圖書館照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

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長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 圖書館照明控制系統(tǒng) The design of Lighting Contro1 System for the library學(xué)生學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 張競(jìng)文 專業(yè)班級(jí)： 電氣 指導(dǎo)教師： 圖萍給 職 稱： 起止日期： 長(zhǎng)春光華學(xué)院 Changchun Guanghua University目錄圖書館照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)描要: 本文介紹了基于單片機(jī)AT89S51的圖書館照明控制系統(tǒng)及其原理,提出了有效的節(jié)能控制方法。該系統(tǒng)采用了當(dāng)今比較成熟的傳感技術(shù)和單片機(jī)定時(shí)控制技術(shù),利用多參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)校圖書館照明的控制。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。該照明控制系統(tǒng)的主控制器是以 AT89S5l單片機(jī)為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了通信、信號(hào)采集、控制等功能。文中詳細(xì)地描述了控制電路的設(shè)計(jì)過程,包括:環(huán)境光照度信號(hào)取樣電路、人體信號(hào)采集電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路以及信號(hào)處理電路等。對(duì)于軟件一設(shè)計(jì)主要有主控制器的數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)以及燈光控制、延時(shí)控制、A/D轉(zhuǎn)換等程序設(shè)計(jì)。工作時(shí),光信號(hào)取樣電路采集光照最弱、人體信號(hào)采集電路采集室內(nèi)是否有人信息并將信號(hào)送到單片機(jī),單片機(jī)根據(jù)這些信息通過控制電路對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行開關(guān)操作,從而實(shí)現(xiàn)智能照明控制,以送到節(jié)能的目的。關(guān)鍵詞：智能控制,熱釋紅外,傳感器.單片機(jī),定時(shí)控制The design of Lighting Contro1 System for the libraryAbstract: This article desiribes Library Based on Single- Chip Microcomputer at89s5l Lighting Control System and its principles, proposes effective energy- saving control-method.The system uses the current sensing technology is more mature and timing of single .chip computer contro1 techno1ogy using multiple parameters to achieve control over lighting in the school liblary.System design includes hardware, design and software design of two parts. The Master 0f lighling Contro1 System is based on the at89s51 single chip,enabling communication,data accquisition,contro1,and other functiolns.The text of the control circuit are described in detail in the design process,including: ambient light signa1 sampling circuit,the bodys signal acquisition .circuit,the relay driver circuit and signa1 processing circuit and so on.Software Design for data transfer program, as we11 as the main controller lighting control, Timer control, a/d control program design.Work, the optica1 signa1 Sampling Circuit capture,light, strong or weak, human acquisition of signal acquisition Circuit Indoor If anyone, whether working for the information and send a signal to the SCM, single- chip Mircomputer based on this information by contro11ing circuit for lighting switches, enabling Intelligent Lighting Contro1, to achieve energy- saving purposes.Keywords: lntelligent Control;0utside;Sensors;SCM;timing Contro1引 言隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步, 教育在全社會(huì)越來越被關(guān)注和重視,校國(guó)規(guī)模也隨著受教育者的數(shù)量增加而不斷擴(kuò)大。但由于學(xué)校開放型的管理模式, 高校的教室在白天室內(nèi)照度很高的情況下, 仍然普通存在開燈作業(yè),即使室內(nèi)無人或人數(shù)很少的情況下, 也是全部開啟室內(nèi)照明,絕不會(huì)有師生因?yàn)橹挥猩贁?shù)人而僅開幾盞燈。長(zhǎng)明燈比比皆是,人走不關(guān)燈的現(xiàn)象到處存在。這種有形和無形的消費(fèi), 給校方的水電支出帶來了沉重的負(fù)擔(dān) 學(xué)校的水電支出約占全校經(jīng)費(fèi)支出的l/4-1/5, 電費(fèi)支出占據(jù)較重比例 。能源短缺是2 1世紀(jì)國(guó)際面臨的新課題。在尋找新的能源之外,節(jié)約能源,提高效益也就成為了我們研究的課題。所以學(xué)校如何來節(jié)省電力能源也成為下一個(gè)迫切需要解決的問題。從節(jié)約資源、對(duì)社會(huì)貢獻(xiàn)、節(jié)省高校經(jīng)費(fèi)支出和學(xué)生的健康等多方面考慮,高校教室照明的節(jié)電問題不得不提到重要的議事目程上來 。智能控制技術(shù)發(fā)展方向主要有基于人工智能技術(shù)的智能控制方向、智能控制的模糊控制方向和智能控制的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方向, 在智能控制的人工神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)控制方向上, 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯有機(jī)結(jié)合的神經(jīng)模糊技術(shù), 已成為近年來的一個(gè)熱門課題 ?！爸悄芙ㄖ?是綜合計(jì)算機(jī)、 信息通信等方面最先進(jìn)的技術(shù), 使建筑物內(nèi)的電力、空調(diào)、照明、防災(zāi)、防盜、運(yùn)輸設(shè)備等,實(shí)現(xiàn)建筑物綜合管理自動(dòng)化、遠(yuǎn)程通信和辦公自動(dòng)化的有效運(yùn)作, 并使這三種功能結(jié)合起來的建筑。 人工智能技術(shù)在建筑與照明中的應(yīng)用趨勢(shì)不斷擴(kuò)大。