教室光照節(jié)能系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　教室光照節(jié)能系統(tǒng)</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　新校園的建設(shè)要適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時代的發(fā)展，應(yīng)引入智能化的概念。在傳統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)中，一般只包括了綜合布線、計算機網(wǎng)絡(luò)、安防、消防、閉路電視監(jiān)控等子系統(tǒng)。但近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，人們對照明燈具節(jié)能和科學(xué)管理提出了更高的要求

2、，使得照明控制在智能化領(lǐng)域的地位越來越重要。針對大學(xué)校園中的大功率動力和制冷設(shè)備比重較小，而照明燈具相對較多的情況，設(shè)計了教室光照節(jié)能系統(tǒng)。</p><p>　　本設(shè)計包括下位機教室智能控制器和應(yīng)用組態(tài)MCGS 6.2軟件編制的上位機監(jiān)控系統(tǒng)，兩者通過目前流行的Modbus協(xié)議通訊。前者使用特定的邏輯算法，利用環(huán)境光照檢測和紅外探測相結(jié)合的探測方式，開發(fā)教室光照節(jié)能自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)教室無人或者光照充足時自動關(guān)燈

3、、有人到來且光照不足時自動開燈的功能，達到節(jié)能的目的；后者用于對下位機參數(shù)讀寫，顯示，控制等集中式的管理，從而實現(xiàn)一套完整可靠的分布式光照控制系統(tǒng)。</p><p>　　關(guān)鍵字：教室光照 ； modbus協(xié)議；節(jié)能控制；熱釋電效應(yīng)</p><p>　　Energy-efficient system design classroom</p><p><b>

4、　　Abstract</b></p><p>　　The new school building to adapt to the development of the Internet age, should introduce the concept of intelligent. In traditional Building Automation Systems, Generally inclu

5、de cabling, computer network, Safety precautions, Fire Prevention , TV monitor and other subsystems. But in recent years, With economic development and the advancement of technology, people lighting energy conservation a

6、nd scientific management of higher demand, making the field of intelligent lighting control is becoming</p><p>　　The design includes Smart Controller for the machine and application configuration MCGS 6.2Sof

7、tware for PC monitoring program, both through the popular Modbus protocol communications. The former applies a certain logic algorithms, illumination detection and infrared detection combined by active and passive detec

8、tion, to develop energy-saving lighting control system of classroom. We can benefit from two aspects from it. One aspect is that it can automatically turn off lights, if there is no pe</p><p>　　Key words:

9、Classroom lighting; modbus protocol；Energy Saving Control；Pyroelectric effect</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p

10、><b>　　目 錄III</b></p><p><b>　　第一章 概述1</b></p><p><b>　　1.1課題背景1</b></p><p>　　1.2課題的主要研究工作2</p><p>　　第二章 教室光照節(jié)能系統(tǒng)總體方案設(shè)計3</p&

11、gt;<p>　　2.1教室光照節(jié)能系統(tǒng)存在的問題3</p><p>　　2.1.1著力克服的幾種誤區(qū)：3</p><p>　　2.1.2產(chǎn)品選型應(yīng)該注意的事項6</p><p>　　2.2教室光照節(jié)能系統(tǒng)總體方案設(shè)計7</p><p>　　第三章 教室光照節(jié)能系統(tǒng)硬件設(shè)計10</p><p>

12、　　3.1單片機的選擇10</p><p>　　3.2熱釋紅外探測組件設(shè)計12</p><p>　　3.2.1熱釋電紅外傳感器的原理特性12</p><p>　　3.2.2熱釋電紅外探測組件和信號處理14</p><p>　　3.3可見光探測組件設(shè)計16</p><p>　　3.3.1可見光探測選型16&l

13、t;/p><p>　　3.3.2光敏電阻主要性能及處理電路16</p><p>　　3.4光照采樣保持器設(shè)計19</p><p>　　3.4.1 A/D轉(zhuǎn)換器原理19</p><p>　　3.4.2 ADC0832的主要性能20</p><p>　　3.5人機接口電路設(shè)計22</p><p&g

14、t;　　3.5.1 鍵盤接口模塊22</p><p>　　3.5.2 LCD顯示模塊23</p><p>　　3.6通信模塊設(shè)計25</p><p>　　3.6.1 RS-232接口設(shè)計25</p><p>　　3.6.2 RS-485接口電路設(shè)計26</p><p>　　第四章 教室光照節(jié)能系統(tǒng)的

15、軟件設(shè)計28</p><p>　　4.1 系統(tǒng)主程序28</p><p>　　4.2 光照采集子程序29</p><p>　　4.3 LCD顯示子程序30</p><p>　　4.4 Modbus通信處理子程序31</p><p>　　4.5熱釋電紅外人數(shù)采集中斷子程序32</p&

16、gt;<p>　　4.6組態(tài)MCGS監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計33</p><p>　　第五章 教室光照節(jié)能系統(tǒng)通信設(shè)計35</p><p>　　5.1 PC機通信組件35</p><p>　　5.2 Modbus RTU協(xié)議介紹35</p><p>　　5.2.1傳送數(shù)據(jù)的格式35</p><p>　　5.

17、2.2協(xié)議功能碼定義36</p><p>　　5.2.3循環(huán)冗余校驗38</p><p>　　第六章 調(diào)試及總結(jié)39</p><p>　　6.1調(diào)試過程39</p><p><b>　　6.2總結(jié)39</b></p><p><b>　　參考文獻40</b><

18、;/p><p>　　附錄A 教室控制器電路圖42</p><p>　　附錄B 控制器主程序43</p><p>　　附錄C 控制器Modbus RTU子程序60</p><p><b>　　致謝73</b></p><p><b>　　第一章 概述</b></p&g

19、t;<p><b>　　1.1課題背景</b></p><p>　　新校園的建設(shè)要適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時代的發(fā)展，應(yīng)引入智能化、網(wǎng)絡(luò)化的概念。在傳統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)中，一般只包括了綜合布線、計算機網(wǎng)絡(luò)、安防、消防、閉路電視監(jiān)控等子系統(tǒng)。但近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，人們對照明燈具節(jié)能和科學(xué)管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化、網(wǎng)絡(luò)化領(lǐng)域的地位越來越重要。而在大學(xué)新校區(qū)的建設(shè)熱潮

