目錄頁共=numpages51-348頁 第一章緒論1.1本課題研究的目的和意義現(xiàn)在國內(nèi)的各大高等院校普遍實(shí)行開放式的教學(xué)管理模式，教室一般是分時(shí)段，由管理人員自由管理，這種管理模式跟中學(xué)、小學(xué)那樣特定的教室，用固定的人管理有很大的區(qū)別，教室的各種資源均有教室管理人員進(jìn)行靜態(tài)的管理。高校這樣的管理模式盡管非常符合學(xué)生自由交流學(xué)習(xí)的實(shí)際情況，但同時(shí)產(chǎn)生了一些能源浪費(fèi)問題。根據(jù)調(diào)查顯示，各大高校普遍存在教學(xué)區(qū)“無人燈亮風(fēng)扇轉(zhuǎn)、人少燈多風(fēng)扇多、白天亮燈”等用電浪費(fèi)現(xiàn)象[1]，這種現(xiàn)象值得我們重視。根據(jù)所調(diào)查的資料和數(shù)據(jù)來看，如果用目前最新的節(jié)能系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有的高校教室用電系統(tǒng)改造，能夠讓其用電系統(tǒng)的電能利用率提高百分之三十。這里舉例說明，國家規(guī)定現(xiàn)有的教室照明功率密度為每平方米按10W來進(jìn)行設(shè)計(jì)，學(xué)校教室的面積一般標(biāo)準(zhǔn)為96m2，如果一個(gè)教室每天開燈十三個(gè)小時(shí)，這樣下來每個(gè)教室每年要用160千瓦時(shí)，假設(shè)一個(gè)學(xué)校有大概210間教室，用最新的節(jié)能系統(tǒng)的話，全年能夠節(jié)省2.28×105千瓦時(shí)的電能，現(xiàn)在的電價(jià)為0.56元，這樣算下來全年能夠省下來12萬元的電費(fèi)[2]，如果將此數(shù)據(jù)推廣到全國3000多所高校，每年下來浪費(fèi)的電能將非常驚人。因此，高校教室的用電系統(tǒng)通過最新的節(jié)能技術(shù)智能化的控制是非常有必要的，通過節(jié)能系統(tǒng)可以為學(xué)校節(jié)省很大開銷，這是如何降低學(xué)校建筑物內(nèi)功耗以及如何更加符合綠色環(huán)保的一個(gè)重要方向，更重要的是通過這樣的方式，提高師生及全社會(huì)的節(jié)能意識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境。能量是人類生存的三大要素之一。目前，能量短缺仍是世界和中國最緊迫的問題，除了尋找新的能源，如何提高能源的利用率已經(jīng)成為一個(gè)我們努力創(chuàng)新的方向，大部分高校已經(jīng)意識(shí)到了教師用電系統(tǒng)存在很大的電能浪費(fèi)問題，雖然采取了各種管理方法，但通過這種靜態(tài)的方式始終沒能堅(jiān)持太久，因?yàn)楣?jié)能的意識(shí)不能強(qiáng)迫每個(gè)人都擁有，許多方式不現(xiàn)實(shí)，反而帶來了許多新的問題，由于教室的開放時(shí)間管理不善，使得教室資源的浪費(fèi)以及各種不合理利用。因此，為了提高教室電能的利用率，研究該節(jié)能系統(tǒng)是非常有必要的。1.2國內(nèi)外教室節(jié)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)教室節(jié)能技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀目前，我國積極推進(jìn)節(jié)能減排，綠色環(huán)保的低碳生活，提高國民的生活質(zhì)量，同時(shí)也對(duì)各大高校的建設(shè)提出新的要求，要求學(xué)校向著綠色環(huán)保的美麗校園建設(shè)，各大高校對(duì)此非常重視，積極的響應(yīng)國家的政策，在教學(xué)建筑的用電方面實(shí)施照明節(jié)能工作，推出了許多可靠有效的措施。最近查閱了這方面的相關(guān)資料和數(shù)據(jù)得知，早在二零一零年六月份，北京大學(xué)、清華大學(xué)帶頭，百余所著名高校積極倡議，在北京成立了“全國高校節(jié)能聯(lián)盟”，同一時(shí)間“十萬百萬”工程浩浩蕩蕩的在全國范圍內(nèi)迅速展開，這些積極的活動(dòng)很大程度的提高了全國各類學(xué)校的節(jié)能環(huán)保意識(shí)，各大學(xué)校朝著國家提倡的方向建設(shè)[3]。各省的大部分高校都設(shè)立了能源管理專業(yè)委員會(huì)，以及制定了建設(shè)節(jié)能環(huán)保型校園的目標(biāo)，并不斷出臺(tái)、修訂、完善相關(guān)節(jié)能節(jié)電條例、制度、辦法，實(shí)行學(xué)校節(jié)能節(jié)電工作的精細(xì)化管理，設(shè)立了相應(yīng)的監(jiān)督措施，使得學(xué)校朝著既定的方向發(fā)展。