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1、摘 要本研究针对教室灯光的控制方法，尤其是教室灯光的智能控制方面的发展现状，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机的教室灯光智能控制系统的设计思路，并在此基础上开发了智能控制系统的硬件装置和相应软件。 该系统以AT89C52单片机作为控制装置的智能部件，采用热释红外人体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;根据教室合理开灯的条件，系统通过对人体的存在信号和环境光信号的识别和智能判断，完成对教室照明回路的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。系统还具有多种报警功能;同时还采用了软/硬件的“看门狗”技术等抗干扰措施。单片机软件采用汇编语言编制，采用模块化结
2、构设计、条理清晰、通用性好，便于改进和扩充。 该系统具有体积小，控制方便，可靠性高，专用性强，性价比合理等优点，可以满足各类大、中专院校教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能目的。关键词:人体；红外线；传感器；自动控制；热释电 AbstractCurrently light intelligent control systems are not efficiently used in the classroom. In order to improve the system, based on control and current methods of how to keep control
3、，developing intelligent classroom light control system and developed the hardware and software system. This classroom light intelligent control system the theory of the light put forward methods ofon the basis of AT89C52 is developed, which machine of AT89C52 is a major part, and the environment of
4、development is better than before. This system can satisfy the following functions, such as controlling the circuit of illumination, testing and processing daylight signal, testing and processing the signal of human body that illuminates the back track exists, reporting to the warning devices,etc.In
5、 order to satisfy these functions, the system adopted the homologous methods respectively, and to the gearing of the system, analyzing how to install，test and run the system. The microcontroller software was developed based on assemble language. Assemble language is one kind of structured program la
6、nguages, it has more advantages than other high-level languages. Assemble language adopts building block design. Its commonality is very good and easy to improve and expand. It could be used to develop larger一scale system with more perfect performance. At the same time, the anti-jamming technologies
7、, such as watchdog, are necessary when developing hardware and software.This system had many advantages. For example, the physical volume was small，the system was conveniently controlled, the credibility was high, the appropriation was strong, and its price proportion was ideal,etc. The experiment p
