教室燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、教室燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 針對(duì)學(xué)校教室用電浪費(fèi)現(xiàn)象，本研究教室燈光的智能控制，分析了發(fā)展現(xiàn) 狀教室燈光智能控制的原理和方法，提出了基于單片機(jī)的教室燈光智能控制的 設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以 AT89S52 單片機(jī)為控制裝置的智能部件，采用熱釋電紅外傳感 器檢測(cè)到人類存在和采用光敏電阻構(gòu)成的電路檢測(cè)環(huán)境光強(qiáng)度。根據(jù)教室光線 條件和人體的測(cè)量信號(hào)系統(tǒng)和環(huán)境光，系統(tǒng)可以做出合理、智能判斷，然后控 制教室照明電路的工作。首先通過傳感器檢測(cè)教室門口是否有人活動(dòng)，若有人 則開啟教室門口的燈，然后通過光照強(qiáng)度檢測(cè)電路檢測(cè)光照強(qiáng)度，其檢測(cè)信號(hào) 經(jīng)過 ADC0804 轉(zhuǎn)換為可提供單片機(jī)直接處理的數(shù)字信號(hào)，每個(gè)座位上

2、安置機(jī)械 壓力開關(guān)，根據(jù)數(shù)字信號(hào)及壓力開關(guān)的變化自動(dòng)執(zhí)行對(duì) LED 的恒光控制，以實(shí) 現(xiàn)照明的節(jié)能控制。教室門口安裝內(nèi)外兩個(gè)光藕，用于檢測(cè)人員進(jìn)入情況，統(tǒng) 計(jì)教室人數(shù)。 這是一個(gè)有效的方法來避免浪費(fèi)電的教室。體積小，控制方便，可靠性高， 特異性高、價(jià)格合理的優(yōu)勢(shì)使該系統(tǒng)滿足大，中等技術(shù)學(xué)校教室燈光控制的要 求，極大地達(dá)到節(jié)能的目的。 關(guān)鍵詞 教室燈光控制；熱釋紅外傳感器；光敏電阻；AT89S52 Abstract This study of intelligent control classroom lamplight, analyzes the current situation of th

3、e development of the classroom light of intelligent control principle and method, is proposed based on single-chip microcomputer intelligent control of the classroom lamplight design. This system to AT89S52 single chip computer as control device of intelligent parts, adopts heat release infrared sen

4、sor detects the release of human existence and adopts photoconductive resistance constitutes circuit testing environment light intensity. According to the classroom light conditions and the measured the signal of human body system and ambient light, the system can make reasonable and intelligent jud

5、gment and then controls the work of classroom lighting circuit. First by sensor detects whether the door of the classroom activities, if someone opens the door of the classroom lights, and then through the light intensity detecting circuit in light intensity, the test signal after converting ADC0804

6、 can provide single- chip computer processing of digital signals directly, each seat on mechanical pressure switch, according to the digital signal and the change of the pressure switch automatically perform the LED constant light control, to realize the energy saving of lighting control. Inside and

7、 outside the door of the classroom to install two light lotus root, used to detect personnel to enter, statistics the number of the classroom. It is a effective way to avoid the classroom of waste electricity. Small volume, convenient control, high reliability, high specificity and price reasonable

8、make this system satisfy the advantages of large, secondary technical schools classroom light control requirements and greatly reach energy-saving purpose. Keywords the classroom light control; heat release infrared sensor; photoconductive resistance; AT89S52; 目 錄 摘 要.I ABSTRACT .II 第 1 章 緒論.1 1.1 教

9、室燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 .1 1.1.1 國外燈光自動(dòng)控制的發(fā)展?fàn)顩r.1 1.1.2 國內(nèi)燈光自動(dòng)控制的發(fā)展?fàn)顩r.1 1.1.3 教室燈光自動(dòng)控制的發(fā)展現(xiàn)狀.2 1.2 當(dāng)前常用燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)簡介.2 1.3.本設(shè)計(jì)的題目來源 .3 1.4 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容與目標(biāo) .3 1.5 本章小結(jié).4 第 2 章 教室燈光控制器簡介及控制方案的分析.5 2.1 教室燈光控制器簡介.5 2.2 教室燈光系統(tǒng)控制方案的分析.5 2.3 本章小結(jié).5 第 3 章 教室燈光系統(tǒng)控制模塊的硬件設(shè)計(jì).6 3.1 本系統(tǒng)需要抗干擾的原因分析 .6 3.2 本系統(tǒng)控制模塊的硬件構(gòu)成分析.6 3.3 本控制系統(tǒng)的

