基于单片机的智能灯光控制.doc

毕业设计（论文）题 目： 基于单片机的高校节能灯光控制系统的设计摘 要现在的大学，由于学校开放型的管理模式，加之学生节能意识的淡薄，学校的很多教室在白天室内照度很高的情况下，仍然存在开灯现象；或者夜间许多教室，即使仅有几个学生在教室自习，但教室内照明全部开启。长明灯到处都是，人离开不熄灯的现象处处可见。这种有意和无意的浪费，不仅是浪费了国家资源，而且给学校带来了沉重的负担。本文设计了基于单片机的室内灯光控制系统及其原理，提出了有效的节能控制方法。本系统以AT89S52单片机为主控制器，实现了控制与警告提示等功能。该系统采用了当今比较成熟的传感技术和计算机控制技术，利用多参数来实现对学校教室室内照明的控制，从而达到节能的目的。关键词：灯光控制系统；AT89S52；热释电；节能；AD采集电路AbstractNowdays, due to the open management style and students weak energy-saving awareness in high school, lights in many classrooms are kept on at the day time with the high brightness, and also, lights are all on in a room with only a few students studying at night. We can find the ever-burning lamps everywhere. Those conscious and unconscious waste lead to the squandering national resources, meanwhile, it brings colleges a tremendous burden.This passage displays an efficient energy control method based on the principles of SCMindoorlightingcontrolsystem. This system achieved the control and alert function with AT89S52 SCM as its main controller. It adopted the advanced technology of ripe sensing and computer control method, based on the characters to control the lighting condition of classroom so as to save energy.Keywords: Lighting control system; AT89S52; Pyroelectric; Energy saving; AD acquisition circuit 目 录绪 论11 教室灯光控制器简介及控制方案的分析31.1 教室灯光控制器简介31.2 系统控制方案的分析31.2.1 硬件方案论证31.2.2 微处理器的选择31.2.3 传感器的选择42 系统控制模块的硬件设计52.1 控制模块的硬件构成52.2 控制系统的主要硬件电路52.2.1 AT89S52单片机52.2.2 光线强度检测模块102.2.3 单片机对ADC0832的控制132.2.4 热释电红外人体检测模块电路142.2.5 按键管理模块电路172.2.6 超时报警电路172.2.7 系统的其他模块183 控制模块软件设计与开发213.1 系统监控主程序模块213.1.1 系统自检初始化223.1.2 定时中断处理223.1.3 ADC0832数据读取程序流程233.2 数据采集的实现243.3 系统键功能253.4 系统显示功能263.7 看门狗模块273.8 超时报警系统28结 论30致 谢31参考文献32附录A 系统电路原理图33附录B 系统源程序. 34附录C 硬件实物图45IV 绪 论随着科学技术和社会经济的发展，人们的生活水平在不断提高，导致用电量的加剧，又因为世界性的能源危机，能源缺乏已成为世界所面临的重大问题。而此问题对我国来说更加严重。随着各类高等院校的扩招，教室的扩建，教室照明的需求也越来越大，而教室照明的管理不严格，往往造成电能的巨大浪费，在这种情况下，提高教室用电效率便成为首要考虑的问题。 我国的能源储量位居世界前列，中国是世界第二大能源生产国，同时也是第二大能源消费国。我国一次能源资源总储备估为4万亿吨标准煤左右。但是，人均能源资源占有量却远远低于世界的平均水平。二十世纪九十年代,中国人均探明煤储备量147吨，为世界平均水平的41.4%；人均探明石油储备量2.9吨，为世界平均水平的11%；人均探明天然气为世界平均水平的4%；人均探明可开发水能资源也低于世界人均水平。从人均能源消费角度看，1994年世界平均水平为1433千克油当量，发达国家和地区为5066千克油当量，我国估计为670千克油当量。1997年我国人均占有电力装机容量0.21千瓦、人均用电量为900kWh，仅是世界平均水平的1/3。