【正文】 4 第 2 章 教室燈光控制器簡(jiǎn)介與方案分析 大學(xué)教室照明控制現(xiàn)狀 分析大學(xué)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(bǔ)償在陰天或有遮擋時(shí)教室里照度不足的區(qū)域；中午及晚上以學(xué)生自習(xí)為主，少數(shù)教室也用來上課，不管是上課或是自習(xí)，為了保護(hù)視力和提高學(xué)習(xí)效率，學(xué)生們均需要有良好的 照明環(huán)境，但這些對(duì)照明環(huán)境的要求也造成一個(gè)直接后果，出現(xiàn)資源的浪費(fèi)問題。 本章小節(jié) 我國對(duì)教室燈光的智能控制尤為缺乏和不完善，依然是傳統(tǒng)式的人工管理。當(dāng)有輸入時(shí)，輸入單元將其轉(zhuǎn)變?yōu)镃Bus信號(hào)在 CBus系統(tǒng)總線上廣播，所有的輸出單元接收并做出判斷，控制相應(yīng)回路輸出。 CBus系統(tǒng)是一個(gè)二線制的總線型式的智能控制系統(tǒng)，主要用于對(duì)照明系統(tǒng)的控制。每個(gè)調(diào)光器可以預(yù)置 96個(gè)場(chǎng)景。 智能照明控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 目前國內(nèi)幾種常見的照明控制系統(tǒng)有以下幾種： l、 Dynalite智能照明控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)主要由調(diào)光模塊、開關(guān)模塊、控制面板、液晶顯示觸摸屏、智能傳感器、編程插口、時(shí)鐘管理器、手持式編程器和 PC監(jiān)控機(jī)等部件組成。 基于單片機(jī)的教室燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 (2)減低電能消耗，有良好的節(jié)電效果，充分利用自然光作為光源，以人工光為補(bǔ)充，并結(jié)合室內(nèi)的人員情況，只有在必需時(shí)才開啟照明燈具，節(jié)能效果十分顯著，一般可以達(dá)到 30％ 左右 [7]。 采 用智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì) 傳統(tǒng)的照明控制系統(tǒng)主要是由照明配電箱通過手動(dòng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)控制照明燈具通斷的目的，或在照明回路中串入接觸器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制 [6]，在燈具的開關(guān)控制上采用手動(dòng)開關(guān)，所以很大程度上依賴于人的主動(dòng)性?，F(xiàn)代建筑對(duì)照明的要求很高，除了應(yīng)該滿足為建筑內(nèi)人們?cè)诠ぷ?、學(xué)習(xí)、生活時(shí)對(duì)視覺環(huán)境的要求以外，還應(yīng)該利用照明設(shè)備的不同類型及光線的變換為人們提供 一個(gè)舒適、有美感的辦公、學(xué)習(xí)和生活環(huán)境，此外，還應(yīng)該提高能源的利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的 [2]。 參考文獻(xiàn) ..................................................... 32 附 錄 ........................................................ 34 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 引 言 課題研究的目的與意義 能源問題和環(huán)境問題一直是人類社會(huì)面對(duì)的重大問題，特別是 到了二十一世紀(jì)，對(duì)降低能耗和保護(hù)環(huán)境的要求更成了國家 長(zhǎng)期發(fā)展的重中之重，我國也提出了“節(jié)能減排”的號(hào)召。該系統(tǒng)以 AT89S51 單片機(jī)作為控制模塊的核心部 件，采用熱釋紅外人體傳感器檢測(cè)人體的存在，采用光敏三極管構(gòu)成的電路檢測(cè)環(huán)境光的強(qiáng)度；根據(jù)教室合理開燈的條件，通過對(duì)人體存在信號(hào)和環(huán)境光信號(hào)的識(shí)別與判斷，完成對(duì)教室燈光的智能控制，避免了教室用電的大量浪費(fèi)。系統(tǒng)還具有報(bào)警功能；同時(shí)還采用了軟 /硬件的“看門狗”等抗干擾措施。而在眾多的能源問題中，電能的短缺是束縛經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的重要能源問題之一。而傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)由于其管理落后、能源浪費(fèi)、舒適性差、布線復(fù)雜以及燈具壽命短 [3]的缺點(diǎn)，己不能滿足人們的這種需求，所以研究新型照明控制系統(tǒng)，對(duì)減少這部分能源消耗、減少環(huán)境污染，同時(shí)更好的滿足人們對(duì)照明質(zhì)量的要求，都有極其重要的意義。