實(shí)驗(yàn)室電源遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 浩，文 廣，江書勇，劉平平，彭 麗

(1.成都工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 611730;2.成都工業(yè)學(xué)院 人文與設(shè)計(jì)學(xué)院，四川 成都 611730)

0 引 言

高校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)是高校教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1]，實(shí)驗(yàn)室在高校教學(xué)資源體系中有著重要的地位。隨著高校實(shí)驗(yàn)室的增多，耗電量也越來越大，高效節(jié)能管理的問題也越來越突出。事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)室管理人員數(shù)量的增長(zhǎng)遠(yuǎn)不及實(shí)驗(yàn)室數(shù)量增加的速度，這就導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室管理方面的難度越來越大。為了適應(yīng)新形勢(shì)下實(shí)驗(yàn)室高效節(jié)能的管理，非常有必要開發(fā)出一套電源遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)來提高管理人員的工作效率。筆者以STC89C52RC單片機(jī)為核心構(gòu)建控制系統(tǒng)，綜合運(yùn)用傳感器、串口助手來接收實(shí)驗(yàn)室的溫濕度和光照強(qiáng)度，從而遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境因子，實(shí)驗(yàn)室管理員可以根據(jù)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境信號(hào)來控制電源數(shù)量的開與關(guān)，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)室高效節(jié)能管理的目的。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)電路圖(見圖1)

圖1 設(shè)計(jì)電路圖

電路圖由串口、復(fù)位按鍵、DHT11溫濕度傳感器、光照傳感器、串針、STC89C52RC單片機(jī)、分壓電阻、電容等組成。其工作方式是當(dāng)串口接入電腦，選擇正確的端口后，通過DHT溫濕度傳感器、以及光照傳感器從串口助手的屏幕中來獲取當(dāng)前環(huán)境的溫濕度以及光照強(qiáng)度，再通過串口助手來遠(yuǎn)程控制電源的開關(guān)，其工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程圖

1.2 控制單片機(jī)

單片機(jī)是一種集成電路芯片，也被稱為微控制器。單片機(jī)最主要的功能就是能夠進(jìn)行智能控制，在我們生活中，單片機(jī)無處不在?；仡檰纹瑱C(jī)的發(fā)展歷程，由于它體積小、效能高，同時(shí)具有較好的穩(wěn)定性和較長(zhǎng)的壽命，所以其應(yīng)用范圍也越來越廣闊[2]?？紤]到設(shè)計(jì)功能和數(shù)據(jù)處理量，本設(shè)計(jì)采用的是STC89C52單片機(jī)，它具有運(yùn)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，且指令代碼完全兼容8051單片機(jī)[3]。

STC89C52單片機(jī)的引腳如圖3所示，其中有：

主電源引腳(2根)：VCC(pin 40)：電源輸入引腳，接+5 V電源；GND(pin 20)：接地線。

外接晶振引腳(2根)：XTAL1(Pin 19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端；XTAL2(Pin 20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端。

控制引腳(4根)：RST/VPP(Pin 9)：復(fù)位，當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)周期的高電平時(shí)，會(huì)產(chǎn)生復(fù)位；ALE/PROG(Pin 30)：地址鎖存的允許信號(hào)；PSEN(Pin 29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)；EA/VPP(Pin 31)：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平要從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電平則要從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。

可編程輸入/輸出引腳(32根) ：STC89C52單片機(jī)有32根I/O接口線，都為8位可編程，可以分成如下3組：PO口(Pin 39～Pin 32)：8位雙向I/O接口線，名稱為P0.0～P0.7；P1口(Pin 1～Pin 8)：8位準(zhǔn)雙向I/O接口線，名稱為P1.0～P1.7；P2口(Pin 21～Pin 28)：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P2.0～P2.7。

圖3 STC89C52單片機(jī)引腳

1.3 晶振電路

晶振電路[4]產(chǎn)生的時(shí)鐘控制信號(hào)是單片機(jī)正常工作必不可少的部分。單片機(jī)之所以能夠按照嚴(yán)格的時(shí)序指令來進(jìn)行工作，是因?yàn)閱纹瑱C(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)為單片機(jī)提供了各種細(xì)微操作的時(shí)間基準(zhǔn)，在時(shí)鐘信號(hào)的引導(dǎo)下，單片機(jī)才能正常的工作，沒有了時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)便不知道何時(shí)該做何事，就會(huì)停止工作。在本電路中，電容器C1和C2均有濾波的作用，都選用27 pF的電容器，石英晶體采用11.059 2 MHz，如圖4所示。時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，晶振電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。在晶振電路中，為了使單片機(jī)的時(shí)鐘與外部時(shí)鐘信號(hào)保持一致，會(huì)將晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi)部，將其信號(hào)接單片機(jī)上的XTAL1和XTAL2引腳[5]。

