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1、常州刘国钧高等职业技术学校毕业论文论文名称 基于单片机的教室灯光控制系统的设计系 部 机电工程系 专 业 电气自动化 班 级 1164 姓 名 周新成 学 号 116419 2016年4月1 日基于单片机的教室灯光控制系统的设计摘要：本文针对高校教室照明的特点和应用需求，提出了一种基于单片机的照明控制系统。AT89S51单片机作为控制模块的核心部件，热释电红外传感器检测人体的存在，采用光敏三极管构成的电路检测环境光的强度；根据教室合理的信号灯和环环境光信号的识别和判断，对人的身体状况，对教室照明智能控制，避免随着大量浪费电教室。该系统具有报警功能，还采用了软/硬件“看门狗”等抗干扰措施。该系统
2、能满足各类高校对照明控制的要求，在很大程度上达到节能的目的。 关键词：单片机；智能控制；热释红外传感器；X504527 / 40Design of Lighting Control System Based on MCUAbstract：This paper copiously studied using features, lighting requirements and the existing problems of the university classroom, at last a kind of lighting control system based on mcu of c
3、lassroom was put forward. The system used AT89S51 microcontroller as a core component of the control module. It introduced pyroelectric infrared sensor to detect the existence of human body, and used circuit which constituted of photosensitive triode to detect the strength of environment lighting. T
4、he navar according to the resonable conditions of turning on classroom light and the identification of signal about environmental lighting and existing of human body, achieved the intelligent control of classroom lighting . At last, it avoid the waste of electricity. It also had alarming function, a
5、t the same time anti-interference measures such as the software / hardware watchdog was adopt. The system can meet institution requirements for classroom lighting control, largely achieved the purpose of energy saving.Key words: Microcontroller；Intelligent control；Pyroelectric infrared sensor；X5045
6、目录摘要ABSTRACT第1章 引 言11.1 课题研究的目的与意义11.2 采用智能照明控制系统的优势11.3 智能照明控制系统的研究现状21.4 本章小节3第2章 教室灯光控制器简介与方案分析42.1 大学教室照明控制现状42.2 教室灯光控制器简介42.3 系统控制方案分析42.4 本章小节5第3章 系统控制模块的硬件设计63.1系统控制模块的硬件构成63.2系统控制的主要硬件电路73.2.1系统主控电路73.2.2系统供电电路83.2.3系统复位电路93.2.4数据采集电路103.2.5系统时钟电路133.2.6继电器驱动电路153.2.7超时报警电路153.2.8按键控制电路163.
7、3 本章小节17第4章 控制模块软件设计184.1系统监控主程序模块184.1.1系统自检初始化184.1.2定时中断处理设计194.2数据采集模块204.2.1人体存在传感器的优缺点204.2.2数据采集软件的实现204.2.3人体存在传感器的抗干扰措施214.2.4人体存在传感器的安装要求214.3时钟模块224.3.1数据输入输出224.3.2时钟自检初始化234.3.3时钟程序设计254.4 系统工作总流程264.5 本章小节26第5章 系统调试运行及问题分析285.1单片机系统调试方法及步骤285.2主要问题分析30第6章 结束语31致 谢32参考文献33附 录34第1章 引 言1.
