基于单片机的光照度自动调节系统设计论文大学论文.docx

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基于单片机的光照度自动调节系统设计论文大学论文

摘要

随着互联网技术带动下的物联网的发展，智能家居逐渐开始迅猛发展。

照明作为家庭用电中的重要部分，智能照明也拥有广阔的发展前景。

而且随着人们对能源节约的越来越深入人心的认识，设计一种可以随着光照强度的变化来调节自身亮度的照明设备显得很有必要。

针对这一问题，本设计采用光照传感器模块采集环境光照强度，然后利用STC89C51单片机对灯光亮度进行控制，完成了光照强度的实时检测与显示，同时可对灯光进行相应的亮度调节，完成了各功能模块的硬件电路设计和软件程序编写，最后用Proteus进行了模拟仿真。

仿真结果表明该设计实现了光照强度的实时检测与显示并能对灯光亮度进行适当调节。

关键词：

智能照明；光照强度检测；STC89C51；灯光自动控制；

Abstract

WiththedevelopmentofInternettechnology,thesmarthomeisbeginningtodeveloprapidly.Asanimportantpartofthehousehold,intelligentilluminationalsohasahugedevelopmentprospect.Andastheunderstandingofenergysavingisdeeplyrootedinpeople’smind,designingakindoflightwhichcanchangeitslightintensitywiththesurroundingisverynecessary.

Inordertosolvethisproblem,thisdesignusesthelightsensormoduletocollectenvironmentallightintensityandthenuseSTC89C51microcontrollertocontrolthelightbrightness.Completedthereal-timedetectionanddisplayforthelightintensity,andtoadjustthebrightnessofthelightingaccordinglyasystemofthedesignofthehardwaresystemandsoftwareprogram.AfterthesimulationwiththeProteus.Thesimulationresultsshowthatthedesignrealizesthereal-timedetectionanddisplayofthelightintensityandcanadjustthebrightnessofthelight.

Keywords：

Intelligentlighting；Lightintensitytest；STC89C51；Automaticlightingcontrol

1绪论

1.1课题研究的背景及意义

电灯是人类最伟大的发明之一。

自从有了电灯，人类就没有了对黑夜的恐惧。

自从有了电灯，人类就增添了光明的信心。

自从爱迪生发明第一盏炭丝白炽灯以来，电灯光源经历了由白炽灯到低气压气体放电灯，到HID高强度气体放电灯，再到LED发光二极管的演变。

电灯光源演变的动力基本在于更高的亮度需求，更低的能耗要求等等。

随着科学水平的发展和社会的进步，人们对能源的需求量愈来愈大[1]。

而受限于目前大比例使用的化石能源的不可取代性。

能源的节约与合理利用成为社会科学中迫切需求的研究课题。

在能量消耗之中，照明所消耗的电量在每一个国家的用电总量中都占比较大的比例。

据相关部门统计，照明应用消耗的能源大约占全球消耗总能源的19%[2]。

其中我国每年照明消耗的电量占全国总耗电量的12%；随着我国经济社会的快速发展，照明用电量还在以大约每年5%的速度增长。

在很多使用照明设备场合，由于大多数照明设备灯光不可调节，所以产生许多不必要的能量浪费和由此产生的经济损失。

因此设计一种可以随着外界光照强度变化来调节照明设备的照明强弱的系统具有重大深远的经济效益和社会意义。

在众多照明设备中，LED灯比其他比如荧光灯，节能灯、高压，钠灯等更容易实现而且能耗也更低[3]。

现阶段社会公民的节能意识的淡薄，造成了电能的极度浪费，一般存在以下几种浪费现象：

①由于我国大多数人的节能意识还很淡薄，对能源的使用很随意。

而且由于在阳光照射条件人眼对照明设备发出的相对微弱的光不很敏感，在自然光照的条件下，人们往往不太容易觉察到灯光的存在，因此，设计一种可以进行光照强度自动调节的系统可以在很大程度上方便我们的生活；②楼道里安装的灯在不需要时往往并不引人注意，而且也由于其使用情况的随机性，也并太容易对其进行很好的控制[4]。

