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1、教室自动感应照明控制系统的设计陕西理工学院毕业设计 教室自动感应照明控制系统的设计 刘婧 指导教师:张政才 摘要本设计介绍了基于单片机STC89C52的教室自动感应照明控制系统，分析了教室灯光智能控制的原理与实现的方法，在此基础上开发了照明智能控制系统硬件装置和相应的软件。系统硬件包括时钟电路、红外对管电路、光线检测电路、显示模块电路、独立按键操作电路和LED灯控制电路，软件设计包括人数统计软件设计、光线亮度检测软件设计以及总体软件设计。让学校教室的用电合理化，节约了电能并且改善了对教室灯光的管理，实现了教室照明控制系统的自动化、智能化。 关键词 STC89C52；智能控制；红外对管；光照检测
2、 The classroom design of the control system of automatic induction lighting Liu Jing (Shaanxi Institute of Electrical Engineering on Electronic Information Science and Technology 1202 class, Hanzhong, Shaanxi 723000) Instructor: ZhangZhengcai Abstract:This design introduces the automatic lighting co
3、ntrol system based on the MCU STC89C52,and analyzes the principle of classroom lighting intelligent control and realization method.On the basis of this, the hardware and software of the intelligent control system are developed.The hardware includes clock circuit, infrared tube light detection circui
4、t, display circuit. Independent key module circuit, operation circuit and LED lamp control circuit, software design includes the number of statistical software, software design and software design to detect overall brightness. Let the school classroom electricity reasonable, save energy and improve
5、the classroom lighting management, realize the automation and intelligence of classroom lighting control system. Key words:STC89C52, Intelligent control, Infrared to tube, Light detection 陕西理工学院毕业设计 目录 引言. 1 1 设计思想 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 设计主要目的 . 1 2 系统设计概述 . 1 2.1 设计任务指标要求 . 1 2.2 设计方案 . 1 3 主要元器件介绍
6、. 2 3.1 单片机STC89C52 . 2 3.2 时钟芯片DS1302 . 3 3.3 液晶显示器LCD1602 . 4 3.4 模数转换器件ADC0804 . 5 3.5 光敏电阻 . 5 3.6 红外对管 . 6 4 系统硬件设计 . 6 4.1 单片机最小系统 . 6 4.2 光线检测电路 . 7 4.3 红外对管检测电路 . 7 4.4 时钟电路 . 8 4.5 独立按键操作电路 . 8 4.6显示屏电路 . 9 陕西理工学院毕业设计 4.7 LED灯控制电路 . 9 5 系统软件设计 . 9 5.1 人数统计子程序流程图 . 9 5.2 光照度采样及模数转换子程序 . 10 5
7、.3 主程序设计 . 11 6 安装与调试 . 13 6.1 软件的仿真与调试 . 13 6.1.1 仿真图 . 13 6.1.2 调试与功能实现 . 13 6.2 硬件的安装与调试 . 14 6.2.1 原理图 . 14 6.2.2 硬件的焊接 . 14 6.2.3 硬件调试 . 15 总结. 16 致谢. 16 参考文献 . 16 附录A 器件清单 . 17 附录B 主程序 . 18 陕西理工学院毕业论文 引言 设计应用了先进的电子技术、自动控制技术以及实用的软件平台，成功地设计了一套功能完善的教室自动感应照明控制系统。由显示单元、传感探测单元、控制单元构成了整个系统。教室自动感应照明控制
