毕业设计（论文）-基于单片机的室内灯光智能控制系统的设计

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1、商丘学院本科毕业设计摘 要 此篇论文主要是根据大学教室中灯的日常使用情况以及教室对灯光的需求这些问题，研究并设计出了一种基于单片机控制的室内灯光智能控制系统。此控制系统的核心部件就是AT89S51单片机，系统利用热释红外人体传感器这个器件来对人体的是否存在进行检测，并且利用光敏三极管组成的电路对室内的自然光照强度进行检测；此控制系统根据教室对光照的需求来进行合理的控制灯的关闭与打开，首先，它先通过对人体存在的信号以及室内光照强度信号进行综合的分析与判断，对信号的处理以后，通过系统的反馈来完成对教室内的灯光的智能控制，这样就大大减少了教室用电的浪费。此外系统还具备了报警功能；并且它还采用了软/硬

2、件的“看门狗”，它可以增强系统的抗干扰能力。该系统能够达到各种院校对教室灯光控制的要求，最终就可以达到节能的目的。关键词：单片机；智能控制；热释红外传感器；X5045AbstractCipian thesis is based on the university classroom in light of daily usage and the demand for classroom lighting these issues, research and design of indoor lighting intelligent control system based on micropr

3、ocessor controlled. Core components of this control system is AT89S51 microcontroller, the system uses the human body pyroelectric infrared sensor this device to the human body to detect the existence and use of the circuit phototransistor of the indoor natural light intensity is detected; this cont

4、rol system according to classroom to Light needs to be closed and an open and reasonable control of light, first, that the first signal by the presence of the human body and interior light intensity signal integrated analysis and determine the future of the signal processing by the feedback system t

5、o complete the classroom lighting within the intelligent control, thus greatly reducing the waste of electricity classroom. In addition the system also has the alarm function; and it uses a hardware / software watchdog, it can enhance the anti-jamming capability. The system can achieve a variety of

6、institutions for classroom lighting control requirements, most mechanized can save energy.Keywords: SCM; intelligent control; pyroelectric infrared sensor; X5045窗体底端目 录1 绪论11.1 课题研究的目的与意义11.2 采用智能照明控制系统的优势11.3 智能照明控制系统的研究现状22 教室灯光控制器简介与方案分析22.1 大学教室照明控制现状22.2 教室灯光控制器简介22.3 系统控制方案分析22.4 本章小节33 系统控制模块

7、的硬件设计33.1 系统控制模块的硬件构成33.2 系统控制的主要硬件电路43.2.1 系统主控电路43.2.2 系统供电电路53.2.3 系统复位电路63.2.4 数据采集电路73.2.5 系统时钟电路103.2.6 继电器驱动电路113.2.7 蜂鸣报警电路123.2.8 按键控制电路134 控制模块软件设计134.1系统监控主程序模块144.1.1 系统自检初始化144.1.2 定时中断处理设计144.2 数据采集模块154.2.1 人体存在传感器的优缺点154.2.2 数据采集软件的实现154.2.3 人体存在传感器的抗干扰措施164.2.4 人体存在传感器的安装要求174.3 时钟模

8、块174.3.1 数据输入输出174.3.2 时钟自检初始化184.3.3 时钟程序设计204.4 系统工作总流程214.5 本章小节215 系统调试运行及问题分析225.1 单片机系统调试方法及步骤225.2 主要问题分析246 结论25参考文献26附 录27致 谢28III商丘学院本科毕业设计I1 绪论1.1 课题研究的目的与意义 大多数高校由于对教室的管理不善，学校中的大多数教室在白天室内光照充足的情况下任然开着灯。由于大多数同学节约意识的淡薄，即使教室中没有人或者人数很少的情况，教室中的灯也是全部亮，很明显上述两种现象必然会造成很大的能源浪费。能源短缺一直是21世纪人类面临的重大难题，

9、随着国民经济的快速发展和社会进步，教育在不断受到人们越来越多的关注，校园规模也在不断的扩大，节能也就成了我们要研究的课题。目前常采用的节能方式为手工控制，声控型，太阳能灯等。然而他们都存在很大的缺陷与不足，因此市场上急切需要一种操作方便，价格低廉，便于大面积推广的新型节能方案。 智能灯光照明系统不仅节约能源和保护了环境而且还能实现良好的照明光环境，还提高了工作得效率，节省了时间。1.2 采用智能照明控制系统的优势 传统的照明控制系统大多是由人工通过控制配电箱的开关来控制灯的熄灭与打开，有的就在在照明回路中直接串入接触器，这样就可以实现远距离控制灯的灭与亮6，这种方式是通过手动开关来控制灯具，它

10、在很大程度上主要是通过人工来完成的。但是现代的智能照明控制系统则具有很强的智能化，他可以根据不同区域的需要以及不同的时间点，还有光照强度来合理的安排灯的亮与灭，这样它不但节省了人力，而且还节省了能源减少了环境的污染，与传统的照明系统相比而言，他可以说是符合当今社会发展的不二之选。具体来说其优越性主要表现在以下几个方面： (1)这种智能化照明控制系统具有很强的智能化功能，它的整个系统完全处于一个全自动化状态，因此可以根据不同区域在不同时段中对灯具的需求，通过电脑提前输入特定的程序来完成对灯具的合理使用，使他更加具有智能化和人性化。(2)它最突出的特点就是减少了电能消耗，因此可以充分利用自然光，在

