基于微控制器的智能教学灯光控制系统设计

基于微控制器的智能教学灯光控制系统设计

0基于教室灯光控制系统的设计三:传统分配法教学楼是学校的主要教学场所，其管理有很多方面，照明管理也是一个重要方面。传统的控制方式是依赖人工,在特定时间楼内的照明设施被完全关闭或打开,主要的有以下几个方面的不足:能源浪费、对设备的损坏、照明的分配不合理、不易掌握每个教室的实时信息、不能满足未来数字化校园建设的需求。鉴于上述的不足,开发一套教学楼的灯光控制系统是很有必要的。可实现对教学楼灯光的总体控制,不需要人工职守,能根据教室的光线情况、使用情况和设定的要求,自动分析各种状态给出照明控制信号,对教学楼的灯光进行自动控制。并能根据需要将每个教室的光线、当前教室人数、灯光使用情况反馈到中央控制单元,经过中央控制单元再反馈到学校的后勤管理灯光控制中心。以达到节约能源,节省设备,方便管理的目的。1系统的全球设计1.1主机单元的控制系统由主机单元和从机单元组成,从机单元通过集线器与主机单元相连,主机单元与从机单元通过RS485进行通信。主机单元在楼管中心,负责照明的总体管理,可与各从机通过RS485进行差分通信,收集各个分机单元的数据,显示在显示设备上,主机单元还为从机单元提供当前的时间信息,主机单元可以控制与它相连的各从机单元,以指令的方式实现教学楼照明的总体控制;从机单元分布在各个教室,负责采集光线和人数数据,接受主机指令,并执行控制指令。1.2中央控制单元和各子系统主要组成分机单元安装在每个教室,每一个从机单元都有一个编号,与被安装的教室相对应,负责采集相应教室的数据并分析,根据采集到的数据和中央控制单元的要求,对相应教室的灯光进行控制,同时在总控制单元要求的情况下可把该教室的情况反馈到总控制单元。分机的主要组成部分有:控制器(MS-51系列单片机),光线采集电路,人数采集电路,显示模块,键盘模块,继电器,通信接口。其结构框图见图1。1.3教室照明单元主机单元安装在教学楼的管理中心,通过主机管理人员可以查看楼内任何一个教室的光线情况、当前教室人数、照明情况,并可以实时控制照明设备的开关,或者设定照明的时间段。主机单元组成有:中央处理器、液晶显示模块、十六键键盘、实时时钟模块。其结构框图见图2。1.4系统工作流1.4.1钟同步指令的执行(1)系统上电初始化各设备:包括液晶显示屏、键盘模块、读取系统的时钟,初始化完毕给出提示。(2)与分机之间始终同步:主机单元每分钟群发一次时钟同步指令,该指令对所有的分机有效,数据包中包含当前的时钟信息。(3)查看指定教室的状况:用户输入教室编号,确认后主机自动发送含有从机编号的指令,然后等待相应的从机将相应的数据包返回,主机分析数据,并将内容显示给用户。(4)控制开关:管理员可以关闭单个教室或者是全局的照明,执行是主机发送相应的指令,分机单元响应指令并执行相关动作。(5)设置时间段:可通过主机单元设置所有教室的照明时间段,只有在指定的时间段内才可以开照明。1.4.2要求本机主理主机有冲突的情况(1)实时检测教室的光线和人数变化,有变化时立即分析,显示变化并执行相应的照明开关动作。(2)如果主机有指令发送过来,分机自动分析指令是否对本机有效,如果有效则给出相应的响应,如果无效则丢弃。(3)当用户要查看当前本教室相关状况时,可以按翻页键进行查看。(4)当有应急需要时,用户可以按强制开关,系统将给出20秒的照明时间。上述即为本系统的总体设计方案及工作过程。2硬件电路设计2.1从计算机硬件电路设计从机的电路主要包括:从机键盘模块,数码管显示模块,光线采集模块,A/D转换模块,继电器驱动电路,人数采集模块和通信接口。2.1.1片选地址的选取显示部分的组成为6位LED数码管,系统的片选地址为0x9FFF,位选地址为0x7FFF。只要将相应的显示值送入相应的片,即可以实现显示。2.1.2输出端读取点发该部分的核心部件为74HC573锁存器,通过给不同的位循环置0,检测输出端是否为零,即可以实现键值的读取。该部分占用的地址为0x1FFF。2.1.3通信接口为了实验方便,本系统设计时采用RS232代替RS485差分通信,但最终系统采用差分通信时,软件可以直接移植。电路图见图3。2.1.4数字信号转换成数字信号本系统需要分析光线强度的等级,故必须将采集到的光强度信号转换成数字信号,然后送入控制器处理,分析得出光线等级。A/D转换部分的电路图见图4。2.1.5继电器控制功能由于系统要控制的为市电220V,但控制器给出的仅为5V的控制信号,所以必须要用继电器来达到控制目的。本设计中使用的继电器控制电路如图5。可以看出占用控制器的P3.5口。红外检测电路:系统中红外检测器件采用ST178模拟;光线检测电路:本设计中采用光敏电阻。2.2主机硬件设计2.2.1显示设备工作原理为实现友好的操作界面,本系统主机采用带字库的12864液晶屏作显示设备。它占用单片机的P0作为数据输入口,P1.2,P1.3,P1.4作控制口。可加电位器调节显示的对比度,开关用于背光控制。2.2.2zolg钢盘显示控制芯片键盘电路用ZLG7290键盘显示专用控制芯片来实现。ZLG7290是广州周立功公司生产的一款专用的键盘显示控制芯片,自动扫描键盘,以I2C总线的方式与控制器相连。通信接口电路与从机的相同。3系统的硬件设计3.1机单元的软件设计从机的主要任务为采集数据,分析数据,给出照明控制动作并实时扫描键盘和显示数据。3.1.1系统主程序设计本系统的数码管显示,键盘扫描和光线数据采集使用定时的方法实现,所以系统主程序的任务为监视是否有人进出教室,键值处理和强制照明处理。图6为系统主程序的流程图。3.1.2脉冲信号的上传该部分的硬件电路由红外传感器组成,安装在教室门位置(示意图见图4)。工作原理为:当有人通过传感器1时,传感器1给出相应的电平变化,传感器2同传感器1。当两个传感器的电平有变化时,经过相应的模拟电路处理,转换成脉冲信号被送入单片机。单片机根据不同的结果做出不同的判断,断定是否有人进入或离开。例如:当传感器1先感应到有人通过,传感器2随后感应到有人通过则判定有人进入教室。程序流程图如图7。3.2程序的流程图主机的主要任务是显示和通信,这里仅给出主程序的流程图如图8,具体程序不在此给出。以上为系统的软件设计,其中包括主机和从机,采用模块式程序设计,基本上满足了系统要求。4显示设备选型该系统中人数检测采用了红外传感器,判断人员的进入与走出,从而获得教室的人数信息;光线检测采用光敏电阻,电阻变化时模块的输出电压也变化,通过A/D变换就可得到光线等级;显示设备使用字符型液晶显示屏,显示内容更丰富,操作更简单,界面更友好。系统配有实时时钟,方便用户查看时间,更重要的是当系统出现异常情况时系统会自动记录时间和异常时的系统状态,为用户分析