AT89S51单片机的教室灯光智能控制系统设计.docx

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AT89S51单片机的教室灯光智能控制系统设计

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摘要

为了有效利用教室灯光、节约能源，设计了以AT89C2051单片机作为控制核心的教室灯光控制系统，能根据学校作息时间、光照情况自动调节教室灯光的打开或关闭。

调试结果证明该系统具有很好的人机交互界面，能对教室灯光进行智能控制，且电路简单，成本低，节约能源，可移植性好。

也可应用于图书馆、会议室、办公室、办公等场所，具有很好的实际应用价值和广泛的应用空间。

本课题针对教室灯光的控制，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机设计教室灯光智能控制系统的思路，并在此基础上开发了智能控制系统的硬件模块和相应软件部分。

该系统以AT89S51单片机作为控制模块的核心部件，采用热释红外人体传感器检测人体的存在，采用光敏三极管构成的电路检测环境光的强度；根据教室合理开灯的条件，通过对人体存在信号和环境光信号的识别与判断，完成对教室灯光的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。

系统还具有报警功能；同时还采用了软/硬件的“看门狗”等抗干扰措施。

本系统程序部分采用C语言编写，采用模块化结构设计、条理清晰、通用性好，便于改进和扩充。

该系统具有体积小，控制方便，可靠性高，针对性强，性价比高等优点，可以满足各类院校对教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能目的。

关键词：

智能控制器热释红外传感器单片机

Abstract

Inordertomakeeffectiveuseofclassroomlighting,energysaving,todesigntheAT89C2051MCUasthecontrolcoreofthelightingcontrolsystemforclassroom,accordingtotheschoolcalendar,lightautomaticadjustmentofclassroomlightingintheopenorclose.Debuggingresultsshowthatthesystemhasaverygoodman-machineinterface,forclassroomlightingintelligentcontrol,andhastheadvantagesofsimplecircuit,lowcost,energysaving,goodportability.Canalsobeappliedinthelibrary,conferenceroom,office,officeandotherplaces,andhasgoodpracticalapplicationvalueandbroadapplicationspace.

Thetopicforclassroomlightingcontrol,analysisofclassroomlightingintelligentcontrolprincipleandrealizationmethod,isputforwardbasedontheSCMdesignclassroomlightingintelligentcontrolsystemoftrainofthought,andonthisbasisthedevelopmentoftheintelligentcontrolsystemofthehardwaremoduleandthecorrespondingsoftware.

ThesystemisbasedonAT89S51singlechipmicrocomputerascontrolmoduleisthecorecomponent,thepyroelectricinfraredsensortodetectthepresenceofthehumanbody,usingphotosensitivethreetransistorcircuitstodetectambientlightintensity;reasonablelightconditionsaccordingtoclassroom,thehumanbodythroughthepresenceofsignalsandambientlightsignalrecognitionandjudgement,completionoftheclassroomlightingintelligentcontrol,toavoidtheclassroomelectricitywaste.Thesystemalsohasthealarmfunction;italsousessoft/hardware"watchdog"andantiinterferencemeasures.

ThesystemusesClanguage,isdesignedwithmodularstructure,clarity,goodversatility,facilitatetheimprovementandexpansion.Thesystemhastheadvantagesofsmallvolume,convenientcontrol,highreliability,strongpertinence,cost-effectiveadvantages,canmeetallkindsofinstitutionsforclassroomlightingcontrolrequirements,alargedegreeofachievingthepurposeofenergysaving.

Keywords:

intelligentcontrollerforpyroelectricinfraredsensorchip

目录

摘要I

引言IV

1.1课题来源及背景IV

1.2国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题IV

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2

2.2.1系统主控电路2

2.2.2系统供电电路3

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7

2.2.6超时报警电路7

2.2.7按键控制电路8

2.2.8系统看门狗电路8

3.1系统监控主程序模块10

3.1.1系统自检初始化10

3.1.2定时中断处理设计11

3.2数据采集模块11

3.2.1人体存在传感器的优缺点11

3.2.2数据采集软件的实现12

3.3时钟模块12

3.3.1数据输入输出12

3.3.2时钟程序设计13

3.4显示驱动模块16

第四章系统调试运行及问题分析16

4.1单片机系统调试方法及步骤16

4.2主要问题分析18

第五章总结与展望19

5.1总结19

5.2展望19

致谢20

参考文献21

引言

1.1课题来源及背景

本课题属于自选课题，来源于本人了解到现今全世界面临资源短缺问题日益突出，造成了资源的巨大浪费。

而我所在就读的邵阳学院电能管理方面存在着很大的问题，特别是教师管理不到位。

所以我选择这个课题。

基于单片机控制教师灯光自动控制器的研究。

当前，随着经济的飞速发展，能源短缺问题日益突出，成为一个国家经济发展的“瓶颈”。

作为工业生产和人民生活不可或缺的电力能源更是如此。

尤其现今越来越提倡低碳生活，节约能源已经成为一种全球共识，而作为培养社会精英的高校更应该起到榜样的作用。

但是目前在校园内，教室灯火通明，却空无一人的现象屡见不鲜，这不仅造成了严重的资源浪费，也对高校的形象造成了很坏的影响。

本文所研究的教室灯光控制系统就可以很好地实现节约能源的作用。

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国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题

