教室照明智能控制系统______毕业论文
设计任务书
一、设计题目：教室照明智能控制系统
二、设计要求：
设计一个教室照明智能控制系统，通过多种传感器采集室内光线、人数分布等信息，利用控制电路调节照明强度，实现节能控制。
三、设计任务
1.画出电路原理图。
2.编写设计说明书，1万5千字以上，包括：
（1）设计任务书
（2）前言
（3）目录
（4）正文，包括：
设计思想、电路工作原理、元器件选择、电路元器件参数、总结、参考资料等
版面，正文5号或小4字号，章标题小2加粗，节标题小四加粗。
前言
本设计针对教室灯光的控制方法，尤其是教室灯光的智能控制方面的发展现状，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机的教室灯光智能控制系统的设计思路，并在此基础上开发了智能控制系统的硬件装置和相应软件,以达到学校教室用电设备的合理使用，节约电能以及改善教学管理的目的。
设计应用了先进的电子技术、网络技术、自动控制技术以及实用的软件平台，成功地设计了一套功能完善的智能教室照明动控制系统。由传感探测单元、通讯网络RS-232、控制单元构成了整个系统。智能教室照明控制系统核心器件采用AT89S51单片机采集数据，并由控制系统实现对教室光照度、学生人数、教室使用状态等的监控与显示，并对教室内部用电设备进行合理控制和管理，达到教学楼教室照明控制的智能化和节约化的目标。
本系统将单片机控制系统与网络技术结合起来，各组成部分包括硬件和软件设计的结构、功能与实现方法。最后通过RS-232方式实现与上位机通信，实现数据的远程传输及上位机对教室照明状态的控制，完成一个智能教室照明控制系统。
关键词：智能控制；热释电效应；光照检测；AT89S51
Foreword
This design control method aiming at classroom light, particularly the development present condition that the intelligence of classroom light controls, analyzed the principle of the classroom light intelligence control and carry out a method, design way of thinking put forward intelligence to control system according to the classroom light of the list slice machine, and developed the hardware device of intelligence control system and correspond software on this attain classroom in the school is used to give or get an electric shock an equipments of reasonable use, the purpose of economy electric power and improvement teaching management.
Designed to apply the forerunner's electronics technique, network technique and automatic control technique and practical software platform, successfully designed a set of intelligence with perfect function classroom lighting to move to control spread feeling to probe into unit, the communication network RS-232 and controled unit to constitute the whole intelligence classroom illuminates to control system core a spare part adoption AT89 S51 list slice the machine collect a data, and use to give or get an electric shock an equipments to carry on reasonable control and management to the classroom inner part, attain
teaching building the classroom illuminates a control of the intelligence turn and economize the target for turning.
This system list slice the machine control system and network technique knot to put together, each constitute the part includes a hardware and software design of structure, function and carry out a pass method RS-232 realization and place of honor machine correspondence, carry out the long range of data to deliver and the place of honor machine illuminate the control of status to the classroom and complete lighting in an intelligence classroom control system.
