1、0目录第 1章 绪论 11.1 设计意义 11.2 国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题 11.3 本课题设计的内容与目标 31.3.1 设计内容 31.3.2 设计目标 31.4 本课题拟解决的关键问题 4第 2章 方案论证 52.1 教室灯光控制器简介 52.2 系统控制方案论证 5第 3章 系统控制模块的硬件设计 83.1 单片机的选择 83.2 光照检测方式 93.3 人体感应方式 93.4 照明设备驱动电路 103.5 DS1302 时钟电路 .103.6 控制系统的主要硬件电路 113.6.1 系统主控电路 113.6.2 日光强度检测模块电路 123.6.3 热释电红外人
2、体检测模块电路 143.6.4 系统时钟电路 163.6.5 键盘管理模块电路 183.6.6 8锁存器 74LS573介绍 .203.6.7 超时报警电路 213.6.8 系统供电电路 223.6.9 照明设备控制电路 233.7 智能照明控制系统照明负荷计算 253.7.1 计算结果分析 26第 4章 控制模块软件设计 274.1 系统监控主程序模块 .274.1.1 系统自检初始化 284.1.2 定时中断处理 284.1.3 多任务操作系统的构建 294.2 数据采集模块 304.2.1 存在传感器的优缺点 304.2.2 数据采集软件设计的实现 304.2.3 人体存在传感器的抗干扰
3、措施 314.2.4 人体存在传感器的安装要求 314.3 时钟模块 324.3.1 数据输入输出 324.3.2 时钟内部寄存器的使用 324.3.3 时钟自检初始化 3314.4 显示驱动模块 344.5 系统键功能 34第 5章 总结 355.1 出现的问题 355.2 建议 35致谢 37参考文献 380第 1章 绪论随着科学技术的发展，智能产品深入生产生活各个领域，是生活方式产生巨大的变化。在节能方面，由于智能控制的介入，使得其效率大大的提高，产品应用范围更广，适应环境能力更强。1.1 设计意义随着国名经济的快速发展，高等教育越来越被政府关注和重视，校园规模也随着高等教育规模的扩大而
4、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，在教室的面积、设施和照度方面，学校在力所能及的范围内予以最大的改善。但由于大学开放式的管理模式，以及部分大学生的节能意识的浅薄，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；夜间许多教室，即使有几个学生在教室自习，但室内照明设施全部开启；另外，长眠灯比比皆是，人走不熄灯的现象到处存在。为了绿色节约型社会，本文设计了一种智能照明控制系统，可以合理有效地利用照明灯光，从而大大地减少高校照明能源浪费的现象。目前对灯光的智能控制，国内外已经开始采用，但对教室灯光的控制，尤其是我国教室灯光的智能控制尤为缺乏和不完善，依然是传统
5、式的人工管理。各类大、中专院校不断扩招，教室不断扩建，教室的用电负荷不断加大，教室用电管理不善，造成学校电能浪费，经济损失，这种的浪费与当今的节约能源理念相违背。再者，现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，灯光的管理也在朝着自动化、智能化方向发展。例如楼道灯光的自动控制等等。所有这些使得教室灯光控制也应该朝着智能的方向发展。于是，开发简便，实用的教室灯光自动控制系统便具有重要的现实意义。 1.2 国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题世界各地发电的主要原料是煤炭、石油和天然气，面丹麦在能源利用方面的成功经验提供了很好的借鉴。从 1974 年以来，尽管丹麦国民收入增长了50%。丹麦总的
6、能源消费量并没有增加。丹麦是 OECD 成员国中能源消耗量和国1民收入比值最小的国家。他们不断地提供一些节能供热系统。例如丹麦热电周供热电厂(CHP)。两且，他们尽可能的有效利用资源。这样，他们的能源使用总效率达到了 90%。丹麦政府很重视住房空同用电的节约，并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，他们要支付比没有节能方案房屋高出 8%的费用。其节能项目经验在欧盟国家中广为流传。还有，欧司朗斯维尼亚公司不断的推出新型高输出的荧光灯，节约 6%的总系统功率，并具有更高的光通量和平均光通量。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。种种迹
7、象表明世界各国都在采取不同方式来节约能源，节约电能。中国经济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，但由于我国人口众多，所以人均储量少，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发展的关键问题。从环境和自然资源角度出发，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，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
