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基于AT89S51单片机的教室灯光智能控制系统设计.doc

发布时间：2022-06-25 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.38M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    摘 要
    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
    1.2系统控制方案分析
    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
    2.2系统控制的主要硬件电路
    2.2.1系统主控电路
    2.2.2系统供电电路
    2.2.3数据采集电路
    2.2.4系统时钟电路
    2.2.5继电器驱动电路
    2.2.6超时报警电路
    2.2.7按键控制电路
    2.2.8系统看门狗电路
    第三章 控制模块软件设计
    3.1系统监控主程序模块
    3.1.1系统自检初始化
    3.1.2定时中断处理设计
    3.2数据采集模块
    3.2.1人体存在传感器的优缺点
    3.2.2数据采集软件的实现
    3.3时钟模块
    3.3.1数据输入输出
    3.3.2时钟程序设计
    3.4显示驱动模块
    第四章 系统调试运行及问题分析
    4.1单片机系统调试方法及步骤
    4.2主要问题分析
    第五章 总结与展望
    5.1总结
    5.2展望
    致 谢
    参考文献
    摘 要 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 1
    引言 引言 当前，随着经济的飞速发展，能源短缺问题日益突出，成为一个国家经济发展的“瓶颈”。 作为工业生产和人民生活不可或缺的电力能源更是如此。尤其现今越来越提倡低碳生活，节 约能源已经成为一种全球共识，而作为培养社会精英的高校更应该起到榜样的作用。但是目 前在校园内，教室灯火通明，却空无一人的现象屡见不鲜，这不仅造成了严重的资源浪费， 也对高校的形象造成了很坏的影响。本文所研究的教室灯光控制系统就可以很好地实现节约 能源的作用。 1 系统硬件组成 整个系统由中央控制电路、2×4 按键电路、光敏传感电路、继电器驱动电路、时钟电路、 液晶显示电路六个模块组成。其中，光敏传感电路模块主要完成对教室当前光线明暗程度的 判定，时钟电路主要实现时基功能，两者分别提供光照和定时数据供以单片机为核心的中央 控制模块进行逻辑判断，单片机最终将运算结果输出到液晶显示屏，同时对教室灯光进行控 制。整个系统的硬件框图如图 1 所示。 1．1 中央控制模块 系统中，中央控制器主要用于接收两个外部数据，由此判断是否定时时间已到，教室光照 是否充足。控制器根据这两个外部数据来进行逻辑运算，从而实现定时开关灯、刷新液晶显 示屏，同时可以通过键盘设置时间日期、查看相关信息 根据系统设计要求，控制器选择了宏晶科技公司提供的 STCl2C4052AD 型单片机。该 款是一种高速、高可靠性单片机，工作电压 5．5～3．4V，Flash 程序存储器 4K 字节，SRAM 为 256 字节，2 个定时器，8 路 8 位 A／D 转换器，可通过串口实现在线编程、A／D 转换、 看门狗等功能。 1．2 液晶显示电路 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。 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。液晶显示电路 如图 2 所示。 2
    1．3 其他电路 按键电路主要由一个 2×4 的按键阵列组成，主要用于完成作息时间、当前时间、定时时 间段的设定。光敏传感电路实现教室内光照强度数据的采集，其门限值可通过可调电阻调节。 指示灯主要实现对系统工作状态，如系统工作于自动控制模式还是强制模式，灭灯或亮灯状 态等的指示。 2 系统工作原理 本系统能够采集室内光照强度数据，并结合学校作息时间对教室灯光进行实时控制，达到 方便和节约能源的目的。电路存在两种工作模式：自动控制模式和强制模式。 2．1 自动控制模式 系统复位默认工作在自动控制模式，当教室内自然光线弱，光敏传感器把感应到的光强信 号送至单片机处理，输出照明命令，则打开教室灯光，但因系统定时关灯时间与学校作息时 间一致，因此在非需要开灯的时间段内，教室灯光自动关闭，达到节约用电的效果。 系统考虑到如果教室外自然光很强，但因某种需求需要拉上窗帘，这样室内光照就不太理 想，需要开灯，因而设置了两路光敏传感器，一路探测室内光强，一路探测室外光强，这体 现了系统设计的灵活性。 2．2 强制模式 系统正常工作的情况下，通过按下强制按钮，就能对灯进行强制开关的控制，通过该按钮 也能使电路切换回自动控制状态。设置强制按钮主要考虑到有时需要对灯进行强制控制，例 如需要在教室通过投影仪观看电影时，为达到最佳的收看效果，需要关上灯。 3 软件设计 系统采用 STC12C4052AD 单片机作为控制的核心，负责整个系统的逻辑运算，因此软件 设计是系统能否稳定运行以及能否实现设计功能的关键。本系统中 STCl2C4052AD 单片机 主要完成接收外部数据、处理数据、输出控制数据。所以软件的重点是：如何接收外部数据， 如何处理以及如何输出控制数据。 因此，在该软件实现中我们采用了模块化的方案，整个软件设计由初始化模块、键盘接 收模块、中断处理模块、数据显示模块和定时输出模块五个模块组成，系统程序主流程框图 如图 3 所示。 3
    引言 初始模块主要完成 I／O 口、定时／计数器、中断以及液晶显示屏的初始化，键盘接收模 块主要用于接收初始变量，如当前时间、作息时间等的设定。同时也接受相关数据的查询， 如查询设定好的作息时间、光照阈值等，数据显示模块用于显示当前的时间、定时开关时间 以及用户要查询的相关数据。 4 调试和总结 在整个系统设计完成之后我们在调查研究的基础上，对什么光线情况下应该开 灯及系统在根据学校的作息时间上进行了设定验证、调试，结果显示本系统可以 稳定运行且效果理想。 本系统主要应用于教室的灯光控制，但是对于一些公共场合，如会议室、办公 室、楼道等场所，只要在本系统的基础上稍加改动，也可以很好地满足其需要， 因此本系统的可移植性好，具有比较大的市场潜力和广泛的应用前景. 4
    目 录 目 录 摘 要................................................................................................................................1 第一章 教室灯光控制器简介与方案分析....................................................................................1 1.1 教室灯光控制器简介......................................................................................................1 1.2 系统控制方案分析.........................................................................................................1 第二章 系统控制模块的硬件设计.............................................................................................2 2.1 系统控制模块的硬件构成及简介.......................................................................................2 2.2 系统控制的主要硬件电路................................................................................................2 2.2.1 系统主控电路.........................................................................................................2 2.2.2 系统供电电路.........................................................................................................3 2.2.3 数据采集电路.........................................................................................................4 