现今世界各地面临能源危机，现在发电的主要原料是煤炭、石油和天然气等，丹麦在能源合理利用方面的成功经验给我们提供了很好的借鉴。

丹麦从1974年以来，国民收入增长了50%。

但丹麦总的能源总消费量并没有增加。

所以丹麦在OECD成员国中能源消耗量和国民收入比值最小的国家。

他们提供的一些节能供热系统很值得我们借鉴。

例如丹麦热电周供热电厂（CHP）。

而且，他们尽可能的有效利用资源，所以他们的能源使用总效率达到了90%。

并且丹麦政府很重视住房空同用电的节簏，还设立了对新建房屋节能的诸多要求。

数据显示，居民入住有节能装置的房子时，要支付比没有节能方案房屋高出8%的费用。

他们的节能经验在欧盟国家中广为流传。

还有，欧司朗一斯维尼亚公司不断的推出新型高输出的荧光灯，节能6%。

飞利浦照明公司推出的陶瓷金卤灯代替过去的卤钨灯，可节能60%的电能。

以上种种迹象表明世界各国都在采取不同方式来节约能源。

由于我国人口有十三亿之多，经济又持续多年的高速发展，让能源问题日益突出。

虽然我国能源总储量不低，但人均储量少。

单位产值的能耗是发达国家的3-10倍。

能源问题已成为制约我国国民经济高速发展的关键问题。

，能源问题也是我国长期可持续发展战略中一个关键因素。

此外，能源问题不仅关系经济发展和环境生态的平衡，在特定情况下还会对社会稳定有很大影响。

鉴于能源问题的重要性，我国在绿色照明工程新闻发布，绿色照明工程未来五年问将在公用设旅、宾馆、商厦、居民住所等全国建筑物中推广1.5亿只节能灯，节电290亿度电。

上海、河北等一些地方采取政府对节能灯大宗采购每只补贴3至4元的方式进行推广。

从普通白炽灯到高效节能灯，使我国的电光源产品结构逐步向节电型转变，荧光灯与普通白炽灯的比例由1995年的1：

6.25上升到目前的1：

1.5。

目前，我国照明用电约占社会总用电量12%，采用高效照明产品代替传统的低效照明产品可节电60%-80%。

如今，北京正在大力推行绿色照明工程，己推出上百万只绿色照明光源和部分节能电器，据估算年节约用电可达3442万千瓦时，节约电费2519.7万元。

政府已经在商厦、学校、医院等更换24万只节能灯具。

在奥运工程的建设上、也大量运用节能技术，北京的奥运厂馆“水立方”，通过采用大量的节能灯具，装备新技术，通过增强透光性白天可节约能耗50%。

我们党在2000年10月11日党第十五届中央委员会第五次会议通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划的建议》中明确指出：

“加强基础设施建设是今后五年至十年一项十分重要的任务。

”其中提到的基础设施建设就包括了能源建设。

《建议》还强调了能源建设要发挥资源优势，优化能源结构，提高利用效率，加强环境保护。

面临如此紧迫的能源问题，我们应该把着眼点放在“高效”利用“清洁”能源上。

由此可见，节能照明用电，对节能具有重要的意义。

目前国内各类院校中，由于同学们的自觉节能意识薄弱，在光线足够强时也开灯，课上完离开教室后灯还亮着的现象普遍存在；而且，节能规划极为欠缺，教室的灯光控制由管理人员手工代替，教室极多，管理人员忙不过来,这样就造成不必要的电能浪费和经济损失。

基于以上种种原因，提高教室用电效率就成为学校节能的重要且主要的措施之一，因此节能技术的重要手段之一就是教室灯光自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要课题。

第1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

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，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

数码管段码驱动接口

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：

图2-2单片机最小系统

（1）40（Vcc）20（GND）脚间的电压应有5V。

（2）18、19脚分别与20脚间有1.7―2.5V电压

（3）9（RST）脚与GND间电压基本为0。

（4）31脚（EA）与20引脚（GND）间电压为5V。

2.2.2系统供电电路

系统供电原理如图2-3所示，采用+5V电压供电。

本设计采用输出电压为9V的变压器。

系统接通220V交流电源后，将220V交流电变压到9V，经过二极管全波整流、电解电容C1，C2滤波，再经正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用了电容C3，C4，最后得到+5V的直流电压，用于给控制系统中单片机系统及其它外围电路的Vcc端供电。

.

