【正文】 ...........................................................................................................33第一章 緒 論 1 第一章 緒 論 課題的背景和意義 浪費(fèi)一直是人類(lèi)社會(huì)面對(duì)的重大問(wèn)題，特別是到了二十一世紀(jì)，環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展更成了國(guó)家長(zhǎng)期發(fā)展的重中之重，我國(guó)也提出了“節(jié)能減排”的號(hào)召。能源的充分利用與合理分配對(duì)我們國(guó)家的現(xiàn)狀的改進(jìn)有重要意義，從身邊的小事做起，在照明燈的控制上采取智能化的控制，在保證照明強(qiáng)度的前提下，對(duì)于保護(hù)學(xué)生的視力和減少能源浪費(fèi)方面有重要意義?，F(xiàn)在的教室照明燈自動(dòng)控制已經(jīng)不能滿(mǎn)足我們現(xiàn)在的生活學(xué)習(xí)需求。在本設(shè)計(jì)中，對(duì)教室的人員情況在不同時(shí) 間不同光照條件下進(jìn)行了調(diào)查，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了在白天有個(gè)別教室仍然是出現(xiàn)了在光照條件充足的情況下開(kāi)燈甚至教室無(wú)人的情況下開(kāi)燈的現(xiàn)狀，對(duì)能源造成了浪費(fèi)。 采用教室照明自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì) 傳統(tǒng)的教室照明燈都是通過(guò)人手來(lái)控制，無(wú)論我們?cè)趺礃拥淖⒁舛紩?huì)出現(xiàn)忘記關(guān)燈等現(xiàn)象，從而造成能源的浪費(fèi)，這與國(guó)家倡導(dǎo)的節(jié)能減排大相庭徑。 減少了能源的浪費(fèi)，通過(guò)具體的情況來(lái)確定燈的亮滅，從而有效的抑制了在白天光照充足的情況下仍然開(kāi)燈的情況。 解放了教室工作人員，提高了工作效率。 本論文旨在設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)技術(shù)的教室照明燈自動(dòng)控制器。 本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為中心，通過(guò)紅外模塊，聲響模塊以及光敏模塊的信號(hào)輸入單片機(jī)，并通過(guò)單片機(jī)對(duì)繼電器的控制來(lái)控制燈的亮滅。 第二章 教室照明燈自動(dòng)控制器的總體設(shè)計(jì)分析 3 第二章 教室照明 自動(dòng)控制器的總體設(shè)計(jì)分析 學(xué)校教室自動(dòng)控制的現(xiàn)狀 學(xué)校的教室白天是同學(xué)們上課學(xué)習(xí)的地方，白天的光中情況一般充足，中午的人較少，晚上不管是上課還是上自習(xí)同學(xué)們都需要一個(gè)良好的光照條件，來(lái)保護(hù)眼睛與看清書(shū)本。實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能一般是通過(guò)兩方面：一方面是通過(guò)使用高效的燈具，如節(jié)能燈。即通過(guò)優(yōu)化照明系統(tǒng)來(lái)達(dá)到節(jié)能的效果。在自然光充足的情況下，因?yàn)檎彰髁炼纫呀?jīng)達(dá)到要求，所以無(wú)論教室是否有人都不開(kāi)燈。 針對(duì)教室主要用于學(xué)生上課和自習(xí)學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，本論文提出一種智能化的控制器設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示 圖 1 結(jié)構(gòu)框圖 光電檢測(cè)模塊 紅外檢測(cè)模塊 音響檢測(cè)模塊 單片機(jī) 繼電器 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)的介紹 本文選擇的單片機(jī)為 AT89S51，其引腳圖如圖 所示 圖 AT89S51 的引腳圖 各引腳說(shuō)明如下： 電源引腳 電源引腳介入單片機(jī)的工作電源。VSS（ 20 腳）：接地（直流電源負(fù)端）。 XTAL1（ 18 腳）：接外部晶體的 一個(gè)引腳。當(dāng)采用外部時(shí)鐘是，對(duì)于 HMOS單片機(jī)，此引腳接地：對(duì)于 CHOMS 單片機(jī)，此引腳作為外部振蕩器信號(hào)的輸入端。若采用外部時(shí)鐘，對(duì)于 CHOMS 單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端：對(duì)于 CHOMS 單片機(jī)，該引腳懸空不接。 ① P0 口：為雙向 8 位三態(tài) I/O 接口。 ② P1 口：為 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 接口，它的每一位都可以分別定義為輸入線(xiàn)或輸出線(xiàn)（作為輸入時(shí)，口鎖存器必須置 1）。 P3 的第二功能如表 31 所示。該引腳位單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。 ALE/PROG：地址鎖存有效輸出端。在訪(fǎng)問(wèn)外部?jī)?chǔ)存器時(shí)， ALE 輸出脈沖的下降沿用于鎖存 16 位地址的低 8 位。 ALE 端可以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 負(fù)載。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。 /EA/VPP ：當(dāng) /EA 保 持 低 電 平 時(shí) ， 則 在 此 期 間 外 部 程 序 存 儲(chǔ) 器 （ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 表 31 P3 口的第二種功能說(shuō)明表 引腳號(hào) 第二功能 RXD（串行輸入） TXD(串行輸出 ) INT0 （外部中斷 0） （外部中斷 1） T0(定時(shí)器 0 外部輸入 ) T1(定時(shí)器 1 外部輸入 ) WR (外部 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 ) RD (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 ) 單片機(jī)與繼電器的設(shè)計(jì) 本模塊功能是根據(jù)單片機(jī)的輸出信號(hào)控制照明設(shè)備工作。繼電器具有動(dòng)作快、工作可靠、安全性高，使用壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，使用歷史悠第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 7 久。繼電器可以直接隔離強(qiáng)電與弱電，無(wú)需另外附加光耦隔離電路。 繼電器的低壓控制端工作于低壓直流，但對(duì)于 AT89S51 單片機(jī)的 I/O 口來(lái)說(shuō)還是比較大的，所以我們通常使用圖 來(lái)實(shí)現(xiàn)三極管開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)單片機(jī) I/O 與繼電器的低壓控制端接口。只要在線(xiàn)圈兩端加電壓，線(xiàn)圈中就會(huì)流過(guò)電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，繼電器線(xiàn)圈只有兩個(gè)頭，加上額定電壓后線(xiàn)圈流過(guò)額定電流，產(chǎn)生的電磁力就克服彈簧力，通過(guò)電磁機(jī)構(gòu)使常開(kāi)第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 8 觸點(diǎn)閉合、常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。繼電器使用時(shí)通常就是把一般觸點(diǎn)串聯(lián)或者并聯(lián)用在主回路和控制回路中，完成控制任務(wù)。當(dāng)線(xiàn)圈斷電時(shí)，吸力消失，彈簧的反作用力將使銜鐵返回到原來(lái)的位置，從而使可動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜止觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）釋放。對(duì)于繼電器的“常開(kāi)，常閉”觸點(diǎn)，它可以理解為繼電器線(xiàn)圈不通電時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱(chēng)為“常開(kāi)觸點(diǎn)” 。 技術(shù)參數(shù)： 1 額定工作電壓是指在 繼電器線(xiàn)圈正常運(yùn)行所需的電壓。 2 直流電阻是指繼電器線(xiàn)圈的直流電阻，由萬(wàn)用表測(cè)量。在正常使用中，電流必須稍大于一個(gè)給定的上拉電流，使繼電器可以產(chǎn)生穩(wěn)定的效果。 4 放電電流是繼電器產(chǎn)生的最大脫扣動(dòng)作時(shí)的電流。此時(shí)電流遠(yuǎn)小于上拉電流。它決定了繼電器控制電壓和電流的大小，使用時(shí)不能超過(guò)此值，否則很容易損壞繼電器的觸點(diǎn)。 ②所述控制電路的電壓和電流 。繼電器的選擇，一般控制電第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 路的電源電壓可以作為選擇的依據(jù)。 2 獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，以確定使用條件，可以找到相關(guān)信息，確定需求和規(guī)格的繼電器型號(hào)。 最后確認(rèn)大小是否適當(dāng)。 繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。 繼電器 K1 的控制端（ 4,5）有三極管 Q1 來(lái)驅(qū)動(dòng)，只要單片機(jī) 輸出高電平則三極管 Q1 導(dǎo)通，繼電器 K1 的控制端 通過(guò) 電流，電磁鐵工作吸引銜鐵，于是 K1 的接觸端 1,3 導(dǎo)通，電燈 L 工 作。 由于繼電器 K1 的電磁鐵有一定的電感，在斷電瞬間可能會(huì)產(chǎn)生較大的反向電壓對(duì)三極管 Q1 不利，因此在繼電器 K1 控制端反接一個(gè)二極管 D1 用于放電。 光電管在一個(gè)真空的玻璃泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極，光電陰極 和陽(yáng)極。 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明的玻璃外殼中，它的 PN 結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射，光電二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 10 的。當(dāng)光照射在 PN 結(jié)上，光子打在 PN 結(jié)附近時(shí)，使 PN 結(jié)附近產(chǎn)生 光生電子和光生空穴對(duì)，使少數(shù)載流子的濃度大大增加，因此通過(guò) PN 結(jié)的反向電流也隨之增加?？梢?jiàn)，光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。照度的符號(hào)為 E(Ev)；單位為勒克斯 (流明／單位面積 )，符號(hào)為 其中， ? —— 光通量， A—— 面積。光通量通常用Φ來(lái)表示，在理論上其單位相當(dāng) 于電學(xué)單位瓦特，因視覺(jué)對(duì)此尚與光色有關(guān)。 、離開(kāi)或通過(guò)曲面的光能量。 流明 (lm) 是國(guó)際單位體系 (SI) 和美國(guó)單位體系 (AS) 的光通量單位。 