毕业设计(论文)-基于AT89S51单片机的教室灯光智能控制系统设计2

摘 要

摘 要

为了有效利用教室灯光、节约能源，设计了以AT89C2051单片机作为控制核心的教室灯光控制系统，能根据学校作息时间、光照情况自动调节教室灯光的打开或关闭。调试结果证明该系统具有很好的人机交互界面，能对教室灯光进行智能控制，且电路简单，成本低，节约能源，可移植性好。也可应用于图书馆、会议室、办公室、办公等场所，具有很好的实际应用价值和广泛的应用空间。

本课题针对教室灯光的控制，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机设计教室灯光智能控制系统的思路，并在此基础上开发了智能控制系统的硬件模块和相应软件部分。

该系统以AT89S51单片机作为控制模块的核心部件，采用热释红外人体传感器检测人体的存在，采用光敏三极管构成的电路检测环境光的强度；根据教室合理开灯的条件，通过对人体存在信号和环境光信号的识别与判断，完成对教室灯光的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。系统还具有报警功能；同时还采用了软/硬件的“看门狗”等抗干扰措施。

本系统程序部分采用C语言编写，采用模块化结构设计、条理清晰、通用性好，便于改进和扩充。该系统具有体积小，控制方便，可靠性高，针对性强，性价比高等优点，可以满足各类院校对教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能目的。

关键词：智能控制器 热释红外传感器 单片机

Abstract

In order to make effective use of classroom lighting, energy saving, to design the AT89C2051 MCU as the control core of the lighting control system for classroom, according to the school calendar, light automatic adjustment of classroom lighting in the open or close. Debugging results show that the system has a very good man-machine interface, for classroom lighting intelligent control, and has the advantages of simple circuit, low cost, energy saving, good portability. Can also be applied in the library, conference room, office, office and other places, and has good practical application value and broad application space.

The topic for classroom lighting control, analysis of classroom lighting intelligent control principle and realization method, is put forward based on the SCM design classroom lighting

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摘 要

intelligent control system of train of thought, and on this basis the development of the intelligent control system of the hardware module and the corresponding software.

The system is based on AT89S51 single chip microcomputer as control module is the core component, the pyroelectric infrared sensor to detect the presence of the human body, using photosensitive three transistor circuits to detect ambient light intensity; reasonable light conditions according to classroom, the human body through the presence of signals and ambient light signal recognition and judgement, completion of the classroom lighting intelligent control, to avoid the classroom electricity waste. The system also has the alarm function; it also uses soft / hardware\

The system uses C language, is designed with modular structure, clarity, good versatility, facilitate the improvement and expansion. The system has the advantages of small volume, convenient control, high reliability, strong pertinence, cost-effective advantages, can meet all kinds of institutions for classroom lighting control requirements, a large degree of achieving the purpose of energy saving.

Keywords: intelligent controller for pyroelectric infrared sensor chip

目 录

摘 要..............................................................................................................................I 第一章 教室灯光控制器简介与方案分析 ............................................................... III 1.1教室灯光控制器简介 .......................................................................................... V 1.2系统控制方案分析 ............................................................................................. VI 第二章 系统控制模块的硬件设计 ............................................................................ VI 2.1系统控制模块的硬件构成及简介 ..................................................................... VI 2.2系统控制的主要硬件电路 ................................................................................VII 2.2.1系统主控电路 ..............................................................................................VII 2.2.2系统供电电路 ............................................................................................ VIII

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2.2.3数据采集电路 ............................................................................................ VIII 2.2.4系统时钟电路 ................................................................................................ X 2.2.5继电器驱动电路 ........................................................................................... XI 2.2.6超时报警电路 ............................................................................................. XII 2.2.7按键控制电路 ............................................................................................. XII 2.2.8系统看门狗电路 ........................................................................................ XIII 第三章 控制模块软件设计 ..................................................................................... XIV 3.1系统监控主程序模块 ...................................................................................... XIV

