智能咖啡厅的控制与实现.docx
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智能咖啡厅的控制与实现.docx
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智能咖啡厅的控制与实现
智能咖啡厅的控制与实现
IntelligentControlAndTheImplementationAtTheCafe
学生姓名:
李路遥
学生学号:
11750321
专业名称:
电气工程及其自动化
指导教师:
杨帆
控制与机械工程学院
2015年6月19日
独创性声明
本人声明所呈交的毕业设计(论文)是本人在指导教师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以引用标注之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,没有伪造数据的行为。
毕业设计(论文)作者签名:
签字日期:
年月日
毕业设计(论文)版权使用授权书
本毕业设计(论文)作者完全了解学校有关保留、使用论文的规定。
同意学校保留并向有关管理部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权天津城建大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。
(保密的毕业设计(论文)在解密后适用本授权说明)
毕业设计(论文)作者签名:
指导教师签名:
签字日期:
年月日签字日期:
年月日
摘要
当今社会,咖啡厅以成为人们休闲办公不可少的场所。
为使人们闲下心来享受这一美好时刻,咖啡厅需要更好的环境来实现人们的需求。
通过科学研究表明,灯光是实现人们休闲放松最为重要的因素。
而对于咖啡厅而言,最为重要的就是环境,所以本次设计则通过实现智能灯光控制来实现咖啡厅的智能控制。
提供给每个进入咖啡厅的客人一个最好的环境。
本次设计是依靠单片机来实现智能灯光控制,系统则以AT89S52单片机单片机为主控制器。
实现故障报警和智能控制,其中又使用传感技术以及计算机控制技术来充分实现智能控制。
利用参数来实现智能咖啡厅的智能灯光控制。
在咖啡厅内安装了单片机智能灯光控制器后,依靠咖啡厅内有无人和咖啡厅内的光环境来控制灯光的亮度,使其实现智能化控制。
关键词:
智能灯光控制系统;A/D转化电路;AT89S52;
ABSTRACT
Nowadays,inordertobecomeacasualcafeessentialworkplace.Toenablepeopletofreethemindtoenjoythiswonderfulmoment,cafesneedabetterenvironmenttoachievethepeople’sneeds.Throughscientificresearchshowsthatpeoplerealizethelightisthemostimportantfactortorelax.Asforthecafe,themostimportantthingistheenvironment,sothisdesignthroughintelligentlightingcontroltoachieveintelligentcontrolcafe.Providedtoeachguesttoenteroneofthebestcafeenvironment.
Thedesignistorelyonsingle-chipimplementationofasmartlightingcontrolsystemplacesthecontrollerAT89S52controller-based.Achievefaultalarmandintelligentcontrol.whichalsocontrolstheuseofsensortechnologyancomputertechnologytothefullrealizationofintelligentcontrol.UseparameterstoachieveintelligentCafeintelligentlightcontrol.AfterthecafeteriaoftheSCMintelligentlightingcontroller,relyingonwhetherthecoffeeshopandcafelightenvironmenttocontrolthebrightnessoflighttoachieveintelligentcontrol.
