陳建有 梁娟

摘 要：針對目前校園中普遍存在忘記隨手關(guān)燈的現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了一款基于紅外傳感器的教室節(jié)能照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STC89C51單片機(jī)作為控制模塊的主導(dǎo)元件，用熱釋電紅外人體傳感器檢測判斷人體的留存，同時(shí)對環(huán)境光進(jìn)行檢測和判斷，根據(jù)教室合理照明條件，自動(dòng)打開和關(guān)閉教室里的燈，實(shí)現(xiàn)對教室照明系統(tǒng)的的智能控制，從而減少了教室電力的浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：STC89C51單片機(jī);熱釋電紅外人體傳感器;報(bào)警電路

0 引言

高校教室普遍存在教室無人而燈全部打開的現(xiàn)象，照明電能損失越來越大。而學(xué)校照明用電管理基本上是人工操作，由于教室數(shù)量過多而管理員數(shù)量有限，沒有辦法及時(shí)對每一間教室燈的狀態(tài)進(jìn)行控制。因此，很有必要設(shè)計(jì)一種教室照明自動(dòng)控制系統(tǒng)，做到有人時(shí)燈打開，無人時(shí)燈自動(dòng)關(guān)閉。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用STC89C51單片機(jī)微控制器作為核心部分，還有一些其它相應(yīng)模塊，如熱釋電紅外傳感器模塊、環(huán)境光采集模塊、看門狗電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、顯示電路、超時(shí)報(bào)警電路、電源等幾部分組成。教室燈的強(qiáng)度通過環(huán)境光采集電路進(jìn)行測量，熱釋電紅外傳感器模塊檢測教室中是否有人，顯示電路顯出熱度值，時(shí)鐘電路供應(yīng)時(shí)鐘頻率，超時(shí)報(bào)警電路提示關(guān)閉教室燈光，電源為整個(gè)電路提供電量?？傮w的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器電路

控制教室照明核心部件是STC89C51微控制器，它消耗的功率很低，具有8位CMOS 微處理器，具有在線的可編輯Flash存儲器。該單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：其片內(nèi)部擁有Flash，可以多次對單片機(jī)進(jìn)行編程，可以很方便地在線編程，單片機(jī)內(nèi)部有128字節(jié)的RAM、 4KB的EEPROM，它并沒有片外擴(kuò)展的RAM，使電路結(jié)構(gòu)變得簡潔，并且完全兼容MCS5l系列單片機(jī)的所有功能。

2.2 系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

時(shí)鐘電路是為單片機(jī)提供精確定時(shí)的內(nèi)置電路，主要用于計(jì)時(shí)、通訊時(shí)鐘發(fā)生器、時(shí)間中斷源等等。系統(tǒng)將選用適合系統(tǒng)且低廉的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，作為臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。芯片的優(yōu)點(diǎn)是芯片的體積微小，操作很簡單，時(shí)鐘精度很高，除此之外，它還具有可以進(jìn)行串行的傳輸數(shù)據(jù)，但系統(tǒng)出現(xiàn)了掉電的情況，可以對電源進(jìn)行保護(hù)并且可以提供一種可編程的充電功能，不想使用時(shí)，也可以關(guān)閉充電功能。DS1302芯片需要使用到三根線來與系統(tǒng)的單片機(jī)進(jìn)行連接通信，很符合系統(tǒng)的要求。

2.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

為了讓系統(tǒng)得到復(fù)位是系統(tǒng)復(fù)位電路的功能，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的工作。在單片機(jī)正常運(yùn)行的過程中，可能因?yàn)槭艿酵饨绺鞣N各樣的不定因素的影響，從而造成單片機(jī)中的程序發(fā)生死機(jī)、跑偏以及出現(xiàn)癱瘓等現(xiàn)象，因此，要想良好地使單片機(jī)可以正常地工作，不出現(xiàn)以上的現(xiàn)象，就需要設(shè)計(jì)重新復(fù)位的辦法讓單片機(jī)程序正常工作，因此還應(yīng)該在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)復(fù)位電路。該設(shè)計(jì)使用上電自動(dòng)復(fù)位。