11、必要的时候就以人工光为补充，综合考虑室内的人员情况，来合理安排教室内灯具的亮与灭，这样就可以节省很多的电能，一般在30左右7。(3)再者他还可以改善室内氛围，给工作人员提供一个舒适的工作环境。 (4)我们将传统的开关控制转变为智能化的管理之后，不但大大提高了建筑的照明的管理水平，而且还给大楼大楼的运行，维护减少很多的费用开支。总之，这个新型照明控制系统，不但给社会带来了很大好处，即节约了能源的消耗，又减少了环境的污染，而且它还大大提高了人类的生活水平。1.3 智能照明控制系统的研究现状 所谓的“智能建筑”就是集计算机、信息通信于一体，它可以使高层建筑内的电视、空调、冰箱、照明、防火、防盗等实现

12、综合管理上的自动化。人工智能技术在建筑与灯光中的应用趋势不断扩大。正如英国的Glasgow市报指出：“Glasgow正在成为一个研究和发展太空时代智能建筑的国际组织的神经中枢。在智能建筑中的智能灯光、供热、空调、通讯及办公设备将全部由电子计算机进行控制与管理。”随着社会的快速发展，市场上也出现了不少关于智能灯光的设计，比如说智能的灯具、智能照明控制系统，还有就是关于智能照明方面的计算机以及软件，就连智能照明方面的设计与测试也得到广泛应用。2 教室灯光控制器简介与方案分析2.1 大学教室照明控制现状很多大学的教室，在白天上课期间主要是以自然光为主，只有在阴天下雨或者有树木遮挡的教室才使用灯光来补

13、偿；晚上大多数学生会去教室上自习，有的教师用来上课，为了不让学生的视力受到灯光的损坏，给学生提供一个良好的光照环境，那么就必须考虑到灯光的合理分配，这样就需要投入资金来安装这些自动控制系统。能够通过两种方法来达到节能的目的：第一可以使用节能灯，因为在明质量达到要求的情况下，只有通过使用照明设备效率高的产品才能节约能源；另一种是研究出一种智能化的照明控制系统，在满足照明需求的情况下，通过智能化的控制灯具来达到节约能的目的10。2.2 教室灯光控制器简介 教室灯光控制器就是对大学教室内的灯光进行智能化的控制，它主要是通过对人体信号以及光环境信号进行采集，环境强度只要达到一定值那么就不开灯，光照强度

14、在一定值一下并且有人体存在时才开灯，只有对教室灯安装智能控制系统才可以实现上述目标。2.3 系统控制方案分析该控制器主要依靠输入的自然光强度以及人体存在信息这些参数来进行控制，自动控制和手动控制能够同时存。一般情况下，系统会默认为自动控制，只有人为的把按键模块按下时，这时系统就会改为强制控制。如果灯光控制系统处在自动控制模式，并且还要保证自然光照比较足够，那么此时无论教室内有人还是无人，灯都不会被打开；在自然光照强度较弱时，并且教室内有人存在且超过一定时间，那么控制器就会自动打开电灯，只有当室内人全都离开后且延时一定时间后，灯就会自动熄灭。同时，还应该设置作息时间来进行控制系统的运行，夜晚只要

15、超过10点，如果教室内还有人在上自习，那么系统就会自动关闭控制器，这时就可以启动手动控制，这样就可以解决特殊情况下，自动控制器的缺陷。关于教室中用到的灯光控制器一般都由硬件和软件组成。整个控制系统的运行首先离不开硬件，硬件的作用就是为软件中程序的运行提供平台。然而软件部分的作用则是对硬件端口所能体现出的信号加以采集，并且经过综合分析、处理，最后才能实现控制器的各种功能，最终才能达到设计的目的。2.4 本章小节在系统的设计要求方面有手动和自动控制两种选择，以及时间的控制上面和信息采集上。本章主要是对信息的采集进行了简单的分析，主要是对教室中的自然光的强度以及人的存情况这些信息进行采集，并且要保证

16、采集信息用到的电路和其他所有电路都要具备很强的抗干扰能力，避免动作上的错误。在系统的操作和安装方面比较简单，便于日后我们对系统进行维护。 53 系统控制模块的硬件设计想到这个系统的安装所受到的外界环境因素影响，再者室内控制系统中的人体存在传感器、光敏三极管会随着室内情形的变化而变化，所以在整个设计过程中，电子元器件的选用、线路排布和设备的安装要考虑到抗干扰这个问题。3.1 系统控制模块的硬件构成系统的设计上以AT89S51单片机主控模块为核心，其它的一些外围电路主要包括：环境光采集电路、时钟模块、人体存在传感器模块、看门狗模块、按键电路、EEPROM存储模块、超时报警模块、继电器驱动模块，其结

17、构框图如图3.1所示。EEPROM 存储器模块AT89S51单片机最小系统环境光采集电 路看门狗模块人体存在传感器按键电路时钟模块图3-1被控灯具继电器驱动模块超时报警模块 图3.1 系统控制单元结构图首先，环境光采集电路这个模块就是用光敏三极管来对室内环境光的强度进行检测。它的工作原理就是，只要有光线进入到教室内，光敏三极管的电阻就会立即减小，随着光线的逐渐变弱，最终三极管的电阻就会增大。这个模块的主要功能就是把光信号转化成电信号，由此来检测光照强度。人体存在传感器模块则用到了HP-208这个产品，它与红外线技术有关，利用它就可以对教室内是否有人进行检测。硬件时钟模块采用了时钟芯片DS130

