1、xx 科技大学毕业设计（论文）教室 LED 日光灯节能控制设计摘 要基于当前对教室灯光控制方法的的了解，尤其是教室灯光的智能控制方面的发展现状，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机的教室灯光智能控制系统的设计思路，并在此基础上设计了智能控制系统的硬件装置和相应软件。该系统以 AT89C52 单片机作为控制装置的智能部件，采用热释红外人体传感器检测人体的存在，采用光敏电阻构成的电路检测环境光的强度;根据教室合理开灯的条件，系统通过对人体的存在信号和环境光强弱的识别和智能判断，完成对教室照明回路的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。系统还具有报警功能。单片机软件采用 C 语言编
2、制，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，专用性强，性价比合理等优点，可以满足各类大、中专院校教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能目的。关 键 词：红外传感器，单片机，热释电xx 科技大学毕业设计（论文）THE DESIGN OF SCHOOL LED LIGHT ENERGY SAVING CONTROLABSTRACTBased on the current realize of school lighting control method, especially the classroom light intelligent co
3、ntrol development present situation, analyses the classroom light intelligent control theory and implement method, is proposed based on single-chip shool light intelligent control system design, based on the design of intelligent control system hardware and corresponding software.This system to cont
4、rol device of AT89C2051 single chip microcomputer as intelligent parts, using thermal infrared sensor detect the existence of of human body, using photosensitive resistance of circuit testing environment light intensity, Reasonable according to the shool light conditions, the system through the ligh
5、t intensity signal and the environment for the presence of the human body identification and intelligent judgment, complete the classroom light intelligent control circuit, to avoid the classroom a large amount of waste of electricity. System also has the alarm function. Single-chip microcomputer so
6、ftware compiled using C language, using modular design, clear structure, good versatility and facilitate improved and expanded. This system has the advantages of small size, high reliability and easy control, the price is reasonable, strong specificity etc, can satisfy all kinds of big, secondary co
7、lleges shool light control requirements, to a great degree of energy-saving objective.KEY WORDS：infrared sensors，SCM ，pyroelectricxx 科技大学毕业设计（论文）目 录前 言 .1第 1 章 概述 .21.1 课题研究背景 .21.2 教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题 .21.3 课题研究的内容与意义 .31.3.1 研究内容 31.3.2 研究意义 31.4 本课题拟解决的关键问题 .4第 2 章教室灯光控制器简介及控制方案的分析 .52.1 教室灯光控制器简