20、中，各大高校和他們的建設(shè)者也意識到了智能化、網(wǎng)絡(luò)化照明的重要性。相對商業(yè)樓宇而言，大學(xué)校園里的大功率動力和制冷設(shè)備比重較少，照明燈具則相對比重更多。使用現(xiàn)代化的節(jié)能光照系統(tǒng)，更能體現(xiàn)其在節(jié)能與管理方面的優(yōu)勢，提高學(xué)校的科學(xué)管理水平。</p><p>　　節(jié)能是光照系統(tǒng)的最大優(yōu)勢。傳統(tǒng)的樓宇公共區(qū)域照明工作模式，只能是白天關(guān)燈，晚上開燈。而采用了智能化分布式光照系統(tǒng)后，我們可以根據(jù)不同場合、不同的人流量，進行時間段

21、、工作模式的細分，把不必要的照明關(guān)掉，在需要時自動開啟。同時，系統(tǒng)還能充分利用自然光，自動調(diào)節(jié)室內(nèi)光照度?？刂葡到y(tǒng)實現(xiàn)了不同工作場合的多種照明工作模式，在保證必要照明的同時，有效減少了燈具的工作時間，節(jié)省了不必要的能源開支，也延長了燈具的壽命。</p><p>　　在我國，照明耗電占年發(fā)電總量的10%(超過100億kW·h)，而對照明時間長，照明場所多的學(xué)校，照明超過本單位所有耗電的40%。目前，國內(nèi)大

22、、中、小學(xué)校教室的照明燈具控制大多采用手動開關(guān)，即使嚴(yán)格管理，仍不可避免地出現(xiàn)忘記關(guān)燈的疏忽，特別是在白天，情況更是如此，從而造成大量的能源浪費。另外，各種照明燈具都具有一定的使用時限，在光線充足的情況下仍繼續(xù)使用，必然會縮短燈具的使用壽命[1]。</p><p>　　現(xiàn)今的自動控制系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了智能化、網(wǎng)絡(luò)化階段，智能控制是自動控制發(fā)展的高級階段，是人工智能、控制論、系統(tǒng)論和信息論等多種學(xué)科的高度綜合與集成，

23、它主要包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、學(xué)習(xí)控制和專家控制等。智能控制是控制理論發(fā)展中的高級階段，可以用來解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。所以我們有必要對學(xué)校的教室光照系統(tǒng)的節(jié)能問題加以考慮。</p><p>　　1.2課題的主要研究工作</p><p>　　在基于上述的客觀情況下實現(xiàn)教室照明燈具的自動控制，我們著手設(shè)計一種新型的光照節(jié)能系統(tǒng)?？紤]到教室的照明控制要求并不是太高，

24、所以在設(shè)計光照節(jié)能系統(tǒng)時盡量考慮用最少的投資達到最佳的控制效果。針對整個教學(xué)樓的光線環(huán)境差不多在教學(xué)樓外部裝一個可見光探測組件即可，而不同教室的有人或沒人情況的不同均需測量，我們在每個教室的內(nèi)外部各安裝一個熱釋電紅外探測組件，用中斷的方式將檢測信號送到單片機系統(tǒng)。根據(jù)控制要求，我們設(shè)計了根據(jù)教室里所在人數(shù)的情況和環(huán)境光線相結(jié)合的智能化、網(wǎng)絡(luò)化的教室節(jié)能系統(tǒng)控制方案，它可以實現(xiàn)：無論是否有人光照度高于300lx（滿足人眼要求）時不開燈；有

25、人但光照度低于300lx大于150lx時燈可以根據(jù)教室中的人數(shù)的多少來決定燈具的開啟情況；有人且光照度低于150lx時，燈全開。</p><p>　　在本系統(tǒng)中還采用二級單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即監(jiān)控級、教室控制級以及modbus總線的RS485網(wǎng)絡(luò)的分布式集散控制系統(tǒng)對教學(xué)樓用電設(shè)備進行控制和管理。教室控制級采用以單片機為主的控制；監(jiān)控級主控上位機采用PC機，并用組態(tài)軟件MCGS進行編程，用以實現(xiàn)對教室內(nèi)的教室控制器所采

26、集到的信息接收、處理，利用組態(tài)MCGS提供的全中文、圖形化、動態(tài)化的監(jiān)控界面，從而實現(xiàn)教室用電狀況、學(xué)生人數(shù)等信息的實時監(jiān)控和統(tǒng)計。通信網(wǎng)絡(luò)部分，在教室同一樓層采用RS485標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò). 并有控制系統(tǒng)實現(xiàn)對教室光照度，教室學(xué)生的人數(shù)，教室的使用狀況等監(jiān)視通過網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)上傳上位機顯示并對教室內(nèi)的設(shè)備進行合理遠程控制和管理。圖1.1 是教室光照節(jié)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖1.1 教室光照控制系

27、統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　第二章 教室光照節(jié)能系統(tǒng)總體方案設(shè)計</p><p>　　隨著能源的日益緊張，以及燃燒礦物燃料帶來的社會和環(huán)境問題的日漸突出，黨和國家對節(jié)能工作的重視程度不斷提高，已經(jīng)將其列入“十一.五”工作重點，提出了“建設(shè)節(jié)約型社會”的號召。教育部也積極響應(yīng)，提出了“建設(shè)節(jié)約型高?！钡奶栒伲咝９?jié)能工作也在全國各地蓬勃開展起來。高校作為培養(yǎng)高素質(zhì)人才的搖籃，提倡節(jié)約的意義

28、也就顯得更加重大而深遠。</p><p>　　教室作為高校教學(xué)的重要場所，一般采用開放式管理模式為主，學(xué)生基本上無固定的班級教室，無固定的座位；而樓宇管理人員僅負責(zé)衛(wèi)生或保衛(wèi)工作。因此，造成了白天長明燈，晚上無人也開燈，人少燈全開的浪費現(xiàn)象在高校司空見慣。從早晨開放到晚上清場，教室照明燈具一直處于開啟的現(xiàn)象在高校中是普遍存在的。雖然教室的照明負荷在整個學(xué)校用電負荷中所占的比重不算太大，但是由于它們的數(shù)量眾多，使用

