单片机控制的多媒体教室监控系统研究.docx
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单片机控制的多媒体教室监控系统研究
编号：
毕业设计说明书
题目：
单片机控制的多媒体教
室监控系统研究
学院：
机电工程学院
专业：
电气工程及其自动化
学生姓名：
学号：
指导教师单位：
电气自动化系
指导教师：
职称：
副教授
题目类型：
理论研究☑实验研究工程设计工程技术研究软件开发
摘要
根据多媒体教室电气设备使用方便的需求，本文设计了一个多媒体教室监控系统。
本文阐述了多媒体教室监控系统的设计原理与实现方法。
文章分别从硬件电路设计和软件实现这两个方面对系统的设计过程进行描述。
此系统采用AT89S52单片机作为主控中心。
单片机识别采集到的红外遥控信号，控制继电器的闭合与断开，从而达到控制多媒体教室内电气设备的目的。
系统硬件结构包括红外信号发送电路、红外信号接收电路、控制输出电路等。
软件部分采用C语言程序编制，分结构模块进行设计，并且通过仿真工具对系统进行仿真以及调试。
依据系统功能设计，编制程序流程图，再根据流程图思路编写各功能模块程序，从而实现红外信号的接收、解码，以及完成目标控制任务。
红外信号具有性能可靠、结构方式简单等特点，继电器可实现强弱电隔离，因此，本系统可实现随意控制多媒体教室的电气设备，并且具有极强的抗干扰能力。
本系统将给多媒体教室的应用带来更多便捷。
关键字：
多媒体系统；红外遥控；单片机；继电器
Abstract
Tomeetthedemandofbeingconvenienttouseforelectricalequipmentsinmultimediaclassroom,thispaperintroducesthedesignofamonitoringsysteminmultimediaclassroom.Thispaperdescribesthedesignprinciplesandmethodsofmonitoringsysteminmultimediaclassroom.Itdescribesthedesignprocessesofthissystemfromtwoaspectsincludingthehardwaredesignandsoftwareimplementationrespectivelyindetail.
ThissystemappliesMCUAT89S52asthecontrollingunit.MCUcollectsandrecognizesinfraredremotecontrolsignalstocontroltherelaystobeclosedordisconnected,thusachievetheobjectiveofcontrollingelectricalequipmentsinmultimediaclassroom.Thehardwareofthesystemincludestheinfraredsignaltransmissioncircuit,infraredsignalreceivingcircuit,andcontrollingoutputcircuit.
SoftwareofthissystemappliesCprogrammingandstructuralmoduledesign.Alsoitwassimulatedbysimulationtoolsforsystemsimulationandcommissioning.Theflowchartofthesoftwareisdesignedaccordingtothesystematicfunctiondesign.Afterthat,everyfunctionmoduleofthesystemisprogrammedbasedontheideasofflowchart,toimplementinfraredsignals,decodingandaccomplishingthegoalsofcontrollingobjective.
Theinfraredsignalhasaperformance-reliable,andsimplestructurefeatures.Besides,relayscanachieveelectricalisolationbetweenstrongelectricityandweakelectricity.Therefore,thissystemcancontroltheelectricalequipmentinmultimediaclassroomaswill.Also,itownsstronganti-interferenceability.Thissystemwillbringaboutmoreconvenienceinapplicationofmultimediaclassrooms.
