国内教室用电研究Word下载.docx
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系统简介
本课题设计的系统可有效的实现教室灯光的智能操纵与安防作用。
其输入参数主若是人体存在信号和环境光强度信号。
环境光的强度达到必然值时不开灯，环境光强度在必然设置值以下且有人存在时开灯，另外，在夜深时可通过切换开关心换到安防功能，检测到有人时实现灯亮或声音报警。
该系统一样安装在教室内无电灯直射的位置，且人体传感器安置时应令人体活动方向垂直，如此可令人体存在信号搜集加倍灵敏、靠得住，与此同时为了提高该传感器的灵敏性，其安装时尽可能幸免安装在有风或风大的地址。
系统操纵方式的研究
该操纵器有两个要紧的输入信号：
自然光强度信号与人体存在信号。
在环境光线足够时，不管是不是有人的存在，灯灭；
在环境光较弱时，有人存在时灯亮，操纵器自动打开电灯，当人离开后再延时一按时刻后关灯。
为解决在特殊情形的下，该操纵器的不人性化运行，该操纵器配备了自动与手动操纵相兼容的操纵方式，因此能够手动来操纵灯亮灯灭。
该操纵器主若是由硬件和软件两大部份组成。
硬件部份是前提，是整个系统执行的基础，它要紧为软件程序提供运行的平台。
而软件部份，是对硬件端口所表现的信号，加以搜集、分析、处置，最终实现操纵器所要实现的各项功能，达到设计目的。
系统硬件组成及简介
系统操纵单元是以AT89C51单片机为核心，其它外围电路要紧包括：
环境光搜集模块、人体信号搜集模块、看门狗模块与存储模块、驱动灯管模块、声音报警模块等，其结构框图如图2-1所示。
驱动灯管模块
看门狗与存储模块
AT89C51
声音报警模块
切换开关
环境光采集模块
人体信号采集模块
切换开关
AT89S51
图2-1系统操纵结构框图
光检测模块采纳硅光电池的光电检测模块搜集教室的光强度。
利用光电池短路电流在较大范围内与光强度成线性关联的特点，从而将光能转化为电能，同时，光电池比光敏二极管、三极管能产生更大的电流。
人体存在传感器模块采纳HP-208，它是基于红外线技术的智能产品，实现对人体存在的检测。
系统数据存储及故障爱惜部份由X5045组成，X5045是一种串行通信的512字节EEPROM，同时兼有看门狗和电源监控功能。
系统操纵的要紧硬件电路
本系统要紧搜集外界信息因此其受外界因素阻碍比较多，因此在电路的绘制与设计进程中，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，专门是热释电红别传感器的安放。
系统主控电路
本系统的操纵芯片采纳AT89C51单片机，它是低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采纳ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，因此利用起来超级方便。
其引脚利用见2-1表:
表2-1单片机引脚利用表
单片机引脚
外围器件引脚
说明
X5045引脚SO
X5045串行输出端
X5045引脚CS（低电平）
X5045片选端
X5045引脚SI
X5045串行输入端
X5045引脚SCK
X5045串行时钟端
~
RST
X5045引脚RST
看门狗模块
工作状态指示灯
OP07引脚6
环境光检测模块
HP208引脚2
人体检测模块
单片机最小系统如图2-2所示：
图2-2单片机最小系统[3]
（1）40脚（Vcc）接+5V，20脚（GND）电压接0V。
（图中未显示）。
（2）1八、19脚之间接一12MHz的晶振，以后别离接一个30uf的电容，然后相连一起接地。
（3）9（RST）脚为复位键，电阻R7选10K电阻，电容选10uf。
连接电路如上图。
系统供电电路
图2-3所示为系统供电电路图，最后输出+5V直流电压，用于给该系统中的单片机和继电器提供工作电压。
本设计采纳输出电压为9V的变压器，即其接通市电以后能够取得9V的直流电压。
该供电电路的工作进程可能是：
当系统接通的220V交流电后，将220V交流电变压到9V，再通过二极管全波整流、通过滤波电容C1，C2，再通过输出稳压器LM7805，最后取得+5V的直流电压。