二零一一年，全國掀起了各種各樣的節(jié)能節(jié)電活動(dòng)，國內(nèi)的大部分高校積極響應(yīng)并參與“地球熄燈一小時(shí)”活動(dòng)，根據(jù)山西省太原市參與該活動(dòng)的數(shù)據(jù)顯示，此次活動(dòng)大約節(jié)約了3×104千瓦時(shí)的電能[4]。北京理工大學(xué)為了解決學(xué)校教室經(jīng)常性的無人燈亮風(fēng)扇轉(zhuǎn)，人比較少使亮燈的問題,對(duì)現(xiàn)有的教室照明系統(tǒng)改造，實(shí)現(xiàn)了教室內(nèi)無人燈滅風(fēng)扇停。采取的主要措施是每八十平方米安裝一臺(tái)全方位數(shù)字波譜型的節(jié)電裝置。這種裝置運(yùn)用先進(jìn)的各類數(shù)據(jù)采集傳感器將信息送到中央處理器分析，然后給出相應(yīng)的判斷，從而實(shí)現(xiàn)按照人們的需求來使用電能[2]。南開大學(xué)對(duì)校園供電設(shè)備以及供電系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，將智能控制開關(guān)用于各個(gè)教室，自此學(xué)校中長(zhǎng)明燈的數(shù)量越來越少了。北京化工大學(xué)為了增進(jìn)全校師生的節(jié)能環(huán)保意識(shí)，開展了綠色校園活動(dòng)，這個(gè)活動(dòng)的名字叫從“一度電的承諾”開始，學(xué)校的師生積極參加這個(gè)活動(dòng)，在圖書館、教學(xué)區(qū)、宿舍從節(jié)約一度電開始，從而帶動(dòng)身邊的人一起節(jié)約，同時(shí)在學(xué)校舉辦了“節(jié)電節(jié)能交流論壇”，有20余所高校有關(guān)節(jié)能環(huán)保綠色校園的社團(tuán)和組織加入其中進(jìn)行交流[5]。各大高校都把提高學(xué)生節(jié)能環(huán)保意識(shí)的教育內(nèi)容加入大學(xué)生形勢(shì)與政策的課程，并將學(xué)生這門課的的成績(jī)當(dāng)作一項(xiàng)重要的考察。許多有節(jié)能環(huán)保意識(shí)的學(xué)生自發(fā)的在學(xué)校宣傳并提醒其他同學(xué)，還主動(dòng)關(guān)閉不用的教室以及自習(xí)室的長(zhǎng)明燈，降低學(xué)校電能的浪費(fèi)。1.2.2國外教室節(jié)能技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀近幾年來，國外的各大高校積極響應(yīng)聯(lián)合國、國際節(jié)能環(huán)保協(xié)會(huì)等國際組織的號(hào)召，紛紛開展了各種節(jié)能綠色行動(dòng)，節(jié)約能源，減少浪費(fèi)。比如耶魯大學(xué)早在二零零五年就制定了學(xué)校溫室氣體排放要減少百分之十七，師生在宿舍的用電降低百分之十的節(jié)能目標(biāo)[6]。牛津大學(xué)為了鼓勵(lì)學(xué)生在生活上節(jié)能環(huán)保，對(duì)推廣節(jié)能低碳做出非常大的成績(jī)以及在節(jié)能創(chuàng)新方面有所突出的學(xué)生獎(jiǎng)勵(lì)高額的獎(jiǎng)學(xué)金。美國的各大高校倡導(dǎo)使用通過LEED認(rèn)證、能源之星的電子產(chǎn)品，能源之星產(chǎn)品的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)比普通節(jié)能產(chǎn)品高30%，目前是中國市場(chǎng)上銷量較高的照明產(chǎn)品。各高校根據(jù)教學(xué)的具體情況，定時(shí)開放照明等設(shè)施，安裝智能控制器，精心設(shè)計(jì)天窗、通風(fēng)窗等，充分利用自然光，這樣既確保了教學(xué)工作又避免了浪費(fèi)。各大高校不斷加大對(duì)新能源的開發(fā)，每年撥出大量的科研經(jīng)費(fèi)用于新能源的開發(fā)、節(jié)能措施的研發(fā)和實(shí)踐。二零零五年到二零零九年這四年中，麻省理工學(xué)院每年都會(huì)在節(jié)能創(chuàng)新措施的研發(fā)和改造上投入三百多萬美元，這些研究措施主要是在供熱系統(tǒng)和制冷空調(diào)系統(tǒng)的升級(jí)、給各類燈具的節(jié)能改造上[7]。