而智能照明控制系統(tǒng)根據(jù)某一區(qū)域的功能、每天不同的時(shí)間、室外光亮度或該區(qū)域的用途來自動(dòng)控制照明。 (3)改善室內(nèi)工作環(huán)境，提高室內(nèi)人員的工作效率。采用 DyNet網(wǎng)絡(luò)連接， DyNet是一個(gè)分布式智能化網(wǎng)絡(luò)，使用 RS485通訊協(xié)議 [8]。利用時(shí)鐘控制器也是一種常見的照明控制方式。 也可用于消防等系統(tǒng)中的聯(lián)動(dòng)控制，系統(tǒng)所有的單元器件 (除電源外 )均內(nèi)置微處理器和存儲(chǔ)單元，由一對(duì)信號(hào)線 (雙絞線 )連接成網(wǎng)絡(luò)。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 控制方式包括場(chǎng)景控制、定時(shí)控制、紅外線傳感器控制、就地控制、集中開 關(guān)控制和集中調(diào)光控制、群組組合控制、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)及廣域控制。各類大、中專院校不斷擴(kuò)招，教室也不斷擴(kuò)建，教室的用電負(fù)荷就不斷加大，教室用電管理不善，造成 學(xué)校電能浪費(fèi)，這種的浪費(fèi)與當(dāng)今的節(jié)約能源理念相違背。所以，需要在保證教室照明要求的前提下，研究照明節(jié)能問題。 教室燈光控制器簡(jiǎn)介 教室燈光控制器可實(shí)現(xiàn)有效的教室燈光智能控制。首先，系統(tǒng)默認(rèn)為自動(dòng)控制，當(dāng)按鍵模塊感應(yīng)到有鍵按下時(shí)，系統(tǒng)改為強(qiáng)制控制。硬件部分是前提，是整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運(yùn)行的平臺(tái)。 基于單片機(jī)的教室燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 第 3 章 系統(tǒng)控制模塊的硬件設(shè)計(jì) 考慮到本系統(tǒng)所安裝的環(huán)境影響因素比較多，且教室控制設(shè)備中的人體存在傳感器、光敏三極管等經(jīng)常會(huì)因環(huán)境情形變化而不穩(wěn)定，所以在設(shè)計(jì)過程中，電子元器件的選用、線路布置和設(shè)備的安放要充分考慮到抗干擾問題。 硬件時(shí)鐘模塊采用具有充電能力的低功耗，具有臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的 RAM 寄存器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片 DS1302。 AT89S51則支持 ISP 在線可編程寫入技術(shù)、串行寫入、速度更快、穩(wěn)定性更好，燒寫電壓也僅僅需要 4～ 5V 即可。 ： AT89S51為全新的加密算法，這使得對(duì)于 AT89S51的解密變?yōu)椴豢赡埽绦虻谋Ｃ苄源蟠蠹訌?qiáng)，這樣就可以有效的保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)不被侵犯。其優(yōu)勢(shì)在于片內(nèi)的 Flash 可多次編程，為在線編程提供了方便；片內(nèi)有 128字節(jié)的 RAM， 4KB 的 EEPROM，由于合理的安排使用片內(nèi) RAM 空間，所以沒有片外擴(kuò)展的 RAM，使電路結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)潔。 (4) 31（ EA） 腳與 20（ GND） 腳間電壓為 5V 。系統(tǒng)供電原理如圖 32 所示。由于此 次系統(tǒng)設(shè)計(jì)同時(shí)需要看門狗和 EEPROM，所以本設(shè)計(jì)中使用芯片 X5045。如表 32 狀態(tài)寄存器所示， X5045 狀態(tài)寄存器共有 6 位。 X5045 硬件部分連接如圖 34。如果在 內(nèi)未檢測(cè)到其工作，出現(xiàn)故障，內(nèi)部定時(shí)器將 使看門狗 WD1 處于低電平狀態(tài)，為系統(tǒng)提供保護(hù)，避免死機(jī)、程序跑飛或進(jìn)入死循環(huán)等意外的發(fā)生。本系統(tǒng)采用邏輯電平輸出的 HP208 型號(hào)的人體傳感器。有光照時(shí)，穿透電流增大，成為光四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 電流。當(dāng)教室內(nèi)自然光光照強(qiáng)度高于一定程度時(shí) (即設(shè)定參數(shù)），則光敏三極管 D6 呈現(xiàn)低阻狀態(tài)即小于 1 KΩ，三極管 Q8 的基極電壓將增大，使三極管 Q8 飽和導(dǎo)通，就會(huì)使三極管 Q8 集電極輸出低電平，不參與工作。根據(jù)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(dòng)紅外傳感器。其原因?yàn)椋??