Keywords:
Multimediasystem;Infraredremotecontrol;MCU;Electricrelay
目录
引言1
1绪论2
1.1系统背景2
1.2系统设计主要任务2
1.2.1硬件设计2
1.2.2软件实现2
1.3本章小结3
2总体设计方案4
2.1方案论证4
2.1.1系统的主控制器单片机4
2.1.2通信方式选择4
2.1.3红外信号处理电路的选择5
2.2方案的可行性论证5
2.3方案确定6
2.4本章小结7
3系统硬件电路设计8
3.1RS-232接口通信8
3.1.1串行接口8
3.1.2RS-232接口9
3.2红外发送与接收电路10
3.2.1红外遥控编码10
3.2.2红外发射电路11
3.2.3红外遥控接收12
3.3单片机系统模块14
3.3.1AT89S52介绍14
3.3.3单片机最小系统17
3.3.3电源电路18
3.3.4备用键盘控制电路19
3.4控制驱动电路20
3.4.1光耦合器20
3.4.2继电器21
3.4.3直流电机及其驱动电路22
3.5本章小结24
4软件设计25
4.1软件系统介绍25
4.2程序流程图26
4.2.1主程序流程图26
4.2.2子函数流程图26
4.3本章小结31
5调试32
5.1硬件调试32
5.1.1检测元器件是否能正常工作32
5.1.2调试中的问题及解决方法32
5.2软件调试32
6结论34
谢辞35
参考文献36
附录137
附录243
附录344
引言
现代社会中，辅助教学的电气设备条件发生了翻天覆地的变化，教与学的过程中人们对教学电气设备智能化的需求不断提高。
讲究教学品质，追求教学质量，是现代学校追求的教学目标。
科技发展的最终目的就是用科学技术来改变我们的生活，让我们的生活智能化、时尚化、品位化。
电子产品与我们的生活息息相关，已深入到我们生活的每一个空间，覆盖了每一个领域，而且很多电子产品已经成为我们日常生活的好帮手，所以今天的高科技电子产品已经不再是人们能否接受的问题，而是将以什么样的速度席卷我们的生活。
改革开放二十多年发展历程中、高科技新产品的每一轮市场风暴，我们都记忆犹新，数万元的电脑，手机已经成为历史，教室里已不再只是黑板、粉笔，然而计算机、投影仪、幕布、音响等已不再是稀有贵重设备。
多媒体教学创造了交互式的学习环境，把抽象的东西具体化，模拟现实世界的各种反应和现象，使教学更加生动形象、直观易懂，便于学生理解和掌握，提高学生的学习效率，使教学达到最佳效应。
随着科技的发展，传统的教学模式已不能够满足现代教育的要求，目前教学使用产品越来越趋向于自动化、智能化，节能化，越来越多的辅助教学设备走进课堂，面对众多的电气设备，老师们一方面要顾着上课，一方面要掌握如何使用并控制这些电气设备，使之能在课堂上发挥重要作用。
本设计是一种基于AT89S52单片机为主控系统，介绍多媒体教室监控系统的总体设计、各组成部分和系统软件设计。
该系统包括红外遥控模块、主控制模块、通信模块几个子系统。
本设计的特点是“智能便捷服务”。
此系统实现了一对多、多对一，随心所欲地控制设备的开关，能给课堂上带来更多便捷服务。
1绪论
1.1系统背景
随着科技的不断发展，通信技术、电子技术、计算机技术、信息处理技术及多媒体技术发展迅猛，现代化技术渐渐应用于教学，越来越多的电气教学设备走进教室，大量的电子媒体如幻灯、投影、电影、录音、录像等，渐渐取代传统教学的教科书、黑板、粉笔。
多媒体计算机校园网络系统，作为现代教育技术环境建设的一个重要组成部分，对学校的日常教学、素质教育、扩展学生知识面均有较大作用，现今全国许多大、中、小学已经普遍使用。
合理选择和运用现代教学媒体，营造良好的学习环境，有利于教学的进行。
对多媒体控制系统的设计研究越来越受到关注，如何配置一套性能稳定、质优价廉、使用方便的系统以满足现代教育发展的需求，已经成为许多学校亟待解决的问题。
1.2系统设计主要任务
本文利用单片机电路制作多媒体教室监控系统的控制器。
利用红外遥控信号完成对多媒体教室内电气设备的控制。
设计过程中最关键的两个部分：
系统硬件的设计和软件实现。
1.2.1硬件设计
硬件设计是通过对系统设计要求的分析，了解系统控制的要求，针对信息采集量和系统控制对象选择适当的电气设计，对各种元器件的了解，从而得出分立元件与集成块的某些电气连接方法，从而达到设计的功能要求。
通过画图软件进行图纸绘制，然后把所要的器件按电气设计焊接到一块电路板子上。
它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。
