1、摘 要 i 摘 要 本課題針對教室燈光的控制，分析了教室燈光智能控制的原理和實現方法， 提出了基于單片機設計教室燈光智能控制系統的思路，并在此基礎上開發了智 能控制系統的硬件模塊和相應軟件部分。 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。 本系統程序部分采用 c 語言編寫，采用模塊化結構設計、條理清晰、通用 性

2、好，便于改進和擴充。該系統具有體積小，控制方便，可靠性高，針對性強， 性價比高等優點，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 節能目的。 關鍵詞關鍵詞：智能控制器 熱釋紅外傳感器 單片機 目 錄 ii 目 錄 摘摘 要要.i 第一章第一章 教室燈光控制器簡介與方案分析教室燈光控制器簡介與方案分析.1 1.1 教室燈光控制器簡介.1 1.2 系統控制方案分析.1 第二章第二章 系統控制模塊的硬件設計系統控制模塊的硬件設計.3 2.1 系統控制模塊的硬件構成及簡介.3 2.2 系統控制的主要硬件電路.3 2.2.1 系統主控電路.3 2.2.2 系統供電電路.4 2.2.3 數據采集

3、電路.5 2.2.4 系統時鐘電路.7 2.2.5 繼電器驅動電路.8 2.2.6 超時報警電路.8 2.2.7 按鍵控制電路.9 2.2.8 系統看門狗電路.9 第三章第三章 控制模塊軟件設計控制模塊軟件設計.13 3.1 系統監控主程序模塊.13 3.1.1 系統自檢初始化.13 3.1.2 定時中斷處理設計.14 3.2 數據采集模塊.14 3.2.1 人體存在傳感器的優缺點.14 3.2.2 數據采集軟件的實現.14 3.3 時鐘模塊.15 3.3.1 數據輸入輸出.15 3.3.2 時鐘程序設計.16 3.4 顯示驅動模塊.18 第四章第四章 系統調試運行及問題分析系統調試運行及問題

4、分析.21 4.1 單片機系統調試方法及步驟.21 4.2 主要問題分析.22 第五章第五章 總結與展望總結與展望.25 5.1 總結.25 5.2 展望.25 致致 謝謝.27 參考文獻參考文獻.29 第一章 教室燈光控制器簡介與方案分析 1 第一章第一章 教室燈光控制器簡介與方案分析教室燈光控制器簡介與方案分析 1.1 教室燈光控制器教室燈光控制器簡簡介介 本課題設計的控制器可有效的實現教室燈光的智能控制。其輸入參數主要 是人體存在信號和環境光強度信號等外界因素。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，實驗證明這種方案可以 實現對教室燈進行智能控制。 教

5、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。 1.2 系系統統控制方案分析控制方案分析 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。在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 12 點，若還有人存在，則關閉自動控制器的運行，改用開關來

6、手動控 制，以解決因特殊情況下，自動控制器的不人性化運行。 所研究的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。 淮安信息職業技術學院畢業設計論文 2 第二章 系統控制模塊的硬件設計 3 第二章第二章 系統控制模塊的硬件設計系統控制模塊的硬件設計 2.1 系系統統控制模控制模塊塊的硬件構成及的硬件構成及簡簡介介 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

7、模塊、熱釋紅外傳感器模塊、看門狗模塊、按鍵電 路、eeprom 存儲模塊、超時報警模塊、數碼管顯示模塊，其結構框圖如圖 2-1 所示。 at89s51 單 片 機 最 小 系 統 熱釋紅外傳感器 環境光采集電路 超時報警模塊 按鍵電路 數碼管顯示模塊 看門狗模塊 時鐘模塊 eeprom 存儲器 模塊 圖 2-1 系統控制結構框圖 環境光模塊采用光敏三極管來檢測環境光的強度，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

8、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。 2.2 系系統統控制的主要硬件控制的主要硬件電電路路 考慮到本系統安裝時受環境影響因素比較多，且教室控制設備中的人體存 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。 2.2.1 系系統統主控主控電電路路 本系統的主控模塊采用 at8

9、9s51 作為主控芯片，它是一種低功耗，8 位 cmos 工藝處理器，具有 8k 在線可編程 flash 存儲器，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，使電路結構簡 淮安信息職業技術學院畢業設計論文 4 潔。該芯片的主要特征見如表 2.1： 表 2.1 at89s51 主要特征 單片機最小系統如圖 2-2 所示： 圖 2-2 單片機最小系統 (1) 40（vcc）20（gnd）腳間的電壓應有 5v 。 (2) 18、19 腳分別與 20 腳間有 1.7

