教室智能节能控制系统Word文档格式.docx

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2．教室灯光控制器简介及控制方案的分析5

2.1教室灯光节能控制系统简介5

2.2教室灯光节能系统控制方案的分析.....................5

3．硬件系统控制模块的设计6

3.1控制模块的硬件构成6

3.2控制系统的主要硬件电路7

3.2.1系统主控电路7

3.2.2日光强度检测模块电路8

3.2.3红外线热释电传感器...................................9

3.2.4系统时钟电路12

3.2.5系统看门狗电路15

3.2.6遥控键盘管理模块电路17

3.2.7超时报警电路19

3.2.8系统供电电路20

4控制模块软件设计与开发21

4.1系统监控主程序模块21

4.1.1系统自检初始化22

4.1.2定时中断处理23

4.2数据采集模块24

4.2.1数据采集软件设计的实现24

4.2.2人体存在传感器的安装要求25

4.3时钟模块26

4.3.1时钟程序设计26

4.4系统键功能28

4.4.1遥控键盘28

4.4.2键功能处理程序30

5结论与建议32

5.1结论32

5.2建议32

致谢33

参考文献34

附录………………………………………………………………………………………………………………………………………..36

1引言

1.1课题的研究背景与前景

为建立资源节约型和环境友好型社会，促进经济社会可持续发展，我国大力加强节能减排工作，明确了“十一五”能源消耗和主要污染物排放总量控制目标。

电力行业作为节能降耗和污染物减排的重点领域，近几年节能减排工作取得明显成效。

但是目前形势依然严峻。

根据权威机构调查显示：

如果全国所有的商场，会议中心等公共场所有10%白天采用自然光照明，每年可节电82亿度。

若能设计出为公共照明区域进行科学合理的节能控制系统，则每年可为单位和国家节省许多电量。

通常的节能途径有两个：

一个是采用节能光源;

二是采用合理的控制线路。

本文在使用节能光源的情况下采用合理的控制线路来实现节能。

在生活中我们常会因为天气较亮的时候经常忘记关灯，有时为了局部需要又往往不得不大面积的开灯，因此致使大量电能被浪费。

解决这一问题较好的办法通常是采用照明自动控制系统。

如采用微机自动控制系统及优化开关控制路数，以满足灯开、关的数量和事先设定的照度要求，以期合理用电。

因此我设计了这个照明自动控制系统，它融合了我们日常的照明装置，而且更人性化的添加了自动光控系统。

你可以根据不同的环境来设置它不同的模式。

对于学校而言，实用的教室灯光自动控制系统便具有重要的现实意义。

1.2本课题的研究方向

1.2.1研究内容

本课题的研究内容有如下几点：

（1）了解教室照明光强的标准;

（2）调研教室灯光照明需求以及环境光强弱与开、关灯的关系；

（3）研究人体存在探测技术，探测角度与范围；

（4）研究传感器在教室分布、安放问题，是否一灯一个传感器或多灯公用传感器等；

（5）研究确定人体传感器的有关参数；

（6）研究灯光控制器电源问题；

（7）研究控制器参数值设定的要求及方案；

（8）研究人工设置参数、掉电保存参数的问题；

（9）研究使用遥控器控制灯光控制器技术；

（10）研究与现有教室照明相兼容，易替代，不易被偷盗、被仿制，易于维护、维修等控制技术；

（11）研究报警等附加功能问题

1.2.2研究目标

研究的教室灯光控制系统能用于现有教室照明系统的改造，实现对照明系统的人性化智能管理，提高用电效率；

实现自动、手动灯光控制相兼容，以降低成本；

通过反复试验和改进，最终达到可靠性、实用性、推广性较好的目标。

1.3本课题实现节能控制的关键方向

本课题拟通过试验研究教室灯光的各种控制方案解决如下关键问题：

（1）照明回路的控制回路与控制器本身的节能问题；

（2）传感器与教室灯配合安装的问题；

（3）环境光参数输入采集问题

（4）人存在传感器参数输入采集问题：

（5）开、关灯的自动与手动兼容措施；

2．教室灯光节能控制简介及控制方案的分析

2.1教室灯光节能控制系统简介

教室灯光节能控制系统可实现有效的教室灯光智能控制。

其输入参数主要是人体存在信号和环境光信号等的外界因素，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，理论和实验证明用这种方式来对教室灯进行智能控制可以实现上述目标。

