【正文】 .................................. 5 通訊網(wǎng)絡(luò) ............................................................................................... 5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能 .................................................................................................. 5 教室檢測(cè)控制單元數(shù)據(jù)的采集 ........................................................... 5 教室遠(yuǎn)程端控制功能 ........................................................................... 5 顯示功能 ............................................................................................... 5 系統(tǒng)的整個(gè)工作過程 ...................................................................................... 6 3 教 室檢測(cè)控制單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .................................................................. 7 教室檢測(cè)控制單元的器件選擇 ...................................................................... 7 教室檢測(cè)控制單元數(shù)據(jù)的采集與處理 .......................................................... 8 光照 信號(hào)的采集與處理 ....................................................................... 8 紅外數(shù)據(jù)的采集與處理 ..................................................................... 11 非接觸 IC 卡數(shù)據(jù)采集與處理 ........................................................... 14 按鍵設(shè)計(jì) ............................................................................................. 17 溫度控制部分的設(shè)計(jì) .................................................................................... 18 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖及功能實(shí)現(xiàn) ................................................................. 18 單元電路原理圖 ................................................................................. 19 IV 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) .................................................................................... 22 4 總結(jié)與展望 ........................................................................................................... 29 總結(jié) ................................................................................................................ 29 展望 ................................................................................................................ 29 致 謝 ........................................................................................................................ 30 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................... 31 1 1 緒 言 本章闡述了多功能教室節(jié)能控制系統(tǒng)的研究背景，現(xiàn)狀以及發(fā)展方向，明 確指出了我國對(duì) 于節(jié)能方面所面臨的問題。 我們黨在 2020年 10月 11日召開的第十五屆中央委員會(huì)第五次會(huì)議通過的《中國中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十個(gè)五年計(jì)劃的建議》中明確指出：“加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè) 是今后五年至十年一項(xiàng)十分重要的任務(wù)”。