29、時間最長，使得它們在整個學(xué)校用電量中所占的比重一直居高不下。以我校為例，從全年的統(tǒng)計來看，其所占的比重在1/3左右，因而造成的用電浪費也就十分驚人。</p><p>　　2.1教室光照節(jié)能系統(tǒng)存在的問題</p><p>　　目前，教室照明節(jié)能工作，已經(jīng)成為全國許多所高校2007年的工作重點。正是看到了高校教室照明節(jié)能存在的商機，許多相應(yīng)的節(jié)能產(chǎn)品應(yīng)運而生，出現(xiàn)了魚龍混雜、良莠不齊的局面。在

30、一些教室節(jié)能工作開展的較早的學(xué)校，他們在這方面走過了不少的彎路，也積累了很多的經(jīng)驗教訓(xùn)。在這里我們將其經(jīng)驗總結(jié)出來，希望給正在或醞釀作教室照明節(jié)能的高校，有所啟迪和借鑒，可以少走彎路，以最少的投入達到最佳的節(jié)能效果。</p><p>　　通過我們對從事多年節(jié)能實踐的學(xué)校的調(diào)查，以及對不同廠家產(chǎn)品的試用情況的分析。我們認為有如下幾點，在做教室照明節(jié)能時，應(yīng)特別重視：</p><p>　　2.

31、1.1著力克服的幾種誤區(qū)：</p><p>　　(1) 教室節(jié)能意義不大</p><p>　　有相當(dāng)一部分學(xué)校的有關(guān)部門，對此的認識還是不到位，總認為教室就那么幾盞40W的日光燈，不會造成多大浪費，節(jié)不節(jié)能無所謂。他們可能會為水龍頭沒有擰緊，滴答水而心疼，會主動地去關(guān)閉。但對照明浪費卻熟視無睹，或者是視而不見。這主要是電能不像流水一樣能看得見，是一種無形的、無法用肉眼感知的東西，浪費了也覺

32、察不出來。我們可以估算一下，按照國標(biāo)的規(guī)定，教室照明的功率密度約為10W/ m2，假設(shè)教室的平均面積為100m2，則照明負荷約為1kW。如果每天正常使用時間為15小時，那么，一天每間教室的用電量為1kW×15h＝15 kWh，學(xué)生年在校為270天，則年用電量約為4050kWh。如果學(xué)校按照100m2折合教室數(shù)量為200間，則照明用電量為81萬度左右。若節(jié)電率以平均30%計算，則一年可節(jié)電24.3萬度，可節(jié)約電費15～20萬元左

33、右，以上估算還未包括線損和燈具長時間開啟而損壞的部分[2]。從以上計算可以看出，教室照明節(jié)能絕不是微不足道的，即使單從經(jīng)濟效益來看，完全也是大有可為的。而且節(jié)能是一項長期的收益，早做早受益。我校的實際就是很好的例證。</p><p>　　(2) 教室照明和控制沒有特殊要求</p><p>　　教室照明和其它領(lǐng)域的照明不同，有著嚴(yán)格的照度要求。為此，國家專門頒布了《中小學(xué)校教室采光和照度衛(wèi)生

34、標(biāo)準(zhǔn)》，在《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中，也專門為教室的采光、照明等制訂了國家標(biāo)準(zhǔn)。其核心就是要保證足夠的光照度，減少暈光等不利因素的影響，目的就是要保護學(xué)生的視力健康。有人宣稱教室照明無特殊要求是完全錯誤的。所謂教室照明節(jié)能就是利用現(xiàn)代電子技術(shù)的手段檢測室內(nèi)光照度，在保證符合國標(biāo)規(guī)定照度標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，充分利用自然光照明，通過合理地關(guān)閉或減少人工光源的使用，而達到節(jié)約電能，保護學(xué)生視力和健康的一種綠色照明。那種以犧牲學(xué)生視力為代價的節(jié)能是不可取

35、的，同樣，以保護學(xué)生視力為借口，不進行節(jié)能工作也是不對的。教室節(jié)能必須是使用專門照度探測技術(shù)，充分結(jié)合教室的特點而專門開發(fā)的一種控制方式；不是隨便將其它領(lǐng)域的燈控方式，簡單地套用到教室燈具控制上就可以的。</p><p>　　(3) 以單純的人員管理來達到節(jié)能目的</p><p>　　部分學(xué)校也意識到了教室照明中存在的巨大浪費，采取了各種各樣的管理方式，企圖來杜絕這種浪費。如：費用包干制、

36、任課教師負責(zé)制、組織勤工儉學(xué)學(xué)生或聘用專職人員進行專門管理，拉閘限電等等。許多學(xué)校都采取過這些方法，但始終沒能長久堅持下去，也就沒有取得理想效果。我們分析有如下原因：①是從生理上來看，當(dāng)外界光照強度超過燈具光照度時，人眼就很難察覺有燈存在；②是從心理上來看，教師和學(xué)生精力集中于教學(xué)和學(xué)習(xí)上，不可能分心來觀察教室光照度的變化，也就不可能主動去關(guān)燈。③專門管理人員很難了解各個樓層，各個朝向教室的實際情況，加上個人認知差異的影響，很難做出準(zhǔn)確

37、的判斷，由他們來負責(zé)開啟和關(guān)閉燈具，不是關(guān)燈太早或開燈太晚造成學(xué)生看不清楚，就是關(guān)燈太晚或開燈太早而造成浪費。同時管理人員的素質(zhì)千差萬別，個體差異還可能導(dǎo)致矛盾激化。我們在有人員管理的教學(xué)樓做過實驗，使用和不使用智能照明控制器前后2月的電量相比，節(jié)電率仍然可以達到23%，學(xué)生反映不再出現(xiàn)開關(guān)燈不及時的現(xiàn)象了，這就說明了人工管理是取代不了科學(xué)技術(shù)手段管理的。雖然智能控制器一次性的投資可能比聘用管理人員可能要高一些，但從科學(xué)管理，大學(xué)的學(xué)習(xí)

38、氛圍和長期效益</p><p>　　(4) 過于精細的控制要求</p><p>　　有的學(xué)校在考慮做教室照明節(jié)能時，又容易走向另一個極端，即要求對每盞燈都進行精確控制。表現(xiàn)為每個燈位都采用人體感應(yīng)控制開關(guān)來控制，或者用紅外對射來計算教室的人員數(shù)量再對燈具分別進行控制。這種精細控制考慮的初衷是好的，認為可以最大限度地節(jié)約電能。但是卻忽略這種方式帶來的諸多問題，一是光照度難以保證。整個教室的照

