基于MSP430单片机的多功能教室节能控制系统的研究毕业论文.doc

毕业论文（设计）
基于MSP430单片机的多功能教室
节能控制系统的研究
学生姓名：学号：
系别：电气工程系专业：电子信息科学与技术指导教师：评阅教师：
论文答辩日期
答辩委员会主席
摘要
本课题主要是以高校教室对电能的严重浪费和教学管理的漏洞为主要研究目的，设计了基于RS485和总线的教室控制系统以达到节约用电和教学管理的合理化。

本文主要运用电子技术、自动控制技术、网络技术和相关软件，设计了一套基于总线的智能教室控制系统，整个系统由“教室检测控制单元—RS485通讯线—楼层显示控制单元—CAN总线—中央计算机单元”构成，智能教室控制系统通过传感器实现了对教室的温度、学生人数、照明亮度、使用状态的监测与显示，对现在教室电能的浪费进行了合理的控制与管理。

本文主要是选用MSP430单片机、红外传感器、温度传感器、光敏传感器等器件进行仿真。

本文主要是将单片机技术与网络技术合理的组合在了一起，本系统包括了硬件与软件设计的结构、功能、实现方式等。

最后运用了组态王KingView6.5构建了一个多功能教室节能控制系统。

本章主要为大家介绍的是教室检测控制单元。

关键词：MSP430单片机，CAN，RS485，网络技术，组态王KingView6.5
Abstract
This topic mainly with the college classroom vulnerability to electric energy waste and teaching management as the main research objective, the design of RS485 and fieldbus control system in order to save the classroom with rational electrical and teaching management based on
This paper mainly uses the electronic technology, automatic control technology, network technology and related software, design a set of intelligent classroom bus control system, the whole system is made up of "classroom control unit - RS485 communication line - floor display control unit and CAN bus - central computer unit" intelligent classroom control system achieved through sensor the temperature, the number of students, the brightness of the lighting, the use of state monitoring and display of the classroom, the classroom now waste of electric energy is the control and management of reasonable.
This paper is mainly used MSP430 microcontroller, infrared sensor, temperature sensor, a light sensor and device simulation.
This paper mainly is the combination of MCU technology and network technology, reasonable together, this system includes hardware and software design of the structure, function, realization methods.
Finally, using the KingView6.5 configuration software to build a multifunctional classroom energy-saving control system
This chapter mainly introduces the classroom detection control unit.
Keywords:MSP430, CAN, RS485, network technology, application of KingView6.5
目录
摘要 (I)
Abstract ....................................................................................................................................... I I 1绪言
1.2国内概况 (1)
1.3智能照明控制系统的优越性 (1)
1.3.2改善学习时间，提高学习效率 (2)
2 系统设计方案的研究 (3)
2.1系统的总体设计方案 (3)
2.1.2楼层显示控制单元 (4)
2.1.3中央计算机单元 (5)
2.1.4通讯网络 (5)
2.2系统实现功能 (5)
2.2.1教室检测控制单元数据的采集 (5)
2.2.2教室远程端控制功能 (5)
2.2.3显示功能 (5)
2.3系统的整个工作过程 (6)
3 教室检测控制单元的设计与实现 (7)
3.1教室检测控制单元的器件选择 (7)
3.2教室检测控制单元数据的采集与处理 (8)
3.2.1光照信号的采集与处理 (8)
3.2.2红外数据的采集与处理 (11)
3.2.3非接触IC卡数据采集与处理 (14)
3.2.4按键设计 (17)
3.3温度控制部分的设计 (18)
3.3.1系统设计框图及功能实现 (18)
3.3.2单元电路原理图 (19)
3.3.3 系统程序设计 (22)
4总结与展望 (29)
4.1总结 (29)
4.2展望 (29)
致谢 (30)
参考文献 (31)
1绪言
本章阐述了多功能教室节能控制系统的研究背景，现状以及发展方向，明确指出了我国对于节能方面所面临的问题。

1.1 课题背景
教室作为学校提供教学和学习的主要场所，但是现如今许多高校面对着一个严峻的问题，教室资源的不合理运用，教室的分配、卫生、维护管理都是由管理员亲自动身去管理的，教室的自由式管理虽然给学生提供的很大的方便，但是同时也造成一些问题的发生，教室资源的严重浪费，许多教室经常没有人或者是只有几个人的情况，但是教室里面的灯光、风扇还是处于运作状态，又或者是在白天光线强度足够、室内温度适宜的情况下，照明灯与电扇依旧处于开启状态，从而造成了大量电能的浪费。

