基于单片机原理的实验室智能控制系统研究

摘要：为了方便教师实时了解实验室(教室)人数，采用STC89C52单片机设计了实验室智能控制系统。该系统智能地控制实验室中各种电源的使用情况，可实现以下功能：通过中断方式使用红外光电开关实时采集实验室人数并根据人数控制实验室中灯和实验桌的电源，通过电脑控制实验室电源的使用情况；并采用2次定时刷新闹钟定时的方式和时钟芯片与单片机内部定时器混合控制方式，使得到达放学时间自动播放音乐，延时关闭电源，同时能显示实验室温度，可通过电脑查询实验室人数等。该系统现已完成，实验表明达到了预期效果。
关键词：单片机；智能实验室；红外；定时光电开关；内部定时器

    21世纪，能源问题日益突出，节能环保已成为诸多设计所必须考虑的一大因素。该设计就是以有效提高实验室灯光和各种电源利用率为目的，采用红外计数，在不同情况下分别提供相应的照明和电源的供给，避免了人少开多组灯、使用多组仪器以及人员离开忘记关闭仪器等浪费，节能的同时，提高设备使用寿命，可有效地达到自动关闭电源目的，有效地防止火灾，同时该系统还可以显示房间例如温度、日期等详细情况。该系统可在图书馆、教室、会议室、作为大型公共场所的中央控制设备。

1 系统总体设计以及功能
    该系统通过单片机控制DS12C887时钟芯片准确计，利用DS18B20(1-Wire)与单片机相连实现温度采集，并在液晶芯片12864上显示出时钟和室内温度，控制温度，当温度达到25℃时自动闭合空调电源，允许使用空调。一般情况下，在计时到7：00(可以人工以独立按键方式调节时间)时，自动播放起始音乐并闭合总电源，测试房间内温度。当计时到21：55时播放结束音乐，并在22：00时关闭整个系统。在平时控制电源时，该系统将有两种工作状态：自动控制状态和强制状态。
1．1 自动控制状态(默认状态)
    在实验室门口安装两个红外传感器控制，分别设为1和2，当人先通过1再通过2的时候设为进人，反之则为出人。使用光敏电阻，当室内亮度低于正常要求且有人时，可开通照明电路。当有人在天气较暗(或者夜晚)进入实验室时，该系统通过继电器控制实验桌电源的开关和照明电路的闭合状态。当人数为1～10人时，开实验室其中的1盏灯，5张实验桌电源闭合，可供使用；人数在10～20时，开2盏灯，10张实验桌可供使用……根据进入实验室人数智能确定可供使用实验桌数量以及当天气较暗时，所开日光灯数目。当人数重新变为零后，20 min后，喇叭报警，继电器闭合，灯灭，所有已开实验桌电源断开。直到再次有人进入，继电器闭合，实验桌电源重新闭合。当室内照明充足，则照明电路不工作，实验桌电源可控。
1．2 强制状态
   该状态是通过计算机总机(上位机)对单片机(下位机)进行数据传送。将上位机与单片机连接在一起，通过串口通信对单片机进行控制，以达到控制实验室电源使用数量目的，可使实验室照明电路与实验桌电路全通，全灭或按要求指定特定的电源导通，并可通过输入指令对单块单片机进行查询，实时在上位机屏幕上显示实验室人数。

2 系统硬件设计
2．1 硬件组成以及各器件功能介绍
    智能实验室控制系统的硬件核心器件由单片机STC89C52芯片、E18-B03N1反射式红外光电开关、音乐芯片、单总线温度传感器DS18B20、时钟芯片DS12C887和带有字库的12864液晶组成。其中E18-B03N1反射式红外光电开关，采用反射式，测量可调节距离大于30 cm，共有3根引脚1根接电源，一根接地，另一根数据线，当没有感应闭合时，数据线为高电平，当有人经过时，数据线变低电平。DS12C887：时钟芯片，当电源掉电，内部时钟依然走动，有时钟定时功能，可在24 h内指定时间闹铃报警。DS18B20：为单总线温度传感器，实时将温度信号读入，精度0．5℃。
2．2 系统硬件各部分工作原理及介绍
    硬件框图如图1所示。