8、介 .52.2 系统设计方案选取 .52.2.1 系统主控芯片的选取 52.2.2 光照检测方式的选择 52.2.3 人体感应方式的选择 52.2.4 时钟芯片的选择 62.2.5 照明设备驱动的选择 62.2.6 LED 日光灯电压控制的选择 62.3 系统控制方案的分析 .7第 3 章 系统控制模块的硬件设计 .83.1 控制模块的硬件构成 83.2 控制系统的主要硬件电路 .93.2.1 系统主控电路 93.2.2 在线编程模块电路 .113.2.3 系统供电电路 .123.2.4 数据采集电路 .123.2.5 DS1302 时钟电路 173.2.6 数码管显示时间电路 .18xx 科
9、技大学毕业设计（论文）3.2.7 红外遥控接收电路 .183.2.8 继电器驱动接口电路 .193.2.9 超时报警电路 .193.2.10 日光灯供电电源控制电路 20第 4 章 软件设计与开发 .214.1 系统监控主程序模块 214.1.1 系统初始化 .224.1.2 定时器中断处理 .224.1.3 多任务操作系统的构建 .234.2 数据采集模块 234.2.1 数据采集软件设计的实现 .234.3 时钟模块 244.3.1 数据输入输出 .254.3.2 时钟内部寄存器的使用 .254.3.3 时钟程序设计 .264.4 数码管显示模块 264.4.1 显示程序设计 .274.5
10、 红外遥控模块 27第 5 章 系统调试运行及问题分析 .285.1 单片机系统调试方法及步骤 285.1 出现的主要问题及分析解决 29结 论 .31致 谢 .33附录一 .34附录二 .35附录三 .46xx 科技大学毕业论文1前 言随着国民经济的快速发展和社会进步，校园规模的不断扩大，教室的数量也大幅度增加。为使师生有舒适的教学和学习的环境，无论是教室的面积、设施和照度，校方在力所能及的范围内，都付出了十分的努力。但由于学校开放型的管理模式，以及全员的节能意识的淡薄，高校的教室在白天室内照度很高的情况下，仍然普遍存在开灯作业；即使室内无人或人数很少的情况下，也是全部开启室内照明。夜间许多
11、教室，即使仅有几个学生在教室自习，但室内照明全部开启，绝不会有师生因为只有少数人而仅开几盏灯。LED 被认为是 21 世纪的照明光源。LED 发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，LED 能耗为白炽灯的 10，荧光灯的50。LED 寿命可达 10 万小时，是荧光灯的 10 倍，白炽灯的 100 倍。用 LED 替代白炽灯或荧光灯，环保无污染。使用安全可靠，便于维护。我国照明用电占总发电量的 12。目前，公共建筑的照明灯具控制大多采用手动开关，经常出现没有及时开关的现象，从而造成大量的能源浪费和使用上的不便。另外，不必要的使用，也会缩短灯具的使用寿命。本文阐述了一套 LE
12、D 智能照明控制系统设计方案，可以根据工作环境中是否有人员和环境补光亮度等来自动控制照明的开关和亮度。采用本系统具有提高用电效率，节约电能和缓解了用电高峰的电力供应压力双重作用。单片机的出现至今已经有 30 多年的历史了。微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机的应用已经渗透到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，并掀起了一场数字化技术革命。单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口/都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。本篇论文介绍了就是基于单片机 STC89C52 的室内灯光控制系统的研究和开发。本系统是以单片机为控制器的核心，
13、本系统主要由光照检测电路、热释电红外线传感器及处理电路、单片机系统及控制电路组成。以此来实现对 LED 照明设备进行开关操作，从而实现照明控制，以达到节能的目的。xx 科技大学毕业论文2第 1 章 概述1.1 课题研究背景随着社会的发展,对照明系统的需求激增。就建筑的照明系统来说，许多地方的灯经常是从早到晚开着的，不管这些房间或楼道是否有人，也不管有多少人。或者，当自然光照度很好时，灯不能及时关闭；反之，当自然光照度难以满足人的需求时，又不能及时打开灯光。这种照明方式，不仅造成能源的浪费，而且不能满足人对照明的基本需求，同时也给人的视力造成了很大的影响。现代照明除了满足人的基本生活、学习要求之
14、外，将更注重能量的节省和使用上的便利，以及满足人类工程学的个性方面的要求。所以要做到合理、经济、节能，首先应采用先进成熟的技术和产品，如电光源、灯具、照明控制系统。因此，适应不同个人和工作需要，结合自动调节与手动调节的智能化照明系统已经不可或缺。而在大学校园的建设热潮中，各大高校的建设者也意识到了智能照明的重要性。相对商业楼宇而言，大学校园里的大功率动力和制冷设备比重较少，照明灯具则相对比重更多，所以控制教室照明是节能的关键。使用照明控制系统，更能体现其在节能与管理方面的优势，而且还能节省开支。1.2 教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题目前，我国照明用电约占社会总用电量的 12%，采用高效