1.2国内概况
以某高校教学楼灯光使用为例，取一个中等教室，该教室有日光灯18盏，每盏灯的功率是40瓦，每层楼有15个教室，一共有5层，则整个楼层内日光灯负荷共计约为54KW，每天按长明灯3小时计算，1天就浪费162KW，按照每度电0.5元/千瓦计算，共计81元，设该校共有教学楼6座，则共计486元，一年学生在校时间按270天机算，则一年将浪费131220元，而且上面所说还不包含教室电线的损伤，日光灯的使用寿命等等，因此对高校教室能源的智能控制技术的要求迫在眉睫，其所能获得的经济效益也十分可观。

以上是对一所大学的简单分析，目前全国各地高校共有1684所，则每年全国高校浪费电费共计约22097.448万元，电能浪费量如此巨大！我国是一个能源短缺大国，因此对于高校电能节约的行动也是非常急迫，争取做到白天不开灯或少开灯、人走灯灭、杜绝长明灯等等，我国高校对电能的浪费不仅仅表现在对电能节约意识上的薄弱，更重要的一个原因是由于节电设备的落后，所以对于多功能教室控制系统的提升势在必行。

我们党在2000年10月11日召开的第十五届中央委员会第五次会议通过的《中国中央关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划的建议》中明确指出：“加强基础设施建设是今后五年至十年一项十分重要的任务”。

其中提到的基础设施建设就包括了能源建设。

《建议》还强调了能源建设要发挥资源优势，优化能源结构，提高利用效率，加强环境保护。

面临如此紧迫的能源问题，我们应该把着眼点放在“高效”利用“清洁”能源上。

由此可见，节能照明用电，对节能具有重要的意义。

1.3智能照明控制系统的优越性
智能照明控制系统与传统管理方式相比，具有成本低、维护方便、功能丰富、优越的可扩展性、便于系统集成等特点，其具体表现为：
1.3.1 良好的节能效果、延长日光灯寿命
智能控制系统最大的特点就是节约能源，传统的照明模式，主要是以人力来管理的，很容易造成白天关灯，晚上长明的现象，不同的是智能照明控制系统会根据不同的情况采用不同的方案来选择照明的时间、日光灯的数量，可以将不必要的照明关掉，在需要灯光时自动开启，从而达到良好的节能效果。

系统还会根
据不同的光亮程度来自动调节室内的亮度，在保证必要的照明的同时也有效的减少了日光灯的工作时间，延长了日光灯的寿命。

1.3.2改善学习时间，提高学习效率
良好的学习环境是提高学习效率的必要条件，不适宜的光照强度对学习效率的影响很大，并且还会对我们的视力造成很不好的影响，因此合理的选择光源、灯具、优越的智能控制系统都能提高我们的学习环境。

智能照明控制系统拥有两种控制方法：1、自动开关日光灯，2、自动调光。

并且可以有效的控制和调节各种场合的光照强弱，还可以为不同的人群、不同的需求提供满意的服务。

1.3.3提高管理水平
与传统的管理方式不同的是，智能照明控制系统采用自动控制为主，人工控制为辅的系统。

一般情况下，是不需要人为操作的，系统的自动化管理不单单实现了自动开关和调节光照强度，也减少了管理人员数量，还避免了以往许多由于人为因素而造成的不定时开关，大大的提高了教学质量与管理水平。

1.3.4 减少开支
虽然智能照明系统看似只是具备自动开关的功能，但是我们得知道它在提高灯管寿命、减少人力开支的同时，还可以有效的节约能源。

根据一般办公大楼的运营经验，节能效率可以达到40%以上，一般的商场、酒店、地铁站等，节能效率也就能达到25%—30%；由于我国以前的粗放型经济增长方式已经导致资源匮乏，所以调整产业结构，大力推广智能照明具有重大意义。

