摘 要：為了方便教師實(shí)時(shí)了解實(shí)驗(yàn)室(教室)人數(shù)，采用STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)智能地控制實(shí)驗(yàn)室中各種電源的使用情況，可實(shí)現(xiàn)以下功能：通過中斷方式使用紅外光電開關(guān)實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)室人數(shù)并根據(jù)人數(shù)控制實(shí)驗(yàn)室中燈和實(shí)驗(yàn)桌的電源，通過電腦控制實(shí)驗(yàn)室電源的使用情況；并采用2次定時(shí)刷新鬧鐘定時(shí)的方式和時(shí)鐘芯片與單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器混合控制方式，使得到達(dá)放學(xué)時(shí)間自動(dòng)播放音樂，延時(shí)關(guān)閉電源，同時(shí)能顯示實(shí)驗(yàn)室溫度，可通過電腦查詢實(shí)驗(yàn)室人數(shù)等。該系統(tǒng)現(xiàn)已完成，實(shí)驗(yàn)表明達(dá)到了預(yù)期效果。



關(guān)鍵詞：單片機(jī)； 智能實(shí)驗(yàn)室； 紅外； 定時(shí)光電開關(guān); 內(nèi)部定時(shí)器

中圖分類號(hào)：TN702-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2012)01-0175-03

Study of intelligent laboratory management system based on SCM



WANG Zi-yuan， JIANG Ling， YIN Wen， YU Wei， WU Mei

(College of information Science and Technology， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China)



Abstract：

In order to enable instructors to know the population of a laboratory (or classroom)， an intelligent system employing STC89C52 SCM is designed to control the power supply of the laboratory intellectually. This system accumulates the population and the number of lights in the room by controlling two infrared photoelectric switches which is connected with interrupted way. The computer software detects the use of the power supply. The system employs the methods of refreshing the program of alarming and the mixing control of timing chip and inner timing module of SCM to play music and turn off the light if the class is over. At the same time， the ambient temperature can be displayed on the LCD. The control system can be used in the micro-electronics laboratory in our university.



Keywords： SCM; intellectual laboratory; infrared; timing photoelectric switch; inner timing module





收稿日期：2011-10-26

基金項(xiàng)目：江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃(教改)創(chuàng)新基金支持(164070502)

21世紀(jì)，能源問題日益突出，節(jié)能環(huán)保已成為諸多設(shè)計(jì)所必須考慮的一大因素。該設(shè)計(jì)就是以有效提高實(shí)驗(yàn)室燈光和各種電源利用率為目的，采用紅外計(jì)數(shù)，在不同情況下分別提供相應(yīng)的照明和電源的供給，避免了人少開多組燈、使用多組儀器以及人員離開忘記關(guān)閉儀器等浪費(fèi)，節(jié)能的同時(shí)，提高設(shè)備使用壽命，可有效地達(dá)到自動(dòng)關(guān)閉電源目的，有效地防止火災(zāi)，同時(shí)該系統(tǒng)還可以顯示房間例如溫度、日期等詳細(xì)情況。該系統(tǒng)可在圖書館、教室、會(huì)議室、作為大型公共場(chǎng)所的中央控制設(shè)備。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)以及功能

該系統(tǒng)通過單片機(jī)控制DS12C887時(shí)鐘芯片準(zhǔn)確計(jì)，利用DS18B20(1-Wire)與單片機(jī)相連實(shí)現(xiàn)溫度采集[1]，并在液晶芯片12864上顯示出時(shí)鐘和室內(nèi)溫度，控制溫度，當(dāng)溫度達(dá)到25 ℃時(shí)自動(dòng)閉合空調(diào)電源，允許使用空調(diào)。一般情況下，在計(jì)時(shí)到7：00(可以人工以獨(dú)立按鍵方式調(diào)節(jié)時(shí)間)時(shí)，自動(dòng)播放起始音樂并閉合總電源，測(cè)試房間內(nèi)溫度。當(dāng)計(jì)時(shí)到21:55時(shí)播放結(jié)束音樂，并在22:00時(shí)關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)。在平時(shí)控制電源時(shí)，該系統(tǒng)將有兩種工作狀態(tài)：自動(dòng)控制狀態(tài)和強(qiáng)制狀態(tài)。

1.1 自動(dòng)控制狀態(tài)(默認(rèn)狀態(tài))

