【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 冷卻條件。本系統(tǒng)采用的是熱釋電紅外傳感器，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(bào)警、火災(zāi)檢測(cè)、自動(dòng)門(mén)、自動(dòng)水龍頭、自動(dòng)電梯、自動(dòng)照明等場(chǎng)合，及非接觸溫度測(cè)量等領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的傳感器。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；?、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(jiàn)光影響，可不分晝夜進(jìn)行檢測(cè)。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(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)10μM左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就靠探測(cè)人體發(fā)射的10μM左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10μM左右的紅外線通過(guò)菲尼爾濾波片增強(qiáng)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(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生有人體存在的信號(hào)[12]。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。2）為了僅僅對(duì)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(cè)，其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)的熱釋電元，而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)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(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。4）一旦有人進(jìn)入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過(guò)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(hào)處理而輸出有人體存在的信號(hào)。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。有人進(jìn)入時(shí)，移動(dòng)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(jìn)入最不敏感移動(dòng)方向時(shí)，人體傳感器所體現(xiàn)的信號(hào)就不會(huì)理想，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)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(hào)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(dòng)方式，人進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí)輸出高電平（），人離開(kāi)感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平（），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(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(kāi)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。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(qiáng)； （7）靈敏度高，可靠性強(qiáng)。 人體傳感器的1號(hào)引腳為電源信號(hào)端，3號(hào)引腳為地信號(hào)端，2號(hào)引腳為采集信號(hào)輸出端。在電路設(shè)計(jì)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(hào)引腳2與地信號(hào)引腳3之間加一個(gè)6800pF的電容，，增加人體存在傳感器輸出信號(hào)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(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。傳統(tǒng)的時(shí)鐘芯片，如MC14681MC68H68T、LM8365等，這些芯片的引腳太多，體積大，占用的口線多。而現(xiàn)在流行的串行時(shí)鐘芯片很多，如DS130DS130DS130PCF8485等，這些電路的接口簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便，被廣泛的使用。考慮到本系統(tǒng)停電時(shí)需為時(shí)鐘電路提供電源、且不占用太多單片機(jī)資源，本系統(tǒng)采用美國(guó)DALLAS公司推出的具有充電能力的低功耗18的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302。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。該芯片對(duì)年、月、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，～[13]。DS1302只需三根線即可與單片機(jī)進(jìn)行通信，體積小，使用簡(jiǎn)單，時(shí)鐘精度較高[14]，滿足系統(tǒng)的要求?？蔀榈綦姳Ｗo(hù)電源提供可編程的充電功能的時(shí)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(jī)接口電路連接原理圖如圖38，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(dāng)Vcc1大于Vcc2+，由Vcc1給DS1302供電，系統(tǒng)正常運(yùn)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(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。X1和X2是振蕩源。RST是復(fù)位/片選線，通過(guò)把RST輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來(lái)啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送，與單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)相連。，進(jìn)行時(shí)鐘控制。數(shù)據(jù)輸入/輸出端I/，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。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(lái)驅(qū)動(dòng)。開(kāi)機(jī)時(shí)，三極管截止，所以開(kāi)機(jī)后繼電器始終處于釋放狀態(tài)。，三極管的基極就會(huì)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(huì)得電吸合，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載，點(diǎn)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(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。