【正文】 基于單片機(jī)的教室燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 32 參考文獻(xiàn) [1] Thananchai Lephakpreeda,Adaptive Occpancybased Lighting Control via Grey Prediction[J]． Building and Environment， 2020， 7(40):881886． [2] 許嘉宏．智能照明系統(tǒng)在現(xiàn)代建筑照明中的應(yīng)用與研究 [J]．建筑論壇與建筑設(shè)計(jì)， 2020， 27(4)： 7477． [3] Pyonchan Ihm， Abderrezek Nemir,Moncef Krarti． Estimation of lighting energy saving from daylighting[J]． Building and Environment， 2020(44)： 509514． [4] Krarti M， Erickson P,Hillman T． A simplified method to estimate energy savings Of artificial lighting use from daylighting[J]。軟件 設(shè)計(jì)上采用多任務(wù)形式對(duì)信號(hào)的采集、處理，達(dá)到最終控制燈光的目的。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 31 第 6 章 結(jié)束語(yǔ) 該教室燈光系統(tǒng)的控制是以 AT89S51 單片機(jī)芯片為核心，通過(guò)相關(guān)電路的驅(qū)動(dòng)，完成對(duì)系統(tǒng)設(shè)備 (電燈 )的控制，采用一個(gè)二極管閃爍顯示整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)教室燈光的自動(dòng)開(kāi)燈、關(guān)燈控制。 分析解決 ：此問(wèn)題在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可將采集有人體信號(hào)存在的狀態(tài)適當(dāng)延長(zhǎng)保持二至五分鐘，并加以后續(xù)處理。此問(wèn)題可通過(guò)選用輸出電壓低些的變壓器，并在集成穩(wěn)壓器前串入兩只二極管降壓，同時(shí)增大散熱片來(lái)解決。 程序調(diào)試完畢后，利用編程器將程序固化到單 片機(jī)中，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)。 (3)動(dòng)態(tài)調(diào)試：控制系統(tǒng)的軟件和硬件是密切相關(guān)的，由于 軟件模擬開(kāi)發(fā)系統(tǒng)不能對(duì)硬件部分進(jìn)行診斷，同時(shí)也不能實(shí)時(shí)在線(xiàn)仿真，所以用戶(hù)程序還需跟硬件連接起來(lái)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，同時(shí)對(duì)軟件和硬件進(jìn)行檢查和診斷。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際調(diào)試時(shí)，首先應(yīng)對(duì)硬件進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，同 時(shí)對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行初步調(diào)試，此后再對(duì)軟件和硬件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試，最后才能使系統(tǒng)進(jìn)入正常工作 . (1)靜態(tài)調(diào)試：靜態(tài)調(diào)試主要是排除明顯的硬件故障。本系統(tǒng)的調(diào)試主要分兩個(gè)步驟：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)調(diào)試（硬件調(diào)試和軟件調(diào)試）及整個(gè)控制系統(tǒng)試運(yùn)行調(diào)試。 系統(tǒng)的總流程框圖如圖 45 所示： 本章小節(jié) 本章結(jié)合此次教室燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件部分分析研究了其軟件部分，主要包括：系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、時(shí)鐘模塊。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入初始化后，自診斷鍵盤(pán)是否按下，若有鍵按下，系統(tǒng)進(jìn)入強(qiáng)制控制模式，然后通過(guò)鍵盤(pán)掃描程序，確認(rèn)控制燈具的亮與熄；若無(wú)鍵按下，則為自動(dòng)控制模式，通過(guò)自然光采集電路從 口的高低電平判斷自然光強(qiáng)度，若光強(qiáng)，則熄燈具；若光弱，則繼續(xù)讀取人體存在傳感器 ，如果有人存在則亮燈。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。 