正如英國(guó)的Glasgow市報(bào)指出: Glasgow正在成為一個(gè)研究和發(fā)展太空時(shí)代智能建筑的國(guó)際組織的神經(jīng)中樞區(qū)在智能建筑中的智能照明、供熱、空調(diào)、通訊及辦公設(shè)備將全部由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)一行控制與管理面對(duì)這一發(fā)展趨勢(shì),開發(fā)了不少智能照明設(shè)計(jì), 如智能燈具、智能照明控制與管理系統(tǒng),包括在照明方面的計(jì)算機(jī)硬件和軟件。此外計(jì)算機(jī)在照明設(shè)計(jì)和測(cè)試方面也得到廣泛應(yīng)用。澳大利亞邦奇開發(fā)的Dynalie智能照明控制系統(tǒng), 美國(guó)的智能照明建筑, 特別是現(xiàn)代化辦公公司的智能照明技術(shù)等都值得我們研究與借鑒。智能照明控制系統(tǒng)是指用計(jì)算機(jī)技術(shù)并輔助以其它手段,對(duì)電力照明實(shí)行自動(dòng)控制,提供合適照明光環(huán)境的同時(shí)降低照明系統(tǒng)電能消耗和其它使用費(fèi)用。智能照明控制系統(tǒng)于手動(dòng)照明控制系統(tǒng)相比有很多優(yōu)點(diǎn),包括創(chuàng)造環(huán)境氣氛, 改善 工作環(huán)境、提高工作效率,良好的節(jié)能效果,延長(zhǎng)光源壽命,管理維護(hù)方便等。智能照明控制系統(tǒng)主要由輸入裝置、處理器和執(zhí)行器三個(gè)部分組成. 輸入裝置可以不斷檢測(cè)周圍環(huán)境的照度水平,可以探測(cè)到某個(gè)區(qū)域是否有人移動(dòng), 以及輸入人們的控制指令, 并把相應(yīng)的信號(hào)傳送給處理器。輸入裝置包括傳感器、 定時(shí)裝置和控制面板或遙控器。處理器接受輸入裝置的信號(hào),經(jīng)過信息處理、判斷、分析,輸出控制信號(hào)。執(zhí)行器與燈具直接連接, 控制燈光回路的閉合或斷開和調(diào)節(jié)燈光到相應(yīng)的水平,包指一手動(dòng)開關(guān)。澳大利亞邦奇開發(fā)的Dynaiite分布式智能照明控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是模塊化結(jié)構(gòu)和分布式控制, 各功能模塊之間通過網(wǎng)絡(luò)總線直接相互通信,當(dāng)系統(tǒng)中某個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響其它模塊,可靠推性高 。美圍 IC&D智能照明控制系統(tǒng)是一套由計(jì)算機(jī)微處理器控制的低壓繼電電器配電盤組成, 按照客戶対室內(nèi)外照明的具體要求, 設(shè)定照明 控制的時(shí)間、 區(qū)域、 方法來控制每一個(gè)獨(dú)立的回路, 也有手動(dòng)開關(guān)直接控制。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的真善美智能照明系統(tǒng)具有集中控制、 多點(diǎn)操作、 集中顯示、停電自鎖、免打擾、遙控功能等智能功能,使家居生活更加方便和舒適 。但是,國(guó)內(nèi)外智能照明系統(tǒng)的研究存在著如下問題: (1)、現(xiàn)有國(guó)外智能照明系統(tǒng)主要控制照度這個(gè)數(shù)量指標(biāo), 國(guó)外的研究主要集中于辦公室照明 , 以節(jié)能為主要目的,但據(jù)照明科技最新研究成果表明, 非定量指標(biāo)(如舒適性和藝術(shù)性等)對(duì)室內(nèi)照明光環(huán)境質(zhì)量影響更大。 (2)、國(guó)內(nèi)一些智能照明控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)集中控制和集中顯示,具有一定的智能性,但其只能控制房間中的一個(gè)燈或一組燈的開關(guān), 不能實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景控制, 也不能對(duì)燈光的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié),不能產(chǎn)生多種照明數(shù)果。 (3)、針対住宅照明光環(huán)境研制的智能照明控制系統(tǒng)產(chǎn)品很少,還有很大的開發(fā)前量。目前常用的節(jié)電方式為手工控制,聲控型,太陽能燈等。手工方式操作起來不靈活,費(fèi)時(shí)費(fèi)力。聲控型往往判斷不準(zhǔn)確,不需要的時(shí)候也也會(huì)經(jīng)常亮。太陽能設(shè)備投資比較大,且容易受光照強(qiáng)度的影響。因此市場(chǎng)上迫切需要一種操作方便、 價(jià)格低廉、便于大面積推廣的新型節(jié)能方案 。圖書館是學(xué)校師生學(xué)習(xí)的主要場(chǎng)所,這就決定學(xué)校圖書館的場(chǎng)地面積比較大, 燈光控制比較復(fù)雜, 如果單單依靠手動(dòng),不僅大大浪費(fèi)了人力還會(huì)造成極大的浪費(fèi),于是開發(fā)出一種智能的照明系統(tǒng)使具有現(xiàn)實(shí)的意義,首先圖書館可以起到一個(gè)很好的示范效應(yīng),其次圖書館作為科研的重要陣地,也起到實(shí)驗(yàn)的作用,通過不斷的實(shí)驗(yàn)改進(jìn),進(jìn)而開發(fā)出一種通合大面積推廣的系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)有規(guī)模的節(jié)能的目的。第一章 圖書館照明控制系統(tǒng)的提出及控制方案的分析1.l圖書館照明控制系統(tǒng)的提出學(xué)校圖書館的閱覽室、自習(xí)室以及書庫(kù)等地是出入人數(shù)較多的地方. 因此, 這些地方的燈光照明幾乎是從上班一開始直到下班為止,不管這些地方是否有人, 也不管有多少人, 當(dāng)日照滿足照明度要求時(shí),把燈媳滅,一旦自然光照度難以滿足人的需要時(shí), 不能及時(shí)打開燈光,給人的視力帶來損害。顯然這種照明方式, 從照明的角度上來說是非節(jié)能的。從人的角度來看,根本不能満足人的基本的照明要求 科技以人為本, 從人的需求出發(fā): 即在有人活動(dòng)的地方必須有是夠的照明 (不論是日光照明還是人工照明),沒有人的區(qū)域,應(yīng)該熄滅燈光,以節(jié)約能源圖書館照明控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)有效的室內(nèi)燈光智能控制。其輸入?yún)?shù)主要是人體存在信號(hào)和環(huán)境光信號(hào)等的外界因素,環(huán)境光的強(qiáng)度達(dá)到定值時(shí)不開燈,環(huán)境光強(qiáng)度在一定閥值以下且有人存在時(shí)開燈, 理論和實(shí)驗(yàn)證明用這種方式來対室內(nèi)燈進(jìn)行智能控制可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo) .1.2圖書館指照明控制系統(tǒng)方案的分析1.21圖書館照度標(biāo)準(zhǔn)圖書館照度標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)我國(guó)民用建筑照明一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) (GBJ133-90) 的設(shè)計(jì)要求,針対圖書館各類閱覽室、研究室、視聽室、休息室、走廊、接梯等場(chǎng)所的照度制定了不同的標(biāo)準(zhǔn)要求,作為照明設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)參照。1. 2. 2閱覽室的照度要求圖書館一般閱覽室、少年兒童閱覽室的照度水平應(yīng)該設(shè)置在150Lx(低), 200Lx(中), 300Lx(高)如果是屬于老年讀者閱覽室,其照度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該適當(dāng)提高到200Lx(低) , 300Lx(中), 500Lx(高)。 如l表l. l所示.1. 2. 