8、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，北京的奥运场馆“水立方” ，通过采用大量的节
9、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2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
10、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关自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要课题。1.3 本课题设计的内容与目标1.3.1 设计内容本课题设计的内容有以下几点：（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） 设计人体存在探测技术，探测角度与范围；（4） 设计传感器在教室分布，安放问题、是否一灯一个传感器或多灯共用传感器；（5）
11、 设计确定人体传感器的有关参数；（6） 设计灯光控制器电源问题；（7） 设计控制器参数值设定的要求及方案；（8） 设计人工设置参数、掉电保存参数的问题；（9） 设计使用遥控器灯光控制技术；（10）设计与现有教室照明相兼容，以替代，不易被偷盗、被仿制，易于维护维修 等控制技术；31.3.2 设计目标设计的教室灯光控制系统能用于现有教室照明系统的人性化智能管理。实现自动、手动灯光控制相兼容，以降低成本；通过反复试验和改造，最终达到可靠性、 实用性、推广性较好的目标。1.4 本课题拟解决的关键问题本课题拟通过实验设计教室灯光的各种控制方案解决如下关键问题；（1） 传感器与教室灯光配合安装的问题；（2
12、） 环境光参数输入采集问题；（3） 人存在传感器参数输入采集问题；（4） 开关灯的自动与手动兼容措施；4第 2章 方案论证2.1 教室灯光控制器简介本课题设计的控制器可有效地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灯光进行智能控制。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。2.2 系统控制方案论证 1.手动教室照明系统设计该
13、控制系统采用传统的手动照明设计方法，采用传统的手动(开和关两种)控制方式，使用但是它已经不能解决实际场景对照明效果的不同需求，简单的控制方式更不便于管理和维护。以节约能源为目的，与现代通信技术、计算机技术、控制技术等相结合的智能照明技术，满足了“绿色照明”的设计要求，具有较大的发展空间。2.基于 PLC 原理的照明系统设计该控制系统采用 PLC 控制，随着我国教育事业的发展，学校照明用电量越来越大，电能损失也随之增加。现在大多数教室的照明控制系统都是采用浪费现象比较严重。教室中的开关虽然能够实现分区控制，但是有人很少去关心哪排灯由哪个开关去控制，因此就出现了所谓的长明灯现象。为了针对这种情况，
14、本文设计出了一种用 P L C 作为控制器的节能、智能控制系统。使整个系统处于自动的工作状态，实现对教室照明系统的智能控制。一方面减少了人工的参与，更为主要的是实现了人走灯灭，人来灯亮，使长明灯现象得到解决，使教室的照明用电得到合理有效的利用。该系统的工作原理是：当教室无人时所有的灯都自动关闭；当教室有人时，且照度达不到设定的要求时自动打开人所在区域的灯；当教室有人时且照度达到设定的要求时自动关闭人所在区域的灯。5对于使用投影仪的多媒体教室，可以实现在投影仪开启后延迟一定的时间，自动关闭讲台区对应的灯以达到较佳的视觉效果。其控制系统框图如 2-1 图所示。图 2-1 PLC 系统控制框图3.基
15、于单片机原理的照明系统设计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。在自然光强度大于 300（lx）时，而且有人存在，都不开灯；在自然光强度小于 150（lx）时，有人存在且超过一定时间，控制器自动打开电灯，直到人离开时延时一定时间后在关灯。同时，还可设置作息时间来控制，夜晚超过 11 点时，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，以解决在特殊情况下，自动控制器的不人性运行。所设计的教室灯光控制器主要有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，
16、加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各种功能，达到设计目的。系统控制单元是以单片机主控模块为核心，其他外围电路包括：系统供电模块、硬件时钟模块、人体存在传感器模块、及超时报警模块，其结构框图如图 2-2 所示。根据毕业设计要求本次设计采用基于单片机原理的照明控制系统。6MAX485教室 1教室 2教室 8电源超时报警电路照明驱动电路89C2051RST/复位光敏检测电路 热释电红外传感器 DS1302 时钟控制图 2-2 结构框图7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等经常会因环境情形变化而不稳定，所以设计过程中，电