通過這些創(chuàng)新措施每年可以為學(xué)校節(jié)省下二百二十多萬美元，同時(shí)還為大氣層減少了兩千多萬磅的溫室氣體的排放，將這些節(jié)省的資金用來資助和獎(jiǎng)勵(lì)那些提高能源利用率的研究團(tuán)體和個(gè)人[7]。1.3本論文的主要研究?jī)?nèi)容本課題研究的內(nèi)容是為了解決高校教室普遍存在的“無人燈亮風(fēng)扇轉(zhuǎn)，人少燈多風(fēng)扇多”等用電浪費(fèi)的現(xiàn)象，開發(fā)出了一種用單片機(jī)來控制的教室節(jié)能系統(tǒng)。在滿足日常教學(xué)、科研的條件下，通過對(duì)教室燈具、風(fēng)扇的智能控制，提高教室電能的使用率。該系統(tǒng)可以與現(xiàn)有的教室供電系統(tǒng)配合使用，大大的降低了改造的成本，設(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式，既保障了教室的合理用電，又滿足了在特殊情況下的用電。論文分為五個(gè)章節(jié)介紹，具體如下：第一章主要說明了本課題研究的目的及意義，介紹了國內(nèi)外高校教室節(jié)能技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀以及采取的具體措施，總結(jié)了本論文研究的主要內(nèi)容。第二章主要介紹了教室節(jié)能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，首先概述了系統(tǒng)的功能，然后分析并設(shè)計(jì)具體的方案，最后介紹系統(tǒng)工作的過程。第三章在上述基礎(chǔ)上具體介紹了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，從單片機(jī)最小控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊、系統(tǒng)電源模塊、時(shí)鐘電路模塊、顯示模塊、按鍵控制模塊以及繼電器驅(qū)動(dòng)電路這幾部分內(nèi)容詳細(xì)論述了硬件系統(tǒng)。第四章主要闡述了系統(tǒng)的軟件部分，具體介紹了系統(tǒng)監(jiān)控的主程序模塊，系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)自檢初始化，采集的數(shù)據(jù)如何處理，以及時(shí)鐘模塊的設(shè)計(jì)。第五章主要闡述了系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行以及對(duì)在此過程中發(fā)現(xiàn)的問題的分析，簡(jiǎn)單介紹了單片機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試方法及具體步驟。論文最后總結(jié)本課題的研究工作，談?wù)勛约旱男牡?，并找出自己在此過程中的不足，提出對(duì)以后的展望。第二章教室節(jié)能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的功能概述本系統(tǒng)的主控制處理器選用AT89S52單片機(jī)，了解決高校教室普遍存在的“無人燈亮風(fēng)扇轉(zhuǎn)，人少燈多風(fēng)扇多”等用電浪費(fèi)的現(xiàn)象，可以與現(xiàn)有的教室供電系統(tǒng)配合使用，大大的降低了改造的成本。本系統(tǒng)制作了手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式，當(dāng)控制系統(tǒng)在自動(dòng)控制時(shí)，通過數(shù)據(jù)采集模塊收集教室內(nèi)是否有人,以及有人時(shí)在室內(nèi)的人數(shù)信息和當(dāng)前室內(nèi)光照強(qiáng)度的信號(hào),以實(shí)現(xiàn)在規(guī)定的執(zhí)燈時(shí)段內(nèi),在教室內(nèi)的光明亮程度不超過了預(yù)設(shè)的數(shù)值以及教室里人在的時(shí)間,開啟教室內(nèi)照明燈具,或者由于教室人員的變化,而改變了燈組的開啟的數(shù)量,在教室內(nèi)光暗程度超過了預(yù)設(shè)的數(shù)值或者教室內(nèi)沒人在時(shí)間,關(guān)閉了教室里的照明燈具;當(dāng)使用手動(dòng)模式時(shí),自動(dòng)控制器處在停止工作狀態(tài)下,由用戶自己手動(dòng)開燈。系統(tǒng)由于控制要求還加入了時(shí)鐘模塊和顯示當(dāng)前人數(shù)功能，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，方便了設(shè)定參數(shù)值，查看教室的人數(shù)。