8、roved that the system can satisfy the control command of the classroom s light device, so it could largely reduce the consuming of energy resources. Key words: Human body, infrared ray, sensor, automatic control，heat to release the electricity1.目录摘要-1ABSTRACT-21.引言-5-5国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题-5-7 研究内容
9、-7 研究目标-7本课题拟解决的关键问-8-8-82.2系统控制方案的分析-8-9-9- -9 系统主控电路-10 在线编程模块电路-10 系统供电电路-11 数据采集电路-12 系统时钟电路-16 系统看门狗电路-19 继电器驱动接口电路- -21 超时报警电路-214控制模块软件设计与开发-22-23 系统自检初始化-23 定时中断处理-24 多任务操作系统的构建-24-25 人体存在传感器的优缺点-25 数据采集软件设计的实现-25 人体存在传感器的抗干扰措施-26 人体存在传感器的安装要求-27-27 数据输入输出-27 时钟内部寄存器的使用-28 时钟自检初始化-29 时钟程序设计-
10、30-30 ULN2803驱动器的应用-32 显示程序设计-32-33 键功能处理程序-335系统调试运行及问题分析-34方法及步骤-34 5.2出现的主要问题及分析解决-35-36-36-37-38参考文献-39附图A-40附图B -41附录一 -42附录二-441.引言随着社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平也不断提高，导致用电负荷的加剧，又由于世界性的能源危机，能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。而此问题对我国来说尤为严重。随着各类大、中专院校的扩招，教室的扩建，教室照明的需求也越来越多，而教室照明的管理不到位，往往造成电能的巨大浪费，这样，提高教室用电效率就成为首要考虑的问题。 目
11、前对灯光的智能控制，国内外己经开始采用，但对教室灯光的控制，尤其是我国教室灯光的智能控制尤为缺乏和不完善，依然是传统式的人工管理。各类大、中专院校不断扩招，教室不断扩建，教室的用电负荷不断加大，教室用电管理不善，造成学校电能浪费，经济损失，这种的浪费与当今的节约能源理念相违背。再者，现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，灯光的管理也在朝着自动化、智能化方向发展。例如楼道灯光的自动控制等等。所有这些使得教室灯光控制也应该朝着智能的方向发展。于是，开发简便、实用的教室灯光自动控制系统便具有重要的现实意义。 世界各地发电的主要原料是煤炭、石油和天然气，而丹麦在能源利用方面的成功经验提供了很好的借
12、鉴。从1974年以来，尽管丹麦国民收入增长了50%，丹麦总的能源消费量并没有增加。丹麦是OECD成员国中能源消耗量和国民收入比值最小的国家。他们不断地提供一些节能供热系统，例如丹麦热电同供热电厂(CHP)，而且，他们尽可能的有效利用资源。这样，他们的能源使用总效率达到了90%。丹麦政府很重视住房空间用电的节能，并设立了对新建房屋节能的诸多要求。数据显示，居民入住有节能装置的房子时，他们要支付比没有节能方案房屋高出8%的费用。其节能项目经验在欧盟国家中广为流传。还有，欧司朗一斯维尼亚公司不断的推出新型高输出的荧光灯，节约6%的总系统功率，并具有更高的光通和平均光通量。飞利浦照明公司推出的陶瓷金卤
13、灯代替过去的卤钨灯，可节能60%的电能。种种迹象表明世界各国都在采取不同方式来节约能源，节约电能。中国经济持续多年的高速发展让能源问题日益突出。虽然我国能源总储量不低，但由于我国人口众多，所以人均储量少，单位产值的能耗是发达国家的3-10倍。能源问题已成为制约我国国民经济发展的关键问题。从环境和自然资源角度出发，能源问题也是我国长期可持续发展战略中一个关键因素。此外，能源问题不仅关系经济发展和环境生态，在特定情况下还会对社会稳定有很大影响。鉴于能源问题的重要性，我国在绿色照明工程新闻发布，绿色照明工程未来五年间将在公用设施、宾馆、商厦、居民住所等全国建筑物中推广亿只节能灯，节电290亿度电。上
14、海、河北等一些地方采取政府对节能灯大宗采购每只补贴3至4元的方式进行推广。从普通白炽灯到高效节能灯，使我国的电光源产品结构逐步向节电型转变，荧光灯与普通白炽灯的比例由1995年的l:前的l: 1. 5。 目前，我国照明用电约占社会总用电量的12%，采用高效照明产品代替传统的低效照明产品可节电60%到80%。如今，北京正在大力推行绿色照明工程，己推出上百万只绿色照明光源和部分节能电器，据测算年节约用电可达3442万千瓦时，节约电费万元。政府己经在商厦、学校、医院等更换了24万只节能灯具。在奥运工程的建设上，也大量运用节能技术，北京的奥运厂馆“水立方”，通过采用大量的节能灯具，装备新技术，通过增强
15、透光性白天可节约照明能耗50%。 我们党在2000年10月11日党第十五届中央委员会第五次会议通过的中共中央关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划的建议中明确指出:“加强基础设施建设是今后五年至十年一项十分重要的任务。”其中提到的基础设施建设就包括了能源建设。建议还强调了能源建设要发挥资源优势，优化能源结构，提高利用效率。面临如此紧迫的能源问题，我们应该把着眼点放在“高效加强环境保”利用“清洁”能源。由此可见，节能照明用电，对节能具有重要的意义。目前国内各类院校中，由于同学们的自觉节能意识薄弱，在光线足够强时也开灯，护洁课上完离开教室后灯还亮着的现象普遍存在;而且，节能规划极为欠缺，教室的灯
