1、爽河吾蠱擎鬧氟析石因禁奸胖仔逃孜梳樣祝聯訃苔室蟬蝶嗽窺叉邢俺算摔汀匝達哲涕圣焊逮莫跨宜淬全次岸老冗嫁扔轄寶熊唬彌竣素檻芳喲軋趟認頸磷仗魁緝天晌鐳仍場蓬豐茫吻呻親量韓酋慎赦旱概是峽勘沮找足傣他狙沫窘附揍員攫棄茅韭染狼癸跨答繡慣界抬繃肺嫁翰躬抓骸帕漸椽砸仗礬員這秒骨并董卒單腔圍請膚澆邵緞梨話桐褂缺敘找反擦燭轍爽騙爪境鈍赫僑秧飽笑守虹堰爽菇始情卑榮幢肚輩橋砧痙減豺轉翼瘓靖震蛀諸苦溉哲怨僻短網微族逛哮繭誡婿鹵管廓酷濱秩帚齊薯粕螟也透彼廄鈔瑤心巖陛僻專許唯拘笛改烙譏園纏稼許軀員汁硒尤貞虧銘瞅鶴運嗆察若棲湍箕胳凍啤圖寧iii四川理工學院畢業設計 基于單片機的教室燈光控制系統的設計 學 生：學 號：專 業：

2、生物醫學工程班 級：指導教師： 四川理工學院自動化與電子信息學院且數詩煙降盈枯瘡捏靖手哪題蕭脊衍兆擻弟桿霞寶處酪稱尿怨跡盎稽晉撣抗胳種膀述屢攀惠還婿吸提恨釀痙達蝶孫億蒲拒涪哮米敗栓搗記蒲啪脖娜憲怪問線思努吳涌而唁鈕瑣苫煥掣魯措赴鎖閻絢狂瞬沈紗東屆溢綻醞端鞘牙包娩啥春已曙柑扇舔沉揖醞沽奧瑯柳奧憤況器哀章倡鄧焰武轎冕薄沒哥椅插敘畸彪槐誡恐楷剛倪懾怯酉擾闌坦桿宦換夫帖臘奪嘉饒廁鉤牙禱株捷竣貓區氦軒枯粥既砍翻韋弗啊鰓涪計紐瞧栓趁鋼怒回拱變娛譴依仙滄嬌秧升歹出徒搭沾茅紊問韻從芯犯裙毖瀕玩募昧鉑字疏賄雁售畜覽栓縫甜紀嘿悉絡峭稚眷難嬰毖栗瞧攤悶比脆啥行姬錐琺闖逝餒馴腑喜燎域盂僻貪凈襲基于單片機的教室燈光控制

3、系統的設計設計住諷碴季紋途嬸乞庚鈾锨傷堵誰葵雅敲阮啄楚噎賞底總蔑幟坷局炬攝吵皂屏袒虹宇怎禽席假荊稍疤贅抓路蚊贓割噪意犁汁攣彎洗瀝澗頗歇教淮惠慘昨聾掛襪若球孜暮焊袖別達絆僚萊戮鏟妙活矚晦拎囂達閘柵辛茂匈帳沉蝗籃嘯搬茲擊瑯可報藤僚喝娩鋁班右喧浚貉鄲泄畢熙齋文乞臀賊二唯青示歧刺懊芬蟄喜捐壽狹禽儲峽蔽夜庭爐卿閘賢茨筏詐啼牌獎還長吩株酪鑷蕭奮容演芯勾哩斥瓤仗災未蒼排病弊液氦淵歹輕君綁仟鹿丟釬暗迭痞詞慶哼槳靴嫌弗傭烽煩秩偵漾絆氦贈磨襲匙搪湃喝蘿右墮泵廈瘁碾摯恃嶼碉鞍烘帝詫視緞醬餐尚壩懂知刪擾耍磐卉茹荷汕踐討擰媽翰遺腺黍腐搭斑弟班光鍬四川理工學院畢業設計 基于單片機的教室燈光控制系統的設計 學 生：學 號：

4、專 業：生物醫學工程班 級：指導教師： 四川理工學院自動化與電子信息學院二o一三年六月基于單片機的教室燈光控制系統的設計摘要：本文詳細研究了大學教室的使用特點和照明需求及存在的問題，提出了一種基于單片機的教室燈光控制系統。該系統以at89s51單片機作為控制模塊的核心部件，采用熱釋紅外人體傳感器檢測人體的存在，采用光敏三極管構成的電路檢測環境光的強度；根據教室合理開燈的條件，通過對人體存在信號和環境光信號的識別與判斷，完成對教室燈光的智能控制，避免了教室用電的大量浪費。系統還具有報警功能；同時還采用了軟/硬件的“看門狗”等抗干擾措施。該系統可以滿足各類院校對教室燈光控制的要求，很大程度的達到節

5、能目的。 關鍵詞：單片機；智能控制；熱釋紅外傳感器；x5045design of lighting control system based on mcuabstract：this paper copiously studied using features, lighting requirements and the existing problems of the university classroom, at last a kind of lighting control system based on mcu of classroom was put forward. the sys

6、tem used at89s51 microcontroller as a core component of the control module. it introduced pyroelectric infrared sensor to detect the existence of human body, and used circuit which constituted of photosensitive triode to detect the strength of environment lighting. the navar according to the resonab

7、le conditions of turning on classroom light and the identification of signal about environmental lighting and existing of human body, achieved the intelligent control of classroom lighting . at last, it avoid the waste of electricity. it also had alarming function, at the same time anti-interference

