基于AT89S51单片机的教室灯光智能控制系统设计 毕业设计(论文).doc

摘 要 1 摘 要 本课题针对教室灯光的控制，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法， 提出了基于单片机设计教室灯光智能控制系统的思路，并在此基础上开发了智 能控制系统的硬件模块和相应软件部分。 该系统以 at89s51 单片机作为控制模块的核心部件，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，通过对人体存在信号和环境光信号的识别与判断，完成对 教室灯光的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。系统还具有报警功能；同 时还采用了软/硬件的“看门狗”等抗干扰措施。 本系统程序部分采用 c 语言编写，采用模块化结构设计、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，针对性强， 性价比高等优点，可以满足各类院校对教室灯光控制的要求，很大程度的达到 节能目的。 关键词：智能控制器 热释红外传感器 单片机 引言 2 引言 当前，随着经济的飞速发展，能源短缺问题日益突出，成为一个国家经济发展的“瓶颈”。 作为工业生产和人民生活不可或缺的电力能源更是如此。尤其现今越来越提倡低碳生活， 节约能源已经成为一种全球共识，而作为培养社会精英的高校更应该起到榜样的作用。但 是目前在校园内，教室灯火通明，却空无一人的现象屡见不鲜，这不仅造成了严重的资源 浪费，也对高校的形象造成了很坏的影响。本文所研究的教室灯光控制系统就可以很好地 实现节约能源的作用。 1 系统硬件组成 整个系统由中央控制电路、24 按键电路、光敏传感电路、继电器驱动电路、时钟电路、 液晶显示电路六个模块组成。其中，光敏传感电路模块主要完成对教室当前光线明暗程度 的判定，时钟电路主要实现时基功能，两者分别提供光照和定时数据供以单片机为核心的 中央控制模块进行逻辑判断，单片机最终将运算结果输出到液晶显示屏，同时对教室灯光 进行控制。整个系统的硬件框图如图 1 所示。 1 1 中央控制模块 系统中，中央控制器主要用于接收两个外部数据，由此判断是否定时时间已到，教室光 照是否充足。控制器根据这两个外部数据来进行逻辑运算，从而实现定时开关灯、刷新液 晶显示屏，同时可以通过键盘设置时间日期、查看相关信息 根据系统设计要求，控制器选择了宏晶科技公司提供的 stcl2c4052ad 型单片机。该 款是一种高速、高可靠性单片机，工作电压 5534v，flash 程序存储器 4k 字节， sram 为 256 字节，2 个定时器，8 路 8 位 ad 转换器，可通过串口实现在线编程、 ad 转换、看门狗等功能。 1 2 液晶显示电路 为了实现较好的人机交互界面，在本系统中采用 1602 液晶显示屏来显示用户的设定作息 时间及用户所查询的信息。 点阵字符型液晶显示器是专门用于显示数字、字母、图形符号及少量自定义符号的显示 器。这类显示器把 lcd 控制器点阵驱动器字符存贮器全做在一块印刷板上。系统选用 日立公司的 hd44780 液晶显示。 hd44780 具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移 动闪烁等功能。与 mcu 的传输可采用 8 位并行传输或 4 位并行传输 2 种方式。液晶显 示电路如图 2 所示。 3 1 3 其他电路 按键电路主要由一个 24 的按键阵列组成，主要用于完成作息时间、当前时间、定时时 间段的设定。光敏传感电路实现教室内光照强度数据的采集，其门限值可通过可调电阻调 节。指示灯主要实现对系统工作状态，如系统工作于自动控制模式还是强制模式，灭灯或 亮灯状态等的指示。 2 系统工作原理 本系统能够采集室内光照强度数据，并结合学校作息时间对教室灯光进行实时控制，达 到方便和节约能源的目的。电路存在两种工作模式：自动控制模式和强制模式。 21 自动控制模式 系统复位默认工作在自动控制模式，当教室内自然光线弱，光敏传感器把感应到的光强 信号送至单片机处理，输出照明命令，则打开教室灯光，但因系统定时关灯时间与学校作 息时间一致，因此在非需要开灯的时间段内，教室灯光自动关闭，达到节约用电的效果。 