教室智能照明系统的设计与实现.docx

毕业设计（论文）说明书

题目：教室智能照明系统的设计与实现

系 名 信息工程系
专 业 电子信息工程
学 号 6009202330
学生姓名 高丹
指导教师 赵贵海

2013年6月1 日

摘 要

本研究针对教室灯光的控制现状及用电大量浪费的现象，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机的教室灯光智能控制的设计思路。该系统以AT89C51单片机作为控制装置的智能部件，采用热释红外传感器检测人体的存在，采用光敏三极管构成的电路检测环境光的强度；根据教室合理开灯的条件，系统通过对人体的存在信号和环境光信号的识别和智能判断，完成对教室照明回路的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。该系统具有体积小，控制方便，可靠性高，专用性强，性价比合理等优点，可以满足各类大、中专院校教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能目的。
关键词：教室灯光控制 热释红外传感器 光敏电阻 AT89C51

ABSTRACT
This study of intelligent control classroom lamplight, analyzes the current situation of the development of the classroom light of intelligent control principle and method, is proposed based on single-chip microcomputer intelligent control of the classroom lamplight design. This system to AT89C51 single chip computer as control device of intelligent parts, adopts heat release infrared sensor detects the release of human existence and adopts photoconductive resistance constitutes circuit testing environment light intensity. According to the classroom light conditions and the measured the signal of human body system and ambient light, the system can make reasonable and intelligent judgment and then controls the work of classroom lighting circuit .It is a effective way to avoid the classroom of waste electricity. Small volume, convenient control, high reliability, high specificity and price reasonable make this system satisfy the advantages of large, secondary technical schools classroom light control requirements and greatly reach energy-saving purpose.
Key words：heat release infrared sensor photoconductive dynatron AT89C51

目 录

第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2 国外发展趋势 1
1.3 国内技术现状 2
1.4课题研究的目的 2
1.5课题研究的内容 2
第二章 系统总体设计 3
2.1 系统总体设计思想 3
第三章 系统硬件设计 6
3.1 系统整体设计方案 6
3.2控制系统的主要硬件电路 6
3.2.1系统主控电路 6
3.2.2在线编程模块电路 8
3.2.3系统供电电路 9
3.2.4数据采集电路 9
3.2.5系统时钟电路 15
3.2.6系统看门狗电路 17
3.2.7继电器驱动接口电路 19
3.2.8超时报警电路 20
第四章 系统软件设计 22
4.1系统监控主程序模块 22
4.1.1系统自检初始化 23
4.1.2定时中断处理 23
4.2多任务操作系统的构建 24
4.2数据采集模块程序设计 25
4.2.1传感器的优缺点 25
4.2.2数据采集软件的实现 25
4.3时钟模块 26
4.3.1数据的输入输出 26
4.3.2时钟内部寄存器的使用 26
4.3.3时钟自检初始化 27
4.3.4DS1302程序 29
4.4显示驱动模块 30
4.4.1系统自检ULN2803的运用 30
4.4.2显示程序 31
4.5系统键功能 31
第六章 总结 33
参考文献 33
附 录 35