10、主要硬件電路設(shè)計(jì).6 3.3.1 系統(tǒng)主控電路.6 3.3.2 系統(tǒng)供電路.7 3.3.3 數(shù)據(jù)采集電路.8 3.3.4 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示電路.11 3.3.5 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路.13 3.3.6 人數(shù)流量計(jì)數(shù)器.15 3.3.6.1 設(shè)計(jì)框圖.15 3.3.6.2 光控脈沖整形部分.15 3.3.6.3 邏輯控制部分以及附加功能部分.16 3.3.6.4 兩光藕距離及其產(chǎn)生的脈沖.18 3.3.6.5 邏輯電路部分及計(jì)數(shù)器的選用.19 3.4 本章小結(jié).20 第 4 章 教室燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā).21 4.1 本系統(tǒng)軟件模塊簡介.21 4.2 系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊.21 4.3 數(shù)據(jù)采集模

11、塊.22 4.3.1 人體存在傳感器的優(yōu)缺點(diǎn).22 4.3.2 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn).23 4.3.3 人體存在傳感器的抗干擾措施.23 4.3.4 人體存在傳感器的安裝要求.23 4.4 顯示驅(qū)動(dòng)模塊 .24 4.4.1 74HC573 鎖存器的應(yīng)用 .24 4.4.2 顯示程序設(shè)計(jì).25 4.5 系統(tǒng)鍵功能和存儲(chǔ)模塊 .28 4.5.1 鍵盤分析及其采集.28 4.5.2 鍵功能處理程序.29 4.5.3 按鍵程序.29 4.6 本章小結(jié) .31 第 5 章 教室燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真與調(diào)試.32 5.1 軟件介紹 .32 5.1.1 proteus 簡介.32 5.1.2 KEIL C

12、51 編譯簡介.33 5.1.2.1 8051 開發(fā).33 5.1.2.2 uVision3 集成開發(fā)環(huán)境.33 5.1.2.3 第三部分編輯器和調(diào)試器.33 5.1.2.4 C51 編輯器.34 5.2 仿真與調(diào)試 .35 結(jié) 論.39 參考文獻(xiàn).40 謝 辭.43 附 錄 A.44 附 錄 B.45 第 1 章 緒論 1.1 教室燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 1.1.1 國外燈光自動(dòng)控制的發(fā)展?fàn)顩r 世界各地發(fā)電的主要原料是煤炭、石油和天然氣，而丹麥在能源利用方面 的成功經(jīng)驗(yàn)提供了很好的借鑒。從 1974 年以來，盡管丹麥國民收入增長了 50%，丹麥總的能源消費(fèi)量并沒有增加。丹麥?zhǔn)?OECD

13、成員國中能源消耗量和 國民收入比值最小的國家。他們不斷地提供一些節(jié)能供熱系統(tǒng)，例如丹麥熱電 同供熱電廠(CHP)，而且，他們盡可能的有效利用資源。這樣，他們的能源使用 總效率達(dá)到了 90%。丹麥政府很重視住房空間用電的節(jié)能，并設(shè)立了對(duì)新建房 屋節(jié)能的諸多要求。數(shù)據(jù)顯示，居民入住有節(jié)能裝置的房子時(shí)，他們要支付比 沒有節(jié)能方案房屋高出 8%的費(fèi)用。其節(jié)能項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)在歐盟國家中廣為流傳。還 有，歐司朗-斯維尼亞公司不斷的推出新型高輸出的熒光燈，節(jié)約 6%的總系統(tǒng) 功率，并具有更高的光通量和平均光通量。飛利浦照明公司推出的陶瓷金鹵燈 代替過去的鹵鎢燈，可節(jié)能 60%的電能1。種種跡象表明世界各國都在采取

14、不 同方式來節(jié)約能源，節(jié)約電能。 1.1.2 國內(nèi)燈光自動(dòng)控制的發(fā)展?fàn)顩r 中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)多年的高速發(fā)展讓能源問題日益突出。雖然我國能源總儲(chǔ)量 不低，但由于我國人口眾多，所以人均儲(chǔ)量少，單位產(chǎn)值的能耗是發(fā)達(dá)國家的 3-10 倍。能源問題已成為制約我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵問題。從環(huán)境和自然資 源角度出發(fā)，能源問題也是我國長期可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中一個(gè)關(guān)鍵因素。此外， 能源問題不僅關(guān)系經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境生態(tài)，在特定情況下還會(huì)對(duì)社會(huì)穩(wěn)定有很大 影響。鑒于能源問題的重要性，我國在綠色照明工程新聞發(fā)布，綠色照明工程 未來五年間將在公用設(shè)施、賓館、商廈、居民住所等全國建筑物中推廣 1.5 億 只節(jié)能燈，節(jié)電 290 億度

15、電。上海、河北等一些地方采取政府對(duì)節(jié)能燈大宗采 購每只補(bǔ)貼 3 至 4 元的方式進(jìn)行推廣。從普通白熾燈到高效節(jié)能燈，使我國的 電光源產(chǎn)品結(jié)構(gòu)逐步向節(jié)電型轉(zhuǎn)變，熒光燈與普通白熾燈的比例由 1995 年的 1:6.25 上升到目前的 1:1.5。 目前，我國照明用電約占社會(huì)總用電量的 12%，采用高效照明產(chǎn)品代替?zhèn)?統(tǒng)的低效照明產(chǎn)品可節(jié)電 60%到 80%。如今，北京正在大力推行綠色照明工程， 己推出上百萬只綠色照明光源和部分節(jié)能電器，據(jù)測(cè)算年節(jié)約用電可達(dá) 3442 萬 千瓦時(shí)，節(jié)約電費(fèi) 251、9.7 萬元。政府己經(jīng)在商廈、學(xué)校、醫(yī)院等更換了 24 萬只節(jié)能燈具。在奧運(yùn)工程的建設(shè)上，也大量運(yùn)用節(jié)