系统考虑到如果教室外自然光很强，但因某种需求需要拉上窗帘，这样室内光照就不太 理想，需要开灯，因而设置了两路光敏传感器，一路探测室内光强，一路探测室外光强， 这体现了系统设计的灵活性。 22 强制模式 系统正常工作的情况下，通过按下强制按钮，就能对灯进行强制开关的控制，通过该按 钮也能使电路切换回自动控制状态。设置强制按钮主要考虑到有时需要对灯进行强制控制， 例如需要在教室通过投影仪观看电影时，为达到最佳的收看效果，需要关上灯。 3 软件设计 系统采用 stc12c4052ad 单片机作为控制的核心，负责整个系统的逻辑运算，因此软件 设计是系统能否稳定运行以及能否实现设计功能的关键。本系统中 stcl2c4052ad 单片机 主要完成接收外部数据、处理数据、输出控制数据。所以软件的重点是：如何接收外部数 据，如何处理以及如何输出控制数据。 因此，在该软件实现中我们采用了模块化的方案，整个软件设计由初始化模块、键盘 接收模块、中断处理模块、数据显示模块和定时输出模块五个模块组成，系统程序主流程 框图如图 3 所示。 引言 4 初始模块主要完成 io 口、定时计数器、中断以及液晶显示屏的初始化，键盘接收模 块主要用于接收初始变量，如当前时间、作息时间等的设定。同时也接受相关数据的查询， 如查询设定好的作息时间、光照阈值等，数据显示模块用于显示当前的时间、定时开关时 间以及用户要查询的相关数据。 4 调试和总结 在整个系统设计完成之后我们在调查研究的基础上，对什么光线情况下应该 开灯及系统在根据学校的作息时间上进行了设定验证、调试，结果显示本系统 可以稳定运行且效果理想。 本系统主要应用于教室的灯光控制，但是对于一些公共场合，如会议室、办 公室、楼道等场所，只要在本系统的基础上稍加改动，也可以很好地满足其需 要，因此本系统的可移植性好，具有比较大的市场潜力和广泛的应用前景. 目 录 v 目 录 摘 要 i 第一章 教室灯光控制器简介与方案分析 .1 1.1 教室灯光控制器简介 1 1.2 系统控制方案分析 1 第二章 系统控制模块的硬件设计 .3 2.1 系统控制模块的硬件构成及简介 3 2.2 系统控制的主要硬件电路 3 2.2.1 系统主控电路 .3 2.2.2 系统供电电路 .4 2.2.3 数据采集电路 .5 2.2.4 系统时钟电路 .7 2.2.5 继电器驱动电路 .8 2.2.6 超时报警电路 .8 2.2.7 按键控制电路 .9 2.2.8 系统看门狗电路 .9 第三章 控制模块软件设计 .13 3.1 系统监控主程序模块 13 3.1.1 系统自检初始化 .13 3.1.2 定时中断处理设计 .14 3.2 数据采集模块 14 3.2.1 人体存在传感器的优缺点 .14 3.2.2 数据采集软件的实现 .14 3.3 时钟模块 15 3.3.1 数据输入输出 .15 3.3.2 时钟程序设计 .16 3.4 显示驱动模块 18 第四章 系统调试运行及问题分析 .21 4.1 单片机系统调试方法及步骤 21 4.2 主要问题分析 22 第五章 总结与展望 .25 5.1 总结 25 5.2 展望 25 致 谢 .27 参考文献 .29 第一章 教室灯光控制器简介与方案分析 1 第一章 教室灯光控制器简介与方案分析 1.1 教室灯光控制器简介 本课题设计的控制器可有效的实现教室灯光的智能控制。其输入参数主要 是人体存在信号和环境光强度信号等外界因素。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，实验证明这种方案可以 实现对教室灯进行智能控制。 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。 1.2 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。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 12 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。 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，达到设计目的。 