8、系统核心器件采用STC89C52单片机采集数据，并由控制系统实现对教室光照强度、学生人数等的监控与显示，并对教室内部用电设备进行合理控制和管理，达到教学楼教室照明控制的智能化和节约化的目标。 1. 设计思想 1.1 课题背景 随着计算机网络的发展，控制技术、智能建筑的发展越来越迅速。目前，国内大多数智能建筑存在效率低下的现象，高能源消耗。智能建筑的照明系统，通常许多地方的灯打开是从早到晚的，无论在房间里还是在走廊里有人，无论有多少人。或者，当自然光线很好时，灯不关闭；相反，在自然光线很难满足人们的需求时，又不能及时打开灯。这种照明方式,不仅浪费能源，还不能满足人们对照明的基本要求，也会对人的视
9、力造成很大影响。 如今，各种高校不断扩招学生，扩大教室,教室里的电力负荷增加，电源管理不当，造成学校的电力浪费，这种经济损失、浪费与今天节能的理念背道而驰。此外，现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，光管理的自动化、智能化方向发展。所有这些使教室照明控制也应该向智能方向发展。如此简单、方便、实用的教室灯光自动控制系统的发展，具有重要的现实意义。 一些学校也意识到教室照明的巨大浪费，采取各种管理方法，试图杜绝这种浪费。如：成本和支出，课堂上教师责任制，组织勤工助学学生或雇用专业人员进行专业管理电力等等。许多学校已经采取这些方法，但始终没能坚持很长一段时间，没有达到理想的效果。由于管理不善等问
10、题就会影响教学资源的配置和合理利用等等1-3。 1.2 设计主要目的 针对目前学校教学楼照明设备控制的现状，为使教室照明设备控制趋于自动化、智能化，提高教学管理的效率，开发了一套功能更完美的基于STC89C52的教室自动感应照明控制系统。这个系统应用先进的电子技术、自动控制技术和实用的软件平台，通过传感器采集室内光线，人数分布等信息，利用控制电路调节照明强度，实现节能控制，智能控制系统通过单片机实现对教室光照、自习学生人数等的数据采集，由LCD1602显示，对教室内部用电设备进行合理的控制，达到教学楼教室照明控制的智能化和节约化的目标。 2. 系统设计概述 2.1 设计任务指标要求 设计并制作
11、一个教室智能照明控制系统，通过传感器采集室内光线，人数分布等信息，利用控制电路调节照明强度，实现节能控制。系统应包括1.自然光检测电路，对照明现场的亮度进行检测，如果现场亮度符合照明要求，系统应关闭照明设备；2.人体红外检测电路，当照明现场亮度不符合照明要求且有人进过时，系统启动照明设备；3.强制开灯和关灯按键。 2.2 设计方案 教室自动感应照明控制系统是基于单片机对学校教室照明设备进行控制和管理，教室亮度的检测、教室学生人数的统计、自动与手动状态的切换。整个系统由时钟电路、红外对管电路、光线检测电路、显示模块电路、独立按键操作电路、LED灯控制电路组成。单片机可以实现对教室内的教室检测控制
12、元件所采集到的信息的接收、处理，从而可以很轻松的对教室光照强度、自习学生人数等进行实时统计。检测控制单元：照明强度采集是采用ADC0804与单片机构建的数据采集网络，显示使用LCD1602，教室是否有人和人数是用红外对管电路通过检测电路与单片机相连进行数据采集。系统总体框图如图2.1所示。 第1页 ，共38页 陕西理工学院毕业论文 时钟电路 显示模块电路独立按键操作电路红外对管电路光线检测部分LED灯控制电路图2.1 系统总体框图 系统实现的主要功能有： 1. 时钟电路可以记录正常的实时时间，还可以设置定时时间，让系统在我们设定的时间范围内自动工作，减少因不在学习时间范围内，对电能造成的浪费。
13、 2. 红外对管电路，也是人数检测电路，可以对进入教室的人数进行统计，然后在光线黑暗的条件下，根据教室的人数决定打开照明灯的多少。 3. 光线检测电路可以对教室的光照强度进行检测。当光照强度高于一定值时，不管统计到教室的人数是多少，照明灯都不打开；当光照强度低于一定值时，打开照明灯的多少根据统计到的人数而定。 4. 显示电路可以显示实时时间的年、月、日、时、分、秒和星期，还可以显示统计到进入教室的人数。 5. 独立按键操作电路，可以对实时时间和定时时间进行设置，还可以切换自动状态和手动状态。手动状态就是可以手动控制教室的照明灯。 6. LED灯控制电路，符合光线黑暗、统计到人数的条件下，会打开
14、。 3. 主要元器件介绍 3.1 单片机STC89C52 STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量