“十二五”期间，我国将投资5900亿元推广九大重点节能工程，节能装备产业规模年均增长15%以上，2015年，规模以上工业增加值能耗比2010年下降21%左右。随着各类大、中专院校的不断扩招，教室不断扩建，教室的用电量不断加剧，教室用电管理不善，造成电能浪费与学校经济损失，这种浪费情况与当今的节约能源理念相违背。其次，随着计算机技术的发展，现代自动化程度不断提高，灯光的管理也在朝着智能化和自动化方向发展。例如，楼道灯光的自动控制等等。国内外已经开始采用对灯光的智能控制，但是对教室灯光的控制，尤其是我国，教室灯光的智能控制更为缺乏和不完善，仍然是传统式的人工管理。由此可见，教室灯光控制也应该向着智能化的方向发展。在国内各大院校中，由于同学们的节能意识薄弱，在光线足够强时仍然开灯，下课后离开教室灯还亮着的现象普遍存在。并且，节能规划极为缺乏，教室的灯光控制由管理人员手工执行。由于教室极多，管理人员不能及时关闭电源,就造成不必要的电能浪费和经济损失。基于以上原因，提高教室用电效率就成为学校节能的重要措施之一。由此，教室节能灯光自动控制系统的研发便成为一项重要课题。因此，开发简便和实用的教室灯光自动控制系统便具有重大的现实意义1。 本课题的研究内容有如下几点： (1) 使用自动或者手动控制灯光技术的方法；(2) 灯光控制器的电源问题，了解教室照明光强的标准 ;(3) 教室灯光照明需求，环境光强弱与开、关灯的关系；(4) 控制器参数值设定，要求及方案；(5) 学习人体传感器的有关参数； (6) 人体存在探测技术，了解探测范围与角度； (7) 传感器在教室分布与安放问题，是一灯一传感器还是多灯公用传感器； (8) 与现有教室照明互相兼容，容易替代，不易被偷盗、仿制，易于维护和维修的控制技术； (9) 报警等附加功能。 本课题拟通过试验研究教室灯光的控制方案解决如下关键问题：(1) 人体传感器的参数输入与采集问题： (2) 环境光采集与参数的输入问题(3) 教室灯与传感器合理安装的问题； (4) 开、关灯的自动与手动相兼容措施；(5) 照明回路控制回路和控制器本身存在的节能问题；设计的教室灯光控制系统能够对现有的教室照明系统进行改造，以实现对照明系统的智能化及人性化管理，提高用电效率；实现自动和手动灯光控制相互兼容，降低成本；通过反复试验和研究，最后达到可靠性大、实用性强、推广性较好的目标。 1 灯光控制器简介及控制方案的分析1.1 灯光控制器简介教室灯光控制器可实现教室灯光智能化控制。其主要输入参数是人体存在信号和环境光信号等外界因素，环境光的强度达到一定值时灯关闭,环境光强度在一定阀值以下并且有人存在时灯开启，理论和实验证明用这种方法来对教室灯光进行智能控制能够实现上述目标。教室灯光控制器应安装在教室内电灯直射不到的位置，且人体传感器安置时要使人体活动方向与人体传感器中热释电元连线方向垂直，如此可使人体存在信号采集更加灵敏、可靠，同时还应该尽可能的避免外界风直接吹向人体传感器。1.2 系统控制方案的分析所设计的控制器以环境光强度和人体存在当作控制器主要的输入参数。可以实现手动与自动控制相互兼容。在环境光较弱时，有人存在，且超过一定时间，控制器会自动打开电灯，等到人离开后再延时一定时间后灯关闭；在环境光线足够强时，无论人是否存在，都不开灯。同时，还要按照作息时间控制，若夜晚超过12点，还有人存在，那么自动控制器关闭，改用机械开关或遥控器来手动控制，以解决特殊情况下，非人性化的自动控制器的运行问题。本文所设计的教室灯光控制器主要是由硬件与软件两大部分构成。硬件部分是基础,是整个系统执行的前提,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灯光智能控制。1.2.1 硬件方案论证对于灯光智能控制系统来说，硬件系统是它的最基本的框架，是系统的所有功能的基础。系统的设计成功与否很大程度上是由硬件系统的设计决定的，硬件的选择和所选硬件的性能对于系统的功能实现以及系统的精确度都有直接的影响。本系统硬件方案论证包括灯光控制系统的传感器、单片机、通信方式、总线接口和显示电路的选择。1.2.2 微处理器的选择方案一：8031芯片内部无ROM，需要外扩程序存储器，因此造成电路焊接的困难，况且使用8031还需要另外购买其他的芯片，如A/D转换及定时/计数器（PWM）等芯片，这样造成成本较高，性价比较低。方案二：ATMEL公司MCS-51系列单片机中的AT89S52芯片，它是低压高性能CMOS 8位微处理器，带有4k字节可反复擦写的Flash只读程序存储器，128字节内部随机存取数据存储器（RAM），32个IO口线，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构及一个全双工串行通信口。根据本设计的要求，AT89S52芯片完全能够满足灯光自动控制系统所需要的处理器条件。故本设计采用AT89S52芯片。1.2.3 传感器的选择根据本设计的要求，该控制系统需要两种传感器：一种是人体信号采集传感器，另一种是光线信号强度采集传感器。用于人体信号采集的传感器和光线信号强度采集的传感器有很多，这里根据设计的要求采用了下列传感器：（1）热释电红外传感器热释电红外传感器是一种采用热电效应原理的热电型红外传感器，它是上世纪80年代末期出现的一种新型传感器件，现在已经得到越来越广泛的应用。热释电红外传感器由敏感单元、阻抗变换器及滤光窗等部分组成。