第四章 系统调试运行及问题分析 2 第二章 系统控制模块的硬件设计 2.1 系统控制模块的硬件构成及简介 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、热释红外传感器模块、看门狗模块、按键电 路、eeprom 存储模块、超时报警模块、数码管显示模块，其结构框图如图 2-1 所示。 at89s51 单 片 机 最 小 系 统 热释红外传感器 环境光采集电路 超时报警模块 按键电路 数码管显示模块 看门狗模块 时钟模块 eeprom 存储器 模块 图 2-1 系统控制结构框图 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。 2.2 系统控制的主要硬件电路 考虑到本系统安装时受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、线路布置和设备的安放要充分考虑到抗干扰问题。 2.2.1 系统主控电路 本系统的主控模块采用 at89s51 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 存储器，片内的 flash 可多次编 第二章 系统控制模块的硬件设计 3 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，使电路结构简 洁。该芯片的主要特征见如表 2.1： 表 2.1 at89s51 主要特征 单片机最小系统如图 2-2 所示： 图 2-2 单片机最小系统 (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 脚 （ea）与 20 引脚（gnd）间电压为 5v 。 2.2.2 系统供电电路 系统供电原理如图 2-3 所示，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，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 at89s51 引脚 外围器件引脚 说明 p0. 0-p0. 7 uln2803 数码管段码驱动接口 p2. 0-p2. 7 pnp-9012 基极 数码管段码驱动接口 p1. 0 x5045si x5045 串行输入端 p1. 1 x5045sck x5045 串行时钟端 p1. 2 x5045cs x5045 片选端 p1. 3 x504550 x5045 串行输出端 p1. 4 工作状态指示灯 p1. 5 ds1302clk ds1302 时钟线 p1.6 ds1302i/o ds1302 数据线 p1. 7 ds1302rst ds1302 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 第四章 系统调试运行及问题分析 4 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。. 图 2-3 系统供电电路 2.2.3 数据采集电路 教室的环境光强度和人体存在与否是系统主要的输入参数，因此教室中的 环境光照强度和人体存在成为系统数据采集的主要对象。常见的环境光强度采 集器件主要有光敏二极管和光敏三极管，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。 一、环境光强度采集电路 光电传感器是一种能够将光转化为电量的传感器。采用的光敏三极管除了 具有光敏二极管将光信号转化为电信号的功能外，还具有对电信号的放大功能。 在无光照时，三极管的穿透电流很小，为暗电流，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。光敏三极管具有灵敏度高，体积小，工作电 压低，工作电流小，发光均匀稳定，响应速度快，寿命长等特点。 环境光采集电路原理如图为 2-4 所示。当环境光照强度大于一定程度时，光 敏三极管 d6 呈现低阻状态1k，三极管 q12 的基极电压升高，q12 管饱和导 通，集电极输出低电平。当环境光强度小于一定程度时，光敏三极管 d6 呈现高 阻状态100，使三极管 q12 截止，集电极输出高电平。其中调节 r26 阻值， 可使三极管 q12 受环境光强度影响在适当的亮度下导通。 r25 10k q12 npn d6photo r26 470k +5v p27 第二章 系统控制模块的硬件设计 5 图 2-4 环境光电路 二、人体存在信号采集电路 人体存在传感器采用 hp-208-n-l 人体感应模块(低电平输出)。