Keywords:
Lightingcontrolsystem;A/Dconversioncircuit;AT89S52;
窗体顶端
第一章咖啡厅内灯光控制器简介及控制方案的分析
1.1灯光控制器简介
本次毕业设计题目是--智能咖啡厅的控制与实现。
在现实生活中,咖啡厅已经成为了人们出去休闲放松必不可少的公共场所。
对于传统的咖啡厅而言,已经满足不了线代人休闲放松的要求。
本次设计则使得线代咖啡厅实现智能化,真正满足人们的要求,给予人们一个舒适的环境来放松休闲。
对于咖啡厅而言,最为重要的就是环境。
本次设计围绕灯光环境为主。
在咖啡厅内安装灯光控制器、依靠单片机来控制使得咖啡厅内的灯光实现智能化控制。
而对于灯光控制来说,就咖啡厅,依靠检测咖啡厅内是否有人存在以及当前环境光的强弱这俩因素为依据,其中咖啡厅内是否有人存在最重要。
倘若咖啡厅内没有人存在,无论当前咖啡厅内的灯光环境如何都不会开灯。
如果咖啡厅内有人存在,通过检测当前环境光的值,低于该值则开始灯光控制。
否则灯依旧不开启。
这样一来,就可以实现咖啡厅智能控制与实现。
对于灯光控制器则需要安装到咖啡厅内灯光不会照射到的地方。
检测人是否存在的控制器也需要安装到类似出入门口或人经常活动的地方。
这样一来可以使得检测器更加容易检测,得到的信号更加准确可靠。
更利于实现智能咖啡厅内的智能灯光控制。
只要确定好当前环境光已经人体存在信号,利用单片机就可以很好的控制和调节,再依靠控制器来控制设备使得咖啡厅的灯光处在一个非常适合人休闲放松的一个状态。
同时如果没有人存在,灯不会开启,在一定程度上很好的起到了节能的作用、在实现智能化控制的同时实现节能化。
1.2系统控制方案的分析
如前面所说,本次设计以当前咖啡厅内的光强度和是否有人存在俩因素为控制器的俩个输入参数。
为确保遇到紧急事故,加入手动控制,在遇到控制器故障或断路短路等状况,通过手动控制使设备停止运转。
当咖啡厅当前环境光很弱时,如果有人存在,且存在一段规定的时间内,灯光控制器就会开启等来调节,人走了以后,再规定时间后自动关闭灯。
如果当前环境光很强,不论是否有人存在,灯都不会开启。
同时咖啡厅到闭店时间时,通过手动控制开运行控制器。
本次设计是依靠单片机来实现的,所以灯光控制器则分硬件和软件俩大部分来组成。
硬件部分就好比人的双脚,使得系统执行程序,在硬件的基础上、则加上软件部分,软件部分是对硬件提供的信号,通过收集、分析、处理,最后使得控制器实现个子的功能。
来控制灯光控制器实现咖啡厅内的智能控制与实现。
1.2.1硬件方案论证
本设计中的智能灯光控制系统来说,硬件部分是基础,依靠硬件来舍得系统功能实现。
所以本次设计是否合格大部分是由硬件系统的设计来决定。
由此可见,硬件的选择、硬件具备的性能对于最后系统实现的功能起至关重要的作用。
本次设计硬件部分包括控制器模版的硬件构成、硬件电路、光线强度检测模版、人体检测模版按键管理模版、电源模版、系统显示模版。
各个模版联合再一起最终控制咖啡厅内的灯光控制器来使得咖啡厅实现智能控制。
1.2.2微处理器的选择
设计中多使用的单片机是AT89S52单片机。
它是一种消耗功率低、性能却特别高的CMOS8位的微型控制器,同时它具备8K可以用来编写程序的存储器。
该系列单片机是由ATMEL公司设计。
使用其公司密度特别高不容易失信存储器所构成的。
128字节的数据存储器,拥有32个I/O接口,定时器和计数器各一个。
同时还有一个双串行通信口。
就本设计而已,完全可以满足所需要求。
1.2.3传感器的选择
对于传感器额选择,根据要求,这里选用的传感器为:
人头信号检测传感器以及环境光强弱检测收集传感器。
因为在现实生活中,这俩类传感器种类很多。
在这里我们选用的是如下传感器。
(1)热释电红外传感器
热释电红外传感器就是根据人体的体温所发送出来的波,然后收集起来的一种传感器。
原理是热电效应。
它包括敏感部分、阻抗变换器和滤光器构成。
(2)光敏电阻
光敏电阻可以很好的根据当前咖啡厅内环境光的强度变化,而改变自身阻值的一种电阻。
同时改变其自身我负载的电压。
在正常工作中,先把输出变化电压传送给控制器,由控制器来运行后面程序。
第二章系统控制模块的硬件设计
对于本章系统控制模板的硬件设计而言,因为需要想到咖啡厅营业中会有一些考虑不到的因素影响到系统的运转。
与此同时咖啡厅控制设备中人体检测传感器也会因为环境的变化而变化,所以我们在设计的过程中,也需要考虑到设备的选用和设备抗干扰等因为环境因素引发的一些问题。
