智能實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

21世紀(jì)，能源問題日益突出，節(jié)能環(huán)保已成為諸多設(shè)計(jì)所必須考慮的一大因素。該設(shè)計(jì)就是以有效提高實(shí)驗(yàn)室燈光和各種電源利用率為目的，采用紅外計(jì)數(shù)，在不同情況下分別提供相應(yīng)的照明和電源的供給，避免了人少開多組燈、使用多組儀器以及人員離開忘記關(guān)閉儀器等浪費(fèi)，節(jié)能的同時(shí)，提高設(shè)備使用壽命，可有效地達(dá)到自動(dòng)關(guān)閉電源目的，有效地防止火災(zāi)，同時(shí)該系統(tǒng)還可以顯示房間例如溫度、日期等詳細(xì)情況。該系統(tǒng)可在圖書館、教室、會(huì)議室、作為大型公共場所的中央控制設(shè)備。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)以及功能

該系統(tǒng)通過單片機(jī)控制DS12C887時(shí)鐘芯片準(zhǔn)確計(jì)，利用DS18B20（1-Wire）與單片機(jī)相連實(shí)現(xiàn)溫度采集，并在液晶芯片12864上顯示出時(shí)鐘和室內(nèi)溫度，控制溫度，當(dāng)溫度達(dá)到25℃時(shí)自動(dòng)閉合空調(diào)電源，允許使用空調(diào)。一般情況下，在計(jì)時(shí)到7：00（可以人工以獨(dú)立按鍵方式調(diào)節(jié)時(shí)間）時(shí)，自動(dòng)播放起始音樂并閉合總電源，測試房間內(nèi)溫度。當(dāng)計(jì)時(shí)到21：55時(shí)播放結(jié)束音樂，并在22：00時(shí)關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)。在平時(shí)控制電源時(shí)，該系統(tǒng)將有兩種工作狀態(tài)：自動(dòng)控制狀態(tài)和強(qiáng)制狀態(tài)。

1．1 自動(dòng)控制狀態(tài)（默認(rèn)狀態(tài)）

在實(shí)驗(yàn)室門口安裝兩個(gè)紅外傳感器控制，分別設(shè)為1和2，當(dāng)人先通過1再通過2的時(shí)候設(shè)為進(jìn)人，反之則為出人。使用光敏電阻，當(dāng)室內(nèi)亮度低于正常要求且有人時(shí)，可開通照明電路。當(dāng)有人在天氣較暗（或者夜晚）進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，該系統(tǒng)通過繼電器控制實(shí)驗(yàn)桌電源的開關(guān)和照明電路的閉合狀態(tài)。當(dāng)人數(shù)為1～10人時(shí)，開實(shí)驗(yàn)室其中的1盞燈，5張實(shí)驗(yàn)桌電源閉合，可供使用；人數(shù)在10～20時(shí)，開2盞燈，10張實(shí)驗(yàn)桌可供使用……根據(jù)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室人數(shù)智能確定可供使用實(shí)驗(yàn)桌數(shù)量以及當(dāng)天氣較暗時(shí)，所開日光燈數(shù)目。當(dāng)人數(shù)重新變?yōu)榱愫螅?0 min后，喇叭報(bào)警，繼電器閉合，燈滅，所有已開實(shí)驗(yàn)桌電源斷開。直到再次有人進(jìn)入，繼電器閉合，實(shí)驗(yàn)桌電源重新閉合。當(dāng)室內(nèi)照明充足，則照明電路不工作，實(shí)驗(yàn)桌電源可控。

1．2 強(qiáng)制狀態(tài)

該狀態(tài)是通過計(jì)算機(jī)總機(jī)（上位機(jī)）對單片機(jī)（下位機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。將上位機(jī)與單片機(jī)連接在一起，通過串口通信對單片機(jī)進(jìn)行控制，以達(dá)到控制實(shí)驗(yàn)室電源使用數(shù)量目的，可使實(shí)驗(yàn)室照明電路與實(shí)驗(yàn)桌電路全通，全滅或按要求指定特定的電源導(dǎo)通，并可通過輸入指令對單塊單片機(jī)進(jìn)行查詢，實(shí)時(shí)在上位機(jī)屏幕上顯示實(shí)驗(yàn)室人數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 硬件組成以及各器件功能介紹