由此可見，節(jié)能照明用電，對(duì)節(jié)能具有重要的意義。智能照明控制系統(tǒng)擁有兩種控制方法： 自動(dòng)開關(guān)日光燈， 自動(dòng)調(diào)光。 減少開支 雖然智能照明系統(tǒng)看似只是具備自動(dòng)開關(guān)的功能，但是我們得知道它在提高燈管壽命、減少人力開支的同時(shí)，還可以有效的節(jié)約能源。本系統(tǒng)采用基于 RS485和 CAN 總線的分布式集散控制系統(tǒng)對(duì)學(xué)校教學(xué)樓用電設(shè)備進(jìn)行控制和管理。 圖 智能教室控制系統(tǒng)整體組成框圖 下面詳細(xì)介紹各級(jí)單元及其之間的通訊網(wǎng)絡(luò)。此控制單元采用了積木式的組合結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)不同的需要選用不同的控制模塊進(jìn)行組合，其框圖如圖 所示。其組成框圖如圖 所示。本系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)的串行口和單片機(jī)的串行通訊的功能，采用 RS485 和CAN 通訊模塊分別實(shí)現(xiàn)教室控制單元中的 MSP430 單片機(jī)與樓層顯示控制單元中的 MSP430單片機(jī)，樓層顯示控制單元中的 MSP430 單片機(jī)與中央控制計(jì)算機(jī)之間的遠(yuǎn)距離通訊。 教室遠(yuǎn)程端控制功能 系統(tǒng)采用了原有的教室內(nèi)部用電設(shè)備控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上的教室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對(duì)教室實(shí)施相應(yīng)的命令，是的教室的用電設(shè)備能夠及時(shí)的開或關(guān)。這一部分主要是采集傳感器信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)并且經(jīng)過單片機(jī) MSP430 收集處理，送到存儲(chǔ)器。 7 3 教室檢測(cè)控制單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 教室檢測(cè)單元是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分之一，它主要的功能表現(xiàn)在對(duì)教室內(nèi)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)等功能上面，它還會(huì)根據(jù)樓層顯示控制單元和中央計(jì)算機(jī)單元的不同要求去控制日光燈和電風(fēng)扇等用電設(shè)備。 （ 4） 教室檢測(cè)控制單元中數(shù)碼顯示管 可以 顯示教室內(nèi)用電設(shè)備的狀況。 件選擇 智能教室控制系統(tǒng)要求智能化、功耗低、可靠性高、使用方便、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，我們選用 MSP430 單片機(jī)， MSP430 系列單片機(jī)是美國德州儀器 1996 年開始推向市場(chǎng)的一種 16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（ RISC）的混合信號(hào)處理器。 （ 2）運(yùn)算速度快 MSP430 系列單片機(jī)能在 25MHz 晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn) 40ns 的指令周期。因而可使其在 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電 流最低 將 會(huì)在 165μA 左右， RAM 保持模式下的最低功耗只有 。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時(shí)鐘。在實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式下，可達(dá) ，在 RAM 保持模式下，最低可達(dá) 。 MSP430 系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。對(duì)于 OTP 型和 ROM 型的器件是使用 仿真器 開發(fā)成功之后 制成的芯片；對(duì)于 FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有 用 電擦寫的 FLASH 存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開發(fā)。通過通訊接口將數(shù)據(jù)向樓層顯示控制單元傳送。最簡(jiǎn)單的光敏傳感器是光敏電阻，當(dāng)光子沖擊接合處就會(huì)產(chǎn)生電流。在使用的過程中應(yīng)該避免在潮濕的環(huán)境中使用，還應(yīng)該注意表面的損傷和污染程度，應(yīng)該它們均會(huì)影響光電流。 太陽能路燈本身就是利用太陽光發(fā)電、儲(chǔ)能的 LED 照明燈具，它不需要電網(wǎng)供電，也就無需架設(shè)成本不菲的輸電線路，因此使用光敏傳感器可以實(shí)現(xiàn)極低成本、自動(dòng)開啟關(guān)閉的節(jié)能管理。每個(gè)區(qū)域的日光燈則由安置在教室內(nèi)的按鍵或遠(yuǎn)端的主控上位機(jī)來控制。這樣就完成了教室照明智能控制，起到節(jié)約電能的作用。 圖 光照測(cè)量電路原理圖 由圖 ： I=VCC/ (R0+R), V=R0*VCC/(R+R0) ○ 1當(dāng) RR0 時(shí)， I=VCC/R。此時(shí)為恒壓偏置。流程圖如圖 所示。 待測(cè)目標(biāo) ： 根據(jù)待 測(cè) 目標(biāo)的紅外輻射特性可進(jìn)行 紅外系統(tǒng) 的設(shè)定。 （ 4）輻射調(diào)制器。