2.4 按鍵模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用獨(dú)立按鍵主要用于讓單片機(jī)捕獲到外部的低電平，該設(shè)計(jì)中有四個(gè)獨(dú)立按鍵，其中兩個(gè)是進(jìn)行電機(jī)的開啟與關(guān)閉。感應(yīng)門的設(shè)計(jì)中使用獨(dú)立按鍵編程簡單，使用靈活，滿足了各種人機(jī)交互的需求。獨(dú)立按鍵的原理是將按鍵的一端接地，一端直接連單片機(jī)的I/O口，當(dāng)按鍵按下時(shí)，單片機(jī)開啟讀的功能，單片機(jī)讀取一個(gè)低電平后就執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作。

2.5 環(huán)境光采集模塊設(shè)計(jì)

該模塊設(shè)計(jì)選用的是光敏電阻。制作材料為硫化鎘、硒、硫化鋁等材料。這些制作材料在光照條件下會(huì)產(chǎn)生載流子，然而這些載流子又都會(huì)參與導(dǎo)電，因此，在施加電場力的作用下，載流子就會(huì)發(fā)生漂移，電子帶負(fù)電，將會(huì)奔向電源的正極，空穴負(fù)電，將會(huì)奔向電源的負(fù)極，會(huì)影響光敏電阻的阻值變化，使其阻值快速減小?？梢杂霉怆娒綦娮柚档淖兓?，以及并聯(lián)分壓的方法，來獲得電壓值，將得到的電壓與LM393的電壓進(jìn)行比較，并利用10k可調(diào)控電阻來調(diào)節(jié)光線大小。如果感應(yīng)光太弱，則信號由微控制器處理。

2.6 熱釋電紅外感應(yīng)模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中的熱釋電紅外傳感模塊主要是用來檢測教室中是不是有紅外線，并確定教室中是不是有人在。它是數(shù)據(jù)收集的核心模塊，用來判斷課堂中紅外線的強(qiáng)度，判斷課堂中的人數(shù)來控制課堂中的光強(qiáng)度。

人體所發(fā)出的紅外線波長大約為10um左右，所屬范圍為遠(yuǎn)紅外區(qū)，因此，它會(huì)發(fā)出一定波長紅外光。紅外傳感源使用熱電元件，當(dāng)人體發(fā)出的紅外輻射溫度有所變化時(shí)，它將會(huì)對其進(jìn)行接收，并且將會(huì)失去電荷向外釋放。然后，電路在檢測和處理之后產(chǎn)生熱電紅外傳感信號。注意：要合理地安裝人體傳感器。因?yàn)楫?dāng)人移步到教室中的紅外傳感器檢測盲區(qū)時(shí)候，熱釋電傳感器反射的信號將不能令人滿意，有時(shí)會(huì)發(fā)生故障。

2.7 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

為了達(dá)到好的人與機(jī)器進(jìn)行交流互連的界面，我們選用1602液晶顯示屏，因?yàn)樗址舷到y(tǒng)的需求，1602液晶顯示屏可以顯出用戶的設(shè)定作息時(shí)刻和用戶所查問的資料。液晶顯示電路運(yùn)用了液晶的物理特性，設(shè)備的顯示區(qū)域通過電壓對其進(jìn)行控制，電路中有電流通過設(shè)備就會(huì)有顯示，可以將圖形顯示出來。該設(shè)備具有很好的優(yōu)點(diǎn)：它的體積小，重量很輕盈，消耗的功耗比較低等等。可以很好地用它來顯示字母、數(shù)字、符號等等，讓設(shè)備的顯示器與驅(qū)動(dòng)器模塊進(jìn)行對應(yīng)連接，可以直接明了地顯示出程序中的內(nèi)容。

2.8 超時(shí)報(bào)警電路設(shè)計(jì)

在課堂上，如果使用手動(dòng)控制，學(xué)生和管理員的工作可能會(huì)有疏忽。有可能造成教室燈開著，處于長時(shí)間的工作狀況，就會(huì)造成教室能源出現(xiàn)浪費(fèi)，系統(tǒng)裝有超時(shí)報(bào)警電路可以很有效地提醒管理員是不是要關(guān)閉教室中的燈光。該電路模塊的設(shè)計(jì)，可以減輕管理人員的負(fù)擔(dān)，可以方便他們對教室中燈光控制的管理，從而保護(hù)公共設(shè)施，減少資源的浪費(fèi)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)