【文章內(nèi)容簡介】 果在 內(nèi)未檢測到其工作，出現(xiàn)故障，內(nèi)部定時器將 使看門狗 WD1 處于低電平狀態(tài)，為系統(tǒng)提供保護，避免死機、程序跑飛或進入死循環(huán)等意外的發(fā)生。 數(shù)據(jù)采集電路 針對本課題數(shù)據(jù)的采集，首先分析此次研究設(shè)計的背景是在校園教學(xué)樓的教室里，主要采集的參數(shù)有 教室的環(huán)境光強度和人體存在與否。常見的環(huán)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(tǒng)采用邏輯電平輸出的 HP208 型號的人體傳感器。 一、環(huán)境光采集電路 光電傳感器是一種能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)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(zhuǎn)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，成為光四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 11 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(fā)光均勻穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、壽命長等優(yōu)點。 環(huán)境光采集電路原理圖如圖 35 所示。當教室內(nèi)自然光光照強度高于一定程度時 (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(nèi)自然光光照強度小于一定程度時 (即設(shè)定參數(shù) )，則光敏三極管 D6 呈現(xiàn)高阻狀態(tài)大于 100 KΩ，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(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境光光照強弱靈敏度參數(shù)的器件，其阻值的大小，將會是三極管 Q8 在不同的室內(nèi)環(huán)境光照強度參數(shù)下導(dǎo)通，而 R C9 組成的電路是防止外界干擾而設(shè)計的，具有防干擾的作用。 圖 35 環(huán)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(fā)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(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(tǒng)采用的是熱釋電紅外傳感器，基于單片機的教室燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計 12 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(zāi)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(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的傳感器。其原因為： ?被測對象自身發(fā)射紅外線，可 不必另設(shè)光源； ?大氣對 、 351Lm、 8141Lm 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(fā)出特定波長 10μM 左右的紅外線，被動式紅外探頭就靠探測人體發(fā)射的 10μM左右的紅外線而進行工作的。人體發(fā)射的 10μM左右的紅外線通過菲尼爾濾波片增強后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)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(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生有人體存在的信號 [12]。 1）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 10μM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(huán)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(lián)的熱釋電元，而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測器無信號輸出。 4）一旦有人進入探測區(qū)域內(nèi) ，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(jīng)信號處理而輸出有人體存在的信號。 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，視場越多，控制越嚴密。 有人進入時，移動人體發(fā)出的紅外線被紅外傳感器接收，則人體存在被感應(yīng)，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(xiàn)的信號就不會理想，有時還會產(chǎn)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 HP208 基于 紅外線的智能產(chǎn)品，它的主要特性如下： （ 1）感應(yīng)為全自動方式，人進入感應(yīng)范圍時輸出高電平（高 ），人離開四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 13 感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平（低 ），其高低電平利于采集； （ 2）采用可重復(fù)觸發(fā)方式。即感應(yīng)輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時 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。錐角，感應(yīng)距離為7m 以內(nèi)； （ 5） 其靜態(tài)電流小于 50μA，功耗低； （ 6） 工作溫度介于 15℃ 和 +70℃ 之間，適應(yīng)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(shè)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 引腳相連 ， 引腳再接一個 100KΩ 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 36。 圖 36 人體傳感器電路圖 系統(tǒng)時鐘電路 根據(jù)教室燈光使用特性，該系統(tǒng)還應(yīng)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(tǒng)的智能化運行。 傳統(tǒng)的時鐘芯片，如 MC14681 MC68H68T、 LM8365 等，這些芯片的引腳基于單片機的教室燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計 14 太多，體積大，占用的口線多。而現(xiàn)在流行的串行時鐘芯片很多，如 DS130DS130 DS130 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?？紤]到本系統(tǒng)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(tǒng)采用美國 DALLAS 公司推出的具有 充電能力的低功耗 1 8 的用于臨時性存放數(shù)據(jù)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(guān)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 ～ [13]。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(tǒng)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37 所示。 圖 37 DS1302 的引腳圖 DS1302 與單片機接口電路連接 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。 