系统硬件设计包括：
红外发送及接受模块、系统主控制模块、串口通信模块、开关量设备控制模块、模拟量控制模块，系统电源设计模块。
主控模块由单片机与其相关的软件组成，编写程序对单片机的工作状态进行控制。
系统硬件的设计需要用到单片机、模电、数电、电器控制及红外信号处理等相关知识。
在解决这一个问题的过程中，需要查阅大量资料。
1.2.2软件实现
系统软件设计是分析设计的硬件，用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。
系统硬件的确定，系统软件功能也确定。
深刻理解硬件特性，工作原理和工作过程，确定合理的方案，然后采用C语言编写红外信号接收处理软件、控制被控对象软件，并且调试、优化产品功能。
本系统软件部分设计包括：
红外信号接收处理部分、系统信息整合部分、控制动作执行部分。
系统总体设计思路框图如图1-1所示：
1.3本章小结
我国多媒体教室的使用正处于“奔小康”的阶段，普及率也将会进一步提高，多媒体教室使用率也将进一步提高。
目前全国各大、中、小学在教学中使用多媒体教室越来越频繁。
随着科技的不断发展，教室的设备控制将是一个越来越受到重视的问题。
研究设计经济、便捷的多媒体监控系统将备受关注。
设计一个简易而可靠的多媒体控制系统，以便适合大众使用，可以增大推广面，使更多的用户感受到多媒体教室的便利。
2总体设计方案
系统包括了这几个部分：
下位机与上位机的通信；主控制器部分；红外信号的发送与接收；开关量设备的电源控制；模拟量设备的控制；备用手动键盘。
2.1方案论证
2.1.1系统的主控制器单片机
方案一：
选用目前较为通用的51系列单片机作为主控制器。
通用的51系列单片机的运算能力较强，软件编程较灵活，自由度大，此类CPU在市场上比较常见、价格便宜而且技术比较成熟容易实现。
方案二：
采用凌阳的16位单片机SPCE061A作为控制核心。
与51系列单片机相比，SPCE061A具有更加丰厚的资源，内部具有32个可编程的I/O端口，且有14个中断源。
但此类单片机市场上比较少见，价格比较昂贵，技术还不够成熟，具有不稳定因数存在的可能。
考虑到在本设计没有用到太多的资源，51系列单片机已经能够满足系统需求，综合分析考虑，选择方案一，即选择物美价廉的51系列单片机作为系统的主控制器。
本设计中采用型号为AT89S52的单片机作为控制核心。
2.1.2通信方式选择
方案一：
选择并行通信方式。
并行通信的特点是数据的每一位被同时传输出去或同时接收进来，传输速度比较快、效率较高，数据处理比较简单，多用在实时、快速的场合。
并行接口的数据传输速率比串口快8倍，标准的并口的数据传输速率理论值为1Mbps（兆比特/秒）。
并行传输数据宽度可达1~128位，甚至更宽，但有多少数据位就需要连接多少根数据线，所以传输的成本比较高。
以计算机的字长来说，通常是8位、16位或32位作为传输单位，一次传送一个字长的数据。
这种方式成本比较高，适合于外部设备与微机之间进行较近距离、较大量和快速的信息交换。
方案二：
选择串行通信方式。
串行通信的特点是使用一根数据线，将数据一位一位地一次传输，每一位数据占用一个固定的时间长度，其在系统间交换信息时只要少数的连接线，特别使用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信，大量降低成本，但传输速率较低。
虽然串行通信速度比并行通信慢，但采用串行通信，不管发送或者接收的数据为多少，最多只用到两根线，一根用于数据发送，一根用于数据接收。
实际应用中可能还需要加一些信号线，但在多字节数据的通信中，串口通信与并行通信相比，工程造价要低得多。
因此，串行通信在实际应用较为广泛。
串行通信接口中，RS-232是主流之一。
RS-232接口是1970年美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统和调制解调器厂家以及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通信的标准。
随着设备的不断改进，RS-232接口中出现了代替DB25的DB9接口。
本系统中采用的51系列单片内部集成了供数据串行通信的的串行接口电路，SBUF为单片机的串行口收发缓冲器，是一个可寻址的包含接收器和发送器的专用寄存器，可以实现全双工通信。
单片机通过引脚RXD（串行数据接收端P3.0）和TXD（串行数据发送端P3.1）与外界通信。
