基于單片機的教室節(jié)電控制器的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計論文.doc

本科畢業(yè)設(shè)計(論文)題目：基于單片機的教室節(jié)電控制器的設(shè)計 院 （系）： 光電工程學(xué)院 專 業(yè)： 光信息科學(xué)和技術(shù) 班 級： 110111 學(xué) 生： 孟凡超 學(xué) 號： 110111112 指導(dǎo)教師： 杜玉軍 2015年 6月畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書系 別 專業(yè) 班 姓名 學(xué)號 1.畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 基于單片機的教室節(jié)電控制器的設(shè)計 2.題目背景和意義： 隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類社會的進(jìn)步越來越依賴于資源的開發(fā)與利用，然而與日俱增的能源需求和有限的資源數(shù)量形成了巨大的矛盾。對高等院校，據(jù)測算，其照明耗電占本單位所有耗電的40%左右，可見在保證照明質(zhì)量的前提下，對教室燈光進(jìn)行自動控制，其節(jié)能效益和經(jīng)濟效益都是相當(dāng)可觀的。 3.設(shè)計(論文)的主要內(nèi)容（理工科含技術(shù)指標(biāo)）： 該系統(tǒng)采用遙控模式，由遙控器和教室節(jié)電控制器兩個部分組成。遙控器主要實現(xiàn)以下功能:(1) 通過鍵盤完成對教室節(jié)電控制器的密碼、初始化時間、照度人數(shù)閾值和工作時間等的設(shè)定任務(wù)。(2) 對教室節(jié)電控制器的參數(shù)設(shè)定完成后，通過LCD 顯示當(dāng)前工作狀態(tài)和工作模式。教室節(jié)能控制器的主要功能如下:(1) 把無線數(shù)傳模塊發(fā)送過來的系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)存儲在EEPROM存儲器內(nèi)；(2) 通過紅外熱釋電傳感器和光電傳感器實時采集人體存在信號、模糊人數(shù)，通過光強傳感器采集照度信號，將數(shù)據(jù)采集主控制器；(3) 依據(jù)設(shè)置的控制模式和采集到的數(shù)據(jù)對燈組進(jìn)行開關(guān)控制。需要完成的任務(wù)：（1）方案選擇：設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，選擇合適的紅外熱釋電傳感器、單片機和系統(tǒng)需要的外圍模塊；（2）硬件設(shè)計：根據(jù)設(shè)計的系統(tǒng)方案，設(shè)計系統(tǒng)的硬件原理圖，用Altium Designer繪制電路原理圖和PCB板圖，焊接電路，并調(diào)試通過；（3）軟件設(shè)計：分析系統(tǒng)的功能要求，采用C51語言在Keil開發(fā)環(huán)境上設(shè)計系統(tǒng)的軟件，并在焊接的電路板上調(diào)試通過。 需要實現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)：搖控距離3m，人體探測距離2m。 4.設(shè)計的基本要求及進(jìn)度安排（含起始時間、設(shè)計地點）： 2015年3月10日前，完成資料查詢；學(xué)習(xí)相關(guān)知識。 2015年3月20日前，完成課題的原理方案設(shè)計和方案的論證，完成開題報告。 2015年4月30 日前，完成外文文獻(xiàn)翻譯，建立系統(tǒng)的硬件設(shè)計、焊接和調(diào)試，完成中期檢查報告 。 2015年5月15日前，完成軟件的編制和調(diào)試。 2015年6月01日前， 完成畢業(yè)論文的撰寫。 5.畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作量要求 實驗（時數(shù)）*或?qū)嵙?xí)（天數(shù)）： 圖紙（幅面和張數(shù)）*： 其他要求： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 學(xué)生簽名： 年 月 日 系主任審批： 年 月 日說明：1本表一式二份，一份由學(xué)生裝訂入冊，一份教師自留。2 帶*項可根據(jù)學(xué)科特點選填。II基于單片機的教室節(jié)電控制器的設(shè)計摘要基于單片機的教室節(jié)電控制器的設(shè)計主要是通過控制教室內(nèi)光強和人數(shù)，達(dá)到教室節(jié)電的目的。本課題是通過研究國內(nèi)外節(jié)電模式以及各高校教室節(jié)電系統(tǒng)，設(shè)計出了一款更加實用的教室節(jié)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是通過單片機控制教室燈組，設(shè)計出教室節(jié)能系統(tǒng)的硬件和軟件。本系統(tǒng)是通過STC12C5A60S2單片機作為主要控制裝置，并采用人體傳感器和紅外熱釋電傳感器檢測人的存在并計數(shù)，采用光強傳感器檢測教室內(nèi)光的強度。通過對教室內(nèi)人數(shù)和光強的檢測，完成對教室內(nèi)燈組的控制，是否達(dá)到開燈要求。設(shè)計后期，還對設(shè)計出的硬件設(shè)施進(jìn)行調(diào)試和編程，最終呈現(xiàn)出理想的效果。設(shè)計出的系統(tǒng)體積小，安全，控制簡單，可以大規(guī)模用在教室燈組上，具有良好的節(jié)電效果。