基于AT89S51的自動化教室燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計

蔡汪均 江志晃 張建華

（廣東培正學(xué)院，廣東 廣州 510830）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智慧照明不再是一個虛有的名詞。智慧照明適用于不同的人群和場合，可以給人提供一個舒適的、柔和的照明環(huán)境。智慧照明控制系統(tǒng)是個囊括節(jié)能、便捷、科技化于一體的智能系統(tǒng)，非常適用于學(xué)校教室的自動化控制。

一、系統(tǒng)設(shè)計的硬件部分

自動化教室燈光控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主要有七大模塊組成，分別是主控、點陣顯示、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)時鐘、人工控制、看門狗。整個系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計如圖1 所示。下文主要介紹主控制模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和人工控制模塊。

圖1 系統(tǒng)控制硬件電路圖

教室燈光控制系統(tǒng)依靠感應(yīng)教室內(nèi)的光照參數(shù)，以最大程度上節(jié)約電能和確保充足的光照為前提，實現(xiàn)燈光的自動開和關(guān)，同時集成定時切換等功能。

（一）主控模塊

系統(tǒng)的主控模塊采用芯片為AT89S51的低功耗芯片，它具備8K的Flash 編程，正常的工作電壓范圍較廣，同時芯片有2 個可控定時器，芯片接口電路結(jié)構(gòu)相對簡潔。主控模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路發(fā)圖2 所示。

圖2 主控模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路圖

教室燈光控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集的參數(shù)變化而產(chǎn)生控制信號，從而對整個系統(tǒng)的其他硬件進(jìn)行聯(lián)動，實現(xiàn)教室燈光的自動控制。在系統(tǒng)自動化控制過程中，主控模塊還能檢測人工控制的信號，一旦有人工信號控制系統(tǒng)將其優(yōu)先級放至最高并實時響應(yīng)優(yōu)先處理操作。

（二）點陣字符顯示模塊

教室燈光控制系統(tǒng)它采用了點陣HD44780 液晶顯示,此顯示模塊內(nèi)置了與MCU 通訊的接口，系統(tǒng)可調(diào)用接口參數(shù)適配主控制模塊參數(shù)進(jìn)行實時處理。HD44780 顯示模塊優(yōu)點比較突出，可實現(xiàn)4 位和8 位的數(shù)據(jù)傳輸，可顯示面積比同類模塊大，同時自帶控制器、驅(qū)動器和存儲器等關(guān)鍵的小模塊系統(tǒng)，與AT89S51 適配時可大大減輕適配難度，對于教室燈光控制系統(tǒng)的實現(xiàn)起著很大的作用。

（三）數(shù)據(jù)采集模塊

教室燈光控制系統(tǒng)采用了靈敏度高的光敏二極管作為采集器，設(shè)計采用穩(wěn)定性強、靈敏度高的HP-208-N-L 模塊。它主要是采集來自教室內(nèi)的光照強度參數(shù)的變化，同時把變化的參數(shù)傳遞給主控模塊，主控模塊接受到來自采集器的數(shù)據(jù)后判斷是否需要做出相應(yīng)的處理，從而實現(xiàn)教室燈光控制系統(tǒng)的自我控制。采集器為全智能自動型，不接受人為控制，從而確保采集的參數(shù)均來自教室的光照環(huán)境。

（四）人工控制模塊

教室燈光控制系統(tǒng)設(shè)計采用多按鍵形式進(jìn)行，按鍵觸發(fā)開關(guān)電平。人工控制模塊采用了與門電路判斷，用4 個二極管和10K 電阻整合而成。當(dāng)觸發(fā)高電平時，控制模塊程序?qū)⒂涗浶盘柊l(fā)生變化，把變化的信號轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)值后傳遞至主控模塊，人工控制模塊系統(tǒng)的電路圖如圖3 所示。

圖3 人工控制模塊結(jié)構(gòu)電路圖

系統(tǒng)采用的4 個電平檢測點，以確保誤按后系統(tǒng)能判斷是否傳遞參數(shù)。當(dāng)正常按壓，與門電路電平重置為高電平，控制系統(tǒng)接受按壓信號，控制信號發(fā)生并傳送至主控模塊。系統(tǒng)中還存在供電模塊、時鐘模塊、驅(qū)動模塊、報警模塊、看門狗模塊等由于篇幅所限，不一一列舉。

二、系統(tǒng)設(shè)計的軟件部分

自動化教室燈光控制系統(tǒng)采用的AT89C51 主控制芯片，此芯片具備較為強大的可編程能力，預(yù)留的接口功能較為強大。系統(tǒng)可適配模塊化的小系統(tǒng)接入和調(diào)用，系統(tǒng)的軟件和硬件互相配合聯(lián)動，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。以下列舉部分系統(tǒng)軟件核心模塊設(shè)計的主要代碼。

自動化教室燈光控制系統(tǒng)初始化設(shè)計為自動智能控制，在外來采集數(shù)據(jù)變化后系統(tǒng)將自動啟動控制程序控制燈光的強度。整個系統(tǒng)在初始化后，系統(tǒng)處于待機檢測狀態(tài)，按鍵控制模塊將被激活。

三、系統(tǒng)功能測試

完成了對整個教室燈光控制系統(tǒng)設(shè)計之后，接下來的主要工作便是基于對本設(shè)計所需的功能進(jìn)行功能測試和檢驗，這樣做既能確保系統(tǒng)的正常運行，還能更快更及時的發(fā)現(xiàn)隱藏的漏洞，以便于我們對其分析和進(jìn)行有針對性的修復(fù)和優(yōu)化，從而讓系統(tǒng)的運行更加高效和穩(wěn)定。系統(tǒng)測試將采用三種方法分別對系統(tǒng)的各個模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)測試，這三種測試方法分別是靜態(tài)測試法、動態(tài)測試法和黑盒測試法。具體的測試分析如表1 所示。

表1 系統(tǒng)功能測試表

對于在測試過程中發(fā)現(xiàn)的“時鐘控制器”問題，經(jīng)過測試研究后發(fā)現(xiàn)此問題引起是因為備用的紐扣電池電壓不足引起，電壓不足引起了芯片的數(shù)據(jù)無法保存，從而引起時鐘控制器每次都從初始值開始計時。更換紐扣電池后，測試電壓正常，測試時鐘控制器也恢復(fù)正常，整個系統(tǒng)測試通過。

結(jié)語：本設(shè)計的自動化教室燈光控制系統(tǒng)它是采用性能穩(wěn)定、價格便宜的AT89S51 芯片為主控模塊，通過軟件程序設(shè)計配合供電模塊、時鐘模塊、驅(qū)動模塊、報警模塊、看門狗模塊等小模塊系統(tǒng)同步聯(lián)動，主要解決學(xué)校教室燈光控制的難題，從而實現(xiàn)教室全自動化控制燈光。系統(tǒng)測試解決BUG 后，穩(wěn)定性強，造價便宜。系統(tǒng)采用高內(nèi)聚低耦合的設(shè)計理念，后期的維護(hù)成本低，硬件常見，是一個很好的自動化解決方案。此系統(tǒng)可進(jìn)一步開發(fā)商用，配合現(xiàn)時物聯(lián)網(wǎng)控制模塊，適用面將會進(jìn)一步提升。