檢查 DS1302 芯片是否是正常工作，本系統(tǒng)中通過(guò)先讀取秒鐘寄存器的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，且將此數(shù)據(jù)與 60H 相比較，若大于 60H，說(shuō)明時(shí)鐘數(shù)據(jù)不正常，轉(zhuǎn)去設(shè)置時(shí)鐘時(shí)間；若小于或等于 60H，延時(shí)一秒鐘后，再次讀取秒鐘寄存器的開(kāi)始 讀取 DS1302 秒鐘時(shí)間 秒鐘大于 60H 延時(shí) 1 秒 再次讀取秒鐘數(shù)據(jù) 再次 讀取的秒鐘數(shù)據(jù)是否相同 DS1302 正常工作 返回主程序 設(shè)置 DS1302 初始時(shí)間 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 開(kāi)始 變量初始化 去除寫(xiě)保護(hù) RST 一端送高電平 寫(xiě) DS1302 地址 向該地址寫(xiě)入數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)寫(xiě)完了 將 DS1302 寫(xiě)保護(hù) RST 一端送高電平 寫(xiě)入 DS1302 讀地址 將該地址數(shù)據(jù)輸出 數(shù)據(jù)讀完了 將讀出的數(shù)據(jù)暫存 結(jié)束 數(shù)據(jù)，與第一次讀取的數(shù)據(jù)相比較，若兩次數(shù)據(jù)相同，說(shuō)明時(shí)鐘數(shù)據(jù)不正常，轉(zhuǎn)去設(shè)置時(shí)鐘時(shí)間；若正常，則退出到主程序。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。Two DSSec of Reading is different AJMP DSSetTime DSOK: Ret 173。s Time Acall DSDelay 。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。 DS1302 在第一次加電后，必須進(jìn)行初始化操作。地址 /命令字節(jié)用于指明 40 個(gè)寄存器中的哪個(gè)進(jìn)行何種操作。 數(shù)據(jù)輸入輸出 在對(duì) DS1302 進(jìn)行各種操作之前，必須先對(duì)其初始化，即需要把復(fù)位輸入 RST端置為高電平，如果 RST 輸入為低電平，那么所有的數(shù)據(jù)傳送終止，且 I/O 引腳變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)。人體存在傳感器對(duì)于徑向移動(dòng)反應(yīng)最不敏感，而對(duì)于橫切方向（即與半徑垂直的方向）移動(dòng)最為敏感。 實(shí)際使用中，人體存在傳感器前 面必須安裝菲尼爾透鏡。 、冰箱、火爐等空氣溫度變化敏感的地方。 ：探測(cè)器安裝在推薦的使用高度，對(duì)探測(cè)范圍內(nèi)地面上的小動(dòng)物，一般不產(chǎn)生信號(hào)。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。on relay 1 mov port36,c 。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。173。所以，必須合理布置自然光采集電路模塊的位置，才可以 更好的反映實(shí)際情況。為避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，本系統(tǒng)軟件程序中設(shè)計(jì)為有人體存在狀態(tài)后間隔 1min 或更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)對(duì)人體存在參數(shù)信號(hào)的采集。 人體存在傳感器的優(yōu)缺點(diǎn) 人體存在傳感器具有本身不發(fā)出任何類(lèi)型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。 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。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 。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]。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)。 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]。 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)。當(dāng)按鍵未按下時(shí)， — 端口的電壓接近電源電壓，為高電平，當(dāng)某一按鍵按下時(shí)，對(duì)四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 應(yīng)端口被按紐開(kāi)關(guān)短接到地，為低電平。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。這樣，還可以更好的保護(hù)公共設(shè)施。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。數(shù)據(jù)輸入 /輸出端 I/O 接單片機(jī) 引腳，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。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。 可為掉電保護(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?？紤]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 1 8 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。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，另外人體存在傳感器的信號(hào)引腳 2 與單片機(jī)的 引腳相連 ， 引腳再接一個(gè) 100KΩ 的上拉電阻，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。 