3書庫(kù)的照度要求圖書館書庫(kù)的照度應(yīng)設(shè)宣為l50Lx(低), 200Lx(中), 300Lx(高) , 距地面 0_ 25m處書架上的垂直照度應(yīng)設(shè)置為30Lx(低) , 50Lx(中) , 75Lx(高) 為宜。 表1.21. 2. 4其他地方照度要求圖書館休息室、陳列室、視聽室及一些公共場(chǎng)所的照度標(biāo)準(zhǔn)見表 l. 3 所示 。13圖書館照明設(shè)計(jì)的基本方法圖書館的照明設(shè)計(jì)包據(jù)了燈具類型的選擇、燈具安裝高度的確定、工作面的照明方式等內(nèi)容,不同的參數(shù)選擇直接影響到照明效果的優(yōu)劣。同時(shí),需要根據(jù)既定的設(shè)計(jì)方案計(jì)算照度負(fù)荷,了解電能的消耗情況。1.3. 1燈具的選擇常用的燈具有以下幾種方式的分類;( 1 )按安裝方式分類:一般可分為嵌頂燈、吸項(xiàng)燈、吊燈、壁燈、活動(dòng)燈具、建筑照明等六種(2)按光源類型分類:可分為白熾燈(緊湊型熒光燈歸為這一類)、熒光燈、高壓氣體放電燈、 低壓鹵鎢燈等 。 (3)按使用場(chǎng)所分裝:可分為民用燈、建筑燈、工礦燈、車用燈、船用燈、舞臺(tái)燈等。 (4)按配光曲線的形狀分類:國(guó)際照明委員CIE, 根據(jù)燈具向下和向上投射光通量的百分比, 將燈具分為以下五種類型:直接照明型：燈具向下投射的光通量占總光通量的90%-100%, 上射光通量為 0%- 10%半直接照明型:燈具向下投射的光通量占總光通量的60%-90%, 向上投射的光通量只有 10%-40%。均勻漫射型:燈具向下投射的光通量與向上投射的光通量差不多相等, 各為40%-60%之間。半間接照明型:燈具向上投射的光通量占總光通量的60%-90%,向下投射的光通量只有 10%-40%間接照明型:燈具向上投射的光通量占患通量的90%-100%, 而向下投射的光通量極少僅為0%-100%。(5)按燈具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類:(1）、開啟型:其光源與外界空間相通, 如一般的配照燈、廣照型燈和深照型燈等。（2）、閉合型:其光源被通明燈單包含,但內(nèi)外空氣仍能流通,如困球燈、雙單型燈和吸項(xiàng)燈等。（3）、密閉型:其光源被透明燈罩密封, 內(nèi)外空氣不能對(duì)流, 防潮燈、 防水防空燈等。(4)、增安型:其光源被高強(qiáng)度透明,燈罩密封, 且燈具能承受足夠的壓力, 能安全地使用在有爆炸危險(xiǎn)介質(zhì)的場(chǎng)所。（5）、隔爆型:其光源被高強(qiáng)度透明燈罩封閉 ,當(dāng)氣體在燈罩內(nèi)部爆炸時(shí), 高溫氣體經(jīng)過隔爆間隙被充分冷卻,從而不致引起外部爆炸性氣體爆炸。因此隔爆燈具,也能安全地使用在有爆炸危險(xiǎn)介質(zhì)的場(chǎng)所。對(duì)于圖書館的閱覽室一般可進(jìn)用開啟型或閉合型的各種吊燈或吸頂燈， 門廳、 走廊等處一般選用閉合型的各種吊燈或吸頂燈。l. 3. 2燈具安裝位置的確定一般,圖書館照明燈具的安裝位置可以根據(jù)照明區(qū)域的不同需求確定, 通常閱覽室的燈具可以采用以下三種布置方案:(1)均勻布置燈具在整個(gè)房間內(nèi)均勻分布, 燈具的分布位置與需要照明的具體位置無關(guān),如圖 1.l所示。圖1.1所示(2)分區(qū)布置這種燈具的布置與需要照明的具體位置有關(guān)根據(jù)閱覽室區(qū)域和非閱覽室區(qū)域的照明要求不同, 力求使閱覽區(qū)域內(nèi)能獲得最有利的光照,如圖1.2所示。圖1.2所示3)混合照明的燈具布置混合照明方式是利用兩種不同的光源對(duì)照明區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)(如圖 1. 3 所示) , 不便可以滿足照明強(qiáng)度的需要,并且可以消除陰影為了使工作面上獲得較均勻的照度,應(yīng)使燈具距離與燈在工作面上的懸掛高度之比（稱為“距高比”）不要超過各類燈具所規(guī)定的最大距高比。1. 3. 3燈具安裝高度的確定圖書館室內(nèi)的燈具既不宜懸掛過高,也不宜懸掛過低。懸掛過高,會(huì)使照度降低, 不經(jīng)濟(jì),維護(hù)檢修也不方便; 懸掛過低, 容易被人碰撞, 不安全,而且可能產(chǎn)生眩光,影響視力。最高的懸掛高度與室空間比（rcr）以及配光的種類一有關(guān),其標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)高于表l. 4所列數(shù)據(jù)。表14燈具安裝高度要求室空間比RCR=5h(L+H)/(L.W),其中,L表示房間長(zhǎng)度,W為寬度。 1.4圖書館智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.4.1圖書館照明設(shè)計(jì)任務(wù)根據(jù)以上的圖書館照明設(shè)計(jì)基本方法, 以圖書館自習(xí)室的照明為設(shè)計(jì)基礎(chǔ),提出如下設(shè)計(jì)任務(wù): 圖書館自習(xí)室是對(duì)照度要求較高的場(chǎng)所,需要營(yíng)造舒適安靜的氣氛。根據(jù)自習(xí)室的照度標(biāo)準(zhǔn):要求距高本平面0.75m處的工作面其照度達(dá)到150-200-300Lx的標(biāo)準(zhǔn), 對(duì)照明設(shè)計(jì)的要求如下;(1)要求工作面的照度不低于300Lx；(2)調(diào)研圖書館燈光照明需求以及環(huán)境光強(qiáng)弱與開、 關(guān)燈的關(guān)系；(3)研究人體存在探測(cè)技術(shù), 探測(cè)角度與范國(guó)；(4)研究傳感器在圖書館分布、安放問題,是否一燈一個(gè)傳感器或多燈公用傳感器等； (5)研究確定熱釋電傳感器的有關(guān)參數(shù)； (6)研究燈光控制器電源間趣; (7)研究控制器參數(shù)值設(shè)定的要求及方案； (8)研究與現(xiàn)有教室照明相兼容,易替代,不易被愉盜、被仿制,易于維護(hù)、維修等控制技術(shù)；本課題擬通過試驗(yàn)研究圖書館照明的各種控制方案解決如下關(guān)鍵問題:(1)照明回路的控制與控制器本身的節(jié)能問題；(2)傳感器與圖書館配合安裝的問題；(3)環(huán)境光參數(shù)輸入采集問題;(4)熱釋電傳感器參數(shù)輸入采集問題；(5) 開、關(guān)燈的自劫與手動(dòng)兼容描施；所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)以自然光強(qiáng)度和人體存在作為控制器的主要輸入?yún)?shù)。 可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)控制相兼容。在白然環(huán)境光較強(qiáng)光線足夠時(shí),無論人是否存在,都不開燈；在自然環(huán)境光較弱時(shí),有人存在且超過一 定時(shí)間,控制器自動(dòng)打開照明設(shè)備, 直到人離開,后再延時(shí)一定時(shí)間后關(guān)燈。同時(shí),還要按照自動(dòng)與手動(dòng)控制,夜晩超過21點(diǎn),若還還有人存在,則關(guān)閉自動(dòng)控制器的通行,改用機(jī)械開關(guān)來手動(dòng)控制, 以解決困特殊情況下, 自動(dòng)控制器的人性化運(yùn)行 。1.5系統(tǒng)控制模塊的硬件設(shè)計(jì)方案論證L51圖書館照明設(shè)計(jì)方案一傳統(tǒng)照明控制方式傳統(tǒng)照明為達(dá)到照明效果, 照明為分級(jí)控制, 房間內(nèi)燈具一般是用蹺板開關(guān)放于門口控制,對(duì)于面積較大的廚房燈具較多時(shí),釆用雙聯(lián)、三聯(lián)、四聯(lián)開關(guān)或多個(gè).開關(guān),也有采用照明配電箱放于門口，直接用配電箱內(nèi)的斷路器控制的,其原理接線圖見圖l. 4。圖1.4面板開關(guān)控制原理圖對(duì)于上述面板開關(guān)控制,面板開關(guān)所控?zé)艟邤?shù)量有限,大開間房間燈具。較多,由于控制點(diǎn)集中,帶來的必然是控制不靈活,平面布線復(fù)雜, 故障率高。 如果采用照明配電箱放于房間門口,直接用配電箱內(nèi)的斷路器控制燈具回路,存在以下兩個(gè)問題: (l)影響室內(nèi)美觀,照明配電箱體積較大時(shí), 還會(huì)影響圖書館房間的使用功能,如書架的排列等;(2)有些區(qū)域會(huì)違反國(guó)家規(guī)范要求,如圖書銷建筑設(shè)計(jì)規(guī)范(JGJ38-99)要求, 書庫(kù)配電箱應(yīng)放在書庫(kù)外, 對(duì)于書庫(kù)來說,就不允許把照明配電箱放于房間門口,直接用配電箱內(nèi)的斷路器控制燈具同路。