61

天津大学仁爱学院2013届本科生毕业设计（论文）
第一章 绪论
1.1课题研究背景
随着计算机网络、通信、控制等技术的发展,智能建筑的发展越来越迅猛。目前，国内大多数智能建筑存在效率低、能耗高的现象。就智能建筑的照明系统来说，许多地方的灯经常是从早到晚开着的，不管这些房间或楼道是否有人，也不管有多少人。或者，当自然光照度很好时，灯不能及时关闭；反之，当自然光照度难以满足人的需求时，又不能及时打开灯光。这种照明方式，不仅造成能源的浪费，而且不能满足人对照明的基本需求，同时也给人的视力造成了很大的影响。
各类大、中专院校不断扩招，教室不断扩建，教室的用电负荷不断加大，教室用电管理不善，造成学校电能浪费，经济损失，这种的浪费与当今的节约能源理念相违背。再者，现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，灯光的管理也在朝着自动化、智能化方向发展。的自动控制等等。所有这些使得教室灯光控制也应该朝着智能的方向发展。于是，开发简便、实用的教室灯光自动控制系统便具有重要的现实意义。
部分学校也意识到了教室照明中存在的巨大浪费，采取了各种各样的管理方式，企图来杜绝这种浪费。如:费用包干制、任课教师负责制、组织勤工俭学学生或聘用专职人员进行专门管理，拉闸限电等等。许多学校都采取过这些方法，但始终没能长久坚持下去，也就没有取得理想效果。其次，学生对教学楼教室的利用状况的未知往往造成有些教室人满为患，有些教室无人问津的状况。从而由于管理不当而影响教学资源分配等种种问题。
1.2 国外发展趋势
世界各地发电的主要原料是煤炭、石油和天然气，而丹麦在能源利用方面的成功经验提供了很好的借鉴。从1974年以来，尽管丹麦国民收入增长了50%，丹麦总的能源消费量并没有增加。丹麦是OECD成员国中能源消耗量和国民收入比值最小的国家。他们不断地提供一些节能供热系统，例如丹麦热电同供热电厂(CHP)，而且，他们尽可能的有效利用资源。这样，他们的能源使用总效率达到了90%。丹麦政府很重视住房空间用电的节能，并设立了对新建房屋节能的诸多要求。数据显示，居民入住有节能装置的房子时，他们要支付比没有节能方案房屋高出8%的费用。其节能项目经验在欧盟国家中广为流传。还有，欧司朗一斯维尼亚公司不断的推出新型高输出的荧光灯，节约6%的总系统功率，并具有更高的光通和平均光通量。飞利浦照明公司推出的陶瓷金卤灯代替过去的卤钨灯，可节能60%的电能。种种迹象表明世界各国都在采取不同方式来节约能源，节约电能。
1.3 国内技术现状
目前，我国照明用电约占社会总用电量的12%，采用高效照明产品代替传统的低效照明产品可节电60%到80%。如今，北京正在大力推行绿色照明工程，己推出上百万只绿色照明光源和部分节能电器，据测算年节约用电可达3442万千瓦时，节约电费2519.7万元。政府己经在商厦、学校、医院等更换了24万只节能灯具。在奥运工程的建设上，也大量运用节能技术，北京的奥运厂馆“水立方”，通过采用大量的节能灯具，装备新技术，通过增强透光性白天可节约照明能耗50%。
基于以上种种原因，提高教室用电效率就成为学校节能的重要且主要的措施之一，因此节能技术的重要手段之一就是教室灯关自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要课题。
1.4课题研究的目的
针对目前学校教学楼用电设备控制和教学管理不足的现状，以提高教室用电设备控制的自动化和教学管理的效率为目的，开发了一套功能较完善的基于总线的智能教室照明控制系统。本系统应用先进的电子技术、网络技术、自动控制技术以及实用的软件平台。
（1）基于AT89C52单片机的教室灯光智能设计；
（2）加强灯光控制智能化理念。
1.5课题研究的内容
本课题的研究内容主要有以下六点：
（1）灯光控制方案的研究；
（2）灯光检测方案的研究；
（3）教室内人数检测方案的研究；
（4）热释电红外传感器的信息处理；
（5）人体与光照环境信号采集与处理；
（6）开发单片机系统。

第二章 系统总体设计
2.1 系统总体设计思想
该系统以AT89S51单片机[8]作为控制装置的智能部件，采用热释红外人体传感器检测人体的存在，采用光敏三极管构成的电路检测环境光的强度；根据教室合理开灯的条件，系统通过对人体的存在信号和环境光信号的识别和智能判断，完成对教室照明回路的智能控制。整体系统由人体传感器感应信号，再送入单片机进行处理，再由单片机控制控制教室灯光。同时将环境亮度检测、人工控制、报警控制等功能加入到系统中。
系统设计流程图如下：

图2-1 系统总体设计思路图
室内灯光控制系统可以根据作息时间、气候、人体等因素全天候自动模糊控制室内照明电器的开和关。做到光线暗时开灯，雨天阴天时开灯，无人时关灯，光线亮时关灯，晴天时关灯，休息时间关灯。在确保室内正常照明同时，可有效防止无人灯（无人时开灯）﹑无效灯（光线亮时开灯）、无限灯（休息时间开灯），从而达到节电目的。
根据上述要求，可以画出控制系统逻辑功能表，如表2-1所示。