（2） 光敏电阻光敏电阻能够感应光照强度的变化，自己电阻阻值随着光强度的增加而减小，从而通过电阻上的电压变化来反应光照强度的变化。传感器输出变化的电压信号给控制器，控制器根据接收到的信号的变化来确定下一步将要执行的动作。光敏电阻是一种常用光电元件,它可以十分准确的反应出光照的变化，应用电路也十分的简单、实用。 2 系统控制模块的硬件设计考虑到影响本系统的环境因素有很多，而且教室控制设备中的人体存在传感器等设备经常会随环境情形变化而变化，所以在设计过程中，要充分考虑到线路布置、电子元器件的选用和设备安放的抗干扰问题。2.1 控制模块的硬件构成以单片机主控模块作为系统控制单元的核心，其它外围电路主要包括：系统供电模块、环境光模块、人体存在热释电传感器模块、看门狗模块、按键及超时报警模块，其结构框图如图2.1所示。人体热释电传感器模块电源模块AD模块光敏电阻按键模块看门狗模块51系统模块LED强弱调节显示超时报警模块 图2.1 结构框框图2.2 控制系统的主要硬件电路2.2.1 AT89S52单片机功能特性描述 AT89S52是一种高性能、低功耗的CMOS8位微控制器，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。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有在系统可编程Flash和灵巧的8位CPU，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。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。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，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。VCC：电源 GND：地P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。 P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。P0口：P0口是一个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P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。 RST：复位输入。当晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平会使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。 ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。 在一般情况下，ALE输出脉冲为晶振六分之一的固定频率，可用来作为时钟或外部定时器使用。PSEN：外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。 EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。 XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。WDT（看门狗定时器）是一种需要软件控制的复位方式。WDT由13位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器（WDTRST）构成。WDT在默认情况下无法工作； 为了激活WDT，用户必须向WDTRST寄存器（地址为0A6H的SFR）写入0E1H和0E1H。当WDT激活后，用户必须向WDTRST写入01EH和0E1H喂狗来防止WDT溢出。当计数达到8191(1FFFH)时，13位计数器将会溢出，这将会复位器件。晶振正常工作、WDT激活后，每一个机器周期WDT都会增加。为了复位WDT，用户必须向WDTRST写入01EH和0E1H（WDTRST是只读寄存器）。WDT计数器不能读或写。当WDT计数器溢出时，将给RST引脚产生一个复位脉冲输出，这个复位脉冲持续96个晶振周（TOSC），其中TOSC=1/FOSC。为了很好地使用WDT，以避免WDT复位，应该在一定时间内周期性写入那部分代码。在掉电模式下，晶振会停止工作，这说明WDT也停止了运行。在这种方式下，用户不必喂狗。离开掉电模式有两种方式：一是硬件复位，二是通过一个激活的外部中断。由硬件复位方式退出掉电模式后，用户就应当给WDT喂狗，就如同通常AT89S52复位一样。由中断退出掉电模式的情形与硬件复位有很大的不同，中断应该持续拉低非常长一段时间，使得晶振工作稳定。在中断拉高以后，将执行中断服务程序。为了防止在中断保持低电平的时候WDT复位器件，WDT在中断拉低后才开始工作。这就说明WDT应该在中断服务程序中复位。在进入待机模式之前，特殊寄存器AUXR的WDIDLE位用来决定WDT是否继续计数。在默认状态下，待机模式，当WDIDLE0，WDT继续计数。为了防止WDT在待机模式下复位AT89S52，用户应创建一个定时器，定时离开待机模式，喂狗后，再重新进入待机模式。