15、照明产品代替传统的低效照明产品可节电 60%到 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，据测算年节约用电可达 3442 万千瓦时，节约电费 2519.7 万元。政府己经在商厦、学校、医院等更换了 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照明能耗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xx 科技大学毕业论文3强基础设施建设是今后五年
16、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。面临如此紧迫的能源问题，我们应该把着眼点放在“高效加强环境保”利用“清洁”能源。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，护洁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
17、就是教室日光灯自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要课题。1.3 课题研究的内容与意义1.3.1 研究内容本课题的研究内容有如下几点:(1). 了解教室照明光强的标准；(2). 调研教室灯光照明需求以及环境光强弱与开、关灯的关系；(3). 研究人体存在探测技术，探测角度与范围；(4). 研究传感器教室分布、安放问题，是否一灯一个传感器或多灯公用传感器等；(5). 研究确定人体传感器的有关参数；(6). 研究灯光控制器电源问题； (7). 研究控制器参数值设定的要求及方案；(8). 研究人工设置参数、掉电保存参数的问题；(9). 研究与现有教室照明相兼容，易替代，不易被偷盗、被仿制，易于维护、
18、维修等控制技术；(10).研究报警等附加功能问题1.3.2 研究意义I良好的节能效果和延长灯具寿命xx 科技大学毕业论文4节能是照明控制系统的最大优势。传统的楼宇公共区域照明工作模式，只能是白天关灯，晚上开灯。而采用了智能照明控制系统后，可以根据不同场合及人流量，进行时间段、工作模式的细分，把不必要的照明关掉，在需要时自动开启。同时，系统还能充分利用自然光，自动调节室内照度，在保证必要照明的同时，有效减少了灯具的工作时间，节省了不必要的能源开支，也延长了灯具的寿命。 II. 改善工作环境，提高工作效率 良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。合理地选用光源、灯具及性能优越的照明控制系统，都
19、能提高照明质量。智能照明控制系统具有开关和调光两种控制方法，可以有效地控制各种照明场所的平均照度值，从而提高照度均匀性。同时，系统能根据不同的时间段，人们的不同需要，自动调节照度。 III. 提高管理水平 智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。在一般的情况下，不需要有人的参与，照明系统自动实现开关和调光功能，既大大减少了管理人员的数量，也排除了由于人为因素而出现的不定时开关，影响学校的正常教学、生活秩序的情况。 IV. 较好的投资收益效果 智能照明控制系统在节能和节省灯具使用的同时，有效节省了电费与管理费用的支出。根据一般的办公大楼运营的经验来看，节能效果能达到 40以上，一般
20、的商场、酒店、地铁站等节能效果也能达到 2530。 1.4 本课题拟解决的关键问题本课题拟通过试验研究教室灯光的各种控制方案解决如下关键问题:(1). 照明回路的控制回路与控制器本身的节能问题；(2). 传感器与教室灯配合安装的问题；(3). 环境光参数输入采集问题；(4). 人存在传感器参数输入采集问题；(5). 开、关灯的自动与手动兼容措施；xx 科技大学毕业论文5第 2 章教室灯光控制器简介及控制方案的分析2.1 教室灯光控制器简介教室灯光控制器可实现有效的教室灯光智能控制。其输入参数主要是人体存在信号和环境光信号等的外界因素，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
21、人存在时开灯，理论和实验证明用这种方式来对教室灯进行智能控制可以实现上述目标。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。2.2 系统设计方案选取2.2.1 系统主控芯片的选取由于 MCS-51 单片机在功能和性价比方面均优于其它芯片，故本设计选用STC89C52 单片机 STC89C52 来实现。2.2.2 光照检测方式的选择方案一：采用光敏二极管或三极管等光传感器件把环境亮度转换成相应的数字电平，然后直接接入单片机 I/O 引脚