信号
室内光信号
人体信号
时钟信号
电灯的开关状态
参数
自然光照度
人体
作息时间
逻
辑
状
态
强
无
休息
断
强
无
上课
断
强
有
休息
断
强
有
上课
断
弱
无
休息
断
弱
无
上课
断
弱
有
休息
断
弱
有
上课
合
表2-1 系统逻辑关系表

如果假设：室内光线强度为A：光线弱时A=1，光线强时A=0；
人体信号为B：有人时B=1，无人时B=0；
作息时间为C：上课时C=1，休息时C=0；
电灯开关状态为D：合时D=1，断开时D=0。

则表2-1可以转化为表2-2。
表2-2 系统逻辑真值表
信号
室内光信号
人体信号
时钟信号
电灯的开光状况
参数
自然光信号
人体
作息时间
符号
A
B
C
D
逻

辑

状

态
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
由上述的真值表可得出系统逻辑函数表达式为：D=A·B·C

第三章 系统硬件设计
3.1 系统整体设计方案
系统控制单元是以单片主控模块为核心，其它外围电路主要包括:ISP下载线模块、系统供电模块、硬件时钟模块、看门狗模块、灯光驱动模块、数码管驱动显示模块、环境光模块、EEPROM存储模块、人体存在传感器模块、超时报警模块，其结构框图如图3-1所示：

51系统模块

ISP下载线模块

看门狗模块

硬件时钟模块

数码管显示模块

灯光驱动模块

环境光模块
EEEPROM存储器模块

电源模块

人体存在传感器模块

图3-1系统控制单元结构框图

3.2控制系统的主要硬件电路
3.2.1系统主控电路
本系统的主控模块主要采用Atmel公司的AT89C52作为主控芯片。
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，它具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片内时钟振荡器。
　　主要特性：
　　• 8031 CPU与MCS-51 兼容
　　• 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)
　　• 全静态工作：0Hz--24KHz
　　• 三级程序存储器保密锁定
　　• 128*8位内部RAM
　　• 32条可编程I/O线
　　• 两个16位定时器/计数器
　　• 6个中断源
• 可编程串行通道,
其管脚分布如图3.2所示。

图3.2 AT89S51引脚图
复位电路：
RST引脚对地电阻为40-220千欧姆，因此在RST引脚和电源VCC之间接一容量为10-22微法的电容后，即可构成最简单的RC复位电路。
AT89S52I/0端口与系统其它外围器件接口的分配情况表如表3-1所示。

89552引脚
外围器件引脚
说明
P0.0-P0.7
ULN2803
数码管段码驱动接口
P2.0-P2.7
NPN-9012基极
数码管位控驱动接口
P1.0
X5045SI
X5045串行输入端
Pl.1
X5045SCK
X5045串行时钟端
P1.2
X5045CS
X5045片选端
P1.3
X5045S0
X5045串行输出端
P1.4

系统工作灯显示端口
P1.5
DS1302CLK
DS1302时钟线
P1.6
DS1302I0
DS1302数据线
P1.7
DS1302RST
DS1302复位线
P1.5一P1.7