2.2方案的設(shè)計(jì)與分析方案的整體設(shè)計(jì)：總系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主由上位機(jī)PC系統(tǒng)、下位機(jī)單片機(jī)系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)三部分組成。教室檢測(cè)主控制處理器選用AT89S52單片機(jī)，用RS-485通訊線將每層的所有教室檢測(cè)控制單元聯(lián)接在一起，用CAN總線將所有樓層的控制單元聯(lián)接在一起[2]，然后通過教學(xué)樓的中央計(jì)算機(jī)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)管理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)教室用電系統(tǒng)的智能控制，其具體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：圖2-1教室節(jié)能控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教室檢測(cè)控制單元設(shè)計(jì)：每個(gè)教室檢測(cè)控制系統(tǒng)的主控制處理器選用AT89S52單片機(jī)，由環(huán)境光采集模塊，熱釋電紅外人體存在檢測(cè)模塊，時(shí)鐘模塊，EEPROM存儲(chǔ)模塊，看門狗模塊，電源模塊，顯示模塊，按鍵模塊和繼電器驅(qū)動(dòng)電路模塊這幾部分組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖2-2所示：圖2-2教室檢測(cè)系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式，當(dāng)使用自動(dòng)控制模式時(shí)，教室內(nèi)人數(shù)和光強(qiáng)信息被紅外人體檢測(cè)電路和光強(qiáng)檢測(cè)電路實(shí)時(shí)采集，將采集的信息送到中央處理器中處理，由中央處理后，將控制指令送到驅(qū)動(dòng)模塊，從而實(shí)現(xiàn)燈具、風(fēng)扇的智能開關(guān)，所得信號(hào)與設(shè)定的初始值比較，教室人數(shù)不同，燈亮數(shù)量不同，當(dāng)教室內(nèi)光暗程度不高于設(shè)定的值并且教室內(nèi)有人在時(shí)，主控制處理器發(fā)送命令打開教室燈具，當(dāng)教室沒人時(shí)，關(guān)閉教室內(nèi)燈光。當(dāng)檢測(cè)到教室內(nèi)光照強(qiáng)度高于設(shè)定的值時(shí)，不論教室內(nèi)是否有人都關(guān)閉教室內(nèi)燈具。當(dāng)使用手動(dòng)模式時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)，由使用者自由控制室內(nèi)燈具。系統(tǒng)工作過程如圖2-3所示：圖2-3系統(tǒng)工作過程第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)是教室檢測(cè)控制單元的基礎(chǔ)和主要控制器件，接受并處理采集的信息，將相應(yīng)的控制指令發(fā)送給輸出系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的智能控制，它一般由單片機(jī)芯片、晶振電路、復(fù)位電路以及電源組成。3.1.1單片機(jī)的選擇本課題使用AT89S52單片機(jī)。該單片機(jī)是ATMEL公司近期推出的51單片機(jī)，具有性價(jià)比高，性能優(yōu)良的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)它有8K的快速讀寫存儲(chǔ)空間，可以用電腦以在線的形式編程。它是89C51系列的升級(jí)版，目前AT89S51的性能遠(yuǎn)高于C51系列，市場(chǎng)價(jià)格也比C51系列便宜，具有全新的加密算法，可以有效保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具有更高的工作頻率最高支持33Hz，工作電壓的范圍為4-5.5V，內(nèi)部集成看門狗定時(shí)器，燒寫壽命變得更長(zhǎng)，具有1000次以上的燒寫次數(shù)，這樣可以為初學(xué)者省錢，可以反復(fù)燒寫。