基于AT89S51單片機教室燈光智能控制系統(tǒng)設(shè)計

1、基于AT89S51單片機的教室燈光智能控制系統(tǒng)設(shè)計一、系統(tǒng)設(shè)計要求：該系統(tǒng)以AT89S51單片機作為控制模塊的核心部件，采用熱釋紅外人體傳感器檢測人體的存在，采用光敏三極管構(gòu)成的電路檢測環(huán)境光的強度；根據(jù)教室合理開燈的條件，通過對人體存在信號和環(huán)境光信號的識別與判斷，完成對教室燈光的智能控制，避免了教室用電的大量浪費。系統(tǒng)還具有報警功能；同時還采用了軟/硬件的“看門狗”等抗干擾措施二、系統(tǒng)控制方案分析 該控制器以自然光強度和人體存在作為控制器的主要輸入?yún)?shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動與手動控制相兼容。在自然環(huán)境光較強光線足夠時，無論人是否存在，都不開燈；在自然環(huán)境光較弱時，有人存在且超過一定時間，控制器自動

2、打開電燈，直到人離開后再延時一定時間后關(guān)燈。同時，還可設(shè)置作息時間來控制，夜晚超過12點，若還有人存在，則關(guān)閉自動控制器的運行，改用開關(guān)來手動控制，以解決因特殊情況下，自動控制器的不人性化運行。 所研究的教室燈光控制器主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運行的平臺。而軟件部分，是對硬件端口所體現(xiàn)的信號，加以采集、分析、處理，最終實現(xiàn)控制器所要實現(xiàn)的各項功能，達到設(shè)計目的。三、系統(tǒng)控制模塊的硬件設(shè)計 系統(tǒng)控制模塊的硬件構(gòu)成及簡介 系統(tǒng)控制單元是以AT89S51單片機主控模塊為核心，其它外圍電路主要包括：環(huán)境光采集電路、時鐘模塊、熱釋紅外傳感器

3、模塊、看門狗模塊、按鍵電路、EEPROM存儲模塊、超時報警模塊、數(shù)碼管顯示模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。 圖2.1系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖 環(huán)境光模塊采用光敏三極管來檢測環(huán)境光的強度，有光照時，電阻減小，隨著光照強度的減弱，電阻逐漸增大，把光信號轉(zhuǎn)化成電信號，實現(xiàn)對光強度的檢測。 人體存在傳感器模塊采用HP-208是基于紅外線技術(shù)的智能產(chǎn)品，實現(xiàn)對人體存在的檢測。 硬件時鐘模塊采用具有充電能力的低功耗，具有臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器的實時時鐘芯片DS1302。該電路的接口簡單、價格低廉、使用方便，被廣泛的使用。 系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲及故障保護部分由X5045組成，X5045是一種串行通訊的512字節(jié)EEP

4、ROM，同時兼有看門狗和電源監(jiān)控功能鍵盤模塊。1.系統(tǒng)控制的主要硬件電路 考慮到本系統(tǒng)安裝時受環(huán)境影響因素比較多，且教室控制設(shè)備中的人體存在傳感器、光敏三極管等經(jīng)常會因環(huán)境情形變化而不穩(wěn)定，所以在設(shè)計過程中，電子元器件的選用、線路布置和設(shè)備的安放要充分考慮到抗干擾問題。2. 系統(tǒng)主控電路 本系統(tǒng)的主控模塊采用AT89S51作為主控芯片，它是一種低功耗，8位CMOS工藝處理器，具有8K在線可編程Flash存儲器，片內(nèi)的Flash可多次編程，為在線編程提供了方便。片內(nèi)有128字節(jié)的RAM，4KB的EEPROM，由于合理的安排使用片內(nèi)RAM空間，所以沒有片外擴展的RAM，使電路結(jié)構(gòu)簡潔。該芯片的主要