被測(cè)對(duì)象自身發(fā)射紅外線，可 不必另設(shè)光源； ?大氣對(duì) 、 351Lm、 8141Lm 三個(gè)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(cè)； ?中、遠(yuǎn)紅外線不受可見光影響，可不分晝夜進(jìn)行檢測(cè)。 1）這種探頭是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)的，所以熱釋電元件對(duì)波長(zhǎng)為 10μM左右的紅外輻射非常敏感。 5)菲尼爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距（感應(yīng)距離），從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，視場(chǎng)越多，控制越嚴(yán)密。即感應(yīng)輸出高電平后，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍活動(dòng)，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時(shí) 15s 后將高電平變?yōu)榈碗娖剑? （ 3） 人體傳感器工作電壓寬為 DC3VDC24V； （ 4） 人體傳感器制作成錐面形狀，感應(yīng)范圍大于小于 140176。 圖 36 人體傳感器電路圖 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 根據(jù)教室燈光使用特性，該系統(tǒng)還應(yīng)受到時(shí)間的控制，因此本研究還加入硬件時(shí)鐘電路以保證系統(tǒng)的智能化運(yùn)行。此芯片采用的是串行通信方式，可為掉電保護(hù)電源提供充電功能，也可以將此功能關(guān)閉。 圖 37 DS1302 的引腳圖 DS1302 與單片機(jī)接口電路連接 原理圖如圖 38，其中 Vcc2 外接 可充電的鋰電池，為 DS1302 的備用電源。 X1 和 X2 是振蕩源，外接 晶振。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 圖 38 DS1302 與單片機(jī)接口電路連接圖 繼電器驅(qū)動(dòng)電路 繼電器驅(qū)動(dòng)接口電路如圖 39 所示，這里繼電器由相應(yīng)的 PNP 型號(hào)的 9012 三極管來驅(qū)動(dòng)。繼電器線圈兩端反相并聯(lián)的二極管是起到吸收反向電動(dòng)勢(shì)的功能，保護(hù)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)三極管，這種繼電器驅(qū)動(dòng)方式硬件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。 本系統(tǒng)采用超時(shí)報(bào)警的電路如圖 310 所示，單片機(jī)的 端口外加一個(gè) 10K的上拉電阻，在經(jīng)過限流電阻 100Ω 與三極管 C945 的基極相連。 圖 310 蜂鳴報(bào)警電路 按鍵控制電路 按鍵控制電路如圖 311 所示。單片機(jī)檢測(cè) 4 個(gè)端口電平的變化，從而確定是哪個(gè)鍵被按下。 基于單片機(jī)的教室燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18 第 4 章 控制模塊軟件設(shè)計(jì) 在單片機(jī)硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再配上相應(yīng)的軟件，才能構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。監(jiān)控主程序的基本任務(wù)是調(diào)用子程序，一個(gè)主程序可以調(diào)用多個(gè)子程序，對(duì)于 51 系列單片機(jī)，系統(tǒng)資源有限，主程序通常是一個(gè)無限循環(huán)的過程，即是一個(gè)反復(fù)調(diào)用子程序的過程。 監(jiān)控主程序是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，其它外圍模塊 一般都需經(jīng)過監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)其在控制系統(tǒng)中的作用。 系統(tǒng)自檢初始化 系統(tǒng)自檢初始化是保證整個(gè)控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的重 要條件，系統(tǒng)加電復(fù)位后，直接進(jìn)入自檢初始化程序，完成系統(tǒng)的自檢及初始化。 系統(tǒng)內(nèi)部寄存器初始化主要是指在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，各用戶定義的數(shù)據(jù)變量的初始化賦值及部分特殊功能寄存器 SFR 的復(fù)位初始化，單片機(jī)復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器 PC 指向程序存儲(chǔ)器的入口地址 0000 單元，程序狀態(tài)字寄存器 PSW 清零，片內(nèi)存儲(chǔ)器選擇 Ⅰ 區(qū)工作寄存器，用戶標(biāo)志位 F0 為 0 狀態(tài)，堆棧指針 SP 指向 07H,其它定時(shí)器、中斷允許寄存器 IE,累加器 ACC 等皆為 00H。