2.1控制器模板的硬件构成
下图所示为整个结构的框图,本框图中以51单片机系统模板作为系统控制的单元中心,其它还包括:
光敏电阻、A/D模板、电源模板、人体检测模板、按键模板、看门狗模板、LED强弱调节显示。
整个结构图框图如图2.1所示。
图2.1结构框图
2.2控制系统的主要硬件电路
2.2.1AT89S52单片机
功能特性描述:
生活中我们所接触的单片机大多是AT89S51、AT89S52系列单片机。
这里我们所用到的是AT89S52单片机。
它是一种高性能、低功耗的CMOS8位微控制器,有8K在系统可编程Flash存储器。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
使用At公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
在单芯片上,拥有在系统可编程Flash和灵巧的8位CPU,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
下面我们介绍一下基本引脚,及其作用:
VCC:
电源引脚,一般为5V。
GND:
接地端
P3口:
为8位I/O口,作为输入口,它是一个内部上拉电阻。
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
RST:
复位输入。
当晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平会使单片机复位。
看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。
ALE/PROG:
地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时,此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。
在一般情况下,ALE输出脉冲为晶振六分之一的固定频率,可用来作为时钟或外部定时器使用。
PSEN:
外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。
当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。
EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。
为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
下图2.2所示的是AT89S52单片机的一个内部振荡电路连接图。
其中有一个反相的放大器,用它来构成内部振荡器。
图中的XTAL2是放大器的输出,而XTAL1则是放大器的输入。
有一个用于构成内部振荡器的反相放大器,XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端。
自激振荡器则可用陶瓷谐振器或者石英晶体来构成。
图2.3所示的为外部振荡电路连接图,图中可以从ATXL1接入,对于AXAL2不接也可以。
由于外部时钟信号需要通过二分频来触发,然后当做外部时钟电路的输入,因此我们对外部时钟信号的占空比没有很高的要求,但是高电平导航时间以及低电平导航时间等等还得符合一定要求才行。
图2.2内部振荡电路连接图
图2.3外部振荡电路连接图
当系统处于掉电情况时,此时晶振会停止运转。
用最后的执行指令来重新激活掉电模式。
单片机中的EAM以及特殊功能寄存器需要维持原来的数值,等到掉电模式结束为止。
在掉电模式过程中,也可以通过外部中断、硬件复位来终止。
对于硬件复位不改变RAM只是再定义SFR。
再电源没有变为正常值的时候,需要有足够的时间来使得晶振可以重新运转。
而在空闲工作模式下,通过软件调节来使得单片机外部的设备处于激活状态,但是CPU必须是睡眠状态。
当处于空闲状态时,单片机中的RAM内容不改变,对于特殊功能寄存器的内容也不用改变。
当需要停止或者复位空闲模式时,可以通过硬件复位和或中断来实现。
对于硬件复位。
下图2.4所示的为单片机的最小系统图。
图2.4单片机的最小系统
为了使单片机运转,我们需要一些电路。
具体如下:
时钟电路:
单片机工作的时间基准,决定单片机工作速度。
时钟电路也就是振荡电路,它向单片机提供一个时钟电路就是产生象时钟一样准确的振荡电路。