22、。方案二：采用光敏电阻通过 AD 把环境亮度转换成相应的具体数值，然后将该数值传给单片机。由于需要采集环境光的具体数值，所以采用方案二。2.2.3 人体感应方式的选择方案一：采用红外对管进行检测。红外发送管和红外接收管分别安装在通道两侧。当某一时刻红外接收管如果接收不到信号表示两者之间有遮挡物通过，可以视为有人体进入。xx 科技大学毕业论文6方案二：采用集成电路 HC-SR501，该芯片是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件就可构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、蜂鸣器、自动门、电风扇等装置，特别适用于企业、宾馆、商场的过道、走廊等
23、敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。 方案分析：由于方案一要求红外发送管和接收管必须相对才行，而且两者距离有限，实现起来较为不便，所以本设计采用方案二。2.2.4 时钟芯片的选择传统的时钟芯片，如 MC146818, MC68H68T, LM8365 等，这些芯片的引脚太多，体积大，占用的口线多。而现在流行的串行时钟芯片很多，如DS1302，DS1305，DS1307，PCF8485 等，这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛的使用。考虑到本系统停电时只需对时钟电路提供电源、且不需要占用太多单片机资源，故本系统采用具有充电能力的低功耗 1*8 的用于临时性存放数据的 R
24、AM 寄存器的实时时钟芯片 DS1302。2.2.5 照明设备驱动的选择方案一、采用可控硅控制。可控硅又称晶闸管，是一种具有三个 PN 结的四层结构的大功率半导体器件。其具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。方案二、采用继电器控制。继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。其具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。根据结构不同，可以将其分为电磁继电器、热敏干簧继电器、固态继电器、磁簧继电器、光继电器等型号。方案分析：由于电磁继电器简单易用，开关状
25、态极其容易判断，所以本设计采用电磁继电器来控制。2.2.6 LED 日光灯电压控制的选择方案一：通过光敏电阻采集到的具体光强数值，来通过 pwm 调节 LED 日光灯输入电压的占空比，从而无级调压以达到日光灯亮度等级的控制。方案二：通过光敏电阻采集到的具体光强数值，分 8 个等级将 LED 日光灯xx 科技大学毕业论文7输入电压分为 8 级，从而有级调压以达到日光灯亮度等级的控制。方案分析：由于方案一硬件电路不易实现，故采用方案二。2.3 系统控制方案的分析所研制的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。可以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
26、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，还要按作息时间来控制，夜晚超过11 点，若还有人存在，则警报响起提醒人离开，若有特殊情况则可通过红外遥控关闭自动控制器的运行，改用红外开关来手动控制，以解决因特殊情况下，自动控制器的不人性化运行。本文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，达到控制器自动与手动相结合的教室照明智能控制。本系统的整体设计思路如下
27、图 2.3-1 所示：超时警报继电器驱动模块 继电器驱动模块数码管显示时间光敏电阻 A / D光敏分等级控制开关量开关量调压变压器D S 1 3 0 2时钟模块6 : 0 0 - - 2 3 : 0 0其它时间人体红外信号环境光信号L E D 日光灯A C 2 2 0 V A C 1 0 0 V 2 6 0 V环境光灯亮弱存在红外遥控模块图 2.3-1 整体思路图xx 科技大学毕业论文8第 3 章 系统控制模块的硬件设计考虑到本系统所安装的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
28、分考虑到抗干扰问题。3.1 控制模块的硬件构成系统控制单元是以单片机主控模块为核心，其它外围电路主要包括:ISP 下载线模块、系统供电模块、DS1302 时钟模块、灯光继电器驱动模块、数码管显示模块、A/D 采集环境光模块、人体存在红外传感器模块、超时报警模块、 IR 红外遥控模块，其结构框图如图 3.1-1 所示：超时警报模块继电器驱动模块8 9 C 5 2系统模块数码管显示模块电源模块D S 1 3 0 2 时钟模块A / D 采集环境光人体存在红外模块灯光供电电压模块I R 红外遥控模块I S P 下载模块图 3.1-1 系统控制单元结构框图xx 科技大学毕业论文93.2 控制系统的主要
29、硬件电路3.2.1 系统主控电路本系统的主控模块主要采用 STC 公司的 STC89C52 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, 8KB 的EEPROM，由于合理的安排使用片内 RAM 空间，所以没有扩展的片外 RAM，使电路结构简捷。由于电路控制的复杂性，故采用两个 STC89C52 芯片（下面用STC89C52-1、STC89C52-2 来表示）来实现对 LED 光灯的控制。STC89C52-1 主要用来控制时钟模块、人体红外信号采集、继电