152 圖書館照明設(shè)計(jì)方案一智能照明控制方式傳統(tǒng)照明控制方式主要以手動(dòng)控制為主, 依靠供電回路中的手動(dòng)開關(guān)來控制回路的通斷, 實(shí)現(xiàn)燈具的開關(guān)控制。這種傳統(tǒng)方式相對(duì)簡(jiǎn)單、有效、直觀,但它過多依賴手工操作。整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)分散,無法實(shí)現(xiàn)有效地管理,其適時(shí)性和自動(dòng)化程度太低。而針對(duì)現(xiàn)代學(xué)校圖書館的照明,對(duì)照明的要求不再是簡(jiǎn)單意義上的“能看見。所以,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,提出了智能的概念。 本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的智能照明控制系統(tǒng)是以單片機(jī)主控模塊為核心, 其它外圍電路主要包括:系統(tǒng)供電模塊、硬件時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊、環(huán)境光檢測(cè)模塊、 人體存在檢測(cè)模塊, 其結(jié)構(gòu)框圖如圖1. 5所示圖1.5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 (1)光照檢測(cè)方式的選擇采用光敏二極管作為光傳感器件,光敏二極管除了具有光敏電阻能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外,還有的優(yōu)點(diǎn)是線性好,響應(yīng)速度快,對(duì)寬范圍波長(zhǎng)的光具有較高的靈敏度,噪聲低,小型輕量以及耐振動(dòng)與沖擊等,缺點(diǎn)是輸出電流小。(2)人體檢測(cè)方式的選擇采用熱釋電紅外傳感器及其處理電路進(jìn)行檢測(cè)。集成電路BISS0001是一款具有較高性能的傳感器信號(hào)處理集成電路它能自動(dòng)控制快速開啟各類自動(dòng)門、蜂鳴器、白熾燈和電風(fēng)扇等裝置,特別適用于自動(dòng)燈光、照明以及報(bào)警系統(tǒng)。 采集電路主要由光照檢測(cè)電路 、熱釋電紅外傳感器及處理電路構(gòu)成,可分別實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)弱和室內(nèi)有無人的信息的采集 。(3)繼電器驅(qū)動(dòng)控制電路結(jié)合實(shí)際情況即設(shè)計(jì)的局限性,本設(shè)計(jì)用LED燈代表照明燈。因此控制電路由LED燈、電磁繼電器構(gòu)成。輸出的控制信號(hào)可以控制LED燈的亮滅,電磁繼電器的通電與斷電,從而完成本設(shè)計(jì)的目的。第二章 圖書制照明控制系統(tǒng)模塊分析2. 1 AT89S51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)AT89S51是一個(gè)低電圧高性能CMOS8位單片機(jī),片內(nèi)含4kb的可反復(fù)擦寫的 Flash,只讀程序存儲(chǔ)器和128bytcs的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。(RAM)器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn), 兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng),片內(nèi)通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)単元,功能強(qiáng)大的AT89S51單片機(jī)可提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。圖2l AT89S51單片機(jī)外部結(jié)構(gòu)圖AT89S5l有40個(gè)引腳,32個(gè)外部雙向輸入/輸出(l/0)端口,同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口,3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口,2個(gè)讀寫線,AT89S51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編通程,也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存 f儲(chǔ)器結(jié)合在一起,特別是可反復(fù)寫標(biāo)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。2. 1. l AT89S5l主要引腳功能(1) P0口 P0口是一組8位漏極Jl路型雙向I/0口,也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí),每位能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路,對(duì)端口P0寫l時(shí),可作為高阻抗輸入端用 在訪問外部數(shù)掘存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí),這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址(低8位)和數(shù)據(jù)總線復(fù)用,在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時(shí), P0口接收指令字節(jié),而在程序校驗(yàn)時(shí),輸出指令字節(jié),校驗(yàn)時(shí),要求外接上拉電阻 。(2)P1口P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0口,Pl的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫1通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平,此時(shí)可作為輸入口。作輸入口使用時(shí),因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻,某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。(3)P2口P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位推雙向I/0口,P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或l6位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí), P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。Flash編程或校驗(yàn)時(shí),P2亦接收高位地址和一些控制信號(hào)。(4)P3口P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫入1時(shí),它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí),被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。P3口除了作為一般的I/0口線外,更重要的用途是它的第二功能,參見表2. l。表2. 1 P3口第=功能(5) RST 當(dāng)振動(dòng)器工作時(shí)， RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位 。(6) EA/VPP外部訪問允許欲使CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器(地址為0000H-FFFFH),EA端必須保持低電平(接地)。