17、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。3.1 单片机的选择1.MCS-51 单片机AT89C2051 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 2k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128bytes 的随机数据存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，AT89C2051 单片机在电子类产品中有广泛的应用。AT89C2051 是 一 带 有 2K 字 节 闪 速 可 编 程 可 擦 除 只
18、读 存 储 器（ EEPROM） 的 低 电 压 ， 高 性 能 8 位 CMOS 微 处 理 器 。 它 采 用 ATMEL 的高 密 非 易 失 存 储 技 术 制 造 并 和 工 业 标 准 MCS-51 指 令 集 和 引 脚 结 构 兼 容 。通 过 在 单 块 芯 片 上 组 合 通 用 的 CPLI 和 闪 速 存 储 器 ， ATMEL 的AT89C2051 是 一 强 劲 的 微 型 处 理 器 ， 它 对 许 多 嵌 入 式 控 制 应 用 提 供 一 定 高 度灵 活 和 成 本 低 的 解 决 办 法 。AT89C2051 提 供 以 下 标 准 功 能 ： 2K 字
19、节 闪 速 存 储 器 ， 128 字 节RAM， 15 根 I/O 口 ， 两 个 16 位 定 时 器 ， 一 个 五 向 量 两 级 中 断 结 构 ， 一 个 全双 工 串 行 口 ， 一 个 精 密 模 拟 比 较 器 以 及 两 种 可 选 的 软 件 节 电 工 作 方 式 。 空闲 方 式 停 止 CPU 工 作 但 允 许 RAM、 定 时 器 /计 数 器 、 串 行 工 作 口 和 中 断 系统 继 续 工 作 。 掉 电 方 式 保 存 RAM 内 容 但 振 荡 器 停 止 工 作 并 禁 止 有 其 它 部 件的 工 作 到 下 一 个 硬 件 复 位 。2.AVR
20、 单片机1997 年,由 ATMEL 公司挪威设计中心的 A 先生与 V 先生利用 ATMEL 公司的Flash 新技术, 共同研发出 RISC 精简指令集的高速 8 位单片机，简称 AVR。相对于出现较早也较为成熟的 51 系列单片机，AVR 系列单片机片内资源更为丰富，8接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代 51 系列单片机。由于采用了高性能的 MCU,省掉了大量的外围器件,如外扩 RAM、ROM 存储器等,使硬件结构大大简化,提高了系统的可靠性。它与其它结构类型单片机相比，AVR 具有以下一系列的优点：（1）在相同的系统时钟下 AVR 运行速度最快；（2）芯片内部的
21、 Flash、EEPROM、SRAM 容量较大；（3）所有型号的 Flash、EEPROM 都可以反复烧写、全部支持在线编程写(ISP)；（4）多种频率的内部 RC 振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，零外围电路也可以工作；每个 IO 口都可以以推挽驱动的方式输出高、低电平，驱动能力；内部资源丰富，一般都集成 AD、DA 模数器、PWM、SPI、USART、TWI、 CI2通信口、丰富的中断源等。方案分析：除了以上几种单片机，市场上还有好的其它结构单片机。如果实现本系统，基本上上述三种类型的单片机都可以实现。考虑到 MCS-51 单片机具有较强的代表性以及该系列单片机资料较多，本设计
22、采用 AT89C2051 来实现。3.2 光照检测方式（1）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 IO 引脚。（2）采用光敏电阻把环境亮度转换成相应的电压值（模拟值） ，然后通过运放后给单片机输入一个标准的数字信号。由于光敏电阻属于纯阻性器件，所以采用方案一。3.3 人体感应方式（1）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9以视为有人体进入。（2）采用集成电路 BIS0001，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
23、器件就可构成被动式的热释电红外开关、报警用人体热释电传感器等。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。 由于方案 1 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，所以本设计采用二。3.4 照明设备驱动电路1.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。2.采用继电器控制继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热