8、1 课题研究的目的与意义 本文针对高校教室照明的应用要求和特点，提出了一种基于单片机的照明控制系统。AT89S51单片机作为控制模块的核心部件，热释电红外传感器检测人体的存在，采用光敏三极管构成的电路检测环境光的强度；根据教室合理的信号灯和环环境光信号的识别和判断，对身体条件、教室照明智能控制，避免浪费电教室。该系统具有报警功能，同时采用硬件/软件“看门狗”等抗干扰措施。该系统能够满足各高校对照明的控制要求，达到节能的目的。1.2 采用智能照明控制系统的优势传统的照明控制系统主要是由照明配电箱通过手动开关来实现对照明开关的控制，或串联接触器的照明电路，实现遥控器 6 ，在光开关控制下手动开关，
9、所以在很大程度上依赖于主动的人。智能照明控制系统的基础上，使用一个特定的地区，不同时间的一天，室外光亮度或区域自动控制照明。它可以充分利用自然光，实现智能照明管理。具体而言，其优越性主要表现在以下几个方面：（1）提高智能照明控制的水平，整个照明系统的自动状态，可以根据不同的情况在不同时期的不同情况下，在不同的情况下，预先设定合适的照明效果，更加智能化和人性化。（2）为降低功耗，节能效果好，充分利用自然光作为光源，辅以人工光源，并结合室内人员，只有在必要时打开照明灯，节能效果十分显著，一般可达到30% 7 。（3）改善室内环境，提高室内人员的工作效率。（4）提高建筑照明系统的管理水平，传统的人工
10、智能化管理方式，将大大降低维护和管理的操作，建设成本。无论如何，新的照明控制器和系统，以节省照明用电，减少环境污染，满足人民日益增长的照明质量，照明环境和减少环境污染，建立高质量和效率，经济和舒适，安全，可靠，环保照明系统具有非常重要的意义。1.3 智能照明控制系统的研究现状目前在中国的几个常见的照明控制系统如下： l、Dynalite智能照明控制系统 该系统主要由一个光调制模块，一个开关模块，一个控制面板，液晶触摸屏，智能传感器，编程接口，时钟管理，手持式程序员和电脑监控机组件。使用dynet网络连接，dynet是一个分布式的智能网络、RS-485通信协议 8 的使用。该系统的工作原理是：控
11、制模块由微处理器控制，所有的控制组件在dynet网络互连，在记忆中的每一个设备的网络是所有指令所需要的操作。用户使用控制面板按钮来选择一个预置的场景是最简单的方式来控制。每个调光装置可预置96个场景。使用时钟控制器也是一种常见的照明控制方式。另一种常见的设备是一个通用传感器，它由一个静态和动态的控制措施，远红外跟踪，光度检测光电管和远程控制接收器。 2、C-Bus智能照明控制系统 C-Bus总线系统的开发是在1994由澳大利亚奇胜电器公司，现在广泛使用在许多国家和地区。C-Bus系统是一二线的总线型智能控制系统，它主要用于照明系统的控制。它也可以被用于消防系统的联动控制，所有的设备（除了电源）
12、是内置在微处理器和存储单元，这是连接到一个网络由一对信号线（双绞线）。每个单元具有一个唯一的单元地址，用于设置软件的功能，通过输出单元控制每个循环的负载。输入单元通过该组地址和输出组件建立相应的关系。当有输入时，输入单元将转换为总线信号在总线系统总线广播，所有的输出单元接收并做出判断，控制相应的输出回路。控制方法包括现场控制、定时控制、红外传感器控制、局部控制和集中控制。控制和集中调光控制，组合控制，系统联动和广域控制。 3、ABB i-bus EIB智能安装系统 EIB智能系统总线、电源总线，智能传感器（光传感器，模糊开关，时间控制器，移动传感器）、智能开关驱动器和其他智能设备（逻辑模块总线
13、耦合器） 9 。它是典型的现场总线系统，每一个单元都是一个节点和节点连接在一块2芯扭曲的介质中，主从关系实现相互通信，从而实现控制和控制。1.4 本章小节在我国，对照明的智能控制在教室的缺失和不完善，仍然是传统的人工管理方式。各类大、高校招生规模不断扩大，教室不断扩大，教室用电负荷也会不断增加，课堂用电管理不善，造成学校电力浪费，浪费和今天的节能思路相反。此外，现代自动化程度日益提高，计算机技术的普及，照明的管理也正在朝着自动化、智能化的方向发展。因此，开发一种简单实用的教室照明自动控制系统具有重要的现实意义。第2章 教室灯光控制器简介与方案分析2.1 大学教室照明控制现状分析大学教室的用途，
14、白天以上课为主，照明光源以自然光为主，人工照明为辅，用以补偿在阴天或有遮挡时教室里照度不足的区域；中午及晚上以学生自习为主，少数教室也用来上课，不管是上课或是自习，为了保护视力和提高学习效率，学生们均需要有良好的照明环境，但这些对照明环境的要求也造成一个直接后果，出现资源的浪费问题。所以，需要在保证教室照明要求的前提下，研究照明节能问题。要实现照明节能主要有两种方法：一种是选用高效照明光源或灯具，如节能灯。在保证照明质量的前提下，降低照明用电量的根本措施就在于提高照明设备的效率，即提高光源与灯具的效率；另一种是在现有照明灯具的基础上研究智能照明控制策略，即在充分研究照明对象的需求上，通过优化照