39、度是根據(jù)房間面積設(shè)計的，只開一盞或2盞燈，是很難保證照度滿足國標(biāo)要求。尤其是大合堂階梯教室，前幾排的層高可以到5-6米，夜晚人少開的燈少，實際的光照度很難保證。因為國標(biāo)中不但規(guī)定了絕對照度值要求，而且規(guī)定了鄰近照度與主照度的比值不能低于0.7。這就像在漆黑的房間，如果只開桌上的臺燈，桌面照度可能滿足國標(biāo)的要求，但周圍卻還是黑暗的。在這種環(huán)境下學(xué)習(xí)，眼睛很容易疲勞，不但影響學(xué)習(xí)效果，長此以往，必將對學(xué)生視力造成無可挽回的損害。二是燈具容易

40、老化，通過頻繁地關(guān)閉燈具來節(jié)能，勢必要使這些燈具要根據(jù)人員情況的變化，及時地開啟或關(guān)閉。教室照明一般使用的是日光燈，啟動時，依靠的是加熱燈絲上涂覆的氧化物產(chǎn)生的電子來啟輝的，每啟動一次，氧化物就消耗一些，如果消耗盡，日光燈就不能點亮而報廢了。過于精細的</p><p>　　2.1.2產(chǎn)品選型應(yīng)該注意的事項</p><p>　　(1) 照度的控制精度要準(zhǔn)確</p><p&

41、gt;　　教室照明節(jié)能不同于其它領(lǐng)域和場合的節(jié)電，最重要的就是要保證照度的控制精度。因為學(xué)生要長期在教室學(xué)習(xí)，不正常的光照度不僅影響學(xué)習(xí)效果，而且還關(guān)系到他們的身體健康。那種不顧學(xué)生視力健康的節(jié)電措施是不可取的，也是和大學(xué)的學(xué)習(xí)氛圍不相稱的。因此，要把照度控制精度作為頭等指標(biāo)來考慮。首先，從器件方面來說，光電管由于價格便宜，在許多光控場合得到廣泛應(yīng)用。但是由于存在其阻值隨照度變化的非線性，阻值間的離散性和溫度特性的不確定性等缺點，決定它

42、只能用于樓道、走廊和衛(wèi)生間等對照度要求不高的場合使用。在教室的光控中使用是不合適的，根本難以達到國標(biāo)規(guī)定的±10%的照度控制要求。為了降低成本采用了光電管作為光控元件，這是以犧牲學(xué)生視力為代價的節(jié)能，是不可取的。為提高照度檢測精確度，首先要選擇光照度線性度好、性能穩(wěn)定、一致性好、溫度特性小的優(yōu)質(zhì)器件。同時采用視覺校正、溫度補償、抗干擾等技術(shù)處理。確保照度值線性，能夠在使用現(xiàn)場測量和設(shè)置參數(shù)。優(yōu)先選用可編程的數(shù)字型照度控制器。&

43、lt;/p><p>　　(2) 人體感應(yīng)控制器必須選用照度優(yōu)先、準(zhǔn)靜態(tài)檢測型</p><p>　　紅外人體感應(yīng)（PIR）是一種人體運動傳感器，它的輸出與人體運動幅度成正比。由于學(xué)習(xí)時人員動作幅度較小，尤其在自習(xí)時、人少時更是如此，如果不采取特殊的處理方法，是很難檢測出來的。若人體檢測精度不高，極易造成漏檢或錯檢而關(guān)燈，影響學(xué)生學(xué)習(xí)和燈管壽命。</p><p>　　在人體

44、感應(yīng)控制器中，有人體感應(yīng)優(yōu)先和照度優(yōu)先兩種控制方式?，F(xiàn)有的人體感應(yīng)檢測集成電路采用的都是人體感應(yīng)優(yōu)先型，即先進行人體檢測，檢測到人體存在時，再去檢測照度值是否滿足要求，如不滿足則開啟燈具，在這之后的整個開啟段內(nèi)就不再檢測照度了，即使照度滿足要求了，燈具也不會關(guān)閉。直至人員離開，檢測不到人體存在的信號了，再關(guān)閉燈具。這種控制方式是為走廊等燈具的控制而設(shè)計的，用以克服開燈后可能存在的光反饋造成的不穩(wěn)定。直接將這種集成電路移植用于教室的燈控，

45、顯然是不合適的。主要問題是白天時一旦燈具開啟，而一直有人存在時，燈具將不會關(guān)閉，造成不必要的浪費。另一種是照度優(yōu)先型，即照度檢測和人體檢測同時進行，而照度控制優(yōu)先于人體檢測，一旦照度滿足要求，不管是否存在人員，都會關(guān)閉燈具，這樣就可以克服上述的問題。是完全與教室節(jié)能相適應(yīng)的一種控制方式。這兩種控制方式的鑒別方法很簡單，就是白天在照度滿足要求的情況下，用手擋住控制器鏡頭，使燈具開啟。手離開后人體在控制范圍內(nèi)動作，如果燈一直點亮，就是人體感

46、應(yīng)優(yōu)先型，否則就是照度優(yōu)先型。</p><p>　　由于人體感應(yīng)集成電路是為運動的人體檢測所設(shè)計的，對運動量很小的靜止人員的檢測精度較低，簡單地移植到教室燈控上，只是將檢測延時加長，以彌補檢測精度不高的問題。但缺點依然沒有得到有效克服，很容易造成燈具的頻繁啟停，不但影響學(xué)習(xí)，而且加速燈具的老化，嚴(yán)重影響節(jié)能的經(jīng)濟效益。這個問題只有采用針對教室燈控的專門設(shè)計的“準(zhǔn)靜態(tài)”檢測技術(shù)，才能得到較好地解決[3]。因此，在采

47、用人體感應(yīng)控制器時，應(yīng)該采用照度優(yōu)先控制，同時采用準(zhǔn)靜態(tài)人體檢測型的控制器，才能真正滿足教室照明節(jié)能的要求。同時盡量采用大范圍控制區(qū)域方式，以保證夜晚人少時的光照度值，也降低總投資額。</p><p>　　節(jié)能工作是一件功在當(dāng)代，利在千秋的事業(yè)。高校擔(dān)負著教書育人的重要使命，它的節(jié)能工作，不但可以為學(xué)校節(jié)省下一筆不菲的資金，而且更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生的節(jié)約意識和認知。才能擔(dān)負起應(yīng)有的歷史使命，成為建設(shè)“節(jié)約型社會”