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。

2.2教室灯光节能系统控制方案的分析

所研制的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。

可以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，还要按作息时间来控制，夜晚超过12点，若还有人存在，则关闭自动控制器的运行，改用遥控器或机械开关来手动控制，以解决因特殊情况下，自动控制器的不人性化运行。

本文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，达到控制器自动与手动相结合的教室照明智能控制。

3．硬件系统控制模块的设计

考虑到本系统所安装的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等经常会园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。

3.1控制模块的硬件组成

系统控制单元是以51单片机主控模块为核心，其它外围电路主要包括：

看门狗模块、系统供电模块、硬件时钟模块、环境光模块、人体存在传感器模块、遥控器模块、遥控器接收模块及超时报警模块，其结构框图如图3-1所示，

图3-1结构框框图

3.2控制系统的主要硬件电路

3.2.1系统主控电路

本系统的主控模块主要采用ATMAL公司的AT89C2051作为主控芯片，AT89C2051是个低功耗，高性能的CMOS8位单片机，片内含2KB的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128KB的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMAL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。

AT89C2051只有20个引脚，15个I/O口（其中P1是个完整的8位双向I/O口），2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双向串行通信口，1个模拟比较放大器。

指令系统与MCS-51系列完全兼容，除了没有外部数据存储器和外部程序存储器等扩展功能外，他具有80C31片机所有的功能。

其主要特点为：

（1）MCS-51产品完全兼容；

（2）2K字节可编程闪烁内存；

（3）编程次数可达1000次；

（4）两级程序加密防盗；

（5）15个可编程I/O口、2个16位定时器/计数器、可直接驱动LED显示，5个中断源；

（6）二级中断优先级、全双工串行口。

正是因为AT89C2051单片机具有上述特点，尤其是自带FLASH存储器，并且能够有效擦除1000次，使整个控制系统的硬件电路变得很简单，大大缩短了开发周期。

AT89C2051的CPU有两种节电工作方式既空闲和掉电方式，遥控器采用了空闲节电方式。

当CPU执行完IDL=1（PCON.0=1）指令后,系统进入了空闲工作方式,这时内部始终不向CPU提供,而只共给中断、串行口、定时器部分。

AT89C2051的P1是一组8位双向I/O口，P1.2-P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1内部无上拉电阻。

P1口输出缓冲器可以吸收20mA电流并可以直接驱动LED。

当P1口引入脚写入“1”时可以作输入端，当引脚P1.2-P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而输出电流。

P3口还用于实现AT89C2051特殊功能，如表3-1所示。

表3-1P3口特殊功能

口引脚

功能特性

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外中断0）

P3.3

（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0外部输入）

P3.5

T1（定时/计数器1外部输入）

AT89C2051的P3口只有7个引脚，P3.6没有引出。

P3口的P3.0-P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的7个双向I/O口。

P3口缓冲器可吸收20mA电流。

当P3口写入“1”时，它们内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。

3.2.2日光强度检测模块电路

日光强度检测模块采用单片机作为控制处理核心，具有价格低、体积小等特点，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A／D如图3-2。

为了减小模块体积和降低成本，选择低功耗、串行方式工作的TLC549作为A／D转换器，其原理如图3-3所示。

TLC549是采用IinCMOSTM技术并以开关电容逐次逼近原理工作的8位串行A／D芯片，可与通用微处理器、控制器通过I／OCLOCK、CS、DATAOUT三条口线进行串行接口。

TLC549具有4MHz的片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长为17μs，允许的最高转换速率为40000次/s。

总失调误差最大为±

0．5LSB，典型功耗值为6mW。

TLC549采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，由于其VREF-接地时，（VREF+）-（VREF-）≥1V，故可用于较小信号的采样，此外，该芯片还单电源3～6v的供电范围。

