【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)所需要解決的問題有 以下幾點。 (1) 照明系統(tǒng)本身的節(jié)能問題； (2) 傳感器與教室燈配合安裝的問題； (3) 環(huán)境光參數(shù)輸入采集的問題； (4) 人體存在傳感器參數(shù)輸入采集問題； (5) 開、關燈的自動與手動兼容的措施。 本章小結(jié) 本章主要講述了系統(tǒng)的整體設計思想和系統(tǒng)的方案分析，以及所需要解決的關鍵問題。目的在于 敘述 本系統(tǒng)所要實現(xiàn)的目標和系統(tǒng)所解決的問題，以及實現(xiàn)的方式和方法 ，通過對本系統(tǒng)的研究內(nèi)容和所需要解決的問題讓使用者熟悉和了解本系統(tǒng)。 本章的第一小節(jié)重點闡述本系統(tǒng)的設計整體思想，便于使用者更多的了解本系統(tǒng)的理念 ； 本章的第二小節(jié)是對系統(tǒng)控制方案 原理 的分析，主要闡述系統(tǒng)的主要 控制原理 ； 本章的第三小節(jié)是對系統(tǒng)控制方案的分析， 對系統(tǒng)的功能和實現(xiàn)的目標作概述； 本章的第 四 小節(jié)是對系統(tǒng)研究的內(nèi)容作的整體歸納 ； 最后一小節(jié)是本系統(tǒng)所需要解決的問題的整體概括。 教室燈光自動控制器 的設計與應用 5 3 系統(tǒng)控制模塊的硬件設計 教室燈光自動控制系統(tǒng)首先要考 慮的就是環(huán)境因素，因為系統(tǒng)直接與環(huán)境光的強弱以及人體存在的因素 有關 。另外，系統(tǒng)本身所用到的人體存在傳感器、光敏三極管等都會因環(huán)境的變化而出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，所以，本系統(tǒng)在設計過程中，特意考慮了抗干擾問題。 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)首先是在硬件電路的基礎上再附上相應的軟件程序，以達到系統(tǒng)對教室燈光的控制。本章的主要目的就是介紹系統(tǒng)控制模塊的硬件電路的基本原理和實現(xiàn)的基本電路，以及相應與電路聯(lián)系的有關知識。 控制模塊的硬件構(gòu)成 系統(tǒng)控制單元是以 AT89C51 單片機主控模塊為核心， 外加實現(xiàn)各個功能的外圍電路 。系統(tǒng)的控制 單元 外圍電路主要包括： ISP 下載線模塊、系統(tǒng)供電模塊、硬件時鐘模塊、看門狗模塊、燈光驅(qū)動模塊、數(shù)碼管驅(qū)動顯示模塊、環(huán)境光模塊、 EEPROM 存儲模塊、人體存在傳感器模塊 及 超時報警模塊。 控制系統(tǒng)主控電路 系統(tǒng)主控電路 本系統(tǒng)的主控模塊主要采用 Atmel公司的 AT89C52 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(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， 所以沒有擴展的片外 RAM，使電路結(jié)構(gòu)簡單。因為設備的設置參數(shù)是根據(jù)實際需要進行更改的，又要求是斷電能夠保存下來，所以本設備用一片EEPROM 來存儲系統(tǒng)的設置參數(shù)。 在線編程模塊電路 AT89C52 芯片支持在線編程功能，用戶可以通過 AT89C52 在線編程接口直接對電路板上的 CPU 進行在線編程，方便了程序的修改燒寫工作。 ISP 進行在線編程時，使用AT89C52 芯片的 、 、 引腳及 RST 端口，通過 PC 并口，根據(jù) ISP 協(xié)議制作簡單的編程器可對 CPU 進行編程。 在線編程器的紅色 LED 是 電源指示燈，綠色 LED 是復位指示燈，黃色 LED 是時鐘信號指示燈，每個 LED 約消耗 的電流，它們使用獨立的緩沖器不會影響下載線和用戶板，當執(zhí)行菜單命令 RESET 時可以看到綠 LED 閃一下，表示電腦已經(jīng)可以控制下載線；其下載線正常工作電壓為 ~6V，部分電腦即使不連接 VCC 也可以正常工作， 10 心的插頭和插座有三角形標志的均為第一腳。使用方便、快捷，且工作顯示信號清晰。 在線編程模塊 原理圖 如圖 2 所示 。教室燈光自動控制器 的設計與應用 6 圖 2 在線編程模塊原理圖 系統(tǒng)供電電路 本系統(tǒng)的供電電路圖選用 9V 的電壓器，目的是為了 避免 12V 的變壓器在整流濾波后輸出會大于 12V 使穩(wěn)壓器功耗大，自身溫度較高的缺點。 系統(tǒng) 供電原理圖如圖 3 所示 。 