图书馆智能节能控制器的设计Word下载.docx
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1.3.1本课题需要研究的内容：
（1）教室标准照明光照强度。
（2）关照的强弱与开、关灯之间的关系。
（3）人体红外感应模块检测人体存在技术。
（4）智能节能控制器的参数值设定的要求及方。
1.3.2本课题研究目标
本课题研究的主要目标是通过对图书馆智能照明系统的研究，实现对现有的靠人工管理灯光照明的取代，完成自动化管理，具有提高用电效率，节约能源的作用。
并且为了预防不可控因素，需要同时手动与自动控制能相兼容，通过不断反复的试验及调整，从而达到可靠性、实用性都具备的目的。
1.4本课题的关键技术问题
（1）外界环境光照强度采集问题。
（2）人体红外感应模块数据采集问题。
（3）人体存在与开关灯之间的问题。
（4）手动开关与自动开关相结合的问题。
1.5智能节能控制方案的分析
大多数的照明控制器都是以自然环境光照强度和人体存在作为主要的参数，并且还要具有手动控制与智能控制相兼容。
在自然关照强度足够的情况下，无论人是否存在都不开灯，在自然光照不足的情况下，如果检测到有人存在且人存在一段时间，控制器自动开灯，如果检测到人离开，那么控制器延时一段时间后自动关灯。
尽可能的做到资源利用效率最大化，同时还要按照作息时间来人为的控制，满足特殊情况下开灯或者关灯的需求，如夜晚12点过后，还有人存在则应该关闭智能控制系统，采用市面上的普通开关来手动控制照明，解决特殊情况下智能控制系统所带来的不够人性化，在满足我们需要照明条件的前提下，尽可能的节约能源。
整个控制系统分为两个部分即硬件和软件。
硬件是软件的运行的平台，是执行整个智能照明系统的基础。
软件部分则是对硬件采集到的信号进行分析和处理，实现智能控制所要达到的功。
第2章智能照明控制系统的硬件模块
由于本系统所受到安装环境影响因素很多，并且控制设备中的人体红外模块、光敏三极管会因为受到环境影响而变得不稳定，所以在设计的过程当中，设备的安放和硬件的选用需要充分的考虑到抗干扰的问题。
2.1智能照明控制模块的硬件构成
系统的主控模块采用的是AT89C52单片机作为整个照明系统的控制装置，外围电路则包含了：
ISP下载线模块、电源模块、人体存在感应模块、硬件时钟模块、51单片机模块、环境光模块、灯光驱动模块、看门狗模块、LED显示模块、数码管显示模块。
结构图如2-1所示。
图2-1智能控制照明系统硬件的结构框图
2.2控制系统的硬件电路
2.2.1系统的主控模块
系统的主控模块采用的是AT89C52单片机作为整个照明系统的主控芯片，该单片机片内，有8k的快闪只读程序存储器和256B的随机存取数据存储器，以及4KB的EEPROM。
为了使电路结构简洁且合理的安排片内RAM空间，故不需要片外RAM。
根据本照明系统设计要求，软件设计的流程图如下图2-2所示；
图2-2程序设计流程图
2.2.2在线编程模块电路
由于今年来flash型单片机的发展，采用软件模拟写片的方法已经取代了过去单片机依赖于仿真机。
较之于后者模拟结合写片验证更加的方便与经济时间实用。
AT89C52芯片是flash型单片机，它具有支持在线编程即ISP的功能，用户仅需通过接口就可以直接对主控芯片进行在线编程，极大的方便了程序的烧写与修改等工作。
当使用ISP进行对CPU的在线编程时，需使用AT89C52单片机的P1.5、P1.6、P1.7接口的引脚及RST端口。
要注意的是当显示红色的LED灯是电源指示灯，显示绿色的LED灯是复位作用，显示黄色的是时钟信号指示灯。