在實(shí)驗(yàn)室門口安裝兩個(gè)紅外傳感器[2-3]控制，分別設(shè)為1和2，當(dāng)人先通過1再通過2的時(shí)候設(shè)為進(jìn)人，反之則為出人。使用光敏電阻，當(dāng)室內(nèi)亮度低于正常要求且有人時(shí)，可開通照明電路。當(dāng)有人在天氣較暗(或者夜晚)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，該系統(tǒng)通過繼電器[4]控制實(shí)驗(yàn)桌電源的開關(guān)和照明電路的閉合狀態(tài)。當(dāng)人數(shù)為1~10人時(shí)，開實(shí)驗(yàn)室其中的1盞燈，5張實(shí)驗(yàn)桌電源閉合，可供使用；人數(shù)在10~20時(shí)，開2盞燈，10張實(shí)驗(yàn)桌可供使用……根據(jù)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室人數(shù)智能確定可供使用實(shí)驗(yàn)桌數(shù)量以及當(dāng)天氣較暗時(shí)，所開日光燈數(shù)目。當(dāng)人數(shù)重新變?yōu)榱愫螅?0 min后，喇叭報(bào)警，繼電器閉合，燈滅，所有已開實(shí)驗(yàn)桌電源斷開。直到再次有人進(jìn)入，繼電器閉合，實(shí)驗(yàn)桌電源重新閉合。當(dāng)室內(nèi)照明充足，則照明電路不工作，實(shí)驗(yàn)桌電源可控。

1.2 強(qiáng)制狀態(tài)

該狀態(tài)是通過計(jì)算機(jī)總機(jī)(上位機(jī))對(duì)單片機(jī)(下位機(jī))進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。將上位機(jī)與單片機(jī)連接在一起，通過串口通信對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制，以達(dá)到控制實(shí)驗(yàn)室電源使用數(shù)量目的，可使實(shí)驗(yàn)室照明電路與實(shí)驗(yàn)桌電路全通，全滅或按要求指定特定的電源導(dǎo)通，并可通過輸入指令對(duì)單塊單片機(jī)進(jìn)行查詢，實(shí)時(shí)在上位機(jī)屏幕上顯示實(shí)驗(yàn)室人數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成以及各器件功能介紹

智能實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)的硬件核心器件由單片機(jī)STC89C52芯片、E18-B03N1反射式紅外光電開關(guān)、音樂芯片、單總線溫度傳感器DS18B20、時(shí)鐘芯片DS12C887和帶有字庫的12864液晶組成。其中E18-B03N1反射式紅外光電開關(guān)，采用反射式，測(cè)量可調(diào)節(jié)距離大于30 cm，共有3根引腳1根接電源，一根接地，另一根數(shù)據(jù)線，當(dāng)沒有感應(yīng)閉合時(shí)，數(shù)據(jù)線為高電平，當(dāng)有人經(jīng)過時(shí)，數(shù)據(jù)線變低電平。DS12C887:時(shí)鐘芯片，當(dāng)電源掉電，內(nèi)部時(shí)鐘依然走動(dòng)，有時(shí)鐘定時(shí)功能，可在24 h內(nèi)指定時(shí)間鬧鈴報(bào)警。DS18B20：為單總線溫度傳感器，實(shí)時(shí)將溫度信號(hào)讀入，精度0.5 ℃。

2.2 系統(tǒng)硬件各部分工作原理及介紹

硬件框圖如圖1所示。

圖1 硬件框圖

(1) 使用單塊單片機(jī)(2)控制電路，紅外光電開關(guān)(4)以外部中斷(8)的方式接至(P3.2，P3.3)，數(shù)碼管(6)顯示此時(shí)實(shí)驗(yàn)室人數(shù)。

(2) 當(dāng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室人數(shù)不為零，外電源電路(5)通過單片機(jī)控制繼電器，根據(jù)人數(shù)要求，按人數(shù)開燈，閉合實(shí)驗(yàn)桌。

(3) 當(dāng)人數(shù)重新變?yōu)榱愫?，使用單片機(jī)定時(shí)器(7)定時(shí)20 min后，檢測(cè)20 min內(nèi)如始終無人進(jìn)入，音樂片通過喇叭報(bào)警，外界電路斷開。若重新有人進(jìn)入，外界電路(照明電路和實(shí)驗(yàn)桌電源電路)由單片機(jī)根據(jù)人數(shù)確定閉合情況。

(4) 單片機(jī)(10)可由單片機(jī)(2)和繼電器控制電源供電，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室沒人或者電腦強(qiáng)制關(guān)閉時(shí)，單片機(jī)(10)不工作。