15、明系统的运行来达到节能的效果10。在照明灯具方面，大学教室多采用荧光灯，采用直接照明的方式，比较满足现有的需求，所以本课题着重论述后面一种方法，改进照明控制策略和运行方式。2.2 教室灯光控制器简介 教室灯光控制器可实现有效的教室灯光智能控制。其输入参数主要是人体存在信号和环境光信号等的外界因素，环境光的强度达到一定值时不开灯，环境光强度在一定阀值以下且有人存在时开灯，理论和实验证明用这种方式来对教室灯进行智能控制可以实现上述目标。教室灯光控制器一般安装在教室内避开电灯直射的位置，且人体传感器安置时应使人体活动方向与人体传感器中两个热释电元连线方向垂直，这样可使人体存在信号采集更加灵敏、可靠，
16、同时还要尽可能避免外界风直接吹向人体传感器。2.3 系统控制方案分析该控制器以自然光强度和人体存在作为控制器的主要输入参数，能够实现自动与手动控制相兼容。首先，系统默认为自动控制，当按键模块感应到有键按下时，系统改为强制控制。然后，在自动控制模式下：当自然环境光较强光线足够时，无论人是否存在，都不开灯；在自然环境光较弱时，有人存在且超过一定时间，控制器自动打开电灯，直到人离开后再延时一定时间后关灯。同时，还可设置作息时间来控制，夜晚超过10点，若还有人存在，则关闭自动控制器的运行，改用开关来手动控制，以解决因特殊情况下，自动控制器的不人性化运行。该教室灯光控制器主要是由硬件和软件两大部分组成。
17、硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到设计目的。2.4 本章小节整个系统的设计要求主要有手动和自动控制的选择，时间的控制及信息的采集。本章对信息的采集进行了简单的分析，信息来源主要有教室里自然光的强度和人的存在与否，并且采集信息的电路及其他各电路需要抗干扰能力强，防止误动作；安装、操作简单，维护方便；总体成本低这些特点。 第3章 系统控制模块的硬件设计考虑到本系统所安装的环境影响因素比较多，且教室控制设备中的人体存在传感器、光敏三极管等经常会因环境情形变化而不稳定，
18、所以在设计过程中，电子元器件的选用、线路布置和设备的安放要充分考虑到抗干扰问题。3.1系统控制模块的硬件构成系统控制单元是以AT89S51单片机主控模块为核心，其它外围电路主要包括：环境光采集电路、时钟模块、人体存在传感器模块、看门狗模块、按键电路、EEPROM存储模块、超时报警模块、继电器驱动模块，其结构框图如图3-1所示。EEPROM 存储器模块AT89S51单片机最小系统环境光采集电 路看门狗模块人体存在传感器按键电路时钟模块图3-1被控灯具继电器驱动模块超时报警模块 图3-1 系统控制单元结构图环境光模块采用光敏三极管来检测环境光的强度，有光照时，电阻减小，随着光照强度的减弱，电阻逐渐
19、增大，把光信号转化成电信号，实现对光强度的检测。人体存在传感器模块采用HP-208是基于红外线技术的智能产品，实现对人体存在的检测。硬件时钟模块采用具有充电能力的低功耗，具有临时性存放数据的RAM寄存器的实时时钟芯片DS1302。该电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛的使用。系统数据存储及故障保护部分由X5045组成，X5045是一种串行通讯的512字节EEPROM，同时兼有看门狗和电源监控功能键盘模块。3.2 系统控制的主要硬件电路3.2.1 系统主控电路本课题是基于单片机的系统设计，所以针对单片机做了AT89S51与AT89C51的比较与选择如下： 1.程序存储器写入方式：二者的写入
20、程序的方式不同，AT89C51只支持并行写入，同时需要VPP烧写高压。AT89S51则支持ISP在线可编程写入技术、串行写入、速度更快、稳定性更好，烧写电压也仅仅需要45V即可。 2.电源范围：AT89S51电源范围宽达45.5V，而AT89C51系列在低于4.8V和高于5.3V的时候则无法正常工作。 3.工作频率：目前AT89S51的性能远高于AT89C51,AT89S51支持最高高达33MHz的工作频率，而AT89C51工作频率范围最高只支持到24MHz。 4.市场价格：由于AT89C51已经全面停产,所以在市场价格方面，库存的AT89C51的批发价格要比AT89S51贵将近一倍. 5.兼
21、容型：89S5*向下兼容89C5*，就是说用AT89S51可以替代AT89C51使用，同样的程序，运行结果相同。 6.加密功能：AT89S51为全新的加密算法，这使得对于AT89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。 7.抗干扰性：内部集成看门狗计时器，不再需要像AT89C51那样外接看门狗计时器单元电路。8.烧写寿命更长：AT89S51标称的1000次，实际最少是1000次10000次，这样更有利初学者反复烧写，减低学习成本。综合上面的几点区别比较，了解到AT89S51是一种低功耗，8位CMOS工艺处理器，具有8K在线可编程Flash存储器的单片