5、特征見如表2.1：表2.1 AT89S51主要特征單片機最小系統(tǒng)如圖2-2所示： 圖2-2 單片機最小系統(tǒng)3.系統(tǒng)供電電路 系統(tǒng)供電原理如圖2-3所示，采用+5V電壓供電。本設(shè)計采用輸出電壓為9V的變壓器。系統(tǒng)接通220V交流電源后，將220V交流電變壓到9V，經(jīng)過二極管全波整流、電解電容C1，C2濾波，再經(jīng)正輸出穩(wěn)壓器LM7805，為了緩沖負載突變，改善瞬態(tài)響應，輸出端還采用了電容C3，C4，最后得到+5V的直流電壓，用于給控制系統(tǒng)中單片機系統(tǒng)及其它外圍電路的Vcc端供電。. 圖2-3 系統(tǒng)供電電路4.數(shù)據(jù)采集電路 教室的環(huán)境光強度和人體存在與否是系統(tǒng)主要的輸入?yún)?shù)，因此教室中的環(huán)境光照強度

6、和人體存在成為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的主要對象。常見的環(huán)境光強度采集器件主要有光敏二極管和光敏三極管，考慮抗干擾的需要，選用靈敏度較高的光敏三極管。此外，人體存在傳感器要求靈敏度高，可靠性強。環(huán)境光強度采集電路 光電傳感器是一種能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)化為電量的傳感器。采用的光敏三極管除了具有光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的功能外，還具有對電信號的放大功能。在無光照時，三極管的穿透電流很小，為暗電流，有光照時，產(chǎn)生的Ib增大，成為光電流Ie，光電流的大小與光照強度成正比，于是在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。光敏三極管具有靈敏度高，體積小，工作電壓低，工作電流小，發(fā)光均勻穩(wěn)定，響應速度快，壽命長等特點

7、。環(huán)境光采集電路原理如圖為2-4所示。當環(huán)境光照強度大于一定程度時，光敏三極管D6呈現(xiàn)低阻狀態(tài)1K，三極管Q12的基極電壓升高，Q12管飽和導通，集電極輸出低電平。當環(huán)境光強度小于一定程度時，光敏三極管D6呈現(xiàn)高阻狀態(tài)100，使三極管Q12截止，集電極輸出高電平。其中調(diào)節(jié)R26阻值，可使三極管Q12受環(huán)境光強度影響在適當?shù)牧炼认聦?。圖2-4環(huán)境光電路人體存在信號采集電路人體存在傳感器采用HP-208-N-L人體感應模塊(低電平輸出)?；诩t外線技術(shù)的自動控制產(chǎn)品，靈敏度高，可靠性強，廣泛應用于各類自動感應電器中。人體傳感器的1號引腳為電源信號端VCC，2號引腳為采集信號輸出端OUT，3號引腳

8、為地信號端GND。其硬件連接如圖2-5 圖 2-5 人體存在信號采集電路5.系統(tǒng)時鐘電路 根據(jù)教室燈光使用特性，該系統(tǒng)還應受到時間的控制，因此本研究還加入硬件時鐘電路以保證系統(tǒng)的智能化運行。 考慮到本系統(tǒng)停電時需為時鐘電路提供電源、且不占用太多單片機資源，于是采用具有充電能力的實時時鐘芯片DS1302，作為臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。此芯片采用的是串行通信方式，還可為掉電保護電源提供充電功能，也可以將此功能關(guān)閉。該芯片對年、月、日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V5.5V。DS1302只需三根線即可與單片機進行通信，體積小，使用簡單，時鐘精度較高，滿足系統(tǒng)的要求，其引

9、腳圖如圖2-6所示。 圖2-6 DS1302的引腳圖各引腳的功能為： Vcc1：主電源；Vcc2：備份電源。當Vcc2Vcc1+0.2V時，由Vcc2向DS1302供電，當Vcc20； i- ) /循環(huán)8次移位 SCLK = 0； temp = addr； DIO = (bit)(temp&0x01)； /每次傳輸?shù)妥止?jié) addr = 1； /右移一位 SCLK = 1； /發(fā)送數(shù)據(jù) for ( i=8； i0； i- ) SCLK = 0； temp = dat； DIO = (bit)(temp&0x01)； dat = 1； SCLK = 1； CE = 0； /數(shù)據(jù)讀取子程序 unsi