16、能技術(shù)，北京的奧運(yùn)場館 “水立方”，通過采用大量的節(jié)能燈具，裝備新技術(shù)，通過增強(qiáng)透光性白天可節(jié) 約照明能耗 50%。 1.1.3 教室燈光自動(dòng)控制的發(fā)展現(xiàn)狀 目前國內(nèi)各類院校中，由于同學(xué)們的自覺節(jié)能意識(shí)薄弱，在光線足夠強(qiáng)時(shí) 也開燈，課上完離開教室后燈還亮著的現(xiàn)象普遍存在;而且，節(jié)能規(guī)劃極為欠缺， 教室的燈光控制由管理人員手工代替，教室極多，管理人員忙不過來，這樣就 造成不必要的電能浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。再者，每所院校不斷的擴(kuò)招，教室不斷的 擴(kuò)建，若再?zèng)]有改進(jìn)教室的用電管理設(shè)備，那么用電負(fù)荷可想而知，浪費(fèi)的電 能就更驚人了。 基于以上種種原因，提高教室用電效率就成為學(xué)校節(jié)能的重要且主要的措 施之一，因

17、此教室燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)無疑就成為其中一項(xiàng)重要的課題。 1.2 當(dāng)前常用燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)簡介 (1)Dynalite智能照明控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)主要由調(diào)光模塊、開關(guān)模塊、控制面板、液晶顯示觸摸屏、智能傳 感器、編程插日、時(shí)鐘管理器、手持式編程器和PC監(jiān)控機(jī)等部件組成。采用 DyNet網(wǎng)絡(luò)連接，DyNet是一個(gè)分布式智能化網(wǎng)絡(luò)，使用RS一485通訊協(xié)議。 (2)C一Bus智能照明控制系統(tǒng) C一Bus系統(tǒng)是1994年由澳大利亞奇勝電氣公司開發(fā)的，現(xiàn)已廣泛用于很多 國家和地區(qū)。C一Bus系統(tǒng)是一個(gè)二線制的總線型式的智能控制系統(tǒng)，主要用于 對(duì)照明系統(tǒng)的控制。也可用于消防等系統(tǒng)中的聯(lián)動(dòng)控制。 (3)AB

18、B i-bus EIB智能安裝系統(tǒng) EIB智能系統(tǒng)由總線、總線電源、智能傳感器(光線傳感器、模糊開關(guān)、時(shí) 間控制器、移動(dòng)傳感器)、智能開關(guān)驅(qū)動(dòng)器和其他智能元件(邏輯模塊總線禍合 器)構(gòu)成。它是典型的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，每個(gè)元件就是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)連接在 一根2芯雙絞線介質(zhì)的總線上，不分主從隸屬關(guān)系實(shí)現(xiàn)相互之間的通訊從而實(shí)現(xiàn) 控制和被控制。 1.3.本設(shè)計(jì)的題目來源 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活水平也不斷提高，導(dǎo)致用電 負(fù)荷的加劇，又由于世界性的能源危機(jī)，能源缺乏已成為世界所面臨的嚴(yán)峻問 題。而此問題對(duì)我國來說尤為嚴(yán)重。隨著各類大、中專院校的擴(kuò)招，教室的擴(kuò) 建，教室照明的需求也越來越多，

19、而教室照明的管理不到位，往往造成電能的 巨大浪費(fèi)，這樣，提高教室用電效率就成為首要考慮的問題。 目前對(duì)燈光的智能控制，國內(nèi)外己經(jīng)開始采用，但對(duì)教室燈光的控制，尤 其是我國教室燈光的智能控制尤為缺乏和不完善，依然是傳統(tǒng)式的人工管理。 各類大、中專院校不斷擴(kuò)招，教室不斷擴(kuò)建，教室的用電負(fù)荷不斷加大，教室 用電管理不善，造成學(xué)校電能浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)損失，這種的浪費(fèi)與當(dāng)今的節(jié)約能源 理念相違背。再者，現(xiàn)代自動(dòng)化程度不斷提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，燈光的管 理也在朝著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。例如樓道燈光的自動(dòng)控制等等2。所有 這些使得教室燈光控制也應(yīng)該朝著智能的方向發(fā)展。 于是，開發(fā)簡便、實(shí)用的教室燈光自動(dòng)控制系