24、）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。由于电磁继电器简单易用，开关状态极其容易判断，所以本设计采用电磁继电器来控制。3.5 DS1302时钟电路DS1302 存 在 时 钟 精 度 不 高 ， 易 受 环 境 影 响 ， 出 现 时 钟 混 乱 等 缺 点 。DS1302 可 以 用 于 数 据 记 录 ， 特 别 是 对 某 些 具 有 特 殊 意 义 的 数 据 点 的 记
25、 录 ，能 实 现 数 据 与 出 现 该 数 据 的 时 间 同 时 记 录 。 这 种 记 录 对 长 时 间 的 连 续 测 控 系统 结 果 的 分 析 及 对 异 常 数 据 出 现 的 原 因 的 查 找 具 有 重 要 意 义 。 传 统 的 数 据 记10录 方 式 是 隔 时 采 样 或 定 时 采 样 ， 没 有 具 体 的 时 间 记 录 ， 因 此 ， 只 能 记 录 数 据而 无 法 准 确 记 录 其 出 现 的 时 间 ； 若 采 用 单 片 机 计 时 ， 一 方 面 需 要 采 用 计 数 器 ,占 用 硬 件 资 源 ， 另 一 方 面 需 要 设 置 中
26、断 、 查 询 等 ， 同 样 耗 费 单 片 机 的 资 源 ，而 且 ， 某 些 测 控 系 统 可 能 不 允 许 。 但 是 ， 如 果 在 系 统 中 采 用 时 钟 芯 片DS1302， 则 能 很 好 地 解 决 这 个 问 题 。3.6 控制系统的主要硬件电路3.6.1 系统主控电路本系统的主控模块主要采用 ATMAL 公司的 AT89C2051 作为主控芯片，AT89C2051 是个低功耗，高性能的 COMS8 位单片机，片内含 2KB 的可反复擦写的只读 Flash 程序存储器和 128KB 的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用ATMAL 公司的高密度、非易失性存储技术
27、生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元。AT89C2051 只有 20 个引脚，15个 I/O 口（其中 PI 是个完整的 8 位双向 I/O 口）， 2 个外中断口，2 个 16 位可编程定时计数器，2 个全双向串行通信口，1 个模拟比较放大器。指令系统与MCS-51 系列完全兼容，除了没有外部数据存储器和外部程序存储器等扩展功能外，它具有 80C31 单片机的所有功能。其主要特点位：（1）MCS-51 产品完全兼容；（2）2K 字节可编程闪烁内存；（3）编程次数可达 1000 次；（4）两级程序加密防盗；（5）15 个可编程 I/O 口
28、、2 个 16 位定时器/计数器、可直接驱动 LED 显示，5 个中断源；（6）二级中断优 Flash 存储先级、全双工串行口。正是因为 AT89C2051 单片机具有上述特点，尤其是自带 Flash 存储器，并且能够有效擦除 1000 次，是整个系统的硬件电路变得简单，大大缩短了开发周期。AT89C2051 的 CPU 有两种节电工作方式既空闲和掉电方式，遥控器采用了空闲节电方式。当 CPU 执行完 IDL=1（PCON.0=1）指令后，系统进入了空闲工MAX48511作方式，这时内部始终不向 CPU 提供，而只供给中断、串行口、定时器部分。AT89C2051 的 P1 是一组 8 位双向
29、I/O 口，P1.2-P1.7 提供内部上拉电阻，P1.0 和 P1.1 内部没有上拉电阻。P1 口输出缓冲器可以吸收 20mA 电流并可以直接驱动 LED 当 P1 口引入脚写入“1”时可以做输入端，当引脚 P1.2-P1.7 用作输入并被外部拉低时，它们将内部的上拉电阻而输出电流。P3 口还用于实现AT89C2051 特殊功能，如表 3-1 所示。表 3-1 P3 口特殊功能口引脚 功能特性 RXD（串行输入口）P3.O RXD（串行输入口）P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 INTO(外中断 0)P3.3 INY1(外中断 1)P3.4 TO(定时/计数 0 外部输入)P3.5 T1
30、(定时/计数 1 外部输入)AT89C2051 的 P3 口只要七个引脚，P3.6 没有引出。P3 口的 P3.0-P3.5，P3.7是带有内部上拉电阻的 7 个可吸收双向 I/O 口，P3 口缓冲器可以吸收 20mA 电流，当 P3 口写入“1”时，它们内部上拉电阻拉高并可作为输入端口，作输入端时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流。 3.6.2 日光强度检测模块电路考虑到教室内部距离窗户远近不同，接受日光度不同的特点，为避免光电探测器受光面的缺点，应在教室周围进行合理的分布光电探测器,用于探测自然光的强弱。根据我校主教学楼中日光灯的分布情况如图 3-1 所示：窗户 门灯分布黑板12