智能實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)的硬件核心器件由單片機(jī)STC89C52芯片、E18-B03N1反射式紅外光電開關(guān)、音樂芯片、單總線溫度傳感器DS18B20、時(shí)鐘芯片DS12C887和帶有字庫的12864液晶組成。其中E18-B03N1反射式紅外光電開關(guān)，采用反射式，測量可調(diào)節(jié)距離大于30 cm，共有3根引腳1根接電源，一根接地，另一根數(shù)據(jù)線，當(dāng)沒有感應(yīng)閉合時(shí)，數(shù)據(jù)線為高電平，當(dāng)有人經(jīng)過時(shí)，數(shù)據(jù)線變低電平。DS12C887：時(shí)鐘芯片，當(dāng)電源掉電，內(nèi)部時(shí)鐘依然走動(dòng)，有時(shí)鐘定時(shí)功能，可在24 h內(nèi)指定時(shí)間鬧鈴報(bào)警。DS18B20：為單總線溫度傳感器，實(shí)時(shí)將溫度信號讀入，精度0．5℃。

2．2 系統(tǒng)硬件各部分工作原理及介紹

硬件框圖如圖1所示。

（1）使用單塊單片機(jī)（2）控制電路，紅外光電開關(guān)（4）以外部中斷（8）的方式接至（P3．2，P3．3），數(shù)碼管（6）顯示此時(shí)實(shí)驗(yàn)室人數(shù)。

（2）當(dāng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室人數(shù)不為零，外電源電路（5）通過單片機(jī)控制繼電器，根據(jù)人數(shù)要求，按人數(shù)開燈，閉合實(shí)驗(yàn)桌。

（3）當(dāng)人數(shù)重新變?yōu)榱愫?，使用單片機(jī)定時(shí)器（7）定時(shí)20 min后，檢測20 min內(nèi)如始終無人進(jìn)入，音樂片通過喇叭報(bào)警，外界電路斷開。若重新有人進(jìn)入，外界電路（照明電路和實(shí)驗(yàn)桌電源電路）由單片機(jī)根據(jù)人數(shù)確定閉合情況。

（4）單片機(jī)（10）可由單片機(jī)（2）和繼電器控制電源供電，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室沒人或者電腦強(qiáng)制關(guān)閉時(shí)，單片機(jī)（10）不工作。

（5）使用液晶12864（14）與單片機(jī)（10）相連，液晶顯示以下信息：“實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)”，年、月、日、星期、時(shí)、分、秒以及溫度。

（6）使用DS12C887時(shí)鐘芯片（14）（在掉電的情況下，DS12C887時(shí)鐘依然繼續(xù)走）使得精確計(jì)時(shí)，顯示當(dāng)前時(shí)間可通過獨(dú)立按鍵調(diào)整。并在設(shè)定好的夜晚特定時(shí)間（如：21點(diǎn)53分20秒）開始給予鬧鐘報(bào)警，發(fā)外部中斷（12），使音樂片播放音樂（15）并延時(shí)斷電，在設(shè)定好的到早晨特定時(shí)間（如：7：00）開始播放音樂，并延時(shí)閉合市電線路上的總電源。同時(shí)當(dāng)?shù)竭_(dá)鬧鈴時(shí)間、音樂響起時(shí)，可以通過1、手動(dòng)按鈕，2、定時(shí)器（11）到達(dá)20 min設(shè)定時(shí)間，3、人數(shù)為零，4、上位機(jī)強(qiáng)制斷電關(guān)閉音樂等四種方式關(guān)掉音樂。同時(shí)以上時(shí)間都可通過單片機(jī)獨(dú)立按鍵的方式，對時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠較人性化地確定時(shí)間。

（7）DS18B20（16）檢測溫度，在液晶上顯示在實(shí)驗(yàn)室中溫度，并且當(dāng)溫度高于25℃時(shí)閉合冷氣電源。允許使用空調(diào)。

2．3 多塊單片機(jī)通信系統(tǒng)

STC89C52外接RS 232／485轉(zhuǎn)換器，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的PC-單片機(jī)通信接口，使多單片機(jī)與PC機(jī)串口通信，用PC（上位機(jī)）對多個(gè)下位機(jī)（單片機(jī)）進(jìn)行串口通信。上位機(jī)與單片機(jī)之間嚴(yán)格實(shí)行主從結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)答式通信控制方式，上位機(jī)為主，下位機(jī)為從。從機(jī)不能主動(dòng)發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機(jī)控制。任意時(shí)刻，主機(jī)只與一臺從機(jī)傳輸信息，從機(jī)之間不能直接通信，并且在一個(gè)多機(jī)通信系統(tǒng)中，主機(jī)通過點(diǎn)名方式給各從機(jī)發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的主控權(quán)。主機(jī)在執(zhí)行任務(wù)的同時(shí)要對從機(jī)不斷地輪詢，從而監(jiān)視從機(jī)的狀況、接收從機(jī)的請求或給從機(jī)發(fā)送命令。以實(shí)時(shí)地對多個(gè)實(shí)驗(yàn)室照明電路和實(shí)驗(yàn)桌電源的可控。根據(jù)要求，強(qiáng)行控制實(shí)驗(yàn)室外電路通斷，特定位置電源的通斷以及對實(shí)驗(yàn)室人數(shù)實(shí)時(shí)查詢，在PC屏幕上顯示出來。即當(dāng)輸入指令時(shí)，將單個(gè)單片機(jī)人數(shù)調(diào)入上位機(jī)，實(shí)時(shí)查詢實(shí)驗(yàn)室中的人數(shù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單實(shí)驗(yàn)室軟件控制系統(tǒng)主要由兩片單片機(jī)組成，單片機(jī)1和單片機(jī)2的流程如圖2和圖3所示。