20、統(tǒng)便具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 1.4 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容與目標(biāo) 本課題的研究內(nèi)容主要有如下幾點(diǎn)： (1)了解教室照明光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)； (2)調(diào)研教室燈光照明需求以及環(huán)境光強(qiáng)弱與開、關(guān)燈的關(guān)系； (3)研究人體存在探測(cè)技術(shù)，探測(cè)角度與范圍； (4)研究傳感器在教室分布、安放問題，是否一燈一個(gè)傳感器或多燈公用傳 感器； (5)研究確定人體傳感器的有關(guān)參數(shù)； (6)研究燈光控制器電源問題； (7)研究控制器參數(shù)值設(shè)定的要求及方案； (8)研究人工設(shè)置參數(shù)、掉電保存參數(shù)的問題； (9) 研究使用鍵盤按鍵控制燈光控制器技術(shù)； (10) 研究與現(xiàn)有教室照明相兼容，易替代，不易被偷盜、被仿制，易于維 護(hù)、維修等控制技

21、術(shù)； (11)研究報(bào)警等附加功能問題。 本設(shè)計(jì)的主要研究目標(biāo)是使教室燈光控制系統(tǒng)能用于現(xiàn)有教室照明系統(tǒng)的 改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)的人性化智能管理，提高用電效率；實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)燈 光控制相兼容，以降低成本；通過反復(fù)試驗(yàn)和改進(jìn)，最終達(dá)到可靠性、實(shí)用性、 推廣性較好的目地。 1.5 本章小結(jié) 本章主要分析和介紹了教室燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和當(dāng)前使 用的主要幾個(gè)燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)，總結(jié)了教室燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)的當(dāng)前現(xiàn)狀， 指出了當(dāng)前教室燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)的一些問題，最后對(duì)本課題的題目來源以及 本設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容和研究目標(biāo)進(jìn)行了介紹。 第 2 章 教室燈光控制器簡介及控制方案的分析 2.1 教室燈光

22、控制器簡介 教室燈光控制器可實(shí)現(xiàn)有效的教室燈光智能控制。其輸入?yún)?shù)主要是人體 存在信號(hào)和環(huán)境光信號(hào)等的外界因素，環(huán)境光的強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)不開燈，環(huán) 境光強(qiáng)度在一定閥值以下且有人存在時(shí)開燈，理論和實(shí)驗(yàn)證明用這種方式來對(duì) 教室燈進(jìn)行智能控制3可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。 教室燈光控制器由機(jī)械開關(guān)和紅外傳感器組成，紅外傳感器安裝在教室門 口，當(dāng)有人進(jìn)入且燈光較暗時(shí)打開燈，機(jī)械開關(guān)安裝在教室每個(gè)座位上，用來 檢測(cè)是否有人坐下。前后教室門口分別安裝光藕用于檢測(cè)進(jìn)進(jìn)出出教室的人數(shù)。 2.2 教室燈光系統(tǒng)控制方案的分析 所研制的控制器以自然光強(qiáng)度和人體存在作為控制器4的主要輸入?yún)?shù)。 可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)控制相兼容。在

23、自然環(huán)境光較強(qiáng)光線足夠時(shí)，無論人是否 存在，都不開燈；在自然環(huán)境光較弱時(shí)，有人存在且超過一定時(shí)間，控制器自 動(dòng)打開電燈，直到人離開后再延時(shí)一定時(shí)間后關(guān)燈。 本文所研究的教室燈光控制器5主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件 部分是前提，是整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運(yùn)行的平臺(tái)。而 軟件部分，是對(duì)硬件端口所體現(xiàn)的信號(hào)，加以采集、分析、處理，最終實(shí)現(xiàn)控 制器所要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能，達(dá)到控制器自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合的教室照明智能控制6。 2.3 本章小結(jié) 本章僅對(duì)教室燈光自動(dòng)控制器進(jìn)行了一下簡要的介紹，并對(duì)教室燈光自動(dòng) 控制系統(tǒng)的方案進(jìn)行了分析與簡介。 第 3 章 教室燈光系統(tǒng)控制模塊的硬件設(shè)計(jì) 3

24、.1 本系統(tǒng)需要抗干擾的原因分析 考慮到本系統(tǒng)7所安裝的環(huán)境影響因素比較多，且教室控制設(shè)備中的人體 存在傳感器、光敏電阻等經(jīng)常會(huì)因環(huán)境情形變化而不穩(wěn)定，所以在設(shè)計(jì)過程中， 電子元器件的選用、線路布置和設(shè)備的安放要充分考慮到抗干擾問題。 3.2 本系統(tǒng)控制模塊的硬件構(gòu)成分析 圖 3-1 系統(tǒng)控制模塊硬件組成 3.3 本控制系統(tǒng)的主要硬件電路設(shè)計(jì) 3.3.1 系統(tǒng)主控電路 本系統(tǒng)的主控模塊主要采用 Atmel 公司的 AT89S52 作為主控芯片8，它是 一種低功耗，8 位 CMOS 工藝處理器，具有 8K 在線可編程 Flash 存儲(chǔ)器，片內(nèi) 的 Flash 可多次編程，為在線編程提供了方便。片