Vcc1 外接系統(tǒng)供電模塊的輸出穩(wěn)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+，由 Vcc1 給 DS1302 供電，系統(tǒng)正常運行；在主電源關(guān)閉的情況下，Vcc1 小于 Vcc2，由 Vcc2 給 DS1302 供電，保持時鐘的連續(xù)運行。 X1 和 X2 是振蕩源，外接 晶振。 RST 是復(fù)位 /片選線，通過把 RST 輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送，與單片機的復(fù)位信 號相連。時鐘輸入端 SCLK 接單片機 引腳，進行時鐘控制。數(shù)據(jù)輸入 /輸出端 I/O 接單片機 引腳，進行數(shù)據(jù)傳輸。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 15 圖 38 DS1302 與單片機接口電路連接圖 繼電器驅(qū)動電路 繼電器驅(qū)動接口電路如圖 39 所示，這里繼電器由相應(yīng)的 PNP 型號的 9012 三極管來驅(qū)動。開機時，單片機初始化后的 ，三極管截止，所以開機后繼電器始終處于釋放狀態(tài)。如果 ，三極管的基極就會被拉低而產(chǎn)生足夠的基極電流，使三極管導(dǎo)通，繼電器就會得電吸合，從而驅(qū)動負載 ，點亮相應(yīng)電燈。繼電器的輸出端并聯(lián) 100Ω 的電阻和 6800pF 電容，目的是避免繼電器吸合與釋放期間產(chǎn)生火花。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勢的功能，保護相應(yīng)的驅(qū)動三極管，這種繼電器驅(qū)動方式硬件結(jié)構(gòu)比較簡單。 圖 39 繼電器驅(qū)動電路 基于單片機的教室燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計 16 蜂鳴報警電路 在教室中，若采用手動方式控制時，一方面由于學(xué)生及管理人員的疏忽，教室里沒有人而燈還亮著，導(dǎo)致教室燈工作超時，能源浪費。于是本系統(tǒng)采用蜂鳴報警電路，以聲音的方式來教室無人并關(guān)閉電源；另一方面由于學(xué)生學(xué)習(xí)緊張，在夜里忘了時間點，學(xué)習(xí)期 間開燈時間過長，致使教室燈工作超時，于是本系統(tǒng)蜂鳴報警電路就會發(fā)出聲音，在晚上 10 點時提醒學(xué)生應(yīng)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(shè)施。 本系統(tǒng)采用超時報警的電路如圖 310 所示，單片機的 端口外加一個 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。當 端口為低電平，即基極為低電平時，三極管導(dǎo)通，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音，以示教室燈工作超時。若 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(tǒng)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 310 蜂鳴報警電路 按鍵控制電路 按鍵控制電路如圖 311 所示。按鍵的輸入信號分別接到 ， ， ，用二極管和與門電路將按鍵信號引到外中斷 0 的引腳 。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， — 端口的電壓接近電源電壓，為高電平，當某一按鍵按下時，對四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 17 應(yīng)端口被按紐開關(guān)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 引腳的電平都會由高變低。 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(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中讀入 P2 口低 4 位信號，確定哪個鍵按下，執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能， 電容和 10K 電阻組成濾波電路，消除按鍵的抖動。 圖 311 按鍵控制電路 本章小節(jié) 針對本研究設(shè)計的任務(wù)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(xué)期間學(xué)習(xí) 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(huán)境光采集、人體存在傳感器等等）進行了具體的研究分析，闡述了它們的工作原理，完成了教室燈光控制系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計。 基于單片機的教室燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計 18 第 4 章 控制模塊軟件設(shè)計 在單片機硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再配上相應(yīng)的軟件，才能構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。用戶軟件的開發(fā)與系統(tǒng)硬件有著密切的關(guān)系。在系統(tǒng)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(shè)計、開發(fā)。 系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊 監(jiān)控程序按模塊分為監(jiān)控主程序和命令處理子程序 [15]。監(jiān)控主程序的基本任務(wù)是調(diào)用子程序，一個主程序可以調(diào)用多個子程序，對于 51 系列單片機，系統(tǒng)資源有限，主程序通常是一個無限循環(huán)的過程，即是一個反復(fù)調(diào)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(diào)用，即中斷子程序可以調(diào)用功能子程序。在應(yīng)用軟件的設(shè)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(diào)用。而命令處理子程序完成各種命令所規(guī)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(tǒng)應(yīng)用密切相關(guān)。 監(jiān)控主程序是整個控制系統(tǒng)的核心部分，其它外圍模塊 一般都需經(jīng)過監(jiān)控模塊實現(xiàn)其在控制系統(tǒng)中的作用。監(jiān)控主程序接受和分析來自鍵盤的命令，進而把控制轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理子程序的入口，起引導(dǎo)作用。 本系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊主要包括對系統(tǒng)外圍器件輸入、輸出參數(shù)的初始化自檢，看門狗的激活，多任務(wù)操作模塊的調(diào)用 (系統(tǒng)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(jiān)控主程序一般總是把其余部分連接起來構(gòu)成一個無限循環(huán)，系統(tǒng)所有功能都在這一循環(huán)中周而復(fù)始的有選擇的執(zhí)行 [16]。 系統(tǒng)自檢初始化 系統(tǒng)自檢初始化是保證整個控制系統(tǒng)能夠正常運行的重 要條件，系統(tǒng)加電復(fù)位后，直接進入自檢初始化程序，完成系統(tǒng)的自檢及初始化。本系統(tǒng)中的自檢初始化主要指各接口芯片的檢測、芯片內(nèi)部設(shè)定參數(shù)的初始化及系統(tǒng)內(nèi)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(tài)，有無硬四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 19 N