圖 3 系統(tǒng)供電原理圖 數(shù)據(jù)采集電路 本系統(tǒng)是以環(huán)境光和人體存在與否為主要參數(shù)，環(huán)境光和人體存在 是 系統(tǒng)的主要采集對象。我們用靈敏度較高的光敏三極管設計環(huán)境光采集電路， 采用邏輯電平輸出的HP208 型號的人體存在傳感器。 (1) 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。環(huán)境光采集電路原理圖如圖 4 所示。當自然光強大于一定程度時，光敏三極管 D6 呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，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。當自然光強小于一定程度時，光敏三極管 D6 呈現(xiàn)高祖狀態(tài)，使三極管 Q12 截止，集電極輸出高電平 ， 其 R26 可調(diào)節(jié)。 教室燈光自動控制器 的設計與應用 7 圖 4 環(huán)境光采集原理圖 (2) 人體存在信號采集電路 人體傳感器 HP208 型號的 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。在電路設計中，為了使人體存在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 100K 的上拉電阻，增加人體存在傳感器輸出信號的可靠性 。人體存在信號采集 原理圖 如圖 5 所示。 圖 5 人體存在信號采集原理圖 系統(tǒng)時鐘電路 由于本系統(tǒng)是使用于各個學校的教室當中，根據(jù)全國各個學校的實際情況，系統(tǒng)控制的時間應該符合學校的作息時間。比如晚間休息時間和放假期間應該關掉教室燈光系統(tǒng)，以 節(jié)約學校用電量，因此本系統(tǒng)還加入了硬件時鐘電路以保證系統(tǒng)的智能控制 運行。 (1) 硬件時鐘芯片的選取及其接口電路 本系統(tǒng)采用美國 DALLAS 公司推出的具有充電能力的低功耗的 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，還可以掉電保護電源提供的可編程的充電功能，并且可以關閉充電功能。而且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，滿足系統(tǒng)的要求。 DS1302 與單片機接口電路連接原理圖如圖 6 所示 ，其中 VCC1 外接 可充電的鋰電池，為 DS1302的備用電源。 VCC2 外接系統(tǒng)供電模塊的輸出穩(wěn)定電壓 +5V，為 DS1302教室燈光自動控制器 的設計與應用 8 的主電源。 DS1302 由 VCC1 和 VCC2 兩者中的較大者供電。系統(tǒng)正常運行時， VCC1 大于 VCC2，因此由 VCC1 給 DS1302 供電， 在主電源關閉的情況下，則由 VCC2 給 DS1302供電 ， 保持時鐘的連續(xù)運行。 Xl 和 X2 是振蕩源，外接 晶振。 RST 是復位片選線，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，與單片機的復位信號相連。時鐘輸入端 SCLK 接單片機 引腳，進行時鐘控制。 圖 6 DS1302 與單片機接口電路連接原理圖 (2) 硬件時鐘芯片的引腳功能及其工作原理 RST 是復位片選線，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。 RST輸入有兩種功能 ： 首先， RST 接通控制邏輯，允許地址 /命令序列送入移 位寄存器 。 其次，RST 提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當 RST 為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對 DS1302 進行操作。如果在傳送過程中 RST 置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送， I/O 引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在 VCC 大于 5V 之 前， RST 必須保持低電平。只有在 SCLK 為低電平時，才能將 RST 置為高電平。 I/O 為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端 (雙向 )， SCLK 始終是輸入端。 