18、2,它的优点是低功耗，并且具有充电能力，同时它还具有临时存放数据的功能。关于系统数据的存储以及故障保护这两部分则由X5045组成，X5045是一个具有512字节的EEPROM，并且它同时具有看门狗以及电源监控功能的键盘模块。3.2 系统控制的主要硬件电路3.2.1 系统主控电路AT89S51单片机作为本系统模块的主控芯片，该芯片的主要特征见如表3.1所示：AT89S51引脚外围器件引脚说明P1. 0X5045SIX5045串行输入端P1. 1X5045SCKX5045串行时钟端P1. 2X5045CSX5045片选端P1. 3X5045S0X5045串行输出端P1. 4工作状态指示灯P1. 5

19、DS1302CLKDS1302时钟线P1. 6DS1302I/ODS1302数据线P1. 7DS1302RSTDS1302复位线P3. 0- P3. 1数据采集输入端P3. 3人体存在传感器输出信号端P3. 4超时报警信号输入端P3. 7光敏三极管输入信号端表3.1 AT89S51主要特征 (1) 40（Vcc）20（GND）脚间的电压应有5V ；(2) 18、19脚分别与20脚间有1.72.5V电压 ；(3) 9（RST）脚与GND间电压基本为0 ；(4) 31（EA）脚与20（GND）脚间电压为5V 。3.2.2 系统供电电路系统的供电电压为+5V，此系统用的变压器输出电压为9V。此电路一

20、端接220V交流电，将220V电压降为9V,然后经二极管全波整流，再通过电解电容C1，C2的滤波，最后经正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，在输出端还特地使用了电容C3，C4，为的就是得到+5V的直流电压，用它来给单片机系统以及外围电路Vcc端提供电压。系统供电原理如图3.2所示。图3.2 供电原理图3.2.3 系统复位电路系统中复位电路的用途是为了使系统在一些特殊情况下得到复位，使系统稳定有序的工作。在单片机系统正常有序的工作中，极少数情况下由于外界的干扰会出现程序跑飞，死机等一些特殊情况。为了应对这些突发事件，所以安装了复位电路，并且还要在硬件设计中使用看门狗电路，它

21、的作用是单片机在发生死机的情况下，看门狗会及时的产生一个复位信号给单片机，单片机在收到信号后会及时复位并且重新执行程序。如果你在系统设计的过程中使用了看门狗与EEPROM，那么芯片X5045也就少不了要被使用到。X5045同时具备三种功能：看门狗定时器、复位控制和EEPROM11。这三个功能全部都被集成在由8个引脚封装的CMOS器件中，它最大的优点是可以将电源监控、看门狗功能和高速三线非易失性存储器完美的组合在一起，并且系统的成本大大减少了，另外它也大大降低了对电路板空间上面的要求，X5045的引脚排列如图3.3所示。图3.3 X5045的引脚图 如表3.2状态寄存器所示，X5045状态寄存器

22、共有6位。只有WD1、WD0与看门狗电路有关，而剩余的所有位则与EEPROM的设置有关。表3.2 状态寄存器7654321000WD1WD0BL1BL0WELWIPWD1=0，WD0=0，预置时间为1.4S，WD1=0，WD0=1，预置时间为0.6S，WD1=1，WD0=0，预置时间为0.2S，WD1=1，WD0=1，禁止看门狗工作。通常可以通过控制应用程序的循环周期来决定看门狗电路的定时时间，一般情况下，只要比系统在正常工作情况下最大循环周期的时间稍微长一点即可。X5045硬件部分连接如图3.4所示。图3.4 系统看门狗电路由上图可以看出，系统看门狗电路分为数据存储单元和故障保护部分，X50

23、45是一个EEPROM,它是一个串行通信512字节，并且它还具有看门狗和电源监控功能，X5045有三种可编程看门狗周期，上电和Vcc低于检测门限时，输出复位信号，X5045输出复位高电平有效，为了使复位变得更加可靠，我们在它的复位输出端上接了10K的上拉电阻，使它与AT89S51的复位端相连接。看门狗在电源上电或者是掉电的时候会产生一个复位信号。另外这个芯片还有一个1.4s的看门狗定时器，我们可以通过它来监控单片机的工作。只要在1.4s之内还没有检测到其工作或者说系统出现了故障，那么内部定时器就会使看门狗WD1处于低电平，这样就可以起到保护系统的作用。3.2.4 数据采集电路对于数据采集，我们

24、首先应该想到的是，此次研究设计主要是针对大学校园教学楼里的灯光控制问题，我们要采集的数据有教师的环境光强度以及人体是否存。一般情况下我们通过光敏二极管和光敏三极管来对室内环境光强度进行采集，由于要考虑到抗干扰的问题，所以最好选用灵敏度较高的光敏三极管。除此之外，我们要注意，一定要选用灵敏度高，可靠性强的传感器，可以减少误差。一、环境光采集电路光电传感器可以将光转换成电量。系统采用的光敏三极管除了可以把光信号转换成电信号外，同时它还可以对电信号进行放大。在无光的情况下，三极管的穿透电流很小，被称作暗电流。相反，当在有光照时，三极管的穿透电流会增大，它就变成了光电流。由此可以得出结论，光电流的大小