为了确保在离开掉电模式最初的几个状态时，WDT不被溢出，在进入掉电模式前，最好就复位WDT。如图2.2所示为AT89S52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端。陶瓷谐振器与石英晶体都可以用来一起构成自激振荡器。若外部时钟源驱动器件的话，从XTAL1接入，而XTAL2可以不接，如图2.3所示。由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有其它要求，最少高电平持续时间与最长低电平持续时间等还是要符合要求的。图2.2 内部振荡电路连接图图2.3 外部振荡电路连接图在掉电模式下，晶振停止工作，激活掉电模式的指令是最后一条执行指令。片上RAM和特殊功能寄存器保持原值，直到掉电模式终止。掉电模式可以通过硬件复位和外部中断退出。复位重新定义了SFR的值，但不改变片上RAM的值。在VCC未恢复到正常工作电压时，硬件复位不能无效，并且应保持足够长的时间以使晶振重新工作和初始化2。空闲工作模式下，所有片上外部设备保持激活状态，而CPU处于睡眠状态。可以通过软件产生这种状态。在这种状态下，特殊功能寄存器和片上RAM的内容保持不变。空闲模式可以被硬件复位或任一个中断终止。由硬件复位终止空闲模式只需两个机器周期有效复位信号，在这种情况下，片上硬件可以访问端口引脚，而禁止访问内部RAM。硬件复位终止空闲模式后，为了避免预想不到的写端口，激活空闲模式指令的下一条指令不应是外部存储器或写端口。 单片机的最小系统如图2.4所示。图2.4 单片机的最小系统要使单片机工作起来，最基本的电路构成为：时钟电路：单片机工作的时间基准，决定单片机工作速度。时钟电路就是振荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。时钟电路连接方式如图2.5所示。 图2.5 时钟电路连接图电源电路：向单片机供电。AT89S52单片机的工作电压范围是4.5V5.5V，所以通常给单片机外接5V直流电源。连接方式为VCC（40引脚）接电源+5V端，GND（20引脚）接电源地端。复位电路：确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。如图2.6所示。 图2.6 复位电路连接图单片机接通电源时，产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机起始工作状态。手动按键产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机的初始状态。通常在单片机工作出现混乱或“死机”时，使用手动复位可实现单片机“重启”。2.2.2 光线强度检测模块光线强度检测模块把单片机作为控制处理核心，具有价格低、体积小等优点，满足实际需求。传感器选择光敏电阻，用精密电阻与之串联分压得到一电压信号送给AD如图2.7所示。为了减小模块体积和降低成本，选择低功耗的ADC0832作为AD转换器，其原理如图2.8所示。ADC0832是8位分辨率；8P、14PDIP（双列直插）、PICC 多种封装；双通道A/D转换； 5V电源供电时输入电压在05V之间；商用级芯片温宽为0C to +70C，工业级芯片温宽为40C to +85C；工作频率为250KHZ，转换时间为32S一般功耗仅为15mW；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容。芯片接口说明： CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。CS_片选使能，低电平芯片使能。Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。DI数据信号输入，选择通道控制。DO数据信号输出，转换数据输出。CLK芯片时钟输入。GND芯片参考0电位（地）。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择3。图2.7 环境光采集电路图2.8 A/D转换器电路光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻的主要参数与特性：（1）光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。（2）光谱响应。光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。（3）暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。（4）光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。（5）灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。（6）温度系数。光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。（7）伏安特性曲线。伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。