30、器输出驱动日光灯、超市警报模块；STC89C52-2 主要用来控制 A/D 环境光采集、红外遥控、日光灯供电电压控制模块。STC89C52-1 的 I/0 端口与系统其它外围器件接口的分配情况图如下图3.2.1-1 所示：图 3.2.1-1 STC89C52-1STC89C52-1 的 I/0 端口与系统其它外围器件接口的分配情况表如下表3.2.1-2 所示：xx 科技大学毕业论文10表 3.2.1-2STC89C52-1 引脚 说明P0.0P0.7 数码管传送数据端P1.0、P1.1 数码管位选、段选P1.2 光敏控制灯光亮灭位P1.3 显示日期位P1.5P.17 DS1302 时钟引脚P2
31、.0P2.3 人体热释电信号位P2.4P2.7 灯光驱动- 继电器输出位P3.3 红外控制警报位P3.6 红外启动位/手自动控制切换位P3.7 超时警报位STC89C52-2 的 I/0 端口与系统其它外围器件接口的分配情况图如下图3.2.1-3 所示：图 3.2.1-3 STC89C52-2STC89C52-2 的 I/0 端口与系统其它外围器件接口的分配情况表如下表xx 科技大学毕业论文113.2.1-4 所示：表 3.2.1-4STC89C52-1 引脚 说明P0.0P0.7 日光灯供电电压模块控制位P1.0/P1.1 A/D 采集 i2c 总线位P1.2 光敏控制灯光亮灭位P1.3 （
32、红外控制）显示日期位P2.4P2.7 灯光驱动-继电器输出位P3.2 红外接收位P3.6 红外启动位/手自动控制切换位P3.7 红外控制警报位3.2.2 在线编程模块电路以往单片机的实验往往依赖于仿真机和单片机学习系统，价格昂贵，近年来，随着 FLASH 型单片机的广泛应用，采用软件模拟结合写片验证成为一种经济实用的实验方法，尤其是随着单片机技术的发展，很多单片机都具有了 ISP 功能，不再需要仿真机，将单片机的易用性推向一个新的高度。 STC89C52 芯片就是这样的芯片。其原理图如下图 3.2.2-1 所示。图 3.2.2-1 程序下载模块原理图STC89C52 芯片支持在线编程(ISP)
33、功能，用户可以通过 STC89C52 在线编程接口直接对电路板上的 CPU 进行在线编程，方便了程序的修改烧写工作。ISP 进行在线编程时，用 AT89C52 芯片的 P3.0、P3.1 引脚，通过 PC 并口，根据 ISP 协议xx 科技大学毕业论文12制作简单的编程器就可对 CPU 进行编程。使用方便、快捷，且工作显示信号清晰。3.2.3 系统供电电路要取得+5V 电压，若选用 12V 的变压器，整流滤波后输出往往大于 12V，会使稳压器功耗大，自身温度较高。故不选用输出电压为 12V 的变压器，而选用输出电压为 9V 的变压器。系统接通 220V 交流电源后，将 220V 交流电变压到
34、9V，经过二极管全波整流、电解电容 C23，C24 滤波，再经一只正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用了电容 C25、C26，最后得到+5V 的直流工作电源，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。其供电原理图如 3.2.3-1 所示。图 3.2.3-1 供电原理图在硬件时钟模块中，为了在断电后硬件时钟能够正常运行，故采用主从双电源供电方式。硬件时钟一般在系统的+5V 主电源情况下工作，而只有系统+5V 主电源消失的情况下，为确保硬件时钟的正常运行，设计一个 3.6V 的可充电铿电池作为备用电源。具体电路及其原理将在后面的系统时钟电路部分详细
35、说明。3.2.4 数据采集电路教室中的环境光和人体存在与否是系统的主要输入参数，因此教室中的环境光和人体存在成为系统数据采集的主要对象。常见的环境光采集器件光电传感器有光敏电阻。此外，人体传感器要求灵敏度高，可靠性强，本系统采用了逻辑电平输出的 HC-SR501 型号的人体存在传感器。I.环境光 A/D 采集电路光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增xx 科技大学毕业论文13大。还有另一种入射光弱，电阻减小，入射光强，电阻增大。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76）u
36、M 的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。其外形电路图形符号如图 3.2.4-1 所示：图 3.2.4-1 光敏电阻光敏电阻电路如下图 3.2.4-2 所示：图 3.2.4-2 光敏电阻电路原理图其输出随着光敏电阻的阻值变化为不同的电压值，其中 AIN0 引脚接 A/D 的AIN0 引脚。在这里选用的 AD 为 PCF8591-8 位 A/D 和 D/A 转换器，通过该型号的 A/D 将光敏电阻输出的电压值（模拟量）转换成数字量。来供后续电路、单片机的控制xx 科技大学毕业论文14运算处理。下面介绍一下 P