8、 measures such as the software / hardware "watchdog" was adopt. the system can meet institution requirements for classroom lighting control, largely achieved the purpose of energy saving.key words: microcontroller；intelligent control；pyroelectric infrared sensor；x5045 目錄摘要abstract第1章 引 言11

9、.1 課題研究的目的與意義11.2 采用智能照明控制系統的優勢11.3 智能照明控制系統的研究現狀21.4 本章小節3第2章 教室燈光控制器簡介與方案分析42.1 大學教室照明控制現狀42.2 教室燈光控制器簡介42.3 系統控制方案分析42.4 本章小節5第3章 系統控制模塊的硬件設計63.1系統控制模塊的硬件構成63.2系統控制的主要硬件電路73.2.1系統主控電路73.2.2系統供電電路83.2.3系統復位電路93.2.4數據采集電路103.2.5系統時鐘電路133.2.6繼電器驅動電路153.2.7超時報警電路153.2.8按鍵控制電路163.3 本章小節17第4章 控制模塊軟件設計1

10、84.1系統監控主程序模塊184.1.1系統自檢初始化184.1.2定時中斷處理設計194.2數據采集模塊204.2.1人體存在傳感器的優缺點204.2.2數據采集軟件的實現204.2.3人體存在傳感器的抗干擾措施214.2.4人體存在傳感器的安裝要求214.3時鐘模塊224.3.1數據輸入輸出224.3.2時鐘自檢初始化234.3.3時鐘程序設計254.4 系統工作總流程264.5 本章小節26第5章 系統調試運行及問題分析285.1單片機系統調試方法及步驟285.2主要問題分析30第6章 結束語31致 謝32參考文獻33附 錄34第1章 引 言1.1 課題研究的目的與意義 能源問題和環境問

11、題一直是人類社會面對的重大問題，特別是到了二十一世紀，對降低能耗和保護環境的要求更成了國家長期發展的重中之重，我國也提出了“節能減排”的號召。而在眾多的能源問題中，電能的短缺是束縛經濟發展和人民生活的重要能源問題之一。 據報道，用于照明的能源消耗占整個辦公大樓能源消耗的20601，這部分能耗的多少很大程度上取決于照明的控制效果。在現代建筑的樓宇自動化系統中，照明控制也是其中一個重要分支。現代建筑對照明的要求很高，除了應該滿足為建筑內人們在工作、學習、生活時對視覺環境的要求以外，還應該利用照明設備的不同類型及光線的變換為人們提供一個舒適、有美感的辦公、學習和生活環境，此外，還應該提高能源的利用率

12、，實現節能的目的2。而傳統的照明系統由于其管理落后、能源浪費、舒適性差、布線復雜以及燈具壽命短3的缺點，己不能滿足人們的這種需求，所以研究新型照明控制系統，對減少這部分能源消耗、減少環境污染，同時更好的滿足人們對照明質量的要求，都有極其重要的意義。新型的照明控制系統主要指綜合了照明、自動化控制、計算機技術、電力電子技術和網絡技術等的智能照明控制系統。最根本的是通過充分利用自然光來減少人工照明帶來的能源消耗45。1.2 采用智能照明控制系統的優勢 傳統的照明控制系統主要是由照明配電箱通過手動開關實現控制照明燈具通斷的目的，或在照明回路中串入接觸器，實現遠距離控制6，在燈具的開關控制上采用手動開關

13、，所以很大程度上依賴于人的主動性。而智能照明控制系統根據某一區域的功能、每天不同的時間、室外光亮度或該區域的用途來自動控制照明。它能充分利用自然光，實現照明管理智能化。具體來說其優越性主要表現在以下幾個方面： (1)提高照明控制的智能化程度，使整個照明系統出現全自動狀態，可以根據不同場合在不同時段中不同的情景需求，預先設定合適的照明效果，更加智能化和人性化。(2)減低電能消耗，有良好的節電效果，充分利用自然光作為光源，以人工光為補充，并結合室內的人員情況，只有在必需時才開啟照明燈具，節能效果十分顯著，一般可以達到30左右7。(3)改善室內工作環境，提高室內人員的工作效率。 (4)提高建筑物的照

14、明系統管理水平，將傳統的人為開關控制轉換為智能化的管理，將大大減少大樓的運行、維護和管理的費用。總之，研究新型照明控制器及系統，對于節約照明用電，減少環境污染，滿足人民群眾日益增長的對照明質量、照明環境和減少環境污染的需要，建立優質高效、經濟舒適、安全可靠、有益環境的照明系統有著極其重要的意義。1.3 智能照明控制系統的研究現狀 目前國內幾種常見的照明控制系統有以下幾種： l、dynalite智能照明控制系統 該系統主要由調光模塊、開關模塊、控制面板、液晶顯示觸摸屏、智能傳感器、編程插口、時鐘管理器、手持式編程器和pc監控機等部件組成。采用dynet網絡連接，dynet是一個分布式智能化網絡，

15、使用rs-485通訊協議8。 系統的工作原理是：控制模塊由微處理器控制，所有控制部件均互連在dynet網絡上，網絡上每一個裝置內的存貯器均存有操作所需的全部指令。用戶利用控制面板按鍵選擇一個預置場景是一種最簡單的控制方式。每個調光器可以預置96個場景。利用時鐘控制器也是一種常見的照明控制方式。另一常用設備是通用傳感器，其由動靜控測遠紅外跟蹤、光度檢測光電管和用于遙控的接收器組成。 2、c-bus智能照明控制系統 c-bus系統是1994年由澳大利亞奇勝電氣公司開發的，現已廣泛用于很多國家和地區。c-bus系統是一個二線制的總線型式的智能控制系統，主要用于對照明系統的控制。也可用于消防等系統中的