48、的生力軍。高校節(jié)能工作大有可為。</p><p>　　2.2教室光照節(jié)能系統(tǒng)總體方案設(shè)計</p><p>　　對于一些照明時間較長，照明設(shè)備較多的場所（如學(xué)校教室，商場等），其照明系統(tǒng)的使用浪費現(xiàn)象屢見不鮮。由于缺乏科學(xué)管理和管理人員的責(zé)任人員的責(zé)任心不強，有時借助外界環(huán)境你能正常工作和夜晚室內(nèi)空無一人時，整個房間內(nèi)也是燈火通明。這樣下來，無形中浪費的電能是非常驚人的。據(jù)測算，這種現(xiàn)象的耗

49、電占其單位所有耗電的40%左右參考。因此，有必要在保證照明質(zhì)量的前提下，實施照明節(jié)能措施。這不僅可以節(jié)約能源，而且會產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益。故設(shè)計了教室光照節(jié)能系統(tǒng)，以達到高校教室用電設(shè)備的合理使用，節(jié)約電能以及改善教學(xué)管理的目的。</p><p>　　目前，高校教學(xué)樓照明用電的管理一般有三種模式：一是無專人管理，由學(xué)生自行控制開啟與關(guān)閉；二是利用定時開關(guān)，根據(jù)作息時間開啟和關(guān)閉整個教學(xué)樓的照明電源；三是由專人負責(zé)，

50、即管理人員根據(jù)作息時間和天氣情況分層送電。由于大多數(shù)人的節(jié)能意識淡薄，并且強光下人的眼睛對弱光不敏感，在自然光照大于燈具光照的情況下，難以覺察到燈光的存在，因此，在白天自然光很強的情況下，教室內(nèi)的長明燈仍到處可見。根據(jù)不完全統(tǒng)計：80％的教學(xué)樓存在著在白天光照良好的情況下教室燈具開啟和在午休時間長明燈的現(xiàn)象[4]。一個教室的長明燈，看起來耗能不大，但從整個學(xué)校來看，卻是一個不小的數(shù)字，這是一種極大的浪費。造成電能浪費的現(xiàn)象除了節(jié)能意識薄

51、弱以外，另一個重要的原因就是節(jié)能的硬件設(shè)施跟不上。為此，根據(jù)學(xué)校的實際情況，設(shè)計與實施教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)，在白天光線達到一定照度時，教室內(nèi)照明燈自動關(guān)閉，室內(nèi)照度下降到一定程度時自動開啟照明燈，在充分保證教室照度的前提下，達到節(jié)能的目的。</p><p>　　本設(shè)計教室光照系統(tǒng)采用了較為先進的電力電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)以及上位機的監(jiān)控、控制的集散控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由光照檢測電路、熱釋電紅外傳感器

52、及處理電路、單片機系統(tǒng)及控制電路、RS485網(wǎng)絡(luò)和PC端RS232-RS485轉(zhuǎn)換器以及PC機軟件平臺組成。其教室光照節(jié)能系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 教室光照節(jié)能系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　采用一光敏電阻為核心構(gòu)成的光電探測組件測量光照度，根據(jù)光敏電阻的電阻在較大范圍內(nèi)與光照強度的關(guān)系再通過光照補償?shù)靡跃€性關(guān)系，可實現(xiàn)連續(xù)的光照強的模擬量

53、輸出和較高的精度，然后，通過ADC0832轉(zhuǎn)換為數(shù)字量將光照強度信息送至單片機，并根據(jù)外界光照強度優(yōu)先級的調(diào)節(jié)教室照明燈具的開啟和關(guān)斷，可有效的改善照明的質(zhì)量。</p><p>　　通過熱釋電紅外探測組件模塊采集教室內(nèi)人數(shù)信息，在此，設(shè)計中使用的是外部中斷的方式對熱釋電紅外探測組件采集的人數(shù)進行統(tǒng)計，結(jié)合上面的光照強度的測試結(jié)果，該系統(tǒng)設(shè)置了以下的智能控制策略：當(dāng)光照度<X1 LX，由于光照度低為保證對用眼

54、的安全性進行如下參數(shù)設(shè)置，教室無人時，關(guān)閉整個教室燈具；教室人數(shù)<=5人時，開啟第一、二排燈具；教師人數(shù)>6時，全部開啟所有燈具，以滿足國家教學(xué)光照度標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)x1 lx<=光照度<x2 lx,教室無人時，關(guān)閉所有照明燈具；教室人數(shù)<=15人時，開啟第一排燈具；15<教室人數(shù)<=25人時，開啟第一、二排燈具；教師人數(shù)>25時，全部開啟所有燈具。當(dāng)光照度>X2 LX，所有燈具不打開。X1

55、,X2的取值可根據(jù)平均照度的公式計算：</p><p>　　E=Φ×N×U×K／A (2-1)</p><p>　　式中：Φ一光源的光通量；N一燈具數(shù)；U一燈具的利用系數(shù)；K一維護系數(shù)；A一室內(nèi)面積，單位m2</p><p>　　總系統(tǒng)控制方案設(shè)計思想為：監(jiān)控PC機和教室級控制單片機組成一個分布式控制

56、光照節(jié)能系統(tǒng),各個教室級控制單片機都是獨立的控制單元,并采用上述的控制策略對教室用電情況加以控制，同時可以接收監(jiān)控PC機發(fā)來的控制指令。系統(tǒng)分自動控制和手動控制兩種模式,當(dāng)監(jiān)控PC機通過RS—485總線下發(fā)自動控制命令后,單片機開始采集外部光照數(shù)據(jù),經(jīng)處理分析后輸出調(diào)光控制信息。在經(jīng)過輸出執(zhí)行器控制教室照明燈具。當(dāng)遠程控制出現(xiàn)異常時,設(shè)置有獨立的手動控制回路,可以通過手動方式來控制照明。</p><p>　　第三