31、图 3-1 日光灯的分布图那么光电探测器在教室中的布局则根据此分布情况进行安置，即在每个远离窗户最远的地方安放一个光电探测器。每个区域的日光灯则由安置在教室内的按键或远端的主控上位机来控制。此外相邻两个区域装置的探测范围都有一定的重叠以确保当有人在两个区域中间学习时能够得到足够的光强。这样，当外界环境中的自然光能满足所需的光强度时，不管教室是否有人，教室灯都不亮，控制教室日光灯的自动熄灭。当教室用作特殊使用时如多媒体教室则拉上窗帘，关闭所有灯具或点亮少许微弱的灯具。当教室光强不够教室中有一个同学单独处于某一个区域时，只有他周围的日光灯亮；当在有人来这个教室时他们完全可以选择亮灯的地方坐，若选择
32、其他区域情况相似。这样就完成了教室照明智能控制，起到了节约用电的作用。图 3-2 则体现了考虑因教室的走向与太阳光的夹角不同而造成亮暗区位置不同对光电探测器装置布局造成的影响。太阳光 太阳光图 3-2 教室采光情况光电传感器是一种能够将光转换成电量的传感器。采用的光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。在无光照时三极管的穿透电流很小，当暗电流 Iceo 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暗区亮区暗亮13图 3-3 环境光采集电路原理图光照强度变化而变化的电信号。因此光敏三极管灵敏度
33、高，而且体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点。 环境光采集电路原理图如图 3-3 所示。当自然光强大于一定程度时，光敏三极管 D6 呈现底阻状态1 千欧，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。当自然光强小于一定程度时，光敏三极管 D6 呈现高阻状态,100 千欧，使三极管 Q12 截止，集电极输出高电平。其中可变电阻 R26 可调节，调 R26 阻值的大小，使 Q12 三极管受环境光影响在适当的亮度下导通。3.6.3 热释电红外人体检测模块电路1人体存在传感器的工作原理自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发
34、出不同波长的红外线，利用红外传感器可对其进行检测。根据工作原理，红外传感器分为热型和量子型两类，热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器，与量子型相比，响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可在常温下工作。量子型与热型的特点相反，而且要求冷却条件。本系统采用的是热释电红外传感器，人体存在传感器主要采用了红外传感器的原理，它是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水 龙头、自动电梯、自动照明等场合，及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。 其原因为：（1）被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；（2）大气对 2-2.61LM、3-51LM、8-1411M 三个被称为“大气窗口”的特定
35、光通量的红外线吸收甚少，可非常容易被检测；（3）中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测； 2.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：（1） 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10M 左右的红外辐射非常敏感。（2）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14尔滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。（3） 人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。（4）一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分
36、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。（5）菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离） ，从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。 人体都有恒定的体温，一般在 37 度，所以会发出特定波长 10M 左右的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的 10M 左右的红外线而进行工作的。人体发射的 10M 叫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