它有256字節(jié)的RAM快速讀寫主存和4KB的EEPROM暫時(shí)存儲(chǔ)空間，由于有足夠大的RAM，所以不需要擴(kuò)展RAM，使得外圍電路不必要那么臃腫。綜合上述優(yōu)勢(shì)，本文選擇AT89S52單片機(jī)為教室檢測(cè)控制系統(tǒng)的處理器。AT89S52單片機(jī)如圖3-1所示：圖3-1AT89S52芯片3.1.2晶振電路單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)一般是如何產(chǎn)生的呢，它可以通過內(nèi)部和外部?jī)煞N方式來產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。本系統(tǒng)的時(shí)鐘模塊選擇外部產(chǎn)生的方式，因此只要將外接的時(shí)鐘模塊與單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳相連。本設(shè)計(jì)的晶振電路是由兩個(gè)三十PF的負(fù)載電容并聯(lián)上一個(gè)十二兆赫茲的振蕩晶體，然后接地組成。系統(tǒng)晶振電路如3-2所示圖3-2晶振電路3.1.3復(fù)位電路在單片機(jī)在處理信息的過程中，由于沒有像PLC那樣的屏蔽干擾的外殼的封裝，因此就會(huì)出現(xiàn)程序亂跑，出現(xiàn)漏洞，甚至死機(jī)的情況，從而使得整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓，而且外界干擾總是不可避免的。所以為了減小這些影響，使單片機(jī)馬上正常工作，那就必須對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，本系統(tǒng)中采取加入看門狗電路的方法，看門狗電路工作的過程是當(dāng)系統(tǒng)中核心控制器出現(xiàn)死機(jī)或者其他異常情況時(shí)，給它一個(gè)復(fù)位的信號(hào)，讓控制器復(fù)位，恢復(fù)正常狀態(tài)。系統(tǒng)復(fù)位電路如圖3-3所示：圖3-3系統(tǒng)復(fù)位電路單片機(jī)最小系統(tǒng)仿真圖如圖3-4所示：圖3-4單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2系統(tǒng)電源模塊AT89S52單片機(jī)要用的電源是4-5.5V，而我們生活中一般使用220V的交流電，所以我們需要用變壓器來實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)化。本課題中選用9V的變壓器，用二極管橋式電路全波整流、再用電容濾波，電流流入L7805穩(wěn)壓芯片中，從而使電壓穩(wěn)定到5V。在輸出端用兩個(gè)電容吸收電壓尖峰，從而防止負(fù)載電壓突變。系統(tǒng)電源模塊的工作原理圖如圖3-5所示：圖3-5系統(tǒng)電源模塊原理圖由于在仿真軟件無法仿真，因此在這里我們選用實(shí)驗(yàn)室的+5V的電源作為系統(tǒng)供電電源。3.3環(huán)境光采集模塊教室檢測(cè)控制系統(tǒng)通過光強(qiáng)檢測(cè)電路采集室內(nèi)的環(huán)境光強(qiáng)度，然后將信號(hào)傳到單片機(jī)最小系統(tǒng)中處理，環(huán)境光強(qiáng)度是系統(tǒng)開關(guān)照明系統(tǒng)的主要參數(shù)之一。由于光敏電阻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，當(dāng)外部光強(qiáng)減弱時(shí)，其響應(yīng)的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)的變長(zhǎng)，所以本課題選用GL5516光敏電阻作為室內(nèi)光強(qiáng)的采集單元。環(huán)境光采集模塊原理圖如圖3-6所示：圖3-6環(huán)境光采集模塊原理圖由于在Proteus仿真軟件中，無法模擬教室里的光照情況，所以這里用按鈕代替光敏電阻，當(dāng)光照按鈕被按下，表示教室內(nèi)的光照強(qiáng)度比較暗，沒有被按下時(shí)，則表示教室內(nèi)比較亮不需要開燈。環(huán)境光采集模塊模擬圖如圖3-7所示：圖3-7環(huán)境光采集模塊模擬圖3.4熱釋電紅外感應(yīng)模塊3.4.1工作原理及設(shè)計(jì)熱釋電紅外傳感器的工作原理是由于物體自身發(fā)出的紅外線各不相同，所以通過檢測(cè)不同的波長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)物體的存在以及數(shù)量的檢測(cè)。