基于红外线 技术的自动控制产品，灵敏度高，可靠性强，广泛应用于各类自动感应电器中。 人体传感器的 1 号引脚为电源信号端 vcc，2 号引脚为采集信号输出端 out， 3 号引脚为地信号端 gnd。其硬件连接如图 2-5。 1 2 3 h p-2 0 8 c 6 8 0 p fv cc p 3 .3 图 2-5 人体存在信号采集电路 hp-208-n-l 功能特点： 全自动感应：人进入其感应范围则输出低电平，人离开感应范围则自动延 时关闭低电平，输出待机时的高电平。 两种触发方式：a. 不可重复触发方式：即感应输出低电平后，延时时间段一 结束，输出将自动从低电平变为高电平；b.可重复触发方式：即感应输出低电平 后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持低 电平，直到人离开后至延时结束，低电平跳变为高电平（感应模块检测到人体 的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延 时时间的起始点). 具有感应封锁时间：感应模块在每一次感应输出后，待延时时间一结束， 可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。 此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于 间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。(此时 间可设置在零点几秒几十秒钟)。 微功耗：静态电流vcc1+0.2v 时，由 vcc2 向 ds1302 供电，当 vcc20； i- ) /循环 8 次移位 sclk = 0； temp = addr； dio = (bit)(temp&0x01)； /每次传输低字节 addr = 1； /右移一位 sclk = 1； /发送数据 for ( i=8； i0； i- ) sclk = 0； temp = dat； dio = (bit)(temp&0x01)； dat = 1； sclk = 1； ce = 0； /数据读取子程序 unsigned char read1302 ( unsigned char addr ) unsigned char i，temp，dat1，dat2； ce=0； sclk=0； ce = 1； 第四章 系统调试运行及问题分析 16 /发送地址 for ( i=8； i0； i- ) /循环 8 次移位 sclk = 0； temp = addr； dio = (bit)(temp&0x01)； /每次传输低字节 addr = 1； /右移一位 sclk = 1； /读取数据 for ( i=8； i0； i- ) acc_7=dio； sclk = 1； acc=1； sclk = 0； ce=0； dat1=acc； dat2=dat1/16； /数据进制转换 dat1=dat1%16； /十六进制转十进制 dat1=dat1+dat2*10； return (dat1)； /初始化 ds1302 void initial(void) write1302 (write_protect，0x00)； /禁止写保护 write1302 (write_second，0x56)； /秒位初始化 write1302 (write_minute，0x34)； /分钟初始化 write1302 (write_hour，0x12)； /小时初始化 write1302 (write_protect，0x80)； /允许写保护 3.4 显示驱动模块 系统运行过程中的数据显示是人机交互对话的一个重要通道。通过的显示 系统数据，我们才可以更好的了解系统运行的状态，从而方便对整个系统进行 第三章 控制模块软件设计 17 必要的操作。本系统中采用共阳极的数码管，其中采用 uln2803 作为驱动数码 管的段选的芯片，采用简单又便宜的 9012 三极管来驱动数码管的位选，节约成 本，程序编写简单。 考虑到数码管驱动信号要求的电流较大，采用功率驱动器件 uln2803 芯片。 此芯片是八组 npn 型达林顿功放三极管集成芯片，典型的输入电压是 5v，集 电极输出功率可达 50v0.6a。