37、CF8591-8 位 A/D 和 D/A 转换器,由于本芯片我们只使用的是 A/D 转换部分，故仅对 A/D 部分稍作介绍。其引脚如图 3.2.4-3 所示：图 3.2.4-3 PCF8591 引脚图PCF8591 是单片、单电源低功耗 8 位 CMOS 数据采集器件，具有 4 个模拟输入、一个输出和一个串行 I2C 总线接口。3 个地址引脚 A0、A1 和 A2 用于编程硬件地址，允许将最多 8 个器件连接至 I2C 总线而不需要额外硬件。器件的地址、控制和数据通过两线双向 I2C 总线传输。器件功能包括多路复用模拟输入、片上跟踪和保持功能、8 位模数转换和 8 位数模拟转换。最大转换速率取
38、决于 I2C 总线的最高速率。A/D部分的电路连线如下图3.2.4-4所示：图3.2.4-4 A/D模块电路图由于I2C总线系统中的每一片PCF8591通过发送有效地址到该器件来激活。该地址包括固定部分和可编程部分。可编程部分必须根据地址引脚A0、A1和A2来设xx 科技大学毕业论文15置。上图中A0A2均与地线连接，所以PCF8591的编程地址后三位为000B。电路中A/D通道AIN0与图3.2.4-2中的标号AIN0相连。电路中的串行数据线SDA和串行时钟线SCL必须通过上拉电路连接至正电源。数据传输只能在总线不忙时启动。其中SCL连接至单片机STC89C52-2的P1.0 引脚，SDA连
39、接至单片机STC89C52-2的P1.1引脚。II人体存在信号采集电路人体热释电红外传感器 HC-SR501 是深圳市浩博特电子有限公司研发和生产的基于红外线技术的智能产品，它的主要特性如下:（1）全自动感应：人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。（2）温度补偿：在夏天当环境温度升高至 3032，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。（3）两种触发方式：（可跳线选择）a、不可重复触发方式 :即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变成低电平；b、可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将
40、保持高电平，直到人离开后才将高电平变为低电平。（4）具有感应封锁时间：感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平） ，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。（5）工作电压范围宽：默认工作电压 DC4.5V-20V。人体传感器 HC-SR501 的视图如图 3.2.4-5 所示:xx 科技大学毕业论文16图 3.2.4-5人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性如下:人体都有恒定的体温，一般在 37 度，所以会发出特定波长 10
41、uM 左右的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的 10uM 左右的红外线而进行工作的。人体发射的 10uM 左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生由人体存在的信号。这种探头是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为 10uM 左右的红外辐射非常敏感。为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤光片（菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距，从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密） ，使环境的干扰受到明显的抑制作用
42、。人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元，构成差分电路，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被人体存在传感器的热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而输出有人体存在的信号。人体传感器透镜的信号采集敏感区示意图如图 3.2.4-6 所示图 3.2.4-6 信号采集敏感区示意图人体存在传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系，正确的安装应满足的条件有：应离地面 2.0-2.2 米；远离空调，冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方；在探测范围内不得隔屏、家具、大