25、內(nèi)有 128 字節(jié)的 RAM，4KB 的 EEPROM9，由于合理的安排使用片內(nèi) RAM 空間10，所以沒有擴(kuò)展的片外 RAM，使電路結(jié)構(gòu)簡捷。該芯片具有以下主要特征： (l)與 MCS-51 系列單片機(jī)兼容 (2)8K Bytes，F(xiàn)lash 存儲(chǔ)器，在線編程，可寫 1000 次 (3)4.0-5.5V 的工作電壓 (4)自帶 2568bit RAM A T 8 9 S 5 2 顯示電路 電源電路 燈控電路 ADC0804 晶振電路 按鍵 光敏電阻 報(bào)警電路 (5)32 個(gè)可編程 I/O 管腳 (6)3 個(gè) 16-Bit 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 (7)8 個(gè)中斷源 (8)自帶看門狗 AT89S52

26、I/O 端口與系統(tǒng)其它外圍器件接口的分配情況表如表 3-1 所示： 表表 3-1 單片機(jī)接口分配表單片機(jī)接口分配表 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊電路如圖 3-2 所示： 圖 3-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 3.3.2 系統(tǒng)供電路 要取得+5V 電壓，若選用 12V 的變壓器，整流濾波后輸出往往大于 12V， 會(huì)使穩(wěn)壓器功耗大，自身溫度較高。故不選用輸出電壓為 12V 的變壓器，而選 89S52 引腳外圍器件引腳說明 P0.0-P0.774HC573數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)接口 P2.0-P2.3獨(dú)立按鍵鍵盤輸入接口 P2.674HC573數(shù)碼管段碼選擇接口 P2.774HC573數(shù)碼管位碼選擇接口 P1.0-P1.7

27、ADC0804AD 轉(zhuǎn)換接口 P3.6-P3.7數(shù)模轉(zhuǎn)換讀寫輸入端口 用輸出電壓為 9V 的變壓器。系統(tǒng)接通 220V 交流電源后，將 220V 交流電變壓 到 9V，經(jīng)過二極管全波整流、電解電容 C1、C2 濾波，再經(jīng)一只正輸出穩(wěn)壓器 LM7805，為了緩沖負(fù)載突變，改善瞬態(tài)響應(yīng)，輸出端還采用了電容 C3、C4， 最后得到+5V 的直流工作電源，用于給控制系統(tǒng)中單片機(jī)系統(tǒng)及其它外圍電路 的 VCC+端供電。其供電原理圖如圖 3-3。 圖 3-3 系統(tǒng)供電電路 在硬件時(shí)鐘模塊中，為了在斷電后硬件時(shí)鐘能夠正常運(yùn)行，故采用主從雙 電源供電方式。硬件時(shí)鐘一般在系統(tǒng)的+5V 主電源情況下工作，而只有系

28、統(tǒng) +5V 主電源消失的情況下，為確保硬件時(shí)鐘的正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)一個(gè) 3.6V 的可充 電鋰電池作為備用電源。 3.3.3 數(shù)據(jù)采集電路 教室中的環(huán)境光和人體存在與否是系統(tǒng)的主要輸入?yún)?shù)11，因此教室中的 環(huán)境光和人體存在成為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的主要對(duì)象。常見的環(huán)境光采集器件光電 傳感器有光敏二極管、光敏三極管和光敏電阻，根據(jù)需求，選用靈敏度較高的 光敏電阻。此外，人體傳感器要求靈敏度高，可靠性強(qiáng)，本系統(tǒng)采用了邏輯電 平輸出的 HP-208 型號(hào)12的人體存在傳感器。 1、環(huán)境光采集電路 光強(qiáng)采集，采用光敏電阻進(jìn)行設(shè)計(jì)。敏電阻又稱光導(dǎo)管，常用的制作材料 為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材

29、料。這些制作材料具有 在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子 都參與導(dǎo)電，在外加電場的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔 向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。采用分壓原理，設(shè)計(jì)電路 如圖 3-4 所示： 圖 3-4 環(huán)境光采集電路 2、人體存在傳感器的工作原理 自然界中存在的各種物體，如人體、木材、石頭、火焰、冰等都會(huì)發(fā)出不 同波長的紅外線，利用紅外傳感器13可對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)工作原理，紅外傳 感器分為熱型和量子型兩類，熱型紅外傳感器也稱熱釋電紅外傳感器或被動(dòng)紅 外傳感器。與量子型相比，響應(yīng)的紅外線波長范圍較寬，價(jià)格便宜，并可在常 溫下工作。

