流Ie,光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照 强度变化而变化的电信号。

光敏三极管具有灵敏度高，体积小，工作电压低，工 作电流小，发光均匀稳定，响应速度快，寿命长等特点环境光采集电路原理如图为2-4所示当环境光照强度大于一定程度时，光 敏三极管D6呈现低阻状态＜1KQ三极管Q12的基极电压升高,Q12管饱和导通， 集电极输出低电平当环境光强度小于一定程度时，光敏三极管D6呈现高阻状 态2100K，使三极管Q12截止，集电极输出高电平其中调节R26阻值，可使 三极管Q12受环境光强度影响在适当的亮度下导通图 2-4 环境光电路二、人体存在信号采集电路人体存在传感器采用HP-208-N-L人体感应模块（低电平输出）基于红外线技 术的自动控制产品，灵敏度高，可靠性强，广泛应用于各类自动感应电器中人 体传感器的1号引脚为电源信号端VCC, 2号引脚为采集信号输出端OUT, 3号引脚为地信号端GND其硬件连接如图2-51 2 3)3 .3H P-2 0 8图 2-5 人体存在信号采集电路HP-208-N-L功能特点：全自动感应：人进入其感应范围则输出低电平,人离开感应范围则自动延时 关闭低电平,输出待机时的高电平两种触发方式：a.不可重复触发方式：即感应输出低电平后，延时时间段一 结束，输出将自动从低电平变为高电平；b.可重复触发方式：即感应输出低电平 后,在延时时间段内,如果有人体在其感应范围内活动,其输出将一直保持低电 平，直到人离开后至延时结束，低电平跳变为高电平（感应模块检测到人体的每 一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间 的起始点 ）.具有感应封锁时间：感应模块在每一次感应输出后，待延时时间一结束，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 （此时间可设置 在零点几秒—几十秒钟）微功耗：静态电流＜5 0微安，特别适合干电池供电的电器产品；输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接；技术参数：工作电压：DC4.5V至DC24V均可；输出低电平：0V,待机时的高电平为3.3V；延时时间：可制作范围零点几秒—十几分钟； 封锁时间：可制作范围零点几秒—几十秒；触发方式：L不可重复；H可重复；感应范围：<140度锥角，7米以内；工作温度：-20—+70度2.2.4系统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，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考虑到本系统停电时需为时钟电路提供电源、且不占用太多单片机资源，于 是采用具有充电能力的实时时钟芯片DS1302,作为临时性存放数据的RAM寄存 器此芯片采用的是串行通信方式，还可为掉电保护电源提供充电功能，也可以 将此功能关闭该芯片对年、月、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能, 工作电压为2.5V—5.5VDS1302只需三根线即可与单片机进行通信，体积小， 使用简单，时钟精度较高，满足系统的要求，其引脚图如图2-6所示。

1 8＞：■2 7iCLE3 &4 55.ST图2-6 DS1302的引脚图各引脚的功能为：Vccl：主电源；Vcc2：备份电源当 Vcc2>Vcc1+0.2V 时，由 Vcc2 向 DS1302 供电，当Vcc2v Vcc1时，由Vcc1向DS。