(5) 使用液晶12864(14)與單片機(jī)(10)相連，液晶顯示以下信息：“實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)”，年、月、日、星期、時(shí)、分、秒以及溫度。

(6) 使用DS12C887時(shí)鐘芯片(14)(在掉電的情況下，DS12C887時(shí)鐘依然繼續(xù)走)使得精確計(jì)時(shí)，顯示當(dāng)前時(shí)間可通過獨(dú)立按鍵調(diào)整。并在設(shè)定好的夜晚特定時(shí)間(如：21點(diǎn)53分20秒)開始給予鬧鐘報(bào)警，發(fā)外部中斷(12)，使音樂片[5]播放音樂(15)并延時(shí)斷電，在設(shè)定好的到早晨特定時(shí)間(如：7:00)開始播放音樂，并延時(shí)閉合市電線路上的總電源。同時(shí)當(dāng)?shù)竭_(dá)鬧鈴時(shí)間、音樂響起時(shí)，可以通過1、手動(dòng)按鈕，2、定時(shí)器(11)到達(dá)20 min設(shè)定時(shí)間，3、人數(shù)為零，4、上位機(jī)強(qiáng)制斷電關(guān)閉音樂等四種方式關(guān)掉音樂。同時(shí)以上時(shí)間都可通過單片機(jī)獨(dú)立按鍵的方式，對(duì)時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠較人性化地確定時(shí)間。

(7) DS18B20(16)檢測(cè)溫度，在液晶上顯示在實(shí)驗(yàn)室中溫度，并且當(dāng)溫度高于25 ℃時(shí)閉合冷氣電源。允許使用空調(diào)。

2.3 多塊單片機(jī)通信系統(tǒng)

STC89C52外接RS 232/485轉(zhuǎn)換器，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的PC-單片機(jī)通信接口[6-7]，使多單片機(jī)與PC機(jī)串口通信，用PC(上位機(jī))對(duì)多個(gè)下位機(jī)(單片機(jī))進(jìn)行串口通信。上位機(jī)與單片機(jī)之間嚴(yán)格實(shí)行主從結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)答式通信控制方式，上位機(jī)為主，下位機(jī)為從。從機(jī)不能主動(dòng)發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機(jī)控制。任意時(shí)刻，主機(jī)只與一臺(tái)從機(jī)傳輸信息，從機(jī)之間不能直接通信，并且在一個(gè)多機(jī)通信系統(tǒng)中，主機(jī)通過點(diǎn)名方式給各從機(jī)發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的主控權(quán)。主機(jī)在執(zhí)行任務(wù)的同時(shí)要對(duì)從機(jī)不斷地輪詢，從而監(jiān)視從機(jī)的狀況、接收從機(jī)的請(qǐng)求或給從機(jī)發(fā)送命令。以實(shí)時(shí)地對(duì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)室照明電路和實(shí)驗(yàn)桌電源的可控。根據(jù)要求，強(qiáng)行控制實(shí)驗(yàn)室外電路通斷，特定位置電源的通斷以及對(duì)實(shí)驗(yàn)室人數(shù)實(shí)時(shí)查詢，在PC屏幕上顯示出來。即當(dāng)輸入指令時(shí)，將單個(gè)單片機(jī)人數(shù)調(diào)入上位機(jī)，實(shí)時(shí)查詢實(shí)驗(yàn)室中的人數(shù)[8]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單實(shí)驗(yàn)室軟件控制系統(tǒng)主要由兩片單片機(jī)組成，單片機(jī)1和單片機(jī)2的流程如圖2和圖3所示。

3.1 單片機(jī)1的工作原理

(1) 使用兩只E18-B03N1紅外光電開關(guān)(分別記做A，B)以外部中斷[9]方式接至單片機(jī)外中斷口P3.2，P3.3，當(dāng)有人進(jìn)入教室時(shí)，紅外開關(guān)A首先被隔斷，INT0端首先接收紅外開關(guān)產(chǎn)生低電平“0”，引發(fā)單片機(jī)中斷，在相應(yīng)的中斷程序中對(duì)計(jì)算人數(shù)加1計(jì)算，同時(shí)在程序中關(guān)閉INTl的中斷使能，這樣就不會(huì)引起INTl觸發(fā)中斷，并開始延時(shí)，隔一定時(shí)間后利用定時(shí)中斷打開lNTl中斷使能；出去——當(dāng)有人員離開教室時(shí)，紅外光電開關(guān)B光線首先被隔斷，INTl端首先接收“0”，引發(fā)單片機(jī)中斷，對(duì)人數(shù)減l，同時(shí)在程序中關(guān)閉INT0的中斷使能，并開始延時(shí)，隔一定時(shí)間后利用定時(shí)中斷打開INT0中斷使能。最終通過數(shù)碼管顯示此時(shí)實(shí)驗(yàn)室人數(shù)。根據(jù)實(shí)時(shí)人數(shù)確定外電路工作情況。