三、人體存在信號(hào)采集電路 人體傳感器 HP208 基于 紅外線(xiàn)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（高 ），人離開(kāi)四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)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。 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)。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]。本系統(tǒng)采用的是熱釋電紅外傳感器，基于單片機(jī)的教室燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(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。 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(huì)發(fā)出不同波長(zhǎng)的紅外線(xiàn)，利用紅外線(xiàn)傳感器可對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。 環(huán)境光采集電路原理圖如圖 35 所示。再無(wú)光照時(shí)三極管的穿透電流很小，為暗電流。此外，人體存在傳感器要求靈敏度高，可靠性強(qiáng)。該芯片還帶有一個(gè) 的看門(mén)狗定時(shí)器可用來(lái)監(jiān)控單片機(jī)的工作。 看門(mén)狗電路的定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短可由具體應(yīng)用程序的循環(huán)周期決定，通常比系統(tǒng)正常工作時(shí)最大循環(huán)周期的時(shí)間略長(zhǎng)即可。 圖 33 X5045的引腳圖 看門(mén)狗定時(shí)器的預(yù)置時(shí)間是通過(guò) X5045 的狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位來(lái)設(shè)定的。為了能夠及時(shí)恢復(fù)單片機(jī)的工作，只能采用重新復(fù)位的方法，因此還應(yīng)該在硬件設(shè)計(jì)中使用看門(mén)狗電路，這樣在單片機(jī)發(fā)生死機(jī)的情況下，看門(mén)狗將產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)給單片機(jī)，使單片機(jī)復(fù)位，重新執(zhí)行程序。系統(tǒng)接通 220V交流電源后，將 220V 交流電變壓到 9V，經(jīng)過(guò)二極管全波整流、電解電容 C1， C2濾波，再經(jīng)正輸出穩(wěn)壓器 LM7805，為了緩沖負(fù)載突變，改善瞬態(tài)響應(yīng)，輸出端還采用了電容 C3， C4，最后得到 +5V 的直流電壓，用于給控制系統(tǒng)中單片機(jī)系統(tǒng)及其它外圍電路的 Vcc 端供電。 (3) 9（ RST） 腳與 GND 間電壓基本為 0 。 綜合上面的幾點(diǎn)區(qū)別比較，了解到 AT89S51是一種低功耗 ， 8位 CMOS 工藝處理器，具有 8K 在線(xiàn)可編程 Flash 存儲(chǔ)器的單片機(jī)。 ：由于 AT89C51已經(jīng)全面停產(chǎn) ,所以在市場(chǎng)價(jià)格方面，庫(kù)存的AT89C51的批發(fā)價(jià)格要比 AT89S51貴將近一倍 . ： 89S5*向下兼容 89C5*，就是說(shuō)用 AT89S51可以替代 AT89C51使用，同樣的程序，運(yùn)行結(jié)果相同。 環(huán)境光采集電 路 AT89S51 單 片 機(jī) 最 小 系 統(tǒng) 人體存在傳感器 按鍵電路 超時(shí)報(bào)警模塊 時(shí)鐘模塊 看門(mén)狗模塊 EEPROM 存儲(chǔ)器模塊 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊 被控?zé)艟? 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 系統(tǒng)控制的主要硬件電路 系統(tǒng)主控電路 本課題是基于單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以針對(duì)單片機(jī)做了 AT89S51與 AT89C51的比較與選擇如下： ：二者的寫(xiě)入程序的方式不同， AT89C51只支持并行寫(xiě)入，同時(shí)需要 VPP 燒寫(xiě)高壓。 人體存在傳感器模塊采用 HP208 是基于紅外線(xiàn)技術(shù)的智能產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體存在的檢測(cè)。本章對(duì)信息的采集進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，信息來(lái)源主要有教室里自然光的強(qiáng)度和人的存在與否，并且采集信息的電路及其他各電路需要抗干擾能力強(qiáng)，防止誤動(dòng)作；安裝、操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便；總體成 本低這些特點(diǎn)。 該教室燈光控制器主要是由硬件和軟件兩大部分組成。 系統(tǒng)控制方案分析 該控制器以自然光強(qiáng)度和人體存在作為控制器的主要輸入?yún)?shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)控制相兼容。在照明燈具方面，大學(xué)教室多采用熒光燈，采用直接照明的方式，比較滿(mǎn)足現(xiàn)有的需求，所以本 課題著重論述后面一種方法，改進(jìn)照明控制策略和運(yùn)行方式。 基于單片機(jī)的教室燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)