因此采用 uln2803 共阳极数码管的段信号驱动 器。而共阳极数码管的位信号驱动则采用 8 个晶体管 9012 来实现。又由于 uln2803 为低电平驱动，所以数据送到单片机端口前，应在程序中先将数据取 反。然后将数据送到 uln2803 输入端相连接单片机的 p0 端口即可。 每次先送一位要显示的数据字节，然后再送该位数码管的地址字节，直到 8 位显示完全。 本系统在运行过程中需要显示查看的数据有时钟及显示数值。正常工作中 8 位显示器显示实时时钟，显示小时、分钟、秒，其中有两位用来显示“” ， 用以分隔显示小时、分钟和秒，这样显示更加清晰。 第四章 系统调试运行及问题分析 18 第四章 系统调试运行及问题分析 4.1 单片机系统调试方法及步骤 单片机系统的调试应包括硬件及软件两部分，主要是通过调试发现硬件及 软件中存在的问题，查看其运行结果是否符合设计要求。 在对系统进行实际调试时，首先应对硬件进行静态调试，同时对系统软件 进行初步调试，此后再对软件和硬件进行动态调试，最后才能使系统进入正常 工作. (1)静态调试：静态调试主要是排除明显的硬件故障。在将芯片、传感器等 元件连接到电路板上时，要保证各处电源极性、电压正确，以防止因电源极性 接反或电压过高损坏芯片或传感器。此外，插入芯片必须在断电的情况下进行， 特别注意芯片的方向不要插反。 (2)软件调试：在软件调试时采用在计算机上利用模拟软件实现对单片机的 硬件模拟、指令模拟及运行状态模拟，从而完成应用软件开发的全过程。调试 过程中的运行状态、各寄存器状态、端口状态等都可以在指定的窗口区域显示 出来，通过这些显示结果随时跟踪程序运行状态，以确定程序运行无错误。 (3)动态调试：控制系统的软件和硬件是密切相关的，由于软件模拟开发系 统不能对硬件部分进行诊断，同时也不能实时在线仿真，所以用户程序还需跟 硬件连接起来进行联调，同时对软件和硬件进行检查和诊断。整个单片机系统 进行在线调试时，需借助仿真开发工具来对用户软件及硬件电路进行诊断、调 试。 在应用系统各模块电路调试成功后，将程序加载到在线仿真器上，这时就 能单步或连续地执行目标程序，同时也可以根据需要分段设置断点执行程序。 而对于一些与硬件相关的用户程序，如接口驱动程序等，则需要配合硬件，进 行在线调试，如果有逻辑错误，也要及时纠正修改。 程序调试完毕后，利用编程器将程序固化到单片机中，使整个系统运行起 来。 各模块电路调试流程图如下示： 第四章 系统调试运行及问题分析 19 图 4-1 电源调试 图 4-2 单片机最小系统调试 图 4-3 按键电路调试 图 4-4 显示电路调试 第四章 系统调试运行及问题分析 20 图 4-5 采集电路调试 4.2 主要问题分析 在本系统的调试过程中遇到的主要问题的分析与解决方案。 1电源供电电路中集成稳压器温度过高。 分析解决：稳压器温度过高的原因之一是：变压器整流滤波后加到集成稳 压器上的电压较高，使 7805 上的压降过大。此问题可通过选用输出电压低些的 变压器，并在集成稳压器前串入两只二极管降压，同时增大散热片来解决。 2人体存在传感器有人存在时输出高电平的电压偏低 分析解决：人体存在传感器输出高电平的电压偏低，单片机会产生误判， 或采集不到正确的信号，于是在人体存在传感器的输出端加一个 100k 的上拉 电阻。 3人存在的教室中，若人体超过十秒没有活动，人体传感器是不会有信号 输出的，那么如何判定教室此时有人的问题。 分析解决 ：此问题在系统软件设计时，可将采集有人体信号存在的状态适 当延长保持二至五分钟，并加以后续处理。 4单片机控制信号输出后，继电器没按预定设计产生动作。 分析解决：单片机输出控制信号，在控制继电器时，必须加三极管来驱动， 否则信号电流过小将不能使继电器产生吸合动作，而且必须采用三极管的集电 极来驱动继电器，最后再带动负载。继电器驱动电路中还需注意的是要与继电 器线圈并联一个续流二极管，增加对驱动三极管的保护。 5每次开机插上电源后，硬件时钟显示的时间都从所设初始值开始计时。 分析解决：硬件时钟显示的时间不正常。 第四章 系统调试运行及问题分析 21 解决办法：一方面是充电电池没有充电功能；另一方面是应对硬件时钟进 行自检。 第四章 系统调试运行及问题分析 22 第五章 总结与展望 5.1 总结 该教室灯光系统的控制是以 at89s51 单片机芯片为核心，通过相关电路的 驱动，完成对系统设备(电灯)的控制，采用一