30、量子型與熱型的特點(diǎn)相反，而且要求冷卻條件。本系統(tǒng)采用的是熱 釋電紅外傳感器，人體存在傳感器主要采用了紅外傳感器的原理，它是目前在 防盜報(bào)警、火災(zāi)檢測(cè)、自動(dòng)門、自動(dòng)水龍頭、自動(dòng)電梯、自動(dòng)照明等場合，及 非接觸溫度測(cè)量等領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的傳感器。其原因?yàn)椋罕粶y(cè)對(duì)象自身發(fā)射 紅外線，可不必另設(shè)光源；大氣對(duì) 22.6m、35m、814m 三個(gè)被稱為 “大氣窗口”的特定光通量的紅外線吸收甚少，可非常容易被檢測(cè)；中、遠(yuǎn)紅 外線不受可見光影響，可不分晝夜進(jìn)行檢測(cè)。 人體存在傳感器的熱釋電紅外探頭的工作原理及特性14如下： 人體都有恒定的體溫，一般在 37，所以會(huì)發(fā)出特定波長 10m 左右的紅 外線，被動(dòng)式紅外

31、探頭就靠探測(cè)人體發(fā)射的 10m 左右的紅外線而進(jìn)行工作的。 人體發(fā)射的 10m 左右的紅外線通過菲尼爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。 紅外感應(yīng)源采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí) 就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生由人體存 在的信號(hào)15。 1)這種探頭是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)的，所以熱釋電元件對(duì)波長為 10m 左右的紅外輻射非常敏感。 2)為了僅僅對(duì)人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面覆蓋有特殊的菲泥爾 濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的抑制作用。 3)人體存在的探測(cè)，其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)的熱釋電元，而且制成的 兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻

32、射對(duì)兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用， 使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無信號(hào)輸出。 4)一旦有人進(jìn)入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被人體 存在傳感器的熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也 不同，不能抵消，經(jīng)信號(hào)處理而輸出有人體存在的信號(hào)16。 5)菲尼爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距(感應(yīng)距離)，從而產(chǎn)生 不同的監(jiān)控視場，視場越多，控制越嚴(yán)密。 人體傳感器透鏡的信號(hào)采集敏感區(qū)示意圖 3-5 如下所示。 圖 3-5 信號(hào)采集敏感區(qū)示意圖 有人進(jìn)入時(shí)，移動(dòng)人體發(fā)出的紅外線被紅外傳感器接收，則人體存在被感 應(yīng)，并輸出高電平。若人體進(jìn)入最不敏感移動(dòng)方向時(shí)，

33、則人體傳感器所體現(xiàn)的 信號(hào)就會(huì)不理想，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，所以要特別注意人體傳感器的安裝方 向。 人體存在信號(hào)采集電路 人體傳感器 HP-208 是深圳市浩博特電子有限公司研發(fā)和生產(chǎn)的基于紅外線 技術(shù)的智能產(chǎn)品，它的主要特性如下： (l)感應(yīng)為全自動(dòng)方式，人進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí)輸出高電平(高 3.3V)，人離開感 應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平(低 0.3V)，其高低電平利于采集； (2)采用可重復(fù)觸發(fā)方式。即感應(yīng)輸出高電平后，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，如果有 人體在其感應(yīng)范圍活動(dòng)，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時(shí) 8 秒- 15 秒后將高電平變?yōu)榈碗娖剑?(3)人體傳感器工作電壓寬為 DC

34、5V-DC20V； (4)人體傳感器制作成錐面形狀，感應(yīng)范圍大，小于 140 度錐角，感應(yīng)距離 為 7 米以內(nèi)； (5)其靜態(tài)電流小于 50 微安，功耗低； 最敏感移動(dòng)方向 傳感器 最不敏感移動(dòng)方向 (6)工作溫度介于-20和+70之間，適應(yīng)性強(qiáng)； (7)靈敏度高，可靠性強(qiáng)。 人體傳感器的 1 號(hào)引腳為電源信號(hào)端，3 號(hào)引腳為地信號(hào)端，2 號(hào)引腳為采 集信號(hào)輸出端。在電路設(shè)計(jì)中，為了使人體傳感器的工作更加可靠，介于人體 傳感器的信號(hào)引腳 2 與地信號(hào)引腳 3 之間加一個(gè) 6800pF 的電容，另外人體存在 傳感器的信號(hào)引腳 2 與單片機(jī)的 P3.3 引腳相連，p3.3 引腳再接一個(gè) l00K

35、的上 拉電阻，增加人體存在傳感器輸出信號(hào)的可靠性，其電路原理圖如圖 3-6。 圖 3-6 人體采集電路 3.3.4 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示電路 熒光數(shù)碼管是一種分段式真空顯示器件。其優(yōu)點(diǎn)是工作電壓低，電流小， 壽命長，清晰悅目，穩(wěn)定可靠，視距較大。 液晶顯示器是利用液態(tài)晶體的光學(xué)特性來工作的。由于它具有工作電壓低、 耗電省，成本低等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是顯示不夠清晰，工作溫度范圍較窄(-10-60)。 因?yàn)槲覀冞@里并不需要太豐富的顯示內(nèi)容，而且液晶顯示器太貴，終上所 述我們選擇數(shù)碼管來顯示。 數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)我們選擇74HC573芯片，下圖為74HC573的功能表和引腳圖： 表表3-2 74HC573功能表功能表