3.1.1系统自检初始化 ......................................................................................... XV 3.1.2定时中断处理设计 ..................................................................................... XV 3.2数据采集模块 .................................................................................................. XVI 3.2.1人体存在传感器的优缺点 ........................................................................ XVI 3.2.2数据采集软件的实现 ................................................................................ XVI 3.3时钟模块 ........................................................................................................ XVII 3.3.1数据输入输出 .......................................................................................... XVII 3.3.2时钟程序设计 ......................................................................................... XVIII 3.4显示驱动模块 ................................................................................................... XX 第四章 系统调试运行及问题分析 ......................................................................... XXI 4.1单片机系统调试方法及步骤 .......................................................................... XXI 4.2主要问题分析 ............................................................................................... XXIII 第五章 总结与展望 ............................................................................................... XXIV 5.1总结 ............................................................................................................... XXIV 5.2展望 ............................................................................................................... XXIV 致 谢 ..................................................................................................................... XXIV 参考文献 .................................................................................................................. XXV

第一章 引言 1.1课题来源及背景

本课题属于自选课题，来源于本人了解到现今全世界面临资源短缺问题日益突出，造成了资源的巨大浪费。而我所在就读的江西机电职业技术学院电能管理方面存在着 很大的问题。特别是教室里管理不到位。所以我就选了这个课题。 基于单片机控制的教室自灯光动控制器的研究

当前，随着经济的飞速发展，能源短缺问题日益突出，成为一个国家经济发展的“瓶颈”。作为工业生产和人民生活不可或缺的电力能源更是如此。尤其现今越来越提倡低碳生活，节约能源已经成为一种全球共识，而作为培养社会精英的高校更应该起到榜样的作用。但是目前在校园内，教室灯火通明，却空无一人的现象屡见不鲜，这不仅造成了严重的资源浪费，也对高校的形象造成了很坏的影响。本文所研究的教室灯光控制系统就可以很好地实

摘 要

现节约能源的作用。本课题设计的控制器可有效的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。环境光的强度达到一定值时不开灯，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教室灯进行智能控制。

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。

1.2国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题 灯光控制器研究的现状

现今世界各地面临能源危机，现在发电的主要原料是煤炭、石油和天然气等，丹麦在能源合理利用方面的成功经验给我们提供了很好的借鉴。丹麦从1974年以来，国民收入增长了50%。但丹麦总的能源总消费量并没有增加。所以丹麦在OECD成员国中能源消耗量和国民收入比值最小的国家。他们提供的一些节能供热系统很值得我们借鉴。例如丹麦热电周供热电厂(CHP)。而且，他们尽可能的有效利用资源，所以他们的能源使用总效率达到了90%。并且丹麦政府很重视住房空同用电的节簏，还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，要支付比没有节能方案房屋高出8%的费用。他们的节能经验在欧盟国家中广为流传。还有，欧司朗一斯维尼亚公司不断的推出新型高输出的荧光灯，节能6%。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。以上种种迹象表明世界各国都在采取不同方式来节约能源。

由于我国人口有十三亿之多，经济又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高速发展的关键问题。，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的平衡，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

IV

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，北京的奥运厂馆“水立方”，通过采用大量的节能灯具，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《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光自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要课题。

第二章 教室灯光控制器简介与方案分析

1.1教室灯光控制器简介

本课题设计的控制器可有效的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。环境光的强度达到一定值时不开灯，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教室灯进行智能控制。

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

摘 要

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。

1.2系统控制方案分析

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。在自然环境光较强光线足够时，无论人是否存在，都不开灯；在自然环境光较弱时，有人存在且超过一定时间，控制器自动打开电灯，直到人离开后再延时一定时间后关灯。同时，还可设置作息时间来控制，夜晚超过12点，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，以解决因特殊情况下，自动控制器的不人性化运行。

所研究的教室灯光控制器主要是由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，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到设计目的。

第二章 系统控制模块的硬件设计

2.1系统控制模块的硬件构成及简介

系统控制单元是以AT89S51单片机主控模块为核心，其它外围电路主要包括：环境光采集电路、时钟模块、热释红外传感器模块、看门狗模块、按键电路、EEPROM存储模块、超时报警模块、数码管显示模块，其结构框图如图2-1所示。