25、与光照强度成正比，最终我们就在负载电阻上得到随室内光照强度变化而不断变化的电信号了。环境光采集电路原理图如图3.5所示。自然光照强度只要高于一定程度(即设定参数），那么光敏三极管D6就会呈现低阻状态，随着电阻的减小三极管Q8的基极电压将会增大，三极管Q8就会饱和导通，最终三极管Q8集电极输出低电平，也就不参与工作。与之相反，光照强度一旦低于一定程度时(即设定参数)，光敏三极管D6就会立即呈现出高阻状态大于100 K，那么三极管Q8就会截止，Q8的集电极就会输出高电平，最终也就参与电路的工作。可变电阻R9的作用是调节教室中环境光的光照强弱灵敏度参数，当它的阻值变化时，三极管Q8也会随着她阻值的不

26、同在不同的环境光照强度下而导通。R10、C9组成的电路则是为了防止外界的干扰而精心设计的，它们具备了抗干扰的能力。 图3.5 环境光采集电路图二、人体存在传感器的工作原理我们大自然中各种各样的物体，如人体，木材，石头，等都会各自发出不同波长的红外线，所以我们可以利用红外线传感器对它们进行检测。红外传感器一般分为热型和量子型两类。与量子型相比，热型的红外传感器的优点就是波长范围较宽，并且可以在常温下正常工作。量子型与热型的恰好相反，并且要求冷却条件。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。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：众所周知人的体温一般都

27、在37左右，正是因为体温的存在，那么人体就会发出红外线，它的波长大概为10M，那么被动式红外探头就可以根据人体发射出来的红外线来进行工作了。红外感应源采用热释电元件，一旦这种元件接收到人体红外辐射温度发生变化，它就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生有人体存在的信号12。1）这种探头就是专门被用来进行探测人体辐射，那么热释电元件就会对波长为10M左右的红外辐射极其的敏感。2）为了增强使它只对人体红外辐射的敏感程度，可以在它的辐射照面上覆盖菲尼尔滤光片，这样它就不容易受到外界环境的干扰。3）对人体是否存在进行探测，这个传感器是由两个互相串联的热释电元组成，而且这两个电极化方

28、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）只要有人进入到探测区域之内，那么人体发射出的红外线就会立即被部分镜面聚焦，人体存在传感器的热释电元就会及时的接收到它，由于两片热释电元各自接收到的热量不不一样，所以他们就不能相互抵消，最后经过信号处理以后就会输出人体存在信号。5)当设计对菲尼尔滤光片性能的要求不一样时，它就会产生不一样的焦距（感应距离），因此也就会产生不一样的监控现场，随着视场的增多，控制就会变得越严密。只要有人进入到特定区域之内，不断移动的人体就会发出红外线，红外传感器此时就会及时的接收到它，因此人体是否存在就会被及

29、时感应到，一旦被感应到就会输出高电平。三、人体存在信号采集电路人体传感器HP-208基于红外线的智能产品，它的主要特性如下： （1）感应的方式是全自动的，只要有人体进入到感应范围区域之内，它就会立即输出高电平（高3.3V）。与之相反，当人体不在感应范围区域之内时，那么它就会自动的延时及时关闭高电平，并且输出低电平（低0.3V），高低电平有利于信号的采集； （2）通常一定要记着采用可重复这种触发方式来进行。即使有时它感应输出了高电平，只要在延时这段时间范围内，如果此时有人体依然在它能感应的范围活动之内，那么输出就会一直保持高电平，一直等到人体离开，延时15s之后高电平就会立即变为低电平； （3）

30、 人体传感器工作电压宽为DC3V-DC24V； （4） 其静态电流小于50A，功耗低； （5）工作温度介于-15和+70之间，适应性强； （6）灵敏度高，可靠性强。 正如下图所示，电源的信号端接在了人体传感器的1号引脚上面，接地信号端接在了3号引脚上面，采集信号输出端接在了2号引脚上面。电路中的电容可以使传感器的工作更加可靠，100K的上拉电阻可以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3.6所示。图3.6人体传感器电路图3.2.5 系统时钟电路为了满足教室灯光使用的要求，此系统在某些情况下还受到了时间的控制，因此为了使系统智能化的进行还应该加入时钟电路。因为系统停电后，需要及时的

31、为时钟电路提供电源、并且又不能占用太多单片机资源，所以本系统采用美国DALLAS公司推出的具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DS1302。这种芯片用到的是串行通信方式，它的作用是可以为掉电保护电源充电，我们有时也可将此项功能关闭。该芯片对年、月、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V13。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14，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3.7所示。图3.7DS1302的引脚图DS1302与单片机接口电路的连接原

32、理图如图3.8所示。其中Vcc2为系统的备用电源，它外接了3.6V可以充电的锂电池。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。只要Vcc1大于Vcc2+0.2V，Vcc1就会给DS1302提供电能，此时系统就会正常的运行；主电源关闭时，Vcc1就会小于Vcc2，这时Vcc2就会给DS1302供电，这样时钟就可以持续的运行了。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST与单片机的复位信号相连接，当RST被置为高电平时，它就可以启动全部的数据传送。时钟输入端SCLK接单片机P1.5引脚，进行时钟控制。数据输入/