10、2.5v 電壓 (3) 9（rst）腳與 gnd 間電壓基本為 0 。 (4) 31 腳 （ea）與 20 引腳（gnd）間電壓為 5v 。 2.2.2 系系統統供供電電電電路路 系統供電原理如圖 2-3 所示，采用+5v 電壓供電。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。. at89s51 引腳

11、外圍器件引腳說明 p0. 0-p0. 7uln2803數碼管段碼驅動接口 p2. 0-p2. 7pnp-9012 基極數碼管段碼驅動接口 p1. 0x5045six5045 串行輸入端 p1. 1x5045sckx5045 串行時鐘端 p1. 2x5045csx5045 片選端 p1. 3 x504550 x5045 串行輸出端 p1. 4工作狀態指示燈 p1. 5 ds1302clk ds1302 時鐘線 p1.6 ds1302i/o ds1302 數據線 p1. 7 ds1302rst ds1302 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.

12、 4超時報警信號輸入端 p3. 7光敏三極管輸入信號端 第二章 系統控制模塊的硬件設計 5 圖 2-3 系統供電電路 2.2.3 數據采集數據采集電電路路 教室的環境光強度和人體存在與否是系統主要的輸入參數，因此教室中的 環境光照強度和人體存在成為系統數據采集的主要對象。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。 一、環境光強度采集電路 光電傳感器是一種能夠將光轉化為電量的傳感器。采用的光敏三極管除了 具有光敏二極管將光信號轉化為電信號的功能外，還具有對電信號的放大功能。 在無光照時，三極

13、管的穿透電流很小，為暗電流，有光照時，產生的 ib 增大， 成為光電流 ie，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。光敏三極管具有靈敏度高，體積小，工作電 壓低，工作電流小，發光均勻穩定，響應速度快，壽命長等特點。 環境光采集電路原理如圖為 2-4 所示。當環境光照強度大于一定程度時，光 敏三極管 d6 呈現低阻狀態1k，三極管 q12 的基極電壓升高，q12 管飽和導 通，集電極輸出低電平。當環境光強度小于一定程度時，光敏三極管 d6 呈現高 阻狀態100，使三極管 q12 截止，集電極輸出高電平。其中調節 r26 阻值， 可使三極管 q12

14、受環境光強度影響在適當的亮度下導通。 圖 2-4 環境光電路 r25 10k q12 npn d6 phot o r26 470k +5v p27 淮安信息職業技術學院畢業設計論文 6 二、人體存在信號采集電路 人體存在傳感器采用 hp-208-n-l 人體感應模塊(低電平輸出)。基于紅外線 技術的自動控制產品，靈敏度高，可靠性強，廣泛應用于各類自動感應電器中。 人體傳感器的 1 號引腳為電源信號端 vcc，2 號引腳為采集信號輸出端 out，3 號引腳為地信號端 gnd。其硬件連接如圖 2-5。 1 2 3 hp-208 c 680pf vcc p3.3 圖 2-5 人體存在信號采集電路 h

15、p-208-n-l 功能特點： 全自動感應：人進入其感應范圍則輸出低電平，人離開感應范圍則自動延 時關閉低電平，輸出待機時的高電平。 兩種觸發方式：a.不可重復觸發方式：即感應輸出低電平后，延時時間段一 結束，輸出將自動從低電平變為高電平；b.可重復觸發方式：即感應輸出低電平 后，在延時時間段內，如果有人體在其感應范圍內活動，其輸出將一直保持低 電平，直到人離開后至延時結束，低電平跳變為高電平（感應模塊檢測到人體 的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延 時時間的起始點). 具有感應封鎖時間：感應模塊在每一次感應輸出后，待延時時間一結束， 可以緊跟著設置一個封鎖時間

16、段，在此時間段內感應器不接受任何感應信號。 此功能可以實現“感應輸出時間”和“封鎖時間”兩者的間隔工作，可應用于 間隔探測產品；同時此功能可有效抑制負載切換過程中產生的各種干擾。(此時 間可設置在零點幾秒幾十秒鐘)。 微功耗：靜態電流50 微安，特別適合干電池供電的電器產品； 輸出高電平信號：可方便與各類電路實現對接； 技術參數：工作電壓：dc4.5v 至 dc24v 均可； 輸出低電平：0v，待機時的高電平為 3.3v； 延時時間：可制作范圍零點幾秒十幾分鐘； 封鎖時間：可制作范圍零點幾秒幾十秒； 觸發方式：l 不可重復；h 可重復； 感應范圍：vcc1+0.2v 時，由 vcc2 向 ds