环境光采集电路 AT89S51 单 片 机 最 小 系 统 时钟模块 热释红外传感器 看门狗模块 按键电路 EEPROM存储器模块 数码管显示模块 超时报警模块 图2-1 系统控制结构框图

环境光模块采用光敏三极管来检测环境光的强度，有光照时，电阻减小，随着光照强度的减弱，电阻逐渐增大，把光信号转化成电信号，实现对光强度的检测。

人体存在传感器模块采用HP-208是基于红外线技术的智能产品，实现对人体存在的检测。

硬件时钟模块采用具有充电能力的低功耗，具有临时性存放数据的RAM寄

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存器的实时时钟芯片DS1302。该电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛的使用。

系统数据存储及故障保护部分由X5045组成，X5045是一种串行通讯的512字节EEPROM，同时兼有看门狗和电源监控功能键盘模块。

2.2系统控制的主要硬件电路

考虑到本系统安装时受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、光敏三极管等经常会因环境情形变化而不稳定，所以在设计过程中，电子元器件的选用、线路布置和设备的安放要充分考虑到抗干扰问题。 2.2.1系统主控电路

本系统的主控模块采用AT89S51作为主控芯片，它是一种低功耗，8位CMOS工艺处理器，具有8K在线可编程Flash存储器，片内的Flash可多次编程，为在线编程提供了方便。片内有128字节的RAM，4KB的EEPROM，由于合理的安排使用片内RAM空间，所以没有片外扩展的RAM，使电路结构简洁。该芯片的主要特征见如表2.1：

表2.1 AT89S51主要特征

AT89S51引脚 P0. 0-P0. 7 P2. 0-P2. 7 P1. 0 P1. 1 P1. 2 P1. 3 P1. 4 P1. 5 P1.6 P1. 7 P3. 0- P3. 1 P3. 3 P3. 4 P3. 7 DS1302CLK DS1302I/O DS1302RST 外围器件引脚 ULN2803 PNP-9012基极 X5045SI X5045SCK X5045CS X504550 说明 数码管段码驱动接口 数码管段码驱动接口 X5045串行输入端 X5045串行时钟端 X5045片选端 X5045串行输出端 工作状态指示灯 DS1302时钟线 DS1302数据线 DS1302复位线 数据采集输入端 人体存在传感器输出信号端 超时报警信号输入端 光敏三极管输入信号端 单片机最小系统如图2-2所示： 摘 要

图2-2 单片机最小系统

(1) 40（Vcc）20（GND）脚间的电压应有5V 。 (2) 18、19脚分别与20脚间有1.7―2.5V电压 (3) 9（RST）脚与GND间电压基本为0 。

(4) 31脚 （EA）与20引脚（GND）间电压为5V 。 2.2.2系统供电电路

系统供电原理如图2-3所示，采用+5V电压供电。本设计采用输出电压为9V的变压器。系统接通220V交流电源后，将220V交流电变压到9V，经过二极管全波整流、电解电容C1，C2滤波，再经正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用了电容C3，C4，最后得到+5V的直流电压，用于给控制系统中单片机系统及其它外围电路的Vcc端供电。.

图2-3 系统供电电路

2.2.3数据采集电路

教室的环境光强度和人体存在与否是系统主要的输入参数，因此教室中的环境光照强度和人体存在成为系统数据采集的主要对象。常见的环境光强度采集器件主要有光敏二极管和光敏三极管，考虑抗干扰的需要，选用灵敏度较高的光敏三极管。此外，人体存在传感器要求灵敏度高，可靠性强。 一、环境光强度采集电路

光电传感器是一种能够将光转化为电量的传感器。采用的光敏三极管除了具有光敏二极管将光信号转化为电信号的功能外，还具有对电信号的放大功能。在

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无光照时，三极管的穿透电流很小，为暗电流，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光照强度变化而变化的电信号。光敏三极管具有灵敏度高，体积小，工作电压低，工作电流小，发光均匀稳定，响应速度快，寿命长等特点。