（8）额定功率。额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低4。2.2.3 单片机对ADC0832的控制正常情况下单片机和ADC0832的接口应为4条数据线，分别是CLK 、CS、DI、DO。但由于DI端和DO端在通信时并不是同时有效，并且与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DI与DO并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，CLK和DO/DI的电平可任意，此时芯片禁用。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平，并且保持低电平到转换完全结束为止。此时芯片开始转换工作，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前，DI端应输入2位数据用于选择通道功能，DC0832与单片机的接口电路如图2.9所示。图2.9 ADC0832与单片机的接口电路当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。当2位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0。随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。图2.10 DC0832封装以及各端子作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是05V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H5。2.2.4 热释电红外人体检测模块电路人体存在传感器的工作原理： 自然界中的各种物体，如石头、人体、火焰、木材、冰等都会发出不同波长的红外线，利用红外传感器可对其进行检测。根据工作原理的不同，红外传感器可分为量子型和热型两大类，热型红外传感器也称被动红外传感器或热释电红外传感器。与量子型红外传感器相比，价格便宜，响应的红外线波长范围较宽，并且可在常温下工作。量子型要求冷却条件，而且与热型的特点相反。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，它是目前在自动电梯、防盗报警、自动门火灾检测、自动照明、自动水龙头等场合，及非接触温度测量等领域应用最为广泛的传感器。其原因为：大气对3-51LM 、2-2.61LM、8-1411M三个被称为“大气窗口”的特定光通量的红外线吸收很少，很容易被检测；被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。人体传感器的主要特性如下：(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8秒-15秒后将高电平变为低电平； (3) 人体传感器工作电压宽为DC3V-DC24V；(4) 工作温度在-15和+700之间，适应性强；(5) 人体传感器制作成锥面形状，感应范围大，小于140度锥角，感应距离在7米以内；(6) 可靠性强，灵敏度高。(7) 其静态电流小于50微安，功耗低； 人体存在传感器的热释电红外探头的特性及工作原理如下： 人体都有恒定的温度，一般在37度左右，所以会发出波长10M左右特定的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10M左右特定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泥尔滤光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由人体存在的信号。1) 菲泥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视场，视场越多，控制越严密。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泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。3）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左右的红外辐射非常敏感。4) 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。5) 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，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而输出有人体存在的信号。人体传感器透镜的信号采集敏感区示意图如图2.11所示，当有人进入时，移动人体发出的红外线被红外传感器接收，输出 高电平.则人体存在被感应。若人体进入最不敏感的移动方向时，则人体传感器有时还会产生误动作，所体现的信号就会不理想。因此，要特别注意人体传感器的安装方向。图2.11 信号采集敏感区人体传感器的正视图如图2.12所示。