由于它可以不受可見光的影響，可以不分晝夜使用，不用另設(shè)光源，易于檢測(cè)，因此它目前在許多場(chǎng)合及非接觸溫度等領(lǐng)域被廣泛的使用，本設(shè)計(jì)中選用德國的LH1778熱釋電紅外傳感器，檢測(cè)教室內(nèi)是否有人在以及有多少人。熱釋電紅外檢測(cè)模塊原理圖如圖3-8所示：圖3-8熱釋電紅外檢測(cè)模塊原理圖由于在Proteus仿真軟件中無法仿真熱釋電紅外傳感器，所以在仿真中用按鍵的方式的來表示，通過按鈕的加減來控制教室內(nèi)的人數(shù)，按下外部按鈕，表示有一個(gè)人從教室里的出去，當(dāng)按下內(nèi)部按鈕，則表示有一個(gè)人從外面進(jìn)到教室里。紅外檢測(cè)模擬圖如圖3-9所示：圖3-9紅外檢測(cè)模擬圖3.4.2人體存在傳感器的安裝說明人體傳感器由于自身的結(jié)構(gòu)特性，容易受到外界的影響，出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)現(xiàn)象，所以在安裝時(shí)要注意抗干擾。探測(cè)器要安裝到離地面2-2.2米，從而防止一些小動(dòng)物的干擾；不能靠近空調(diào)、暖氣片等空氣變化敏感的地方；其探測(cè)的范圍內(nèi)不能有大型裝飾物、隔斷等隔離物；窗外人員走來走去和熱空氣的流動(dòng)都是移動(dòng)的熱源，如果將人體存在傳感器對(duì)向窗外，這樣就會(huì)導(dǎo)致傳感器誤報(bào)，所以安裝時(shí)要避免這種問題。3.5時(shí)鐘電路模塊由于教室照明系統(tǒng)在不同的時(shí)間段使用的情況不同，所以本系統(tǒng)還要設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路，從而保證系統(tǒng)的智能控制。本系統(tǒng)選擇DS1302時(shí)鐘芯片，這款芯片擁有充電功能和臨時(shí)存儲(chǔ)功能，當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)可以為其進(jìn)行充電，如果不需要此功能還可以將其關(guān)閉。該芯片能夠顯示年、月、日，時(shí)間從小時(shí)精確秒，如果是閏年還可以為其補(bǔ)償，它的正常工作電壓一般為2.5V~5.5V[9]。DS1302它可以與單片機(jī)直接進(jìn)行相連通信，而且只需要三根線就能完成，個(gè)體比較小，，不占電路板空間，使用起來不會(huì)太復(fù)雜，時(shí)鐘精度比許多芯片要好[10]，可以達(dá)到本系統(tǒng)的要求。時(shí)鐘電路模塊如圖3-10所示：圖3-10時(shí)鐘電路模塊3.6繼電器驅(qū)動(dòng)電路模塊本模塊使用三極管來驅(qū)動(dòng)繼電器。當(dāng)教室內(nèi)不需要開燈時(shí)，P2.5口為高電平，這時(shí)三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器不得電，教室不開燈；當(dāng)教室內(nèi)需要開燈時(shí)，P2.5口為低電平，這是三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，繼電器得電，教室開燈。由于繼電器吸合期間可能出現(xiàn)過電流，產(chǎn)生火花，因此在繼電器的輸出端加入保護(hù)阻抗。繼電器驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3-11所示：圖3-11繼電器驅(qū)動(dòng)電路原理圖3.7顯示電路模塊本設(shè)計(jì)的顯示模塊選用LCD1602液晶顯示器，用于顯示當(dāng)前的日期、時(shí)間、教室內(nèi)人數(shù)。它與單片機(jī)相連時(shí)要注意保護(hù)，接一個(gè)保護(hù)電阻。LCD1602顯示電路如圖3-12所示：圖3-12顯示模塊原理圖3.8按鍵控制模塊按鍵模塊如圖3-13所示：圖3-13按鍵模塊該模塊的功能是通過按鍵控制當(dāng)前系統(tǒng)的工作模式以及時(shí)間狀態(tài)。比如：修改當(dāng)前的日期和時(shí)間，自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式之間的切換。燈和電風(fēng)扇主電路如圖3-14所示：圖3-14燈和電風(fēng)扇主電路圖由于教室中有很多盞燈，每個(gè)燈畫法與此相似，用不同的觸點(diǎn)KA控制，在這里就不一一畫出了。整體仿真圖如圖3-15所示：圖3-15整體仿真圖第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)主程序模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序的功能一般由一段監(jiān)控程序監(jiān)控全局和調(diào)用子程序處理相關(guān)任務(wù)兩部分構(gòu)成。