需注意的是:如果加密位LB1被編程,復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如 EA端為高電平(接vcc端) ,CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。 Flash存儲(chǔ)器編程時(shí),該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp,當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp.(7) XTAL1片內(nèi)振蕩器反相放大器和時(shí)鐘發(fā)生器電路輸入端。用片內(nèi)振蕩器時(shí),該引腳接外部石英晶體和微調(diào)電容。外接時(shí)鐘源時(shí),該引腳接外部時(shí)鐘振蕩器的信號(hào)。(8) XTAL2 片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。當(dāng)使用片內(nèi)振蕩器時(shí),該引腳連接外部石英晶體和微調(diào)電容。當(dāng)使用外部時(shí)鐘源時(shí), 本引腳懸空。2. 2時(shí)鐘晶體振蕩電路如圖2.2所示該時(shí)鐘晶體振蕩電路由一片12MHZ石英晶體和兩片30pF電容組成,連接于AT89S51的XTAL1和 XTAL2上,產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。晶體的頻率越高,系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率就越高,單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。但是,運(yùn)行速度快對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求就越高,對(duì)印制電路板的工藝要求也就越高,即要求線間的寄生電容要小。晶體和電容應(yīng)盡可能安裝得與単片機(jī)芯片靠近,以減少寄生電容,更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作。為提高溫度穩(wěn)定性,應(yīng)采用穩(wěn)定性能好的電容。因該設(shè)計(jì)不需要過高頻率的石英晶體,本系統(tǒng)選擇了12MHZ的石英晶體。圖2. 2時(shí)鐘晶體振蕩電路原理圖2. 3復(fù)位電路圖2.3復(fù)位電路原理圖 如圖2. 3所示復(fù)位電路由一個(gè)電阻、一片電解電容和一個(gè)輕觸開關(guān)組成,該電路具有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種復(fù)位方式,當(dāng)上電時(shí),電容充電,RST端出現(xiàn)高電壓，單片機(jī)復(fù)位。充電完畢后,流經(jīng) RST電流為0,電壓為0, 單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)；當(dāng)按下開關(guān)時(shí),電容放電,松手后,電容充電, R3有電壓,單片機(jī)復(fù)位,單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。2. 4單片機(jī)最小系統(tǒng)時(shí)鐘晶體振蕩電路和復(fù)位電路組成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)。是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖如圖2. 4所示。圖24 單片機(jī)最小系統(tǒng) 一片 AT89S51/52或其他51系列兼容單片機(jī),特別注意:對(duì)于31腳(EA/VPP),當(dāng)接高電平時(shí),單片機(jī)在復(fù)位后從內(nèi)部ROM的0000H開始執(zhí)行,當(dāng)接低電平時(shí), 復(fù)位后直接從外部ROM的0000H開始執(zhí)行。2.5電源電路圖25電源電路原理圖 電源電路如圖2.5所示, 220V交流電經(jīng)變壓器T1降壓后，得到9V交流電,經(jīng)過D1D4組成的橋式整流電路整流，電解電容C4濾波，7805穩(wěn)壓及電解電容C6的再次濾波后,得到正5V直流電壓本穩(wěn)壓電源可作為TTL電路或單片機(jī)電路的電源。第三章 數(shù)據(jù)采集及控制輸出模塊各部件分析3. 1熱釋紅外傳感器熱釋電人體紅外線傳感器是上世紀(jì)80年代末期出現(xiàn)的一種新型傳感器件,現(xiàn)在已得到越來越廣泛的應(yīng)用,從原理上分析,它主要有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類。熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。熱釋電紅外傳感器由敏感單元、電抗變換器和濾光窗等三大部分組成。圖3. 1為它們的頂視圖,其中較大的矩形部分為濾光窗,圖3.2為底視圖,圖3.3為側(cè)視圖,P1、P2為兩個(gè)敏感單元,面積約2x11mm平方，間距1mm。 當(dāng)傳感器沒有檢測(cè)到人體輻射出的紅外線信號(hào)時(shí),由于P1、 P2自身產(chǎn)生極化,在電容的兩端產(chǎn)生極性相反、電量相等的正、負(fù)電荷,而這兩個(gè)電容的極性是相反串聯(lián)的,所以,正、負(fù)電荷相互抵消,回路中無電流,傳感器無輸出 。當(dāng)人體靜止在傳感器的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)時(shí),照射到P1、P2上的紅外線光能能量相等,且達(dá)到平衡,極性相反、能量相等的光電流在回路中相互抵消,傳感器仍然沒有信號(hào)輸出。同理,在燈光或陽光下,因陽光移動(dòng)的速度非常緩慢, Pl、 P2上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的,且在回路中相互抵消;再加上傳感器的響應(yīng)頻率很低(一般為0.l-10Hz),即傳感器對(duì)紅外光的波長(zhǎng)的敏感范圍很窄(一般為5-l5um),因此,傳感器對(duì)它們不敏感。從原理上講,任何發(fā)熱體部會(huì)產(chǎn)生紅外線,熱釋電人體紅外線傳感器對(duì)紅外線的敏感程度主要表現(xiàn)在傳感器敏感單元的溫度所發(fā)生的變化,而溫度的變化、導(dǎo)致電信號(hào)的產(chǎn)生。環(huán)境與自身的溫度變化由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它不向外輸出信號(hào),而傳感器的低頻響應(yīng)(一般為0.1-10Hz)和對(duì)特定波長(zhǎng)紅外線(一般為5-15um) 的響應(yīng)決定了傳感器只對(duì)外界的紅外線的輻射兩引起傳感器的溫度的變化而敏感,而這種變化対人體而言就是移動(dòng)。所以,傳感器対人體的移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)敏感,對(duì)靜止或移動(dòng)很緩慢的人體不敏感;它可以抗可見光和大部分紅外線的干擾。圈3. 4雙元紅外傳感器示意圖傳感器在安裝過程中還需要注意安裝方向 ,由于透鏡的光學(xué)特性決定橫切探測(cè)區(qū)域比較敏感,所以傳感器安裝時(shí)要注意入侵方向與探測(cè)器視場(chǎng)的夾角. 最好成90垂直,這樣就可以保證有人出現(xiàn)時(shí)能最大程度橫切探測(cè)區(qū)域。圖35RE200B實(shí)物圖及引腳區(qū)分3. 12熱釋紅外傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)熱群紅外傳感器有優(yōu)點(diǎn),也有缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)使是本身不發(fā)任何類型的輻射,器件功耗小,隱蔽性好, 價(jià)格低廉。而缺點(diǎn)是容易受各種熱源、光源干擾;由于紅外穿透力差,因此人體的紅外輻射容易被遮擋,不易被探頭接收,易受射頻輻射的干擾,環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí),探測(cè)和靈敏度明顯下降,有時(shí);還會(huì)造成短時(shí)失靈。 試驗(yàn)檢測(cè)也證明了這點(diǎn),只要人體存在卻又巧秒左右沒有活動(dòng),傳感器則認(rèn)為沒有人體存在。