關(guān)鍵詞；單片機；人體傳感器；紅外熱釋電傳感器；光強傳感器；節(jié)電The Design of Controller about Saving Electricity in Classroom with MicrocontrollerAbstractThe Design mostly through control the light intensity and human to achieve the saving electricity in classroom. This discussion through the mode of saving electricity in domestic and foreign, and system of saving electricity in other collage to design a system more usefully of saving electricity in classroom. The system mostly control lamp of classroom by the microcontroller, and on this basis, developed the hardware device of classroom energy-saving intelligent control system and the corresponding software.The system use STC12C5A60S2 as the intelligent part of the control device, pyroelectric infrared sensor to detect the presence of human body, using light intensity sensor probe environment light intensity. According the testing about light intensity and human ,complet the control of classroom lighting loop, avoid large amount of waste. Finally, the system is debugged, the experiment proved that the system can satisfy the control command of the classrooms light device.This system had many advantages. For example, he physical volume was small，the system was safety, the credibility was high , the operational approach was easy .It had good effect in saving electricity and it can use in the classroom. Keywords：Microcontroller; Human detection; Pyroelectric infrared sensor; Light intensity sensor; Saving electricity目錄摘要IAbstractII1 緒論- 1 -1.1 本課題的背景及意義- 1 -1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究情況- 1 -1.2.1 國內(nèi)外節(jié)電現(xiàn)狀- 1 -1.2.2 熱釋電紅外傳感器的研究現(xiàn)狀- 2 -1.2.3 光強傳感器研究現(xiàn)狀- 3 -1.3 本課題研究的內(nèi)容- 3 -1.3.1 遙控器部分主要內(nèi)容- 3 -1.3.2 教室節(jié)電控制器部分主要內(nèi)容- 3 -2 系統(tǒng)方案綜述- 5 -2.1 光照因素- 6 -2.2 人體紅外探測- 6 -2.3 人為控制開關(guān)- 7 -3 系統(tǒng)硬件- 8 -3.1 單片機最小系統(tǒng)- 8 -3.1.1 電源模塊- 8 -3.1.2 復(fù)位電路- 9 -3.1.3 晶振電路- 10 -3.2 光強檢測電路- 11 -3.3 熱釋電紅外人體檢測電路- 12 -3.4 人體計數(shù)電路- 13 -3.5 無線遙控電路- 14 -3.5.1 遙控發(fā)射電路- 14 -3.5.2 遙控接收電路- 15 -3.6 繼電器驅(qū)動電路設(shè)計- 15 -3.7 LCD顯示電路設(shè)計- 16 -4 系統(tǒng)軟件設(shè)計與開發(fā)184.1 系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊184.2 遙控發(fā)射接收的軟件實現(xiàn)- 19 -4.2.1 遙控器發(fā)射主程序流程圖- 19 -4.2.2 鍵掃描程序流程圖- 20 -4.2.3 遙控接收器主程序流程圖- 20 -4.3 LCD顯示模塊- 21 -5 調(diào)試與結(jié)果分析- 23 -5.1 單片機最小系統(tǒng)測試- 24 -5.2 遙控器發(fā)射和接收模塊調(diào)試- 24 -5.3 光強檢測模塊調(diào)試- 25 -5.4 人體紅外調(diào)試- 25 -5.5 繼電器調(diào)試- 25 -5.6 人體計數(shù)模塊調(diào)試- 27 -5.7 LCD12864顯示模塊調(diào)試- 27 -6 總結(jié)與展望- 28 -致謝- 29 -參考文獻(xiàn)- 30 -畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明- 32 -畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明- 33 -附錄- 34 -附錄1 系統(tǒng)Altium Designer電路原理圖- 34 -附錄2 系統(tǒng)實物圖- 35 -附錄3 系統(tǒng)測試代碼- 36 -附錄4 外文翻譯原文及中文- 54 -1 緒論1 緒論1.1 本課題的背景及意義隨著科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類社會的進(jìn)步已經(jīng)越來越依賴于資源的利用和開發(fā)，但是有限的資源數(shù)量和與日俱增的能源需求已經(jīng)形成了巨大的矛盾。