33、输出端I/O接单片机P1.6引脚，进行数据传输。图3.8 DS1302与单片机接口电路连接图3.2.6 继电器驱动电路继电器驱动接口电路如图3.9所示。开机时，由于单片机刚刚被初始化，所以P3.5/P3.6 为高电平，此时三极管就处于截止状态，因此开机后继电器将会处于释放状态。当P3.5/P3.6 为低电平时，三极管的基极就会被拉低而产生足够的基极电流，使三极管导通，继电器就会得电吸合，从而驱动负载，点亮相应电灯。图3.9 继电器驱动电路3.2.7 蜂鸣报警电路通常情况下，人们会经常发现在教室无人或者自然光充足的情况下，由于学生的疏忽教室内的灯任然亮着，这样就会造成很大的能源浪费，这种现象在我

34、们大学校园里很常见。为了杜绝这种浪费现象的发生，我们在设计的过程中使用了蜂鸣报警电路，它可以以声音的方式来提醒教师的学生来及时关闭电源，避免一些浪费现象的发生；另一方面一些学生会有时会因为学习的过分投入以至于忘了时间，那么就会造成开灯时间过长，教室里的灯就会工作超时，这时蜂鸣报警电路就会发出声音，它可以及时的提醒学生休息的时间到了。这样可以有效地保护公共设施，延长灯的寿命。本系统采用超时报警的电路如图3.10所示。当我们把P3.4端口置为低电平时，也就是说基极为低电平时，三极管就会导通，此时驱动蜂鸣器就会发出声音，她就代表教室的灯工作超时。当P3.4端口被置为高电平时，三极管就会截止，此时蜂鸣

35、器就不会工作，那么教室的灯就会正常工作。此奉命报警装置可以及时的提醒管理人员，以免造成浪费。图3.10 蜂鸣报警电路3.2.8 按键控制电路按键控制电路如图3.11所示。按键控制电路采用单片机P2口的低4个口作按键的输入信号端，信号取自电阻的分压。当按键没有被按下时，P2.0P2.3端口的电压就会接近电源电压，则为高电平。当某一按键被按下时，对应端口短接到地，则为低电平。键盘的工作方式采用了中断扫描的方式，4个二极管与10K电阻组成了与门电路，不管按下任何一键，P3.2引脚的电平全部都会由高变低。 图3.11 按键控制电路电路图4 控制模块软件设计只有单片机硬件是远远不够的，为了使系统正常的运

36、行，我们还要配上相应的软件，只有这样才能够成一个完整的系统。用户软件的开发与系统硬件联系紧密。只有系统的硬件及输入输出的方法确定后，程序软件才可以完全独立的进行设计、开发。4.1系统监控主程序模块监控程序按模块分为监控主程序和命令处理子程序15。一个主程序能够调用多个子程序，对51系列单片机来说，由于系统资源有限，主程序一般是一个无限循环的过程，也就是说是一个反复调用子程序的过程。我们在设计应用软件的时候，一定要尽可能的把每个功能模块写成子程序的形式，并且要通过主程序调用。整个控制系统的核心就是监控主程序，所有外围的模块一般都需要经过监控模块来实现它们在系统中所起到的作用。我们通过键盘输入相关

37、程序，当监控主程序接受到这些命令后，经过综合分析，然后把它传输到相应的处理子程序的入口，起引导作用。监控主程序模块主要就是对系统外围器件的输入、输出参数进行初始化自检和看门狗的激活，还有就是对多任务操作模块的调用(系统中的信号采集处理、时钟管理、按键接收处理)，有时还可以进行实时中断处理等。除初始化和自检外，监控主程序一般总是把其余部分连接起来构成一个无限循环，系统所有功能都在这一循环中周而复始的有选择的执行16。4.1.1 系统自检初始化对系统进行自检初始化后，整个控制系统就能够正常的运行。当我们对系统加电复位以后，系统就可以立即进入自检初始化程序，然后就完成了系统的自检以及初始化。有时对各

38、个接口芯片进行检测主要是为了检测各个芯片的准备工作是否准备就绪，有没有硬件故障等。如果说时钟芯片处在启动的状态，那么我们就要对它进行初始化并且还要启动实时时钟。系统内部寄存器初始化主要是指在数据缓冲区内，各用户定义的数据变量的初始化赋值及部分特殊功能寄存器SFR的复位初始化。单片机复位后，程序计数器PC指向程序存储器的入口地址0000单元，程序状态字寄存器PSW清零，片内存储器选择区工作寄存器，用户标志位F0为0状态，堆栈指针SP指向07H,其它定时器、中断允许寄存器IE,累加器ACC等皆为00H。4.1.2 定时中断处理设计定时中断就是当有时用单片机内部的定时器进行定时，计数值已满而引起的中

