大学设计设计ATS单片机教室灯光智能控制系统设计Word格式.docx

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1系统硬件组成

整个系统由中央控制电路、2X4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，两者分另催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STCI2C4052AD型单片机。

该

款是一种高速、高可靠性单片机，工作电压5.5〜3.4V,Flash程序存储器4K字节，

SRAM为256字节，2个定时器，8路8位A/D转换器，可通过串口实现在线编程、A/

D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。

1.3其他电路

按键电路主要由一个2X4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。

2.1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。

2.2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STC12C4052AD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。

初始模块主要完成I/O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

摘要1

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2

2.1系统控制模块的硬件构成及简介2

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4

2.2.4系统时钟电路6

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10第三章控制模块软件设计12

3.1系统监控主程序模块12

3.1.1系统自检初始化12

3.1.2定时中断处理设计13

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14

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19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23第五章总结与展望25

5.1总结25

5.2展望25致谢26参考文献27

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。

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2.1AT89S51主要特征

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

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

单片机最小系统如图2-2所示:

1.1

+5V

31

89S51

181920

11—Xhst3詁

10^71£

MHiTT

8JE丄丄

L_L

图2-2单片机最小系统

⑴40（Vcc）20（GND脚间的电压应有5V。

⑵18、19脚分别与20脚间有1.7—2.5V电压

⑶9（RST脚与GND间电压基本为0。

⑷