基于单片机的室内灯光智能控制系统的设计本科毕业设计.docx
《基于单片机的室内灯光智能控制系统的设计本科毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的室内灯光智能控制系统的设计本科毕业设计.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于单片机的室内灯光智能控制系统的设计本科毕业设计
基于单片机的室内灯光智能控制系统的设计本科毕业设计
摘要
此篇论文主要是根据大学教室中灯的日常使用情况以及教室对灯光的需求这些问题，研究并设计出了一种基于单片机控制的室内灯光智能控制系统。
此控制系统的核心部件就是AT89S51单片机，系统利用热释红外人体传感器这个器件来对人体的是否存在进行检测，并且利用光敏三极管组成的电路对室内的自然光照强度进行检测；此控制系统根据教室对光照的需求来进行合理的控制灯的关闭与打开，首先，它先通过对人体存在的信号以及室内光照强度信号进行综合的分析与判断，对信号的处理以后，通过系统的反馈来完成对教室内的灯光的智能控制，这样就大大减少了教室用电的浪费。
此外系统还具备了报警功能；并且它还采用了软/硬件的“看门狗”，它可以增强系统的抗干扰能力。
该系统能够达到各种院校对教室灯光控制的要求，最终就可以达到节能的目的。
关键词：
单片机；智能控制；热释红外传感器；X5045
Abstract
Cipianthesisisbasedontheuniversityclassroominlightofdailyusageandthedemandforclassroomlightingtheseissues,researchanddesignofindoorlightingintelligentcontrolsystembasedonmicroprocessorcontrolled.CorecomponentsofthiscontrolsystemisAT89S51microcontroller,thesystemusesthehumanbodypyroelectricinfraredsensorthisdevicetothehumanbodytodetecttheexistenceanduseofthecircuitphototransistoroftheindoornaturallightintensityisdetected;thiscontrolsystemaccordingtoclassroomtoLightneedstobeclosedandanopenandreasonablecontroloflight,first,thatthefirstsignalbythepresenceofthehumanbodyandinteriorlightintensitysignalintegratedanalysisanddeterminethefutureofthesignalprocessingbythefeedbacksystemtocompletetheclassroomlightingwithintheintelligentcontrol,thusgreatlyreducingthewasteofelectricityclassroom.Inadditionthesystemalsohasthealarmfunction;anditusesahardware/software"watchdog",itcanenhancetheanti-jammingcapability.Thesystemcanachieveavarietyofinstitutionsforclassroomlightingcontrolrequirements,mostmechanizedcansaveenergy.
Keywords :
SCM;intelligentcontrol;pyroelectricinfraredsensor;X5045
窗体底端
1绪论1
1.1课题研究的目的与意义1
1.2采用智能照明控制系统的优势1
1.3智能照明控制系统的研究现状2
2教室灯光控制器简介与方案分析2
2.1大学教室照明控制现状2
2.2教室灯光控制器简介2
2.3系统控制方案分析2
2.4本章小节3
3系统控制模块的硬件设计3
3.1系统控制模块的硬件构成3
3.2系统控制的主要硬件电路4
3.2.1系统主控电路4
3.2.2系统供电电路5
3.2.3系统复位电路6
3.2.4数据采集电路7
3.2.5系统时钟电路10
3.2.6继电器驱动电路11