图2.12 热释电人体感应模块人体传感器的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100KQ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2.13所示6。图2.13 人体传感器电路图2.2.5 按键管理模块电路按键管理电路采用独立按键通过程序进行控制、通过按键进行电路的控制检测是自动检测还是手动检测，然后另有两个按键是控制检测的开或者关的，电路如图2.14所示。图2.14 按键模块原理图2.2.6 超时报警电路在教室中，如果采用手动控制的方式时，一方面由于管理人员及学生的疏忽，教室里没有人而灯还开着，导致室内电灯工作超时，浪费能源，于是本系统采用超时报警电路，用声音的方式来提醒管理人员是否关闭电源。另一方面由于学生学习紧张，学习期间开灯时间过长，在夜里忘了时间点，导致教室灯工作超时。于是本系统超时报警电路就会发出声音，提醒学生必须改用遥控器手动方式来控制灯或该休息了。蜂鸣器是一种采用直流电压供电，一体化结构的电子讯响器。广泛应用于复印机、计算机、报警器打印机、汽车电子设备、电子玩具、定时器、电话机等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为电磁式蜂鸣器和压电式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“HA”或“H”（旧标准用“FM”、“LB”、 “ JD”等）表示。下面对压电式蜂鸣器的工作原理做出详细解释。压电式蜂鸣器主要由阻抗匹配器、多谐振荡器、共鸣箱、压电蜂鸣片及外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V直流工作电压），多谐振荡器起振，输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。单片机的P0.0端口外加一个10K的上拉电阻，再经过限流电阻100欧与三极管9015的基极相连。若基极为高电平，即P0.0端口为高电平时，三极管截止，蜂鸣器不工作，教室灯工作正常。当基极为低电平，即P0.0端口为低电平时，三极管导通，驱动蜂鸣发出声音以示教室灯工作超时7。超时报警电路如图2.15所示。图2.15 超时报警的电路2.2.7 系统的其他模块（1）电源模块 根据系统的需求，采用+5V电源就可以使系统正常工作。电路原理如图2.16所示，当电源接入后，指示灯亮起，此时表示系统进入工作状态。若指示灯未亮，则表示电源插头未接好，需要重新接通电源。图2.16 电源电路图（2）系统显示模块系统采用8个发光二极管作为显示器，以此来表示灯的开闭情况以及不同情况下灯亮个数。电路图如图2.17所示。图2.17 显示灯电路图同时，系统还采用两个发光二极管作为手动和自动模式的切换显示，此外，还采用三个发光二极管来对外界光线强弱程度进行显示，电路图如图2.18所示。图2.18 指示灯电路图3 控制模块软件设计与开发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方法的确定后，程序软件就可以完全独立的进行设计、开发。本控制软件的模块主要包括：系统监控主程序模块、数据采集模块及系统功能键。3.1 系统监控主程序模块整个控制系统的核心部分就是监控主程序，其外围模块在监控系统中的作用一般都需要经过监控模块实现。监控主程序起引导作用，接收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。本系统监控主程序模块包括看门狗的激活，对系统外围器件输入、输出参数的初始化自检，实时中断处理，多任务操作模块的调用等。其监控主程序流程图如图3.1所示。 开 始系统初始化设定定时器，允许定时中断 按键处理任务 环境光处理任务人体传感器处理任务 定时管理系统结束图3.1 监控主程序流程图3.1.1 系统自检初始化保证整个控制系统能够正常运行的重要条件是系统自检初始化，系统价电复位后，就直接进入自检初始化程序中，完成系统自检及初始化。初始化过程主要是对一些数据区、控制器及外部芯片进行初始化定义和参数设置。本系统中自检初始化主要指接口芯片的检测内部寄存器的初始化及芯片内部设定参数的初始化。接口芯片的检测主要是检查有无硬件故障，各芯片是否已处于准备工作的就绪状态等。如检测环境光是如何影响光采集电路输出信号，检测各位LED是否正常显示系统设置开机时的界面等。系统内部寄存器初始化主要是指，在数据缓冲区内，部分特殊功能寄存器SFR的复位初始化及各用户定义的数据变量的初始化赋值，单片机复位后，程序状态字寄存器PSW清零，程序计数器PC指向程序存储器的入口地址0000单元，堆指针SP指向07H，片内部存储器选择1区工作寄存器，其他定时器、中断允许寄存器IE累加器ACC等皆为00H用户标志位F0为0状态8。3.1.2 定时中断处理定时中断时利用单片机内部的计数值已满的终端或定时器定时时间到，内部定时器的计数器可以对从外部引线T0和T1输入的外部脉冲或内部时钟进行计数，中断请求信号是计数器的溢出信号，去置位定时器溢出标位，向单片机的CPU申请中断。定时中断是周期中断，每隔一段时间会中断一次。