单片机控制的教室照明系统设计

单片机控制的教室照明系统设计内容摘要：

灯光控制方式，使得控制效果更加灵活；声光报警模块，预先延时报警通知关灯动作，使得管理更加人性化。 该教室照明系统简单实用，适用范围广，减少 人工管理成本。 本章小结 教室作为教学的重要场所， 面对教室 照明质量差且 浪费严重这一现象，着眼大局，为保护学生视力、提高学习效率， 创造一个健康舒适、高效节能的学习环境， 提高 和 改善教室照明质量，优化 照明 控制系统 势在必行。 在 合理布局照明设备， 充分保证教室 照明 的前提下，本文着重论述通过优化教室照明系统的运行来实现节能效果。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 45 页 AT89S52 下载 线接口模块 按键开关模块 （手动 /自动） 预关灯及延时报警模块 人体检测模块 环境光检测 模块 时钟模块 电源模块 图 22 单片机控制的教室照明系统 总结构框图 LED 显示模块 2 教室照明系统的设计 系统设计主要包括硬件和软件两大部分。 依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。 系统整体设计方案 本课 题将 时间、光照度和人员分布三大要素 作为 系统控制的依据。 为了进一步加强对节能的监管，使工作时间与 非 工作时间的界限具体化 ，设计时钟控制模块。 根据 人体检测 模块的探测范围和教室光照明暗分布 情况 ， 参照本校教学教室， 将教室分成方形区域 ，每个区域灯具的位置 （详见附录 4 表 21） 及数量 如图 21 所示 ，并 分别将包含红外信号模块和室内环境光模块安装在各区域的天花板上，通过单片机的智能控制，实现局部或整体开关灯，进一步增强节能效果。 根据任务要求，所设计的 单片机控制的教室照明系统 总结构框 图 如图 22 所示 ，并简 要描述各部分功能。 黑板 灯 A B D C E F 图 21 教室区域划分 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 45 页 系统设置两种控制方式：自动控制、手动控制。 系统上电，通过扫描按键判断系统初始状态：设定按键没有按下，进入自动控制模式；设定按键按下，进入手动控制模式，等待按键释放。 当系统处于自动方式下运行时，由红外检测、环境光、时钟向单片机输入信号，经过逻辑先后判断，再由单片机输出信号控制 LED 状态。 当系统处于手动状态，通过拨动开关控制 LED 单独开启或关闭。 此外，系统还设置单刀双掷开关，以便在手动控制方式下，能避开自动系统的控制作用，增强系统工作的可靠性和灵活性。 人体 检测 —— 热释电扫描以判断静止、移动人体；分区扫描、分区控制，有人才亮灯，无人继续扫描检测。 环境光控制 —— 环境光亮度过低时受控亮灯，亮度足够时灭灯。 当热释电红外传感器没有检测到人体信号时，不管教室自然光强度如何，教室照明设备都不亮。 当教室单独某个区域有人体信号存在，且自然光强度弱时，则只开启该区域的照明设备。 当再有人来教室时他们完全可以选择亮灯的区域坐，若选择其他区域情况类似。 时钟控制 —— 根据设定时间，使灯光在工作期间受控，非工作期间关闭。 当预设时间到达，系统延时发出报警信号，教室光源关掉，从而完成了对教室照明回路的 智能控制， 起到节约能源的作用。 教室照明系统的硬件设计 教室照明系统 的 硬件 设计采用结构化设计方法。 硬件电路 包括 下载线接口模块，AT89S52 单片机 最小系统，数据采集模块 ， 时钟电路， 声光报警电路 ，人机交换模块 六个部分。 具体设计 过程 如下 文所述。 教室照明控制器的选择 出于对单片机性能的要求和价格因素的考虑，本系统选择 MCS51 系列的AT89S52 单片机作为教室照明系统控制器。 AT89S52 具有 8K 在系统可编程 Flash存储器，片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器 ， 与工 业80C51 产品指令和引脚完全兼容 ， 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器。 AT89S52 具有以下标准功能 ： 8k 字节 Flash， 256 字节 RAM， 32位 I/O 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16位定时器 /计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口 ， 片内晶振及 时钟电路 ，可以在 4V 到 宽电压范围内正常工作。 根据不同的运行速度和功耗要求，时钟频率可以设置在 0 33M之间。 同时，该单片机支持计算机并口下载。 另外， AT89S52 支持 2 种 软件 可选择节电模式。 空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 其引脚排列如图 23 所示，各引脚功能如下： 1） P0 口：具有 8 位漏极开路的双向 I/O 口。 作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL逻辑电平。 对 其 端口写 “ 1” 时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时 ， 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 45 页 图 23 AT89S52 引脚排列 不具有内部上拉电阻 ， 作为低 8 位地址 /数据复用。 2） P P P3 口 ： 具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 其 输出缓冲器能驱动 4个 TTL 逻辑电平。 对 其 端口 写 “ 1” 时，可作为输入口使用 ，此时 由于内部电阻的原因 ，被外部拉低的引脚将输出电流（ IIL）。 不同的是 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器时， P2 口送出高八位地址 ，并 使用很强的内部上拉发送 1。 在使用 8位地址访问外部数据存储器时， P2 口输出 P2 锁存器的内容。 而 P P3 口引脚具有第二功能。 P1 口某些引脚具有 第二功能，具体如下 ： T2（定时器 /计数器 T2 的外部计数输入），时钟输出 T2EX（定时器 /计数器 T2 的捕捉 /重载触发信号和方向控制） MOSI（在 系统编程 用） MISO（在系统编程用） SCK（在系统编程用） P3 口第二功能 ，具体 如下 ： RXD(串行输入口 ) TXD(串行输出口 ) 0INT (外中断 0) 1INT (外中断 1) TO(定时 /计数器 0) T1(定时 /计数 器 1) (外部数据存储器写选通 ) (外部数据存储器读选通 ) 3） flash 编程和校验 ： flash 编程， P0 口用来接收指令字节；程序校验， 外 接 上拉 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 45 页 图 24 电源电路 模块 电阻 并 输出指令字节。 