16、光控制由管理人员手工代替，教室极多，管理人员忙不过来，这样就造成不必要的电能浪费和经济损失。就我校为例，初步统计大小教室大约安装了共有5400盏灯，以每天仅亮灯8小时来计算，一年中扣除假期后，教室灯的耗电量约为万度，学校在教室用电的经费上就得支出约为万元人民币。而以每天浪费2小时用电来计算，一年大约要浪费万度的电量，占教室照明用电经费的四分之一。我省各类大中专院校及其中小学总共有600百多所，若都象我校一样每年浪费万度电的话，我省就会浪费近7900万度的电。导致电能的极大浪费。再者，每所院校不断的扩招，教室不断的扩建，若再没有改进教室的用电管理设备，那么用电负荷可想而知，浪费的电能就更、凉人了
17、。 基于以上种种原因，提高教室用电效率就成为学校节能的重要且主要的措施之一，因此节能技术的重要手段之一就是教室灯关自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要课题。研究内容本课题的研究内容有如下几点:(1)了解教室照明光强的标准；(2)调研教室灯光照明需求以及环境光强弱与开、关灯的关系；(3)研究人体存在探测技术，探测角度与范围；(4)研究传感器教室分布、安放问题，是否一灯一个传感器或多灯公用传感器等；(5)研究确定人体传感器的有关参数；(6)研究灯光控制器电源问题； (7)研究控制器参数值设定的要求及方案；(8)研究人工设置参数、掉电保存参数的问题；(9)研究与现有教室照明相兼容，易替代，不易被
18、偷盗、被仿制，易于维护、维修等控制技术；(10)研究报警等附加功能问题研究目标 研究的教室灯光控制系统能用于现有教室照明系统的改造，实现对照明系统的人性化智能管理，提高用电效率;实现自动、手动灯光控制相兼容，以降低成本;通过反复试验和改进，最终达到可靠性、实用性、推广性较好的目标。本课题拟通过试验研究教室灯光的各种控制方案解决如下关键问题:(1)照明回路的控制回路与控制器本身的节能问题；(2)传感器与教室灯配合安装的问题；(3)环境光参数输入采集问题；(4)人存在传感器参数输入采集问题；(5)开、关灯的自动与手动兼容措施； 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
19、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，同时还要尽可能避免外界风直接吹向人体传感器。 所研制的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。可以实现自动与手动控制相兼容。在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
20、再延时一定时间后关灯。同时，还要按作息时间来控制，夜晚超过12点，若还有人存在，则关闭自动控制器的运行，改用机械开关来手动控制，以解决因特殊情况下，自动控制器的不人性化运行。 本文所研究的教室灯光控制器主要是由硬件和软件两大部分组成。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，达到控制器自动与手动相结合的教室照明智能控制。 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，所以在设计过程中，电子元器件的选用、线
21、路布置和设备的安放要充分考虑到抗干扰问题。系统控制单元是以单片主控模块为核心，其它外围电路主要包括:ISP下载线模块、系统供电模块、硬件时钟模块、看门狗模块、灯光驱动模块、数码管驱动显示模块、环境光模块、EEPROM存储模块、人体存在传感器模块、超时报警模块，其结构框图如图3-1所示：51系统模块ISP下载线模块看门狗模块硬件时钟模块数码管显示模块灯光驱动模块环境光模块EEEPROM存储器模块电源模块人体存在传感器模块图3-1系统控制单元结构框图系统主控电路 本系统的主控模块主要采用Atmel公司的AT89C52作为主控芯片，它是一种低功耗，8位CMOS工艺处理器，具有8K在线可编程Flash
22、存储器，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，所以没有扩展的片外RAM，使电路结构简捷。因为设备的设置参数是根据实际需要进行更改的，又要求是断电能够保存下来，所以本设备用一片EEPR0M来存储系统的设置参数。AT89S52I/0端口与系统其它外围器件接口的分配情况表如表3-1所示。89552引脚外围器件引脚说明ULN2803数码管段码驱动接口NPN-9012基极数码管位控驱动接口X5045SIX5045串行输入端X5045SCKX5045串行时钟端X5045CSX5045片选端X5045S0X504
23、5串行输出端系统工作灯显示端口DS1302CLKDS1302时钟线DS1302I0DS1302数据线DS1302RSTDS1302复位线工SP在线编程端数据采集输入端遥控器接收信号端人体存在传感器输出信号端超时报警信号输入端灯光驱动输入端光敏三极管输入信号端表3-1外围器件接口的分配在线编程模块电路 以往单片机的实验往往依赖于仿真机和单片机学习系统，价格昂贵，近年来，随着FLASH型单片机的广泛应用，采用软件模拟结合写片验证成为一种经济实用的实验方法，尤其是随着单片机技术的发展，很多单片机都具有了ISP功能，不再需要仿真机，将单片机的易用性推向一个新的高度。AT89C52芯片就是这样的芯片。