監(jiān)控主程序是整個(gè)控制系統(tǒng)的最重要的部分，主程序越簡(jiǎn)潔處理信息的效率越高，所以將大部分要實(shí)現(xiàn)的具體功能放入子程序中，使主程序不斷調(diào)用子程序來完成相應(yīng)的任務(wù)。子程序中一般要設(shè)計(jì)中斷程序，用中斷程序調(diào)用相應(yīng)的功能程序來配合主程序完成任務(wù)。本系統(tǒng)的主程序模塊流程圖如圖4-1所示：圖4-1系統(tǒng)主程序流程圖部分主程序分析：剛開始，單片機(jī)主控制器初始化，時(shí)鐘DS1302、顯示器LCD1602分別開始初始化，緊接著，系統(tǒng)設(shè)置定時(shí)器，允許定時(shí)中斷，等待外界選擇按鈕，啟用手動(dòng)還是自動(dòng)模式，同時(shí)環(huán)境光采集模塊采集教室內(nèi)的光照強(qiáng)度并發(fā)給中央處理器處理任務(wù)，紅外人體檢測(cè)模塊將室內(nèi)的人數(shù)信息傳到主控器，然后，通過室內(nèi)光照強(qiáng)度和人數(shù)判斷是否開燈，如果教室內(nèi)的光亮程度不高于設(shè)定的值且教室內(nèi)有人在的時(shí)候，打開教室燈具，隨著教室人數(shù)的改變，改變燈組的開啟的數(shù)量，當(dāng)教室內(nèi)光暗程度高于設(shè)定的值或者教室里沒有人在時(shí)，關(guān)掉教室內(nèi)的燈具。最后，開始按鍵掃描，如果有按鍵被按下，根據(jù)不同的按鍵，轉(zhuǎn)職相應(yīng)功能的發(fā)射程序；如果沒有按鍵被按下，則返回主程序。本系統(tǒng)的定時(shí)中斷處理流程圖如圖4-2所示：圖4-2定時(shí)中斷流程圖按鍵掃描流程圖如圖4-3所示：圖4-3按鍵掃描流程圖4.2數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計(jì) 4.2.1環(huán)境光采集子程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用光敏電阻來檢測(cè)教室內(nèi)環(huán)境的光暗程度。環(huán)境光檢測(cè)的流程如圖4-4所示：圖4-4環(huán)境光檢測(cè)模塊流程圖4.2.2熱釋電紅外檢測(cè)子程序設(shè)計(jì)由于人體存在傳感器容易受到各種光源、熱源的干擾，紅外穿透力比較差，從而導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)短暫的失靈或是靈敏度下降，人體如果在一定的時(shí)間內(nèi)沒有活動(dòng)，它會(huì)認(rèn)為教室內(nèi)沒有人，因此為了防止這種現(xiàn)象出現(xiàn)，本系統(tǒng)在熱釋電檢測(cè)模塊中讓人體存在間隔60s及以上的時(shí)間對(duì)人體存在信息采集。本系統(tǒng)在考慮到環(huán)境條件達(dá)到設(shè)定值后,不管室內(nèi)是否有人都不開燈;當(dāng)環(huán)境光沒有超過閾值時(shí),并且在教室里有人后才執(zhí)燈,而無人時(shí)則不執(zhí)燈。所以,可以將數(shù)據(jù)采集模塊的參數(shù)邏輯定義如下:表4-1環(huán)境光與人體存在參數(shù)的邏輯定義熱釋紅外檢測(cè)子程序的流程圖如圖4-5所示：圖4-5熱釋電紅外人體檢測(cè)的流程圖4.3時(shí)鐘模塊子程序設(shè)計(jì)由于新的時(shí)鐘我們對(duì)它的狀態(tài)一切未知，所以我們剛開始使用時(shí)要對(duì)其自檢初始化。時(shí)鐘自檢初始化程序流程圖如圖4-6所示：圖4-6時(shí)鐘自檢初始化流程圖DS1302工作的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4-7所示：圖4-7時(shí)鐘DS1302工作程序流程圖4.4顯示模塊子程序設(shè)計(jì)我們?yōu)榱饲宄刂老到y(tǒng)的運(yùn)行狀況，那么就需要給系統(tǒng)加入顯示模塊，通過人機(jī)交互的窗口來更好的控制系統(tǒng)的運(yùn)行。