本系统中设定的定时中断主要用来构成多任务操作系统，在系统响应中断后，该中断可以启动有关的任务就绪，即无需对断点实施现场保护，可以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。该定时中断处理程序框图如图3.2所示。本系统还采用了外部中断，主要用来判断是否有遥控器信号，若无，则返回到主循环；若有，就采集下来并加以处理。本系统中的数据采集对象为人体存在信号及环境光信号。在程序设计中，对这两个数据的采集放置多任务模块中实施定时采集9。定时中断到？下一步多任务启动时间划分N图3.2定时中断处理程序框图开始YN3.1.3 ADC0832数据读取程序流程为了实现通信的高速有效，接口程序采用汇编语言编写。由于ADC0832的数据转换时间仅为32S，所以A/D转换的数据采样频率可以很快，从而也保证的某些场合对A/D转换数据实时性的要求。数据读取程序以子程序调用的形式出现，方便了程序的移植。程序占用资源有工作寄存器R7、累加器A、特殊寄存器CY和通用寄存器B。转换值和通道功能寄存器共用寄存器B。在使用转换子程序之前必须确定通道功能寄存器B的值，其赋值语句为“MOV B,#data”（00H03H）。运行转换子程序后的转换数据值被放入B中。子程序退出后即可以对B中数据处理10。ADC0832数据读取程序流程图如图3.3所示。开始字节数据校验将值送入指定寄存器读取2字节数据 输入通道控制字产生时钟信号 使能芯片 返回 图3.3 ADC0832数据读取流程3.2 数据采集的实现本系统考虑到环境光不够亮时，有人体存在才开灯，无人体存在不开灯；环境光足够亮时，无论有否人体存在都不应该开灯。本系统逻辑定义为环境光亮时为二进制的“1”，暗时为“0”，人体存在为“1”，人体不存在为“0”，开灯为“0”，关灯为“0”，那么环境光与人体存在可以有以下的逻辑关系表表示，如表3.1所示。表3.1 环境与人的关系环境光参数人体存在参数教室灯状态011000110100数据采集流程图如图3.4所示。开始N光线弱Y N有人存在Y 灯开启 灯关闭返回图3.4 数据采集流程图3.3 系统键功能键盘是系统输入数据设备应用最广泛的一种，它也是人机交互对话。对系统进行操作的重要通道，操作者的许多操作意图是通过键盘来输入。本系统在键盘不多的情况下，采用中断方式，把键盘信号采集放在中断程序中，键盘的功能放在任务操作模式中完成。按键流程图如图3.5所示。在执行完键盘采集工作后，如果有键按下，程序转入键处理功能程序。系统根据采集过程中得到的键号，散转到相应的键处理子程序，通过键盘设置修改系统工作参数。 可见，通过对系统不同功能进行测试，系统工作正常，测试效果良好，满足实用的要求。开始有键按下键处理程序下一步图3.5 按键处理流程图YN3.4 系统显示功能系统显示模块分为显示灯和指示灯两个部分。显示灯是对教室内灯的开闭以及开的个数进行显示。即在有人存在的条件下，光线强不亮灯，光线较弱亮四个灯，光线弱时灯全部亮。在无人存在的条件下，无论光线强度如何，都不亮灯。 指示灯是对光线强弱程度以及按键处理进行显示。三个二极管分别对光线强、较弱、弱三个等级进行显示。若系统处于手动控制状态下，则代表手动控制的指示灯亮，自动控制亦然。流程图如图3.6所示。开始按键处理任务指示灯亮情况显示灯亮情况 返回 图3.6 显示模块的流程图3.7 看门狗模块电源看门狗，又叫watchdog timer，是一个定时器电路，一般有一个输入，叫喂狗(kicking the dog or service the dog），一个输出到MCU的RST端，MCU正常工作的时候，每隔一段时间输出一个信号到喂狗端，给WDT清零，如果超过规定的时间不喂狗，（一般在程序跑飞时），WDT 定时超过，就会给出一个复位信号到MCU，使MCU复位. 防止MCU死机。看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。硬件看门狗监控主程序的运行，是利用了一个定时器。也就是说在主程序的运行过程中，我们要在定时时间到之前对定时器进行复位。若出现死循环，或者说PC指针不能回来，那么定时时间到后就会使单片机复位。 在系统运行以后也就启动了看门狗计数器，看门狗就开始自动计数。在使用有看门狗的芯片时要注意清看门狗。如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。看门狗电路的应用，使在无人状态下单片机可以实现连续工作，其工作原理是: 单片机的一个I/O引脚和看门狗芯片相连，该I/O引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平（或低电平），这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机陷入某一程序段 进入死循环状态或由于干扰造成程序跑飞时，写看门狗引脚的程序便不能被执行。这个时候，看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号，便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号，程序从程序存储器的起始位置开始执行，使单片机发生复位 11。