Keyword:the intelligence controls;is hot to release to give or get an electric shock an effect;only shine on an examination;AT89S51
目录
设计任务书......................................................................................................................... 前言.................................................................................................................................. I 一、设计思想. 0
课题背景 0
设计主要目的 (1)
二、系统总体方案 (1)
总述 (1)
系统总体构成 (2)
系统实现功能 (3)
三、教室控制与检测单元设计 (4)
总述： (4)
教室控制单元的设计与通信 (6)
控制单元的核心器件 (6)
现场人机交互模块 (9)
RS-232串口通信 (11)
教室检测单元数据采集与处理 (13)
光照信号采集与处理 (13)
光照检测接口电路 (14)
红外数据采集与处理 (15)
开关控制电路设计 (18)
四、教室节能系统软件设计 (20)
总述 (20)
光照度采样及模数转换子程序 (21)
显示子程序 (22)
串行通讯程序设计 (23)
教室内人数分布信息处理 (25)
显示与通信 (26)
总结 (26)
致谢 (28)
附录 (29)
附录A 主程序 (29)
附录B设计原理电路图 (45)
一、设计思想
课题背景
随着计算机网络、通信、控制等技术的发展,智能建筑的发展越来越迅猛。目前，国内大多数智能建筑存在效率低、能耗高的现象。就智能建筑的照明系统来说，许多地方的灯经常是从早到晚开着的，不管这些房间或楼道是否有人，也不管有多少人。或者，当自然光照度很好时，灯不能及时关闭；反之，当自然光照度难以满足人的需求时，又不能及时打开灯光。这种照明方式，不仅造成能源的浪费，而且不能满足人对照明的基本需求，同时也给人的视力造成了很大的影响。
各类大、中专院校不断扩招，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念相违背。再者，现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，灯光的管理也在朝着自动化、智能化方向发展。的自动控制等等。所有这些使得教室灯光控制也应该朝着智能的方向发展。于是，开发简便、实用的教室灯光自动控制系统便具有重要的现实意义。
部分学校也意识到了教室照明中存在的巨大浪费，采取了各种各样的管理方式，企图来杜绝这种浪费。如:费用包干制、任课教师负责制、组织勤工俭学学生或聘用专职人员进行专门管理，拉闸限电等等。许多学校都采取过这些方法，但始终没能长久坚持下去，也就没有取得理想效果。其次，学生对教学楼教室的利用状况的未知往往造成有些教室人满为患，有些教室无人问津的状况。从而由于管理不当而影响教学资源分配等种种问题。
设计主要目的
针对目前学校教学楼用电设备控制和教学管理不足的现状，以提高教室用电设备控制的自动化和教学管理的效率为目的，开发了一套功能较完善的基于总线的智能教室照明控制系统。本系统应用先进的电子技术、网络技术、自动控制技术以及实用的软件平台。智能教室控制系统采用单片机实现对教室光照、自习学生人数等的数据采集，并由RS-232和上位机（计算机）的通讯，实现教室使用状态监控与显示，并对教室内部用电设备进行合理控制和管理，达到高校教学楼教室控制的智能化和节约化的目标。
二、系统总体方案
总述
教室节能系统采用单片机和上位机组成的系统对学校教室照明设备进行控制和管理，教室亮度的检测、教室学生人数的统计、教室室使用状态的监控。整个系统由教室检测单元、控制单元、通信单元等组成。单片机可以实现对教室内的教室检测控制元所采集到的信息的接收、处理，并且由LCD显示教室状态，从而可以很轻松的对教室用电设备开关状况、照强度、自习学生人数，教室使用状态等进行实时监控和统计。对于通讯网络部分，教室信号通过RS-232串行方式与上位机通信。检测控制单元：照明强度采集是采用AD0809与单片机构建的数据采集网络，教室是否有人和人数是用热释电传感器通过检测电路与单片机相连进行数据采集。
系统总体构成
a: 传感探测单元
热释电红外探测传感器组件，该组件由三个部分组成：热释电传感器，匹配低噪放大器，菲涅尔光学系统。该组件本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小、隐蔽性好、价格低廉。可见光探测组件，可见光探测组件由一些常用光敏器件和晶体管组成。特别说明：这个组件必须置于本照明控制器控制照明的范围之外，用于探测自然光的有无及强弱（可根据需要进行调整），为控制器提供控制灯具亮、灭的依据。
b：微控制与通信单元