10、gned char Read1302 ( unsigned char addr ) unsigned char i，temp，dat1，dat2； CE=0； SCLK=0； CE = 1； /發(fā)送地址 16 for ( i=8； i0； i- ) /循環(huán)8次移位 SCLK = 0； temp = addr； DIO = (bit)(temp&0x01)； /每次傳輸?shù)妥止?jié) addr = 1； /右移一位 SCLK = 1； /讀取數(shù)據(jù) for ( i=8； i0； i- ) ACC_7=DIO； SCLK = 1； ACC=1； SCLK = 0； CE=0； dat1=ACC； dat2=

11、dat1/16； /數(shù)據(jù)進制轉(zhuǎn)換 dat1=dat1%16； /十六進制轉(zhuǎn)十進制 dat1=dat1+dat2*10； return (dat1)； /初始化DS1302 void Initial(void) Write1302 (WRITE_PROTECT，0X00)； /禁止寫保護 Write1302 (WRITE_SECOND，0x56)； /秒位初始化 Write1302 (WRITE_MINUTE，0x34)； /分鐘初始化 Write1302 (WRITE_HOUR，0x12)； /小時初始化 Write1302 (WRITE_PROTECT，0x80)； /允許寫保護 4.顯示驅(qū)

12、動模塊 系統(tǒng)運行過程中的數(shù)據(jù)顯示是人機交互對話的一個重要通道。通過的顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，我們才可以更好的了解系統(tǒng)運行的狀態(tài)，從而方便對整個系統(tǒng)進行必要的操作。本系統(tǒng)中采用共陽極的數(shù)碼管，其中采用ULN2803作為驅(qū)動數(shù)碼管的段選的芯片，采用簡單又便宜的9012三極管來驅(qū)動數(shù)碼管的位選，節(jié)約成本，程序編寫簡單。 考慮到數(shù)碼管驅(qū)動信號要求的電流較大，采用功率驅(qū)動器件ULN2803芯片。此芯片是八組NPN型達林頓功放三極管集成芯片，典型的輸入電壓是5V，集電極輸出功率可達50V0.6A。因此采用ULN2803共陽極數(shù)碼管的段信號驅(qū)動器。而共陽極數(shù)碼管的位信號驅(qū)動則采用8個晶體管9012來實現(xiàn)。又由于ULN

13、2803為低電平驅(qū)動，所以數(shù)據(jù)送到單片機端口前，應在程序中先將數(shù)據(jù)取反。然后將數(shù)據(jù)送到ULN2803輸入端相連接單片機的P0端口即可。 每次先送一位要顯示的數(shù)據(jù)字節(jié)，然后再送該位數(shù)碼管的地址字節(jié)，直到8位顯示完全。 本系統(tǒng)在運行過程中需要顯示查看的數(shù)據(jù)有時鐘及顯示數(shù)值。正常工作中8位顯示器顯示實時時鐘，顯示小時、分鐘、秒，其中有兩位用來顯示“”，用以分隔顯示小時、分鐘和秒，這樣顯示更加清晰。五、系統(tǒng)調(diào)試運行及問題分析1.單片機系統(tǒng)調(diào)試方法及步驟 單片機系統(tǒng)的調(diào)試應包括硬件及軟件兩部分，主要是通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)硬件及軟件中存在的問題，查看其運行結(jié)果是否符合設(shè)計要求。 在對系統(tǒng)進行實際調(diào)試時，首先應對硬

14、件進行靜態(tài)調(diào)試，同時對系統(tǒng)軟件進行初步調(diào)試，此后再對軟件和硬件進行動態(tài)調(diào)試，最后才能使系統(tǒng)進入正常工作. (1)靜態(tài)調(diào)試：靜態(tài)調(diào)試主要是排除明顯的硬件故障。在將芯片、傳感器等元件連接到電路板上時，要保證各處電源極性、電壓正確，以防止因電源極性接反或電壓過高損壞芯片或傳感器。此外，插入芯片必須在斷電的情況下進行，特別注意芯片的方向不要插反。 (2)軟件調(diào)試：在軟件調(diào)試時采用在計算機上利用模擬軟件實現(xiàn)對單片機的硬件模擬、指令模擬及運行狀態(tài)模擬，從而完成應用軟件開發(fā)的全過程。調(diào)試過程中的運行狀態(tài)、各寄存器狀態(tài)、端口狀態(tài)等都可以在指定的窗口區(qū)域顯示出來，通過這些顯示結(jié)果隨時跟蹤程序運行狀態(tài)，以確定程序

