【文章內(nèi)容簡介】 燈光控制方式，使得控制效果更加靈活；聲光報警模塊，預(yù)先延時報警通知關(guān)燈動作，使得管理更加人性化。該教室照明系統(tǒng)簡單實用，適用范圍廣，減少 人工管理成本。 本章小結(jié) 教室作為教學(xué)的重要場所， 面對教室 照明質(zhì)量差且 浪費嚴(yán)重這一現(xiàn)象，著眼大局，為保護學(xué)生視力、提高學(xué)習(xí)效率， 創(chuàng)造一個健康舒適、高效節(jié)能的學(xué)習(xí)環(huán)境， 提高 和 改善教室照明質(zhì)量，優(yōu)化 照明 控制系統(tǒng) 勢在必行。在 合理布局照明設(shè)備， 充分保證教室 照明 的前提下，本文著重論述通過優(yōu)化教室照明系統(tǒng)的運行來實現(xiàn)節(jié)能效果。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 3 頁 共 45 頁 AT89S52 下載 線接口模塊 按鍵開關(guān)模塊 （手動 /自動） 預(yù)關(guān)燈及延時報警模塊 人體檢測模塊 環(huán)境光檢測 模塊 時鐘模塊 電源模塊 圖 22 單片機控制的教室照明系統(tǒng) 總結(jié)構(gòu)框圖 LED 顯示模塊 2 教室照明系統(tǒng)的設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計主要包括硬件和軟件兩大部分。依據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)性能，將硬件和軟件分開設(shè)計。 系統(tǒng)整體設(shè)計方案 本課 題將 時間、光照度和人員分布三大要素 作為 系統(tǒng)控制的依據(jù)。為了進一步加強對節(jié)能的監(jiān)管，使工作時間與 非 工作時間的界限具體化 ，設(shè)計時鐘控制模塊 。根據(jù) 人體檢測 模塊的探測范圍和教室光照明暗分布 情況 ， 參照本校教學(xué)教室， 將教室分成方形區(qū)域 ，每個區(qū)域燈具的位置 （詳見附錄 4 表 21） 及數(shù)量 如圖 21 所示 ，并 分別將包含紅外信號模塊和室內(nèi)環(huán)境光模塊安裝在各區(qū)域的天花板上，通過單片機的智能控制，實現(xiàn)局部或整體開關(guān)燈，進一步增強節(jié)能效果。 根據(jù)任務(wù)要求，所設(shè)計的 單片機控制的教室照明系統(tǒng) 總結(jié)構(gòu)框 圖 如圖 22 所示 ，并簡 要描述各部分功能 。 黑板 燈 A B D C E F 圖 21 教室區(qū)域劃分 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 4 頁 共 45 頁 系統(tǒng)設(shè)置兩種控制方式：自動控制、手動控制。系統(tǒng)上電，通過掃描按鍵判斷系統(tǒng)初始狀態(tài)：設(shè)定按鍵沒有按下，進入自動控制模式；設(shè)定按鍵按下，進入手動控制模式，等待按鍵釋放。當(dāng)系統(tǒng)處于自動方式下運行時，由紅外檢測、環(huán)境光、時鐘向單片機輸入信號，經(jīng)過邏輯先后判斷，再由單片機輸出信號控制 LED 狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于手動狀態(tài)，通過撥動開關(guān)控制 LED 單獨開啟或關(guān)閉。此外，系統(tǒng)還設(shè)置單刀雙擲開關(guān)，以便在手動控制方式下，能避開自動系統(tǒng)的控制作用，增強系統(tǒng)工作的可靠性和靈活性。 人體 檢測 —— 熱釋電掃描以判斷靜止、移動人體；分區(qū)掃描、分區(qū)控制，有人才亮燈，無人繼續(xù)掃描檢測。環(huán)境光控制 —— 環(huán)境光亮度過低時受控亮燈，亮度足夠時滅燈。當(dāng)熱釋電紅外傳感器沒有檢測到人體信號時，不管教室自然光強度如何，教室照明設(shè)備都不亮。當(dāng)教室單獨某個區(qū)域有人體信號存在，且自然光強度弱時，則只開啟該區(qū)域的照明設(shè)備。當(dāng)再有人來教室時他們完全可以選擇亮燈的區(qū)域坐，若選擇其他區(qū)域情況類似。 時鐘控制 —— 根據(jù)設(shè)定時間，使燈光在工作期間受控，非工作期間關(guān)閉。 當(dāng)預(yù)設(shè)時間到達，系統(tǒng)延時發(fā)出報警信號，教室光源關(guān)掉，從而完成了對教室照明回路的 智能控制， 起到節(jié)約能源的作用。 教室照明系統(tǒng)的硬件設(shè)計 教室照明系統(tǒng) 的 硬件 設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法。硬件電路 包括 下載線接口模塊，AT89S52 單片機 最小系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集模塊 ， 時鐘電路， 聲光報警電路 ，人機交換模塊 六個部分。具體設(shè)計 過程 如下 文所述。 教室照明控制器的選擇 出于對單片機性能的要求和價格因素的考慮，本系統(tǒng)選擇 MCS51 系列的AT89S52 單片機作為教室照明系統(tǒng)控制器。 