22、机。其优势在于片内的Flash可多次编程，为在线编程提供了方便；片内有128字节的RAM，4KB的EEPROM，由于合理的安排使用片内RAM空间，所以没有片外扩展的RAM，使电路结构变得简洁。因此，个人认为本课题基于单片机的教室灯光控制系统的设计更适合选用AT89S51单片机作为本系统模块的主控芯片，该芯片的主要特征见如表3-1所示： 表3-1 AT89S51主要特征AT89S51引脚外围器件引脚说明P1. 0X5045SIX5045串行输入端P1. 1X5045SCKX5045串行时钟端P1. 2X5045CSX5045片选端P1. 3X5045S0X5045串行输出端P1. 4工作状态指示
23、灯P1. 5DS1302CLKDS1302时钟线P1. 6DS1302I/ODS1302数据线P1. 7DS1302RSTDS1302复位线P3. 0- P3. 1数据采集输入端P3. 3人体存在传感器输出信号端P3. 4超时报警信号输入端P3. 7光敏三极管输入信号端(1) 40（Vcc）20（GND）脚间的电压应有5V 。(2) 18、19脚分别与20脚间有1.72.5V电压 。(3) 9（RST）脚与GND间电压基本为0 。(4) 31（EA）脚与20（GND）脚间电压为5V 。3.2.2 系统供电电路系统采用+5V电压供电。本设计采用输出电压为9V的变压器。系统接通220V交流电源后，
24、将220V交流电变压到9V，经过二极管全波整流、电解电容C1，C2滤波，再经正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用了电容C3，C4，最后得到+5V的直流电压，用于给控制系统中单片机系统及其它外围电路的Vcc端供电。系统供电原理如图3-2所示。图3-2 供电原理图3.2.3 系统复位电路系统复位电路的作用是使系统得到充分复位，实现稳定可靠的工作。在单片机工作过程中，不可避免的会由于外界的干扰而产生程序跑飞、死机甚至造成整机瘫痪等情况。为了能够及时恢复单片机的工作，只能采用重新复位的方法，因此还应该在硬件设计中使用看门狗电路，这样在单片机发生死机的情况下，看门狗将产
25、生一个复位信号给单片机，使单片机复位，重新执行程序。由于此次系统设计同时需要看门狗和EEPROM，所以本设计中使用芯片X5045。X5045具有三种常用的功能：看门狗定时器、复位控制和EEPROM11。这三种功能是集成在单个8引脚封装的CMOS器件内，将电源监控和看门狗功能以及高速三线非易失性存储器组合在一起，从而在很大程度上降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求，X5045的引脚排列如图3-3。图3-3 X5045的引脚图 看门狗定时器的预置时间是通过X5045的状态寄存器的相应位来设定的。如表3-2状态寄存器所示，X5045状态寄存器共有6位。其中WD1、WD0和看门狗电路有关，其余位和
26、EEPROM的工作设置有关。表3-2 状态寄存器7654321000WD1WD0BL1BL0WELWIPWD1=0，WD0=0，预置时间为1.4S，WD1=0，WD0=1，预置时间为0.6S，WD1=1，WD0=0，预置时间为0.2S，WD1=1，WD0=1，禁止看门狗工作。看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。X5045硬件部分连接如图3-4。图3-4 系统看门狗电路系统看门狗电路由系统数据存储及故障保护部分组成，X5045是一种串行通信512字节的EEPROM，同时兼有看门狗和电源监控功能，X5045有三种可编程看门狗周期，
27、上电和Vcc低于检测门限时，输出复位信号，X5045输出复位高电平有效，为了复位更加可靠，其复位输出端外接一个10K的上拉电阻，并与AT89S51的复位端相连。看门狗能在电源上电、掉电期间产生一个复位信号。该芯片还带有一个1.4s的看门狗定时器可用来监控单片机的工作。如果在1.4s内未检测到其工作，出现故障，内部定时器将使看门狗WD1处于低电平状态，为系统提供保护，避免死机、程序跑飞或进入死循环等意外的发生。3.2.4 数据采集电路针对本课题数据的采集，首先分析此次研究设计的背景是在校园教学楼的教室里，主要采集的参数有教室的环境光强度和人体存在与否。常见的环境光强度采集器件主要有光敏二极管和光