37、生由人体存在的信号。有人进入时，移动人体发出的红外线被红外传感器接收，则人体存在被感应，并输出高电平。若人体进入最不敏感移动方向时，则人体传感器所体现的信号就会不理想，有时还会产生误动作，所以要特别注意人体传感器的安装方向。2人体存在信号采集电路 人体传感器 HP-208 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）感应为全自动方式，人进入感应范围时输出高电平(高 3.3V） ，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平(低 0.3V)，其高低电平利于采集； （2） 采用可重复触发方式。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
38、动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时8 秒 -15 秒后将高电平变为低电平； （3） 人体传感器工作电压宽为 DC3V-DC24V；15（4） 人体传感器制作成锥面形状，感应范围大，小于 140 度锥角，感应距离 为 7 米以内； （5） 其静态电流小于 50 微安，功耗低； （6） 工作温度介于-15和+700之间，适应性强；（7）灵敏度高，可靠性强。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。在电路设计中，为了使人体传感器的工作更加可靠，介于人体传感器的信号引脚 2 与地信号引脚 3 之间加一个 6800Pf 的电容，另外人体存在传感器
39、的信号引脚 2 与单片机的 P3.3 引脚相连，P3.3 引脚再接一个 100的上拉电阻，增加人体存在传感器输出信号的可靠性。其电路原理图如图 3-4。图 3-4 人体传感器电路图3.6.4 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，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，因此本设计还加入硬件时钟电路以保证系统的智能化运行。1.硬件时钟芯片的选取极其接口电路传统的时钟芯片，如 MCL46818、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DSL302、
40、DSL305、DSL307、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16需要占用太多单片机资源，本系统采用美国 DALLAS 有充电能力的低功耗 18的用于临时性存放数据的 RAM 寄存器的实时时钟芯片 OS1302 的是串行通信方式，还可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。它可以对年、月、日、周日、时、 分、秒，进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为 2.5V-5V,DL302 的升级产品与 DS1202 兼容，但增加了主电源后背电源，双电源引脚，同时还提供了对后背电源进行电流充电的能力。而
41、且本系统采用的 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，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能的时钟芯片DS1302 的引脚图如图 3-5 所示。图 3-5 时钟芯片 DS1302 的引脚图DS1302 与单片机接口电路连接原理图如图 3-6，其中 Vcc2：外接 3.6V 可充电的锂电池，为 DS1302 的备用电源。Vcc1 外接系统供电模块的输出稳定电压+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
42、电源关闭的情况下，则由 Vcc2 给 DS1302 供电，保持时钟的连续运行。X 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 输入端接单片机 P1.5 引脚，进行时钟控制。数据输入/输出端 I/O 接单片机 P1.6 引脚，进行数据传输。17图 3-6 DS1302 与单片机接口电路连接原理图2.硬件时钟芯片的引脚功能极其工作原理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。RST 输入有两种功能：首先，RST 接通控制逻辑，允许地址/命令序列送
43、入移位寄存器；其次 RST 提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当 RST 为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对 DS1302 迸行操作如果在传送过程中RST 置为低电平，就会终止此次数据传送，I/O 引脚变为高阻态。上位电运行时，在 Vcc205V 之前，RST 必须保持低电平。只有在 SCLK 为低电平时，才能将RST 置为高电平。I/O 为串行数据输入输出端（双向） ，后面有详细说明。SCLK始终是输入端。硬件时钟芯片 DS1302 与微处理器进行数据交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高位 MSB(D7)必须为逻辑 1，如果 D7=0，则禁止写DS1302，即写