1.4研究目的
针对现在众多高校教学楼的用电设备和管理的不足，以提高用电设备效率和改善教学管理为目的，开发了一套完善的基于单片机MSP430和总线的智能教室控制系统，本系统主要运用电子技术、网络技术、自动控制技术和相关软件，整个系统是由“教室监测控制单元—R485通讯线—楼层显示控制单元—CAN总线—中央计算机单元”组成，智能教室控制系统通过传感器实现了对教室的温度、学生人数、照明亮度、使用状态的监测与显示，并且对教室内部的用电设备进行了合理的控制与管理，达到了节约用电和智能化管理。

2 系统设计方案的研究
2.1系统的总体设计方案
本控制系统的总体组成，简要概述系统为“教室检测控制单元—RS-485—楼层显示控制单元—CAN总线—中央计算机单元”结构。

本系统采用基于RS-485和CAN总线的分布式集散控制系统对学校教学楼用电设备进行控制和管理。

教室检测控制单元、楼层显示控制单元、中央计算机单元的设计是采用北京亚控公司提供的组态王KingView6.5，在组态王提供的编程环境下编制了上位机监控程序，可以实现对教室内的教室检测控制单元所采集到的信息接收和处理，并且组态王KingView6.5还可以为我们提供一个全中文，图形化，动态化的监控界面。

通过仿真可以对教室用电设备开关状况、教室温度、光照强度、学生人数、学生信息等进行监控和统计。

在同一楼层各教室检测控制单元之间采用的是RS-485标准构建的数据采集网络，而在楼层显示控制单元与中央计算机单元之间利用的是CAN网络的数据传输通道，智能教室控制系统整体组成如图2.1所示。

图2.1 智能教室控制系统整体组成框图
下面详细介绍各级单元及其之间的通讯网络。

2.1.1教室检测控制单元
每个教室安装的教室检测控制单元是以单片机MSP430为核心的数据采集和控制装置。

它直接与各种I/O设备相连，通过这些I/O设备接口实现对教室内温度、光照强度、教室内的学生人数、学生上课等信息采集、存储与处理，并可实
现对教室内用电设备开关状态进行检测以及现场手动控制，同时通过RS-485通讯录与楼层显示控制单元通讯，最终可通过CAN总线与中央计算机单元通讯。

教室检测控制单元可以接收楼层显示控制单元和中央控制计算机的命令并实现相应的自动控制用电设备，每个教室检测控制单元都是由数据采集模块、控制模块、人机交互模块、电源模块、通讯模块等组成。

此控制单元采用了积木式的组合结构，可以根据不同的需要选用不同的控制模块进行组合，其框图如图2.2所示。

同时为了便于现场对用电设备进行开关操作，在每个教室安装一个控制面板，其布局如图2.3所示。

图2.2 教室控制器的组成框图
图2.3 教室控制器面板显示图
2.1.2楼层显示控制单元
楼层显示控制单元主要对该楼层教室检测单元进行集中操作管理、状态显示、通讯控制和维护每间教室的用电对象，并协调各教室检测控制单元之间的数据传输，使楼层间的管理相互对立，提高整个智能教室控制系统的可靠性。

楼层显示控制单元向下通过RS-485总线实现对每个教室检测控制单元的数据采集信息、状态显示和集中管理，向上都统一挂在CAN总线和RS485通讯线来读取各个教室中由每个教室控制单元中所采集的相关数据信息，并对所采集到的信息做基本显示的功能，例如显示教室状态（空或满），以及控制整个楼层用电设备的开关状态，同时将中央控制计算机发送的指令传送给各个教室控制单元。

其组成框图如图2.4所示。

图2.4 楼层控制器的组成框图
2.1.3中央计算机单元
中央控制计算机采用常用PC机，在PC机上配置CAN总线配卡，用于同CAN 总线相连。

中央控制计算机是整个智能教室控制系统的控制和管理的中心，其功能是将楼层显示控制单元及教室控制单元发送过来的信息进行处理，按要求控制输出单元，可自动或手动去对各控制装置发出指令，并可按要求进行各类参数图像的显示，软件主要是由组态王KingView6.5和ACCESS数据库构成，通过组态监控画面对教室检测单元和楼层显示单元进行集中管理与控制。

2.1.4通讯网络
通讯网络是保证整个智能教室控制系统正常运转的关键，所有的教室检测控制单元和楼层显示控制单元都连接在通讯网络的平台上，最终与中央计算机单元相连。