57、章 教室光照節(jié)能系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>　　教室檢測控制單元是教室光照控制系統(tǒng)中重要的部分之一，一方面，教室檢測控制單元具有對教室內(nèi)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲等功能，并響應(yīng)樓層顯示控制單元通訊查詢的命令，另一方面，教室檢測控制單元根據(jù)樓層顯示控制單元和中央計算機單元的具體要求控制照明燈等用電設(shè)備。圖3.1是教室光照節(jié)能系統(tǒng)教室控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖3.1 教室光照節(jié)

58、能系統(tǒng)教室控制器硬件結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　3.1單片機的選擇</b></p><p>　　目前較為流行的單片機有AVR和51單片機，從系統(tǒng)設(shè)計的功能需求及成本考慮，51單片機性價比更高。STC89C52是8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，512 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中

59、斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器[4]。中心控制模塊采用STC89C52單片機以完全滿足設(shè)計需要，可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)控制，而且允許在系統(tǒng)內(nèi)改寫或用編程器編程，使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容，整個STC系列單片機結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 STC系列單片機結(jié)構(gòu)圖</p>

60、<p>　　核心器件STC89C52擁有40個引腳，其引腳圖如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 STC89C52引腳圖</p><p>　　在引腳圖上沒畫出VCC和GND，實際上VCC和GND在芯片上已經(jīng)給出。</p><p>　　此引腳圖只顯示38條引腳中，而VCC和GND是專用于主電源的引腳，GND：接地；VCC：正常操作時接+5V電源。

61、在38條引腳中，2條外界晶體的引腳，4條控制引腳，3條I/O引腳，下面分別敘述主要的引腳的功能。</p><p>　　(1)外界晶體引腳XTAL1和XTAL2</p><p>　　當(dāng)外界晶體振蕩時，XTAL1和XTAL2分別接外接晶體的兩端；當(dāng)采用外部時鐘時，XTAL1接地，XTAL2接外來振蕩信號。</p><p>　　(2)控制引腳RET、ALE/P、PSEN、

62、EA/VPP</p><p>　　RET引腳是復(fù)位信號引腳。當(dāng)89C52通電時，在RET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。</p><p>　　ALE/P是地址鎖存允許/編程引腳。當(dāng)訪問外部存儲器時，ALE的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)，以便P0口實現(xiàn)地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。當(dāng)不訪問外部程序存儲器時，ALE端將輸出一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號。</p><p

63、>　　ALE/P是復(fù)用引腳，其第二功能是對EPROM型芯片(如8751)進行編程和校驗時，此引腳傳送52ms寬的負脈沖選通信號，程序計數(shù)器的16位地址數(shù)據(jù)出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲器則把指令碼放到P0口上，有CPU讀入并執(zhí)行。</p><p>　　PSEN為程序存儲器選擇端，接高電平，程序從內(nèi)部執(zhí)行，就是單片機內(nèi)部的程序存儲器有效；接低電平，程序從外面擴展的ROM開始執(zhí)行。</p>&

64、lt;p>　　EA/VPP為訪問片外程序存儲器/編程電源引腳。片內(nèi)無程序存儲器的MCS-51單片機(如8031)必須接地。片內(nèi)有程序存儲器的MCS-51單片機(如8051)必須接高電平。EA/VPP是復(fù)用引腳，其第二功能是作為片內(nèi)EPROM編程/校時時的電源線，在編程時，VPP引腳需加上21V的編程電壓。</p><p>　　3.2熱釋紅外探測組件設(shè)計</p><p>　　3.2.1

65、熱釋電紅外傳感器的原理特性</p><p>　　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。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠遠高于熱電偶，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。所謂熱電效應(yīng)就是：當(dāng)一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱為熱釋電效應(yīng)。通常，晶體

66、自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來。當(dāng)溫度變化時，晶體結(jié)構(gòu)中的正負電荷重心相對移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度，熱釋電效應(yīng)形成的原理如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 熱釋電效應(yīng)原理</p><p>　　能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱之為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料有單晶（

67、LiTaO3等）、壓電陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng)，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有ΔT的變化時，熱釋電效應(yīng)會在兩個電極上會產(chǎn)生電荷ΔQ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個場效應(yīng)管進行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，ΔT=0，

68、傳感器無輸出。當(dāng)人體進入檢測區(qū)時，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有信號輸出；若人體進入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出，所以這種傳感器能檢測人體或者動物的活動[5]。熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路</p><p>　　傳感器主要有外殼、濾光片、熱釋電元件PZT、場效應(yīng)管FET等組成。其

69、中，濾光片設(shè)置在窗口處，組成紅外線通過的窗口。濾光片為6mm多層膜干涉濾光片，對太陽光和熒光燈光的短波長（約5mm以下）可很好濾除。熱釋電元件PZT將波長在8mm～12mm之間的紅外信號的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，為了只對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅耳濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的抑制作用。菲涅耳透鏡（圖3.6）根據(jù)菲涅耳原理制成，把紅外光線分成可見區(qū)和盲區(qū)，同時又有聚焦的作用，使熱釋電人體紅外傳感器 （PIR）

70、靈敏度大大增加[6]。菲涅耳透鏡折射式和反射式兩種形式，其作用一是聚焦作用，將熱釋的紅外信號折射（反射）在PIR上；二是將檢測區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入檢測區(qū)的移動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，這樣PIR就能產(chǎn)生變化電信號。</p><p>　　圖3.6 菲涅耳透鏡</p><p>　　如果我們在熱電元件接上適當(dāng)?shù)碾娮?，?dāng)元件受熱時，電阻上就有電流流過，在兩端

71、得到電壓信號。人體輻射的紅外線中心波長為9~10um，而探測元件的波長靈敏度在0.2~20um范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開設(shè)了一個裝有濾光鏡片的窗口，這個濾光片可通過光的波長范圍為7~10um，正好適合于人體紅外輻射的探測，采用菲涅耳透鏡組探測移動人體如圖3.7所示，而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器[7]。</p><p>　　圖3.7 菲涅耳透鏡組探

72、測移動人體</p><p>　　3.2.2熱釋電紅外探測組件和信號處理</p><p>　　熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。熱釋電傳感器具有成本低，不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源，靈敏度高，可流動安裝等特點。實際使用時，在熱釋電傳感器前安裝菲捏尓透鏡，這樣可大大提高接收靈敏度，增加檢測距離及范圍。實驗證明，熱釋電紅外傳感器若不加菲捏尓透鏡，則其檢