若在串行口的输入/输出引脚加上电平转换器，就可以方便地构成标准的RS-232接口。
因此本系统设计中选择方案二，使用标准的RS-232接口的串口通信。
2.1.3红外信号处理电路的选择
方案一：
采用单片机加专用解码芯片
此方案中，采用专用的编码芯片编码，并采用与之相对应的专用解码芯片进行解码，比如配套的编码/解码芯片：
MC145026/MC145027，然后将数据并行送给单片机译码。
此方案的优点是软件设计简单，占用较少的CPU内存，但增加了大量外围电路的设计，并且占用单片机较多的I/O端口，使得单片机的I/O端口减少，不利于多路开关电路的扩展。
方案二：
采用单片机软件解码
此方案中，采用通用的编码芯片进行编码，由接收头接收信号后采用单片机进行解码及译码。
这方案的优点是外围电路设计较简单，只需与少量的单片机I/O端口连接，有利于单片机扩展多路开关电路的设计，然而软件设计相对较复杂，占用系统CPU比较多。
考虑到本设计需要控制多媒体教室内众多的设备，需要单片机较多的I/O端口，而且AT89S52的内存也足够大，可以满足本设计的要求，所以采用方案二，利用单片机软件进行解码。
2.2方案的可行性论证
实用性：
本系统具有灵活性、实时性、稳定性以及多功能同时控制等特点，方便用户对多个设备进行控制。
经济可行性：
系统所用到的都是市场上物美价廉的器件，花费不大，适合大众需求。
技术可行性：
单片机对数据进行处理，硬件相对简单，较容易实现，软件相对复杂，需要精心设计。
虽然软件有些难度，但整体技术可行，理论上完全可以实现。
整个系统的设计抗干扰能力较强，需要强弱电隔离；操作简单，维护较方便，总体造价低。
2.3方案确定
经过上述方案的综合分析，总体设计采取最优方案，可得出系统硬件由以下几部分组成：
RS-232接口通信接口，电视红外遥控器，51单片机最小系统，红外信号接收与放大于一体的集成红外接收头，H桥驱动直流电机，LED灯模拟继电器控制220V设备电源的开与关。
整体设计思路为：
根据多媒体教室中老师或者其他人的请求，按下红外遥控器按键，发送红外控制信号。
由一体化红外接收头接收红外信号并且进行放大处理，然后送到主控制器AT89S52。
主控制器AT89S52内部不停地扫描检测红外信号，当检测到有红外控制请求信号时，对信号进行译码，并判断按键值。
由主控器发出AT89S52控制执行指令，执行相对应的控制操作，驱动继电器闭合或者断开，从而接通或关断某设备的电源，转动云台调整投影仪方向等。
由于红外遥控器是使用蓄电池供电，会有没电的时候，教室内上课期间遥控器没电的话，会影响到课堂，于是本设计多加了一个矩阵键盘，其功能与红外遥控器一致，作设备控制的备用控制输入。
系统框图如图2-1所示：
2.4本章小结
通过上述的分析，我大致对本课题有了一个全面的了解，同时也完成了一个基本的构思，为本课题的后续设计工作提供了依据和指导，为硬件部分的具体工作做出了方向性的确定，也为下一步工作打下基础。
通过此次方案的确立，我深入了解了单片机AT89S52、红外技术、电器控制及与本课题相关知识。
了解了这些知识在多媒体系统设计中的具体应用，并掌握了如何确立具体方案的方法。
此次方案的确定可以实现整个系统的设计抗干扰能力较强，操作简单，维护较方便，总体造价低。
3系统硬件电路设计
根据系统设计思路及系统框图，对系统硬件进行分模块设计，包括：
RS-232接口外围电路，主控制器单片机系统，红外发送与接收部分，控制及驱动模块等。
3.1RS-232接口通信
3.1.1串行接口
AT89S52本身提供了简单的串行接口，通过引脚RXD（P3.0）和TXD（P3.1）与外界进行通讯。
其内部结构图如图3-1所示：
由图3-1可见，51单片机内部有一个全双工的串行通信接口，即串行接收和发送缓冲器（SBUF），这两个在物理上相互独立的接收发送器，既可以接收数据也可以发送数据。
但接收缓冲器只可以读出不可以写入，而发送缓冲器则只可以写入不可以读出，它们的地址为99H。
这个通信口可以实现串行异步通信。
除此以外，从图中可看出，接收缓冲器前还加上一个输入移位寄存器，MCS-51这种结构目的在于接收数据时避免发生数据帧重叠现象，以免出错，部分文献称这种结构为双缓冲器结构。
而发送数据时就不需要这样设置，因为发送时，CPU是主动的，不可能出现这个现象。
3.1.2RS-232接口
本系统中，单片机与外部通信采用标准的RS-232接口的串口通信。
单片机与上位机PC机进行通信时，两者的电平不同，不能直接进行通信，因此采用MAX232进行电平的转换。