在这进程中，为了缓冲负载脉冲，改善瞬态响应，输出端还采纳了电容C3，C4。
图2-3系统供电电路
数据搜集电路
系统要紧的输入信号是教室的环境光强度和人体存在信号，因此教室中的环境光照强度和人体存在成为系统数据搜集的要紧对象。
常见的环境光强度搜集器件要紧有光敏二极管和光敏三极管，为取得更大的电流，本设计采纳硅光电池。
一、环境光强度搜集电路[4]
光电传感器是一种能够将光能转化为电能的传感器，而硅光电池是一种能够直接把光能转换成电能的半导体器件。
它的结构简单，核心部份是一个大面积的PN结。
它的光电流的大小与光照强度成正比，因此咱们能够在负载电阻上取得随光照强度转变而转变的电信号。
另外，硅光电池还具有无污染，寿命长等优势。
光电传感器模块如图2-4所示（proteus软件中找不到硅光电池，本图用电源代表硅光电池的电流特性），要紧有硅光电池（BAT1）和运放OP07CP组成，硅光电池接在运放的两头且同极性相连，其中OP07CP是高性能集成运放，它具有低失调、高开环增益的特点，普遍应用于高增益的测量设备与传感器的微弱信号等方面。
运放作为光电池的负载。
图中的电位器RV1用于输出调零，电位器RV2用于调剂放大倍数，为提高抗干扰能力，电容C5与C6起耦合去除干扰的作用。
图2-4环境光电路
二、人体存在信号搜集电路
人体存在传感器[5]采纳HP-208-N-H人体感应模块（低电平输出），其普遍应用于各类自动感应电器中，具有灵敏度高、靠得住性强的特点。
其1引脚为电源信号端VCC，2号引脚为搜集信号输出端OUT，3号引脚为地信号端GND，2号引脚与单片机引脚相连，为增强人其靠得住性，引脚再接一个10K的上拉电阻。
其硬件连接如图2-5。
图2-5人体存在信号搜集电路
HP-208的功能参数：
自动感应：
人进入其感应范围那么输出低电平，反之那么延时输出高电平。
两种触发方式：
H：
可重复触发方式，即感应输出低电平后，在延不时刻内，若是有人在其感应范围内活动，其输出将一直维持低电平，直到人离开后至延时终止，低电平跳变成高电平。
L：
不可重复触发方式，即感应输出低电平后，延不时刻段一终止，输出将自动从低电平变成高电平。
本设计毫无疑问采纳H：
可重复触发方式。
具有感应封锁时刻：
感应模块在每一次感应输出后，待延不时刻一终止，能够紧随着设置一个封锁时刻段，在现在刻段内感应器不同意任何感应信号。
该功能可有效抑制负载切换进程中产生的各类干扰。
微功耗：
静态电流<
50微安，专门适合干电池供电的电器产品；
工作电压范围：
DC5V-24V都可；
输出低电平：
0V，待机时的高电平为；
延不时刻：
可制作范围零点几秒—十几分钟；
封锁时刻：
可制作范围零点几秒—几十秒；
触发方式：
L不可重复；
H可重复；
感应范围：
<
140度锥角，7米之内；
工作温度：
-20—+70度[6]。
以上是该模块的一些参数，从其输出电压来讲，就51单片机而言其输出的电压偏低，因此有人存在时，人体存在传感器输出高电平的电压偏低，如此可能致使单片机误判。
为了解决此问题，最好在人体存在传感器的输出端加一个100KΩ的上拉电阻，如此可提高输入单片机的电压。
继电器驱动电路
继电器驱动接口电路如图2-6所示，灯管驱动电路主若是通过单片机的输出操纵信号进行放大来驱动继电器，再有继电器动作，操纵照明的开关。
另外，为便于外部手动操纵，增加了手动操纵开关。
其中，续流二极管D2并联在线两头，其作用为爱惜电路中的其它原件的平安，因为当线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈组成的回路做功而消耗掉。
继电器利用的是固态继电器G5S-1A-DC5，是一款直流操纵交流的低能耗电压继电器。
继电器的利用，使得驱动电路更为简单有效[7]。
继电器的驱动电路与单片机的P1口相连接，从单片机取得操纵信号，相应的输出端口输出高电平，驱动对应的三极管导通，继电器线圈得电，对应灯亮；
反之，相应的输出端口输出低电平，对应的三极管截止，灯不亮。
图2-6继电器驱动电路
声音报警电路
本系统采纳的报警电路如图2-7所示。