28、敏三极管，考虑抗干扰的需要，选用灵敏度较高的光敏三极管。此外，人体存在传感器要求灵敏度高，可靠性强。本系统采用逻辑电平输出的HP-208型号的人体传感器。一、环境光采集电路光电传感器是一种能够将光转换成电量的传感器。采用的光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转变成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。再无光照时三极管的穿透电流很小，为暗电流。有光照时，穿透电流增大，成为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。因此光敏三极管灵敏度高，而且体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点。环境光采集电路原理图如图3-5所
29、示。当教室内自然光光照强度高于一定程度时(即设定参数），则光敏三极管D6呈现低阻状态即小于1 K，三极管Q8的基极电压将增大，使三极管Q8饱和导通，就会使三极管Q8集电极输出低电平，不参与工作。当办公场所室内自然光光照强度小于一定程度时(即设定参数)，则光敏三极管D6呈现高阻状态大于100 K，使三极管Q8截止，Q8的集电极输出高电平，参与电路工作。其中可变电阻R9是作为调节室内环境光光照强弱灵敏度参数的器件，其阻值的大小，将会是三极管Q8在不同的室内环境光照强度参数下导通，而R10、C9组成的电路是防止外界干扰而设计的，具有防干扰的作用。 图3-5 环境光采集电路图二、人体存在传感器的工作原
30、理自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线，利用红外线传感器可对其进行检测。根据工作原理，红外传感器分为热型和量子型两类，热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器。与量子型相比，热型的红外线波长范围较宽，价格便宜，并在常温下工作。量子型与热型的相反，而且要求冷却条件。本系统采用的是热释电红外传感器，人体存在传感器主要采用了红外传感器的原理，它是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、自动照明等场合，及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。其原因为：被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；大气对2-2.61Lm、3-51Lm、8-
31、141Lm三个被称为“大气窗口”的特定光通量的红外线吸收较少，非常容易被检测；中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性如下：人体都有恒定的体温，一般在37，所以会发出特定波长10M左右的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的10M左右的红外线而进行工作的。人体发射的10M左右的红外线通过菲尼尔滤波片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生有人体存在的信号12。1）这种探头是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为10M左
32、右的红外辐射非常敏感。2）为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面覆盖有特殊的菲尼尔滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。3）人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。4）一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被人体存在传感器的热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，不能抵消，经信号处理而输出有人体存在的信号。5)菲尼尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控现场，视场越多，控制越严密。有人进入时
33、，移动人体发出的红外线被红外传感器接收，则人体存在被感应，并输出高电平。若人体进入最不敏感移动方向时，人体传感器所体现的信号就不会理想，有时还会产生误动作，所以要特别注意人体传感器的安装方向。三、人体存在信号采集电路人体传感器HP-208基于红外线的智能产品，它的主要特性如下： （1）感应为全自动方式，人进入感应范围时输出高电平（高3.3V），人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平（低0.3V），其高低电平利于采集； （2）采用可重复触发方式。即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时15s后将高电平变为低电平； （3）
