智能實驗室控制系統設計及工作原理

21世紀，能源問題日益突出，節能環保已成為諸多設計所必須考慮的一大因素。該設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，在不同情況下分別提供相應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閉儀器等浪費，節能的同時，提高設備使用壽命，可有效地達到自動關閉電源目的，有效地防止火災，同時該系統還可以顯示房間例如溫度、日期等詳細情況。該系統可在圖書館、教室、會議室、作為大型公共場所的中央控制設備。

1 系統總體設計以及功能

該系統通過單片機控制DS12C887時鐘芯片準確計，利用DS18B20（1-Wire）與單片機相連實現溫度采集，并在液晶芯片12864上顯示出時鐘和室內溫度，控制溫度，當溫度達到25℃時自動閉合空調電源，允許使用空調。一般情況下，在計時到7：00（可以人工以獨立按鍵方式調節時間）時，自動播放起始音樂并閉合總電源，測試房間內溫度。當計時到21：55時播放結束音樂，并在22：00時關閉整個系統。在平時控制電源時，該系統將有兩種工作狀態：自動控制狀態和強制狀態。

1．1 自動控制狀態（默認狀態）

在實驗室門口安裝兩個紅外傳感器控制，分別設為1和2，當人先通過1再通過2的時候設為進人，反之則為出人。使用光敏電阻，當室內亮度低于正常要求且有人時，可開通照明電路。當有人在天氣較暗（或者夜晚）進入實驗室時，該系統通過繼電器控制實驗桌電源的開關和照明電路的閉合狀態。當人數為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；人數在10～20時，開2盞燈，10張實驗桌可供使用……根據進入實驗室人數智能確定可供使用實驗桌數量以及當天氣較暗時，所開日光燈數目。當人數重新變為零后，20 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。當室內照明充足，則照明電路不工作，實驗桌電源可控。

1．2 強制狀態

該狀態是通過計算機總機（上位機）對單片機（下位機）進行數據傳送。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。

2 系統硬件設計

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、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，采用反射式，測量可調節距離大于30 cm，共有3根引腳1根接電源，一根接地，另一根數據線，當沒有感應閉合時，數據線為高電平，當有人經過時，數據線變低電平。DS12C887：時鐘芯片，當電源掉電，內部時鐘依然走動，有時鐘定時功能，可在24 h內指定時間鬧鈴報警。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 系統硬件各部分工作原理及介紹

硬件框圖如圖1所示。

智能實驗室控制系統設計及工作原理

（1）使用單塊單片機（2）控制電路，紅外光電開關（4）以外部中斷（8）的方式接至（P3．2，P3．3），數碼管（6）顯示此時實驗室人數。

（2）當進入實驗室人數不為零，外電源電路（5）通過單片機控制繼電器，根據人數要求，按人數開燈，閉合實驗桌。

（3）當人數重新變為零后，使用單片機定時器（7）定時20 min后，檢測20 min內如始終無人進入，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）由單片機根據人數確定閉合情況。

（4）單片機（10）可由單片機（2）和繼電器控制電源供電，當實驗室沒人或者電腦強制關閉時，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”，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時鐘依然繼續走）使得精確計時，顯示當前時間可通過獨立按鍵調整。并在設定好的夜晚特定時間（如：21點53分20秒）開始給予鬧鐘報警，發外部中斷（12），使音樂片播放音樂（15）并延時斷電，在設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。同時當到達鬧鈴時間、音樂響起時，可以通過1、手動按鈕，2、定時器（11）到達20 min設定時間，3、人數為零，4、上位機強制斷電關閉音樂等四種方式關掉音樂。同時以上時間都可通過單片機獨立按鍵的方式，對時間進行調節，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，并且當溫度高于25℃時閉合冷氣電源。允許使用空調。

2．3 多塊單片機通信系統

STC89C52外接RS 232／485轉換器，構成標準的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構形式的應答式通信控制方式，上位機為主，下位機為從。從機不能主動發送命令或數據，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中，主機通過點名方式給各從機發送命令，實現對系統的主控權。主機在執行任務的同時要對從機不斷地輪詢，從而監視從機的狀況、接收從機的請求或給從機發送命令。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實時查詢，在PC屏幕上顯示出來。即當輸入指令時，將單個單片機人數調入上位機，實時查詢實驗室中的人數。

3 系統軟件設計

單實驗室軟件控制系統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。

智能實驗室控制系統設計及工作原理

3．1 單片機1的工作原理

（1）使用兩只E18-B03N1紅外光電開關（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，當有人進入教室時，紅外開關A首先被隔斷，INT0端首先接收紅外開關產生低電平“0”，引發單片機中斷，在相應的中斷程序中對計算人數加1計算，同時在程序中關閉INT1的中斷使能，這樣就不會引起INT1觸發中斷，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——當有人員離開教室

時，紅外光電開關B光線首先被隔斷，INT1端首先接收“0”，引發單片機中斷，對人數減1，同時在程序中關閉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。最終通過數碼管顯示此時實驗室人數。根據實時人數確定外電路工作情況。

（2）當上位機查詢下位機人數時，可將人數存至單片機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實時查詢室內溫度，采用液晶顯示，判斷當溫度大于指定溫度時（如25℃）空調開關允許閉合。同時DS12C887讀取實時時間（時間可通過獨立按鍵進行調整），通過液晶顯示，因芯片內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，當到達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閉。當人數為零時，或者延時時間到達，實驗室的電路全部關閉。直到第二天鬧鈴開啟，外部電路重新閉合。