高校集教學(xué)、科研和生活于一體，已成為重要的用電大戶，其照明用電量已占總用電量的30%-40%以上，數(shù)目相當(dāng)可觀，可見在保證照明質(zhì)量的前提下，對教室燈光進(jìn)行自動控制，其節(jié)能效益和經(jīng)濟效益都是相當(dāng)可觀的。依照國家民用建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，教室照明的功率密度為10W/左右，教室白天照度不低于200LUX，晚上不低于150LUX1。再根據(jù)高校教室面積，學(xué)生在校天數(shù)，每天教室照明時間，節(jié)電率等參數(shù)，可以計算出節(jié)電度數(shù)和節(jié)約金額數(shù)。按照教室等公共區(qū)域的照明設(shè)計規(guī)范可知，教室照明功率密度通常按照10W/m2進(jìn)行設(shè)，也就是說如果一個標(biāo)準(zhǔn)教室按照96m2進(jìn)行設(shè)計，則按照其照明系統(tǒng)從早晨8點到晚上9點正常運行13個小時，每個教室每個教學(xué)年度按 160kwh，整個學(xué)校共有210間教室進(jìn)行計算，如果采用相關(guān)先進(jìn)控制技術(shù)手段將其照明系統(tǒng)的節(jié)電能力提高 30%，則全年大約可以節(jié)約電能資源2.28105kwh，如果按照單位電能0.5元進(jìn)行計算，則全年可以節(jié)約電費額為12萬元左右【2】。但是以目前形勢來看，對于高校節(jié)電，還處于粗放的一種狀態(tài)，什么時候開燈，多少人開燈，開多少燈，都沒有明確的規(guī)劃【4】。單的人力是很難控制的。所以，在此我設(shè)計了基于單片機的教室節(jié)電控制器，主要針對的就是不需過多人力，便可以實現(xiàn)教室節(jié)電，很大程度上解決了高校用電緊張的問題。1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究情況1.2.1 國內(nèi)外節(jié)電現(xiàn)狀縱觀世界發(fā)達(dá)國家的節(jié)電動態(tài),其目的在于千方百計地節(jié)省電力、節(jié)省開支、提高電力公司的經(jīng)濟效益和社會效益。主要節(jié)電內(nèi)容有如下幾方面:1、提高用電的效率。美國一家電力公司為用戶安裝一個18瓦的燈泡,其節(jié)電成本可以達(dá)到15美元(成本=批發(fā)價+其他費用)。該燈泡大約可使用9000小時,在此期間只需耗電162千瓦時,而相對于一般的75瓦白熾燈則要用電675干瓦時。把省下的513千瓦時電分?jǐn)傇?5美元投資上,每節(jié)約1千瓦時電花2.92美分【8】。2、采用- 60 -西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）新型技術(shù)。美國加州自從2007年以來一直面臨著電力危機，因此政府格外重視節(jié)能措施的研發(fā)。最近加州一些大城市正進(jìn)行為紅綠燈換“心”的工作，用新型的發(fā)光二極管燈泡取代老式白熾燈泡。此舉一出，每年便可節(jié)省數(shù)百萬美元的電費。其實發(fā)光二極管早在10年前就已經(jīng)發(fā)明，它的優(yōu)點是比傳統(tǒng)的白熾燈泡更亮更省電。不過，普通的二極管燈泡過去只能用紅燈中，因為它發(fā)出的紅光會很強烈，而綠光就很微弱。但科學(xué)家已研制出了新產(chǎn)品，一種氮化銦鎵的新材料，能購使二極管發(fā)出強烈的綠光和黃光，這樣便可將二極管燈泡用于交通信號燈中【6】。3、推銷新產(chǎn)品。位于美國東北部的電力公司向用戶推銷 “熒光材料燈”,其耗電量只是普通燈泡的五分之一。此外,還有新穎的電子燈泡等新燈泡。新電池的使用則具有價格較便宜或效率較高的特點。主要有多晶體電池、微型透鏡電池等新電池【8】。 在我國，2012年的各大照明類的產(chǎn)品展會上，眾多企業(yè)推出了自己研發(fā)的新型智能照明產(chǎn)品。與前幾年相比，智能燈具的亮相頻率得到了極大提高，科技含量也越來越高。目前，政府也逐漸認(rèn)識到智能照明產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢，并決定開始在社會上推廣。在奧運科技前景論壇上，智能照明被提上議程。上海市有關(guān)部門決定，在夏季用電高峰時，上海市中心主要景觀道路上的路燈要安裝智能控制系統(tǒng)。而隨著電子技術(shù)的發(fā)展，人們對建筑內(nèi)照明舒適度的要求越來越高，人們都希望照明系統(tǒng)既省電又能提供合適的照度環(huán)境。目前市場對智能燈光控制系統(tǒng)的需求量也越來越大，因此這類產(chǎn)品的發(fā)展也非常迅速。生產(chǎn)這些產(chǎn)品的技術(shù)變得愈發(fā)成熟，產(chǎn)品的功能逐漸接近人們的需要，而且價格也是越來越合理。