34、人体传感器工作电压宽为DC3V-DC24V； （4） 人体传感器制作成锥面形状，感应范围大于小于140锥角，感应距离为7m以内； （5） 其静态电流小于50A，功耗低； （6） 工作温度介于-15和+70之间，适应性强； （7）灵敏度高，可靠性强。 人体传感器的1号引脚为电源信号端，3号引脚为地信号端，2号引脚为采集信号输出端。在电路设计中，为了使人体传感器的工作更加可靠，介于人体传感器的信号引脚2与地信号引脚3之间加一个6800pF的电容，另外人体存在传感器的信号引脚2与单片机的P3.3引脚相连，P3.3引脚再接一个100K的上拉电阻，增加人体存在传感器输出信号的可靠性，其电路原理图如图3-
35、6。图3-6 人体传感器电路图3.2.5 系统时钟电路根据教室灯光使用特性，该系统还应受到时间的控制，因此本研究还加入硬件时钟电路以保证系统的智能化运行。传统的时钟芯片，如MC146818、MC68H68T、LM8365等，这些芯片的引脚太多，体积大，占用的口线多。而现在流行的串行时钟芯片很多，如DS1302、DS1305、DS1307、PCF8485等，这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛的使用。考虑到本系统停电时需为时钟电路提供电源、且不占用太多单片机资源，本系统采用美国DALLAS公司推出的具有充电能力的低功耗18的用于临时性存放数据的RAM寄存器的实时时钟芯片DS1302。此
36、芯片采用的是串行通信方式，可为掉电保护电源提供充电功能，也可以将此功能关闭。该芯片对年、月、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V13。DS1302只需三根线即可与单片机进行通信，体积小，使用简单，时钟精度较高14，满足系统的要求。可为掉电保护电源提供可编程的充电功能的时钟芯片DS1302的引脚图如图3-7所示。图3-7 DS1302的引脚图DS1302与单片机接口电路连接原理图如图3-8，其中Vcc2外接3.6V可充电的锂电池，为DS1302的备用电源。Vcc1外接系统供电模块的输出稳定电压+5V，为DS1302的主电源。DS1302由Vcc1和Vcc2两者中较
37、大者供电。当Vcc1大于Vcc2+0.2V，由Vcc1给DS1302供电，系统正常运行；在主电源关闭的情况下，Vcc1小于Vcc2，由Vcc2给DS1302供电，保持时钟的连续运行。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送，与单片机的复位信号相连。时钟输入端SCLK接单片机P1.5引脚，进行时钟控制。数据输入/输出端I/O接单片机P1.6引脚，进行数据传输。图3-8 DS1302与单片机接口电路连接图3.2.6 继电器驱动电路继电器驱动接口电路如图3-9所示，这里继电器由相应的PNP型号的9012三极管来驱动。开机时
38、，单片机初始化后的P3.5/P3.6 为高电平，三极管截止，所以开机后继电器始终处于释放状态。如果P3.5/P3.6 为低电平，三极管的基极就会被拉低而产生足够的基极电流，使三极管导通，继电器就会得电吸合，从而驱动负载，点亮相应电灯。继电器的输出端并联100的电阻和6800pF电容，目的是避免继电器吸合与释放期间产生火花。继电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管，这种继电器驱动方式硬件结构比较简单。图3-9 继电器驱动电路3.2.7 蜂鸣报警电路在教室中，若采用手动方式控制时，一方面由于学生及管理人员的疏忽，教室里没有人而灯还亮着，导致教室灯工作超时，能源
39、浪费。于是本系统采用蜂鸣报警电路，以声音的方式来教室无人并关闭电源；另一方面由于学生学习紧张，在夜里忘了时间点，学习期间开灯时间过长，致使教室灯工作超时，于是本系统蜂鸣报警电路就会发出声音，在晚上10点时提醒学生应该休息或必须改用手动强制控制灯了。这样，还可以更好的保护公共设施。本系统采用超时报警的电路如图3-10所示，单片机的P3.4端口外加一个10K的上拉电阻，在经过限流电阻100与三极管C945的基极相连。当P3.4端口为低电平，即基极为低电平时，三极管导通，驱动蜂鸣器发出声音，以示教室灯工作超时。若P3.4端口为高电平，即基极为高电平时，三极管截止，蜂鸣器不工作，教室灯工作正常。本系统