2.2.3对系统供电电路
因为AT89C52单片机的工作电压为+5V，而我们日常用电压为220V，这里我们需选用一个输出电压为9V的变压器，当系统接通220V的电压通过变压器后，将变压至9V，然后经过如下图3.2.3的装置会得到一个单片机工作所需要的+5V直流电源，用其给单片机以及单片机的外围电路供电，接至Vcc+端。
图2.2.3单片机电源电路
2.2.4采集数据电路
智能节能照明系统的主要输入参数是环境光照强度和人体的存在与否，这两个因素是系统主要的数据采集对象，本课题中环境光照强度的采集选用了光敏三极管，检测人体存在与否选用了人体红外检测模块。
（1）环境光照采集：
如下图2.2.4-1所示，当环境光照强度大于一定强度的时候，D6三极管呈现低阻态，其值小于1000欧姆，Q12的基极电压升高，当Q12饱和时集电极输出低电平。
当环境光照强度小于一定强度的时候，D6呈现高阻态，其值为1000欧姆，导致Q12截止，输出高电平。
图中可通过调节R26的大小，来控制三极管导通的适当光照强度。
图3.4.2-1环境光照强度采集电路
图2.2.4-1环境光照采集电路
（2）热释电红外传感器的工作原理为，人体红外感应模块采用与热释电效应同压电效应类似的HC-SR501热释电红外传感器，因为其温度发生了变化从而导致晶体表面负荷电。
热释电传感器对温度很敏感，会受到温度的影响。
它主要由压电晶体元件或者陶瓷氧化物构成，它会在元件表面而形成的两个电极，当传感器检测到有ΔT温度的变化由于，根据上述可得由于热释电效应也将会形成ΔQ的电荷变化在电极上，这样会导致电压变化ΔV。
HC-SR501的输出阻抗高，在传感器中形成了一个场效应管阻抗，由热释电效应而形成的电荷ΔQ空气中的离子自由结合然后消失。
即如果环境温度维持稳定状态时，温度没有发生变化时，那么传感器没有输出。
因为人体温度与环境温度的差异，当人体进入到检测区域会产生ΔT的输出；
如果人体进入到了检测区域后没有移动或者停止行动，那么温度不会发生变化，传感器也就不会有输出。
这种传感器可以检测人体等有体温的生物的活动传感功能。
由实验验证到传感器如果不加光学透镜其检测距离很有限只有小于2m，但如果加上了光学透镜，检测的距离可以大大的增加到7m左右。
注意几点：
1：
工作电压为直流且数值需要符合我们的要求，电压过高或者过低都会影响热释电红外模块的性能。
2：
在调试时候人体尽量避免在感应区域，因为人体触摸电路也会影响模块的正常工作。
3：
若模块不接负载时能够正常的工作，但接上负载后却发生工作紊乱等情况，可能是因为电源容量很小，而负载比较耗电，负载在工作时所引起电压的波动导致工作紊乱。
另外一种原因是负载因为得电工作而产生了干扰。
4：
人体红外感应模块在室内才能正常工作，并且室内环境应避免强光的照直接照射。
若果有强烈的气流干扰，阻止对流可以减小影响比如说关窗关门。
感应区域应避免对着会发热的电器。
5：
人体红外感应模块最佳的存放地点是安装在密封盒子里，不受其他条件的影响，否则可能会一直有信号输出。
6：
如果人体感应模块的探测角度比较小，那么可以采用不透明物体遮挡镜片或者裁剪来缩小镜片。
7：
人体红外感应模块拥有双元探头，其红外模块的特性直接决定了它无法精确的控制感应距离。
（3）人体存在与否信号采集：
HC-SR501的工作参数如下表-2.2.4所示：
电气参数：
产品型号
HR-SR501人体感应模块
工作电压范围
直流电压4.5V至20V
静态电流
<
50uA
电平输出
高3.3V，低0V
触发方式
H（重复触发），L（不可重复触发）
封锁
2.5S制作范围内为零点几秒至几十秒