MAX232芯片是美信公司专门为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电，芯片功耗低，典型的供电电流为5mA，内部集成2个RS-232C驱动器与2个RS-232C接收器。
其管脚图如图3-2所示：
其管脚介绍如下：
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4个10000PF电容构成。
功能是产生+12v与-12v两个电源，供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）是第一数据通道；8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）是第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入并转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入并转换成TTL/CMOS数据之后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电。
15脚GND、16脚VCC（+5v）。
本系统中RS-232接口外部电路设计如图3-3所示：
3.2红外发送与接收电路
红外遥控本质上是用红外来传递数字编码信号。
一般的红外遥控系统有红外遥控信号发射器、接收器和微控制器及其他外围电路等三部分组成，如图3-4所示。
遥控信号发射器是用来产生遥控编码脉冲，然后驱动红外发射管输出红外遥控信号，遥控接收头完成对遥控信号的放大、检波、整形，从而解调出遥控编码脉冲。
遥控编码脉冲是一组组串行二进制码，对一般的红外遥控系统，此串行码输入到微控制器中，由其内部CPU完成对遥控信号指令的解码，并且执行相应的遥控功能。
在红外遥控系统中，解码核心是CPU。
CPU接收解调出的串行二进制码，在内部根据本系统的遥控信号编码格式将串行码对应于遥控器上的按键。
本设计中以单片机作为红外遥控系统的CPU，直接对遥控接收头解调出的遥控信号编码脉冲进行解码，获取原始的按键信息。
3.2.1红外遥控编码
本系统采用TC9012芯片编码的遥控器。
TC9012芯片是用于东芝系列红外遥控系统中的专用发射集成电路。
它采用CMOS工艺制造，可以外接32个按键，能提供8种用户编码，此外，还具有3种双重按键功能。
TC9012的管脚设置和外围应用电路都进行了高度的优化，以配合电路图绘制中PCB的布图和低成本的要求。
红外遥控发射器以TC9012作为核心组成按键扫描、编码、发射电路。
TC9012的管脚图如图3-5所示
TC9012芯片低压CMOS工艺制造，低功耗超小静态电流，低工作电压，精简指令码，还具有8种用户编码可选择，适合本系统的控制需求。
3.2.2红外发射电路
将脉冲编码信号调制在载波振荡器产生的载波上，也称脉码调制，然后将这脉冲编码调制信号送去驱动红外发射二极管，用来发出经过调制的红外光波。
红外遥控系统框图如图3-6所示：
通常，红外遥控器将遥控信号，即二进制脉冲码，调制在38KHz的载波上，经过缓冲放大后送到红外发射二极管，转化成为红外信号发射出去。
二进制脉冲码的形式有多种，其中较为常用的是脉冲宽度调制PWM码和脉冲位置调制PPW码。
本设计采用PPM码对红外数据进行发送。
遥控编码脉冲信号由引导码、系统码、系统反码、功能码、功能反码等信号码组成。
引导码也称为系统起始码，由宽度为4.5ms的高电平以及宽度为4.5ms的低电平构成，用来标志遥控编码脉冲信号的起始。
如图3-7所示。
系统码也称为识别码，用来区分遥控系统的种类，以便与其他遥控系统分别开来，防止各遥控系统的误动作。
功能码也称为指令码，代表相应的控制功能，接收机可以根据功能码的数据完成各种功能的操作。
系统反码与功能反码分别为系统码和功能码的反码，加入反码是为了可以在接收端校对传输过程中的数据，防止产生差错。
TC9012作为红外遥控器的控制核心，以脉冲位置调制PPM码把红外数据调制到38KHz的载波上，然后对外发送信号。
3.2.3红外遥控接收
红外遥控器发射调制的红外信号后，接下来就要进行接收的任务了。
接收到的串行红外信号要经过解调和放大后才可送到单片机译码。
系统的红外接收电路设计中采用一体化集成红外接收头TL1838进行
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