工SP在线编程端
P3.0一P3.1

数据采集输入端
P3.2

遥控器接收信号端
P3.3

人体存在传感器输出信号端
P3.4

超时报警信号输入端
P3.5一P3.6

灯光驱动输入端
P3.7

光敏三极管输入信号端
表3-1外围器件接口的分配
3.2.2在线编程模块电路
以往单片机的实验往往依赖于仿真机和单片机学习系统，价格昂贵，近年来，随着FLASH型单片机的广泛应用，采用软件模拟结合写片验证成为一种经济实用的实验方法，尤其是随着单片机技术的发展，很多单片机都具有了ISP功能，不再需要仿真机，将单片机的易用性推向一个新的高度。AT89C52芯片就是这样的芯片。
AT89C52芯片支持在线编程(ISP)功能，用户可以通过AT89C52在线编程接口直接对电路板上的CPU进行在线编程，方便了程序的修改烧写工作。ISP进行在线编程时，用AT89C52芯片的P1.5，P1.6，P1.7引脚及RST端口，通过PC并口，根据工SP协议制作简单的编程器就可对CPU进行编程。在线编程(ISP)器的红色LED是电源指示灯，绿色LED是复位指示灯，黄色LED是时钟信号指示灯，每个LED约消耗0.6mA的电流，它们使用独立的缓冲器不会影响下载线和用户板，当执行菜单命令Reset时可以看到绿色LED闪一下，表示电脑已经可以控制下载线;其下载线正常工作电压为DC3.6-6V，部分电脑即使不连接VCC也可以正常工作，10心的插头和插座有三角形标志的均为第一脚。使用方便、快捷，且工作显示信号清晰。
3.2.3系统供电电路
要取得+5V电压，若选用12V的变压器，整流滤波后输出往往大于12V，会使稳压器功耗大，自身温度较高。故不选用输出电压为12V的变压器，而选用输出电压为9V的变压器。系统接通220V交流电源后，将220V交流电变压到9V，经过二极管全波整流、电解电容Cl，C2滤波，再经一只正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用了电容C3、C4，最后得到+5V的直流工作电源，用于给控制系统中单片机系统及其它外围电路的Vcc+端供电。其供电原理图如3.2.3
1
2
3
4
5
图3.2.3 供电原理图
在硬件时钟模块中，为了在断电后硬件时钟能够正常运行，故采用主从双电源供电方式。硬件时钟一般在系统的+5V主电源情况下工作，而只有系统+5V主电源消失的情况下，为确保硬件时钟的正常运行，设计一个3. 6V的可充电铿电池作为备用电源。具体电路及其原理将在后面的系统时钟电路部分详细说明。
3.2.4数据采集电路
教室检测控制单元数据采集模块对教室内光照强度、教室的学生人数，教室内的灯状态，主要通过光照传感器、红外传感器来完成，各器件将检测到的非电量转化成各自对应的电量进而传送给单片机进行处理，单片机可实现对各传感器的定时采集并根据设定值进行比较处理。同时通过通讯接口将处理后的数据向上位机控制单元传送。也可通过该通讯接口，上位机单元发出的控制指令，现场控制单元实现相应的控制命令操作。
1.环境光采集电路
（1）光电检测器件选择
目前，在光电检测技术中常用的一些光电检测器件有光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管等，选择光照传感器可根据参考表3.3来进行比较选择。
3.3各种光谱器比较
光敏电阻和其它光电检测器件相比具有以下特点：
a) 灵敏度高，光电导增益大于1。
b) 工作电流大，可达数毫安。
c) 所测光强范围宽度，既可检测强光也可检测弱光。
（2）光敏电阻的工作原理
光敏电阻的工作原理是：在其两极加上一定的电压后，当光照射在光电导体时，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动。在电路中产生电流，达到光电转换的目的。光敏电阻的工作原理如图3.8所示：

图3.8光敏电阻的工作原理
光敏电阻随光照强度的增加起导电性能变好，既光敏电阻的电导率增加，流过其内的光电流增加，其本身的电阻值减小，随光照强度的增加起导电性能变差，既光敏电阻的电导率减小，流过其内的光电流增加，其本身的电阻值增加。
教室中的环境光和人体存在与否是系统的主要输入参数，因此教室中的环境光和人体存在成为系统数据采集的主要对象。常见的环境光采集器件光电传感器有光敏二极管和光敏三极管，根据需求，选用灵敏度较高的光敏三极管。此外，人体传感器要求灵敏度高，可靠性强，本系统采用了逻辑电平输出的HP-208型号的人体存在传感器。
（3）环境光采集电路原理
光电传感器是一种能够将光转换成电量的传感器。采用的光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。在无光照时三极管的穿透电流很小，为暗电流Iceo有光照时，产生的Ib增大，成为光电流Ie。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。因此光敏三极管灵敏度高，而且体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，其外形电路图形符号如图3.2.4. 1-1