2.2.4 系统时钟电路.........................................................................................................6 2.2.5 继电器驱动电路......................................................................................................7 2.2.6 超时报警电路.........................................................................................................7 2.2.7 按键控制电路.........................................................................................................8 2.2.8 系统看门狗电路......................................................................................................8 第三章 控制模块软件设计.................................................................................................... 11 3.1 系统监控主程序模块....................................................................................................11 3.1.1 系统自检初始化....................................................................................................11 3.1.2 定时中断处理设计.................................................................................................12 3.2 数据采集模块.............................................................................................................12 3.2.1 人体存在传感器的优缺点........................................................................................12 3.2.2 数据采集软件的实现..............................................................................................12 3.3 时钟模块...................................................................................................................13 3.3.1 数据输入输出.......................................................................................................13 3.3.2 时钟程序设计.......................................................................................................14 3.4 显示驱动模块.............................................................................................................16 第四章 系统调试运行及问题分析...........................................................................................18 4.1 单片机系统调试方法及步骤...........................................................................................18 4.2 主要问题分析.............................................................................................................19 第五章 总结与展望.............................................................................................................21 5.1 总结.........................................................................................................................21 5.2 展望.........................................................................................................................21 致 谢..............................................................................................................................22 参考文献...........................................................................................................................23 V
    第一章 教室灯光控制器简介与方案分析 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。 1
    第四章 系统调试运行及问题分析 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。 环境光采集电路 时钟模块 热释红外传感器 按键电路 AT89S51 单 片 机 最 小 系 统 看门狗模块 EEPROM 存储器 模块 超时报警模块 数码管显示模块 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 图 2-1 系统控制结构框图 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 在线可编程 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： 2
    第二章 系统控制模块的硬件设计 表 2.1 AT89S51 主要特征 外围器件引脚 ULN2803 PNP-9012 基极 X5045SI X5045SCK X5045CS X504550 AT89S51 引脚 P0. 0-P0. 7 P2. 0-P2. 7 P1. 0 P1. 1 P1. 2 P1. 3 P1. 4 P1. 5 P1.6 P1. 7 P3. 0- P3. 1 P3. 3 P3. 4 P3. 7 单片机最小系统如图 2-2 所示： DS1302CLK DS1302I/O DS1302RST 说明 数码管段码驱动接口 数码管段码驱动接口 X5045 串行输入端 X5045 串行时钟端 X5045 片选端 X5045 串行输出端 工作状态指示灯 DS1302 时钟线 DS1302 数据线 DS1302 复位线 数据采集输入端 人体存在传感器输出信号端 超时报警信号输入端 光敏三极管输入信号端 图 2-2 单片机最小系统 (1) 40（Vcc）20（GND）脚间的电压应有 5V 。 (2) 18、19 脚分别与 20 脚间有 1.7―2.5V 电压 (3) 9（RST）脚与 GND 间电压基本为 0 。 (4) 31 脚 （EA）与 20 引脚（GND）间电压为 5V 。 2.2.2 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。. 3
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