1.4 傳感器

本設(shè)計(jì)需要考慮光強(qiáng)度和環(huán)境因子的影響，因此，在電路設(shè)計(jì)中需要選用光照傳感器和溫度傳感器。光照傳感器的核心是光敏電阻，其阻值會(huì)隨著光照強(qiáng)度的變化而變化，當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)，其阻值較小，反之變大[6]。根據(jù)系統(tǒng)要求，本設(shè)計(jì)分別選用了數(shù)字光模塊為GY-30的光照傳感器(如圖5所示)及DHT11數(shù)字溫濕度傳感器[7](如圖6所示)。

圖4 晶振電路圖5 GY-30光照傳感器

GY-30數(shù)字光模塊具有f/s模式支持的I2C總線接口，其采用的光譜范圍和人的眼球所能觀測(cè)的光譜范圍是相近的，它的邏輯接入接口所需的電壓只有1.8V，不依賴任何的外部零件，此數(shù)字光模塊對(duì)于光源的依賴性并不像其他的傳感器一樣那么大。溫濕度傳感器包括溫度采集和濕度采集兩個(gè)方面，一種是電阻式的原件可以感應(yīng)濕度，另一種叫做ntc的測(cè)溫元件可以用于測(cè)定溫度。這種傳感器與單片機(jī)相連，不僅精度高，而且抗干擾能力很強(qiáng)。

1.5 復(fù)位電路

復(fù)位電路是確定微機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性所必需的一部分電路[8]。為了讓CPU和系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始工作，單片機(jī)在通電時(shí)必須進(jìn)行復(fù)位。它的操作原理與計(jì)算器清零有著類似的地方，與計(jì)算器清零按鈕不同的是，復(fù)位電路啟動(dòng)的方法不同：一是在給系統(tǒng)電路通電時(shí)立刻進(jìn)行復(fù)位操作，稱為上電復(fù)位；二是在必要時(shí)可以由手動(dòng)按鈕或者開關(guān)進(jìn)行操作，稱為手動(dòng)按鈕復(fù)位；三是依照電路運(yùn)行或者程序的需要來進(jìn)行自動(dòng)地復(fù)位，稱為軟復(fù)位。

單片機(jī)復(fù)位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時(shí)為單片機(jī)提供一定脈寬(兩個(gè)機(jī)器周期以上)的復(fù)位信號(hào)[9]，其復(fù)位原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上，持續(xù)一段時(shí)間的高電平或者低電平，會(huì)使系統(tǒng)進(jìn)入初始化的狀態(tài)。復(fù)位的方式一般有三種：手動(dòng)按鈕復(fù)位、上電復(fù)位、積分型上電復(fù)位。而單片機(jī)的復(fù)位方式一般是手動(dòng)按鈕復(fù)位以及上電復(fù)位。本次復(fù)位電路的復(fù)位方式是上電復(fù)位，電路圖如圖7所示。

圖6 DHT11溫濕度傳感器圖7 復(fù)位電路

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文基于Keil C51開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，主程序流程圖如圖8所示。

基于上述流程，用程序分別對(duì)單片機(jī)引腳、I/O口、溫濕度傳感器和光照傳感器參數(shù)的讀取、串口數(shù)據(jù)的發(fā)送等進(jìn)行定義。

3 系統(tǒng)調(diào)式

軟件編寫完成后，采用SSCOM串口調(diào)試助手對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，將一盞LED燈焊接到板子上，通過系統(tǒng)控制燈的開啟和關(guān)閉來判斷系統(tǒng)是否可行。調(diào)試時(shí)，首先將電路板上連接的串口與電腦的USB接口連接，并連接好串口，將串口助手上的波特率等數(shù)據(jù)調(diào)至相應(yīng)的數(shù)值，窗口界面顯示當(dāng)前環(huán)境的溫濕度以及光照強(qiáng)度，如圖9。

圖8 主程序流程圖

圖9 調(diào)試窗口

在字串符輸入框輸入字符a并點(diǎn)擊發(fā)送，電路板上LED燈開啟，輸入字符串b，LED燈關(guān)閉。調(diào)試結(jié)果如圖10所示，從驗(yàn)證結(jié)果來看，系統(tǒng)是有效的。

圖10 調(diào)試結(jié)果

4 結(jié) 語

本文以STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，同時(shí)選用DHT11溫濕度傳感器、光照傳感器等元件組成電源遠(yuǎn)程管理控制系統(tǒng)硬件部分，并基于Keil C51開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，然后借助SSCOM串口調(diào)試助手對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，通過調(diào)試驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的可靠性。