延时
5-200S制作范围内为零点几秒至几十分钟
电路板外形尺寸
（32*24）mm
感应角度
100度
工作温度
零下15到+70摄氏度度
感应透镜尺寸
直径:
23mm
表2.2.4
功能特点：
1．全自动感应:
有人体存在其感应范围输出高电平。
当人离开其感应范围后，延时一段时间关闭高电平，然后再输出低电平。
2．光敏控制：
可以设置光敏控制，在白天或者环境光照强度足够的时候不感应。
3．温度补偿：
在环境温度升高在30至32摄氏度的范围内，探头的探测距离会受到影响，温度补偿可弥补所受到的影响。
4．两种触发方式：
两种触发的方式为不可重复触发和可以重复触发，用跳线进行选择。
不可重复触发，当感应输出0高电平，延时一段时间将自动从高电平变为低电平输出。
可重复触发，在感应输出高电平之后经过一段时间的延时，如果有人体在检测范围内保持高电平输出，人离体开后延时一段时间再将输出，从高电平变为低电平。
5．具有感应封锁时间：
感应模块在经过感应输出后即电平由高到低的变化，应封锁一段时间，在这段时间内感应器不检测感应信号。
6．工作的电压范围：
工作电压默认为DC4.5V-20V。
7．微功耗:
静态电流小于50UA。
另外需要注意的是，顺时针旋转调节距离电位器，感应距离增大，大概在7米左右，反之感应距离减小，大概在3米左右。
顺时针旋转调节延时电位器，感应延时加长，大概在300S左右，反之感应延时减短大概在5S左右。
人体感应说明如下图2.2.4-2所示：
图2.2.4-2人体感应说明
2.2.5时钟电路
之前提到为了保证系统的人性化，满足特殊情况下对照明条件的需求，如12点过后会进入人工控制管理的状态，又如在暑假寒假期间学校的图书馆不开放，如果智能照明系统还是按照之前的设定，那么反而会造成更大的浪费，所以在此需要引入一个时钟电路，对照明系统进行时间和日期上的控制。
因为本系统只是对智能系统停止工作时对时钟电路提供电源的作用，只是实现一些很简单的功能，所以选择一些价格低廉，且方便使用的时钟芯片。
在本系统中选用的时钟芯片为美国DALLAS公司的用于存放临时数据的RAM寄存器的时钟芯片DS1302。
此芯片价格低廉，使用方便，并且精度较高满足智能照明系统的要求。
DS1302的外部引脚图如下图2.2.5-1所示；
图2.2.5-1DS1302外部引脚图
其各引脚的功能分别为：
VCC1：
芯片的主电源。
VCC2：
芯片的备份电源，当Vcc2小于Vcc1的电压时，由Vcc1向芯片供电。
当Vcc2大于Vcc1+0.2V的电压时，则由Vcc2向芯片供电。
SCLK:
主要是控制数据的输入与输出。
I/O：
作为三线接口时的双向数据线。
CE：
此引脚主要是输入数据的作用，在数据传送期间必须为高电平。
时钟芯片DS1302与单片机的接口连接原理图如下图2.2.5-2所示：
其中X1X2外接32.768kHz晶振，是震荡源。
RST的作用是复位或者作为片选线，当通过RST把驱动设置为高电平时启动数据之间的传送。
图2.2.5-2DS1302与单片机接口连接原理图
第3章智能控制系统的软件设计
整个智能照明系统由硬件部分和软件部分组成，在上述硬件系统的基础上，只有向单片机内写入一个正确的程序，才能达到智能控制的目的。
对于本智能控制系统需要使用到的程序软件模块包含了：
数据采集程序模块，主监控程序模块。
3.1数据采集程序
在本程序中，需要采集的信号主要有两个，光照强度信号和人体存在信号。
本系统主要判断是否开灯的条件为，当光照强度足够的时候无论人体是否存在都不开灯，当光照强度不够照明时，有人存在才开灯，没有人存在不开灯。