44、保护；D6=0，指定时钟数据，D6=1,指定 RAM 数据；D5-D1 指定输入或输出的特定寄存器；最低位 LSB(D0)为逻辑 0，指定写操作（输入） ，D0=1，指定读操作(输出)。 在 DS1302 的时钟日历或 RAM 进行数据传送时，DS1032 必须首先发送命令字节。 若进行单字节传送，8 位命令字节传送结束之后，在下 2 个 SCLK 周期的上升沿输入数据字节，或在下 8 个 SCLK 周期的下降沿输出数据字节。DS1302 与 RAM 相关的寄存器分为两类：一类是单个 RAM 单元，共 31 个，每个单元组态为一个 8 位的字节，其命令控制字为 COHFDH，其中奇数为读操作，
45、偶数为写操作；再一类为突发方式下的 RAM 寄存器，在此方式下可一次性读、写所有的 RAM 的 31 个字节。 要特别说明的是备用电源，可以用电池或者超级电容器(0.1F 以上)。虽然 DS1302 在主电源掉电后的耗电很小，但是，如果要长时间保证时钟正常，最好选用小型充电电池，以用老式电脑主18板上的 3.6V 充电电池。如果断电时间较短（几小时或几天） ，就可以用漏电较小的普通电解电容器代替。100F 就可以保证 1 小时的正常走 时。DS1302 在第一次加电后，必须进行初始化操作。初始化后就可以按正常方法调整时间。3.6.5 键盘管理模块电路红外遥控键盘是目前使用最广泛的一种遥控手段。
46、由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空调机以及玩具等其他小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅可靠而且能有效地隔离电气干扰。我们采用市场上很容易就能买到，且信号较稳定的JVC：RM-C457型号遥控器作为灯光控制的键盘。1.红外遥控数据流的编码结构为了使系统具有较强的抗干扰能力，信号的码流绝大多数采用“重复”发送方式，但其重复规则有所不同，可概括为以下几种：（1）简单重复方式，即将数码进行简单重复发送；（2）有引导码的数据重复方式，引导码主要是为了保证接收同步
47、；（3）重复码方式，为了降低功耗，第一组数据发送出去后，每隔一定时间仅发出一个窄脉冲，称为重复码；2.红外遥控数据流的识别选用遥控器键盘的时候，原本我们并不知道其具体的编码规则及数据码流。本人采用顾伟电子实业有限公司生产的GDS-815/820/840系列的数字储存示波器，来采集遥控器发出的键码信号并总结码流方式，以备遥控器的软件设计使用。每个键的信号测量数据如表3-2，X1表示引导码的宽度，X2表示识别码和数据码的总宽度，其宽度单位为 ms。由表中数据可以计算出X1的平均值为16.3ms。表3-2 每个键的信号测量数据单位：msX1值 16.3 14.9 16.7 16.3 16.2 16.
48、5 16.4 16.5 17.0X2值 23.3 24.2 22.3 25.3 23.3 23.8 23.6 22.4 22.2由此可知当一个键被按下延迟40ms时，这40ms发射代码由一个起始码19（16.3ms）和一个16位数据码（23.35ms）组成。如果按键下超过40ms仍不松开，接下来发射重复代码，仍为一个起始码（16.3ms）和一个16位数据码（23.35ms）组成。采用脉宽制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms，周期为2.25ms的组合表示二进制“1”。解码的关键是如何识别“0
49、”和“1”，由示波器采集的信号及位的定义我们可以发现“0”、“1”均以0.56ms的低电平开始，不同的高电平的宽度不同，“0”为0.56ms，“1”为1.68ms，所以必须根据高电平的宽度区别“0”和“1”。如果从0.56ms低电平过后，早开始延时0.56ms，诺读到电平为低、说明该位为“0”，反之则为“1”。遥控器的数据流识别后，就为遥控器的软件设计提供了依据。本系统采用微机一体化红外接头，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如图3-7。图3-7 红外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 10mf 的滤波电容，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图 3-8，ceiptl 有三个引脚，为接收器的引脚。接收器输出端外接单片机的 P3.2 端口，便于遥控信号采集。20图 3-8 遥控器信号的接收模块与单片机的连接3.6.6 8锁存器 74LS573介绍三态总线驱动输出（1）置数全并行存取（2）缓冲控制输入（3）使能输入有改善抗扰度的滞后作用原理：74LS573 的八个锁存器都是透明的 D 型锁存器，当使能（G）为高时，Q 出将随数据（D）输入而变。当使能为低时，输出将锁