73、測距離僅2M左右；而配上菲捏尓透鏡后，其檢測距離可增加到10M以上。由于熱釋電傳感器輸出的信號變化緩慢，幅度?。ㄐ∮?mv），不能直接作為照明系統(tǒng)的控制信號，因此傳感器的輸出信號必須經(jīng)過一個專門的信號處理電路，使得傳感器輸出信號的不規(guī)則波形轉(zhuǎn)變成適合單片機處理的數(shù)字信號。根據(jù)以上要求，人體熱釋電檢測電路組成框圖如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 人體熱釋電檢測電路組成框圖</p><

74、;p>　　本設(shè)計采用BIS0001來完成對熱釋電傳感器輸出信號的處理。BIS0001是一款具有較高性能的熱釋電傳感器信號處理集成電路，它主要由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成[8]。由BIS0001構(gòu)成的信號處理電路如圖3.9所示。熱釋電傳感器S極輸出信號送入BIS0001的14腳，經(jīng)內(nèi)部第一級運算放大器放大后，由C。耦合從12腳輸入至內(nèi)部第二級運算放大器放大，再經(jīng)電壓比較器構(gòu)成的鑒幅器處

75、理后，檢出有效觸發(fā)信號去啟動延遲時間定時器，最后從12腳輸出信號(V。)送人單片機進行照明控制[9]。實驗所得，當(dāng)傳感器檢測室內(nèi)有人時，V。為4 V；無人時0V 。</p><p>　　圖3.9 信號處理電路</p><p>　　BIS0001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V。(高電平)的延遲時間T由外部R和C的大小調(diào)整；觸發(fā)封鎖時間T。由外部R。和電容C。的大小調(diào)整。

76、</p><p>　　3.3可見光探測組件設(shè)計</p><p>　　3.3.1可見光探測選型</p><p>　　通過對光電管、光敏電阻等光電探測器的各種性能進行比較，發(fā)現(xiàn)光敏電阻的光譜響應(yīng)峰值比較接近人的視覺敏感區(qū)555mm波長；其次是當(dāng)光照強度減弱時，它的響應(yīng)時間相對增加，這對本套裝置在光照強度變化時，輸出狀態(tài)保持相對穩(wěn)定十分重要。</p><

77、;p>　　3.3.2光敏電阻主要性能及處理電路</p><p>　　光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強弱變化而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達1

78、~10M歐,在強光條件（100LX）下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻器對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光（0.4~0.76）μm的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。設(shè)計光控電路時，都用白熾燈泡（小電珠）光線或自然光線作控制光源，使設(shè)計大為簡化，而光敏電阻的主要參數(shù)是：</p><p>　?。?）光電流、亮電阻。光敏電阻器在一定的外加電壓下，當(dāng)有光照射時，流過的電流稱為光電流

79、，外加電壓與光電流之比稱為亮電阻，常用“100LX”表示。</p><p>　?。?）暗電流、暗電阻。光敏電阻在一定的外加電壓下，當(dāng)沒有光照射的時候，流過的電流稱為暗電流。外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻，常用“0LX”表示。</p><p>　?。?）靈敏度。靈敏度是指光敏電阻不受光照射時的電阻值（暗電阻）與受光照射時的電阻值（亮電阻）的相對變化值[10]。用不同的材料制成的光敏電阻有著不

80、同的光譜特性，見圖3.10光敏電阻的光譜特性曲線。當(dāng)不同波長的入射光照到光敏電阻的光敏面上，光敏電阻就有不同的靈敏度。</p><p>　　圖3.10 光敏電阻的光譜特性曲線</p><p>　?。?）光敏電阻的光電特性：</p><p>　　在一定的電壓作用下，光敏電阻的光電流與照射光通量的關(guān)系為圖3.11所示。</p><p>　　圖3.

81、11 光電流與照射光通量的關(guān)系</p><p>　　光敏電阻的工作原理：光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體 及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影

82、響其靈敏度。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子—空穴對了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長的光線照

83、射時，電流就會隨光強的而變大，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少，光敏電阻工作原理如圖3</p><p>　　圖3.12 光敏電阻工作原理</p><p>　　可見光探測組件接口電路：系統(tǒng)選用光敏電阻來檢測教室的光照強度，其電路原理如圖3.13所示，考慮到光敏電阻對溫度變化較為敏感，

84、偏置電路中的電阻可以采用與探測元件溫變系數(shù)相近的光敏電阻，以防止工作點漂移，保證輸出的穩(wěn)定性。當(dāng)教室光照度達到一定強度時，光敏電阻呈現(xiàn)低阻狀態(tài)(≤1K)，輸出高電平；當(dāng)光照度減弱到一定程度，光敏電阻呈現(xiàn)高阻狀態(tài)(>5M)，此時光敏電阻的分壓增加，輸出低電平．如果把以上信號接到ADC0832上，通過AD轉(zhuǎn)換把光照度的模擬量轉(zhuǎn)換為單片機可以接收的數(shù)字量輸送給單片機檢測，就可以按預(yù)定算法對教室燈光完成自動控制。</p>&

85、lt;p>　　圖3.13 可見光探測組件接口電路</p><p>　　3.4光照采樣保持器設(shè)計</p><p>　　3.4.1 A/D轉(zhuǎn)換器原理 </p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器是用來通過一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。模擬量可以是電壓、電流等電信號，也可以是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號。但在A/D轉(zhuǎn)換前，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號必須經(jīng)各種傳感

86、器把各種物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號。A/D轉(zhuǎn)換后，輸出的數(shù)字信號可以有8位、10位、12位和16位等。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理，   主要介紹以下三種方法：</p><p><b>　　逐次逼近法 </b></p><p><b>　　雙積分法</b></p><p&g

87、t;<b>　　電壓頻率轉(zhuǎn)換法</b></p><p><b>　　逐次逼近法</b></p><p>　　逐次逼近式A/D是比較常見的一種A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時間為微秒級。采用逐次逼近法的A/D轉(zhuǎn)換器是由一個比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成，如圖3.14所示?；驹硎菑母呶坏降臀恢鹞辉囂奖容^，好像用天平稱物體，從重到輕逐級