按时间顺序来安排工作,用于产生这个时间的电路就是时钟电路。
时钟电路连接方式如下图2.5所示。
图2.5时钟电路连接图
电源电路:
顾名思义就是给单片机提供电能。
对于AT89S52系列单片机,其工作电压4.5V-5.5V左右,通常取5V作为单片机外部直流电源。
连接到AT89S52单片机40引脚。
CVV为电源。
正常电压为5V,GUD为接地引脚,连接到20引脚。
复位电路:
复位电路是用来确定单片机当前的起始状态,利用复位电路来实现单片机的启动。
如图2.6所示。
图2.6复位电路连接图
当单片机和电源联通后,利用复位电路,产生复位信号来使单片机启动。
此时单片机处于起始工作状态。
当出现一些突发故障故障时,可以通过手动按钮来产生复位信号,这样也可以使单片机处于工作状态。
2.2.2光线强度检测模块
本次设计中对于光线强度的检测部分,我们用单片机作为控制中心,使用单片机的好处是其价格低廉、体积小、易操作。
环境光采集电路如图2.7。
传感器则选用光敏电阻,再用一个100K的电阻(R11)与之串联,这个电阻起到分压左右。
将串联起来的电阻得到的电压信号送到A/D转换器电路。
转化电路如图2.8所示。
对于转换器的选择,我们选择ADC0832作为A/D转换器,原理图如图2.8所示。
我们先介绍一下ADC0832,ADC0832是一个8位分辨率的A/D转换芯片,最高分辨率可以达到256级,由此可见可以适应一般的模拟量的转换所需要求。
芯片的模拟电压在0-5V之间。
芯片转换的时间为32μS,所以有俩个输出数据来做校验,这样就可以很好的减少数据误差,使得转换的速度变快更加有稳定性。
依靠独立芯片作输入,这样使处理器控制更方便。
再通过DI端作为数据输入,就能很好的选择通道功能,达到目的。
图2.7环境光采集电路
图2.8A/D转换器电路
图2.7中的光敏电阻器不是普通的电阻,它是采用半导体的光电效应来制成的一个电阻,这种电阻是可以根据当前射入咖啡厅的光的强度而改变的一种电阻器,具体变化为:
当此时咖啡厅内光照强度很强时,电阻会变小、相反的,如果此时咖啡厅内入射光的强度很弱,电阻会变大。
2.2.3单片机对ADC0832的控制
下图所示的是ADC0832与单片机的接口电路图。
如图所示,ADC0832的接口有4根数据线,分别为DI、DO、CS、CLK。
在这里我们把DI和DO在一根数据线,这是因为DI和DO端不能同时用于通信,而且它们必须与单片机双向连接。
在正常情况下,CS端口作为输入端,未开始工作是处于高电平,CLK和DO、DI则没有要求高低点平的要求。
而当ADC0832开始工作,进行A/D转换时,此时CS处于低电平状态,一直保持到A/D转换结束为止。
当芯片开始工作,进行转换时,DI、DO并联端只使用DI端作为输入通道功能选择,传达数据信号,于此同时处理器会给芯片输入端即CLK输入端时钟脉冲。
在第一个脉冲期间,DI端为高电平,传达开始的信号。
在2、3个脉冲期间,DI端输入俩位数据用来选择通道功能,ADC0832与单片机的接口电路图如下图2.9所示。
图2.9ADC0832与单片机的接口电路
当DI端输入2位数据变为“1”、“1”时,此时只对SH1单通道进行转换。
DI端输入为“1”、“0”时,对CH0单通道进行转换。
而DI输入端变为“0”“1”时,此时SHO变为了负输入端IN-,SH1则为正输入端IN+。
还有一种情况就是2位数据为“0”“0”时,SHO则变成了正输入端IN+,CHI反而成为了负输入端IN-。
当到了第三个脉冲,脉冲下沉,DI输入端输入点平失去输入作用,然后利用数据输出端DO来数据转换。
到了第四个脉冲,脉冲下沉开始后,DO端输出DATA7,之后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。
直到11个脉冲,DO端数据输出DATAO,再之后输出8位数据,等到了第19个脉冲数据输出完成,此时一次A/D转换才正式结束。
到这个时候,我们把CS处于高电平,然后将数据处理就行了。
图2.10DC0832封装以及各端子
我们知道对于ADC0832的输入电压为0-5V左右,其用作单通道模拟输入。
并且8位分辨率时的电压可以精确到19.53MV。
当需要我们更宽的转换时,我们可以把电压值调节到一个更大的范围里面,此时IN+、IN-作为输入。
但是我们得注意,如果将IN+、IN-最为输入,IN-电压大于IN+时,转换后的数据则会变为00H,并保持不变。