目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)了大量的智能燈光控制系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)造越來越復(fù)雜，燈具之間有媒介聯(lián)系，方便管理和操作，智能化水平越來越高。1.2.2 熱釋電紅外傳感器的研究現(xiàn)狀國內(nèi)，對熱釋電紅外傳感器的研究已有20幾年之久，但大多都無法兼顧探測的準(zhǔn)確性和靈敏度，在干擾情況下，信號識別率有所下降，誤報率相對較高。探測器產(chǎn)生誤報的主要原因是因為缺乏對PIR傳感器輸出的紅外信號進(jìn)行充分有效的分析，對信號中所含有的特征信息沒有進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)挖掘，不利于產(chǎn)品在實際應(yīng)用中的推廣。國外，很多國家也越來越重視這方面的研究開發(fā)。2006年，韓國釜山國立大學(xué)研發(fā)了基于熱釋電紅外傳感器（PIR）陣列的室內(nèi)位置檢測系統(tǒng)，ADEMCO International、德國西門子安防、加拿大PARADOX SUCURITY SYSTEMS LTD等公司推出了智能PIR入侵探測器。1.2.3 光強傳感器研究現(xiàn)狀在目前的光強檢測的現(xiàn)行方案中，人們大都采用光敏電阻、光敏二極管或三極管來實現(xiàn)將光信號與電信號的轉(zhuǎn)換，并通過光電流的大小作為判斷依據(jù)來衡量光照強度的大小。但這種測量方法也只能說是模糊的給出光強是大是小的概念，完全建立在個人經(jīng)驗或者說個人習(xí)慣上，而在國家最新頒布的建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB 50034-2004規(guī)定教室、閱覽室等大面積公共照明場所內(nèi)照度值不得低于3001x。所以說依靠光敏二極管或三極管想要給出一個量化出來的照度值是相當(dāng)困難的。因此，光的強度依靠個人經(jīng)驗來定強弱，并作為開關(guān)燈的依據(jù)是不夠合理的。1.3 本課題研究的內(nèi)容 該系統(tǒng)采用遙控模式，由遙控器和教室節(jié)電控制器兩個部分組成。1.3.1 遙控器部分主要內(nèi)容 遙控器主要實現(xiàn)以下功能:1、 通過鍵盤完成對教室節(jié)電控制器的密碼、初始化時間、照度人數(shù)閾值和工作時間等的設(shè)定任務(wù)。2、對教室節(jié)電控制器的參數(shù)設(shè)定完成后，通過LCD 顯示當(dāng)前工作狀態(tài)和工作模式。1.3.2 教室節(jié)電控制器部分主要內(nèi)容 教室節(jié)能控制器的主要功能如下:1、 把無線數(shù)傳模塊發(fā)送過來的系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)存儲在EEPROM存儲器內(nèi)；2、 通過紅外熱釋電傳感器和光電傳感器實時采集人體存在信號、模糊人數(shù)，通過光強傳感器采集照度信號，將數(shù)據(jù)采集主控制器；3、 依據(jù)設(shè)置的控制模式和采集到的數(shù)據(jù)對燈組進(jìn)行開關(guān)控制。 需要完成的任務(wù)：1、方案選擇：設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，選擇合適的紅外熱釋電傳感器、單片機和系統(tǒng)需要的外圍模塊；2、硬件設(shè)計：根據(jù)設(shè)計的系統(tǒng)方案，設(shè)計系統(tǒng)的硬件原理圖，用Altium Designer繪制電路原理圖和PCB板圖，焊接電路，并調(diào)試通過；3、軟件設(shè)計：分析系統(tǒng)的功能要求，采用C51語言在Keil開發(fā)環(huán)境上設(shè)計系統(tǒng)的軟件，并在焊接的電路板上調(diào)試通過。主要內(nèi)容可總結(jié)為以下幾點： （1）現(xiàn)有照明系統(tǒng)的特性及其相關(guān)情況； （2）遙控器控制節(jié)電控制器的方法； （3）人體存在信號和光照強度信號的采集與處理； （4）光強閾值和人數(shù)閾值的確定； （5）傳感器在教室的分布、安放問題； （6）人為控制與自動控制的結(jié)合。2 系統(tǒng)法案綜述2 系統(tǒng)方案綜述該系統(tǒng)采用遙控模式，由遙控器和教室節(jié)電控制器兩個部分組成。教室節(jié)電控制器的主要功能是把無線數(shù)傳模塊發(fā)送過來的系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)存儲在EEPROM存儲器內(nèi)；再通過紅外熱釋電傳感器和光電傳感器實時采集人體存在信號、模糊人數(shù)。通過光強傳感器采集照度信號，將數(shù)據(jù)采集主控制器；最后依據(jù)設(shè)置的控制模式和采集到的數(shù)據(jù)對燈組進(jìn)行開關(guān)控制。這里，我們在單片機的選擇上是以STC12C5A60S2單片機主控模塊為核心；光電傳感器的核心選擇為光敏電阻；在紅外熱釋電傳感器的選擇上，利用傳感器LHI778檢測人的存在；繼電器選擇的型號為G5LA-14 5V直流雙通電磁繼電器,并由PNP型號的S8550三極管來驅(qū)動三極管繼電器【5】；系統(tǒng)看門狗電路系統(tǒng)采用芯片 X5045。X5045 芯片能夠?qū)崿F(xiàn)：看門狗定時器功能、復(fù)位控制功能和存儲功能；如圖2.1所示。圖2.1 整體設(shè)計圖 本系統(tǒng)主要由光強傳感器、激光傳感器熱釋紅外塊組成。系統(tǒng)產(chǎn)生信號，將信號輸入到單片機，并結(jié)合遙控器設(shè)定出相應(yīng)的光照強度閾值、人數(shù)閾值和工作時間等參數(shù)，單片機經(jīng)過判斷輸出信號，通過控制繼電器進(jìn)而控制日光燈的亮滅。 