15、運行無錯誤。 (3)動態(tài)調(diào)試：控制系統(tǒng)的軟件和硬件是密切相關(guān)的，由于軟件模擬開發(fā)系統(tǒng)不能對硬件部分進行診斷，同時也不能實時在線仿真，所以用戶程序還需跟硬件連接起來進行聯(lián)調(diào)，同時對軟件和硬件進行檢查和診斷。整個單片機系統(tǒng)進行在線調(diào)試時，需借助仿真開發(fā)工具來對用戶軟件及硬件電路進行診斷、調(diào)試。 在應用系統(tǒng)各模塊電路調(diào)試成功后，將程序加載到在線仿真器上，這時就能單步或連續(xù)地執(zhí)行目標程序，同時也可以根據(jù)需要分段設(shè)置斷點執(zhí)行程序。而對于一些與硬件相關(guān)的用戶程序，如接口驅(qū)動程序等，則需要配合硬件，進行在線調(diào)試，如果有邏輯錯誤，也要及時糾正修改。 程序調(diào)試完畢后，利用編程器將程序固化到單片機中，使整個系統(tǒng)運

16、行起來。 各模塊電路調(diào)試流程圖如下示：圖4-1電源調(diào)試 圖4-2單片機最小系統(tǒng)調(diào)試 圖4-3按鍵電路調(diào)試 圖4-4顯示電路調(diào)試 圖4-5采集電路調(diào)試2.主要問題分析 在本系統(tǒng)的調(diào)試過程中遇到的主要問題的分析與解決方案。1 電源供電電路中集成穩(wěn)壓器溫度過高。 分析解決：穩(wěn)壓器溫度過高的原因之一是：變壓器整流濾波后加到集成穩(wěn)壓器上的電壓較高，使7805上的壓降過大。此問題可通過選用輸出電壓低些的變壓器，并在集成穩(wěn)壓器前串入兩只二極管降壓，同時增大散熱片來解決。 2人體存在傳感器有人存在時輸出高電平的電壓偏低分析解決：人體存在傳感器輸出高電平的電壓偏低，單片機會產(chǎn)生誤判，或采集不到正確的信號，于是在

17、人體存在傳感器的輸出端加一個100K的上拉電阻。 3人存在的教室中，若人體超過十秒沒有活動，人體傳感器是不會有信號輸出的，那么如何判定教室此時有人的問題。 分析解決 ：此問題在系統(tǒng)軟件設(shè)計時，可將采集有人體信號存在的狀態(tài)適當延長保持二至五分鐘，并加以后續(xù)處理。 4單片機控制信號輸出后，繼電器沒按預定設(shè)計產(chǎn)生動作。 分析解決：單片機輸出控制信號，在控制繼電器時，必須加三極管來驅(qū)動，否則信號電流過小將不能使繼電器產(chǎn)生吸合動作，而且必須采用三極管的集電極來驅(qū)動繼電器，最后再帶動負載。繼電器驅(qū)動電路中還需注意的是要與繼電器線圈并聯(lián)一個續(xù)流二極管，增加對驅(qū)動三極管的保護。 5每次開機插上電源后，硬件時鐘顯示的時間都從所設(shè)初始值開始計時。 分析解決：硬件時鐘顯示的時間不正常。 解決辦法：一方面是充電電池沒有充電功能；另一方面是應對硬件時鐘進行自檢。六、總結(jié) 該教室燈光系統(tǒng)的控制是以AT89S51單片機芯片為核心，通過相關(guān)電路的驅(qū)動，完成對系統(tǒng)設(shè)備(電燈)的控制，采用