现定义环境光照强度为亮时为二进制数“0”，环境光照强度为暗时为二进制数“1”。
图书室内有人体存在时定义为二进制数“1”，没有人体存在为“0”。
控制系统开灯为二进制“1”，不开灯为二进制“0”。
根据上述的关系可以总结出下表所示的逻辑关系。
环境光照参数
有无人存在
灯开或灭
1
表3.1-1
因为继电器是低电平工作，所以需要对采集到的信号进行非操作之后来驱动继电器，就可以得到图书馆里灯的状态。
3.2主监控程序模块
主监控程序模块主要分为主程序和命令处理子程序，主程序主要通过不断的循环调用命令处理子程序来完成其需要完成的任务，主监控程序的流程图如下3.2-1图所示：
图3.2-1主监控程序流程
上图中的第二步，系统初始化主要作用是寄存器和外围电路的芯片进行初始化参数设置。
3.2.1定时中断处理
定时中断主要是利用单片机内部自带的定时器定时或通过计数值，当条件满足时而引起的中断。
除了内部时钟外还可以从外围电路引线T0和T1产生脉冲信号进行计数。
当计数器溢出时会向单片机发出中断信号申请中断。
定时中断具有周期性循环的特点，在单片机的CPU满足中断请求后可以满足多任务启动时间划分，定时器的中断程序图如下图3.2-2所示：
图3.2-2
3.2.2多任务启动时间划分的系统构建原理
上小节中所提到的多任务启动时间划分时将用户所启动的应用程序划分为多个任务，然后以某种准则去分配任务后依次执行。
本系统中的多任务是通过对中断中的实时标志检测，通过标志位来判断各任务的调用。
任务的执行会分为以下四种状态：
如图4.2-3
图3.2-3
因为多任务是分序进行的，因此各个任务必然会处于以上四种状态中的某一种。
当系统正在执行某个程序时，则该任务就处于运行状态，程序执行过程中需要等待某件事情发生，则该程序退出运行状态进入等待状态。
如果程序已经执行完毕，则进入休眠状态。
当等待的程序满足所有启动所需要的条件时，则进入就绪状态。
3.3时钟模块
在本系统中所选用Ds1302作为时钟模块，DS1302内部含有实时时钟/日历和31字节的静态RAM，它是由DALLAS公司研发的，涓流充电时钟芯片，DS1302通过串口与单片机进行数据传送。
内部的实时时钟电路可以精确到秒，另外每个月合每年多少天都可以自动调整。
DS1302与单片机进行通信只需用到三根线：
（1）RST复位。
（2）I/O数据线。
（3）SCLK串行时钟。
3.3.1时钟模块的输入与输出
在系统启动的同时，会进行初始化设置，同样的在对时钟模块进行操作之前，也需要对其进行初始化，初始化的步骤为先把时钟模块的复位输入端RST置位高电平，在所有的数据读或写完成之后，再将RST置位低电平，因为RST输入为低电平时终止所有的数据传送，这是为了防止外部对时钟信号的干扰。
在执行数据传输时，需要把时钟周期的8位数据控制信息和地址储存到时钟模块DS1302的寄存器当中去，数据会在SCLK的上升沿串行输入，之后判断储存在寄存器里的指令，若是写指令，数据会在SCLK的上升沿输入字节，读指令字节会在SCLK的下降沿输出。
3.3.2时钟模块DS1302的寄存器
实时时钟电路DS1302寄存器，有秒、分、时、日、周、月、年的等工作寄存器组合而成。
本系统中所需要用到的寄存器只有时分秒和控制寄存器。
所需要用到的寄存器的指令及数据分配如下表3.3-1所示：
表3-1寄存器
寄存器
指令字
取值范围
位内容
写
读
7
6
5
4
3
2
SEC
80H
81H
00~59
CH
10SEC
MIN
82H
83H
10MIN
HR
84H
85H
01~02
或
00~23
12/24
10
A/P