在教室內(nèi)部，將激光傳感器模塊和熱釋紅外電模塊放置在教室門兩側(cè)，用來西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）檢測人數(shù)和模糊人數(shù)，將光強檢測傳感器放置在教室內(nèi)部，用來檢測教室光強。當(dāng)教室光強高于設(shè)定閾值時，自動關(guān)閉教室燈組，即使打開電源開關(guān)，教室燈組也不會亮當(dāng)。當(dāng)教室光強低于設(shè)定閾值時，比通過激光傳感器模塊和熱釋紅外電模塊計算人數(shù)，會依次打開部分教室燈組。單片機的前置信號輸入端主要有，光照因素、人體紅外探測以及人為控制端。2.1 光照因素全世界有很多國家對建筑照明有明確的規(guī)范。中華人民共和國在2004年12月1日也頒布了建筑照明設(shè)計標(biāo)灘GB50034-2004對我國的照明用電加以規(guī)范，該文件規(guī)定教室、閱覽室等公共學(xué)習(xí)場所的照度不得低于3001x。關(guān)于光信號的采集，如常見的聲光控延時開關(guān)采用的是光敏元件（光敏電阻），利用元器件對光強的響應(yīng)特性來設(shè)計電路。而這些器件一般在光照度不同的情況下響應(yīng)有一定的離散性（光敏電阻在同樣光照度下阻值可能不同），效果不甚理想。難以準(zhǔn)確的確定光照度。故而本系統(tǒng)采用光強傳感器可以將光照度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，具有很高的精度。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，這類芯片的集成度和精度也是愈來愈高。當(dāng)系統(tǒng)判斷如果光強大于3001x時不會開燈，而如果小于3001x時，則會進(jìn)行是否有人的判斷9。2.2 人體紅外探測系統(tǒng)判斷是否需要開燈還有一個重要因素，那就是教室內(nèi)是否有人，而判斷人體是否存在，則是利用熱釋電紅外傳感器監(jiān)控人體發(fā)出的紅外射線來實現(xiàn)的。紅外探測技術(shù)主要分為主動式和被動式，在本系統(tǒng)中采用被動式熱釋電傳感器。熱釋電紅外傳感器是一種被動式調(diào)制型溫度敏感器件，利用熱釋電效應(yīng)工作，它是通過目標(biāo)與背景的溫差來探測目標(biāo)的。它可在室溫下使用、光譜響應(yīng)寬、工作頻率寬，靈敏度與波長無關(guān)，容易使用。這種探測器，靈敏度高，探測面廣，是一種可靠性很強的探測器。因此廣泛應(yīng)用于各類入侵報警器，自動開關(guān)、非接觸測溫、火焰報警器等，目前生產(chǎn)有單元、雙元、四元、180等傳感器和帶有PCB控制電路的傳感器。本系統(tǒng)采用雙元探頭熱釋電紅外傳感器，而在搭建電路時應(yīng)該注意其靈敏度和探測距離的選擇，靈敏度過高可能出現(xiàn)誤操作，過于遲鈍也不行。另外人體紅外輻射波長在910m，所以需要選擇適合的濾波片，同時加上菲涅耳透鏡可適當(dāng)提高探測器的靈敏度。2.3 人為控制開關(guān)由于高校教室使用要求變化較多，但有較強的規(guī)律可循，所以可通過軟件和人為控制開關(guān)結(jié)合的方法來設(shè)計系統(tǒng)。這樣既可以大大減少人工控制也可以滿足教室使用要求的多變性。3 系統(tǒng)硬件3 系統(tǒng)硬件3.1 單片機最小系統(tǒng)單片機最小工作系統(tǒng)由復(fù)位電路、電源、晶振電路組成。本系統(tǒng)單片機選擇是STC12C5A60S2，引腳圖如圖3.1所示。圖3.1 STC12C5A60S2引腳圖STC12C5A60S2是STC生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是具有高速、低功耗、超強抗干擾等優(yōu)點的新一代8051單片機，指令代碼能夠完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度比8051要快8-12倍。內(nèi)部集成有MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對電機控制，強干擾場合。3.1.1 電源模塊 單片機工作電壓需要5V，而我們?nèi)粘Ｓ秒妱t是220V，所以我們需要變壓器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)接通220V交流電源后，我們選擇9V變壓器將220V交流電變壓到9V，先經(jīng)過二極管全波整流、再通過電解電容C19、C21濾波，最后經(jīng)LM7805穩(wěn)壓芯片得到穩(wěn)定的+5V電源。為了使緩沖負(fù)載突變，輸出端還需要電容C20、C22，最后得到+5V的直流工作電源。電源模塊原理圖如圖3.2所示。西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）圖3.2電源模塊原理圖3.1.2 復(fù)位電路在單片機工作的過程中，會因為外界的干擾而產(chǎn)生程序跑飛、死機、甚至說整機癱瘓等情況，這種情況會時有發(fā)生，為了使單片機能夠正常的工作，就必須采用復(fù)位的方法。所以，需要在硬件中設(shè)計看門狗電路，防止單片機發(fā)生狀況。這樣單片機如果發(fā)生死機，看門狗就會產(chǎn)生一個復(fù)位信號，能夠使單片機復(fù)位，這樣的話就可以重新執(zhí)行程序。本次設(shè)計會使用芯片是X5045。其特點如下：1、 可編程的看門狗定時器；2、 低電壓檢測和復(fù)位信號提供；3、5種標(biāo)準(zhǔn)復(fù)位端電壓；4、使用特殊編程序列可重復(fù)對低VCC復(fù)位電壓編程；5、低功耗?？