43、型盆景或其他隔离物；不要直对窗口；不要安装在有强气流活动的地方。人体存在传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。xx 科技大学毕业论文17人体传感器 HC-SR501 模块的外接连线：人体传感器的 1 号引脚为电源信号端，3 号引脚为地信号端，2 号引脚为采集信号输出端。本系统使用 4 个 HC-SR501 模块来控制路 LED 日光灯，故其 2 号引脚分别连接单片机 STC89C52-1的 P2.0P2.4 引脚，其外接电路原理如图 3. 2. 4. 2-7 所示。 图 3.2.4-7 HC-SR501 传
44、感器外接电路原理图3.2.5 DS1302 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，控制系统的时间应符合学校的作息时间。比如晚间休息、假期等时间段应该关掉教室灯光控制系统，以节约能源，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。DS1302 与单片机接口电路连接原理图如图 3.2.5-1 所示：图 3.2.5-1 DS1302 与单片机接口电路连接原理图其中 Vcc1 外接 3.6V 可充电的铿电池，为 DS1302 的备用电源（可以用电池或者超级电容器。虽然 DS1302 在主电源掉电后的耗电很小，但是如果要长时一间保证时钟正常，最好选用小型充电电池。如果断电时间较短
45、时，就可以用漏电较小的普通电解电容器代替。 ） 。在主电源关闭的情况下，由 Vcc1 给 DS1302 供电，保持时钟的连续运行。Xl 和 X2 是振荡源，外接 32.768kHz 晶振。RST 是复位/xx 科技大学毕业论文18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 STC89C52-1 的 P1.5 引脚，进行时钟控制。数据输入/输出端 I/0 接单片机 STC89C52-1 的 P1.6 引脚，进行数据传输。RST 接单片机 STC89C52-1 的 P1.7 引脚。DS1302 在第一次加电后，必须进行初始化
46、操作。初始化后就可以按正常方法调整时间。3.2.6 数码管显示时间电路由于教室日光灯的控制在自动控制模式下是严格按照作息制度控制的，为了更加直观的提醒教室人员时间，以确保及时合理利用自己的时间，故添加此时间显示模块。数码管显示时间模块电路图如下图 3.2.6-1 所示：图 3.2.6-1 数码管显示电路该电路用到了两个 74LS373 锁存器（74LS373 为常用芯片，故在此不做详细介绍） ，用来对 8 位数码管的段数据和位数据的选择控制，硬件连线两个 74LS373的 1D7D 引脚均连接到单片机 STC89C52-1 的 P0 端口。上图中代号为 U2 的74LS373 芯片的 C 引脚
47、接连接到单片机 STC89C52-1 的 P1.1 引脚，上图中代号为U4 的 74LS373 芯片的 C 引脚接连接到单片机 STC89C52-1 的 P1.0 引脚。3.2.7 红外遥控接收电路为了便于更加灵活的对该系统进行控制，特设计了红外控制，在此不做控制介绍（后续章节会给出） ，其接收硬件电路如下图 3.2.7-1 所示：xx 科技大学毕业论文19图 3.2.7-1 红外接收硬件电路该电路中采用微机一体化红外接头 IR1308，适合各种红外线遥控和红外线数据传输的红外线接收器其红外线接收器。此红外线接收器是一种集红外线接收和放大于一体，不需要任何外接元件，只是焊上一个 10uf 的滤
48、波电容，可以使接收器工作更可靠。遥控器信号的接收模块与单片机的连接如上图，OUT 引脚用来接收从红外遥控器接收到的数据控制信息。其 OUT 引脚连接到单片机STC89C52-2 的 P3.2 引脚，便于遥控信号采集。3.2.8 继电器驱动接口电路继电器驱动接口电路如图 3.2.8-1 所示，这里继电器由芯片 ULN2003 来驱动，开机时，单片机 STC89C52-1 初始化后的 P2.4P2.7 为高电平，ULN2003 输出为高阻状态，所以开机后继电器始终处于释放状态，如果 P2.4P2.7 为低电平，ULN2003 输出为低电平故导通，继电器就会得电吸合，从而驱动负载，点亮相应电灯。继电
49、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，从而使用起来更加安全。这种继电器驱动方式硬件结构比较简单。图 3.2.8-1 中 1、3 接口连接负载电路，LED（03）连接芯片ULN2003 的 OUT 端引脚，其对应的 IN 引脚连接单片机 STC89C52-1 的 P2.4P2.7引脚。xx 科技大学毕业论文20图 3.2.8-1 继电器驱动电路3.2.9 超时报警电路在教室中，由于学生学习紧张，在夜里忘了时间点，致使教室灯工作超时，于是本系统超时报警电路就会发出声音，提醒学生应该休息或必需改用遥控器手动方式来控制灯了。这样，可以更好地保护公共设施。本系统采用超时报警的电路如图 3.2.9-1 所示。这里蜂鸣器是由 ULN2003 驱动，其硬件连线为单片机STC89C52-1 的 P3.7 引脚连接 ULN2003 的 IN 引脚对应的 OUT 引脚连接下图所示的 SPK 线。当单片机 STC89C52-1 的 P3.7 引脚为低电平时，ULN2003 导通，驱动蜂鸣器发出声音，以示教室灯工作超时。若单片机 STC89C52-1
