基于單片機原理的實驗室智能控制系統(tǒng)研究

摘要：為了方便教師實時了解實驗室(教室)人數(shù)，采用STC89C52單片機設(shè)計了實驗室智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)智能地控制實驗室中各種電源的使用情況，可實現(xiàn)以下功能：通過中斷方式使用紅外光電開關(guān)實時采集實驗室人數(shù)并根據(jù)人數(shù)控制實驗室中燈和實驗桌的電源，通過電腦控制實驗室電源的使用情況；并采用2次定時刷新鬧鐘定時的方式和時鐘芯片與單片機內(nèi)部定時器混合控制方式，使得到達放學(xué)時間自動播放音樂，延時關(guān)閉電源，同時能顯示實驗室溫度，可通過電腦查詢實驗室人數(shù)等。該系統(tǒng)現(xiàn)已完成，實驗表明達到了預(yù)期效果。
關(guān)鍵詞：單片機；智能實驗室；紅外；定時光電開關(guān)；內(nèi)部定時器

    21世紀，能源問題日益突出，節(jié)能環(huán)保已成為諸多設(shè)計所必須考慮的一大因素。該設(shè)計就是以有效提高實驗室燈光和各種電源利用率為目的，采用紅外計數(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，節(jié)能的同時，提高設(shè)備使用壽命，可有效地達到自動關(guān)閉電源目的，有效地防止火災(zāi)，同時該系統(tǒng)還可以顯示房間例如溫度、日期等詳細情況。該系統(tǒng)可在圖書館、教室、會議室、作為大型公共場所的中央控制設(shè)備。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計以及功能
    該系統(tǒng)通過單片機控制DS12C887時鐘芯片準(zhǔn)確計，利用DS18B20(1-Wire)與單片機相連實現(xiàn)溫度采集，并在液晶芯片12864上顯示出時鐘和室內(nèi)溫度，控制溫度，當(dāng)溫度達到25℃時自動閉合空調(diào)電源，允許使用空調(diào)。一般情況下，在計時到7：00(可以人工以獨立按鍵方式調(diào)節(jié)時間)時，自動播放起始音樂并閉合總電源，測試房間內(nèi)溫度。當(dāng)計時到21：55時播放結(jié)束音樂，并在22：00時關(guān)閉整個系統(tǒng)。在平時控制電源時，該系統(tǒng)將有兩種工作狀態(tài)：自動控制狀態(tài)和強制狀態(tài)。
1．1 自動控制狀態(tài)(默認狀態(tài))
    在實驗室門口安裝兩個紅外傳感器控制，分別設(shè)為1和2，當(dāng)人先通過1再通過2的時候設(shè)為進人，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，可開通照明電路。當(dāng)有人在天氣較暗(或者夜晚)進入實驗室時，該系統(tǒng)通過繼電器控制實驗桌電源的開關(guān)和照明電路的閉合狀態(tài)。當(dāng)人數(shù)為1～10人時，開實驗室其中的1盞燈，5張實驗桌電源閉合，可供使用；人數(shù)在10～20時，開2盞燈，10張實驗桌可供使用……根據(jù)進入實驗室人數(shù)智能確定可供使用實驗桌數(shù)量以及當(dāng)天氣較暗時，所開日光燈數(shù)目。當(dāng)人數(shù)重新變?yōu)榱愫螅?0 min后，喇叭報警，繼電器閉合，燈滅，所有已開實驗桌電源斷開。直到再次有人進入，繼電器閉合，實驗桌電源重新閉合。當(dāng)室內(nèi)照明充足，則照明電路不工作，實驗桌電源可控。
1．2 強制狀態(tài)
   該狀態(tài)是通過計算機總機(上位機)對單片機(下位機)進行數(shù)據(jù)傳送。將上位機與單片機連接在一起，通過串口通信對單片機進行控制，以達到控制實驗室電源使用數(shù)量目的，可使實驗室照明電路與實驗桌電路全通，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進行查詢，實時在上位機屏幕上顯示實驗室人數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 硬件組成以及各器件功能介紹
    智能實驗室控制系統(tǒng)的硬件核心器件由單片機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，數(shù)據(jù)線為高電平，當(dāng)有人經(jīng)過時，數(shù)據(jù)線變低電平。DS12C887：時鐘芯片，當(dāng)電源掉電，內(nèi)部時鐘依然走動，有時鐘定時功能，可在24 h內(nèi)指定時間鬧鈴報警。DS18B20：為單總線溫度傳感器，實時將溫度信號讀入，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(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)顯示此時實驗室人數(shù)。
    (2)當(dāng)進入實驗室人數(shù)不為零，外電源電路(5)通過單片機控制繼電器，根據(jù)人數(shù)要求，按人數(shù)開燈，閉合實驗桌。
    (3)當(dāng)人數(shù)重新變?yōu)榱愫?，使用單片機定時器(7)定時20 min后，檢測20 min內(nèi)如始終無人進入，音樂片通過喇叭報警，外界電路斷開。若重新有人進入，外界電路(照明電路和實驗桌電源電路)由單片機根據(jù)人數(shù)確定閉合情況。
    (4)單片機(10)可由單片機(2)和繼電器控制電源供電，當(dāng)實驗室沒人或者電腦強制關(guān)閉時，單片機(10)不工作。
    (5)使用液晶12864(14)與單片機(10)相連，液晶顯示以下信息：“實驗室控制系統(tǒng)”，年、月、日、星期、時、分、秒以及溫度。
    (6)使用DS12C887時鐘芯片(14)(在掉電的情況下，DS12C887時鐘依然繼續(xù)走)使得精確計時，顯示當(dāng)前時間可通過獨立按鍵調(diào)整。并在設(shè)定好的夜晚特定時間(如：21點53分20秒)開始給予鬧鐘報警，發(fā)外部中斷(12)，使音樂片播放音樂(15)并延時斷電，在設(shè)定好的到早晨特定時間(如：7：00)開始播放音樂，并延時閉合市電線路上的總電源。同時當(dāng)?shù)竭_鬧鈴時間、音樂響起時，可以通過1、手動按鈕，2、定時器(11)到達20 min設(shè)定時間，3、人數(shù)為零，4、上位機強制斷電關(guān)閉音樂等四種方式關(guān)掉音樂。同時以上時間都可通過單片機獨立按鍵的方式，對時間進行調(diào)節(jié)，能夠較人性化地確定時間。
    (7)DS18B20(16)檢測溫度，在液晶上顯示在實驗室中溫度，并且當(dāng)溫度高于25℃時閉合冷氣電源。允許使用空調(diào)。
2．3 多塊單片機通信系統(tǒng)
    STC89C52外接RS 232／485轉(zhuǎn)換器，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的PC-單片機通信接口，使多單片機與PC機串口通信，用PC(上位機)對多個下位機(單片機)進行串口通信。上位機與單片機之間嚴格實行主從結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)答式通信控制方式，上位機為主，下位機為從。從機不能主動發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機控制。任意時刻，主機只與一臺從機傳輸信息，從機之間不能直接通信，并且在一個多機通信系統(tǒng)中，主機通過點名方式給各從機發(fā)送命令，實現(xiàn)對系統(tǒng)的主控權(quán)。主機在執(zhí)行任務(wù)的同時要對從機不斷地輪詢，從而監(jiān)視從機的狀況、接收從機的請求或給從機發(fā)送命令。以實時地對多個實驗室照明電路和實驗桌電源的可控。根據(jù)要求，強行控制實驗室外電路通斷，特定位置電源的通斷以及對實驗室人數(shù)實時查詢，在PC屏幕上顯示出來。即當(dāng)輸入指令時，將單個單片機人數(shù)調(diào)入上位機，實時查詢實驗室中的人數(shù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    單實驗室軟件控制系統(tǒng)主要由兩片單片機組成，單片機1和單片機2的流程如圖2和圖3所示。