撮T狗定時器的預(yù)置時間是由X5045的狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位決定的。X5045共有6位，其中的WD1、WD0兩項和看門狗電路有關(guān)，其余位和EEPROM的設(shè)置有關(guān)。如表3.1所示。表3.1 X5045狀態(tài)寄存器7654321000WD1WD0BL1BL0WELWIPWD0=0，WD1=0，預(yù)置時間為1.4S；WD0=1，WD1=0，預(yù)置時間為0.6S；WD0=0，WD1=1，預(yù)置時間為0.2S；WD0=1，WD1=1，禁止看門狗工作。看門狗復(fù)位電路圖如圖3.3所示。圖3.3 看門狗復(fù)位電路為了使復(fù)位可以更加可靠，在其復(fù)位輸出端外接了一個10K的上拉電阻，并與STC12C5A60S2單片機的復(fù)位端相連?？撮T狗可以在電源上電、掉電的期間產(chǎn)生一個復(fù)位信號。X5045芯片還帶著一個1.4秒的看門狗定時器，這樣就可用來監(jiān)控單片機的工作。如果系統(tǒng)在1.4秒內(nèi)未檢測到其工作，就會判定系統(tǒng)出現(xiàn)故障，看門狗WD1就會處于一個低電平狀態(tài)，這樣可以為系統(tǒng)提供保護，就會避免死機、進(jìn)入死循環(huán)或程序跑飛等意外的發(fā)生。3.1.3 晶振電路本系統(tǒng)的時鐘信號采用外部時鐘方式，只要單片機的XTAL1和XTAL2引腳外接上晶振即可。時鐘模塊主要是由兩個530pF的負(fù)載電容和一個高速石英晶振接地組成。在本設(shè)計中，電容選擇30pF，振蕩晶體選擇12MHz，石英晶振的兩端可以直接接單片機的時鐘輸入輸出管腳。在設(shè)計電路時，電容和晶體應(yīng)盡可能靠近單片機芯片安裝，這樣可以減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。晶振電路如圖3.4所示。圖3.4 晶振電路結(jié)合電源電路、晶振電路、復(fù)位電路，單片機最小系統(tǒng)原理圖如圖3.5所示。圖3.5最小系統(tǒng)原理圖3.2 光強檢測電路教室的環(huán)境光強是系統(tǒng)主要參數(shù)之一。大量的性能研究成果表明，光敏電阻所產(chǎn)生的光譜響應(yīng)峰值與人視覺敏感區(qū)的光的波長非常接近；而且當(dāng)外部光強發(fā)生減弱的同時，光敏電阻的響應(yīng)時長也會相應(yīng)增加。所以，本次設(shè)計要選用GM5516光敏電阻作為教室光強的采集和處理單元。圖3.6是光強檢測電路。圖3.6 光強檢測電路圖中的R5為光敏電阻，AR1是滑線變阻器，其作用是確定光強檢測的臨界電壓。C10、C11的作用是濾除電源雜波，這樣就不會影響電源的穩(wěn)定性；D4是電壓為5.1V的穩(wěn)壓二極管，作用是穩(wěn)定電源。由于單片機STC12C5A60S2內(nèi)部集成有8路高速的10位A/D轉(zhuǎn)換，所以，光強檢測電路可以直接與單片機連接，光照參數(shù)在單片機的內(nèi)部經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后就可以通過LCD顯示屏顯示，最后通過與我們?nèi)藶樵O(shè)置的光照閾值進(jìn)行比較，就可以控制燈組的亮滅了。 3.3 熱釋電紅外人體檢測電路熱釋電紅外傳感器是本系統(tǒng)的人數(shù)位置信的號檢測器，本系統(tǒng)采用的是德國原裝進(jìn)口LHI778，其特點是靈敏度高，可靠性強，可以廣泛的應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備。在信號處理端我們選用的處理芯片是BISS0001。該芯片具有較強的信號集成處理的能力，其內(nèi)部集成了電壓比較器、電壓放大器、延時電路、狀態(tài)控制器及封鎖定時器。熱釋電紅外檢測模塊如圖3.7所示。如果加上菲涅爾透鏡后，這樣能夠探測范圍是150度的圓錐，而直線探測的距離是6米左右。圖3.7熱釋電紅外檢測模塊圖中，R14是光敏電阻，用來檢測環(huán)境光強。如果環(huán)境比較明亮，R14的電阻值會降低，這樣就會使9腳的輸入為低電平，從而也就會封鎖觸發(fā)信號。S2 是選擇開關(guān)，當(dāng)S2與3端口連通時，芯片就會處于可重復(fù)觸發(fā)的工作方式；當(dāng)S2與1端口連通時，芯片則會處于不可重復(fù)觸發(fā)的工作方式。圖中R13可以調(diào)節(jié)放大器增益的大小。輸出延遲的時間Tx就由外部的R15和C1調(diào)整，而觸發(fā)封鎖的時間Ti就由外部的R18和C15的大小調(diào)整。VO為輸出端，當(dāng)有人進(jìn)入檢測區(qū)域時，傳感器就會輸出電壓信號，反之輸出電壓為0V。菲涅耳透鏡又稱螺紋透鏡，是根據(jù)法國光物理學(xué)家Fresnel發(fā)明的原理采用電鍍模具工藝和PE（聚乙烯）材料壓制而成。鏡片（0.5mm厚）表面刻錄了一圈圈由小到大、向外由淺至深的同心圓，從剖面看似鋸齒。當(dāng)人體進(jìn)入感應(yīng)范圍，人體釋放的紅外光就會透過鏡片被聚集在遠(yuǎn)距離A區(qū)或中距離B區(qū)或近距離C區(qū)的某個段的同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭有一個適當(dāng)?shù)慕咕?，紅外光正好被探頭接收，探頭將光信號變成電信號送入電子電路驅(qū)動負(fù)載工作。當(dāng)人沿敏感方向移動時，移動人體發(fā)出的紅外線被紅外傳感器接收，則人體存在被感應(yīng)并輸出高電平；當(dāng)人沿不敏感方向移動時，則人體傳感器所體現(xiàn)的信號就會不理想，有時還會產(chǎn)生誤動作。