    (1)使用单块单片机(2)控制电路，红外光电开关(4)以外部中断(8)的方式接至(P3．2，P3．3)，数码管(6)显示此时实验室人数。
    (2)当进入实验室人数不为零，外电源电路(5)通过单片机控制继电器，根据人数要求，按人数开灯，闭合实验桌。
    (3)当人数重新变为零后，使用单片机定时器(7)定时20 min后，检测20 min内如始终无人进入，音乐片通过喇叭报警，外界电路断开。若重新有人进入，外界电路(照明电路和实验桌电源电路)由单片机根据人数确定闭合情况。
    (4)单片机(10)可由单片机(2)和继电器控制电源供电，当实验室没人或者电脑强制关闭时，单片机(10)不工作。
    (5)使用液晶12864(14)与单片机(10)相连，液晶显示以下信息：“实验室控制系统”，年、月、日、星期、时、分、秒以及温度。
    (6)使用DS12C887时钟芯片(14)(在掉电的情况下，DS12C887时钟依然继续走)使得精确计时，显示当前时间可通过独立按键调整。并在设定好的夜晚特定时间(如：21点53分20秒)开始给予闹钟报警，发外部中断(12)，使音乐片播放音乐(15)并延时断电，在设定好的到早晨特定时间(如：7：00)开始播放音乐，并延时闭合市电线路上的总电源。同时当到达闹铃时间、音乐响起时，可以通过1、手动按钮，2、定时器(11)到达20 min设定时间，3、人数为零，4、上位机强制断电关闭音乐等四种方式关掉音乐。同时以上时间都可通过单片机独立按键的方式，对时间进行调节，能够较人性化地确定时间。
    (7)DS18B20(16)检测温度，在液晶上显示在实验室中温度，并且当温度高于25℃时闭合冷气电源。允许使用空调。
2．3 多块单片机通信系统
    STC89C52外接RS 232／485转换器，构成标准的PC-单片机通信接口，使多单片机与PC机串口通信，用PC(上位机)对多个下位机(单片机)进行串口通信。上位机与单片机之间严格实行主从结构形式的应答式通信控制方式，上位机为主，下位机为从。从机不能主动发送命令或数据，一切都由主机控制。任意时刻，主机只与一台从机传输信息，从机之间不能直接通信，并且在一个多机通信系统中，主机通过点名方式给各从机发送命令，实现对系统的主控权。主机在执行任务的同时要对从机不断地轮询，从而监视从机的状况、接收从机的请求或给从机发送命令。以实时地对多个实验室照明电路和实验桌电源的可控。根据要求，强行控制实验室外电路通断，特定位置电源的通断以及对实验室人数实时查询，在PC屏幕上显示出来。即当输入指令时，将单个单片机人数调入上位机，实时查询实验室中的人数。

3 系统软件设计
    单实验室软件控制系统主要由两片单片机组成，单片机1和单片机2的流程如图2和图3所示。

3．1 单片机1的工作原理
    (1)使用两只E18-B03N1红外光电开关(分别记做A，B)以外部中断方式接至单片机外中断口P3．2，P3．3，当有人进入教室时，红外开关A首先被隔断，INT0端首先接收红外开关产生低电平“0”，引发单片机中断，在相应的中断程序中对计算人数加1计算，同时在程序中关闭INT1的中断使能，这样就不会引起INT1触发中断，并开始延时，隔一定时间后利用定时中断打开INT1中断使能；出去——当有人员离开教室
时，红外光电开关B光线首先被隔断，INT1端首先接收“0”，引发单片机中断，对人数减1，同时在程序中关闭INT0的中断使能，并开始延时，隔一定时间后利用定时中断打开INT0中断使能。最终通过数码管显示此时实验室人数。根据实时人数确定外电路工作情况。
    (2)当上位机查询下位机人数时，可将人数存至单片机SBUF寄存器，通过上位机查询。
    (3)上位机可通过电平转换，控制下位机使用继电器，达到控制实验室电源的目的。
3．2 单片机2的工作原理
    单片机2主要通过DS18B20实时查询室内温度，采用液晶显示，判断当温度大于指定温度时(如25℃)空调开关允许闭合。同时DS12C887读取实时时间(时间可通过独立按键进行调整)，通过液晶显示，因芯片内部只含有一个闹钟中断，采用DS12C887芯片中断与89C52单片混合控制，当到达一个指定闹铃时间后，单片机重新写入新的闹钟时间，直到新的闹钟时间作用，再次写入第一次闹钟时间，以达到双闹钟定时的效果。当晚上闹铃响起，为了留有充足的延时时间，采用单片机定时方式，延时特定时间(如：20 min)，同时考虑到不同实验室因为对声音有不同要求，即采用：手动按钮和上位机强制方式将其关闭。当人数为零时，或者延时时间到达，实验室的电路全部关闭。直到第二天闹铃开启，外部电路重新闭合。

4 结语
    通过实践，该实验室的智能控制系统较好的实现了上述基本功能，已得到我校微电子实验室主管老师同意，正着手应用于我校微电子实验室。但同时，由于时间仓促，仍有一些不足，例如，当有2人挤着通过门时候，红外设备没有办法检测出来；没有考虑到前后门进入(即两个单片机通信的问题)。这些问题有待日后进一步完善。