环境光采集电路原理如图为2-4所示。当环境光照强度大于一定程度时，光敏三极管D6呈现低阻状态≤1KΩ，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。当环境光强度小于一定程度时，光敏三极管D6呈现高阻状态≥100Ｋ，使三极管Q12截止，集电极输出高电平。其中调节R26阻值，可使三极管Q12受环境光强度影响在适当的亮度下导通。

+5vD6PHOTOR2510k p27Q12R26NPN470k图2-4环境光电路

二、人体存在信号采集电路

人体存在传感器采用HP-208-N-L人体感应模块(低电平输出)。基于红外线技术的自动控制产品，灵敏度高，可靠性强，广泛应用于各类自动感应电器中。人体传感器的1号引脚为电源信号端VCC，2号引脚为采集信号输出端OUT，3号引脚为地信号端GND。其硬件连接如图2-5。 HP-208123VCCC680pfp3.3

图2-5 人体存在信号采集电路

HP-208-N-L功能特点：

全自动感应：人进入其感应范围则输出低电平，人离开感应范围则自动延时关闭低电平，输出待机时的高电平。

两种触发方式：a.不可重复触发方式：即感应输出低电平后，延时时间段一结束，输出将自动从低电平变为高电平；b.可重复触发方式：即感应输出低电平

摘 要

后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持低电平，直到人离开后至延时结束，低电平跳变为高电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点).

具有感应封锁时间：感应模块在每一次感应输出后，待延时时间一结束，可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。(此时间可设置在零点几秒—几十秒钟)。

微功耗：静态电流<50微安，特别适合干电池供电的电器产品； 输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接； 技术参数：工作电压：DC4.5V至DC24V均可； 输出低电平：0V，待机时的高电平为3.3V； 延时时间：可制作范围零点几秒—十几分钟； 封锁时间：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米以内； 工作温度：-20—+70度。 2.2.4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，因此本研究还加入硬件时钟电路以保证系统的智能化运行。

考虑到本系统停电时需为时钟电路提供电源、且不占用太多单片机资源，于是采用具有充电能力的实时时钟芯片DS1302，作为临时性存放数据的RAM寄存器。此芯片采用的是串行通信方式，还可为掉电保护电源提供充电功能，也可以将此功能关闭。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2.5V—5.5V。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，其引脚图如图2-6所示。

图2-6 DS1302的引脚图

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各引脚的功能为：

Vcc1：主电源；Vcc2：备份电源。当Vcc2>Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2< Vcc1时，由Vcc1向DS1302供电。

SCLK：串行时钟，输入，控制数据的输入与输出； I/O：三线接口时的双向数据线；

CE：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。

DS1302与单片机接口电路连接如图2-7，其中Vcc2外接3.6V可充电的锂电池，为DS1302的备用电源。Vcc1外接供电模块的稳定输出电压+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，在主电源关闭的情况下，则由Vcc2给DS1302供电，保持时钟的连续运行。X1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SCLK接单片机P1.5引脚，进行时钟控制。。

图 2-7 时钟电路

2.2.5继电器驱动电路

继电器驱动接口电路如图2-8所示，这里继电器由相应的PNP型号的9012三极管来驱动。开机时，单片机初始化后的P3.5、P3.6 为高电平，三极管截止，所以开机后继电器始终处于释放状态。如果P3.5、P3.6 为低电平，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。继电器的输出端并联100欧的电阻和6800皮法电容，目的是避免继电器吸合与释放期间产生火花。继电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管，这种继电器驱动方式硬件结构比较简单。

摘 要

图2-8 继电器驱动电路

2.2.6超时报警电路

本系统采用的超时报警电路如图2-9所示。单片机的P3.4端口外加一个10K的上拉电阻，再经过限流电阻100欧与三极管C945的基极相连。当P3.4 端口为低电平，即基极为低电平时，三极管导通，驱动蜂鸣器发出声音，以示教室灯工作超时。若P3.4端口为高电平，即基极为高电平时，三极管截止，蜂鸣器不工作，教室灯工作正常。本系统采用超时报警电路方便了管理人员对教室灯的管理，能够科学、有效地管理教室电灯。