3.2.7蜂鸣报警电路12
3.2.8按键控制电路13
4控制模块软件设计13
4.1系统监控主程序模块14
4.1.1系统自检初始化14
4.1.2定时中断处理设计14
4.2数据采集模块15
4.2.1人体存在传感器的优缺点15
4.2.2数据采集软件的实现15
4.2.3人体存在传感器的抗干扰措施16
4.2.4人体存在传感器的安装要求17
4.3时钟模块17
4.3.1数据输入输出17
4.3.2时钟自检初始化18
4.3.3时钟程序设计20
4.4系统工作总流程21
4.5本章小节21
5系统调试运行及问题分析22
5.1单片机系统调试方法及步骤22
5.2主要问题分析24
6结论25
参考文献26
附录27
致谢28
1绪论
1.1课题研究的目的与意义
大多数高校由于对教室的管理不善，学校中的大多数教室在白天室内光照充足的情况下任然开着灯。
由于大多数同学节约意识的淡薄，即使教室中没有人或者人数很少的情况，教室中的灯也是全部亮，很明显上述两种现象必然会造成很大的能源浪费。
能源短缺一直是21世纪人类面临的重大难题，随着国民经济的快速发展和社会进步，教育在不断受到人们越来越多的关注，校园规模也在不断的扩大，节能也就成了我们要研究的课题。
目前常采用的节能方式为手工控制，声控型，太阳能灯等。
然而他们都存在很大的缺陷与不足，因此市场上急切需要一种操作方便，价格低廉，便于大面积推广的新型节能方案。
智能灯光照明系统不仅节约能源和保护了环境而且还能实现良好的照明光环境，还提高了工作得效率，节省了时间。
1.2采用智能照明控制系统的优势
传统的照明控制系统大多是由人工通过控制配电箱的开关来控制灯的熄灭与打开，有的就在在照明回路中直接串入接触器，这样就可以实现远距离控制灯的灭与亮[6]，这种方式是通过手动开关来控制灯具，它在很大程度上主要是通过人工来完成的。
但是现代的智能照明控制系统则具有很强的智能化，他可以根据不同区域的需要以及不同的时间点，还有光照强度来合理的安排灯的亮与灭，这样它不但节省了人力，而且还节省了能源减少了环境的污染，与传统的照明系统相比而言，他可以说是符合当今社会发展的不二之选。
具体来说其优越性主要表现在以下几个方面：
（1）这种智能化照明控制系统具有很强的智能化功能，它的整个系统完全处于一个全自动化状态，因此可以根据不同区域在不同时段中对灯具的需求，通过电脑提前输入特定的程序来完成对灯具的合理使用，使他更加具有智能化和人性化。
（2）它最突出的特点就是减少了电能消耗，因此可以充分利用自然光，在必要的时候就以人工光为补充，综合考虑室内的人员情况，来合理安排教室内灯具的亮与灭，这样就可以节省很多的电能，一般在30％左右[7]。
（3）再者他还可以改善室内氛围，给工作人员提供一个舒适的工作环境。
（4）我们将传统的开关控制转变为智能化的管理之后，不但大大提高了建筑的照明的管理水平，而且还给大楼大楼的运行，维护减少很多的费用开支。
总之，这个新型照明控制系统，不但给社会带来了很大好处，即节约了能源的消耗，又减少了环境的污染，而且它还大大提高了人类的生活水平。
1.3智能照明控制系统的研究现状
所谓的“智能建筑”就是集计算机、信息通信于一体，它可以使高层建筑内的电视、空调、冰箱、照明、防火、防盗等实现综合管理上的自动化。
人工智能技术在建筑与灯光中的应用趋势不断扩大。
正如英国的Glasgow市报指出：
“Glasgow正在成为一个研究和发展太空时代智能建筑的国际组织的神经中枢。
在智能建筑中的智能灯光、供热、空调、通讯及办公设备将全部由电子计算机进行控制与管理。
”
随着社会的快速发展，市场上也出现了不少关于智能灯光的设计，比如说智能的灯具、智能照明控制系统，还有就是关于智能照明方面的计算机以及软件，就连智能照明方面的设计与测试也得到广泛应用。
2教室灯光控制器简介与方案分析
2.1大学教室照明控制现状
很多大学的教室，在白天上课期间主要是以自然光为主，只有在阴天下雨或者有树木遮挡的教室才使用灯光来补偿；晚上大多数学生会去教室上自习，有的教师用来上课，为了不让学生的视力受到灯光的损坏，给学生提供一个良好的光照环境，那么就必须考虑到灯光的合理分配，这样就需要投入资金来安装这些自动控制系统。
能够通过两种方法来达到节能的目的：
第一可以使用节能灯，因为在明质量达到要求的情况下，只有通过使用照明设备效率高的产品才能节约能源；另一种是研究出一种智能化的照明控制系统，在满足照明需求的情况下，通过智能化的控制灯具来达到节约能的目的[10]。
2.2教室灯光控制器简介