51系列有专门的看门狗定时器，对系统频率进行分频计数，定时器溢出时，将引起复位。看门狗可设定溢出率，也可单独用来作为定时器使用。流程图如图3.7所示。开始设置一个定时器时钟周期设置数据寄存器的初始值设置计数寄存器的初始值 禁止Reset 使中断触发 使能看门狗返回图3.7 看门狗的程序流程图3.8 超时报警系统 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，教室里没人而灯还亮着，导致教室灯工作超时，能源浪费，于是本系统采用超时报警电路，以声音的方式来提醒管理人员是否关闭电源。先设定一个时间参数，在无人存在且灯亮着时计时器进行计时，然后用一个程序验证是否超过设定的时间。若超过，蜂鸣器就会报警。流程图如图3.8所示。 开始设定一个时间参数 计时器计时验证是否超时？蜂鸣器报警 返回NY图3.8 超时报警流程图结 论该教室灯光系统的控制的核心是AT89S52单片机主控单元，利用相关电脑的驱动，完成对系统设备（教室灯光）的智能化控制，系统设计智能化控制的同时，还设置了遥控器控制和手动控制，那么即使系统偶尔出现故障，也可采用手动操纵，从而影响教室灯光的正常使用。整个系统的工作状态采用一个二极管亮灭显示，实现对教室灯光的自动开灯、关灯控制。在保证系统与已有的教室灯光配套使用时，不需要对原有设备电路进行大的改动。若教室面积很大，超过传感器的辐射范围，这样采集的信号可能会不够准确，进而影响控制设备的运行。为防止这种现象的发生，使系统更加的可靠，最好采用多个传感器。由于教室大小面积各不相同及教室灯光数量不一致，导致教室内部安装智能控制设备的数量也会有所不同，尤其是人体传感器使用的数量受面积的影响很大，一套教室灯光控制系统也只是在有限的范围内。初步试验表明，基于C51单片机的高校教室灯光智能控制系统，能完成对教学楼内各种楼道及教室照明的智能控制，精度在要求指标范围内。本课题以人体存在状况与环境光等外界环境因素为控制器的主要输入参数，相比单纯的人员管理，更加合理有效的降低了教室灯光的资源使用。同时，还加入时间控制参数，使学校的作息时间与教室灯光的控制相符合。对适合应用于教室灯光控制系统部分进行了研究。本控制系统的设计也实用于各类办公室的灯光控制，对于各类大、中专院校的教师灯光管理具有重要的意义。致 谢在本文即将结束之际，我要由衷地感谢在我毕业设计阶段，乃至本科四年学习生活中帮助过我的师长与同学。首先我要感谢我的导师李姿老师。在设计的过程中，我得到了李老师的精心指导。设计期间，感受着老师雄阔的视野，渊博的学识，深邃的思想。潜移默化，耳濡目染，不仅使我努力的改变着“好读书，不求甚解”的习惯，努力培养“知其然，且知其所以然”的求学态度，而且还明白了许多待人处事与为人处世的道理。其严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，与无微不至、感人至深的人文关怀，令人如沐春风，倍感温馨。在论文完成的过程中倾注了导师大量的心血，在论文完成之际，特向我尊敬的老师表示衷心的感谢。最后，以此文献给所有关心与帮助过我的亲人们、老师们和朋友们！对我的父母以及所有亲人给予我的理解、帮助和支持表示深深的感谢。他们是我学习和生活的精神支柱。对我的关爱、理解和支持陪伴我度过生命中许多难忘的日子，乌鸦尚知道反哺，今后我将竭尽所能， 不负老师、朋友及亲人们的期望，努力回报社会，做一个有用的人。参考文献1 江珊. 2005 照明电器新进展（电光源）.中国照明电器.2005，9；P1-22 ATMEL公司，AT89S52的技术手册;P6-93 赵玉安，人体热释电红外线传感器介绍，中国电子制作，2006.9;P10-114 人体红外感应模块，深圳市浩博特电子有限公司;P125 李朝青，单片机原理及接口技术（简明修订版）M，北京航空航天大学出版社，1998;P13-146 李广弟，单片机基础M，北京航空航天大学出版社，1994;P15-167 刘守义 单片机应用技术 西安：西安电子科技大学出版社，2002P17-188 秦实宏 单片机原理与应用技术 北京：中国水利水电出版社，2005;P229 卢艳军 单片机基本原理及应用系统北京：机械工业出版社，2005;P2210窦振中 单片机外围器件实用手册北京：北京航空学院出版社，1998;P2311夏继强、沈德金 单片机实验与实践指导 二 北京：北京航空学院出版社，2001;P25-28附录A 系统电路原理图附录B 系统源程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define NUM_TIMER 60 /超时时间#includeADC0832.Hsbit SENSOR_IN=P10;/*按键端口定义*/sbit key1=P35; / 手动/自动切换sbit key2=P37; / 手动状态下“开”sbit key3=P36; / 手动状态下“关”/*指示灯端口定义*/sbit LED1=P11; /环境光强sbit LED2=P12; /环境较弱sbit LED3=P13; /环境弱sbit LED4=P14; / 自动sbit LED5=P15; / 手动/*蜂鸣器端口定义*/sbit beep=P00;/*标示位定义*/bit HOLD_SET=0; / 自动/手动控制标示位 “0”自动 “1”手动uchar