24、AT89C52芯片支持在线编程(ISP)功能，用户可以通过AT89C52在线编程接口直接对电路板上的CPU进行在线编程，方便了程序的修改烧写工作。ISP进行在线编程时，用AT89C，P1.7引脚及RST端口，通过PC并口，根据工SP协议制作简单的编程器就可对CPU进行编程。在线编程(ISP)器的红色LED是电源指示灯，绿色LED是复位指示灯，黄色LED是时钟信号指示灯，每个LED约消耗mA的电流，它们使用独立的缓冲器不会影响下载线和用户板，当执行菜单命令Reset时可以看到绿色LED闪一下，表示电脑已经可以控制下载线;其下载线正常工作电压为DC6V，部分电脑即使不连接VCC也可以正常工作，10
25、心的插头和插座有三角形标志的均为第一脚。使用方便、快捷，且工作显示信号清晰。系统供电电路要取得+5V电压，若选用12V的变压器，整流滤波后输出往往大于12V，会使稳压器功耗大，自身温度较高。故不选用输出电压为12V的变压器，而选用输出电压为9V的变压器。系统接通220V交流电源后，将220V交流电变压到9V，经过二极管全波整流、电解电容Cl，C2滤波，再经一只正输出稳压器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的直流工作电源，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。其供电原理图如图 供电原理图在硬件时钟模块中，为了在断电后硬件
26、时钟能够正常运行，故采用主从双电源供电方式。硬件时钟一般在系统的+5V主电源情况下工作，而只有系统+5V主电源消失的情况下，为确保硬件时钟的正常运行，设计一个3. 6V的可充电铿电池作为备用电源。具体电路及其原理将在后面的系统时钟电路部分详细说明。数据采集电路 教室中的环境光和人体存在与否是系统的主要输入参数，因此教室中的环境光和人体存在成为系统数据采集的主要对象。常见的环境光采集器件光电传感器有光敏二极管和光敏三极管，根据需求，选用灵敏度较高的光敏三极管。此外，人体传感器要求灵敏度高，可靠性强，本系统采用了逻辑电平输出的HP-208型号的人体存在传感器。1.环境光采集电路 光电传感器是一种能
27、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换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。在无光照时三极管的穿透电流很小，为暗电流Iceo有光照时，产生的Ib增大，成为光电流Ie。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，其外形电路图形符号如图. 1-1 图. 1-1环境光采集电路原理图如图 1-2所示。当自然光强大于一定程度时，光敏三极管D6呈现底阻状态2. 5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RS
28、T置为高电平。I/0为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK始终是输入端。 硬件时钟芯片DS1302与微处理器进行数据交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高位MSB (D7)必须为逻辑1，如果D7=0，则禁止写DS1302，即写保护:D6=0，指定时钟数据，D6=1，指定RAM数据;D5D1指定输入或输出的特定寄存器;最低位LSB (DO)为逻辑0，指定写操作(输入)，DO=1，指定读操作(输出)。 在DS1302的时钟日历或RAM进行数据传送时，DS1302必须首先发送命令字节。若进行单字节传送，8位命令字节传送结束之后，在下2个SCLK周期的上升沿输入数据字节
29、，或在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。 DS1302与RAM相关的寄存器分为两类:一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为COHFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作;再一类为突发方式下的RAM寄存器，在此方式下可一次性读、写所有的RAM的31个字节。 要特别说明的是备用电源，可以用电池或者超级电容器(F以上)。虽然DS1302在主电源掉电后的耗电很小，但是，如果要长时一间保证时钟正常，最好选用小型充电电池。可以用老式电脑主板上的3. 6V充电电池。如果断电时间较短(几小时或几天)时，就可以用漏电较小的普通电解电容器代替。100就可以保证1小时的正常
30、走时。DS1302在第一次加电后，必须进行初始化操作。初始化后就可以按正常方法调整时间。系统看门狗电路在单片机工炸过一程中，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，为了能够恢复单片机的工作，只能采用重新复位的方法，虽然在程序设计中，一可以使用软件陷阱的方法来减少这种情沉的发生，但是不能完全解决这个问题，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，看门狗将产生一个夏位信号给单片机，使单片机复位重新执行程序:.现在的MCU被集成了越来越多的功能，有的集成了看门狗，如工IMP813L。还有的芯片更是把EEPROM也集成进去，如X5045芯片。由于系统需要看门狗和EEPROM，所以本硬件设计中使用了美国Xicor公司生产的芯片X5045。X5045具有三种常用