光通量的物理表達(dá)式為： 0d=ddKV? ???? ?? ? ?? （ ） （ ） 式中： K： 光敏度、感光度（類(lèi)比：膠卷的感光度）、人眼對(duì)于彩色的感知能力 K = lm/W。 λ：波長(zhǎng)，事實(shí)上人眼只對(duì)波長(zhǎng)位于 380nm~780nm 的可見(jiàn)光有反應(yīng)，習(xí)慣ddAE ??第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11 上我們把低于 380nm 的光波稱(chēng)為紫外線(xiàn) (Ultraviolet，簡(jiǎn)稱(chēng) UV)， 把高于 780nm的光波稱(chēng)為紅外線(xiàn) (Infrared，簡(jiǎn)稱(chēng) IR)，這一點(diǎn)也反映在了視見(jiàn)函數(shù) V(λ)中。 人眼對(duì)亮度的敏感程度與顏色有關(guān)，在整個(gè)可見(jiàn)光范圍內(nèi)并不是均勻的 .可以用相對(duì)敏感函數(shù) 曲線(xiàn) 進(jìn)行描述 . 在環(huán)境明亮?xí)r，人眼對(duì)于波長(zhǎng) X=555nm（環(huán)境黑暗時(shí)為 507nm）的光線(xiàn)最為敏感 ,我們定義這時(shí)的相對(duì)視敏度 Vs(555)= X 為其它值時(shí)， Vs(X)均小于 X 的單色光 ,其輻射功率為 P(X),相對(duì)視敏函數(shù)為 Vs(X),則可以定義光通量為 Y(X)=P(X)*Vs(X)。 光敏電阻使用光電導(dǎo)體制成的光電器件，又稱(chēng)光導(dǎo)管，它是基于半導(dǎo)體內(nèi)光電效應(yīng)工作的。光敏電阻的工作原理是當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流很小。 光敏電阻的管心是一塊安裝在絕緣襯底上的帶有兩個(gè)歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但深入厚度有限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。 光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導(dǎo)體密封在帶有玻璃的殼體中。 常用的光敏三極管型號(hào)有： 3DU5C 3DU31 3DU33 3DU107 3DU303 L14C1 PT334 等 3DU 系列為金屬殼封裝，頂端為玻璃透光窗，對(duì) 880nm 的光線(xiàn)第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 12 靈敏度最高，常與紅外發(fā)光二極管配套使用，具有靈敏度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。芯片特點(diǎn)： PIN 光電二極管光譜特性及靈敏度都與人的眼睛相似，可代替人 眼 感受亮度的明暗變化，并將接受的可見(jiàn)光裝換成電流信號(hào)。 ⑴ LX1970 非線(xiàn)性誤差小，無(wú)需使用藍(lán)光濾光片，即可以有效的衰減紫外光及紅外光。 ％，可任選一段作為輸出。采用 +2～ + 電源，電源電流低至 85μ A(典型值 )工作溫度范圍是 40℃～ +85℃，外型尺寸 3mm 1mm，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。計(jì)算得 ADC0809 端口地址為7FFFH?？刹捎醚訒r(shí)的辦法讀取 A/D 變化的電壓數(shù)量一般來(lái)說(shuō)， ADC0809 完成轉(zhuǎn)換時(shí)間不87651234VSSNCNCSNKVDDNCNCSRCLX1970第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 13 超過(guò) 200μ s，如果需要及時(shí)讀取數(shù)字量，可以將 0809 的 EOC 端經(jīng)過(guò)反相器連接到 51 單片機(jī)外部中斷 0 端口， ADC0809 轉(zhuǎn)換完成通過(guò)觸發(fā)外部中斷口在中斷服務(wù)程序當(dāng)中完成數(shù)據(jù)的讀取和處理。 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)1512345(MOSI)6(MISO)7(SCK)8(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30(TXD)11(RXD)10GND20VCC40AT89S51D0D1D2/OED3D4D5D6D7Q0Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q1LE347813141718256912151619VCC74LS373VCCGND GNDr1PMHZC220PFC320PFAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7A0A1A2OEIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7STARTALED0D1D2D3D4D5D6D7A0A1A2RDWR47μFVCCVDDNCNCSRCLX1970VSSNCNCSNKGNDVCCA0A1A2ADC080950K圖 光敏原件的連接圖 ADC0809 各腳功能如下： D7D0： A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出端，該輸出端具有三態(tài)特性，能與計(jì)算機(jī)總線(xiàn)相接。 VCC： +5V 工作電壓。 REF（ +）：參考電壓正端。 START： A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端。（以上兩種信號(hào)用于啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換） EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束