高音报警电路选用9V（从变压器的二次侧取得9V直流电压）的喇叭作为报警装置，利用SS8050大功率三极管做驱动电路，当J7端为高电平常，三极管导通，产生报警信号。
反之那么截至，不产生报警信号。
图2-7声音报警电路
系统看门狗电路
在单片机工作进程中，不可幸免的会由于外界因素的干扰而使得单片机不能正常工作，为了能够及时保证单片性能正常工作，必需在硬件设计中利用看门狗电路，如此在单片机发生上述情形下，看门狗将产生一个复位信号给单片机，使单片机复位，从头执行程序。
本系统中采纳芯片X5045，X5045具有三种经常使用的功能：
看门狗按时器、复位操纵和EEPROM[8]。
这三种功能是集成在单个8引脚封装的CMOS器件内，将电源监控和看门狗功能组合在一路，如此在降低本钱的同时也缩小了装置的体积，X5045的引脚图如图2-8。
图2-8X5045的引脚图
看门狗按时器的预置时刻是通过X5045的状态寄放器的相应位来设定的。
如表2-2状态寄放器所示,X5045状态寄放器共有6位。
其中WD1，WD0和看门狗电路有关，其余位和EEPROM的工作设置有关。
表2-2状态寄放器
7
6
5
4
3
2
1
WD1
WD0
BL1
BL0
WEL
WIP
WD1，WD0的值与看门狗的预设时刻的关系如下表2-3所示：
表2-3看门狗预设时刻
看门狗预设时间
禁止看门狗工作
具体应用程序的循环周期决定看门狗电路的定不时刻长短，其通常比系统正常工作时最大循环周期的时刻略长，本系统采纳WD1=0，WD0=0的预设时刻，即采纳。
X5045硬件部份[9]连接如图2-9。
图2-9系统看门狗电路
系统看门狗电路主若是由芯片X5045来完成的，X5045同时兼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低于检测门限值时，输出复位信号，X5045输出复位高电平有效，其复位输出端外接一个10K的上拉电阻，是为了使复位加倍靠得住，其RST引脚与单片机的复位端相连。
看门狗能在电源上电、掉电期间产生一个复位信号。
同时还利用该芯片秒的看门狗周期按时器来监控单片机的工作。
若是在秒内未检测到其工作，说明单片机显现故障，这时其复位引脚将产生一个高电平复位信号，使单片机复位，进入正常工作状态。
第三章操纵模块程序设计
开发环境
集成开发环境KEIL要紧有菜单栏、工具栏、源文件编译窗口、工程窗口与输出窗口组成。
工具栏是一组快捷工具图标，方便利用，其要紧包括文件工具栏、建造工具栏、调试工具栏。
大体工具栏包括新建、保留等；
建造工具栏包括文件编辑、目标文件编译连接等；
调试工具栏顾名思义是用来调试的，其要紧包括仿真调试程序的一些操作，例如，单步、复位、全速运行等。
工具栏的下方，一样有三个窗口。
左侧的是成立的工程文件；
右边的是文件编译的，可用于写或复制程序；
下方为编译输出的窗口，用于显示程序的错误与警告。
最终，可生成HEX文件，烧录到单片机中进行实验。
利用KEIL开发和调试系统程序的可能流程如下：
（1）启动uVision2，进入KEIL软件的集成开发环境。
（2）成立工程，然后选择相关的单片机，那个地址选择Atmel菜单下的AT89C51，然后确信。
（3）点击File，新建一个文件，然后保留，其文件名必需类似**.c（程序用的是C语言）
（4）利用KEIL的编辑器进行程序源文件的编辑。
（5）设置好工程后即可进行编译、链接。
然后将生成的HEX文件下载到单片机中进行实验。
系统主程序模块
系统主程序设计
该系统要紧程序程序按模块分为主程序和功能处置子程序。
主程序有系统外围器件输入、输出参数的初始化自检，看门狗的激活、信号搜集处置、实时中断处置等。
子程序有环境光检测电路程序、人体检测模块程序、声音报警模块程序、看门狗模块程序等。
主程序的大体任务是挪用子程序，一个主程序能够挪用多个子程序，关于51系列单片机，系统资源有限，主程序一般是一个无穷循环的进程，即是一个反复挪用子程序的进程。
系统所有功能都在这一循环中周而复始的有选择的执行。
其通常的软件结构如下：
While
（1）{
If（condition_1）
Action_1（）;
If（condition_2）
Action_2（）;
............