為避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn),本系統(tǒng)軟件程序中設(shè)計(jì)為有人體存在狀態(tài)間隔隔l0秒或更長(zhǎng)的時(shí)間來對(duì)人體存在參數(shù)信號(hào)的采集 。3. 13菲涅爾通鏡菲涅爾透鏡作用有兩個(gè):一是聚焦作用,即將熱釋紅外信號(hào)折射(反射)在 PIR上,第二個(gè)作用是將探測(cè)區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū),使進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)。當(dāng)人進(jìn)入感應(yīng)范圍，人體釋放的紅外光透過鏡片被聚集在遠(yuǎn)距離A區(qū)域或中距離B區(qū)域或近距離C區(qū)的某個(gè)段的同心環(huán)上,同心環(huán)與紅外線探頭有一個(gè)適當(dāng)?shù)慕咕?紅外光正好被探頭接收,探頭將光信號(hào)變成電信號(hào)送入電子電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。整個(gè)接收人體紅外光的方式也被稱為被動(dòng)式紅外活動(dòng)目標(biāo)探測(cè)器。鏡片與探頭的配合應(yīng)用一我們常用的是雙源式探頭,揭開濾光玻璃片,其內(nèi)部有兩點(diǎn)對(duì)7-14um的紅外波長(zhǎng)特別敏感的T0-5材料連接著場(chǎng)效成管。由于熱釋電傳感器輸出的信號(hào)變化緩慢、幅値小(小于1mV) ,不能直接作為照明系統(tǒng)的控制信號(hào),因此傳感器的輸出信號(hào)必須經(jīng)過一個(gè)專門的信號(hào)處理電路, 使得傳感器輸出信號(hào)的不規(guī)則波形轉(zhuǎn)變成適合于單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)。根據(jù)以上要求,人體熱釋電檢測(cè)電路組成框圖如圖3.6所示。圖3. 6熱釋電檢測(cè)電路_組成框圖3.2熱釋電紅外處理,芯片BISS0001簡(jiǎn)介BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號(hào)處理集成電路,它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開關(guān)。它能自動(dòng)快速可開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動(dòng)門、電風(fēng)扇、烘干機(jī)和自動(dòng)洗手手池等裝置,特別適用于企業(yè)、賓館、商場(chǎng)、庫(kù)房及家庭的過道、走廊等敏感區(qū)域,或用于安全區(qū)域的自動(dòng)燈光、照明和報(bào)警系統(tǒng)。它的特點(diǎn): CM0S工藝,數(shù)?；旌?具有獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器。內(nèi)部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾,內(nèi)設(shè)延遲時(shí)間定時(shí)器和封鎖時(shí)間定時(shí)器,采用16腳DIP裝。如圖37所示圖3.7 BISS0001引腳圖3.2.1 BISS0001引腳說明(l)A:可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)選擇端。當(dāng)A為1時(shí),允許重復(fù)觸發(fā),反之不可重復(fù)觸發(fā)。(2)V0.控制信號(hào)輸出端。由VS的上跳變沿觸發(fā),使Vo輸出從低電平跳變到高電平時(shí)視為有數(shù)觸發(fā)。在輸出延遲時(shí)間Tx之外和無VS的上跳變時(shí),vo保持低電平狀態(tài)。 (3)RR1、RC1：輸出延遲時(shí)間Tx的調(diào)節(jié)端, Tx49152RIC1。 (4)RR2、RC2: 觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti的調(diào)節(jié)端, Ti24R2C2(5)VSS: 工作電源負(fù)端 。(6)VRf:參考電壓及復(fù)位輸入端。通常接VDD,當(dāng)接“0時(shí)可使定時(shí)器復(fù)位。(7)VC:觸發(fā)禁止端。當(dāng)VCVR時(shí)允許觸發(fā)(VR 0.2VDD)。(8)IB:運(yùn)算放大器偏置電流設(shè)置端。(9)VDD:工作電源正端 。(l0)20UT:第二級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端(1l)2lN:第二級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸入端(l2)IN+:第一級(jí)運(yùn)算放大器的同相輸入端。(13)IIN-:第一級(jí)適算放大器的反相輸入端。(l4)10uT:第一級(jí)遷算放大器的輸出瑞。3.3熱釋紅外人體檢測(cè)電路3.3.1信號(hào)處理電路 本設(shè)計(jì)采用BISS000l來完成對(duì)熱釋電傳感器輪出信號(hào)的處理。BISS000l是一款具有較高性能的熱釋電傳感器信號(hào)處理集成電路,它主要由運(yùn)算放大器、 電壓比較器、 狀態(tài)控制器、 延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成。由BISS0001 構(gòu)成的信號(hào)處理電路如圖3.8所示。圖3.8中熱釋電傳感器 S概輸出信號(hào)送入BISS000l的L4腳,經(jīng)內(nèi)部第一級(jí)運(yùn)算放大器放大后,由C10耦合從l2腳輸入至內(nèi)部第二級(jí)運(yùn)算放大器放大,再經(jīng)電壓比較器構(gòu)成的鑒幅器處理后,檢出有數(shù)觸發(fā)信號(hào)去啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器,最后從l2腳輸出信號(hào)(Vo)送入比較器進(jìn)行比較判斷。實(shí)驗(yàn)所得,當(dāng)傳感器檢測(cè)室內(nèi)有人時(shí),vo為4v,無人時(shí)vo為0.4v。BISS000l的1腳接高電平,使芯片處于可重復(fù)觸發(fā)工作方式。輸出Vo(高電平)的延遲時(shí)間Tx由外部R14和C14的大小調(diào)整;觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti由外部R15和C15的大小調(diào)整。圖38熱釋紅外傳感器信號(hào)處理電路3.3.2比較電路 比較電路如圖3.9所示, 由兩個(gè)運(yùn)算放大器組成輸入信號(hào)來自于熱釋紅外人體輸出信號(hào)處理電路輸出比較電路中的基準(zhǔn)電壓分別由兩個(gè)獨(dú)立的分壓電路得到，供電路比較所用。即運(yùn)算放大器b1的2腳和b2的5腳電壓分別為2.0V和0.45V。圖 3.9人體信號(hào)比較電路通過比較電路將相應(yīng)的電圧比較結(jié)果以數(shù)字信號(hào)輸出。當(dāng)被動(dòng)紅外探頭在有效范圍內(nèi)感應(yīng)到人體信號(hào)后,運(yùn)算放大器的“6腳或“1腳”的電壓降為3.0V,當(dāng)被動(dòng)紅外探頭在有效范圍內(nèi)沒有感應(yīng)到人體紅外信號(hào)時(shí),“6腳”或“1腳的電壓降為1.0v。探頭故障斷路時(shí),則“6腳或“1腳”的電圧降為0V。( 1 )探頭工作正常 “2腳”的電壓恒定為2.0V,“l(fā)腳的電圧有1V或是3.0V兩種狀態(tài)?！?腳的電.壓恒定為0.45V,“6腳的電壓與“l(fā)腳的電壓保持一致。探頭將會(huì)根據(jù)有無人體信號(hào)在“l(fā)腳產(chǎn)生l.0V或3.0V兩種電壓信號(hào)。2)探頭工作不正常(l士于故障成投有安裝探頭)2腳的電壓恒定為2.0V,“1腳的電壓為0V?！?腳的電圧恒定為0.45V,“6 腳的電壓為0V。探頭將會(huì)產(chǎn)生一種電壓信號(hào)0V 。具體的比較結(jié)果如l、表3. 1所示。表3. l探頭采集信號(hào)號(hào)輸出狀態(tài)表 通過比較電路，解決了不同的工作狀態(tài)時(shí)被動(dòng)的紅外傳感器人體紅外信號(hào)的采集很大程度上減少單片機(jī)誤判的比例，同時(shí)實(shí)現(xiàn).A/D轉(zhuǎn)換功能 。