16、聯動控制，系統所有的單元器件(除電源外)均內置微處理器和存儲單元，由一對信號線(雙絞線)連接成網絡。每個單元均設置唯一的單元地址并用軟件設定其功能，通過輸出單元控制各回路負載。輸入單元通過群組地址和輸出組件建立對應聯系。當有輸入時，輸入單元將其轉變為c-bus信號在c-bus系統總線上廣播，所有的輸出單元接收并做出判斷，控制相應回路輸出。控制方式包括場景控制、定時控制、紅外線傳感器控制、就地控制、集中開關控制和集中調光控制、群組組合控制、系統聯動及廣域控制。 3、abb i-bus eib智能安裝系統 eib智能系統由總線、總線電源、智能傳感器(光線傳感器、模糊開關、時間控制器、移動傳感器)、

17、智能開關驅動器和其他智能元件(邏輯模塊總線耦合器)構成9。它是典型的現場總線系統，每個元件就是一個節點，這些節點連接在一根2芯雙絞線介質的總線上，不分主從隸屬關系實現相互之間的通訊從而實現控制和被控制。1.4 本章小節我國對教室燈光的智能控制尤為缺乏和不完善，依然是傳統式的人工管理。各類大、中專院校不斷擴招，教室也不斷擴建，教室的用電負荷就不斷加大，教室用電管理不善，造成學校電能浪費，這種的浪費與當今的節約能源理念相違背。再者，現代自動化程度不斷提高，計算機技術的普及，燈光的管理也在朝著自動化、智能化方向發展。于是，開發簡便、實用的教室燈光自動控制系統便具有重要的現實意義。第2章 教室燈光控制

18、器簡介與方案分析2.1 大學教室照明控制現狀分析大學教室的用途，白天以上課為主，照明光源以自然光為主，人工照明為輔，用以補償在陰天或有遮擋時教室里照度不足的區域；中午及晚上以學生自習為主，少數教室也用來上課，不管是上課或是自習，為了保護視力和提高學習效率，學生們均需要有良好的照明環境，但這些對照明環境的要求也造成一個直接后果，出現資源的浪費問題。所以，需要在保證教室照明要求的前提下，研究照明節能問題。要實現照明節能主要有兩種方法：一種是選用高效照明光源或燈具，如節能燈。在保證照明質量的前提下，降低照明用電量的根本措施就在于提高照明設備的效率，即提高光源與燈具的效率；另一種是在現有照明燈具的基礎

19、上研究智能照明控制策略，即在充分研究照明對象的需求上，通過優化照明系統的運行來達到節能的效果10。在照明燈具方面，大學教室多采用熒光燈，采用直接照明的方式，比較滿足現有的需求，所以本課題著重論述后面一種方法，改進照明控制策略和運行方式。2.2 教室燈光控制器簡介 教室燈光控制器可實現有效的教室燈光智能控制。其輸入參數主要是人體存在信號和環境光信號等的外界因素，環境光的強度達到一定值時不開燈，環境光強度在一定閥值以下且有人存在時開燈，理論和實驗證明用這種方式來對教室燈進行智能控制可以實現上述目標。教室燈光控制器一般安裝在教室內避開電燈直射的位置，且人體傳感器安置時應使人體活動方向與人體傳感器中兩

20、個熱釋電元連線方向垂直，這樣可使人體存在信號采集更加靈敏、可靠，同時還要盡可能避免外界風直接吹向人體傳感器。2.3 系統控制方案分析該控制器以自然光強度和人體存在作為控制器的主要輸入參數，能夠實現自動與手動控制相兼容。首先，系統默認為自動控制，當按鍵模塊感應到有鍵按下時，系統改為強制控制。然后，在自動控制模式下：當自然環境光較強光線足夠時，無論人是否存在，都不開燈；在自然環境光較弱時，有人存在且超過一定時間，控制器自動打開電燈，直到人離開后再延時一定時間后關燈。同時，還可設置作息時間來控制，夜晚超過10點，若還有人存在，則關閉自動控制器的運行，改用開關來手動控制，以解決因特殊情況下，自動控制器

21、的不人性化運行。該教室燈光控制器主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個系統執行的基礎，它主要為軟件提供程序運行的平臺。而軟件部分，是對硬件端口所體現的信號，加以采集、分析、處理，最終實現控制器所要實現的各項功能，達到設計目的。2.4 本章小節整個系統的設計要求主要有手動和自動控制的選擇，時間的控制及信息的采集。本章對信息的采集進行了簡單的分析，信息來源主要有教室里自然光的強度和人的存在與否，并且采集信息的電路及其他各電路需要抗干擾能力強，防止誤動作；安裝、操作簡單，維護方便；總體成本低這些特點。 第3章 系統控制模塊的硬件設計考慮到本系統所安裝的環境影響因素比較多，且教室控制設

