基于单片机的教室灯光自动控制器的研究

毕业设计专业：电气自动化班级学号：08电气自动化学生姓名：龙广龙指导教师：杨红基于单片机的教室电灯自动监测器设计目录第1节引言1.1教室电灯自动监测器概述1.251系列单片机(型号:STC89C51)简介1.3外扩存储器芯片简介1.4系统实现的主要功能1.4.1自动模式1.4.2延时模式1.5自动监测功能实现方案第2节系统主要硬件电路设计2.1原理图与原理框图2.2主控板电路模块2.2.1单片机工作模块2.2.2时钟模式2.2.3蜂鸣报警器模块2.2.4键盘控制模块2.2.5后备供电电源模块第3节系统软件设计3.1程序流程图3.2系统主程序设计3.3加减人数子程序设计3.4设定时钟段程序设计第4节结束语第5节致谢参考文献第1节引言随着社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平也不断提高，导致用电负荷的加剧，能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。而此问题对我国来说尤为严重。随着教室的扩建，教室照明的需求也越来越多，而教室照明的管理不到位，往往造成电能的巨大浪费，这样，提高教室用电效率就成为首要考虑的问题。目前对电灯的智能控制，国外已经开始采用，但对教室电灯的控制，尤其是我国教室电灯的智能控制尤为缺乏和不完善，依然是传统式的人工管理。教室不断扩建，教室的用电负荷不断加大，教室用电管理不善，造成学校电能浪费，经济损失，这种的浪费与当今的节约能源理相违背。并且，现代自动化程度不断提高，电灯的管理也在朝着自动化、智能化方向发展，于是，开发简便实用的教室电灯自动控系统便具有重要的现实意义。该电灯自动监测器的系统设计原理，提出了51系列单片机为核心，控制DS1302时钟芯片电路以及数码显示管、蜂鸣报警器的硬件设计和软件设计方案，该系统具有体积小，控制方便，可靠性高，专用性强，性价比合理等优点，可以满足各类大、中专院校教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能目的。1.1教室电灯自动监测器设计概述针对教室电灯的能源节省，尤其是教室电灯的智能控制方面的发展现状，分析了教室电灯智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机的教室电灯智能控制系统的设计思路，并在此基础上制作出智能控制系统的硬件装置和相应软件。该系统以AT89C51单片机作为主控制装置的智能部件，令设计延时作为子程序,该延时采用加法器按键，进行加减进入教室的人数(原想使用热释红外人体传感器检测人体的存在，但考虑到实际，因为改用加法器按键)，在每次下课后监测到电灯未关，一分钟后发出报警提示音，提醒教室人员离开时关闭教室电源；发出报警时可以选择延时关闭、立即关闭、或不与理睬。若选择延时关闭或立即关闭时，报警器都会停止报警。立即关闭时，人工切断电源，系统不再作监测；延时关闭时，系统会一直监测教室人数，如发现无人时会自动关闭电源。不与理睬时系统会持续报警10分钟，并在10分钟后自动切断电源。1.251系列单片机(型号:STC89C51)简介AT89C51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片内时钟振荡器。此外，AT89C51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求图3-1AT89C51芯片引脚图其主要功能特性：兼容MCS-51指令系统4k可反复擦写(1000次）FlashROM32个双向I/O口4.5-5.5V工作电压2个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz全双工UART串行中断口线128x8bit内部RAM2个外部中断源低功耗空闲和省电模式中断唤醒省电模式3级加密软件设置空闲和省电功能双数据寄存器指针EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U2AT89C51可以看出AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个数据指针，两个16位定时器/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，以及片内振荡器和时钟。同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式时停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式是在RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到一个硬件复位。1.3外扩存储器芯片简介特殊功能寄存器：特殊功能寄存器的片内空间分布如下图3-3所示。这些地址并没有全部占用，没有占用的地址不可使用，读这些地址将得到一个随意的数值。而写这些地址单元将不能得到预期的结果。中断寄存器：各中断允许控制位于IE寄存器，5个中断源的中断优先级控制位于IP寄存器。表3-3为AUXR辅助寄存器。