教室灯光控制器就是对大学教室内的灯光进行智能化的控制，它主要是通过对人体信号以及光环境信号进行采集，环境强度只要达到一定值那么就不开灯，光照强度在一定值一下并且有人体存在时才开灯，只有对教室灯安装智能控制系统才可以实现上述目标。
2.3系统控制方案分析
该控制器主要依靠输入的自然光强度以及人体存在信息这些参数来进行控制，自动控制和手动控制能够同时存。
一般情况下，系统会默认为自动控制，只有人为的把按键模块按下时，这时系统就会改为强制控制。
如果灯光控制系统处在自动控制模式，并且还要保证自然光照比较足够，那么此时无论教室内有人还是无人，灯都不会被打开；在自然光照强度较弱时，并且教室内有人存在且超过一定时间，那么控制器就会自动打开电灯，只有当室内人全都离开后且延时一定时间后，灯就会自动熄灭。
同时，还应该设置作息时间来进行控制系统的运行，夜晚只要超过10点，如果教室内还有人在上自习，那么系统就会自动关闭控制器，这时就可以启动手动控制，这样就可以解决特殊情况下，自动控制器的缺陷。
关于教室中用到的灯光控制器一般都由硬件和软件组成。
整个控制系统的运行首先离不开硬件，硬件的作用就是为软件中程序的运行提供平台。
然而软件部分的作用则是对硬件端口所能体现出的信号加以采集，并且经过综合分析、处理，最后才能实现控制器的各种功能，最终才能达到设计的目的。
2.4本章小节
在系统的设计要求方面有手动和自动控制两种选择，以及时间的控制上面和信息采集上。
本章主要是对信息的采集进行了简单的分析，主要是对教室中的自然光的强度以及人的存情况这些信息进行采集，并且要保证采集信息用到的电路和其他所有电路都要具备很强的抗干扰能力，避免动作上的错误。
在系统的操作和安装方面比较简单，便于日后我们对系统进行维护。
3系统控制模块的硬件设计
想到这个系统的安装所受到的外界环境因素影响，再者室内控制系统中的人体存在传感器、光敏三极管会随着室内情形的变化而变化，所以在整个设计过程中，电子元器件的选用、线路排布和设备的安装要考虑到抗干扰这个问题。
3.1系统控制模块的硬件构成
系统的设计上以AT89S51单片机主控模块为核心，其它的一些外围电路主要包括：
环境光采集电路、时钟模块、人体存在传感器模块、看门狗模块、按键电路、EEPROM存储模块、超时报警模块、继电器驱动模块，其结构框图如图3.1所示。
图3-1
图3.1系统控制单元结构图
首先，环境光采集电路这个模块就是用光敏三极管来对室内环境光的强度进行检测。
它的工作原理就是，只要有光线进入到教室内，光敏三极管的电阻就会立即减小，随着光线的逐渐变弱，最终三极管的电阻就会增大。
这个模块的主要功能就是把光信号转化成电信号，由此来检测光照强度。
人体存在传感器模块则用到了HP-208这个产品，它与红外线技术有关，利用它就可以对教室内是否有人进行检测。
硬件时钟模块采用了时钟芯片DS1302,它的优点是低功耗，并且具有充电能力，同时它还具有临时存放数据的功能。
关于系统数据的存储以及故障保护这两部分则由X5045组成，X5045是一个具有512字节的EEPROM，并且它同时具有看门狗以及电源监控功能的键盘模块。
3.2系统控制的主要硬件电路
3.2.1系统主控电路
AT89S51单片机作为本系统模块的主控芯片，该芯片的主要特征见如表3.1所示：
AT89S51引脚
外围器件引脚
说明
P1.0
X5045SI
X5045串行输入端
P1.1
X5045SCK
X5045串行时钟端
P1.2
X5045CS
X5045片选端
P1.3
X5045S0
X5045串行输出端
P1.4
工作状态指示灯
P1.5
DS1302CLK
DS1302时钟线
P1.6
DS1302I/O
DS1302数据线
P1.7
DS1302RST
DS1302复位线
P3.0-P3.1
数据采集输入端
P3.3
人体存在传感器输出信号端
P3.4
超时报警信号输入端
P3.7
光敏三极管输入信号端
表3.1AT89S51主要特征
（1）40（Vcc）20（GND）脚间的电压应有5V；
（2）18、19脚分别与20脚间有1.7―2.5V电压；
（3）9（RST）脚与GND间电压基本为0；
（4）31（EA）脚与20（GND）脚间电压为5V。
3.2.2系统供电电路
系统的供电电压为+5V，此系统用的变压器输出电压为9V。
此电路一端接220V交流电，将220V电压降为9V,然后经二极管全波整流，再通过电解电容C1，C2的滤波，最后经正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，在输出端还特地使用了电容C3，C4，为的就是得到+5V的直流电压，用它来给单片机系统以及外围电路Vcc端提供电压。