3.4 環(huán)境光照度檢測(cè)電路環(huán)境光照度檢測(cè)電路如圖3.10所示,圖中主要由光信號(hào)采集電路和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成,其中模數(shù)轉(zhuǎn)換是電路的核心信號(hào)經(jīng)過采集送入A/D轉(zhuǎn)換電路,通過單片機(jī)處理后,最終作為系統(tǒng)應(yīng)用程序進(jìn)行開關(guān)燈判斷的依據(jù)。圖3l0環(huán)境光照度檢測(cè)電路原理圖當(dāng)自然光強(qiáng)度大于300Lx時(shí),光敏二扱管呈現(xiàn)低阻狀態(tài)1千歐,三極管Q3的基極電壓升高,Q3管飽和導(dǎo)通,集電極輸出低電平。當(dāng)自然光小于300LX左右時(shí),光敏二極管DS1呈現(xiàn)高阻狀態(tài),約為100千歐,使三極管Q3截止,集電極輸出高電平。其中可變電阻 R19可調(diào)節(jié),調(diào)R19阻值的大小,使Q3三極管受環(huán)境光影響在適當(dāng)?shù)牧炼认聦?dǎo)通。光電一極管是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。它的核心部分是一個(gè) PN結(jié)和普通二極管相比,在結(jié)構(gòu)上不同的是,為了便于接受入射光照,PN結(jié)面積盡量做的大一些,電極面積盡量小些,而且 PN結(jié)的結(jié)深很淺,一般小于1徴米。光電二極管 (也稱光敏二極管) 是在反向電壓作用之下工作的。沒有光照時(shí),反向電流很小(一般小于 0.1uA),稱為暗電流。當(dāng)有光照時(shí),攜帶能量的光子進(jìn)入 PN 結(jié)后,把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子,使部分電子掙脫共價(jià)鍵,從而產(chǎn)生電子空穴對(duì),稱為光生載流子它們?cè)诜聪螂妷鹤饔孟聟⒓悠七\(yùn)動(dòng),使反向電流明顯変大,光的強(qiáng)度越大,反向電流也越大這種特性稱為“光電一號(hào) 。光電二極管在一般照度的光線照射下所產(chǎn)生的電流叫光電流如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載就獲得了電信號(hào),而且這個(gè)電信號(hào)隨著光的變化而相應(yīng)變化,其外形電路圖形符號(hào)如圖3ll所示。圖3. 11光敏二極管3.4,TLC549的接口設(shè)計(jì)TlC549是美國(guó)德州電器公司生產(chǎn)的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片,可與通用微處理器、控制器通過CLK、CS、DATA、out三條口線進(jìn)行串行接口。具有4MHz系統(tǒng)時(shí)鐘和軟、硬件控制電路,轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)l7us,TLC549為40000次/s?？偸д{(diào)誤差最大為0.5LSB,典型功耗值為6MW。采用差分參考電圧高阻輸入,抗干擾,可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍,VREF-接地,VREF+-VREF1V,可用于較小信號(hào)的采樣。TLC549有片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘,該時(shí)鐘與I/0CLOCK是獨(dú)立工作的,無須特殊的速度或相位匹配。TLC549可方便地與具有串行外圍接口(SPI)的單片機(jī)或微處理器配合使用,也可與51系列通用單片機(jī)相連接使用。其工作時(shí)序如圖3. 12所示。圖3l2 TLC549工作時(shí)序圖當(dāng) CS為高時(shí),數(shù)據(jù)輸出(DATA OUT)端處于高阻狀態(tài),此時(shí)I/0CLOCK不起作用。這種CS控制作用允許在同時(shí)使用多片TLC549時(shí),共用I/0CLOCK,以減少多路(片)A/D并用時(shí)的I/0控制端口。3. 5電磁繼電器電路如圖313所示是電磁繼電器驅(qū)動(dòng)電路原理圖,三極管Q1的基極B接到單片機(jī)的 P2.0,三極管的發(fā)射極E接到繼電器線圈的一端,線圏的另一端接到+5V電源 VCC上,繼電器線圈兩端并接一個(gè)二極管1N4l48,用于吸收釋放繼電器線圈斷電時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì),防止反向電動(dòng)勢(shì)擊穿三極管Q1及干擾其他電路, R17和發(fā)光二極管Ds3組成一個(gè)繼電器狀態(tài)指示電路,當(dāng)繼電器吸合的時(shí)候, DS3點(diǎn)亮,這樣就可以直觀地看到繼電器狀態(tài)了。圖3.13電磁繼電器驅(qū)動(dòng)電路原理圖第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件部分的主要任務(wù)是完成對(duì)光照檢測(cè)電路和熱釋傳感器信號(hào)處理電路的輸出信號(hào)進(jìn)行處理。系統(tǒng)首先對(duì)人體存在情況進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)在可檢測(cè)范圍沒有檢測(cè)到人體存在時(shí)情況進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)可檢測(cè)范圍對(duì)人體存在情況進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)檢測(cè)到人體存在時(shí),然后對(duì)環(huán)境光情況進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí),繼續(xù)對(duì)環(huán)境光情況進(jìn)行檢測(cè), 當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境光較弱時(shí),延時(shí)10S 后返回,再次對(duì)人體存在情況和環(huán)境光情況進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)檢測(cè)到有人體存在且光照度較弱時(shí)點(diǎn)亮相應(yīng)的照明設(shè)備。4l系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)如圖41所示開始系系統(tǒng)初始化統(tǒng)初始化是否有人？NY光照檢測(cè)強(qiáng)弱延時(shí)十秒N是否有人？Y光照檢測(cè)強(qiáng)弱亮燈圖4. 1系統(tǒng)主相序流稅圖4. 2 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換時(shí),首先進(jìn)通TLC549,內(nèi)部電路在測(cè)得CS下降沿后,在等待兩個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘上升沿和一個(gè)下降沿后再確認(rèn)認(rèn)這一變化最后自動(dòng)將前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位(D7)位輸出到OUT端傳送給標(biāo)志位C,然后左移一位傳送給 A然后循環(huán)讀取剩下七位數(shù),直到八位傳送完。圖4.2 A/D 轉(zhuǎn)換程序流程圖4.3系統(tǒng)軟件各部分設(shè)計(jì)說明4.3.1環(huán)境光和人體存在檢測(cè)程序本系統(tǒng)考慮到?jīng)]有人時(shí),無論是否光照強(qiáng)弱都不應(yīng)開燈,而有人體存在時(shí),只有環(huán)境光照度低于某一設(shè)定值才開燈。本系統(tǒng)邏輯定義為環(huán)境光亮?xí)r為二進(jìn)制的“1”(符合光采集電路輸出信號(hào)狀態(tài)) ,暗時(shí)為“0人體存在為“l(fā)”人體不存在為“0”開燈為“0關(guān)燈為“1”。