AT89S52 具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash存儲器，片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器 ， 與工 業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容 ， 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能 ： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口 ， 片內(nèi)晶振及 時鐘電路 ，可以在 4V 到 寬電壓范圍內(nèi)正常工作。根據(jù)不同的運行速度和功耗要求，時鐘頻率可以設(shè)置在 0 33M之間。同時，該單片機支持計算機并口下載。 另外， AT89S52 支持 2 種 軟件 可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 其引腳排列如圖 23 所示，各引腳功能如下： 1） P0 口：具有 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動 8 個 TTL邏輯電平。對 其 端口寫 “ 1” 時，引腳用作高阻抗輸入。 當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時 ， 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 5 頁 共 45 頁 圖 23 AT89S52 引腳排列 不具有內(nèi)部上拉電阻 ， 作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用 。 2） P P P3 口 ： 具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 其 輸出緩沖器能驅(qū)動 4個 TTL 邏輯電平。對 其 端口 寫 “ 1” 時，可作為輸入口使用 ，此時 由于內(nèi)部電阻的原因 ，被外部拉低的引腳將輸出電流（ IIL）。 不同的是 在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口送出高八位地址 ，并 使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在使用 8位地址訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。 而 P P3 口引腳具有第二功能。 P1 口某些引腳具有 第二功能，具體如下 ： T2（定時器 /計數(shù)器 T2 的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 T2EX（定時器 /計數(shù)器 T2 的捕捉 /重載觸發(fā)信號和方向控制） MOSI（在 系統(tǒng)編程 用） MISO（在系統(tǒng)編程用） SCK（在系統(tǒng)編程用） P3 口第二功能 ，具體 如下 ： RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) 0INT (外中斷 0) 1INT (外中斷 1) TO(定時 /計數(shù)器 0) T1(定時 /計數(shù) 器 1) (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) (外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 ) 3） flash 編程和校驗 ： flash 編程， P0 口用來接收指令字節(jié)；程序校驗， 外 接 上拉 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 6 頁 共 45 頁 圖 24 電源電路 模塊 電阻 并 輸出指令字節(jié) 。 P1 口接收低 8 位地址字節(jié) 。 P2 口接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號 。 P3 口還接收一些控制信號 。 4） RST： 復(fù)位 信號 輸入 端，高電平有效。 5） EA /VPP： 訪問芯片內(nèi)部和芯片外部程序存儲器的選擇信號 。 FLASH 存儲器編程時，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 VPP。 6） PSEN ： 外部程序存儲器的讀選通信號 ， 每個機器周期兩次 PSEN 有效 。 7） ALE/PROG ： 低 8 位地址鎖存信號 /編程脈沖輸入。 8） XTAL1/XTAL2：振蕩器反相放大器輸入 /輸出端， 同時 XTAL1 也是內(nèi)部時鐘發(fā)生 電路的 輸入端。 9） VCC/GND：電源電壓的輸入引腳 /電源地引腳。 下載線接口模塊 AT89S52 芯片支持在線編程功能， 不需要編程器就可以進行單片機的實驗和開發(fā) ，免去 了 調(diào)試時由于頻繁地插入取出芯片對芯片和電路板帶來的不便，具有極強的可塑性 。 ISP 進行在線編程時，使用 AT89S52 的 、 、 口及復(fù)位端。 單片機最小系統(tǒng) （ 1） 電源電路 系統(tǒng)設(shè)計需要的電壓輸出為 5V。要取得 5V 電壓，若選用 12V 變壓器，整流濾波后輸出往往大于 12V，這樣會使穩(wěn)壓器功耗大，自身溫度高。故采用輸出為 9V 電壓的變壓器。電路原理如圖 24 所示。