本系统利用计算机的串行口和单片机的串行通讯的功能，采用RS-485和CAN通讯模块分别实现教室控制单元中的MSP430单片机与楼层显示控制单元中的MSP430单片机，楼层显示控制单元中的MSP430单片机与中央控制计算机之间的远距离通讯。

2.2系统实现功能
智能教室控制系统的最终目的就是为了实现教室的节能、改善教学管理。

系统可以实现的功能概括为以下几点：
2.2.1教室检测控制单元数据的采集
系统的底层设备教室检测控制单元具有自动采集和命令采集两种模式。

自动定时采集就是教师检测控制单元可以根据内部时钟设置对教室进行循环采集数据，命令采集模式是指当教室管理人员发出数据采集命令后，先由中央计算机单元通过CAN通讯信道将命令信息传送到中央控制器，中央控制器在经RS-485通讯信道传送到教室检测控制单元，最后根据需要采集相应的信息。

2.2.2教室远程端控制功能
系统采用了原有的教室内部用电设备控制系统，在此基础上的教室远程监控系统可以根据采集到的数据对教室实施相应的命令，是的教室的用电设备能够及时的开或关。

2.2.3显示功能
可以将采集到的数据最终显示在中央计算机控制单元，组态王KingView6.5实行的是全中文化、图形化、动态的监控界面。

在计算机上面能显示部分画面以及教室使用状态和相关信息在PC机上显示出来。

2.3系统的整个工作过程
本系统的工作过程包括两个部分，第一部分是教室监控单元对各个数据的采集，并进行初步处理。

这一部分主要是采集传感器信号、开关量信号并且经过单片机MSP430收集处理，送到存储器。

第二部分是主控上位机数据的采集、处理。

主控上位机的信息采集是由监控软件组态王采用DDE方式从CAN适配卡中获取楼层控制器传来的数据，而楼层控制器的数据是通过RS485通讯从教室控制器获取教室的信息。

反之，主控上位机对教室的用电设备发出命令时，则是主控上位机通过CAN总线把命令传给楼层控制器，然后再由楼层控制器经RS485通讯把主控上位机的命令传至教室控制器，教室控制器根据上位机的命令做出相应的动作，最后通过组态王自身的图形界面制作功能和动态链接特性，对系统运行情况及各性能参数进行处理，生动的表现于上位机界面。

3 教室检测控制单元的设计与实现
教室检测单元是整个系统的重要组成部分之一，它主要的功能表现在对教室内数据的采集、处理、存储等功能上面，它还会根据楼层显示控制单元和中央计算机单元的不同要求去控制日光灯和电风扇等用电设备。

教室检测控制单元主要功能：
（1）教室检测控制单元实现了对教室内温度、光线强度、学生人数等信息的采集，通过数据的转换和处理，可以传送到楼层显示单元和中央计算机单元。

（2）教室检测控制单元中有非接触IC卡，可以完成学生上课的基本信息，有助于教学管理的效率。

（3）教室检测控制单元中光照传感器将采集到的电压值和设定电压相比较而自动完成教室内部日光灯的数量，实现节能效果。

（4）教室检测控制单元中数码显示管可以显示教室内用电设备的状况。

（5）通过RS485总线完成与楼层显示控制单元的通讯。

（6）可以接收楼层显示控制单元和中央控制计算机的命令并实现相应的控制输出。

（7）可以手动操作教室检测控制单元中的按键来对教室内部的用电设备进行开关操作。

3.1教室检测控制单元的器件选择
智能教室控制系统要求智能化、功耗低、可靠性高、使用方便、功能强大等特点，我们选用MSP430单片机，MSP430系列单片机是美国德州仪器1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。

称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微小处理器集成在一个芯片上，以提供单片机解决方案。

其具体特点有：
（1）处理能力强
MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。

这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

（2）运算速度快
MSP430 系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。

16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。

（3）超低功耗
MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。

首先，MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 1.8-3.6V 电压。

因而可使其在1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流最低将会在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。

其次，独特的时钟系统设计。

在 MSP430 系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环（FLL 和FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。

可以只使用一个晶体振荡器（32.768kHz）DT-26 OR DT-38[4]，也可以使用两个晶
体振荡器。

由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。

并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。

由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。

在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。

在实时时钟模式下，可达2.5μA ，在RAM 保持模式下，最低可达0.1μA 。

（4）片内资源丰富
MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。

它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-Δ ADC、DMA、I/O端口、基本定时器（Basic Timer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。