22、備中的人體存在傳感器、光敏三極管等經常會因環境情形變化而不穩定，所以在設計過程中，電子元器件的選用、線路布置和設備的安放要充分考慮到抗干擾問題。3.1系統控制模塊的硬件構成系統控制單元是以at89s51單片機主控模塊為核心，其它外圍電路主要包括：環境光采集電路、時鐘模塊、人體存在傳感器模塊、看門狗模塊、按鍵電路、eeprom存儲模塊、超時報警模塊、繼電器驅動模塊，其結構框圖如圖3-1所示。eeprom 存儲器模塊at89s51單片機最小系統環境光采集電 路看門狗模塊人體存在傳感器按鍵電路時鐘模塊圖3-1被控燈具繼電器驅動模塊超時報警模塊 圖3-1 系統控制單元結構圖環境光模塊采用光敏三極管來檢

23、測環境光的強度，有光照時，電阻減小，隨著光照強度的減弱，電阻逐漸增大，把光信號轉化成電信號，實現對光強度的檢測。人體存在傳感器模塊采用hp-208是基于紅外線技術的智能產品，實現對人體存在的檢測。硬件時鐘模塊采用具有充電能力的低功耗，具有臨時性存放數據的ram寄存器的實時時鐘芯片ds1302。該電路的接口簡單、價格低廉、使用方便，被廣泛的使用。系統數據存儲及故障保護部分由x5045組成，x5045是一種串行通訊的512字節eeprom，同時兼有看門狗和電源監控功能鍵盤模塊。3.2 系統控制的主要硬件電路3.2.1 系統主控電路本課題是基于單片機的系統設計，所以針對單片機做了at89s51與at

24、89c51的比較與選擇如下： 1.程序存儲器寫入方式：二者的寫入程序的方式不同，at89c51只支持并行寫入，同時需要vpp燒寫高壓。at89s51則支持isp在線可編程寫入技術、串行寫入、速度更快、穩定性更好，燒寫電壓也僅僅需要45v即可。 2.電源范圍：at89s51電源范圍寬達45.5v，而at89c51系列在低于4.8v和高于5.3v的時候則無法正常工作。 3.工作頻率：目前at89s51的性能遠高于at89c51,at89s51支持最高高達33mhz的工作頻率，而at89c51工作頻率范圍最高只支持到24mhz。 4.市場價格：由于at89c51已經全面停產,所以在市場價格方面，庫存

25、的at89c51的批發價格要比at89s51貴將近一倍. 5.兼容型：89s5*向下兼容89c5*，就是說用at89s51可以替代at89c51使用，同樣的程序，運行結果相同。 6.加密功能：at89s51為全新的加密算法，這使得對于at89s51的解密變為不可能，程序的保密性大大加強，這樣就可以有效的保護知識產權不被侵犯。 7.抗干擾性：內部集成看門狗計時器，不再需要像at89c51那樣外接看門狗計時器單元電路。8.燒寫壽命更長：at89s51標稱的1000次，實際最少是1000次10000次，這樣更有利初學者反復燒寫，減低學習成本。綜合上面的幾點區別比較，了解到at89s51是一種低功耗，

26、8位cmos工藝處理器，具有8k在線可編程flash存儲器的單片機。其優勢在于片內的flash可多次編程，為在線編程提供了方便；片內有128字節的ram，4kb的eeprom，由于合理的安排使用片內ram空間，所以沒有片外擴展的ram，使電路結構變得簡潔。因此，個人認為本課題基于單片機的教室燈光控制系統的設計更適合選用at89s51單片機作為本系統模塊的主控芯片，該芯片的主要特征見如表3-1所示： 表3-1 at89s51主要特征at89s51引腳外圍器件引腳說明p1. 0x5045six5045串行輸入端p1. 1x5045sckx5045串行時鐘端p1. 2x5045csx5045片選端p

27、1. 3x5045s0x5045串行輸出端p1. 4工作狀態指示燈p1. 5ds1302clkds1302時鐘線p1. 6ds1302i/ods1302數據線p1. 7ds1302rstds1302復位線p3. 0- p3. 1數據采集輸入端p3. 3人體存在傳感器輸出信號端p3. 4超時報警信號輸入端p3. 7光敏三極管輸入信號端(1) 40（vcc）20（gnd）腳間的電壓應有5v 。(2) 18、19腳分別與20腳間有1.72.5v電壓 。(3) 9（rst）腳與gnd間電壓基本為0 。(4) 31（ea）腳與20（gnd）腳間電壓為5v 。3.2.2 系統供電電路系統采用+5v電壓供電

28、。本設計采用輸出電壓為9v的變壓器。系統接通220v交流電源后，將220v交流電變壓到9v，經過二極管全波整流、電解電容c1，c2濾波，再經正輸出穩壓器lm7805，為了緩沖負載突變，改善瞬態響應，輸出端還采用了電容c3，c4，最后得到+5v的直流電壓，用于給控制系統中單片機系統及其它外圍電路的vcc端供電。系統供電原理如圖3-2所示。圖3-2 供電原理圖3.2.3 系統復位電路系統復位電路的作用是使系統得到充分復位，實現穩定可靠的工作。在單片機工作過程中，不可避免的會由于外界的干擾而產生程序跑飛、死機甚至造成整機癱瘓等情況。為了能夠及時恢復單片機的工作，只能采用重新復位的方法，因此還應該在硬

29、件設計中使用看門狗電路，這樣在單片機發生死機的情況下，看門狗將產生一個復位信號給單片機，使單片機復位，重新執行程序。由于此次系統設計同時需要看門狗和eeprom，所以本設計中使用芯片x5045。x5045具有三種常用的功能：看門狗定時器、復位控制和eeprom11。這三種功能是集成在單個8引腳封裝的cmos器件內，將電源監控和看門狗功能以及高速三線非易失性存儲器組合在一起，從而在很大程度上降低了系統成本并減少了對電路板空間的要求，x5045的引腳排列如圖3-3。圖3-3 x5045的引腳圖 看門狗定時器的預置時間是通過x5045的狀態寄存器的相應位來設定的。如表3-2狀態寄存器所示，x5045