ARXR地址=8EH复位状态=XXX00XX0BNotBitAddressable———WDIDLEDISRTO——DISALEBit76543210—保留为将来扩展用途位DISALEALE禁止/使用DISALE操作模式0ALE输出1/6震荡时钟频率脉冲1ALE仅在执行MOVX或MOVC指令期间输出脉冲DISRTO禁止/使能复位输出DISRTO0复位引脚在WET溢出时变高1复位引脚仅为输入WDIDLE禁止/使能IDLE模式的WDTWDIDLE0IDLE模式WDT继续计数1IDLE模式WDT停止计数双时钟指针寄存器：为方便地访问内部和外部数据存储器，提供了两个16位数据指针寄存储器：PD0位于SFR区块中的地址82H、83H和DP1位于地址84H、85H，当SFR中的位DPS=0时选择DP0,而DPS=1时选择DP1。在使用前初始化DPS。表3-4双时钟指针寄存器AUXR1地址=A2H不可寻址位复位状态=XXXXXXX0B———————DPSBit76543210保留为今后扩展用途DPS数据指针选择位DPS0选择DPTR寄存器DP0L.DP0H1选择DPTR寄存器DP1L.DP1H电源空闲标志：电源空闲标志（POF）在特殊功能寄存储器SFR中PCON的第4位（PCON.4）,电源打开时POF置“1”,它可由软件设置睡眠状态并不为复位所影响。存储器结构：MCS-51单片机内核采用程序存储器和数据存储器空间分开的结构，均具有64KB外部程序和数据的寻址空间。程序存储器：如果EA引脚接地（GND），全部程序均执行外部存储器。在AT89S51,假如接至VCC（电源＋），程序首先执行从地址0000H－0FFFH（4KB）内部程序存储器，再执行地址为1000H－FFFFH（60KB）的外部程序存储器。数据存储器：在AT89C51的具有128字节的内部RAM，这128字节可利用直接或间接寻址方式访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进行，128字节均可设置为堆栈区空间。1.4系统实现的主要功能教室电灯自动监测器可实现有效的教室电灯智能控制,结合学校的作息时间对教室电灯进行实时控制，达到方便和节约能源的目的。能自动关闭电灯及及时提醒教室内的同学关闭电源，同时为考虑到下课后仍有同学在教室内自习，必须进行延时关闭电灯，因此该系统存在两种模式：自动模式和延时模式1.4.1自动模式系统复位默认工作在自动控制模式，模式是结合学校作息的时间段,在每节课下课一分钟后,发出报警提示音,提醒教室内的同学离开时关闭教室电灯电源。（即下课时间为10：00，报警提示音将在10：01分进行响起提示。）达到节约用电的效果。发出报警提示音后，可以选择立即关闭、延时关闭、或不予理睬。当选择立即关闭时，人工切断电源，系统将不再作监测；当选择不予理睬时，系统报警提示音将会持续报警10分钟，并在10分钟后自动切断电源。（即下课时间为10：00，报警提示音将在10：01分进行响起提示，当选择不予理睬时，系统在10：11分自动切断电源。）若选择延时关闭，即进入到延时模式，通过报警提示音后的三种选择，体现了系统设计的灵活性。1.4.2延时模式系统正常工作的情况下，通过按下延时按钮，就能对电灯进行延时模式的控制。系统考虑到下课后，同学因某种需求留在教室自习，那么必须延时系统对电灯的监测，直到教室无人后自动关闭电灯。假设下课时间为10：00，报警提示音将在10：01分进行响起提示，当选择延时关闭模式后，系统会一直监测教室内的人数，若发现无人后即自动关闭电源。（进入教室与走出教室人数的监测，将由按钮模拟人数进入和走出进行加或减。）1.5自动监测功能实现方案分析所研制的监测器以结合学校作息时间和教室进出人数作为监测器的主要监测参数。可以实现自动模式与延时控制相兼容。在正常上课作息时间段内，设定相应的下课报警提示音,提醒学生及时关闭电源；在考虑到学生大意并不予理睬报警提示音时，将延时一定时间后关灯。同时，还要按考虑下课后仍有学生留下自习来控制，若还有人存在，则进入延时模式运行，改用按钮加减人数手动控制，以解决因特殊情况下，自动控制器的不人性化运行。本文所做的教室电灯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，达到控制器自动与手动相结合的教室电灯智能控制。第2节系统主要硬件电路设计2.1原理图与原理框图图2-1考虑到本监测器所安装的物理影响因素比较多，且教室控制设备中的进出人数会因上课情形变化而不稳定，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。下图为原理框图：2.2系统主要硬件电路设计系统控制单元是以单片机主控模块为核心，其它外围电路主要包括：AT89C51单片机主控制模块、系硬件时钟模块、蜂鸣器报警提示音模块、按键模块、后备电源模块、延时模块数码管驱动显示模块、主电路原理图见图2-1所示。2.2.1单片机工作电路及时钟输出电路AT89C51键盘输入复位电路电源输入时钟电路报警电路延时电路本系统的主控模块主要采用51系列单片机型号为STC89C51作为主控芯片。89S52引脚外围器件引脚说明VCC：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号校验期间，P1接收低8位地址。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。在访问８位地址的外部数据存储器（如执行：MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内（也即特殊功能寄存器，在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2也接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口