39、断。内部定时器的计数器可以对内部时钟或从外部引线T0和T1输入的外部脉冲进行计数。计数器的溢出信号作为中断请求信号，去置位定时器溢出标志位，向单片机的CPU申请中断17。定时中断为周期性的，它每隔一定的时间就会中断一次。定时中断可以用来构造多任务操作系统，在系统响应中断后，不需要对断点实施现场保护，可以立即进行多任务时间的划分工作，使相应的操作任务进入就绪状态。该定时中断处理程序框图如图4.1所示。 开始定时中断到？Y多任务时间启动划分 N下一步图4.1 定时中断处理程序框图4.2 数据采集模块 本控制系统主要对环境光信号和人体存在信号进行采集的数据采集，在程序设计中对这两个数据的采集放置在多

40、任务模块中实施定时采集。4.2.1 人体存在传感器的优缺点人体存在传感器的优点有很多，首先它绝对不会发出任何类型的辐射，再者它的功耗很小并且价格非常低廉。然而它的缺点为抗干扰能力非常差。然而正是由于红外线穿透力特别差的原因，就会导致人体的红外辐射很轻易被一些物体所遮挡，那么它就不易被探头所接收到；易受射频辐射的干扰；另外如果环境温度达到人体的温度时，这时传感器的探测和灵敏度就会下降，严重时会造成短时失灵。当人体存在但并没有活动的情况下，人体传感器就会认为没有人体存在。为杜绝这种现象的发生，程序设计为在探测到有人体存在的状态后间隔1min或更长的时间来对人体存在参数信号进行再次的采集。4.2.2

41、 数据采集软件的实现由于本系统所控制的对象多数为大学教室，而每个教室中一般仅有一面墙受到太阳光的照射，并且教室内的不同区域距离窗户的距离也不一样，那么不同区域得到的太阳光照也就不一致。自然光极易受到天气及建筑所处位置的则影响，所以说它的变化是非线形的。所以，只有合理地布置自然光采集电路模块的位置，才能够如实的反映实际情况。在教室中，人们会经常发现即使自然光充足的情况下，教室内的照明灯任然亮着，那么这就会造成极大的浪费。所以只要室内光照足够时，无论有无人体存在都不开灯；当光照不充足时，有人体存在才开灯，无人体存在则不开灯。本系统逻辑定义为：环境光亮时为逻辑0(符合光采集电路输出信号状态)，否者为

42、1，人体存在为1，否者为0，开灯为1，否者为0。环境光和人体存在的逻辑关系如表4.1所示。表4.1 环境光与人体存在逻辑关系环境光参数人体存在参数教室灯状态000100010111表4.1数据表明可将环境光参数与人体存在参数进行与操作，又由于继电器是低电平驱动，所以要将采集处理后的信号进行非操作，才可以驱动继电器工作，即可得到教室灯的状态，其软件程序为：Function: BodySensor and light to light port356DoSensLight: Mov c,port33 ;Signal of SensorAnl c,port37Cpl c ;have person a

43、nd no lightmov port35,c ;on relay 1mov port36,c ;on relay 2Jnc SensOut ;no person to outHaveperson: Mov SensDelayBuf,#5 ;delay 5 minuteSensOut: Ret4.2.3 人体存在传感器的抗干扰措施抗干扰措施有以下几点。（1）防小动物干扰：探测器要安置我们精心选定的位置，并且要保证对探测范围内的小动物不能够产生信号。（2）抗电磁干扰：探测器一定要符合GB10408要求，只有这样手机发出的电磁波才不会干扰到它。（3）抗灯光干扰：探测器只要在正常的灵敏度范围之内，即

44、使受到3m外H4卤素灯透过玻璃照射，它也不会产生信号。4.2.4 人体存在传感器的安装要求人体存在传感器只能够安装在室内，如果安装的位置或者方式不合理，那么通常就会引起误报，所以正确的安装必须要满足下列条件： （1)人体存在传感器应离地面2.0-2.2m。(2)人体存在传感器一定要远离空调、火炉等这些空气温度变化比较一般敏感的地方。(3)人体存在传感器所能探测得到范围内不得有隔屏、大型盆景或者其它隔离物。(4)人体存在传感器不能正面直接对着窗口，不然的话，窗户外面的热气流扰动以及人员走动就会引起误报。人体存在传感器也不要安装在有强气流活动的地方。实际使用中，人体存在传感器前面必须安装菲尼尔透镜

45、，它可以配合热释电红外传感器提高接收灵敏度，这样就可以提高检测距离和范围。可增加到10M以上，甚至可达20M以上。人体存在传感器对于径向移动反应最不敏感，而对于横切方向（即与半径垂直的方向）移动却极为敏感。一定要选择合适的位置来安装，只有这样才可以避免红外探头的误报以及得到最佳检测灵敏度。4.3 时钟模块当自检初始化启动后，第一要对时钟芯片DS1302的运行状态进行判断，只有DS1302处于启动状态时才对其进行初始化，启动时钟。实时时钟芯片DS1302的初始化及其读写程序设计的关键是要遵循其时序要求。4.3.1 数据输入输出如果想要对DS1302进行操作，那么就先对其初始化，这时就要把RST端

46、设置为高电平，如果RST输入为低电平，所有数据传送就会被终止，且I/O引脚变为高阻抗状态。当数据读/写完之后，一定要及时的把RST端设置为低电平，这样就可以防止外部干扰对DS1302内部时钟所造成的影响。同时，为了不让复位输入端受到外部环境的干扰，要求上电时，在主电源引脚Vcc2的端电压大于或者等于2.5V之前，RST必须为逻辑0。无论是执行读操作或者是写操作，都要在开头的8个时钟周期内把提供地址和命令信息的8位数据输入到DS1302的移位寄存器。地址/命令字节用于指明40个寄存器中的哪个进行何种操纵数据在SCLK的上升沿串行输入，在开始的8个时钟周期把命令字装入移位寄存器之后，若是写命令字节