36、OELEDQ LHHH LHLL LLXQ0 HXXZ 圖3-7 74HC573引腳圖 74HC573管腳1腳三態(tài)允許控制端低電平有效17，1D-8D 為數(shù)據(jù)輸入端， 1Q-8Q 為數(shù)據(jù)輸出端。74HC573是高性能硅門 CMOS 器件，它具有：三態(tài)總線 驅(qū)動(dòng)輸出，置數(shù)全并行存取，緩沖控制輸入，使能輸入有改善抗擾度的滯后作 用。 其原理說明：74HC573的八個(gè)鎖存器都是透明的 D 型鎖存器，當(dāng)使能 G為高時(shí)，Q 輸出 將隨數(shù)據(jù)D輸入而變。當(dāng)使能為低時(shí)，輸出將鎖存在 已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持 18，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉時(shí)，新的數(shù)據(jù)也可以置入。這種電路可以

37、驅(qū)動(dòng)大電容或 低阻抗負(fù)載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅(qū)動(dòng)總線，而不需要外接口。特別適 用于緩沖寄存器，I/O 通道，雙向總線驅(qū)動(dòng)器和工作寄存器。 數(shù)據(jù)鎖存：當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)消失時(shí)，在芯片的輸出端，數(shù)據(jù)仍然保持； 從其功能和價(jià)格方面考慮，我們選擇了74HC573來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示電路如圖3-7： 圖 3-8 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路 3.3.5 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 ADC0804 是單片機(jī)集成 A/D 轉(zhuǎn)換器19，它采用 CMOS 工藝 20 引腳集成芯 片，分辨率為 8 位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100s，輸入電壓范圍為 0-5V。芯片內(nèi)具有三 態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器，可以直接連在數(shù)據(jù)總線上。圖 3-8 為 ADC08

38、04 雙列直插式 引腳分布圖。 圖 3-9 ADC0804 引腳分布圖 各引腳名稱及作用20： VIN(+)，VIN(-)兩模擬信號(hào)輸入端，用以接受單極性，雙極性和差模輸入信號(hào)。 DB7DB0具有三態(tài)特性數(shù)字信號(hào)輸出口。 AGND模擬信號(hào)地。 DGND數(shù)字信號(hào)地。 CLK時(shí)鐘信號(hào)輸入端。 CLKR內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的外接電阻端，與 CLK 端配合可由芯片自身產(chǎn)生時(shí)鐘 脈沖，其頻率為 1/(1.1RC)。 CS片選信號(hào)輸入端，低電平有效，一旦 CS 有效，表明 A/D 轉(zhuǎn)換器被選中， 可以啟動(dòng)工作。 WR寫信號(hào)輸入，低電平啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換。 RD讀信號(hào)輸入，低電平輸出端有效。 INTRA/D 轉(zhuǎn)換

39、結(jié)束信號(hào)，低電平表示本次轉(zhuǎn)換已完成。 VREF/2參考電平輸入，決定量化單位。 VCC芯片電源 5V 輸入。 圖3-10 A/D 與單片機(jī)連接接法 ADC0804轉(zhuǎn)換器的工作時(shí)序圖21： 圖3-11 ADC0804轉(zhuǎn)換器的工作時(shí)序圖 CS 先為低電平，WR 隨后置低，經(jīng)過至少 tw(WR)L 時(shí)間后，WR 拉高，隨 后 A/D 轉(zhuǎn)換器被啟動(dòng)，并且經(jīng)過(1-8個(gè) A/D 時(shí)鐘周期+內(nèi)部 TC)時(shí)間后，A/D 轉(zhuǎn) 換完成，轉(zhuǎn)換結(jié)果存入數(shù)據(jù)鎖存器，同時(shí) INTR 自動(dòng)變?yōu)榈碗娖?，通知單片機(jī) 本次轉(zhuǎn)換已結(jié)束。當(dāng) INTR 變成低電平后，將 CS 先置低，接著再將 RD 置低， 在 RD 置低至少經(jīng)過

40、tACC 時(shí)間后，數(shù)字輸出口上的數(shù)據(jù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)22，此 時(shí)直接讀取數(shù)字輸出端口數(shù)據(jù)便可得到轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，讀走數(shù)據(jù)后，馬上 將 RD 拉高，然后再將 CA 拉高，INTR 是自動(dòng)變換的，當(dāng) RD 置低 tR1間后， INTR 自動(dòng)拉高。 3.3.6 人數(shù)流量計(jì)數(shù)器 3.3.6.1 設(shè)計(jì)框圖： 3.3.6.2 光控脈沖整形部分： 當(dāng)有人通過時(shí)，根據(jù)觸發(fā)電路的先后順序，經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形后，在 兩個(gè)輸出端先后產(chǎn)生兩個(gè)脈沖，即先觸發(fā)哪個(gè)光控電路的輸出端就先產(chǎn)生脈沖。 設(shè)計(jì)此部分用到了的元件有光電三極管和施密特觸發(fā)器40106，如下圖所示。 光控 電路 (內(nèi)) 脈 沖 整 形 脈 沖 整 形 控