3．1 單片機(jī)1的工作原理

（1）使用兩只E18-B03N1紅外光電開關(guān)（分別記做A，B）以外部中斷方式接至單片機(jī)外中斷口P3．2，P3．3，當(dāng)有人進(jìn)入教室時(shí)，紅外開關(guān)A首先被隔斷，INT0端首先接收紅外開關(guān)產(chǎn)生低電平“0”，引發(fā)單片機(jī)中斷，在相應(yīng)的中斷程序中對計(jì)算人數(shù)加1計(jì)算，同時(shí)在程序中關(guān)閉INT1的中斷使能，這樣就不會(huì)引起INT1觸發(fā)中斷，并開始延時(shí)，隔一定時(shí)間后利用定時(shí)中斷打開INT1中斷使能；出去——當(dāng)有人員離開教室

時(shí)，紅外光電開關(guān)B光線首先被隔斷，INT1端首先接收“0”，引發(fā)單片機(jī)中斷，對人數(shù)減1，同時(shí)在程序中關(guān)閉INT0的中斷使能，并開始延時(shí)，隔一定時(shí)間后利用定時(shí)中斷打開INT0中斷使能。最終通過數(shù)碼管顯示此時(shí)實(shí)驗(yàn)室人數(shù)。根據(jù)實(shí)時(shí)人數(shù)確定外電路工作情況。

（2）當(dāng)上位機(jī)查詢下位機(jī)人數(shù)時(shí)，可將人數(shù)存至單片機(jī)SBUF寄存器，通過上位機(jī)查詢。

（3）上位機(jī)可通過電平轉(zhuǎn)換，控制下位機(jī)使用繼電器，達(dá)到控制實(shí)驗(yàn)室電源的目的。

3．2 單片機(jī)2的工作原理

單片機(jī)2主要通過DS18B20實(shí)時(shí)查詢室內(nèi)溫度，采用液晶顯示，判斷當(dāng)溫度大于指定溫度時(shí)（如25℃）空調(diào)開關(guān)允許閉合。同時(shí)DS12C887讀取實(shí)時(shí)時(shí)間（時(shí)間可通過獨(dú)立按鍵進(jìn)行調(diào)整），通過液晶顯示，因芯片內(nèi)部只含有一個(gè)鬧鐘中斷，采用DS12C887芯片中斷與89C52單片混合控制，當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)指定鬧鈴時(shí)間后，單片機(jī)重新寫入新的鬧鐘時(shí)間，直到新的鬧鐘時(shí)間作用，再次寫入第一次鬧鐘時(shí)間，以達(dá)到雙鬧鐘定時(shí)的效果。當(dāng)晚上鬧鈴響起，為了留有充足的延時(shí)時(shí)間，采用單片機(jī)定時(shí)方式，延時(shí)特定時(shí)間（如：20 min），同時(shí)考慮到不同實(shí)驗(yàn)室因?yàn)閷β曇粲胁煌?，即采用：手?dòng)按鈕和上位機(jī)強(qiáng)制方式將其關(guān)閉。當(dāng)人數(shù)為零時(shí)，或者延時(shí)時(shí)間到達(dá)，實(shí)驗(yàn)室的電路全部關(guān)閉。直到第二天鬧鈴開啟，外部電路重新閉合。

4 結(jié)語

通過實(shí)踐，該實(shí)驗(yàn)室的智能控制系統(tǒng)較好的實(shí)現(xiàn)了上述基本功能，已得到我校微電子實(shí)驗(yàn)室主管老師同意，正著手應(yīng)用于我校微電子實(shí)驗(yàn)室。但同時(shí)，由于時(shí)間倉促，仍有一些不足，例如，當(dāng)有2人擠著通過門時(shí)候，紅外設(shè)備沒有辦法檢測出來；沒有考慮到前后門進(jìn)入（即兩個(gè)單片機(jī)通信的問題）。這些問題有待日后進(jìn)一步完善。