所以在現(xiàn)場選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報、求得最佳檢測靈敏度極為重要的一環(huán)。圖3.8是菲涅爾透鏡信號采集敏感區(qū)的示意圖。圖3.8菲涅爾透鏡信號采集敏感區(qū)3.4 人體計數(shù)電路教室內(nèi)的人數(shù)是決定開燈數(shù)量的重要因素。為了知道學(xué)生是走出教室還是進(jìn)入教室，我們采用兩路對射式激光傳感器，可以將一個安裝在門外墻壁上，另一個安裝在門內(nèi)墻壁上。這樣的話，只要知道哪一個傳感器先發(fā)出信號，就可知道學(xué)生是進(jìn)還是出。如果門外的先有信號，而門內(nèi)后接收到信號，則說明是有人進(jìn)入教室；反之的話，則說明有人走出教室。單片機將接收統(tǒng)計到的人數(shù)與遙控器設(shè)定好的的人數(shù)閾值比較，在光照強度不滿足要求的前提下，如果統(tǒng)計的人數(shù)小于閾值時，則教室就打開一定數(shù)量的燈，如果統(tǒng)計人數(shù)大于設(shè)定的閾值，則打開更多的燈或是全部的燈。人體計數(shù)電路如圖3.9所示。圖3.9 人體計數(shù)電路人體計數(shù)電路采用一個激光發(fā)射頭和激光接收端搭配組成。激光發(fā)射頭發(fā)出的光必須直射在激光接收器上，這樣激光接受端的2腳就會產(chǎn)生低電平，此時LED燈D2不亮；當(dāng)有人通過門，就會遮擋住激光頭發(fā)出的激光，激光接受端的2腳產(chǎn)生高電平信號供給單片機，此時LED燈D2亮。圖中，C1、C6和C7的作用是濾除電源的雜波，目的是不影響電源的穩(wěn)定性；D3為5.1V的穩(wěn) 作用是用以穩(wěn)定電源。在探測時，可能會發(fā)生一種情況，就是教室門口會出現(xiàn)人員擁擠或者幾個人同時通過探測器的現(xiàn)象，探測器會被幾個人同時遮擋，所以探測到的人數(shù)是不太準(zhǔn)確的，這就稱為模糊人數(shù)。此模糊人數(shù)通過LCD顯示屏顯示，方便老師對上課人數(shù)的統(tǒng)計。3.5 無線遙控電路3.5.1 遙控發(fā)射電路在本次設(shè)計中，我們采用的是紅外遙控。紅外線遙控裝置的優(yōu)點是具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠性高、制作方便、抗干擾能力強、成本低廉等。工業(yè)設(shè)備中，在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下，采用紅外線遙控不僅可靠而且能有效地隔離電氣干擾。同時，紅外遙控不會影響到鄰近的無線電設(shè)備，不會出現(xiàn)遙控信號“串門”的情況，是近距離遙控優(yōu)選方式。本系統(tǒng)采用WD6122編碼芯片的遙控器19，其管腳圖和管腳說明分別如圖3.10和表3.2所示。圖3.10 WD6122編碼芯片管腳表3.2 WD6122編碼芯片管腳說明管腳號符號輸入輸出功能描述23、24、16KI0-KI7I鍵掃描輸入端7REMO數(shù)據(jù)輸出管腳（遙控輸出）8Vdd1電源正極9SELI選擇管腳10OSCOO振蕩器管腳（輸出）11OSCII振蕩器管腳（輸入）12Vss2電源正極13LMPO輸出LED指示（呈閃爍狀態(tài)）2114KI/KI/O7I/O鍵掃描輸入/輸出管腳22CCSI鍵掃描輸入3.5.2 遙控接收電路 本設(shè)計的接收電路使用一體化的集成紅外接收器成品，一體化的紅外接收裝置將紅外信號的接收、放大、檢波、整形集于一身，并且輸出可以讓單片機識別的TTL信號，這樣大大簡化了接收電路的復(fù)雜程度和電路的設(shè)計工作，方便使用。在本系統(tǒng)中采用的紅外一體化接收頭HS0038，外接電容。該接收器對外只有三個引腳，分別為電源VCC、地GND和一個脈沖信號輸出OUT，脈沖信號輸出接CPU的中斷輸入引腳INT0，采用這種連接方式，軟件解碼既可以工作于查詢方式，也可以工作在中斷方式。單片機STC12C5A60S2根據(jù)不同的信息碼可以對相應(yīng)的端口進(jìn)行控制操作。接收電路如圖3.11所示。圖3.11 遙控器信號接收模塊3.6 繼電器驅(qū)動電路設(shè)計本系統(tǒng)中采用直流電磁繼電器，型號為G5LA-14 5V直流雙通電磁繼電器。如圖3.12所示，1腳為動觸點，3腳為常開觸點，4腳為常閉觸點，當(dāng)2到5腳之間有電流通過時線圈會產(chǎn)生磁力從而導(dǎo)通，實現(xiàn)對日光燈的控制。圖3.12 繼電器底端視圖繼電器電路如圖3.13所示，這里繼電器是由PNP型號的S8550三極管來驅(qū)動。開機時，單片機初始化P2.5為高電平，三極管會截止，所以當(dāng)開機后，繼電器會處于釋放狀態(tài)；如果P2.5為低電平，就會拉低三極管的基極從而產(chǎn)生足夠的基極電流，三極管就會導(dǎo)通，繼電器得電吸合，然后驅(qū)動負(fù)載開燈。繼電器的輸出端需要并聯(lián)100的電阻和104電容，目的是防止繼電器吸合，避免釋放期間產(chǎn)生火花。繼電器線圈兩端反相并聯(lián)的二極管D6可以起到吸收反向電動勢的功能，保護三極管。圖3.13 繼電器驅(qū)動電路3.7 LCD顯示電路設(shè)計為了系統(tǒng)能夠顯示當(dāng)前的工作模式和狀態(tài)，以及設(shè)定的人數(shù)閾值和光強度閾值，我們加入了LCD顯示電路，將需要展示的顯示出來。本設(shè)計選用的是帶中文字庫的LCD12864。目的是顯示當(dāng)前的工作模式、模糊人數(shù)和光照強度等。帶中文字庫的12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864，內(nèi)置8192個1616點漢字和128個168點ASCII字符集，利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。