圖39 繼電器驅(qū)動(dòng)電路 蜂鳴報(bào)警電路在教室中，若采用手動(dòng)方式控制時(shí)，一方面由于學(xué)生及管理人員的疏忽，教室里沒(méi)有人而燈還亮著，導(dǎo)致教室燈工作超時(shí)，能源浪費(fèi)。于是本系統(tǒng)采用蜂鳴報(bào)警電路，以聲音的方式來(lái)教室無(wú)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(shí)間點(diǎn)，學(xué)習(xí)期間開(kāi)燈時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，致使教室燈工作超時(shí)，于是本系統(tǒng)蜂鳴報(bào)警電路就會(huì)發(fā)出聲音，在晚上10點(diǎn)時(shí)提醒學(xué)生應(yīng)該休息或必須改用手動(dòng)強(qiáng)制控制燈了。這樣，還可以更好的保護(hù)公共設(shè)施。本系統(tǒng)采用超時(shí)報(bào)警的電路如圖310所示，在經(jīng)過(guò)限流電阻100Ω與三極管C945的基極相連。，即基極為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音，以示教室燈工作超時(shí)。，即基極為高電平時(shí)，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(shí)報(bào)警電路方便了管理人員對(duì)教室的管理，能夠更好地、及時(shí)地管理教室。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。，。按鍵控制電路采用單片機(jī)P2口的低4個(gè)口作按鍵的輸入信號(hào)端，信號(hào)取自電阻的分壓。當(dāng)按鍵未按下時(shí)，—，為高電平，當(dāng)某一按鍵按下時(shí)，對(duì)應(yīng)端口被按紐開(kāi)關(guān)短接到地，為低電平。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。鍵盤(pán)工作方式采用中斷掃描方式，4個(gè)二極管和10K電阻組成與門(mén)電路，當(dāng)任一鍵按下時(shí)。，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(hào)，確定哪個(gè)鍵按下，執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能，消除按鍵的抖動(dòng)。 圖311 按鍵控制電路 本章小節(jié)針對(duì)本研究設(shè)計(jì)的任務(wù)要求，本章首先對(duì)主控芯片單片機(jī)進(jìn)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(qiáng)大的AT89S51單片機(jī)，然后分別對(duì)外圍電路各大模塊（按鍵控制、時(shí)鐘控制、環(huán)境光采集、人體存在傳感器等等）進(jìn)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(jì)。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)。用戶軟件的開(kāi)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(dú)立的進(jìn)行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)。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(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(wú)限循環(huán)的過(guò)程，即是一個(gè)反復(fù)調(diào)用子程序的過(guò)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(jì)中，盡可能各個(gè)功能模塊寫(xiě)成子程序的形式，并通過(guò)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(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，其它外圍模塊一般都需經(jīng)過(guò)監(jiān)控模塊實(shí)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(lái)自鍵盤(pán)的命令，進(jìn)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(duì)系統(tǒng)外圍器件輸入、輸出參數(shù)的初始化自檢，看門(mén)狗的激活，多任務(wù)操作模塊的調(diào)用(系統(tǒng)中的信號(hào)采集處理、時(shí)鐘管理、按鍵接收處理)，實(shí)時(shí)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(lái)構(gòu)成一個(gè)無(wú)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(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。本系統(tǒng)中的自檢初始化主要指各接口芯片的檢測(cè)、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(cè)主要檢測(cè)各芯片是否已處于準(zhǔn)備工作的就緒狀態(tài)，有無(wú)硬件故障等，如檢測(cè)硬件時(shí)鐘DS1302是處于更換芯片后初次使用未起振狀態(tài)，還是處于備用電源供電振蕩保持狀態(tài)，即檢測(cè)系統(tǒng)中控制時(shí)間表的有效性，檢測(cè)熱釋紅外傳感器輸出信號(hào)是否正常體現(xiàn)人體存在的信息，檢測(cè)光采集電路輸出的信號(hào)等。若時(shí)鐘芯片處于啟動(dòng)狀態(tài)，則需要對(duì)其進(jìn)行初始化并啟動(dòng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。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。 定時(shí)中斷處理設(shè)計(jì)定時(shí)中斷是利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器定時(shí)，時(shí)間到或計(jì)數(shù)值已滿引起的中斷，內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)數(shù)器可以對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘或從外部引線T0和T1輸入的外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的溢出信號(hào)作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，去置位定時(shí)器溢出標(biāo)志位，向單片機(jī)的CPU申請(qǐng)中斷[17]。定時(shí)中斷為周期性中斷，每隔一定的時(shí)間會(huì)中斷一次。本系統(tǒng)中設(shè)定的定時(shí)中斷主要用來(lái)構(gòu)造多任務(wù)操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)響應(yīng)中斷后，無(wú)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。該定時(shí)中斷處理程序框圖如圖41所示： 開(kāi)始定時(shí)中斷到？Y多任務(wù)時(shí)間啟動(dòng)劃分 N下一步圖41 定時(shí)中斷處理程序框圖本系統(tǒng)還采用了外部中斷，此外部中斷主要用來(lái)判斷是否有外來(lái)信號(hào)輸入，若有，就采集下來(lái)并加以處理；若無(wú)，則返回到主循環(huán)。 數(shù)據(jù)采集模塊本控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集對(duì)象為環(huán)境光信號(hào)及人體存在信號(hào)，在程序設(shè)計(jì)中對(duì)這兩個(gè)數(shù)據(jù)的