图2-9超时报警电路

2.2.7按键控制电路

按键控制电路如图2-10所示。按键的输入信号分别接到P2.0，P2.1，P2.2，P2.3，用二极管和与门电路将按键信号引到外中断0的引脚P3.2。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。当按键未按下时，P2.0—P2.3端口的电压接近电源电压，为高电平，当某一按键按下时，对应端口被按纽开关短接到地，为低电平。单片机检测4个端口电平的变化，从而确定是哪个键被按下。键盘工作方式采用中断扫描方式，4个二极管和10K电阻组成与门电路，当任一键按下时，与门输出P3.2引脚的电平都会由高为低。P3.2第二功能是外部中断0的输入引脚，我们利用其电平的变化产生中断，在中断服务程序中读入P2口低4位信号，确定哪个键按下，执行相应的按键功能，

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0.1pf电容和10K电阻组成滤波电路，消除按键的抖动。

图2-10按键控制电路

2.2.8系统看门狗电路

在单片机工作过程中，不可避免的会由于外界的干扰而产生程序跑飞、死机甚至造成整机瘫痪等情况。为了能够及时恢复单片机的工作，只能采用重新复位的方法，因此还应该在硬件设计中使用看门狗电路，这样在单片机发生死机的情况下，看门狗将产生一个复位信号给单片机，使单片机复位，重新执行程序。由于系统同时需要看门狗和EEPROM，所以本设计中使用芯片X5045。

X5045具有三种常用的功能：看门狗定时器、复位控制和EEPROM。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以及高速三线非易失性存储器组合在一起，从而在很大程度上降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求，X5045的引脚排列如图2-11。

图2-11 X5045的引脚图

看门狗定时器的预置时间是通过X5045的状态寄存器的相应位来设定的。如表2.2状态寄存器所示，X5045状态寄存器共有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 状态寄存器

WD1=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，

摘 要

WD1=1，WD0=1，禁止看门狗工作。

看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。

X5045硬件部分连接如图2-12。

图2-12 系统看门狗电路

系统看门狗电路由系统数据存储及故障保护部分组成，X5045是一种串行通信512字节的EEPROM，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低于检测门限时，输出复位信号，X5045输出复位高电平有效，为了复位更加可靠，其复位输出端外接一个10K的上拉电阻，并与AT89S51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。该芯片还带有一个1.4秒的看门狗定时器可用来监控单片机的工作。如果在1.4秒内未检测到其工作，出现故障，内部定时器将使看门狗WD1处于低电平状态，为系统提供保护，避免死机、程序跑飞或进入死循环等意外的发生。

第三章 控制模块软件设计

3.1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叫。监控主程序的基本任务是调用子程序，一个主程序可以调用多个子程序，对于51系列单片机，系统资源有限，主程序通常是一个无限循环的过程，即是一个反复调用子程序的过程。子程序主要分为中断子程序和功能子程序，它们之间可以互相嵌套和调用，即中断子程序可以调用功能子程序。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，并通过主程序调用。而命令处理子程序完成各种命令所规定的具体操作，它按各种命令再分为不同的子程序模块，它的编程方法与功能要求及系统应用密切相关。

监控主程序是整个控制系统的核心部分，其它外围模块一般都需经过监控模块实现其在控制系统中的作用。监控主程序接受和分析来自键盘的命令，进而把控制转到相应的处理子程序的入口，起引导作用。

XIV

本系统监控主程序模块主要包括对系统外围器件输入、输出参数的初始化自检，看门狗的激活，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、驱动显示模块)，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 3.1.1系统自检初始化

系统自检初始化是保证整个控制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。初始化过程主要是对一些控制寄存器(如中断控制)、数据区和外部芯片(如时钟芯片DS1302等)进行初始参数设置和定义。本系统中的自检初始化主要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存器的初始化。

各接口芯片的检测主要检测各芯片是否已处于准备工作的就绪状态，有无硬件故障等，如检测各位LED是否正常显示系统设置开机时的界面，检测硬件时钟DS1302是处于更换芯片后初次使用为起振状态，还是处于备用电源供电振荡保持状态，即检测系统中控制时间表的有效性，检测热释红外传感器输出信号是否正常体现人体存在的信息，检测光采集电路输出的信号等。若时钟芯片处于启动状态，则需要对其进行初始化并启动实时时钟。