(2) 當(dāng)上位機(jī)查詢下位機(jī)人數(shù)時(shí)，可將人數(shù)存至單片機(jī)SBUF寄存器，通過上位機(jī)查詢。

(3) 上位機(jī)可通過電平轉(zhuǎn)換，控制下位機(jī)使用繼電器，達(dá)到控制實(shí)驗(yàn)室電源的目的。

圖2 單片機(jī)1軟件流程圖

3.2 單片機(jī)2的工作原理

單片機(jī)2主要通過DS18B20實(shí)時(shí)查詢室內(nèi)溫度，采用液晶顯示，判斷當(dāng)溫度大于指定溫度時(shí)(如25 ℃)空調(diào)開關(guān)允許閉合。同時(shí)DS12C887[10]讀取實(shí)時(shí)時(shí)間

(時(shí)間可通過獨(dú)立按鍵進(jìn)行調(diào)整)，通過液晶顯示，因芯片內(nèi)部只含有一個(gè)鬧鐘中斷，采用DS12C887芯片中斷與89C52單片混合控制，當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)指定鬧鈴時(shí)間后，單片機(jī)重新寫入新的鬧鐘時(shí)間，直到新的鬧鐘時(shí)間作用，再次寫入第一次鬧鐘時(shí)間，以達(dá)到雙鬧鐘定時(shí)的效果。當(dāng)晚上鬧鈴響起，為了留有充足的延時(shí)時(shí)間，采用單片機(jī)定時(shí)方式，延時(shí)特定時(shí)間(如：20 min)，同時(shí)考慮到不同實(shí)驗(yàn)室因?yàn)閷?duì)聲音有不同要求，即采用：手動(dòng)按

鈕和上位機(jī)強(qiáng)制方式將其關(guān)閉。當(dāng)人數(shù)為零時(shí)，或者延時(shí)時(shí)間到達(dá)，實(shí)驗(yàn)室的電路全部關(guān)閉。直到第二天鬧鈴開啟，外部電路重新閉合。

圖3 單片機(jī)2程序流程圖

4 結(jié) 語

通過實(shí)踐，該實(shí)驗(yàn)室的智能控制系統(tǒng)較好的實(shí)現(xiàn)了上述基本功能，已得到我校微電子實(shí)驗(yàn)室主管老師同意，正著手應(yīng)用于我校微電子實(shí)驗(yàn)室。但同時(shí)，由于時(shí)間倉促，仍有一些不足，例如，當(dāng)有2人擠著通過門時(shí)候，紅外設(shè)備沒有辦法檢測(cè)出來；沒有考慮到前后門進(jìn)入(即兩個(gè)單片機(jī)通信的問題)。這些問題有待日后進(jìn)一步完善。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］易燕，李海雁，戴祖誠.基于單片機(jī)的倉庫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2011(15):1-3.



［2］袁境男.紅外傳感器測(cè)量液位報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(13):130-132.



［3］陳宇，王璽.基于光電技術(shù)智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2009(5):1149-1154.



［4］余華芳，羅建旭，蔡張盛，等.基于51單片機(jī)智能排插的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.自動(dòng)化與信息工程，2011，32(1):31-33.



［5］趙琳，王璐，閔莉.基于單片機(jī)的時(shí)鐘校時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.科技廣場(chǎng)，2009(1):192-194.



［6］汪燁.基于RS 485總線地下車庫智能通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2009(7):29-31.



［7］鞠潔，孫自強(qiáng).基于RS 485總線的智能燈光控制系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化儀表，2006，27(z1):152-154.



［8］李朝青.單片機(jī)原理與接口技術(shù)［M］.3版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.



［9］關(guān)明，李青，郭菲.光敏二極管傳感器在統(tǒng)計(jì)教室中人數(shù)的應(yīng)用［J］.高教研究，2001(11):26.



［10］郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.



作者簡介：

王梓源 男，1990年出生，江蘇連云港人。主要研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ?。?/p>

蔣 玲 女，1979年出生，湖北天門人，博士，副教授。主要從事微弱信號(hào)探測(cè)及太赫茲光譜技術(shù)研究。