本系統(tǒng)中設(shè)定的定時(shí)中斷主要用來構(gòu)造多任務(wù)操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)響應(yīng)中斷后，無需對(duì)斷點(diǎn)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，可直接進(jìn)行多任務(wù)時(shí)間的劃分工作，使相應(yīng)的操作任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，即該中斷可以啟動(dòng)有關(guān)的任務(wù)操作。而缺點(diǎn)是容易受各種熱源、光源干擾。 數(shù)據(jù)采集軟件的實(shí)現(xiàn) 本系統(tǒng)的控制對(duì)象為大學(xué)教室，教室中一般只有一邊有窗戶，室內(nèi)不同區(qū)域由于距離窗戶的遠(yuǎn)近不同會(huì)影響其接收的光照多少。 教室中，電能的浪費(fèi)很大一部分原因是由于室內(nèi)長(zhǎng)明燈的出現(xiàn)，即在室內(nèi)自然光照充足的情況下，照明燈具仍然開啟的情況。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。 Function: BodySensor and light to light port356 DoSensLight: Mov c,port33 。on relay 2 Jnc SensOut 。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。 ：探測(cè)器的抗電磁波干擾性能符合 GB10408 要求，一般手機(jī)電磁干擾不會(huì)引起誤報(bào)。 、家具、大型盆景或其它隔離物。菲尼爾透鏡是一種由塑料制成的特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)透鏡，它用來配合熱釋電紅外傳感器達(dá)到提高接收靈敏度以提高檢測(cè)距離及范圍的目的。在現(xiàn)場(chǎng)選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭的誤報(bào)、求得最佳檢測(cè)靈敏度極為重要的一環(huán)。在數(shù)據(jù)讀 /寫完之后， RST 端應(yīng)置為低電平，以防止外部干擾對(duì)DS1302 內(nèi)部時(shí)鐘的影響。數(shù)據(jù)在 SCLK 的上升沿串行輸入，在開始的 8 個(gè)時(shí)鐘周期把命令字裝入移位寄存器之后，若跟隨的是寫命令字節(jié)，則在下 8 個(gè) SCLK周期的上升沿輸入數(shù)據(jù)字節(jié)，若跟隨的是讀命令字節(jié)，則在下 8 個(gè) SCLK 周期的下降沿輸入數(shù)據(jù)字節(jié)。初始化后就可以按正常方法調(diào)整時(shí)間。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。DS1302 delay 1 second Mov R6, DS1302Sec+l。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。初始 化 DS1302 的充電狀態(tài)及其初始時(shí)間的設(shè)置。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。最后，在亮燈時(shí)， 若檢測(cè)教室已經(jīng)無人，則蜂鳴報(bào)警 10 秒后熄燈具。在程序設(shè)計(jì)過程中，采用合理的程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。單片機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試應(yīng)包括硬件及軟件兩部分，主要是通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)硬件及軟件中存在的問題，查看其運(yùn)行結(jié)果是否符合設(shè)計(jì)要求。在將芯片、傳感器等元件連接到電路板上時(shí)，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。整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行在線調(diào)試時(shí)，需借助仿真開發(fā)工具來對(duì)用戶軟件及硬件電路進(jìn)行診斷、調(diào)試。 各模塊電路調(diào)試流程圖如圖 5圖 5圖 5圖 54 所示： 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 通電運(yùn)行，用萬用表測(cè)量輸出電壓 檢查電路尋找原因 電源部分成功 供電部分是否穩(wěn)定 下載一個(gè)正確的小程序到最小系統(tǒng)中 最小系