控制器单元主要对该教室检测控制单元进行集中操作管理、状态显示、通讯控制和维护该每间教室的用电对象，并协调各检测控制单元之间的数据传送，提高整个智能教室控制系统的可靠性。
通讯网络是保证整个智能教室控制系统远程控制正常运转的关键，所有的教室检测的数据和教室使用状态都连接在通讯网络的平台上，最终与计算机单元相连，实现远程的监控与显示。本系统利用计算机的串行口和单片机的串行通讯的功能，采用RS-232向上位机完成信息传输实现教室控制单元显示和集中管理。上位机通过RS-232串行通讯线来读取教室中的基本信息，同时每个教室控制单元中所采集的相关数据信息，并对所采集到的信息做基本显示的功能。
c: 软件实现
对教室人数进行进行实时计数，同时对光照度进行采样，并通过程序由单片机控制，并在LCD上显示当前人数和教室照明灯开关状态。当光照度低于设定值范围内时，再根据教室人数自动打开照明灯经串口RS-232
传到上位机。例如：当光照度高于设定值在单片机控制下自动关闭照明灯。系统实现功能
智能教室控制系统的设计的目的就是为了实现教室用电设备的合理使用，节约能源以及改善教学管理，提高教室使用效率。在设计过程中，作者将整个系统分为了上述的三个部分，系统可以实现的功能则可以概括为以下几个方面：
a: 教室检测控制单元数据采集
系统的底层设备教室检测控制单元具有自动采集和命令采集两种模式。自动定时采集就是教室检测控制单元可以根据内部时钟设置对教室进行循环采集数据，由控制器通过RS-232通讯信道将根据需要采集相应的数据信息传送到上位机，上位机再经RS-232通讯信道传送把命令传输到教室检测与控制单元。
b: 教室远程端控制功能
在远程控制中，往往都要使用远程控制软件。而这样的软件一般分为两部分，一部分在本地主机上安装，使上位机成为控制端，另一部分在现场控制器上安装，使现场控制器为服务端，也就是被控制端。通过网络，在计算机与控制器之间建立起一条数据交换的通道，从而使得控制端可以向服务端发送指令，操纵服务端完成特定的工作。在此时，现场控制器负责发送指令和显示远程计算机执行程序的结果，而运行程序所需的系统资源均由上位机机负责。系统采用了原有的教室内部用电设备控制系统，在此基础上的教室远程监控系统可以根据采集到的数据对教室实施相应的命令，使得教室的用电设备能够及时地开或关，实现节能目的。
c: 数据与教室状态的显示
在这里显示任务包括整个智能教室控制系统各采样点数据：光照度、人数、照明灯的状态。由于教室控制系统的设计了自动-手动按键，有特殊情况管理人员可不必去现场只需单击此按键即可从上位机界面直接进行调整，并随时能获知各个教室实际的总体情况。这里使用LCD1602完成显示任务。
三、教室控制与检测单元设计
总述：
（1）教室检测控制单元是智能教室控制系统中重要的部分之一，一方面，教室检测控制单元具有对教室内数据的采集、处理、存储等功能，并响应楼层显示控制单元通讯查询的命令，另一方面，教室检测控制单元根据楼层显示控制单元和中央计算机单元的具体要求控制照明灯等用电设备。教室检测控制单元硬件接口电路如图所示。
（2）教室检测控制单元采用模块化设计，其主要部分为数据采集模块、继电器开关模块、现场人机交互模块、串口通讯模块、现场设备控制模块、电源模块等。系统的电源采用专用芯片将220V交流电转换成+5V，从而给控制节点中的ADC0809及单片机和继电器供电。教室检测控制单元组成框如图所示。
图智能教室控制系统整体组成框图
本系统中教室检测控制单元具体主要功能有：
1 、教室检测控制单元实现对教室内光照强度、进入教室的学生人数的数据采集，通过数据的转换和处理，可送入到楼层显示控制单元和计算机单元。
2 、教室检测控制单元中光照传感器将采集到的电压值和设定电压相比较从而自动完成对教室内是否开启/关闭照明灯组的操作，实现系统中节约电能的目的。
3 、通过手动控制教室检测控制单元中的按键可对教室内照明灯的现场开启/关闭操作。
4 、教室检测控制单元中LCD显示教室内用电设备的开关状态。
5 、通过RS-232总线完成单片机与上位机控制单元的通讯。
6 、可接收计算机的命令并实现相应的控制信号的传输。
教室控制单元的设计与通信
控制单元的核心器件
（1）单片机AT89S51
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，它具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes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。
主要特性：
? 8031 CPU与MCS-51 兼容
? 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)
?全静态工作：0Hz--24KHz
?三级程序存储器保密锁定
? 128*8位内部RAM
? 32条可编程I/O线
?两个16位定时器/计数器
? 6个中断源
?可编程串行通道,
其管脚分布如图所示。
图 AT89S51引脚图
复位电路：
RST引脚对地电阻为40-220千欧姆，因此在RST引脚和电源VCC之间接一容量为10-22微法的电容后，即可构成最简单的RC复位电路。如图复位电路所示。