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的 物理效應(yīng) 探測(cè)紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出的電學(xué)效應(yīng)。 （ 7） 信號(hào) 處理系統(tǒng)。這是紅外設(shè)備的終端設(shè)備。 本系統(tǒng)采用發(fā)射式紅外傳感器，在教室門安裝兩個(gè)紅外傳感器，分 別位于們的內(nèi)外兩側(cè)來完成對(duì)人體的探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)教室學(xué)生人數(shù)的統(tǒng)計(jì)。 13 圖 紅外發(fā)送接收原理圖 由圖 可知，紅外發(fā)射模塊包括脈沖振蕩器，紅外發(fā)射管等部分。 當(dāng)紅外接收模塊接收到頻率信號(hào)時(shí)，輸出低電壓，否則輸出為高電平。同樣的道理，當(dāng)學(xué)生先經(jīng)過教室內(nèi)側(cè)的紅外發(fā)送和接收裝置，在經(jīng)過教室門外側(cè)的紅外發(fā)送和接收裝置時(shí)，計(jì)數(shù)器減掉 1，表明教室有人離開，從而計(jì)量教室學(xué)生人數(shù)情況，當(dāng)數(shù)碼管 的 顯示統(tǒng)計(jì)的人數(shù)大于 50 人時(shí)，傳送給上位機(jī)的信息為當(dāng)前教室內(nèi)人數(shù)為滿狀態(tài)。 MFRC522 內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近 距離操作 的天線，而且緩沖輸出接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的調(diào)解和解碼電路，用于 ISO14443A 兼容的應(yīng)答器信號(hào)，讀 、 寫卡 的 距離可以達(dá)到 5cm，數(shù)字部分支持CRYPTOl 加密算法用于驗(yàn)證 Mifare 系列產(chǎn)品，該芯片支持與 ISO14443A 卡進(jìn)行106kibt/s 以及更高速度 212kbit/s 和 424kbit 的數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)采用的是 SPI 接口方式，其電路原理如圖 所示。但是 PIC18F458 并不是通過簡(jiǎn)單的指令就可以讀寫 IC 卡片，需要一系列的操作才能完成通訊。在某一時(shí)刻 ， 若多個(gè)卡占用射頻信道與讀卡器通訊。它表示此時(shí)整個(gè) UID 都被識(shí)別，防止沖突流程結(jié)束。玫瑰粉 Sector的 Block3 都存放在本扇區(qū)自己的密碼 KeyA、 KeyB 和 Access Bits。 14443A 協(xié)議中并沒有具體規(guī)定對(duì)卡的讀寫操作方式，故對(duì)每種卡的讀寫操作必須考慮該卡的存儲(chǔ)區(qū)域組織形式和應(yīng)答形式。 StepB：寫數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)字節(jié)（ 16 字節(jié)） CRC（ 2字節(jié)） 若寫入成功，則 MIFARE 卡返 回 4比特應(yīng)答， 數(shù) 值還是 1010；若不是 1010，則表示寫入失敗。 MIFARE 卡數(shù)據(jù)加密時(shí)以扇區(qū)為單位，一次加密認(rèn)證僅僅能操作一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)。 圖 PIC18F458 讀寫 RC522 流程圖 對(duì)用電設(shè)備的控制方式有兩種，一是采用現(xiàn)場(chǎng)按鍵進(jìn)行開關(guān)；二是利用上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)。例如，如果需要開啟教室內(nèi)的第一組和第二組日光燈，我們首先要按下 K1 按鍵，然后按一次 K2 按鍵，此時(shí) 教室內(nèi)的第一組日光燈就打開了，緊接著再按一次 K2 按鍵，教室內(nèi)的第二組日光燈也打開了，從而完成了教室內(nèi)第一組和第二組日光燈的開啟。采集教室溫度可實(shí)現(xiàn)當(dāng)室內(nèi)溫度較高時(shí)及時(shí)開啟風(fēng)扇，當(dāng)室內(nèi)溫度較低時(shí)及時(shí)向教室送暖；而學(xué)生信息的采集則是通過無接觸 IC 卡，學(xué)生只需要在上課前刷卡并經(jīng)由相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理就可以完成點(diǎn)名及有關(guān)的操作，從而簡(jiǎn)化對(duì)學(xué)生考勤的程序，節(jié)約老師點(diǎn)名的時(shí)間。 圖 溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 該系統(tǒng)的工作流程為：開機(jī)后，八路溫度傳感器獲取溫度數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)的循環(huán)送至單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)的處理在顯示器上顯示出來，編程可實(shí)現(xiàn)顯示間隔得電源 獨(dú)立式鍵盤 液晶顯示 日歷時(shí)鐘芯片 MSP430 單片機(jī) 八路溫度傳感器 19 調(diào)整，可以一秒也可以兩秒。 單元電路原理圖 本節(jié)主要討論 各級(jí)電路圖的原理及實(shí)現(xiàn)方法。圖中每一個(gè) I/O 口上都連接了一個(gè)溫度傳感器，程序?qū)崿F(xiàn)中只需執(zhí)行 Skip ROM 命令后即可對(duì)所有在線器件進(jìn)行操作；為典型的單總線制，允許與一個(gè) I/O口相連的線上連接多個(gè)器件，開機(jī)后需逐個(gè)上電獲取