室內(nèi)有人且光照弱的軟件程序如下:PERSON: JNB P3.0, PERSONlPERSON: JNB P3.1, GUANGSJMP PERSON GUANG: ACALL RETJB P3.2, L00PSJMP GUANG系統(tǒng)首先對(duì)人體檢測(cè)電路的輸出狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè), 根掘比較電路的輸出狀態(tài)表, 若輸出信號(hào)滿足不符合系統(tǒng)有人存在的判斷條件則系統(tǒng)繼續(xù)対人體檢測(cè)電路的輸出狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。如果輸出信號(hào)満足系統(tǒng)有人存在的判斷條件,則系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到GUANG。GUANG的第一條指令,可完成對(duì)光照強(qiáng)度檢測(cè)電路的輸出狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。若輸出為高電平,說明光線弱,順序執(zhí)行下面的指令,延時(shí)10s后,跳轉(zhuǎn)PERSON1再次檢測(cè)信號(hào)輸入狀態(tài)若輸入狀態(tài)與延時(shí)前相同,則系統(tǒng)控制P2.0為低電平,照明設(shè)備點(diǎn)亮。4. 3. 2 10S延時(shí)程序10S延時(shí)程序如下:DELAY10S: MOV R4,#lOHDEL: MOV R7,#l0DEL1: MOV R6,#0FFHDEL2: MOV R5,#80HKONC: NOPDJNZ R5,$DJNZ R6,DEL2DJNZ R7,DEL1DJN:Z R4, DELRET這是一段延時(shí)10S的程序,系統(tǒng)通過不斷執(zhí)行循環(huán)程序消耗時(shí)鐘周期,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)延時(shí)操作 。43. 3 A/D轉(zhuǎn)換程序READ: SETBPl.2NOPNOPCLR P1.2NOPNOPMOV C,P3.0 RLC AMOV R5，#7RE： SETB P1.0NOPNOPCLR P1.0NOPNOPMOV C，P3.0RLC ADJNZ R5 ，RESETB P1.0NOPNOPSETB P1.2CLR CMOV 34H ，ARET 以上是一段A/D轉(zhuǎn)換程序,系統(tǒng)首先進(jìn)行將Cs管置低，內(nèi)部電路在測(cè)得與 CS下降沿后,在等特兩個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘上升沿和一個(gè)下降沿后 再確認(rèn)這一變化最后自動(dòng)將前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位(D7)位輸出OUT端傳送給標(biāo)志位C,然后左移一位傳送給A然后循環(huán)剩下七位數(shù),直到八位傳送完,停止轉(zhuǎn)換最終把轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)放到34H中。第五章 圖書館照明控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)5. 1熱釋紅外傳感器的安裝分析圖書館照明控制系統(tǒng)用于對(duì)現(xiàn)有圖書館進(jìn)行改造。本設(shè)計(jì)所用的系統(tǒng)具有 智能控制,系統(tǒng)所用到的熱釋紅外傳感器所能探測(cè)到的范圍有限,具體探測(cè)范圍 見圖5. l所示, 根據(jù)現(xiàn)在圖書館自習(xí)室的書桌分布情況。和燈具分布情況特提出如下安裝方案,以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖書現(xiàn)有自習(xí)室的智能控制。圖5. 1熱釋紅外傳感器探測(cè)范圍根據(jù)熱釋紅外傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們可以知道加上透鏡的傳感器的最大探測(cè)距高是7米左右,探測(cè)角度是110度左右3至4米的探測(cè)長(zhǎng)度,而圖書館現(xiàn)有具的懸掛高度大概是2米,自習(xí)室墻體的高度大概是3.5米,雖然直接把傳感器安裝在天花板可以有更大范圍的檢測(cè),可是更大的范圍也就意味者更大的浪費(fèi),我們不可能在人數(shù)根少的情況仍舊安裝一大片燈,這不符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷,所以本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況認(rèn)為探測(cè)器應(yīng)該安裝在距離桌面大概2米的距高這樣它在2米的平面上形成的探測(cè)半徑是2米左右,但是由于傳感器本身的缺陷,它的有效探測(cè)范圍不可能是2米,根據(jù)以往的數(shù)據(jù)記載可以知道有效的探測(cè)距高大概是l.5米左右,這個(gè)范圍大概是一張桌子的長(zhǎng)度這樣就可以把它安裝在兩張桌子的中間即可 。5. 2環(huán)境光照度檢測(cè)電路的安裝分析我們根據(jù)資料可以知道300Lx的光照度是適合讀書的理想值, 根據(jù)光敏二極管的光電特性我們可以知道在光照強(qiáng)度為300Lx 時(shí)光電流大概是0.8mA左右,這時(shí)可以通過調(diào)節(jié)連接在基極和發(fā)射極之間的滑動(dòng)變阻器的阻值改變基扱電壓, 從而控制三極管進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài), 我們知道三極管有四種工作狀態(tài):截止,放大,飽和導(dǎo)通,過飽和擊穿,.四種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變和基極與發(fā)射極,集電極與基極之間的電壓有關(guān)當(dāng)基極與發(fā)射極之間的電壓大于0.7v,基極與集電極之間的電壓大于0時(shí)基極飽和三極管;進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài),此時(shí)集電極輸出低電平,這時(shí)集電極電流幾乎不隨基極電流的變化而變化,經(jīng)過計(jì)算可以調(diào)節(jié)基極滑動(dòng)變阻器阻值大概為9oo歐,當(dāng)光照強(qiáng)度低于30OLx時(shí)基極與發(fā)射極之間的電壓大于0.7伏,基極與集電極之間的電壓小于0,這時(shí)三極管進(jìn)入放大狀態(tài)集電極輸出電流隨基極電流的變化而變化,三極管進(jìn)入放大狀態(tài),集電極輸出高電平。三極管的輸出特性曲線如圖5. 2所示。圖5. 2三極管輸出特性曲線如圖5. 3所示是光敏二極管光電特性曲線, 由圖可以知道在300Lx的分界點(diǎn)時(shí), 光電流大概是 0. 8mA, 、-ii描動(dòng)變J現(xiàn)器的田値大概在900歐左右時(shí), 三極管飽和導(dǎo)通,所以在調(diào)試的時(shí)候應(yīng)該在滑動(dòng)變阻器最大值上調(diào)試環(huán)境光照度檢測(cè)電路。圖5.3光敏二極管光電特性曲線5. 3圖書館照明控制系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案 本設(shè)計(jì)以一個(gè)單片機(jī)檢測(cè)一個(gè)熱釋紅外傳感器電路和一個(gè)環(huán)境光照度檢測(cè)電路,以一個(gè)電磁組繼電器控制兩盞燈,本設(shè)計(jì)建議采用均勻的燈具:布置方法,并在圖中“ 所示的位置安裝熱釋紅外人體傳感器,檢測(cè)室內(nèi)不同位置的人體存在。這樣的控制方式充分體現(xiàn)了節(jié)能,也延長(zhǎng)照明燈具的使用壽命。圖書館智能照明控制系統(tǒng)的光敏二極管安裝在室內(nèi)避開電燈直射的位置 ,且熱釋紅外傳感器安裝時(shí)應(yīng)使人體活動(dòng)方向與熱釋紅外傳感器中兩個(gè)熱釋電元連線方向垂直, 因此本設(shè)計(jì)建議將照明燈安裝在每張桌子的正上方2米處,在兩張桌子的正中間上方安裝熱釋紅外傳感器。關(guān)于系統(tǒng)供電的進(jìn)擇我們選擇220V交流電直接接到系統(tǒng)的變壓器模塊,并且這是一路獨(dú)立的電路,這樣可以方便管理員的管理。根據(jù)上述分析可以繪制圖書館照明控制系統(tǒng)對(duì)圖書館自習(xí)室改造設(shè)計(jì)的原理圖，方案如圖54所示圖5.4圖書館自習(xí)室改造方案圖結(jié)