41、 制 邏 輯 電 路 加 減 可 逆 計(jì) 數(shù) 器 顯 示 譯 碼 數(shù)碼(十位) 數(shù)碼(個(gè)位) 光控 電路 (外) 手動(dòng) 復(fù)位 圖3-12 光電三極管 圖3-13 光脈沖整形電路 經(jīng)過設(shè)計(jì)、簡化以后，得到光控脈沖整形部分的電路圖。在這個(gè)圖中，我 用開關(guān) K1、K2起到模擬人通過光電門的運(yùn)動(dòng)。在平常不過人的時(shí)候，上下兩 個(gè)單刀雙擲開關(guān)都擲向+5V 一端，發(fā)光二極管都導(dǎo)通發(fā)光，導(dǎo)致光電三極管導(dǎo) 通，使施密特觸發(fā)器的輸入端為高電平，經(jīng)過整形后輸出為低電平。當(dāng)有人通 過一個(gè)光電門時(shí)，即光電三極管沒有接到發(fā)光二極管的光而不導(dǎo)通時(shí)，在電路 圖中我將單刀雙擲開關(guān)擲向低電平來代替這個(gè)過程，此時(shí)光電三極管不導(dǎo)通使

42、 施密特觸發(fā)器23的輸出端為低電平，經(jīng)過整形后在輸出端為高電平。人繼續(xù)通 過光電門后，光電三極管又重新接收到發(fā)光二極管的光而導(dǎo)通，經(jīng)過整形后輸 出端又變成低電平。從上述分析，人走過一個(gè)光電門過程中24，對(duì)應(yīng)的光電門 電路的輸出端就產(chǎn)生一個(gè)脈沖電壓。 3.3.6.3 邏輯控制部分以及附加功能部分 邏輯電路部分是整個(gè)電路的核心，此部分電路是控制計(jì)數(shù)器究竟是加計(jì)數(shù) 還是減計(jì)數(shù)。根據(jù)74LS192的電路邏輯特性，我用兩片74LS192以及數(shù)碼管組成 圖 的輸出電路，有三個(gè)重要的輸出端，一個(gè)是加法脈沖輸入端，與其相對(duì)應(yīng)的 還有一個(gè)減法脈沖輸入端，兩個(gè)輸入端均是上升沿觸發(fā)計(jì)數(shù)，其中一個(gè)輸入端 上升沿觸發(fā)計(jì)

43、數(shù)時(shí)另一個(gè)輸入端必須是高電平才能保證計(jì)數(shù)。例如：當(dāng)加法脈 沖輸入端為高電平時(shí)，減法脈沖輸入端有上升沿觸發(fā)，此時(shí)計(jì)數(shù)器減一。還有 一個(gè)輸入端是清零輸入端，工作時(shí)為低電平，清零時(shí)接高電平。此圖使用異步 清零端 CLK，將預(yù)置數(shù)置成0000。 圖3-14 74LS192管腳 圖3-15 74LS192電路符號(hào) 此計(jì)數(shù)器的工作特點(diǎn)是運(yùn)算性質(zhì)取決于脈沖所加的輸入端，此時(shí)還要求另 一個(gè)輸入端輸入為高電平才可以正常計(jì)數(shù)。 74LS192管腳功能如下表3-3： 表表3-3 74LS192管腳功能管腳功能 管腳功能 CPU加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入 CPD減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入 LD預(yù)置控制輸入 RD異步清零 A、B、C、D預(yù)置輸入 QA、QB、QC、QD計(jì)數(shù)輸出端 BO借位輸出 CO進(jìn)位輸出 3.3.6.4 兩光藕距離及其產(chǎn)生的脈沖 當(dāng)兩光藕放置距離不同時(shí)，他們產(chǎn)生的脈沖在時(shí)域范圍內(nèi)可能重疊25，也 可能相互獨(dú)立(下圖)。 圖3-16 兩光藕產(chǎn)生的脈沖(相互獨(dú)立) 對(duì)應(yīng)實(shí)際情況，當(dāng)內(nèi)外兩個(gè)光電門相隔距離比較遠(yuǎn)時(shí)26，人從第一個(gè)光電 門觸發(fā)一個(gè)一個(gè)上升沿后，沒到第二個(gè)光電門時(shí)，已經(jīng)離開第一個(gè)光電門，因 此觸發(fā)的第一個(gè)脈沖和第二個(gè)脈沖在時(shí)間上沒有都是高電平的重合部分。這樣 的脈沖存在一個(gè)致命的弱點(diǎn)：試想如果門內(nèi)外光電門相距的距離比較遠(yuǎn)，一次 進(jìn)門的人數(shù)比較多，就有可能發(fā)生當(dāng)?shù)谝粋€(gè)光電門的脈沖