系統(tǒng)從電網(wǎng)中接 入 220V 交流電源，通過變壓器降壓，得到 9V 電壓，再經(jīng)整流電橋整流，輸出直流電壓，然后經(jīng) CT1 濾波電容濾波后送入集成穩(wěn)壓器 LM7805 輸入端，由輸出端再經(jīng) CT2 濾波，最后得到 +5V 的直流工作電源，用于給單片機控制系統(tǒng)及其它外圍電路的 VCC 端供電。圖中 D1 LED 為電源 工作 指示燈。當(dāng)輸出電流較大時， 7805 應(yīng)配上散熱板。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 7 頁 共 45 頁 圖 26 晶振電路 圖 25 復(fù)位電路 （ 2） 復(fù)位電路 系統(tǒng)復(fù)位電路的作用：一是單片機啟動運行時，使 CPU 以及其他功能部件處于一個確定的初始狀態(tài)；二是單片機工作過程中，使其重新回到開始狀態(tài)（包括死機）。該系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位如圖 25 所示，它能有效實現(xiàn)上電自動復(fù)位和手動復(fù)位。單片機的REST 引腳是高電平有效的，其有效時間持續(xù) 24 個振蕩周期以上才能完成復(fù)位操作。上電自動復(fù)位是通過 RC 電容充電來實現(xiàn)的。手動復(fù)位是通過外部按鍵實現(xiàn)的。當(dāng)復(fù)位按鍵按下，電容 CT3 被充電， REST/VPD端的電位逐漸升高為高電平，實現(xiàn)復(fù)位操作，按鍵釋放后，電容器經(jīng)內(nèi)部下拉電阻放電， REST/VPD端恢復(fù)低電平。 （ 3） 晶振電路 單片機的時鐘信號可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部時鐘和外部時鐘。內(nèi)部時鐘是利用單片機芯片內(nèi)部的振蕩電路實現(xiàn)的，通過單片機的 XTAL1 和 XTAL2 引腳外接定時元件。定時元件由晶體振蕩器和電容組成并聯(lián)諧振回路，內(nèi)部反相放大器自激震蕩，產(chǎn)生時鐘。單片機必須在時鐘的驅(qū)動下才能進行工作。根據(jù) AT89S52 單片機時鐘周期的要求，晶振頻率選用 12MHZ，電容 C C4 選 30pf，如圖 26 所示。 數(shù)據(jù)采集模塊 人體存在信號和環(huán)境光信號是單片機控制的教室照明系統(tǒng)的兩個主要輸入?yún)?shù)，因此教室數(shù)據(jù)采集部分分為紅外信號采集和室內(nèi)環(huán)境光采集。為了實現(xiàn)教室燈光的智能控制，必須根據(jù)這兩個參數(shù)發(fā)出的命令，來確定燈具的亮滅時刻及位置，這樣在 節(jié)能的同時，也為使用者提供舒適的視覺效果。 （ 1）人體 信號采集 經(jīng)過日益發(fā)展，傳感器技術(shù)已滲透到人們的日常生活 中 。 本系統(tǒng)紅外信號的采集使 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 8 頁 共 45 頁 圖 27 熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu) 用熱釋電紅外傳感器。 采集 人體 信號的作用是對進入教室的人員分布區(qū)域進行檢測，為單片機提供教室可能亮燈區(qū)域的信息。 ① 體傳感器的基本結(jié)構(gòu)和原理 熱釋電紅外 人體 傳感器由探測元、濾光窗和場效應(yīng)管阻抗變換器等三大部分組成，如圖 27 所示。 對不同 型號 傳感器 ，探測元的制造材料有所 區(qū)別 。將這些材料 制成 很薄的薄片，每一薄片相對的兩面各引出一根電極，電極兩端則形成一個等效的小電容。 而這兩個小 電容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小電容能自身產(chǎn)生極化， 從而 在電容的兩端產(chǎn)生極性相反的正、負電荷。傳感器中兩個極性相反 的電容是串聯(lián)在一起的 。 當(dāng)傳感器沒有檢測到人體輻射出的紅外線信號時，電容兩端產(chǎn)生極性相反、電量相等的正、負電荷，所以，正負電荷相互抵消，回路中無電流，傳感器無輸出。當(dāng)人體靜止在傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)時，照射到兩個電容上的紅外線光能能量相等，且達到平衡，極性相反、能量相等的光電流在回路中相互抵消，傳感器仍然沒有信號輸出。當(dāng)人體在傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)移動時，照射到兩個電容上的紅外線能量不相等，光 電流在回路中不能相互抵消，傳感器有信號輸出。綜上所述，傳感器只對移動或運動的人體和體溫近似人體的物體起作用。 濾光窗是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，能夠有效地濾除 ~14um波長以外的紅外線。人體的正常體溫為 36~℃，即 309~，其輻射的最強的紅外線的波長為 λ m=2989/（ 309~） =~，中心波長為 ，正好落在濾光窗的響應(yīng)波長的中心。所以，濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過，而最大限度地阻止陽光、燈光等可見光中的紅外線的通過，以免 引起干擾。 熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。由于 探測元 輸出的是電荷信號，