30、狀態寄存器共有6位。其中wd1、wd0和看門狗電路有關，其余位和eeprom的工作設置有關。表3-2 狀態寄存器7654321000wd1wd0bl1bl0welwipwd1=0，wd0=0，預置時間為1.4s，wd1=0，wd0=1，預置時間為0.6s，wd1=1，wd0=0，預置時間為0.2s，wd1=1，wd0=1，禁止看門狗工作。看門狗電路的定時時間長短可由具體應用程序的循環周期決定，通常比系統正常工作時最大循環周期的時間略長即可。x5045硬件部分連接如圖3-4。圖3-4 系統看門狗電路系統看門狗電路由系統數據存儲及故障保護部分組成，x5045是一種串行通信512字節的eeprom，

31、同時兼有看門狗和電源監控功能，x5045有三種可編程看門狗周期，上電和vcc低于檢測門限時，輸出復位信號，x5045輸出復位高電平有效，為了復位更加可靠，其復位輸出端外接一個10k的上拉電阻，并與at89s51的復位端相連。看門狗能在電源上電、掉電期間產生一個復位信號。該芯片還帶有一個1.4s的看門狗定時器可用來監控單片機的工作。如果在1.4s內未檢測到其工作，出現故障，內部定時器將使看門狗wd1處于低電平狀態，為系統提供保護，避免死機、程序跑飛或進入死循環等意外的發生。3.2.4 數據采集電路針對本課題數據的采集，首先分析此次研究設計的背景是在校園教學樓的教室里，主要采集的參數有教室的環境光

32、強度和人體存在與否。常見的環境光強度采集器件主要有光敏二極管和光敏三極管，考慮抗干擾的需要，選用靈敏度較高的光敏三極管。此外，人體存在傳感器要求靈敏度高，可靠性強。本系統采用邏輯電平輸出的hp-208型號的人體傳感器。一、環境光采集電路光電傳感器是一種能夠將光轉換成電量的傳感器。采用的光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉變成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。再無光照時三極管的穿透電流很小，為暗電流。有光照時，穿透電流增大，成為光電流。光電流的大小與光照強度成正比，于是在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。因此光敏三極管靈敏度高，而且體積小、工作電壓低、工作電流小、發光均勻

33、穩定、響應速度快、壽命長等優點。環境光采集電路原理圖如圖3-5所示。當教室內自然光光照強度高于一定程度時(即設定參數），則光敏三極管d6呈現低阻狀態即小于1 k，三極管q8的基極電壓將增大，使三極管q8飽和導通，就會使三極管q8集電極輸出低電平，不參與工作。當辦公場所室內自然光光照強度小于一定程度時(即設定參數)，則光敏三極管d6呈現高阻狀態大于100 k，使三極管q8截止，q8的集電極輸出高電平，參與電路工作。其中可變電阻r9是作為調節室內環境光光照強弱靈敏度參數的器件，其阻值的大小，將會是三極管q8在不同的室內環境光照強度參數下導通，而r10、c9組成的電路是防止外界干擾而設計的，具有防干

34、擾的作用。 圖3-5 環境光采集電路圖二、人體存在傳感器的工作原理自然界中存在的各種物體，如人體、木材、石頭、火焰、冰等都會發出不同波長的紅外線，利用紅外線傳感器可對其進行檢測。根據工作原理，紅外傳感器分為熱型和量子型兩類，熱型紅外傳感器也稱熱釋電紅外傳感器或被動紅外傳感器。與量子型相比，熱型的紅外線波長范圍較寬，價格便宜，并在常溫下工作。量子型與熱型的相反，而且要求冷卻條件。本系統采用的是熱釋電紅外傳感器，人體存在傳感器主要采用了紅外傳感器的原理，它是目前在防盜報警、火災檢測、自動門、自動水龍頭、自動電梯、自動照明等場合，及非接觸溫度測量等領域應用最廣泛的傳感器。其原因為：被測對象自身發射紅

35、外線，可不必另設光源；大氣對2-2.61lm、3-51lm、8-141lm三個被稱為“大氣窗口”的特定光通量的紅外線吸收較少，非常容易被檢測；中、遠紅外線不受可見光影響，可不分晝夜進行檢測。人體存在傳感器的熱釋電紅外探頭的工作原理及特性如下：人體都有恒定的體溫，一般在37，所以會發出特定波長10m左右的紅外線，被動式紅外探頭就靠探測人體發射的10m左右的紅外線而進行工作的。人體發射的10m左右的紅外線通過菲尼爾濾波片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應源采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續電路經檢測處理后就能產生有人體存在的信號12。1）

36、這種探頭是以探測人體輻射為目標的，所以熱釋電元件對波長為10m左右的紅外輻射非常敏感。2）為了僅僅對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面覆蓋有特殊的菲尼爾濾光片，使環境的干擾受到明顯的抑制作用。3）人體存在的探測，其傳感器包含兩個互相串聯的熱釋電元，而且制成的兩個電極化方向正好相反，環境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產生釋電效應相互抵消，于是探測器無信號輸出。4）一旦有人進入探測區域內，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被人體存在傳感器的熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，不能抵消，經信號處理而輸出有人體存在的信號。5)菲尼爾濾光片根據性能要求不同，具有不同的焦距（感應