47、，则在下8个SCLK周期的上升沿输入数据字节，若跟随的是读命令字节，则在下8个SCLK周期的下降沿输入数据字节。程序流程如图4.2所示。启动复位端变高启动一次数据传输工作写命令字节一位SCLK脉冲N够8次吗Y写数据字节一位SCLK脉冲N够8次吗Y复位端变低结束图4.2 数据输入输出流程图4.3.2 时钟自检初始化如果像对RAM进行数据传送，那么DS1302就要先发送命令字节。如果我们要进行的是单字节传送，在8位命令字节传送结束后，下2个SCLK周期的上升沿就要输入数据字节，或者在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。DS1302第一次加电后，我们必须对其进行初始化操作。一旦它被初始化后就可以

48、按正常方法调整时间。刚买来的时钟芯片很可能处于一切未知状态，于是我们必须对DS1302进行自检初始化。DS1302的自检初始化程序设计流程图如图4.3所示。开始读取DS1302秒钟时间Y秒钟大于60HN延时1秒再次读取秒钟数据YN设置DS1302初始时间再次读取的秒钟数据是否相同返回主程序DS1302正常工作 图4.3 DS1302的自检初始化程序设计流程图DS1302的自检初始化程序如下所示:Function：Start check DS1302DSCheck: Mov R6,#DS1302Sec+1 ;Second TimeACall DSRd1ByteMov DSCheckData,aC

49、jne a,#60H,$+3DSCheckNext:Jnc DSSetTime :a=60H to Set DS1302s TimeAcall DSDelay ;DS1302 delay 1 secondMov R6, #DS1302Sec+l;a59H Read DS1302s Second againACall DSRdlByteCjne a,DSCheckData,DSOK;Two DSSec of Reading is differentAJMP DSSetTimeDSOK: Ret检查DS1302芯片是否是正常工作，本系统中通过先读取秒钟寄存器的数据，将数据存储起来，且将此数据与60

50、H相比较，若大于60H，说明时钟数据不正常，转去设置时钟时间；若小于或等于60H，延时一秒钟后，再次读取秒钟寄存器的数据，与第一次读取的数据相比较，若两次数据相同，说明时钟数据不正常，转去设置时钟时间；若正常，则退出到主程序。初始化DS1302的充电状态及其初始时间的设置。4.3.3 时钟程序设计对DS1302进行读写的程序流程图如图4.4所示：结束将读出的数据暂存数据读完了将该地址数据输出写入DS1302读地址RST一端送高电平将DS1302写保护开始变量初始化去除写保护RST一端送高电平写DS1302地址向该地址写入数据数据写完了 图4.4 DS1302进行读写的程序流程图在对DS1302

51、进行读写操作时，为了保证读出的数据和写入的数据一致为为BCD码，我们就必须在数据写入之前，读出之后进行数据之间的转换。在这个系统中，由于设定的时间参数大多为二进制或十六进制数，为了方便于同DS1302的时钟数据进行比较，所以在程序中很有必要进行二进制与BCD码之间的转换，其相互间的转换程序如下：二进制转换为BCD码Function: DisTimeBCD:DisTimeBCD: Mov A, R0Anl A, #OFHMov Rl，AInc RlMov A, R0Swap AAnl A, #0FHMov R1，AInc RlInc R0Ret4.4 系统工作总流程一般情况下，设计的这个教室灯光

52、控制的工作模式可以分两种：自动控制和强制控制。系统首先默认为自动控制模式。当系统进入初始化后，若自诊断键盘按下，那么系统就会进入强制控制模式，这时系统就会通过键盘扫描程序，确认控制灯具的亮与熄；若没有键按下，那么它就为自动控制模式，它可以利用自然光采集电路，从P3.7口的高低电平由此来判断自然光强度，如果光照强，则灯具就会被熄灭；若光照强度弱，那塔就会继续读取人体存在传感器的P3.3这个引脚，如果有人存在则亮灯。最后，如果教室内的灯还亮着时，并且系统检测到教室内已经无人，则蜂鸣报警就会响10秒后熄灭灯具。继电器驱动P3.5/P3.6口的高低电平控制着灯具的熄灭与照亮。另外，系统也会受到时间的控

53、制当晚上10点以后，如果教室内的灯光仍然亮着，那么蜂鸣报警就会提示学生系统进入手动强制模式，这时就会由学生自动控制。系统的总流程框图如图4.5所示。4.5 本章小节本章结合此次教室灯光控制系统设计的硬件部分分析研究了其软件部分，主要包括：系统监控主程序模块、数据采集模块、时钟模块。在程序设计过程中，采用合理的程序设计结构是一项关键技术。在本系统的设计过程中，总体设计采用自上而下的设计思想将主程序设计好，而在各个部分展开成从属程序或子程序时，是将各个小模块分别进行设计和编程，同时在编程的过程中又用到了结构程序设计的思想。NYYNNNY熄灯具有人吗？蜂鸣警告延时10秒亮灯有人吗？键盘扫描程序有自然