If（condition_3）
Action_3（）;
}
主程序是整个操纵系统的核心部份，其它外围模块一样都需通过主控模块实现其在操纵系统中的作用。
主程序同意和分析来自外部芯片的的检测信息，进而把操纵转到相应的处置子程序的入口，起引导作用。
子程序要紧分为中断子程序和功能子程序，它们之间能够相互嵌套和挪用，即中断子程序能够挪用功能子程序。
在应用软件的设计中，尽可能各个功能模块写成子程序的形式，并通过主程序挪用。
而命令处置子程序完成各类命令所规定的具体操作，它按各类命令再分为不同的子程序模块，它的编程方式与功能要求及系统应用紧密相关。
系统自检初始化
系统自检初始化是保证整个操纵系统能够正常运行的重要条件，系统加电复位后，直接进入自检初始化程序，完成系统的自检及初始化。
初始化进程主若是对一些操纵寄放器（如中断操纵）、数据区进行初始参数设置和概念。
本系统中的自检初始化要紧指各接口芯片的检测、芯片内部设定参数的初始化及系统内部寄放器的初始化。
各接口芯片的检测要紧检测各芯片是不是已处于预备工作的就绪状态，有无硬件故障，检测热释红别传感器输出信号是不是正常表现人体存在的信息，检测光搜集电路输出的信号等。
系统内部寄放器初始化主若是指在数据缓冲区内，各用户概念的数据变量的初始化赋值及部份特殊功能寄放器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，程序状态字寄放器PSW清零，片内存储器选择工作寄放器，用户标志位F0为0状态，堆栈指针SP指向07H,其它按时器、中断许诺寄放器IE,累加器ACC等皆为00H.。
按时中断处置设计
按时中断是利用单片机内部的按时器按时，时刻到或计数值已满引发的中断，内部按时器的计数器能够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，去置位按时器溢出标志位，向单片机的CPU申请中断。
本系统采纳了外部中断，另外部中断要紧用来判定是不是有外来信号输入，假设有，就搜集下来并加以处置；
假设无，那么返回到主循环。
按时中断为周期性中断，每隔必然的时刻会中断一次。
本系统中设定的按时中断要紧用来构造多任务操作系统，在系统响应中断后，无需对断点实施现场爱惜，可直接使操作任务进入就绪状态，即该中断能够启动有关的任务操作。
该按时中断处置程序框图如图3-1所示：
开始
Y
按时中断响应中断
N
下一步
图3-1中断程序框图
数据搜集模块
本操纵系统中的数据搜集对象为环境光与人体存在信号，在程序设计中对这两个数据的搜集实施按时搜集。
数据搜集程序的实现
本系统考虑到环境光足够亮时，不管是不是有人体存在都不开灯；
而环境光不够亮时，有人体存在才开灯，反之不开灯。
本系统逻辑概念为：
环境光亮时为逻辑“0”（符合光搜集电路输出信号状态），暗时为“1”，人体存在为“1”，人体不存在为“0”，开灯为“1”，关灯为“0”，那么环境光与人体存在能够用以下的逻辑关系表来表示，如表所示：
表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
上图数听说明可将环境光参数与人体存在参数进行与操作，就能够够驱动继电器工作，即可取得教室灯的状态。
人体存在传感器的优缺点
人体存在传感器具有无辐射、器件功耗小、价钱低廉、隐蔽性好的优势。
而缺点是易受热光源干扰、易被遮挡。
同时，当环境温度和人体温度接近时，其灵敏度就会明显下降，乃至造成短时失灵。
第四章系统调试运行及问题分析
单片机系统调试方式及步骤
单片机系统的调试[10]应包括硬件及程序两部份，主若是通过调试发觉硬件及程序中存在的问题，查看其运行结果是不是符合设计要求。
在对系统进行实际调试时，第一应付硬件进行静态调试，同时对程序进行初步伐试，尔后再对程序和硬件进行动态调试，最后才能使系统进入正常工作.