图2-3系统供电电路

2.2.3数据采集电路

教室的环境光强度和人体存在与否是系统主要的输入参数，因此教室中的环境光照强度和人体存在成为系统数据采集的主要对象。

常见的环境光强度采集器件主要有光敏二极管和光敏三极管，考虑抗干扰的需要，选用灵敏度较高的光敏三极管。

此外，人体存在传感器要求灵敏度高，可靠性强。

一、环境光强度采集电路

光电传感器是一种能够将光转化为电量的传感器。

采用的光敏三极管除了具有光敏二极管将光信号转化为电信号的功能外，还具有对电信号的放大功能。

在无光照时，三极管的穿透电流很小，为暗电流，有光照时，产生的Ib增大，成为光电流Ie，光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

光敏三极管具有灵敏度高，体积小，工作电压低，工作电流小，发光均匀稳定，响应速度快，寿命长等特点。

环境光采集电路原理如图为2-4所示。

当环境光照强度大于一定程度时，光敏三极管D6呈现低阻状态?

1KΩ，三极管Q12的基极电压升高，Q12管饱和导通，集电极输出低电平。

当环境光强度小于一定程度时，光敏三极管D6呈现高阻状态≥100Ｋ，使三极管Q12截止，集电极输出高电平。

其中调节R26阻值，可使三极管Q12受环境光强度影响在适当的亮度下导通。

图2-4环境光电路

二、人体存在信号采集电路

人体存在传感器采用HP-208-N-L人体感应模块（低电平输出）。

基于红外线技术的自动控制产品，灵敏度高，可靠性强，广泛应用于各类自动感应电器中。

人体传感器的1号引脚为电源信号端VCC，2号引脚为采集信号输出端OUT，3号引脚为地信号端GND。

其硬件连接如图2-5。

图2-5人体存在信号采集电路

HP-208-N-L功能特点：

全自动感应：

人进入其感应范围则输出低电平，人离开感应范围则自动延时关闭低电平，输出待机时的高电平。

两种触发方式：

a.不可重复触发方式：

即感应输出低电平后，延时时间段一结束，输出将自动从低电平变为高电平；b.可重复触发方式：

即感应输出低电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持低电平，直到人离开后至延时结束，低电平跳变为高电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）.

具有感应封锁时间：

感应模块在每一次感应输出后，待延时时间一结束，可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。

此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。

（此时间可设置在零点几秒—几十秒钟）。

微功耗：

静态电流<50微安，特别适合干电池供电的电器产品；

输出高电平信号：

可方便与各类电路实现对接；

技术参数：

工作电压：

DC4.5V至DC24V均可；

输出低电平：

0V，待机时的高电平为3.3V；

延时时间：

可制作范围零点几秒—十几分钟；

封锁时间：

可制作范围零点几秒—几十秒；

触发方式：

L不可重复；H可重复；

感应范围：

<140度锥角，7米以内；

工作温度：

-20—+70度。

2.2.4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，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。

考虑到本系统停电时需为时钟电路提供电源、且不占用太多单片机资源，于是采用具有充电能力的实时时钟芯片DS1302，作为临时性存放数据的RAM寄存器。

此芯片采用的是串行通信方式，还可为掉电保护电源提供充电功能，也可以将此功能关闭。

该芯片对年、月、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V—5.5V。

DS1302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，其引脚图如图2-6所示。

图2-6DS1302的引脚图

各引脚的功能为：

Vcc1：

主电源；Vcc2：

备份电源。

当Vcc2>Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2

SCLK：

串行时钟，输入，控制数据的输入与输出；

I/O：

三线接口时的双向数据线；

CE：

输入信号，在读、写数据期间，必须为高。

DS1302与单片机接口电路连接如图2-7，其中Vcc2外接3.6V可充电的锂电池，为DS1302的备用电源。

Vcc1外接供电模块的稳定输出电压+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。

X1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。

。

图2-7时钟电路

2.2.5继电器驱动电路

继电器驱动接口电路如图2-8所示，这里继电器由相应的PNP型号的9012三极管来驱动。

开机时，单片机初始化后的P3.5、P3.6为高电平，三极管截止，所以开机后继电器始终处于释放状态。

如果P3.5、P3.6为低电平，三极管的基极就会被拉低而产生足够的基极电流，使三极管导通，继电器就会得电吸合，从而驱动负载，点亮相应电灯。

继电器的输出端并联100欧的电阻和6800皮法电容，目的是避免继电器吸合与释放期间产生火花。

继电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管，这种继电器驱动方式硬件结构比较简单。

图2-8继电器驱动电路

2.2.6超时报警电路

本系统采用的超时报警电路如图2-9所示。

单片机的P3.4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C945的基极相连。

当P3.4端口为低电平，即基极为低电平时，三极管导通，驱动蜂鸣器发出声音，以示教室灯工作超时。

若P3.4端口为高电平，即基极为高电平时，三极管截止，蜂鸣器不工作，教室灯工作正常。

本系统采用超时报警电路方便了管理人员对教室灯的管理，能够科学、有效地管理教室电灯。

图2-9超时报警电路

2.2.7按键控制电路

按键控制电路如图2-10所示。

按键的输入信号分别接到P2.0，P2.1