图3.2.4. 1-1
环境光采集电路原理图如图3.2.4 1-2所示。当自然光强大于一定程度时，光敏三极管D6呈现底阻状态<1千欧，三极管Q12的基极电压升高，Q12管饱和导通，集电极输出低电平。当自然光强小于一定程度时，光敏三极管D6呈现高阻状态,100千欧，使三极管Q12截止，集电极输出高电平。其中可变电阻R26可调节，调R26阻值的大小，使Q12三极管受环境光影响在适当的亮度下导通。

图 3.2.4.1-2环境光采集电路原理图
利用光敏电阻对教室内光照强度进行探测，其工作方法是：
(l)教室无人时，不管照度如何，所有照明灯均熄灭。
(2)当教室有人时，分成三种情况：
a.若室内照度小于设定值时照明灯全部打开。
b.若室内照度介于设定值很小范围时，根据教室人数打开排照明灯。
c.若室内照度大于设定值，则所有照明灯均熄灭
2. 红外数据采集与处理
使用红外传感器的作用是通过其内部接收端接收由障碍物反射或发射回来的红外光，来判断是否有障碍物(有障碍物时，检测电路输出高电平，否则，电路输出低电平)。这里使用两组红外传感器(分别安装在教室门内外两侧)用来计数当前教室内的学生人数。两组红外传感器依据接收有障碍物(人体)反射回来的红外光并根据对其接收的先后顺序来判断是否有进入/出去的人(进“+”，出“-”)，进而实现对教室学生人数的记数。
（1）传感器的工作原理
自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线，利用红外传感器可对其进行检测。根据工作原理，红外传感器分为热型和量子型两类，热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器。与量子型相比，响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可在常温下工作。量子型与热型的特点相反，而且要求冷却条件。本系统采用的是热释电红外传感器，人体存在传感器主要采用了红外传感器的原理，它是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、自动照明等场合，及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。其原因为:①被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；②大气对2-2.61Lm,3-51Lm, 8-141Lm三个被称为“大气窗口”的特定光通量的红外线吸收甚少，可非常容易被检测；③中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性如下:人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长 左右的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的左右的红外线而进行工作的。人体发射的左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生由人体存在的信号。
1)这种探头是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为左右的红外辐射非常敏感。
2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。
3)人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。
4)一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被人体存在传感器的热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而输出有人体存在的信号。
5)菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距(感应距离)，从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。
人体传感器透镜的信号采集敏感区示意图如图4. 2. 2-1

图4. 2. 2-1信号采集敏感区示意图
有人进入时，移动人体发出的红外线被红外传感器接收，则人体存在被感应，并输出高电平。若人体进入最不敏感移动方向时，则人体传感器所体现的信号就会不理想，有时还会产生误动作，所以要特别注意人体传感器的安装方向。

(2)传感器检测原理
a: 热释电效应：当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。图3.10表示了热释电效应形成的原理。

b: 热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。
c :为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。

d: 菲涅耳透镜（图3.11）把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器 (PIR) 灵敏度大大增加。
(3) 人体红外传感器电路
人体红外传感器用于检测人体发出的特定波长的红外线，进行非接触式距离较远的检测，其内部结构与外形如3.12图所示

图3.12 红外传感器实物图与原理图
传感器外部有一白色半球形菲涅尔透镜，能有效聚集人体发出的红外线，提高传感器的灵敏度。其工作电压为3~15V。当人体进入传感器感测区域时，传感器接收到频率为0.1~8Hz的人体红外信号，2脚即输出微弱的交流信号，经放大后可由CPU进行处理。
信号处理电路如3.13图所示：