88、增減砝碼進行試探。</p><p>　　圖3.14 逐次逼近法AD轉(zhuǎn)換原理框圖</p><p><b>　　雙積分法</b></p><p>　　采用雙積分法的A/D轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成，如圖3.15所示?；驹硎菍⑤斎腚妷鹤儞Q成與其平均值成正比的時間間隔，再把此時間間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，屬于間接轉(zhuǎn)換。</p

89、><p>　　圖3.15 雙積分AD轉(zhuǎn)換原理框圖</p><p><b>　　電壓頻率轉(zhuǎn)換法</b></p><p>　　采用電壓頻率轉(zhuǎn)換法的A/D轉(zhuǎn)換器，由計數(shù)器、控制門及一個具有恒定時間的時鐘門控制信號組成，如圖3.16所示。它的工作原理是Ｖ/F轉(zhuǎn)換電路把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與模擬電壓成正比的脈沖信號。</p><p>

90、　　圖3.16電壓頻率式A/D轉(zhuǎn)換原理框</p><p>　　3.4.2 ADC0832的主要性能</p><p>　　ADC0832 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性強，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。學(xué)習(xí)并使用ADC0832 可是使我們了解A/D轉(zhuǎn)換器的原理，有助于我們單片機技術(shù)水平的提高。</

91、p><p>　　ADC0832 具有以下特點：</p><p><b>　　· 8位分辨率；</b></p><p>　　· 雙通道A/D轉(zhuǎn)換；</p><p>　　· 輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；</p><p>　　· 5V電源供電時輸入電壓在0~

92、5V之間；</p><p>　　· 工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為32μS；</p><p>　　· 一般功耗僅為15mW；</p><p>　　單片機對ADC0832的控制原理：</p><p>　　正常情況下ADC0832與單片機的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時有效

93、并與單片機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。</p><p>　　當(dāng)ADC0832未工作時其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意，當(dāng)要進行A/D轉(zhuǎn)換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束[11]。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第1個

94、時鐘脈沖的下降之前DI端必須是高電平，表示啟始信號。在第2,3個脈沖下降之前DI端應(yīng)輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能，其功能項見表3.1。</p><p>　　表3.1 選擇模擬輸入通道信號</p><p>　　如表3.1所示，當(dāng)此2 位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時，只對CH0 進行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“1”、“1”時，只對CH1進行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2 位數(shù)據(jù)為“0”、 “0”時，將CH0作為正

95、輸入端IN+，CH1作為負輸入端IN-進行輸入。當(dāng)2 位數(shù)據(jù)為“0”、“1”時，將CH0作為負輸入端IN-，CH1 作為正輸入端IN+進行輸入。到第3 個脈沖的下沉之后DI端的輸入電平就失去輸入作用，此后DO/DI端則開始利用數(shù)據(jù)輸出DO進行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個脈沖下沉開始由DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位DATA7，隨后每一個脈沖下沉DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù)DATA0，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開始

96、輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個字節(jié)的下沉輸出DATD0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19 個脈沖時數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)志著一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束。最后將CS置高電平禁用芯片。直接將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行處理，其時序如圖3.17所示。</p><p>　　圖3.17 ADC0832時序圖</p><p>　　ADCO0832與單片機的接口電路如圖3.18所示：</p><p>

97、　　圖3.18 ADC0832與單片機接口電路</p><p>　　3.5人機接口電路設(shè)計</p><p>　　3.5.1 鍵盤接口模塊</p><p>　　系統(tǒng)采用了4鍵輸入以實現(xiàn)系統(tǒng)功能的設(shè)定，有在手動自動切換、手動控制調(diào)整。鍵盤連接直接采用了每個按鍵占用一個端口的形式，如圖3.19所示。因為P1口是帶內(nèi)部上拉電阻的，所以直接連接即可。鍵盤的讀取采用掃

98、描的形式，當(dāng)檢測到有按鍵按下時，消抖動后進行鍵值判斷。</p><p>　　圖3.19 鍵盤輸入電路連接原理圖</p><p>　　3.5.2 LCD顯示模塊</p><p>　　LCD1602可以在LCD顯示屏上完整顯示32個英文字符和日文等一些字符，適合顯示英文文字信息量較小的地方。</p><p>　　在日常生活中，我們對液晶顯示器并不

99、陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號和圖形。在單片機的人機交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。發(fā)光管和LED數(shù)碼管比較常用，軟硬件都比較簡單。液晶顯示器不僅結(jié)構(gòu)簡單清新可見，而且省電也容易控制。本次設(shè)計應(yīng)用字符型液晶顯示器來顯示信息。</p><p>　　(1)液晶顯示模塊概述<

100、;/p><p>　　字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780。液晶顯示器作為輸出器件有顯示質(zhì)量高、數(shù)字式接口、體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點。</p><p>　　液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，有電就有顯示

101、，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字攝像機、PDA移動通信工具等眾多領(lǐng)域[12]。液晶顯示的分類方法有很多種，通常可按其顯示方式分為段式、字符式、點陣式等。除了黑白顯示外，液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。如果根據(jù)驅(qū)動方式來分，可以分為靜態(tài)驅(qū)動(Static)、單純矩陣驅(qū)動(Simple Matrix)和主動矩陣驅(qū)動(Active Ma

102、trix)三種。</p><p>　　1602LCD主要技術(shù)參數(shù)：</p><p>　　顯示容量:16×2個字符</p><p>　　芯片工作電壓:4.5—5.5V</p><p>　　工作電流:2.0mA(5.0V)</p><p>　　模塊最佳工作電壓:5.0V</p><p>　

103、　字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm</p><p>　　工作溫度(Ta)：0~60度(常溫)/-20~75度(寬溫)</p><p><b>　　(2)引腳功能說明</b></p><p>　　1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳(無背光)或16腳(帶背光)接口，各引腳接口說明如表3.2所示。</p>&l

104、t;p>　　表3.2 引腳接口說明表</p><p>　　VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時

105、可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線[8]。液晶顯示外圍電路原理如圖3.20所示。</p><p>　　圖3.20 液晶顯示外圍電路原理圖</p><p><b>　　3.6通信模塊設(shè)計</b></p><p>　　3.6.1 RS-2

106、32接口設(shè)計</p><p>　　計算機與計算機、計算機與終端之間或者單片機與單片機的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。 在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來進行通訊。 RS-232-C接口（又稱 EIA RS-232-C）是