2.2.4热释电红外人体检测模块电路
我们先介绍一下咖啡厅内部的人体检测传感器的工作原理:
(1)首先我们知道感应的方式为全自动,意思就是当咖啡厅内有人时,首先被人体检测器检测到,此时输出高电平,当咖啡厅内没有人时就会再一定时间后关掉高电平,此时输出低电平,当然我们知道,处于高电平时候,便于收集信号。
(2)人体检测模板我们采用了可以反复触发这种法式。
它的意思就是,倘若此时输出为高电平,在一定时间后,咖啡厅内有人存在活动,就可以持续保持高电平状态,等到咖啡厅内没有人,再经过一定时间后才会将高电平转换为低电平。
(3)这里使用的人体检测传感器的工作电压为3V-24V。
(4)这里使用的人体检测传感器的工作温度为-15°到+70°左右,适应能力比较强,可以很好的满足咖啡厅的需求;
(5)为了使感应面积更大,我们把人体传感器制作成了锥形形状。
这样可以很好的苦大感应面积。
而对于人体是否存在检测器的热释电红外探头的性能以及工作原理如下:
首先,我们知道人体在一般情况下,保持恒定的温度,一般保持在37度左右。
人在正常情况下会发射红外线,恒温状态下会发出10μM左右波长的红外线,而我们这里所使用的人体检测传感器就是根据人在正常情况下发出的特定红外线来运行工作的。
我们可以通过利用收集红外线装置,这里我们用菲尼尔滤光片。
它可以很好的使红外线聚集到感应源,这种感应源会在接受到红外线后失去电荷平衡,之后向外释放。
再之后经加工、处理我们便会得到由咖啡厅内人体存在时产生的信号。
下图2.11所示的为信号采集敏感区,在咖啡厅正常营业时,有客人进来后,在客人移动过程中人体所发出的红外线会被传感器收到,倘若此时输出高电平,就表明客人存在被感应到了。
在这么我们要特别注意人体信号检测器的安放位置,因为如果客人发出的红外线没有很好的被采集到,则体现出的信号就会很不理想。
这样出来的效果就会很不理想。
所以我们需要特别注意人体检测器安放位置。
图2.11信号采集敏感区
下图2.12所示为人体传感器电路图。
可以看出,我们把引脚1和电源连接。
引脚2则是输入端,用来采集信号。
在此处我们加了一个电容,大小为680PF。
这是为了使得人体传感器可以更好的接受信号运转。
我们也将引脚2连接到单片机的P3.3,其次再加上一个10KQ电阻,这样更好的接收人体信号。
更加使得各个部件运转顺利。
电路原理图如下。
图2.12人体传感器电路图
2.2.5按键管理模块电路
下图中有三个按键,其中S2是单独运行操作,其作用是判断电路控制检测为自动还是手动。
S3和S4则是起到检测开关作用。
其中还有接地端。
这里的按键管理模板是为了方便操作而设定的。
具体原理图如图2.13所示。
图2.13按键模块原理图
2.2.6系统的其他模块
(1)电源模块
我们知道正常情况下,系统所需电压为5V,此时可以满足运转要求。
下图为电路原理图,这里当电源接通之后,指示灯变亮,系统处于工作状态。
倘若没有亮起指示灯则需检查电路。
电源电路图如图2.16。
图2.16电源电路图
(2)系统显示模块
在显示灯电路中,我们使用了7个发光二极管,具体开灯状况,需考虑到咖啡厅的大小及布局,电路图如下2.17。
图2.17显示灯电路图
与此同时,这里我们还加入了另外俩个发光二极管,起来模式切换作用。
当切换到手动控制时,单独的灯亮,自动控制时,另外一个灯亮。
指示灯电路图如图2.18。
图2.18指示灯电路图
第三章控制模块软件设计与开发
本章所介绍的是在第二章硬件设计上,我们在这里加入了软件设计,这样就会形成完整的单片机系统,本章的软件设计也非常重要。
对于软件的开发,是当硬件系统输入输出一定时,自己就能单独开发运行。
本章所介绍的软件系统的模块主要有:
监控主程序、数据采集及系统功能键。
3.1系统监控主程序模板
我们知道对于系统来说,最主要的救赎监控主程序,其他的模板要想实现自己的功能必须通过主程序来完成。
系统主程序起着主导作用。
它可以很好的采集收据、处理、分析然后把需要控制的传到各自的输入通道即可。
这里的主程序模板中,包含看门狗、外部设备的输入、输出,它们还需要自检,产生中断。
然后通过中断处理,模板调节等。
其流程图如图3.1所示。
图3.1监控主程序流程图
3.1.1系统初始化自检
系统自检,其作用是确保系统在运转中能够通畅无误。
我们必须确保这一点。
所以当系统复位之后,
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