总之，TLC549具有控制口线少，时序简单，转换速度快，功耗低，价格便宜等特点，适用于低功耗袖珍仪器上的单路A/D采样，也可将多个器件并联使用。

它的工作原理是TLC549带有片内系统时钟，该时钟与I／OCLOCK是独立工作的，无需特殊的速度或相位匹配。

当CS为高时，数据输DATAOUT端处于高阻状态，此时I／OCLOCK不起作用。

这种CS控制作用允许在同时使用多片TLc549时，共用I／OcLOCK，以减少多路（片）A／D使用时的I／O控制端口。

图3-2A\D模块

图3-3A/D转换器

3.2.3红外线热释电传感器

3.2.3.1红外线热释电传感器

红外线热释电传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。

在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。

由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。

为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内人的行动。

　　菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。

当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。

　　人体辐射的红外线中心波长为9~10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um范围内几乎稳定不变。

在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10--um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。

　　被动式热释电红外探头的工作原理及特性：

　人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。

人体发射的10UM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。

红外感应源通常采用热释电元件，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报警信号。

　　1）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10UM左右的红外辐射必须非常敏感。

　　2）为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。

　　3）被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。

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。

　　4）一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，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，经信号处理而报警。

　　5）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。

　　被动式热释电红外探头的优缺点：

　　优点：

　　本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。

价格低廉。

　　缺点：

　　◆容易受各种热源、光源干扰

　　◆被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。

　　◆易受射频辐射的干扰。

　　◆环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。

　　抗干扰性能：

　　1。

防小动物干扰

　　探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生报警。

　　2。

抗电磁干扰

　　探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。

　　3。

抗灯光干扰

　　探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。

　　红外线热释电传感器的安装要求：

　　红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系.。

正确的安装应满足下列条件：

红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米。

红外线热释电传感器远离空调,冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。

红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。

　　4。

红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。

红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。

红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。

红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向（即与半径垂直的方向）移动则最为敏感.在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。

3.2.4系统时钟电路

根据教室灯光使用特性，该系统还应受到时间的控制，控制系统的时间应符合学校的作息时闯。

比如晚间休息、假期等时闻段应该关掉教室灯光控制系统，以节约能源，因此本研究还加入硬件时钟电路以保证系统的智能化运行。

3.2.4.1硬件时钟芯片的选取极其接口电路

传统的时钟芯片，如MCL46818、MC68H68T、LM8365等，这些芯片的引脚太多，体积大，占用的口线多。

而现在流行的串行时钟芯片很多，如DSL302、DSL305、DSL307、PCF8485等，这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛的使用。

考虑到本系统停电时只需对时钟电路提供电源、且不需要占用太多单片杌资源，本系统采用美国DALLAS有充电能力的低功耗1×

8的用于临时性存放数据的RAM寄存器的实时时钟芯片OS1302的是串行通信方式，还可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。

它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V-5V,DL302的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源／后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。

而且本系统采用的DS1202只需三根线即可与单片机进行通信，体积小，使用简单，时钟精度较高，满足系统的要求，

可为掉电保护电源提供可编程的充电功能的时钟芯片DS1202的引脚图如图3-7所示

图3-7时钟芯片DS1202的引脚图

DS1302与单片机接口电路连接原理图如图3-8，其中Vcc2：

外接3.6V可充电的锂电池，为DS1032的备用电源。

Vcc1外接系统供电模块的输出稳定电压+5V，为DS1302的主电源。

DS1302由Vcc1和Vcc2两者中较大者供电。

系统正常运行时，Vcc1大于Vcc2，因此由Vcc1给DS1302供电，在主电源关闭的情况下，则由Vcc2给DS1302供电，保持时钟的连续运行。

X和X2是振荡源，外接32.768KHz晶振。

RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送，与单片机的复位信号相连。

时钟输入端ＳＣＬＫ接单片机P1.5引脚，进行时钟控制。

数据输入/输出端I/O接单片机P1.6引脚，进行数据传输。

图3-8DS1302与单片机接口电路连接原理图

3.2.4.2硬件时钟芯片的引脚功能极其工作原理

RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。

RST输入有两种功能：

首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；

其次RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。

当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302迸行操作．如果在传送过程中RST置为低电平，就会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。

上电运行时，在Vcc≥205V之前，RST必须保持低电平。

只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。

I/O为串行数据输入输出端（双向），后面有详细说明。

SCLK始终是输入端。

硬件时钟芯片DS1032与微处理器进行数据交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高位MSB（D7）必须为逻辑1，如果D7=0，则禁止写DS1032，即写保护；

D6=0，指定时钟数据，D6=1,指定RAM数据；

D5-D1指定输入或输出的特定寄存器；