15、4级中断结构，全双工串行口5。 除了STC89X52静态逻辑运算可以减少到0赫兹,支持两种类型的软件可以选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机停止所有工作，直到下一个中断或硬件复位。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。其管脚分布如图3.1所示。 图3.1 TC89C52引脚图 第2页 ，共38页 陕西理工学院毕业论文 VCC：5V。GND：接地。 P0口：P0口是八位漏极开路双向输入输出口，每个引脚可以接收8个TTL门电流 P1口：P1口是8位双向输入输出口，它的功能是可以单片机里
16、面提供上拉电阻，P1口的缓冲器能够接收和输出四个TTL门电流。 P2口：P2口是8位双向输入输出口，它的功能是可以单片机里面提供上拉电阻，P2口的缓冲器能够接收和输出四个TTL门电流。 P3口：P3口是8个带有单片机里面上拉电阻器的双向输入输出口，可接收和输出4个TTL门电流，P3口亦可以作为STC89C52的特殊功能接口。 RST：复位输入。如果振荡器处于复位状态，这个口就得保持 RST引脚2个机器周期有所需要的高电平保持时间。 ALE/PROG：如果在访问单片机外部存储器的时候，那么地址锁存器这个时候所允许的输出电平就会用在锁存地址其中的低位字节，在FLASH编程的这段时间里，这个引脚就会
17、被用来输入编程所需脉冲。在大多数时间里，ALE端就会输出正脉冲信号，这个频率是振荡器频率的六分之一，我们可以用它来定时或者对外部输出脉冲，这里需要注意的就是，每次在访问单片机外部数据存储器的时候，就会跳过一个ALE脉冲。 PSEN：这个管脚是单片机外部程序的存储器的选通信号。如果取指的工作是由外部程序存储器来完成的时候，那么每个机器周期里面的两次 PSEN 是有效的，但是如果是在访问单片机外部数据存储器的时候，就不会出现前面我们所讲的两个 PSEN 信号。 EA/VPP：当EA一直处于低电平状态下时，单片机外部的程序存储器的地址会变成不管这个时候有没有内部程序的存储器。在FLASH编程的这段时
18、间里，施加12V编程电源的工作也是由这个引脚完成的。 XTAL1：单片机内部反向振荡放大器的输入以及单片机内部时钟电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出6。 3.2 时钟芯片DS1302 DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。实时时钟可提供年月日、秒分时和星期，一个月小于31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压为2.55.5V。DS1302是DS1202的升级
19、产品，与DS1202兼容，采用双电源供电，可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中8。如图3.2所示。 我图3.2 DS1302引脚图 各引脚的功能为： Vcc1：主电源；Vcc2：备份电源。当Vcc2Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2V-时，输出高电平，当输入电压V+-，比较器2脚输出高电平；黑暗的时候，光敏电阻阻值较大，分到的电压高，电压是大于2.5V的，所以+-，输出低电平，LED灯D4点亮，单片机靠判断低电
20、平来知道是黑暗状态。如图4.2所示。 图4.2 光线检测电路 4.3 红外对管检测电路 使用红外传感器的作用是通过其内部接收端接收由障碍物反射或发射回来的红外光，来判断是否有障碍物。这里使用两组红外传感器用来计数当前教室内的学生人数。两组红外传感器依据接收有障 第7页 ，共38页 陕西理工学院毕业论文 碍物反射回来的红外光并根据对其接收的先后顺序来判断是否有进入/出去的人，进而实现对教室学生人数的记数。 LED7和LED6为红外接收管，LED8和LED9为红外发射管，R21和R22限流保护发射管，R12和R13是接收端的上拉电阻，为了能够得到高电平。有遮挡的时候，红外光通过遮挡物发射被接收管接
21、收到，接收管导通接地，此时电压低于-输入端的2.5V，+-，输出高电平，LED指示灯灭。单片机靠判断低电平来知道有东西遮挡或经过。如图4.3所示。 图4.3 红外对管检测电路 4.4 时钟电路 U1为时钟芯片DS1302，通过第5.6.7脚与单片机相连，通过程序读取时钟芯片发过来的时间再显示。J1为纽扣电池，即备用电池，因为时间一直需要走，当外界电源没有关闭时，这里的纽扣电池就直接向时钟芯片供电，防止时间停止或异常。R2.R3.R4为上拉电阻，这里的主要作用是提高抗干扰能力。Y1是晶振，原理同单片机的晶振一样，都是提供振荡信号给芯片，芯片才能正常运行，这里芯片规定的晶振大小为32768Hz。如