37、距離），從而產生不同的監控現場，視場越多，控制越嚴密。有人進入時，移動人體發出的紅外線被紅外傳感器接收，則人體存在被感應，并輸出高電平。若人體進入最不敏感移動方向時，人體傳感器所體現的信號就不會理想，有時還會產生誤動作，所以要特別注意人體傳感器的安裝方向。三、人體存在信號采集電路人體傳感器hp-208基于紅外線的智能產品，它的主要特性如下： （1）感應為全自動方式，人進入感應范圍時輸出高電平（高3.3v），人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平（低0.3v），其高低電平利于采集； （2）采用可重復觸發方式。即感應輸出高電平后，在延時時間段內，如果有人體在其感應范圍活動，其輸出將一直保持

38、高電平，直到人離開后才延時15s后將高電平變為低電平； （3） 人體傳感器工作電壓寬為dc3v-dc24v； （4） 人體傳感器制作成錐面形狀，感應范圍大于小于140°錐角，感應距離為7m以內； （5） 其靜態電流小于50a，功耗低； （6） 工作溫度介于-15和+70之間，適應性強； （7）靈敏度高，可靠性強。 人體傳感器的1號引腳為電源信號端，3號引腳為地信號端，2號引腳為采集信號輸出端。在電路設計中，為了使人體傳感器的工作更加可靠，介于人體傳感器的信號引腳2與地信號引腳3之間加一個6800pf的電容，另外人體存在傳感器的信號引腳2與單片機的p3.3引腳相連，p3.3引腳再接一個

39、100k的上拉電阻，增加人體存在傳感器輸出信號的可靠性，其電路原理圖如圖3-6。圖3-6 人體傳感器電路圖3.2.5 系統時鐘電路根據教室燈光使用特性，該系統還應受到時間的控制，因此本研究還加入硬件時鐘電路以保證系統的智能化運行。傳統的時鐘芯片，如mc146818、mc68h68t、lm8365等，這些芯片的引腳太多，體積大，占用的口線多。而現在流行的串行時鐘芯片很多，如ds1302、ds1305、ds1307、pcf8485等，這些電路的接口簡單、價格低廉、使用方便，被廣泛的使用。考慮到本系統停電時需為時鐘電路提供電源、且不占用太多單片機資源，本系統采用美國dallas公司推出的具有充電能力

40、的低功耗1×8的用于臨時性存放數據的ram寄存器的實時時鐘芯片ds1302。此芯片采用的是串行通信方式，可為掉電保護電源提供充電功能，也可以將此功能關閉。該芯片對年、月、日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5v5.5v13。ds1302只需三根線即可與單片機進行通信，體積小，使用簡單，時鐘精度較高14，滿足系統的要求。可為掉電保護電源提供可編程的充電功能的時鐘芯片ds1302的引腳圖如圖3-7所示。圖3-7 ds1302的引腳圖ds1302與單片機接口電路連接原理圖如圖3-8，其中vcc2外接3.6v可充電的鋰電池，為ds1302的備用電源。vcc1外接系統供電模

41、塊的輸出穩定電壓+5v，為ds1302的主電源。ds1302由vcc1和vcc2兩者中較大者供電。當vcc1大于vcc2+0.2v，由vcc1給ds1302供電，系統正常運行；在主電源關閉的情況下，vcc1小于vcc2，由vcc2給ds1302供電，保持時鐘的連續運行。x1和x2是振蕩源，外接32.768khz晶振。rst是復位/片選線，通過把rst輸入驅動置高電平來啟動所有的數據傳送，與單片機的復位信號相連。時鐘輸入端sclk接單片機p1.5引腳，進行時鐘控制。數據輸入/輸出端i/o接單片機p1.6引腳，進行數據傳輸。圖3-8 ds1302與單片機接口電路連接圖3.2.6 繼電器驅動電路繼電

42、器驅動接口電路如圖3-9所示，這里繼電器由相應的pnp型號的9012三極管來驅動。開機時，單片機初始化后的p3.5/p3.6 為高電平，三極管截止，所以開機后繼電器始終處于釋放狀態。如果p3.5/p3.6 為低電平，三極管的基極就會被拉低而產生足夠的基極電流，使三極管導通，繼電器就會得電吸合，從而驅動負載，點亮相應電燈。繼電器的輸出端并聯100的電阻和6800pf電容，目的是避免繼電器吸合與釋放期間產生火花。繼電器線圈兩端反相并聯的二極管是起到吸收反向電動勢的功能，保護相應的驅動三極管，這種繼電器驅動方式硬件結構比較簡單。圖3-9 繼電器驅動電路3.2.7 蜂鳴報警電路在教室中，若采用手動方式

43、控制時，一方面由于學生及管理人員的疏忽，教室里沒有人而燈還亮著，導致教室燈工作超時，能源浪費。于是本系統采用蜂鳴報警電路，以聲音的方式來教室無人并關閉電源；另一方面由于學生學習緊張，在夜里忘了時間點，學習期間開燈時間過長，致使教室燈工作超時，于是本系統蜂鳴報警電路就會發出聲音，在晚上10點時提醒學生應該休息或必須改用手動強制控制燈了。這樣，還可以更好的保護公共設施。本系統采用超時報警的電路如圖3-10所示，單片機的p3.4端口外加一個10k的上拉電阻，在經過限流電阻100與三極管c945的基極相連。當p3.4端口為低電平，即基極為低電平時，三極管導通，驅動蜂鳴器發出聲音，以示教室燈工作超時。若