系统供电原理如图3.2所示。
图3.2供电原理图
3.2.3系统复位电路
系统中复位电路的用途是为了使系统在一些特殊情况下得到复位，使系统稳定有序的工作。
在单片机系统正常有序的工作中，极少数情况下由于外界的干扰会出现程序跑飞，死机等一些特殊情况。
为了应对这些突发事件，所以安装了复位电路，并且还要在硬件设计中使用看门狗电路，它的作用是单片机在发生死机的情况下，看门狗会及时的产生一个复位信号给单片机，单片机在收到信号后会及时复位并且重新执行程序。
如果你在系统设计的过程中使用了看门狗与EEPROM，那么芯片X5045也就少不了要被使用到。
X5045同时具备三种功能：
看门狗定时器、复位控制和EEPROM[11]。
这三个功能全部都被集成在由8个引脚封装的CMOS器件中，它最大的优点是可以将电源监控、看门狗功能和高速三线非易失性存储器完美的组合在一起，并且系统的成本大大减少了，另外它也大大降低了对电路板空间上面的要求，X5045的引脚排列如图3.3所示。
图3.3X5045的引脚图
如表3.2状态寄存器所示，X5045状态寄存器共有6位。
只有WD1、WD0与看门狗电路有关，而剩余的所有位则与EEPROM的设置有关。
表3.2状态寄存器
7
6
5
4
3
2
1
0
0
0
WD1
WD0
BL1
BL0
WEL
WIP
WD1=0，WD0=0，预置时间为1.4S，
WD1=0，WD0=1，预置时间为0.6S，
WD1=1，WD0=0，预置时间为0.2S，
WD1=1，WD0=1，禁止看门狗工作。
通常可以通过控制应用程序的循环周期来决定看门狗电路的定时时间，一般情况下，只要比系统在正常工作情况下最大循环周期的时间稍微长一点即可。
X5045硬件部分连接如图3.4所示。
图3.4系统看门狗电路
由上图可以看出，系统看门狗电路分为数据存储单元和故障保护部分，X5045是一个EEPROM,它是一个串行通信512字节，并且它还具有看门狗和电源监控功能，X5045有三种可编程看门狗周期，上电和Vcc低于检测门限时，输出复位信号，X5045输出复位高电平有效，为了使复位变得更加可靠，我们在它的复位输出端上接了10K的上拉电阻，使它与AT89S51的复位端相连接。
看门狗在电源上电或者是掉电的时候会产生一个复位信号。
另外这个芯片还有一个1.4s的看门狗定时器，我们可以通过它来监控单片机的工作。
只要在1.4s之内还没有检测到其工作或者说系统出现了故障，那么内部定时器就会使看门狗WD1处于低电平，这样就可以起到保护系统的作用。
3.2.4数据采集电路
对于数据采集，我们首先应该想到的是，此次研究设计主要是针对大学校园教学楼里的灯光控制问题，我们要采集的数据有教师的环境光强度以及人体是否存。
一般情况下我们通过光敏二极管和光敏三极管来对室内环境光强度进行采集，由于要考虑到抗干扰的问题，所以最好选用灵敏度较高的光敏三极管。
除此之外，我们要注意，一定要选用灵敏度高，可靠性强的传感器，可以减少误差。
一、环境光采集电路
光电传感器可以将光转换成电量。
系统采用的光敏三极管除了可以把光信号转换成电信号外，同时它还可以对电信号进行放大。
在无光的情况下，三极管的穿透电流很小，被称作暗电流。
相反，当在有光照时，三极管的穿透电流会增大，它就变成了光电流。
由此可以得出结论，光电流的大小与光照强度成正比，最终我们就在负载电阻上得到随室内光照强度变化而不断变化的电信号了。
环境光采集电路原理图如图3.5所示。
自然光照强度只要高于一定程度（即设定参数），那么光敏三极管D6就会呈现低阻状态，随着电阻的减小三极管Q8的基极电压将会增大，三极管Q8就会饱和导通，最终三极管Q8集电极输出低电平，也就不参与工作。
与之相反，光照强度一旦低于一定程度时（即设定参数），光敏三极管D6就会立即呈现出高阻状态大于100KΩ，那么三极管Q8就会截止，Q8的集电极就会输出高电平，最终也就参与电路的工作。
可变电阻R9的作用是调节教室中环境光的光照强弱灵敏度参数，当它的阻值变化时，三极管Q8也会随着她阻值的不同在不同的环境光照强度下而导通。
R10、C9组成的电路则是为了防止外界的干扰而精心设计的，它们具备了抗干扰的能力。
图3.5环境光采集电路图
二、人体存在传感器的工作原理
我们大自然中各种各样的物体，如人体，木材，石头，等都会各自发出不同波长的红外线，所以我们可以利用红外线传感器对它们进行检测。
红外传感器一般分为热型和量子型两类。
与量子型相比，热型的红外传感器的优点就是波长范围较宽，并且可以在常温下正常工作。
量子型与热型的恰好相反，并且要求冷却条件。