17、1302 供電，當 vcc20； i- ) /循環 8 次移位 sclk = 0； temp = addr； dio = (bit)(temp&0 x01)； /每次傳輸低字節 addr = 1； /右移一位 sclk = 1； /發送數據 for ( i=8； i0； i- ) sclk = 0； temp = dat； dio = (bit)(temp&0 x01)； dat = 1； sclk = 1； ce = 0； /數據讀取子程序 unsigned char read1302 ( unsigned char addr ) unsigned char i，temp，dat1，dat2

18、； ce=0； sclk=0； ce = 1； 淮安信息職業技術學院畢業設計論文 18 /發送地址 for ( i=8； i0； i- ) /循環 8 次移位 sclk = 0； temp = addr； dio = (bit)(temp&0 x01)； /每次傳輸低字節 addr = 1； /右移一位 sclk = 1； /讀取數據 for ( i=8； i0； i- ) acc_7=dio； sclk = 1； acc=1； sclk = 0； ce=0； dat1=acc； dat2=dat1/16； /數據進制轉換 dat1=dat1%16； /十六進制轉十進制 dat1=dat1+d

19、at2*10； return (dat1)； /初始化 ds1302 void initial(void) write1302 (write_protect，0x00)； /禁止寫保護 write1302 (write_second，0 x56)； /秒位初始化 write1302 (write_minute，0 x34)； /分鐘初始化 write1302 (write_hour，0 x12)； /小時初始化 write1302 (write_protect，0 x80)； /允許寫保護 3.4 顯顯示示驅動驅動模模塊塊 系統運行過程中的數據顯示是人機交互對話的一個重要通道。通過的顯示 系統

20、數據，我們才可以更好的了解系統運行的狀態，從而方便對整個系統進行 第三章 控制模塊軟件設計 19 必要的操作。本系統中采用共陽極的數碼管，其中采用 uln2803 作為驅動數碼 管的段選的芯片，采用簡單又便宜的 9012 三極管來驅動數碼管的位選，節約成 本，程序編寫簡單。 考慮到數碼管驅動信號要求的電流較大，采用功率驅動器件 uln2803 芯片。 此芯片是八組 npn 型達林頓功放三極管集成芯片，典型的輸入電壓是 5v，集 電極輸出功率可達 50v0.6a。因此采用 uln2803 共陽極數碼管的段信號驅動 器。而共陽極數碼管的位信號驅動則采用 8 個晶體管 9012 來實現。又由于 ul

21、n2803 為低電平驅動，所以數據送到單片機端口前，應在程序中先將數據取 反。然后將數據送到 uln2803 輸入端相連接單片機的 p0 端口即可。 每次先送一位要顯示的數據字節，然后再送該位數碼管的地址字節，直到 8 位顯示完全。 本系統在運行過程中需要顯示查看的數據有時鐘及顯示數值。正常工作中 8 位顯示器顯示實時時鐘，顯示小時、分鐘、秒，其中有兩位用來顯示“” ， 用以分隔顯示小時、分鐘和秒，這樣顯示更加清晰。 淮安信息職業技術學院畢業設計論文 20 第四章 系統調試運行及問題分析 21 第四章第四章 系統調試運行及問題分析系統調試運行及問題分析 4.1 單單片機系片機系統調試統調試方法

22、及步方法及步驟驟 單片機系統的調試應包括硬件及軟件兩部分，主要是通過調試發現硬件及 軟件中存在的問題，查看其運行結果是否符合設計要求。 在對系統進行實際調試時，首先應對硬件進行靜態調試，同時對系統軟件 進行初步調試，此后再對軟件和硬件進行動態調試，最后才能使系統進入正常 工作. (1)靜態調試：靜態調試主要是排除明顯的硬件故障。在將芯片、傳感器等 元件連接到電路板上時，要保證各處電源極性、電壓正確，以防止因電源極性 接反或電壓過高損壞芯片或傳感器。此外，插入芯片必須在斷電的情況下進行， 特別注意芯片的方向不要插反。 (2)軟件調試：在軟件調試時采用在計算機上利用模擬軟件實現對單片機的 硬件模擬

23、、指令模擬及運行狀態模擬，從而完成應用軟件開發的全過程。調試 過程中的運行狀態、各寄存器狀態、端口狀態等都可以在指定的窗口區域顯示 出來，通過這些顯示結果隨時跟蹤程序運行狀態，以確定程序運行無錯誤。 (3)動態調試：控制系統的軟件和硬件是密切相關的，由于軟件模擬開發系 統不能對硬件部分進行診斷，同時也不能實時在線仿真，所以用戶程序還需跟 硬件連接起來進行聯調，同時對軟件和硬件進行檢查和診斷。整個單片機系統 進行在線調試時，需借助仿真開發工具來對用戶軟件及硬件電路進行診斷、調 試。 在應用系統各模塊電路調試成功后，將程序加載到在線仿真器上，這時就 能單步或連續地執行目標程序，同時也可以根據需要分