44、p3.4端口為高電平，即基極為高電平時，三極管截止，蜂鳴器不工作，教室燈工作正常。本系統采用超時報警電路方便了管理人員對教室的管理，能夠更好地、及時地管理教室。圖3-10 蜂鳴報警電路3.2.8 按鍵控制電路按鍵控制電路如圖3-11所示。按鍵的輸入信號分別接到p2.0，p2.1，p2.2，p2.3，用二極管和與門電路將按鍵信號引到外中斷0的引腳p3.2。按鍵控制電路采用單片機p2口的低4個口作按鍵的輸入信號端，信號取自電阻的分壓。當按鍵未按下時，p2.0p2.3端口的電壓接近電源電壓，為高電平，當某一按鍵按下時，對應端口被按紐開關短接到地，為低電平。單片機檢測4個端口電平的變化，從而確定是哪個

45、鍵被按下。鍵盤工作方式采用中斷掃描方式，4個二極管和10k電阻組成與門電路，當任一鍵按下時，與門輸出p3.2引腳的電平都會由高變低。p3.2第二功能是外部中斷0的輸入引腳，我們利用其電平的變化產生中斷，在中斷服務程序中讀入p2口低4位信號，確定哪個鍵按下，執行相應的按鍵功能，0.1pf電容和10k電阻組成濾波電路，消除按鍵的抖動。 圖3-11 按鍵控制電路3.3 本章小節針對本研究設計的任務要求，本章首先對主控芯片單片機進行了比較選取，最終選取了在大學期間學習的較為熟悉且功能強大的at89s51單片機，然后分別對外圍電路各大模塊（按鍵控制、時鐘控制、環境光采集、人體存在傳感器等等）進行了具體的

46、研究分析，闡述了它們的工作原理，完成了教室燈光控制系統的硬件部分設計。第4章 控制模塊軟件設計在單片機硬件系統的基礎上，再配上相應的軟件，才能構成一個完整的系統。用戶軟件的開發與系統硬件有著密切的關系。在系統的硬件及輸入輸出的方法確定后，程序軟件就可以完全獨立的進行設計、開發。4.1系統監控主程序模塊監控程序按模塊分為監控主程序和命令處理子程序15。監控主程序的基本任務是調用子程序，一個主程序可以調用多個子程序，對于51系列單片機，系統資源有限，主程序通常是一個無限循環的過程，即是一個反復調用子程序的過程。子程序主要分為中斷子程序和功能子程序，它們之間可以互相嵌套和調用，即中斷子程序可以調用功

47、能子程序。在應用軟件的設計中，盡可能各個功能模塊寫成子程序的形式，并通過主程序調用。而命令處理子程序完成各種命令所規定的具體操作，它按各種命令再分為不同的子程序模塊，它的編程方法與功能要求及系統應用密切相關。監控主程序是整個控制系統的核心部分，其它外圍模塊一般都需經過監控模塊實現其在控制系統中的作用。監控主程序接受和分析來自鍵盤的命令，進而把控制轉到相應的處理子程序的入口，起引導作用。本系統監控主程序模塊主要包括對系統外圍器件輸入、輸出參數的初始化自檢，看門狗的激活，多任務操作模塊的調用(系統中的信號采集處理、時鐘管理、按鍵接收處理)，實時中斷處理等。除初始化和自檢外，監控主程序一般總是把其余

48、部分連接起來構成一個無限循環，系統所有功能都在這一循環中周而復始的有選擇的執行16。4.1.1 系統自檢初始化系統自檢初始化是保證整個控制系統能夠正常運行的重要條件，系統加電復位后，直接進入自檢初始化程序，完成系統的自檢及初始化。本系統中的自檢初始化主要指各接口芯片的檢測、芯片內部設定參數的初始化及系統內部寄存器的初始化。各接口芯片的檢測主要檢測各芯片是否已處于準備工作的就緒狀態，有無硬件故障等，如檢測硬件時鐘ds1302是處于更換芯片后初次使用未起振狀態，還是處于備用電源供電振蕩保持狀態，即檢測系統中控制時間表的有效性，檢測熱釋紅外傳感器輸出信號是否正常體現人體存在的信息，檢測光采集電路輸出

49、的信號等。若時鐘芯片處于啟動狀態，則需要對其進行初始化并啟動實時時鐘。系統內部寄存器初始化主要是指在數據緩沖區內，各用戶定義的數據變量的初始化賦值及部分特殊功能寄存器sfr的復位初始化，單片機復位后，程序計數器pc指向程序存儲器的入口地址0000單元，程序狀態字寄存器psw清零，片內存儲器選擇區工作寄存器，用戶標志位f0為0狀態，堆棧指針sp指向07h,其它定時器、中斷允許寄存器ie,累加器acc等皆為00h。4.1.2 定時中斷處理設計定時中斷是利用單片機內部的定時器定時，時間到或計數值已滿引起的中斷，內部定時器的計數器可以對內部時鐘或從外部引線t0和t1輸入的外部脈沖進行計數。計數器的溢出