图复位电路
（2）模数转换器件A/D0809
A/D0809是8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右。ADC0809引脚图如图所示。
图 ADC0809引脚图
A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。
（1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。
（2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。
（3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。
（4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。
（5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。
（6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机。
现场人机交互模块
人机交互模块包括按键、LCD显示（图中没有画出）。人机交互部件可以实现在教室内对教室检测控制单元进行手动操作控制，并通过LCD显示观察到当前教室用电设备开关状态。这里采用字符型液晶显示模块，它是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。下面以长LCD1602字符型液晶显示器为例做介绍。一般1602字符型液晶显示器实物如图：
图 LCD1602字符型液晶显示器实物图
1602LCD主要技术参数：
显示容量:16×2个字符
芯片工作电压:—
工作电流:
模块最佳工作电压:
字符尺寸:×(W×H)mm
引脚功能说明
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表所示:
表引脚接口说明表
第2脚：VDD接5V正电源。
第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：背光源正极。
第16脚：背光源负极。
人机交互模块中使用两个按键，这两个按键都采用微动开关，此开关一端通过与门接单片机的INT1脚，另一端接地；即通过单片机的外部中断来执行手动操作，它也可做为一般的按键使用。
按键接口电路图如图所示。两个按键分别是: 自动-手动键、全开-全
关键。通过控制模块上的开关按键并由第二排LCD显示(显示O <关>/C<开>)教室照明灯的开关状态。
图按键接口电路
RS-232串口通信
串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议。在进行串行通信接口设计时，主要考虑的问题是接口方法、传输介质及电平转换等。大多数计算机包含两个基于RS-232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。
(1) RS-232是实现单片机和计算机通信的接口，相当于一个桥梁作用，和是STC89S51的两根全双工串行通信传输线，其中RXD（）为输入线、TXD（）为输出线。从理论上讲，它是可以实现全双工工作的，但CPU是不可能同时执行“接收”和“发送”两种指令的，因此该“全双工”的定义只是对串行接口有独立的接收通道和发送通道而言。发送缓冲器只能写
入发送数据，但不能读出；接收缓冲器只能读出接收的数据，但不能写入。当然也可以用其它口模拟串口协议实现串口通信，但没有使用AT89S51自己提供的串口方便。接口如图：
图 RS-232通讯接口
(2) MAX232CPE
MAX232CPE是用于完成计算机232端口数据电平转换，连接CMOS 电路的，换言之，如果离开它，我们就无法用软件监控电源状态了（需要串口返回信号）。MAX232CPE完成232电平与TTL电平转换，提供一个本地接口，为调试和维护提供方便。TXD接SX52的RA2脚，RXD 接SX52的RA3脚，RS-RXD和RS-TXD是RS232电平，为标准串口电平。数据可以从串口输入到单片机SX52，SX52再把数据送到RTL8019AS 传出去。
教室检测单元数据采集与处理
光照信号采集与处理
教室检测控制单元数据采集模块对教室内光照强度、教室的学生人数，教室内的灯状态，主要通过光照传感器、红外传感器来完成，各器件将检测到的非电量转化成各自对应的电量进而传送给单片机进行处理，单片机可实现对各传感器的定时采集并根据设定值进行比较处理。同时通过通讯接口将处理后的数据向上位机控制单元传送。也可通过该通讯接口，上位机单元发出的控制指令，现场控制单元实现相应的控制命令操作。
（1）光电检测器件选择
目前，在光电检测技术中常用的一些光电检测器件有光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管等，选择光照传感器可根据参考表来进行比较选择。
表各种光电器件特性比较
光敏电阻和其它光电检测器件相比具有以下特点：
a)灵敏度高，光电导增益大于1。
b)工作电流大，可达数毫安。