图3.13 红外信号处理图
传感器2脚的输出信号经两极放大后，从LM324输出，信号幅度为0.5~5V，直流分量为3V。DL1、DL2、R12、R13、R14、R15组成双门6电压比较器。若LM324无信号输出，则J2为3.3V，J3为2.7V，ALARM指示灯不亮，J1输出为低电平。当LM324输出大于4V或小于2V时，ALARM指示灯点亮，VOUT端输出高电平。
3.2.5系统时钟电路
根据教室灯光使用特性，该系统还应受到时间的控制，控制系统的时间应符合学校的作息时间。比如晚间休息、假期等时间段应该关掉教室灯光控制系统，以节约能源，因此本研究还加入硬件时钟电路以保证系统的智能化运行。
1.硬件时钟芯片的选取及其接口电路
传统的时钟芯片，如MC146818, MC68H68T, LM8365等，这些芯片的引脚太多，体积大，占用的口线多。而现在流行的串行时钟芯片很多，如DS1302，DS1305，DS1307，PCF8485等，这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛的使用。考虑到本系统停电时只需对时钟电路提供电源、且不需要占用太多单片机资源，本系统采用美国DALLAS公司推出的具有充电能力的低功耗1*8的用于临时性存放数据的RAM寄存器的实时时钟芯片DS1302。
此芯片采用的是串行通信方式，还可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V-5. 5V, DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源、后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。而且本系统采用的DS1302只需三根线即可与单片机进行通信，体积小，使用简单，时钟精度较高，满足系统的要求，其主要特征见附录一。可为掉电保护电源提供可编程的充电功能的时钟芯片DS1302的引脚图如图1所示。

图1 DS1302引脚
DS1302与单片机接口电路连接原理图如图3.2.5其中Vcc2外接3.6V可充电的铿电池，为DS1302的备用电源。Vcc1外接系统供电模块的输出稳定电压+5V，为DS1302的主电源。DS1302由Vcc1和Vcc2两者中较大者供电。系统正常运行时，Vcc1大于Vcc2，因此由Vcc1给DS1302供电，在主电源关闭的情况下，则由Vcc2给DS1302供电，保持时钟的连续运行。Xl和X2是振荡源，外接32. 768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送，与单片机的复位信号相连。时钟输入端SCLK接单片机P1.5引脚，进行时钟控制。数据输入/输出端I/0接单片机P1.6引脚，进行数据传输。
图3.2.5DS1302与单片机接口电路连接原理图
2.硬件时钟芯片的引脚功能及其工作原理
RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能:首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器; 其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/0引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc>2. 5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/0为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK始终是输入端。 硬件时钟芯片DS1302与微处理器进行数据交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高位MSB (D7)必须为逻辑1，如果D7=0，则禁止写DS1302，即写保护:D6=0，指定时钟数据，D6=1，指定RAM数据;D5~D1指定输入或输出的特定寄存器;最低位LSB (DO)为逻辑0，指定写操作(输入)，DO=1，指定读操作(输出)。
在DS1302的时钟日历或RAM进行数据传送时，DS1302必须首先发送命令字节。若进行单字节传送，8位命令字节传送结束之后，在下2个SCLK周期的上升沿输入数据字节，或在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。
DS1302与RAM相关的寄存器分为两类:一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为COH~FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作;再一类为突发方式下的RAM寄存器，在此方式下可一次性读、写所有的RAM的31个字节。
要特别说明的是备用电源，可以用电池或者超级电容器((0.1F以上)。虽然DS1302在主电源掉电后的耗电很小，但是，如果要长时一间保证时钟正常，最好选用小型充电电池。可以用老式电脑主板上的3. 6V充电电池。如果断电时间较短(几小时或几天)时，就可以用漏电较小的普通电解电容器代替。100就可以保证1小时的正常走时。DS1302在第一次加电后，必须进行初始化操作。初始化后就可以按正常方法调整时间。
3.2.6系统看门狗电路
在单片机工炸过一程中，不可避免的会由于外界的干扰而产生程序跑飞、死机甚至造成整机瘫痪等情况，为了能够恢复单片机的工作，只能采用重新复位的方法，虽然在程序设计中，一可以使用软件陷阱的方法来减少这种情沉的发生，但是不能完全解决这个问题，因此还应该在硬件设计中使用看门狗电路，这样在单片机发生死机的情况下，看门狗将产生一个夏位信号给单片机，使单片机复位重新执行程序:.现在的MCU被集成了越来越多的功能，有的集成了看门狗，如工IMP813L。还有的芯片更是把EEPROM也集成进去，如X5045芯片。由于系统需要看门狗和EEPROM，所以本硬件设计中使用了美国Xicor公司生产的芯片X5045。
X5045具有三种常用的功能：看门狗定时器、复位控制和EEPROM集成在单个8个引脚封装的CMOS器件内，将电源监控和看门狗功能与高速三线非易失性存储器组合庄一起，从而在很人程度上降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求，X5045的引脚排列如图3.2.6-1