其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D 转换器；16 位定时器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，P0、P1、P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位D/A转换；硬件I2C 串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA 模块。

MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

另外，MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。

当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5μs。

（5）方便高效的开发环境
MSP430 系列有 OTP 型、 FLASH 型和 ROM 型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。

对于 OTP 型和 ROM 型的器件是使用仿真器开发成功之后制成的芯片；对于 FLASH 型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有 JTAG 调试接口，还有用电擦写的 FLASH 存储器，因此采用先下载程序到 FLASH 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。

这种方式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器，而不需要仿真器和编程器。

开发语言有汇编语言和C 语言。

3.2教室检测控制单元数据的采集与处理
教室检测控制单元数据采集模块对教室内温度、光照强度、教室内的学生人数，上课时对学生信息的采集主要是依靠温度传感器、光照传感器、红外传感器、无接触IC卡来完成，各个器件将检测到的非电量转化成各自对应的电量进而传给MSP430单片机进行处理，MSP单片机可实现对各个传感器的定时采集，并且会根据各自参量的对应关系转换成相应的温度、光照强度。

通过通讯接口将数据向楼层显示控制单元传送。

同时，通过该通讯接口，教室检测控制单元接收楼层显示控制单元和中央计算机单元的控制指令，实现相应的控制命令操作。

3.2.1光照信号的采集与处理
光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。

光传感器是目前
产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。

最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。

工作原理：
光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。

光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。

注意事项：
敏传感器采用防静电袋封装。

在使用的过程中应该避免在潮湿的环境中使用，还应该注意表面的损伤和污染程度，应该它们均会影响光电流。

应用领域：
光敏传感器主要应用于太阳能草坪灯、光控小夜灯、照相机、监控器、光控玩具、声光控开关、摄像头、防盗钱包、光控音乐盒、生日音乐蜡烛、音乐杯、人体感应灯、人体感应开关等电子产品光自动控制领域。

应用：
光敏传感器中最简单的电子器件是光敏电阻，它能感应光线的明暗变化，输出微弱的电信号，通过简单电子线路放大处理，可以控制LED灯具的自动开关。

对于远程的照明灯具，如街灯、庭院灯、草坪灯等都可经济而简单的实现节能自动控制。

太阳能路灯本身就是利用太阳光发电、储能的LED照明灯具，它不需要电网供电，也就无需架设成本不菲的输电线路，因此使用光敏传感器可以实现极低成本、自动开启关闭的节能管理。

教室光照强度是控制教室内用电设备开或关的重要因素，也是节约电能的手段之一，下面对光敏传感器的研究做具体介绍。

（1）光电探测器的教室中的布局
考虑到教室里面离窗子的距离的不同，接受日光强度不一样的特点，为了避免光电探测器受光面小的缺点，应该在教室周围进行合理的分布光电探测器，用在探测自然光的强弱。

根据教室中日光灯的分布情况如图所示，那么光电探测器在教室里面的分布也应该根据这个分布来进行安置，即在每个区域的最远地方放一个光电探测器。

每个区域的日光灯则由安置在教室内的按键或远端的主控上位机来控制。

此外，相邻两个区域安置的探测范围都有一定的重叠以确保当有人在两个区域中间学习时能够得到足够的光亮。

当外界环境中的自然光能满足所需要的光照强度时，不管教室是否有人，教室灯都不亮，控制教室日光灯的自动熄灭，当教室有特殊使用时，则拉上窗帘，关闭所有教室灯光或点亮少许灯光。

当只有一个学生处于某一区域时，只有他的周围日光灯亮；当再有人进来时他们完全可以选择有亮光的地方就坐，若选择其他地方情况类似。

这样就完成了教室照明智能控制，起到节约电能的作用。

图3.2则体现了考虑教室的走向与太阳光的夹角的不同而造成亮暗区位置不同对光电探测装置布局造成的影响。

（2）硬件设计
通过对光电管、光耦合器、光敏电阻等光电探测器的各种性能进行比较，发现光敏电阻的光谱响应峰值比较接近人视觉敏感区的波长；其次是当光照强度减弱时，光敏电阻的响应时间相对增加，这对本系统在光照强度变化时，输出状态保持相对稳定十分重要，因此本系统选用光敏电阻来测量教室的光照强度，其原。