本系统采用的是热释电红外传感器，人体存在传感器主要采用了红外传感器的原理。
人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性如下：
众所周知人的体温一般都在37℃左右，正是因为体温的存在，那么人体就会发出红外线，它的波长大概为10μM，那么被动式红外探头就可以根据人体发射出来的红外线来进行工作了。
红外感应源采用热释电元件，一旦这种元件接收到人体红外辐射温度发生变化，它就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生有人体存在的信号[12]。
1）这种探头就是专门被用来进行探测人体辐射，那么热释电元件就会对波长为10μM左右的红外辐射极其的敏感。
2）为了增强使它只对人体红外辐射的敏感程度，可以在它的辐射照面上覆盖菲尼尔滤光片，这样它就不容易受到外界环境的干扰。
3）对人体是否存在进行探测，这个传感器是由两个互相串联的热释电元组成，而且这两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。
4）只要有人进入到探测区域之内，那么人体发射出的红外线就会立即被部分镜面聚焦，人体存在传感器的热释电元就会及时的接收到它，由于两片热释电元各自接收到的热量不不一样，所以他们就不能相互抵消，最后经过信号处理以后就会输出人体存在信号。
5）当设计对菲尼尔滤光片性能的要求不一样时，它就会产生不一样的焦距（感应距离），因此也就会产生不一样的监控现场，随着视场的增多，控制就会变得越严密。
只要有人进入到特定区域之内，不断移动的人体就会发出红外线，红外传感器此时就会及时的接收到它，因此人体是否存在就会被及时感应到，一旦被感应到就会输出高电平。
三、人体存在信号采集电路
人体传感器HP-208基于红外线的智能产品，它的主要特性如下：
（1）感应的方式是全自动的，只要有人体进入到感应范围区域之内，它就会立即输出高电平（高3.3V）。
与之相反，当人体不在感应范围区域之内时，那么它就会自动的延时及时关闭高电平，并且输出低电平（低0.3V），高低电平有利于信号的采集；
（2）通常一定要记着采用可重复这种触发方式来进行。
即使有时它感应输出了高电平，只要在延时这段时间范围内，如果此时有人体依然在它能感应的范围活动之内，那么输出就会一直保持高电平，一直等到人体离开，延时15s之后高电平就会立即变为低电平；
（3）人体传感器工作电压宽为DC3V-DC24V；
（4）其静态电流小于50μA，功耗低；
（5）工作温度介于-15℃和+70℃之间，适应性强；
（6）灵敏度高，可靠性强。
正如下图所示，电源的信号端接在了人体传感器的1号引脚上面，接地信号端接在了3号引脚上面，采集信号输出端接在了2号引脚上面。
电路中的电容可以使传感器的工作更加可靠，100KΩ的上拉电阻可以增加人体存在传感器输出信号的可靠性，其电路原理图如图3.6所示。
图3.6人体传感器电路图
3.2.5系统时钟电路
为了满足教室灯光使用的要求，此系统在某些情况下还受到了时间的控制，因此为了使系统智能化的进行还应该加入时钟电路。
因为系统停电后，需要及时的为时钟电路提供电源、并且又不能占用太多单片机资源，所以本系统采用美国DALLAS公司推出的具有充电能力的低功耗1×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器的实时时钟芯片DS1302。
这种芯片用到的是串行通信方式，它的作用是可以为掉电保护电源充电，我们有时也可将此项功能关闭。
该芯片对年、月、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V[13]。
DS1302只需三根线即可与单片机进行通信，体积小，使用简单，时钟精度较高[14]，满足系统的要求。
可为掉电保护电源提供可编程的充电功能的时钟芯片DS1302的引脚图如图3.7所示。
图3.7DS1302的引脚图
DS1302与单片机接口电路的连接原理图如图3.8所示。
其中Vcc2为系统的备用电源，它外接了3.6V可以充电的锂电池。
Vcc1外接系统供电模块的输出稳定电压+5V，为DS1302的主电源。
DS1302由Vcc1和Vcc2两者中较大者供电。
只要Vcc1大于Vcc2+0.2V，Vcc1就会给DS1302提供电能，此时系统就会正常的运行；主电源关闭时，Vcc1就会小于Vcc2，这时Vcc2就会给DS1302供电，这样时钟就可以持续的运行了。
X1和X2是振荡源，外接32.768kHz
升级会员 