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。000单元，程序状态字寄存器PSW清零，片内存储器选择工作寄存器，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.。 3.1.2定时中断处理设计

定时中断是利用单片机内部的定时器定时，时间到或计数值已满引起的中断，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。

定时中断为周期性中断，每隔一定的时间会中断一次。本系统中设定的定时中断主要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保护，可直接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，即该中断可以启动有关的任务操作。该定时中断处理程序框图如图3-1所示：

摘 要

图3-1 定时中断处理程序框图

本系统还采用了外部中断，此外部中断主要用来判断是否有外来信号输入，若有，就采集下来并加以处理；若无，则返回到主循环。

3.2数据采集模块

本控制系统中的数据采集对象为环境光信号及人体存在信号，在程序设计中对这两个数据的采集放置在多任务模块中实施定时采集。 3.2.1人体存在传感器的优缺点

人体存在传感器具有本身不发出任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉的优点。而缺点是容易受各种热源、光源干扰。由于红外穿透力差，因此人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；易受射频辐射的干扰；当环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度就会明显下降，甚至造成短时失灵。试验也证明了这点，如果人体存在却一定时间内没有活动，人体传感器则认为没有人体存在。为避免这种现象的出现，本系统软件程序中设计为有人体存在状态后间隔1分钟或更长的时间来对人体存在参数信号的采集。 3.2.2数据采集软件的实现

本系统考虑到环境光足够亮时，无论是否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，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)，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可以用以下的逻辑关系表来表示，如表所示3.1：

表3.1 环境光与人体存在逻辑关系

环境光参数 0 1 0 1 人体存在参数 0 0 1 1 教室灯状态 0 0 0 1 上表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，

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即可得到教室灯的状态。

3.3时钟模块

在系统启动自检初始化时，首先会对时钟芯片DS1302的运行状态进行判断，当检测到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。 3.3.1数据输入输出

在对DS1302进行各种操作之前，必须先对其初始化，即需要把复位输入RST端置为高电平，如果RST输入为低电平，那么所有的数据传送中止，且I/O引脚变为高阻抗状态。在数据读/写完后，RST端应置成低电平，以防止外部干扰对DS1302内部时钟的影响。

同时，为了防止复位输入端受到外部的干扰，要求上电时，在主电源引脚Vcc2≥2.5V之前，RST必须为逻辑0。无论是读操作还是写操作，都必须在开头的8个时钟周期内把提供地址和命令信息的8位数据装入到DS1302的移位寄存器中。地址/命令信息用于指明40个寄存器中的哪个进行何种操作。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，若跟随的是写命令字节，则在下8个SCLK周期的上升沿输入数据字节，若跟随在读命令字节的8个SCLK周期之后，在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。程序流程如图3-3所示：

摘 要

图3-3数据输入输出流程图

3.3.2时钟程序设计

驱动程序 //寄存器宏定义

#define WRITE_SECOND 0x80 #define WRITE_MINUTE 0x82 #define WRITE_HOUR 0x84 #define READ_SECOND 0x81 #define READ_MINUTE 0x83 #define READ_HOUR 0x85

#define WRITE_PROTECT 0x8E //位寻址寄存器定义

sbit ACC_7 = ACC^7； //管脚定义

sbit SCLK = P3^5； // DS1302时钟信号 7脚 sbit DIO= P3^6； // DS1302数据信号 6脚

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sbit CE = P3^7； // DS1302片选 5脚 //地址、数据发送子程序