22、图4.4所示。 图4.4 时钟电路 4.5 独立按键操作电路 按键电路，按键按下接地，单片机通过判断端口为低电平来知道按键按下。独立按键操作电路如图4.5所示。 第8页 ，共38页 陕西理工学院毕业论文 图4.5 独立按键操作电路 4.6 显示屏电路 LCD1为液晶屏LCD1602，R1可以调节液晶屏的对比度。如图4.6所示。 图4.6 显示屏电路 4.7 LED灯控制电路 自动/手动模式指示灯，低电平有效，如图4.7所示。4个照明灯，低电平有效。如图4.8所示。 D1R6 D2R7510 LED-BLUED4R3 510510LED-BLUE LED-BLUED5照明灯R4D3 R2510L
23、ED-BLUE D6R5510 LED-GREEN自动手动510LED-BLUE图4.7 指示灯 图4.8 照明灯 5. 系统软件设计 5.1 人数统计子程序流程图 统计人数的多少，直接影响教室里照明灯打开的多少，因此实际如下，程序开始执行以后，如果“内”红外管检测到有人，然后判断“外”红外管是否检测到有人，检测到则表示是由外入内， 第9页 ，共38页 陕西理工学院毕业论文 教室的人数加一，否则将“内”标志位置位，然后继续扫描程序、检测。相反，如果“外”红外管检测到有人，然后判断“内”红外管是否也检测到有人，检测到则表示是由内出外，教室人数减一，如此循环检测，实现对教室人数的统计。流程图如图5
24、.1所示。 开始程序扫描图5.1人数统计流程图 “内”检测到有人“外”检测到有人“内”标 志位置位“外”检测到有人“内”检测到有人“外”标志位置位由内出外，人数减一标志位清除Y由外入内，人数加一N结束5.2 光照强度采样及模数转换子程序 A/D转换器是采集教室光照强度的一个重要器件。A/D转换器应能够确保模拟信号在数字位流中被准确地表示，并提供一个具有任何必需的数字信号处理功能的平滑接口。A/D转换器将光敏电阻采集的光照强度的模拟信号变换成数字位流以进行处理、传输及其他操作，并根据人数执行继电N器吸、合动作。单片机把它实时检测采集的数据与设定值进行比较，然后根据比较结果和教室的人数启动继电器。
25、流程图如图5.2所示。 Y开始 选中通道2并退出中 开启A/D并选中通道1断 等待中断等待中断 读出转换结果读出转换选中通道1 结果图5.2 光照强度采样及模数转换流程图 第10页 ，共38页 陕西理工学院毕业论文 5.3 LCD1602显示子程序流程图 本设计主要实现的功能是显示系统时间和室内人数。时间主要通过时钟芯片DS1302来控制，本设计显示得是时、分、秒、星期和统计的人数，人数主要通过模拟传感器的按钮来实现加减人数。LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器以及存储了160个不同的点阵字符图形，LCD1602总共有两行16个字符的位置可供显示，首行首字符地址为0x80，第二行首字符地
26、址是0x80+0x40，比如要在第二行第二个位置显示，则可将写指令地址设为0x80+0x40+1即可。LCD显示模块程序流程图如图5.3所示。 开始 初始化 Yes 内部是否忙碌 NO 读指令 读数据显示 图5.3 LCD显示模块流程图 5.4 主程序设计 本设计是在设定时间范围内并且处于黑暗环境下，统计到人数之后会将照明灯打开，打开照明灯的多少根据教室人数而定。程序开始执行以后，器件和端口初始化。首先是设置时间，此时系统会向时钟芯片DS1302发送请求，如果有回复数据，则准备更新时间数据，然后判断按键是否被按下，如果有按键按下，还要判断设置的是否是实时时间，此时分为两种情况：第一，如果判断为
27、“是”，则进入实时时间的设置。第二，如果判断为“不是”，此时又需要判断是否要设置定时时间。如果是，进入定时时间的设置；如果不是再判断系统的状态，自动模式下，系统会根据设置的情况自动进行工作，在光线黑暗并且统计到人数的情况下，自动打开照明灯；手动模式下，要通过按键控制照明灯的亮灭。整体流程图如图5.3所示。 第11页 ，共38页 陕西理工学院毕业论文 图5.3 主程序流程图 第12页 ，共38页 陕西理工学院毕业论文 6. 安装与调试 6.1 软件的仿真与调试 Proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的软件，和其它的单片机仿真软件不一样的是，它不仅能够仿真单片机CPU 的工作情况，还能够仿真单片机外围电路或者没有单片机参与的其它电路的工作情况。 Proteus是单片机课堂的教学助手。Proteus为电路测试提供了较为全面的、包括模拟信号和数字信号的测试信号。Proteus可以将单片机实例功能、单片机实例运行过程形象化。在相当程度上，前者