（1）静态调试：
静态调试主若是排除明显的硬件故障。
在将芯片、传感器等元件连接到电路板上时，要保证遍地电源极性、电压正确，以避免因电源极性接反或电压太高损坏电子元件。
另外，芯片的方向不要插反等等。
（2）程序调试：
利用KEIL开发环境调试程序，并在仿真软件上仿真，以确信程序运行无错误。
（3）动态调试：
操纵系统的程序和硬件是紧密相关的，由于仿真不能对硬件部份进行诊断，同时也不能实时在线仿真，因此用户程序还需跟硬件连接起来进行联调，同时对程序和硬件进行检查和诊断。
在应用系统各模块电路调试成功后，将程序加载到在线仿真器上，这时就能够单步或持续地执行目标程序，同时也能够依照需要分段设置断点执行程序。
而关于一些与硬件相关的用户程序，如接口驱动程序等，那么需要配合硬件，进行在线调试，若是有逻辑错误，也要及时纠正修改。
程序调试完毕后，利用编程器将程序烧录单片机中，使整个系统运行起来。
各模块电路调试步骤如下：
1.电源模块
检测步骤：
通电运行后用全能表测量输出电压；
供电部份是不是达到要求；
假设不正常继续检测；
电源部份正常。
写一个二极管程序，烧录到单片机中；
查看二极管是不是安要求发光；
假设不，查看硬件电路；
直到正常工作。
给该模块需要的信号；
查看其是不是正常发声；
通过实际检测；
查看其是不是输出正常电平；
给该模块需要的光照；
要紧问题分析
在本系统的调试进程中碰到的要紧问题的分析与解决方案。
1．人体存在传感器无人存在时产生错误信号。
分析解决：
人体传感器的安装注意远离热源、幸免其前方有障碍物物、幸免安装在常常有风吹的地址。
2．人存在时，假设人超过一段时刻没有活动，人体传感器是可不能有信号输出的，如何解决这一问题。
由于教室人员一样较多，这种情形一样显现这种情形的可能性较小，没有想出较好的解决方法。
3．单片机操纵信号输出后，继电器没按预定设计产生动作。
单片机在操纵继电器时，必需加三极管来驱动，不然信号电流过小将不能使继电器产生吸合动作，而且必需采纳三极管的集电极来驱动继电器，最后再带动负载。
4．OP07CP的输出电压有时偏低。
由于其用单+5V电源供电，其输出线性区域较小，放大倍数无法做大。
这时可选择双电源供电，即+5V、-5V电源供电。
第五章总结与展望
总结
该系统的操纵是以AT89C51单片机为核心，通过相关电路的驱动，完成对系统设备（电灯、喇叭）的操纵，采纳一个绿色二极管点亮显示整个系统的工作状态，实现了对教室灯光的自动开灯、关灯操纵、安防功能。
系统操纵单元的硬件电路中多采纳集成电路，简化了电路设计，同时节省了单片机I/O口资源，为系统进一步扩展留下了空间。
系统的硬件及程序设计，经实验初步证明了系统具有专门好的稳固性。
在保证稳固、靠得住工作的前提下，为降低本钱，硬件上尽可能采纳性价比高的元器件。
软件上采纳模块化设计，实现对多种信号的搜集、处置，达到操纵灯光与安防的目的。
在整个课程设计进程，把握了设计各类硬件电路的方式；
明白得了单片机的各部份组成及特性；
对相关软件（Keil，Proteus）的学习。
展望
升级会员 