其可以顯示84行1616點陣的漢字，也可完成圖形顯示。它還具有低電壓低功耗的優(yōu)點。LCD12864顯示電路如圖3.14所示圖3.14 LCD12864顯示電路本系統(tǒng)分為自動控制和手動控制兩種工作模式，而這兩種工作模式都可以通過LCD12864顯示屏來顯示。當(dāng)在自動控制模式的情況下，顯示屏顯示的內(nèi)容有工作模式、模糊人數(shù)、當(dāng)前光強和開燈狀態(tài)一共四個信息，而在在手動控制模式的情況下下，顯示屏顯示的內(nèi)容就只有工作模式和開燈狀態(tài)這兩條信息。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）4 系統(tǒng)軟件設(shè)計與開發(fā)上面我們介紹了系統(tǒng)的硬件部分，再配上相應(yīng)的軟件，這樣才能構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。軟件的開發(fā)與系統(tǒng)的硬件是密不可分的。在本次設(shè)計過程中，總體設(shè)計采用自上至下的設(shè)計思想將主程序設(shè)計好，而在各個部分展開成從屬程序或子程序時，是將各個小模塊分別進(jìn)行設(shè)計和編程，同時在編程的過程中又用到了結(jié)構(gòu)程序設(shè)計的思想。本控制系統(tǒng)軟件模塊主要包括：LCD顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊、遙控器發(fā)射和接受模塊。4.1 系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊系統(tǒng)初始化開始工作，可以選擇為人為控制狀態(tài)和自動控制狀態(tài)。如圖4.1為系統(tǒng)主程序流程圖，該流程圖描述的是整個流程的控制情況。首先系統(tǒng)初始化后處于自動控制狀態(tài)，當(dāng)有人進(jìn)出教室時液晶顯示屏?xí)詣语@示人數(shù)的加減情況，同時光敏電阻采集當(dāng)前的光照強度并輸入單片機的P1.1腳，單片機將采集到的光照數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后在LCD顯示屏上顯示。當(dāng)教室沒有人或當(dāng)前的關(guān)照強度大于設(shè)定的光照閾值時，教室不開燈；而當(dāng)教室有人且光照強度小于設(shè)定的光照閾值時，如果教室的人數(shù)小于設(shè)定的人數(shù)閾值，打開一半的燈，大于則打開全部的燈。其中，光照閾值和人數(shù)閾值都可以通過遙控器進(jìn)行設(shè)置，紅外接收端接收到遙控器發(fā)射的無線信號后進(jìn)行解碼并輸入單片機，單片機通過I/O口控制信號的轉(zhuǎn)換，然后輸出控制信號控制繼電器，繼電器得到控制信號后通過動態(tài)觸點的閉合和斷開來控制教室里燈的亮滅。若想使系統(tǒng)處于人為控制模塊，則可通過遙控器上的模式轉(zhuǎn)換鍵來切換系統(tǒng)的控制狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)處于人為控制模塊時，可通過遙控器上的按鍵來人為的控制相應(yīng)燈管的亮滅。西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 開始 初始化 系統(tǒng)處于人為 Yes 模式轉(zhuǎn)換鍵 No 系統(tǒng)處于自動 控制狀態(tài) 是否被按 控制狀態(tài) 檢測當(dāng)前光強 檢測數(shù)字鍵 并執(zhí)行相應(yīng)燈 的開關(guān) Yes 是否 No 是否大于 有人 設(shè)定值 No Yes 滅燈 No No 有人進(jìn)入? 有人出去? Yes Yes 人數(shù)加1 人數(shù)減1 LCD顯示 No 人數(shù)10 打開一半的燈 Yes 打開全部的燈 圖4.1系統(tǒng)主程序流程圖4.2 遙控發(fā)射接收的軟件實現(xiàn)4.2.1 遙控器發(fā)射主程序流程圖圖4.2是遙控發(fā)射的主程序流程圖，首先初始化程序，然后調(diào)用鍵掃描程序。開始 初始化 調(diào)用鍵掃描處理 子程序 圖4.2遙控發(fā)射的主程序流程圖4.2.2 鍵掃描程序流程圖圖4.3.2為鍵掃描程序流程圖。掃鍵過程：首先判斷控制鍵是否按下，若有控制鍵按下則進(jìn)行逐行掃描，按照P口值查找鍵號。最后按照鍵號轉(zhuǎn)至相應(yīng)的發(fā)射程序。 掃鍵開始 No 是否按下 Yes 返回主程序 逐鍵掃描，按P口 值查表求鍵號 按鍵號轉(zhuǎn)至相應(yīng)的 發(fā)射程序 圖4.3 鍵掃描程序流程圖4.2.3 遙控接收器主程序流程圖圖4.4所示為遙控接收器主程序流程圖。開始初始化程序，檢測P3.0是否為0，若為零則需調(diào)用延時程序，若不為零則繼續(xù)檢測。 開始 初始化 No P3.0=0？ Yes 調(diào)用延時程序 接受處理 圖4.4 遙控接收器主程序流程圖4.3 LCD顯示模塊系統(tǒng)的工作狀態(tài)、工作模式、實際光強和當(dāng)前人數(shù)等內(nèi)容都需在LCD顯示屏上顯示，因此，需要在軟件中對顯示內(nèi)容及其位置進(jìn)行設(shè)置。LCD顯示的流程圖如圖4.5所示。LCD初始化，設(shè)置第一行位置，顯示內(nèi)容“系統(tǒng)已運行”，設(shè)置第二行位置，顯示內(nèi)容“當(dāng)前人數(shù)”，設(shè)置第四行位置，顯示內(nèi)容“實際