LCD1602顯示器工作程序流程圖如圖4-8所示：圖4-8LCD1602顯示模塊流程圖第五章系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行及問題分析5.1單片機(jī)系統(tǒng)調(diào)試方法及步驟在系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)完成后，為了檢驗(yàn)整個(gè)系統(tǒng)是否能完成我們所設(shè)定的功能，是否符合任務(wù)書中的要求，同時(shí)為了檢測(cè)系統(tǒng)是否可靠以及他是否能夠長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，所以我們要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢查和調(diào)試，解決硬件組裝和軟件運(yùn)行時(shí)所出現(xiàn)的問題。一般系統(tǒng)的調(diào)試分為硬件調(diào)試、軟件調(diào)試以及整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。實(shí)際調(diào)試時(shí)一般遵循以下的流程，首先對(duì)系統(tǒng)用靜態(tài)方式來調(diào)試，同時(shí)可以分步將各模塊的程序跑一遍，然后將硬件和軟件聯(lián)動(dòng)起來調(diào)試，最后長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行程序，檢測(cè)其可靠性和穩(wěn)定性。靜態(tài)調(diào)試主要是通過一步步的手動(dòng)檢測(cè)，找出明顯的故障然后想辦法排除，軟件調(diào)試是在程序編好后通過模擬軟件進(jìn)行各個(gè)模塊的軟硬件模擬調(diào)試，找到問題所在，然后不斷修改優(yōu)化程序，動(dòng)態(tài)調(diào)試也就是硬件和軟件之間的聯(lián)調(diào)，將程序燒寫到硬件中，同時(shí)對(duì)軟硬件電路診斷，找出故障，并想辦法解決。以下是各模塊電路調(diào)試流程圖：圖5-1電源調(diào)試圖5-2單片機(jī)最小系統(tǒng)調(diào)試圖5-3數(shù)據(jù)采集電路調(diào)試自動(dòng)模式仿真：設(shè)置從早上八點(diǎn)開啟自動(dòng)模式控制，晚上十點(diǎn)關(guān)閉系統(tǒng)。“光照”按鍵未被按下表示當(dāng)前教室內(nèi)光強(qiáng)比較亮，教室內(nèi)無論是否有人，教室內(nèi)所有燈都關(guān)閉。如圖5-4所示：圖5-4室內(nèi)比較亮，無論是否有人按下“光照”按鍵表示當(dāng)前教室內(nèi)的光照強(qiáng)度較暗，用“內(nèi)部”按鍵將教室內(nèi)的人數(shù)調(diào)到十人以內(nèi)時(shí)，此時(shí)第一個(gè)燈亮。如圖5-5所示：圖5-5室內(nèi)較暗，十人以內(nèi)按下“光照”按鍵表示當(dāng)前教室內(nèi)的光照強(qiáng)度較暗，用“內(nèi)部”按鍵將教室內(nèi)的人數(shù)調(diào)到十到二十人之間時(shí)，此時(shí)前兩個(gè)燈亮。如圖5-6所示：圖5-6室內(nèi)較暗，十到二十人按下“光照”按鍵表示當(dāng)前教室內(nèi)的光照強(qiáng)度較暗，用“內(nèi)部”按鍵將教室內(nèi)的人數(shù)調(diào)到二十到三十人之間時(shí)，此時(shí)前三個(gè)燈亮。如圖5-7所示：圖5-7室內(nèi)較暗，二十到三十人按下“光照”按鍵表示當(dāng)前教室內(nèi)的光照強(qiáng)度較暗，用“內(nèi)部”按鍵將教室內(nèi)的人數(shù)調(diào)到三十人以上時(shí)，此時(shí)所有的燈都亮。如圖5-7所示：圖5-7室內(nèi)較暗，三十人以上手動(dòng)模式仿真：按下手動(dòng)按鍵，系統(tǒng)處于手動(dòng)控制狀態(tài)。圖5-8手動(dòng)模式開燈狀態(tài)5.2主要問題分析系統(tǒng)調(diào)試是一個(gè)非常不確定的過程，即便兩個(gè)人做同一個(gè)系統(tǒng)，也大概率會(huì)出現(xiàn)不同的問題，這也就使得系統(tǒng)調(diào)試變的很復(fù)雜，調(diào)試的時(shí)間變得非常長(zhǎng)，有時(shí)候一個(gè)問題能困擾很長(zhǎng)時(shí)間，因此，調(diào)試的過程中一定要細(xì)心，不能操之過急，只有解決了所有的問題，系統(tǒng)才能正常工作。本次調(diào)試中，遇到的主要問題如下：當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)時(shí)，LCD1602顯示的時(shí)間總是從剛開始設(shè)置的值開始計(jì)時(shí)。分析：時(shí)鐘模塊不能按預(yù)定的設(shè)置進(jìn)行工作。通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)DS1302時(shí)鐘沒有初始自檢，通過修改程序解決了