CONTROL
8EH
8FH
WP
CHARGER
90H
91H
TCS
DS
RS
CLOCK
BURST
BEH
BFH
3.3.3时钟模块初始化
时钟模块DS1302的初始化流程图如图3.3.3-1所示：
图3.3.1-1DS1302的初始化流程图
检查数据模块工作是否正常原理为：
先读取秒钟寄存器里的数据，然后将其与60H进行比较，若这个数据大于60H，则工作不正常，转而设置时钟的时间。
若这个数据小于或等于60H，经过一秒延时后再次读取寄存器数据，若与上一次数据相同，说明工作不正常，转而设置时钟时间；
若数据不相同，说明工作正常，则退出主程序。
3.3.4时钟程序
对时钟模块DS1302进行读写操作时，其流程图3.3.4-1如下所示：
图3.3.4-1数据读写流程图
对时钟模块DS1302进行读写操作时数据为BCD码，这就需要对数据进行必要的转换，因为本系统中设置的时间参数为二进制数，所以需要对二进制与BCD码之间进行转换。
3.4显示驱动模块
3.4.1显示器1602的介绍
1602显示器有16个管脚，每个管脚的功能如下：
1号管脚：
VSS接地。
2号管脚：
VDD接+5V正电源。
3号管脚：
V0功能是对显示器对比度进行调整。
4号管脚：
Rs为寄存器选择端。
低电平选择指令寄存器，高电平时选择数据寄存器.
5号管脚：
R/W为高电平时执行读操作，R/W为低电平时执行写操作
6号管脚：
E功能为使能端，当E由高低变化，1602执行命令。
7到第14号管脚：
D0到D7为8位的双向数据线。
15号管脚：
背光电源的正极。
16号管脚：
背光电源的负极。
1602液晶模块内部字符发生存储器，自带存储160个点阵字符的图形，这些字符包含了英文字母、常用符号和阿拉伯数字等，每个字符都有其指定的代码。
3.5系统调试
在整个智能节能照明系统完成之后，为了验证系统的稳定性和可靠性，则需要对系统进行，排除一切故障使系统能够达到预期的要求，本系统的调试主要是对整个控制操作系统和单片机系统进行调试。
在对系统进行调试之前，应先对整个系统的硬件部分进行静态调试，对软件也需要进行初步的调试，完成之后在对系统进行动态调试。
其步骤如下：
（1）静态调试：
所谓静态调试，主要是对单片机的硬件的明显故障进行修改，如电路连接是否正确，端口是否正确，是否有虚焊，焊接是否牢固等等。
这些都需要在焊接时仔细检查，保证没有任何错误。
（2）软件调试：
对于软件编程主要是通过汇编软件对程序进行汇编，在编程过程中如果出现了错误一定要及时的修改。
对于软件的检测采用模拟开发系统，通过调试的结果随时观察程序状态，确保程序的正确性。
（3）动态调试：
在程序调试完成之后，把程序下载到单片机中，观察整个系统的运行状态，如果有错误则一步步审查，直至整个系统安全可靠的运行。
第4章结论
本课题主要通过对图书馆的照明系统进行研究，以环境光照强度和人体存在的状况为主要参数，从而研发用电效率更高，防止电能源浪费的智能节能照明系统，比人为的管理更加的可靠方便。
同时还加入了时间因素，弥补智能控制不够人性化一面。
本系统的设计对于各大学校图书馆节能控制具有重要的作用，同样也适用于教室，办公室等场所。
本系统主要采用AT89C52单片机为主控芯片，通过对相应的外面电路进行设置来完成系统的智能效果，实现对开灯或关灯的智能控制。
同时为了防止系统存在的故障影响照明，设置了手动操纵，防止故障发生时影响照明。
本系统可以与现存的照明设备配套使用，不需要进行大的改动，大
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