硬件時鐘芯片 DS1302 與微處理器進行數(shù)據(jù)交換時，首先由微處理器向電路發(fā)送命令字節(jié)，命令字節(jié)最高位 MSB(D7)必須為邏輯 1，如果 D7=0，則禁止寫 DS1302，即寫保護 ： D6=0，指定時鐘數(shù)據(jù)， D6=1，指定 RAM 數(shù)據(jù) ； D5~D1 指定輸入或輸出的特定寄存器 ； 最低位 LSB(D0)為邏輯 0，指定寫操作 (輸入 )， D0=1，指定讀操作 (輸出 )。在DS1302 的時鐘日歷或 RAM 進行數(shù)據(jù)傳送時， DS1302 必須首先發(fā)送命令字節(jié)。若進行單字節(jié)傳送， 8 位命令字節(jié)傳送結(jié)束之后，在下 2 個 SCLK 周期的上升沿輸入數(shù)據(jù)字節(jié)，或在下 8 個 SCLK 周期的下降沿輸出數(shù)據(jù)字節(jié)。 DS1302 與以 M 相關的寄存器分為兩類 ： 一類是單個 RAM 單元，共 31 個，每個單元組態(tài)為一 個 8 位的字節(jié)，其命令控制字為 COH~FDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作 ； 再一類為突發(fā)方式下的 RAM 寄存器，在此方式下可一次性讀、寫所有的 RAM的 31 個字節(jié)。 要特別說明的是備用電源，可以用電池或者超級電容器 ( 以上 )。雖然 DS1302在主電源掉電后的耗電很小，但是，如果要長時間保證時鐘正常，最好選用小型充 電 電教室燈光自動控制器 的設計與應用 9 池。可以用老式電腦主板上的 充電電池。如果斷電時間較短 (幾小時或幾天 )時，就可以用漏電較小的普通電解電容器代替 ， 100pF 就可以保證 l小時的正常走時。 DS1302在第一次加電后，必須進行 初始化操作。初始化后就可以按正常方法調(diào)整時間。 系統(tǒng)看門狗電路 在單片機工作過程中，不可避免的會由于外界的干擾而產(chǎn)生程序跑飛、死機甚至造成整機癱瘓 等情況，為了能夠恢復單片機的工作，只能采用重新復位的方法。雖然在程序設計中，可以使用軟件陷阱的方法來減少這種情況的發(fā)生，但是不能完全解決這個問題，因此還應該在硬件設計中使用看門狗電路，這樣在單片機發(fā)生死機的情況下，看門狗將產(chǎn)生一個復位信號給單片機，使單片機復位，重新執(zhí)行程序?，F(xiàn)在的 MCU 被集成了越來越多的功能，有的集成了看門狗，如 IMP813L。還有的芯片更是把 EEPROM 也集成進去，如 X5045 芯片。由于系統(tǒng)需要看門狗和 EEPROM，所以本硬件設計中使用了美國 XICOR 公司生產(chǎn)的芯片 X5045。 X5045 具有三種常用的功能：看門狗定時器、復位控制和 EEPROM 集成在單個 8引腳封裝的 CMOS 器件內(nèi)，將電源監(jiān)控和看門狗功能與高速三線非易失性存儲器組合在一起，從而在很人程度上降低了系統(tǒng)成本并減少了對電路板空間的要求?？撮T狗電路的定時時間長短可 以 按照 具體應用程序的循環(huán) 周 期決定，通常比系統(tǒng)正常工作時最大循環(huán)周期的時間略長即可。 本系統(tǒng)中 X5045 的硬件連接 原理圖 如圖 7 所示。 圖 7 X5045 硬件連接原理圖 系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(jié)EEPROM，同時兼有看門 狗和電源監(jiān)控功能， X5045 有三種可編程看門狗周期，上電和VCC 低于檢測門限時，輸出復位信號， X5045 輸出復位高電平有效，為了復位更加可靠，其復位輸出端外接一個 10K 的上拉電阻，并與 AT89C52 的復位端相連。 看門狗能在電源上電、掉電期間產(chǎn)生一個復位信號。該芯片還帶有一個 秒的看門狗定時器可監(jiān)控單片機的工作。如果在 秒內(nèi)未檢測到其工作，出現(xiàn)故障，內(nèi)部定時器將使看門狗 WDI 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。 教室燈光自動控制器 的設計與應用 10 繼電器驅(qū)動接口電路 繼電器驅(qū)動接口電 路 原理圖 如圖 8 所示，這里繼電器由相應的 PNP 型號的 S9012三極管來驅(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，使三極管導通，繼電器就會得電吸合，從而驅(qū)動負載，點亮相應電燈。 繼電器的輸出端并聯(lián) 1K 歐的電阻和 電容，目的是避免繼電器吸合與釋放期間產(chǎn)生火花。每個繼電器都有一對常開常閉的觸點，便于在其他電路中使用，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 8 繼電器