54、光吗？按键否？自诊断开始系统初始化Y延时10秒图4.5 总流程框图5 系统调试运行及问题分析5.1 单片机系统调试方法及步骤一般在完成了系统设计后，为了验证系统是否能够正常运行，检验软件和硬件的好坏，通常要对其进行调试。单片机系统的调试主要是对硬件及软件两部分进行调试，对其进行调试的目的是为了及时的发现硬件及软件中可能存在的问题，并且查看其运行结果是否达到了设计要求。系统硬件和软件的研制可以互不影响的相互独立的进行，在硬件完成之前我们就可以对软件进行调试，同样硬件也可以在没有完整应用软件的情况下进行调试，但是它们都需要借助其他的工具提供调试环境。就算对硬件和软件进行分调之后还不能算结束，接下来

55、还要对硬件和软件进行联调，在调试的过程中找出问题，推断出故障源所在，再对软硬件进行修改。当对系统进行初步调试时，要按一定顺序进行，第一应对硬件进行静态调试，与此同时还要对系统软件进行初步调试，再者对软件和硬件进行动态调试，最后系统才能进入正常化的工作.(1)静态调试：可以通过静态调试来排除硬件故障。当把将芯片、传感器等元件安装到电路板上的时侯，为了避免因电源极性接反或电压过高而对芯片或传感器造成损坏，通常一定要检查好电源极性以及电压的高低。此外你还应该注意，插入芯片的时候，必须要切断电源，芯片的方向也不要插反。(2)软件调试：软件调试这块可以在计算机上利用模拟软件来完成，它可以对单片机的硬件模

56、拟、指令模拟及运行状态进行模拟，以此来完成对应用软件开发的全过程。(3)动态调试：系统的软件和硬件是联系紧密结合在一起的，考虑到模拟开发系统对硬件的某些部分不能进行诊断，再者也不能在线仿真，因此用户程序必须要和硬件连接起来进行联调，再者还要对软件和硬件进行检查和诊断。整个单片机系统进行在线调试时，需借助仿真开发工具来对用户软件及硬件电路进行诊断、调试。一旦将系统各模块电路调试完成后，那么就可以直接将程序加载到在线仿真器上，这样目标程序就能单步或连续地被执行，并且我们还可以根据需要分段设置断点执行程序。而对于一些与硬件相关的用户程序，如接口驱动程序等，则需要配合硬件，进行在线调试，如果有逻辑错误

57、，也要及时纠正修改。程序调试完毕后，利用编程器将程序固化到单片机中，使整个系统运行起来。各模块电路调试流程图如图5.1、图5.2、图5.3、图5.4所示：通电运行，用万用表测量输出电压下载一个正确的小程序到最小系统中 NNYY供电部分是否稳定检查电路寻找原因检查电路寻找原因最小系统是否工作最小系统部分成功电源部分成功 图5.1 电源调试 图5.2 单片机最小系统调试硬件连接无误下载按键程序查看硬件和相应软件是否正确按键是否工作NY按键调试部分成功图5.3 按键电路调试 图5.4采集电路调试5.2 主要问题分析通常在系统的调试过程中会遇到一些常见的问题，那么针对这些问题的分析和解决方案如下。（1

58、）电源供电电路中集成稳压器温度过高。分析解决：造成稳压器温度过高的原因有：变压器在整流滤波后加到稳压器上的电压较高，以至于使7805上的压降过大。解决此问题可以通过选用输出电压较低的变压器，并且在集成稳压器前串入两只二极管，这样就可以起到降压作用，同时还可以通过增大散热片来解决这样的问题。（2）人体存在传感器有人存在时输出高电平的电压偏低。分析解决：我们可以在人体存在传感器的输出端添加一个100K的上拉电阻，这样就可以解决人体存在传感器输出高电平的电压偏低这个问题了，此问题有时会造成单片机产生误判或者是采集不到信号。（3）人存在的教室中，若人体超过十秒没有活动，人体传感器是不会有信号输出的，那

59、么如何判定教室此时有人的问题。分析解决 ：此问题在系统软件设计时，可将采集有人体信号存在的状态适当延长保持二至五分钟，并加以后续处理。（4）单片机控制信号输出后，继电器没按预定设计产生动作。分析解决：单片机输出控制信号，在控制继电器时，必须加三极管来驱动，否则信号电流过小将不能使继电器产生吸合动作，而且必须采用三极管的集电极来驱动继电器，最后再带动负载。为了加强对三极管的保护，我们还要与继电器线圈并联一个续流二极管，增加对驱动三极管的保护。6 结论该教室灯光系统以AT89S51单片机芯片为核心，通过对相关电路的驱动，来完成对系统设备(电灯)的控制。控制系统中的硬件电路大多采用了集成电路(DS1302，X5045等)，因为这样可以简化电路设计，并且还节省了单片机I/O口资源，这样就可以为系统进一步扩展留下足够的空间。系统的硬件和软件设计都具有很好的稳定性，这样就大大提高了电能的利用率。在保证系统能够稳定、可靠的工作下，在硬件设计上最好采用性价比高的元器件，因为这样就可以大大降低投入成本。在软件设计上，对信号的采集、处理尽量采用多任务形式，这样就能达到最终控制灯光的目的。如果教室的面积过