40、采用超时报警电路方便了管理人员对教室的管理，能够更好地、及时地管理教室。图3-10 蜂鸣报警电路3.2.8 按键控制电路按键控制电路如图3-11所示。按键的输入信号分别接到P2.0，P2.1，P2.2，P2.3，用二极管和与门电路将按键信号引到外中断0的引脚P3.2。按键控制电路采用单片机P2口的低4个口作按键的输入信号端，信号取自电阻的分压。当按键未按下时，P2.0P2.3端口的电压接近电源电压，为高电平，当某一按键按下时，对应端口被按纽开关短接到地，为低电平。单片机检测4个端口电平的变化，从而确定是哪个键被按下。键盘工作方式采用中断扫描方式，4个二极管和10K电阻组成与门电路，当任一键按下
41、时，与门输出P3.2引脚的电平都会由高变低。P3.2第二功能是外部中断0的输入引脚，我们利用其电平的变化产生中断，在中断服务程序中读入P2口低4位信号，确定哪个键按下，执行相应的按键功能，0.1pF电容和10K电阻组成滤波电路，消除按键的抖动。 图3-11 按键控制电路3.3 本章小节针对本研究设计的任务要求，本章首先对主控芯片单片机进行了比较选取，最终选取了在大学期间学习的较为熟悉且功能强大的AT89S51单片机，然后分别对外围电路各大模块（按键控制、时钟控制、环境光采集、人体存在传感器等等）进行了具体的研究分析，阐述了它们的工作原理，完成了教室灯光控制系统的硬件部分设计。第4章 控制模块软
42、件设计在单片机硬件系统的基础上，再配上相应的软件，才能构成一个完整的系统。用户软件的开发与系统硬件有着密切的关系。在系统的硬件及输入输出的方法确定后，程序软件就可以完全独立的进行设计、开发。4.1系统监控主程序模块监控程序按模块分为监控主程序和命令处理子程序15。监控主程序的基本任务是调用子程序，一个主程序可以调用多个子程序，对于51系列单片机，系统资源有限，主程序通常是一个无限循环的过程，即是一个反复调用子程序的过程。子程序主要分为中断子程序和功能子程序，它们之间可以互相嵌套和调用，即中断子程序可以调用功能子程序。在应用软件的设计中，尽可能各个功能模块写成子程序的形式，并通过主程序调用。而命
43、令处理子程序完成各种命令所规定的具体操作，它按各种命令再分为不同的子程序模块，它的编程方法与功能要求及系统应用密切相关。监控主程序是整个控制系统的核心部分，其它外围模块一般都需经过监控模块实现其在控制系统中的作用。监控主程序接受和分析来自键盘的命令，进而把控制转到相应的处理子程序的入口，起引导作用。本系统监控主程序模块主要包括对系统外围器件输入、输出参数的初始化自检，看门狗的激活，多任务操作模块的调用(系统中的信号采集处理、时钟管理、按键接收处理)，实时中断处理等。除初始化和自检外，监控主程序一般总是把其余部分连接起来构成一个无限循环，系统所有功能都在这一循环中周而复始的有选择的执行16。4.
44、1.1 系统自检初始化系统自检初始化是保证整个控制系统能够正常运行的重要条件，系统加电复位后，直接进入自检初始化程序，完成系统的自检及初始化。本系统中的自检初始化主要指各接口芯片的检测、芯片内部设定参数的初始化及系统内部寄存器的初始化。各接口芯片的检测主要检测各芯片是否已处于准备工作的就绪状态，有无硬件故障等，如检测硬件时钟DS1302是处于更换芯片后初次使用未起振状态，还是处于备用电源供电振荡保持状态，即检测系统中控制时间表的有效性，检测热释红外传感器输出信号是否正常体现人体存在的信息，检测光采集电路输出的信号等。若时钟芯片处于启动状态，则需要对其进行初始化并启动实时时钟。系统内部寄存器初始
45、化主要是指在数据缓冲区内，各用户定义的数据变量的初始化赋值及部分特殊功能寄存器SFR的复位初始化，单片机复位后，程序计数器PC指向程序存储器的入口地址0000单元，程序状态字寄存器PSW清零，片内存储器选择区工作寄存器，用户标志位F0为0状态，堆栈指针SP指向07H,其它定时器、中断允许寄存器IE,累加器ACC等皆为00H。4.1.2 定时中断处理设计定时中断是利用单片机内部的定时器定时，时间到或计数值已满引起的中断，内部定时器的计数器可以对内部时钟或从外部引线T0和T1输入的外部脉冲进行计数。计数器的溢出信号作为中断请求信号，去置位定时器溢出标志位，向单片机的CPU申请中断17。定时中断为周
46、期性中断，每隔一定的时间会中断一次。本系统中设定的定时中断主要用来构造多任务操作系统，在系统响应中断后，无需对断点实施现场保护，可直接进行多任务时间的划分工作，使相应的操作任务进入就绪状态，即该中断可以启动有关的任务操作。该定时中断处理程序框图如图4-1所示： 开始定时中断到？Y多任务时间启动划分 N下一步图4-1 定时中断处理程序框图本系统还采用了外部中断，此外部中断主要用来判断是否有外来信号输入，若有，就采集下来并加以处理；若无，则返回到主循环。4.2 数据采集模块本控制系统中的数据采集对象为环境光信号及人体存在信号，在程序设计中对这两个数据的采集放置在多任务模块中实施定时采集。4.2.1 人体存在传感器的优缺点人体存在传感器具有本身不发出任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉的优点。而缺