P1 口接收低 8 位地址字节。 P2 口接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 P3 口还接收一些控制信号。 4） RST： 复位 信号 输入 端，高电平有效。 5） EA /VPP： 访问芯片内部和芯片外部程序存储器的选择信号。 FLASH 存储器编程时，该引脚加上 +12V 的编程允许电源 VPP，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 VPP。 6） PSEN ： 外部程序存储器的读选通信号 ， 每个机器周期两次 PSEN 有效。 7） ALE/PROG ： 低 8 位地址锁存信号 /编程脉冲输入。 8） XTAL1/XTAL2：振荡器反相放大器输入 /输出端， 同时 XTAL1 也是内部时钟发生 电路的 输入端。 9） VCC/GND：电源电压的输入引脚 /电源地引脚。 下载线接口模块 AT89S52 芯片支持在线编程功能， 不需要编程器就可以进行单片机的实验和开发 ，免去 了 调试时由于频繁地插入取出芯片对芯片和电路板带来的不便，具有极强的可塑性。 ISP 进行在线编程时，使用 AT89S52 的 、 、 口及复位端。 单片机最小系统 （ 1） 电源电路 系统设计需要的电压输出为 5V。 要取得 5V 电压，若选用 12V 变压器，整流滤波后输出往往大于 12V，这样会使稳压器功耗大，自身温度高。 故采用输出为 9V 电压的变压器。 电路原理如图 24 所示。 系统从电网中接 入 220V 交流电源，通过变压器降压，得到 9V 电压，再经整流电桥整流，输出直流电压，然后经 CT1 滤波电容滤波后送入集成稳压器 LM7805 输入端，由输出端再经 CT2 滤波，最后得到 +5V 的直流工作电源，用于给单片机控制系统及其它外围电路的 VCC 端供电。 图中 D1 LED 为电源 工作 指示灯。 当输出电流较大时， 7805 应配上散热板。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 45 页 图 26 晶振电路 图 25 复位电路 （ 2） 复位电路 系统复位电路的作用：一是单片机启动运行时，使 CPU 以及其他功能部件处于一个确定的初始状态；二是单片机工作过程中，使其重新回到开始状态（包括死机）。 该系统采用按键复位如图 25 所示，它能有效实现上电自动复位和手动复位。 单片机的REST 引脚是高电平有效的，其有效时间持续 24 个振荡周期以上才能完成复位操作。 上电自动复位是通过 RC 电容充电来实现的。 手动复位是通过外部按键实现的。 当复位按键按下，电容 CT3 被充电， REST/VPD端的电位逐渐升高为高电平，实现复位操作，按键释放后，电容器经内部下拉电阻放电， REST/VPD端恢复低电平。 （ 3） 晶振电路 单片机的时钟信号可以由两种方式产生：内部时钟和外部时钟。 内部时钟是利用单片机芯片内部的振荡电路实现的，通过单片机的 XTAL1 和 XTAL2 引脚外接定时元件。 定时元件由晶体振荡器和电容组成并联谐振回路，内部反相放大器自激震荡，产生时钟。 单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作。 根据 AT89S52 单片机时钟周期的要求，晶振频率选用 12MHZ，电容 C C4 选 30pf，如图 26 所示。 数据采集模块 人体存在信号和环境光信号是单片机控制的教室照明系统的两个主要输入参数，因此教室数据采集部分分为红外信号采集和室内环境光采集。 为了实现教室灯光的智能控制，必须根据这两个参数发出的命令，来确定灯具的亮灭时刻及位置，这样在 节能的同时，也为使用者提供舒适的视觉效果。 （ 1）人体 信号采集 经过日益发展，传感器技术已渗透到人们的日常生活 中。 本系统红外信号的采集使 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 45 页 图 27 热释电红外传感器结构 用热释电红外传感器。 采集 人体 信号的作用是对进入教室的人员分布区域进行检测，为单片机提供教室可能亮灯区域的信息。 ① 体传感器的基本结构和原理 热释电红外 人体 传感器由探测元、滤光窗和场效应管阻抗变换器等三大部分组成，如图 27 所示。 对不同 型号 传感器 ，探测元的制造材料有所 区别。 将这些材料 制成 很薄的薄片，每一薄片相对的两面各引出一根电极，电极两端则形成一个等效的小电容。 而这两个小 电容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小电容能自身产生极化， 从而 在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。 传感器中两个极性相反 的电容是串联在一起的。 当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，电容两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，所以，正负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。 当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到两个电容上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消，传感器仍然没有信号输出。 当人体在传感器的检测区域内移动时，照射到两个电容上的红外线能量不相等，光 电流在回路中不能相互抵消，传感器有信号输出。 综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。 滤光窗是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，能够有效地滤除 ~14um波长以外的红外线。 人体的正常体温为 36~℃，即 309~，其辐射的最强的红外线的波长为 λ m=2989/（ 309~） =~，中心波长为 ，正好落在滤光窗的响应波长的中心。 所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免 引起干扰。 热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。 由于 探测元 输出的是电荷信号，。