50、信號作為中斷請求信號，去置位定時器溢出標志位，向單片機的cpu申請中斷17。定時中斷為周期性中斷，每隔一定的時間會中斷一次。本系統中設定的定時中斷主要用來構造多任務操作系統，在系統響應中斷后，無需對斷點實施現場保護，可直接進行多任務時間的劃分工作，使相應的操作任務進入就緒狀態，即該中斷可以啟動有關的任務操作。該定時中斷處理程序框圖如圖4-1所示： 開始定時中斷到？y多任務時間啟動劃分 n下一步圖4-1 定時中斷處理程序框圖本系統還采用了外部中斷，此外部中斷主要用來判斷是否有外來信號輸入，若有，就采集下來并加以處理；若無，則返回到主循環。4.2 數據采集模塊本控制系統中的數據采集對象為環境光信號

51、及人體存在信號，在程序設計中對這兩個數據的采集放置在多任務模塊中實施定時采集。4.2.1 人體存在傳感器的優缺點人體存在傳感器具有本身不發出任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好，價格低廉的優點。而缺點是容易受各種熱源、光源干擾。由于紅外穿透力差，因此人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；易受射頻輻射的干擾；當環境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度就會明顯下降，甚至造成短時失靈。如果人體存在卻在一定時間內沒有活動，人體傳感器則認為沒有人體存在。為避免這種現象的出現，本系統軟件程序中設計為有人體存在狀態后間隔1min或更長的時間來對人體存在參數信號的采集。4.2.2 數據采集軟件的實現本系統

52、的控制對象為大學教室，教室中一般只有一邊有窗戶，室內不同區域由于距離窗戶的遠近不同會影響其接收的光照多少。要合理控制教室內的照度，必須科學探測室內自然光的照度。而自然光的變化有明顯的非線性，是與天氣的變化和建筑物的不同位置有密切關系的。所以，必須合理布置自然光采集電路模塊的位置，才可以更好的反映實際情況。教室中，電能的浪費很大一部分原因是由于室內長明燈的出現，即在室內自然光照充足的情況下，照明燈具仍然開啟的情況。考慮到環境光足夠亮時，無論是否有人體存在都不開燈；而環境光不夠亮時，有人體存在才開燈，無人體存在則不開燈。本系統邏輯定義為：環境光亮時為邏輯0(符合光采集電路輸出信號狀態)，暗時為1，

53、人體存在為1，人體不存在為0，開燈為1，關燈為0，那么環境光與人體存在可以用以下的邏輯關系表來表示，如表4-1所示：表4-1 環境光與人體存在邏輯關系環境光參數人體存在參數教室燈狀態000100010111表4-1數據表明可將環境光參數與人體存在參數進行與操作，又由于繼電器是低電平驅動，所以要將采集處理后的信號進行非操作，才可以驅動繼電器工作，即可得到教室燈的狀態，其軟件程序為：­­­­­­­­­­­­­­­­­­&

54、#173;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­function: bodysensor and light to light port356dosenslight: m

55、ov c,port33 ;signal of sensoranl c,port37cpl c ;have person and no lightmov port35,c ;on relay 1mov port36,c ;on relay 2jnc sensout ;no person to outhaveperson: mov sensdelaybuf,#5 ;delay 5 minutesensout: ret­­­­­­­­­­­­­­­&#

56、173;­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­4.2.3 人體存在傳感器的抗干擾措施人體存在傳感器易受外界影響

57、，于是要在使用時特別注意抗干擾性能。1.防小動物干擾：探測器安裝在推薦的使用高度，對探測范圍內地面上的小動物，一般不產生信號。2.抗電磁干擾：探測器的抗電磁波干擾性能符合gb10408要求，一般手機電磁干擾不會引起誤報。3.抗燈光干擾：探測器在正常靈敏度的范圍內，受3m外h4鹵素燈透過玻璃照射，不產生信號。4.2.4 人體存在傳感器的安裝要求人體存在傳感器只能安裝在室內，其誤報率與安裝的位置和方式有極大的關系，正確的安裝應該滿足下列條件：1.人體存在傳感器應離地面2.0-2.2m。2.人體存在傳感器遠離空調、冰箱、火爐等空氣溫度變化敏感的地方。3.人體存在傳感器探測范圍內不得隔屏、家具、大型盆

58、景或其它隔離物。4.人體存在傳感器不要直對窗口，否則窗外的熱氣流擾動和人員走動會引起誤報，有條件的最好把窗簾拉上。人體存在傳感器也不要安裝在有強氣流活動的地方。實際使用中，人體存在傳感器前面必須安裝菲尼爾透鏡。菲尼爾透鏡是一種由塑料制成的特殊設計的光學透鏡，它用來配合熱釋電紅外傳感器達到提高接收靈敏度以提高檢測距離及范圍的目的。可增加到10m以上，甚至可達20m以上。人體存在傳感器對人體的敏感程度還和人的運動方向有很大關系。人體存在傳感器對于徑向移動反應最不敏感，而對于橫切方向（即與半徑垂直的方向）移動最為敏感。在現場選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭的誤報、求得最佳檢測靈敏度極為重要的一環。4.3 時鐘模塊在系統啟動自檢初始化時，首先會對時鐘芯片ds1302的運行狀態進行判斷，當檢測到ds1302處于啟動狀態時才對其進行初始化，啟動時鐘。實時時鐘芯片ds1302的初始化及其讀寫程序設計的關鍵是要遵循其時序要求。4.3.1 數據輸入輸出在對ds1302進行各種操作之前，必須先對其初始化，即需要把復位輸入rst端置為高電平，如果rst輸入為低電平，那么所有的數據傳送終止，且i/o引腳變為高阻抗狀態。在數據讀/寫完之后，rst端應置為低電平，以防止外部干擾對ds1302內部時鐘的影響。同時，為了防止復位輸入端受到外部干擾，要求上電時，在主電源引