图 3.2.6-1X5045的引脚排列
看门狗定时器的预置时间是通过X5045的状态寄存器的相应位来设定的。如表3. 2. 6状态寄存器所示，X5045状态寄存器共有6位有含义。其中WD l , WDO和看门狗电路有关，其余位和EEPROVI的工作设置有关。
表3. 2. 6状态寄存器
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D!
D0
X
X
WD1
WD0
BL1
BL0
WEL
WIP
WD1=0，WD0=0，预置时间为１.４S。
WD1=0，WD0=1，预置时间为０.６S。
WD1=1，WD0=0，预置时间为０.２S。
WD1=1，WD0=1，禁止看门狗工作。
看门狗电路的定时时间长短可山具体应用程序的循环屁期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。本系统中X5045的硬件连接图如图3.2.6-2所示。

3.6.2-2 X5045的硬件连接图
系统数据存储及故障保护部分由X5045组成，X5045是一种串行通讯的512字节EEPROM，同时兼有看门狗和电源监控功能，X5045有三种可编程看门狗周期，上电和VCC低于检测门限时，输出复位信号，X5045输出复位高电平有效，为了复位更加可靠，其复位输出端外接一个10K的上拉电阻，并与AT89C52的复位端相连。看门狗能在电源上电、掉电期间产生一个复位信号。该芯片还带有一个1. 4秒的看门狗定时器可监控单片机的工作。如果在1. 4秒内未检测到其工作，出现故障，内部定时器将使看门狗WD I处于低电平状态，为系统提供保护，避免死机、程序跑飞或进入死循环等意外的发生。
X5045代表了新一代串行EEPROM的发展趋势，它的运用极大的节省了系统空间和资源，同时简化了电路设计，缩短产品开发周期。
3.2.7继电器驱动接口电路
继电器驱动接口电路如图3.2.7所示，这里继电器由相应的PNP型号的59012三极管来驱动，开机时，单片机初始化后的P3. 5/P3. 6为高电平，三极管截止，所以开机后继电器始终处于释放状态，如果P3. 5/P3. 6为低电平，三极管的基极就会被拉低而产生足够的基极电流，使三极管导通，继电器就会得电吸合，从而驱动负载，点亮相应电灯。继电器的输出端并联100欧的电阻和6800皮法电容，目的是避免继电器吸合与释放期间产生火花。每个继电器都有一对常开常闭的触点，便于在其他电路中使用，继电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管，这种继电器驱动方式硬件结构比较简单。

图3.2.7继电器驱动电路图
3.2.8超时报警电路
在教室中，若采用手动方式控制时，一方面由于学生及管理人员的疏忽，教室里没有人而灯还亮着，导致教室灯工作超时，能源浪费，于是本系统采用超时报警电路，以声音的方式来提醒管理人员是否关闭电源。另一方面由于学生学习紧张，在夜里忘了时间点，学习期间开灯时间过长，致使教室灯工作超时，于是本系统超时报警电路就会发出声音，提醒学生应该休息或必需改用遥控器手动方式来控制灯了。这样，还可以更好地保护公共设施。本系统采用超时报警的电路如图3.2.9的P3.4端口外加一个10K的上拉电阻，再经过限流电阻100欧与三极管C945的基极相连。当P3.4端口为低电平，即基极为低电平时，三极管导通，驱动蜂鸣器发出声音，以示教室灯工作超时。若P3. 4端口为高电平，即基极为高电平时，三极管截止，蜂鸣器不工作，教室灯工作正常。本系统采用超时报警电路方便了管理人员对教室的管理，能够更好地、及时地管理教室。

图3.2.7继电器驱动电路图

第四章 系统软件设计
在单片机硬件系统的基础上，再配上相应的软件，才能构成一个完整的系统。用户软件的开发与系统硬件有着密切的关系。在本系统的设计过程中，总体设计采用自上至下的设计思想将主程序设计好，而在各个部分展开成从属程序或子程序时，是将各个小模块分