24、段設置斷點執行程序。 而對于一些與硬件相關的用戶程序，如接口驅動程序等，則需要配合硬件，進 行在線調試，如果有邏輯錯誤，也要及時糾正修改。 程序調試完畢后，利用編程器將程序固化到單片機中，使整個系統運行起 來。 各模塊電路調試流程圖如下示： 淮安信息職業技術學院畢業設計論文 22 圖 4-1 電源調試 圖 4-2 單片機最小系統調試 圖 4-3按鍵電路調試 圖 4-4顯示電路調試 第四章 系統調試運行及問題分析 23 圖 4-5 采集電路調試 4.2 主要主要問題問題分析分析 在本系統的調試過程中遇到的主要問題的分析與解決方案。 1電源供電電路中集成穩壓器溫度過高。 分析解決：穩壓器溫度過高的

25、原因之一是：變壓器整流濾波后加到集成穩 壓器上的電壓較高，使 7805 上的壓降過大。此問題可通過選用輸出電壓低些的 變壓器，并在集成穩壓器前串入兩只二極管降壓，同時增大散熱片來解決。 2人體存在傳感器有人存在時輸出高電平的電壓偏低 分析解決：人體存在傳感器輸出高電平的電壓偏低，單片機會產生誤判， 或采集不到正確的信號，于是在人體存在傳感器的輸出端加一個 100k 的上拉 電阻。 3人存在的教室中，若人體超過十秒沒有活動，人體傳感器是不會有信號 輸出的，那么如何判定教室此時有人的問題。 分析解決 ：此問題在系統軟件設計時，可將采集有人體信號存在的狀態適 當延長保持二至五分鐘，并加以后續處理。

26、4單片機控制信號輸出后，繼電器沒按預定設計產生動作。 分析解決：單片機輸出控制信號，在控制繼電器時，必須加三極管來驅動， 否則信號電流過小將不能使繼電器產生吸合動作，而且必須采用三極管的集電 極來驅動繼電器，最后再帶動負載。繼電器驅動電路中還需注意的是要與繼電 器線圈并聯一個續流二極管，增加對驅動三極管的保護。 5每次開機插上電源后，硬件時鐘顯示的時間都從所設初始值開始計時。 分析解決：硬件時鐘顯示的時間不正常。 解決辦法：一方面是充電電池沒有充電功能；另一方面是應對硬件時鐘進 淮安信息職業技術學院畢業設計論文 24 行自檢。 第四章 系統調試運行及問題分析 25 淮安信息職業技術學院畢業設計

27、論文 26 第五章第五章 總結與展望總結與展望 5.1 總結總結 該教室燈光系統的控制是以 at89s51 單片機芯片為核心，通過相關電路的 驅動，完成對系統設備(電燈)的控制，采用一個二極管閃爍顯示整個系統的工作 狀態，實現了對教室燈光的自動開燈、關燈控制。系統控制單元的硬件電路中 多采用集成電路(uln2803，ds1302，x5045 等)，簡化了電路設計，同時節省 了單片機 i/o 口資源，為系統進一步擴展留下了空間。系統的硬件及軟件設計， 經實驗初步證實了系統具有很好的穩定性，提高了電能的利用率。 在保證穩定、可靠工作的前提下，硬件設計上盡量采用性價比高的元器件， 以降低成本。軟件設

28、計上采用多任務形式對信號的采集、處理，達到最終控制 燈光的目的。 本控制系統與已有的教室燈光配套使用時，不需要對原有設備電路進行大 的改動，以降低實現教室燈光智能控制的成本。 5.2 展望展望 由于教室大小面積各不相同、教室燈光數量不一，教室內部安裝智能控制 裝備的數量也會有所不同，特別是人體傳感器使用的數量受面積的影響更大， 一套教室燈光控制系統的應用也只是在有限的范圍內。若教室面積很大，超過 人體傳感器輻射范圍，這樣采集的信號可能會不夠準確，進而影響控制設備的 運行。為防止這種現象發生，使系統更加可靠，最好采用多個人體傳感器。 人體傳感器一般采集的是有活動的人體，若人體靜止時，如坐著看書沒有 活動，這時人體傳感器是不會有信號輸出的，故而最好