3．1 單片機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外中斷口P3．2，P3．3，當(dāng)有人進入教室時，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)單片機中斷，在相應(yīng)的中斷程序中對計算人數(shù)加1計算，同時在程序中關(guān)閉INT1的中斷使能，這樣就不會引起INT1觸發(fā)中斷，并開始延時，隔一定時間后利用定時中斷打開INT1中斷使能；出去——當(dāng)有人員離開教室
時，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)單片機中斷，對人數(shù)減1，同時在程序中關(guān)閉INT0的中斷使能，并開始延時，隔一定時間后利用定時中斷打開INT0中斷使能。最終通過數(shù)碼管顯示此時實驗室人數(shù)。根據(jù)實時人數(shù)確定外電路工作情況。
    (2)當(dāng)上位機查詢下位機人數(shù)時，可將人數(shù)存至單片機SBUF寄存器，通過上位機查詢。
    (3)上位機可通過電平轉(zhuǎn)換，控制下位機使用繼電器，達到控制實驗室電源的目的。
3．2 單片機2的工作原理
    單片機2主要通過DS18B20實時查詢室內(nèi)溫度，采用液晶顯示，判斷當(dāng)溫度大于指定溫度時(如25℃)空調(diào)開關(guān)允許閉合。同時DS12C887讀取實時時間(時間可通過獨立按鍵進行調(diào)整)，通過液晶顯示，因芯片內(nèi)部只含有一個鬧鐘中斷，采用DS12C887芯片中斷與89C52單片混合控制，當(dāng)?shù)竭_一個指定鬧鈴時間后，單片機重新寫入新的鬧鐘時間，直到新的鬧鐘時間作用，再次寫入第一次鬧鐘時間，以達到雙鬧鐘定時的效果。當(dāng)晚上鬧鈴響起，為了留有充足的延時時間，采用單片機定時方式，延時特定時間(如：20 min)，同時考慮到不同實驗室因為對聲音有不同要求，即采用：手動按鈕和上位機強制方式將其關(guān)閉。當(dāng)人數(shù)為零時，或者延時時間到達，實驗室的電路全部關(guān)閉。直到第二天鬧鈴開啟，外部電路重新閉合。

4 結(jié)語
    通過實踐，該實驗室的智能控制系統(tǒng)較好的實現(xiàn)了上述基本功能，已得到我校微電子實驗室主管老師同意，正著手應(yīng)用于我校微電子實驗室。但同時，由于時間倉促，仍有一些不足，例如，當(dāng)有2人擠著通過門時候，紅外設(shè)備沒有辦法檢測出來；沒有考慮到前后門進入(即兩個單片機通信的問題)。這些問題有待日后進一步完善。