void Write1302 ( unsigned char addr，dat ) {

unsigned char i，temp；

CE=0； //CE引脚为低电平，数据传送中止 SCLK=0； //清零时钟总线

CE = 1； //CE引脚为高电平，逻辑控制有效 //发送地址

for ( i=8； i>0； i-- ) //循环8次移位 {

SCLK = 0； temp = addr；

DIO = (bit)(temp&0x01)； //每次传输低字节 addr >>= 1； //右移一位 SCLK = 1； } //发送数据

for ( i=8； i>0； i-- ) {

SCLK = 0； temp = dat；

DIO = (bit)(temp&0x01)； dat >>= 1； SCLK = 1； } CE = 0； }

//数据读取子程序

unsigned char Read1302 ( unsigned char addr ) {

unsigned char i，temp，dat1，dat2； CE=0； SCLK=0； CE = 1； //发送地址

摘 要

for ( i=8； i>0； i-- ) //循环8次移位 {

SCLK = 0； temp = addr；

DIO = (bit)(temp&0x01)； //每次传输低字节 addr >>= 1； //右移一位 SCLK = 1； }

//读取数据

for ( i=8； i>0； i-- ) {

ACC_7=DIO； SCLK = 1； ACC>>=1； SCLK = 0； } CE=0； dat1=ACC；

dat2=dat1/16； //数据进制转换 dat1=dat1； //十六进制转十进制 dat1=dat1+dat2*10； return (dat1)； }

//初始化DS1302 void Initial(void) {

Write1302 (WRITE_PROTECT，0X00)； //禁止写保护 Write1302 (WRITE_SECOND，0x56)； //秒位初始化 Write1302 (WRITE_MINUTE，0x34)； //分钟初始化 Write1302 (WRITE_HOUR，0x12)； //小时初始化 Write1302 (WRITE_PROTECT，0x80)； //允许写保护 }

3.4显示驱动模块

系统运行过程中的数据显示是人机交互对话的一个重要通道。通过的显示系统数据，我们才可以更好的了解系统运行的状态，从而方便对整个系统进行必要的操作。本系统中采用共阳极的数码管，其中采用ULN2803作为驱动数码管的

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段选的芯片，采用简单又便宜的9012三极管来驱动数码管的位选，节约成本，程序编写简单。

考虑到数码管驱动信号要求的电流较大，采用功率驱动器件ULN2803芯片。此芯片是八组NPN型达林顿功放三极管集成芯片，典型的输入电压是5V，集电极输出功率可达50V×0.6A。因此采用ULN2803共阳极数码管的段信号驱动器。而共阳极数码管的位信号驱动则采用8个晶体管9012来实现。又由于ULN2803为低电平驱动，所以数据送到单片机端口前，应在程序中先将数据取反。然后将数据送到ULN2803输入端相连接单片机的P0端口即可。

每次先送一位要显示的数据字节，然后再送该位数码管的地址字节，直到8位显示完全。

本系统在运行过程中需要显示查看的数据有时钟及显示数值。正常工作中8位显示器显示实时时钟，显示小时、分钟、秒，其中有两位用来显示“—”，用以分隔显示小时、分钟和秒，这样显示更加清晰。

第四章 系统调试运行及问题分析

4.1单片机系统调试方法及步骤

单片机系统的调试应包括硬件及软件两部分，主要是通过调试发现硬件及软件中存在的问题，查看其运行结果是否符合设计要求。

在对系统进行实际调试时，首先应对硬件进行静态调试，同时对系统软件进行初步调试，此后再对软件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：静态调试主要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，要保证各处电源极性、电压正确，以防止因电源极性接反或电压过高损坏芯片或传感器。此外，插入芯片必须在断电的情况下进行，特别注意芯片的方向不要插反。

(2)软件调试：在软件调试时采用在计算机上利用模拟软件实现对单片机的硬件模拟、指令模拟及运行状态模拟，从而完成应用软件开发的全过程。调试过程中的运行状态、各寄存器状态、端口状态等都可以在指定的窗口区域显示出来，通过这些显示结果随时跟踪程序运行状态，以确定程序运行无错误。

(3)动态调试：控制系统的软件和硬件是密切相关的，由于软件模拟开发系统不能对硬件部分进行诊断，同时也不能实时在线仿真，所以用户程序还需跟硬件连接起来进行联调，同时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。

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，这时就能单步或连续地执行目标程序，同时也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，也要及时纠正修改。

摘 要

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下示：

图4-1电源调试

4-3按键电路调试 XXII

图4-2单片机最小系统调试 图4-4显示电路调试

图

图4-5采集电路调试

4.2主要问题分析

在本系统的调试过程中遇到的主要问题的分析与解决方案。 1．电源供电电路中集成稳压器温度过高。

分析解决：稳压器温度过高的原因之一是：变压器整流滤波后加到集成稳压器上的电压较高，使7805上的压降过大。此问题可通过选用输出电压低些的变压器，并在集成稳压器前串入两只二极管降压，同时增大散热片来解决。

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：人体存在传感器输出高电平的电压偏低，单片机会产生误判，或采集不到正确的信号，于是在人体存在传感器的输出端加一个100KΩ的上拉电阻。

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。继电器驱动电路中还需注意的是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。

5．每次开机插上电源后，硬件时钟显示的时间都从所设初始值开始计时。 分析解决：硬件时钟显示的时间不正常。

解决办法：一方面是充电电池没有充电功能；另一方面是应对硬件时钟进行

摘 要

自检。

第五章 总结与展望

5.1总结

该教室灯光系统的控制是以AT89S51单片机芯片为核心，通过相关电路的驱动，完成对系统设备(电灯)的控制，采用一个二极管闪烁显示整个系统的工作状态，实现了对教室灯光的自动开灯、关灯控制。系统控制单元的硬件电路中多采用集成电路(ULN2803，DS1302，X5045等)，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。系统的硬件及软件设计，经实验初步证实了系统具有很好的稳定性，提高了电能的利用率。

在保证稳定、可靠工作的前提下，硬件设计上尽量采用性价比高的元器件，以降低成本。软件设计上采用多任务形式对信号的采集、处理，达到最终控制灯光的目的。

本控制系统与已有的教室灯光配套使用时，不需要对原有设备电路进行大的改动，以降低实现教室灯光智能控制的成本。

5.2展望

由于教室大小面积各不相同、教室灯光数量不一，教室内部安装智能控制装备的数量也会有所不同，特别是人体传感器使用的数量受面积的影响更大，一套教室灯光控制系统的应用也只是在有限的范围内。若教室面积很大，超过人体传感器辐射范围，这样采集的信号可能会不够准确，进而影响控制设备的运行。为防止这种现象发生，使系统更加可靠，最好采用多个人体传感器。

人体传感器一般采集的是有活动的人体，若人体静止时，如坐着看书没有活动，这时人体传感器是不会有信号输出的，故而最好将人体传感器装置设计成在系统运行过程中能够摆动。

本系统中，人体传感器采集的信号与环境光采集的信号相互间有着密切联系。最好能将人体传感器与环境光采集电路集成到一起，简化电路，从而简化软件程序。

初步试验证明，本系统适用性较好，可以应用于教室、楼道和办公室中。

致 谢

在论文完成之际，我首先向关心、帮助和指导我的谭伟东老师表示衷心的感谢并致以崇高的敬意！

在论文设计过程中，一直得到谭伟东老师的亲切关怀和悉心指导，使我顺利的完成论文。谭伟东老师以其渊博的学识、严谨的治学态度、求实的工作作风和敏捷的思维给我留下了深刻的印象，我将终生难忘。再一次向他表示衷心的感谢，

XXIV

感谢他为学生营造的浓郁学术氛围，以及学习、生活上的无私帮助!

在学校的学习生活即将结束，回顾两年多来的学习经历，面对现在的收获，我感到无比欣慰。为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢!

特别感谢我的师兄以及师姐对我的学习和生活所提供的大力支持和关心!还要感谢一直关心帮助我成长的室友！

在我即将完成学业之际，我深深地感谢我的家人给予我的全力支持！ 最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授!

参考文献

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6．瞿贵荣.热释电红外传感器的结构原理及特性，家庭电子爱好者，

7．樊贵卿，李庆武，靳建华，串行实时时钟芯片DS 1302程序设计中的问题与对策，电子技术应用2005.2

8．冀兰风.芯片X5045在智能化互感器检验仪中的应用，电子技术，1998 9．刘大茂.严飞.单片机应用系统监控主程序的设计方法.福州大学学报，1998

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