如果楼道里安装的灯能在有人或者无人的条件下自动调节灯光光照强度，将促使我们在生活的点点滴滴上注意节约能源；从全国范围来看，这些也同样是对电力资源的一种极大的浪费，同时，这种有形和无形的浪费，给社会越来越带来了沉重的负担，不利于社会的可持续发展[5]。

总的来说，一个好的光照度自动调节系统可以改善工作环境，提高工作效率；一个好的光照自动调节系统也可以为我们提供一个良好的节能效果，并且可以延长灯具使用寿命；一个好的光照度自动控制调节系统可以提高管理水平；一个好的光照度自动调节系统还可以产生较好的投资收益效果[6]。

因此，设计一个高效的光照度自动调节系统是有意义而且有需要的。

1.2国外研究现状

目前在全球范围内，丹麦一直走在能源的利用与节约前列。

其在能源利用与节约方面的成功经验给我们提供了一个很好的借鉴。

他们不断地建设或经自主研发或由国外引进的先进节能照明及供热系统。

政府及其注重家庭耗电和公共照明的节约，并且规定了许多各类住房节能目标的硬性指标。

该国统计数据显示，所有居民入住未装有各种节能装置的房屋时，他们最终将会花费比拥有节能方案的同类房屋高出8%的费用[7]。

该国的节能项目经验教训在已经欧盟国家中广为流传。

国外研究并成功开发的智能照明及控制系统，按照网络拓扑可以为集中式和分布式。

集中式主要为星状结构，该结构以中央节点为控制核心，把其他节点全部连接起来。

其中所有的照明控制器、信息采集器和控制面板等都在中央节的控制器上，由中央控制器向周围的执行单元发送指令从而来调节设备的发光情况；与之相对应的另一种系统结构为分布式，该系统以中央节点来统筹全局，组建起主干网络和若干子网[8]。

各个设备都有独立的信息处理及逻辑控制单元，显示和控制部分直接连在子网，从而有更加高效的调节速率。

1.3国内研究现状

在我国目前还不太成熟的市场中，尽管智能照明及其控制设备发展前景十分广阔，但受限于当前市场环境条件和由于未能普及所造成的价格较高等特点，智能照明及其控制设备目前在我国仍未得到较大面积的推广和使用。

而且目前社会仍缺少智能照明及其光照控制产品的消费意识，商家和厂家也未对其进行及时的宣传，因此我国当前的智能照明仍具有较大发展前景[9]。

然而，智能照明设备对于国内目前的消费水平仍显得有些奢侈，智能照明设备的价格十分高昂，相比其节约的能源，民众还是难以负担智能照明设备相比传统照明设备产生的额外费用，所以智能照明产品及控制设备在当今社会上还难以真正实现大规模普及。

国内智能照明行业已逐步兴起，海尔、瑞郎等都已投入大量精力于智能照明和相关设备的研发[10]。

随着互联网时代的到来，以及现代通信技术等一系列先进技术的发展，人们越来越重视数字化家居。

智能照明及设备作为智能家居的重要部分，能在很大程度上促进家居智能化的发展，随着智能家居的热潮，智能照明市场也渐渐有兴旺发展的势头。

鉴于当前发展势头，智能照明设备和技术将很快走进人们身边[11]。

1.4本设计主要内容

本设计以外界环境光照强度的实时检测及灯光光照强度的控制为研究方向，研究了各种目前可行的数据采集方案和灯光光照强度的调节方式，经分析比较最后确定了合适的方案。

设计了一个以STC89C51单片机为核心的控制电路，用罗姆半导体公司生产的BH1750FVI型光照强度传感器进行外界环境光照强度信息的获取，通过总线将光照强度数据信息送给单片机，经过单片机处理后，通过LCD1602液晶进行当前光照强度的显示，并根据采集到的光照强度数据进行判断，调节通电发光二极管的数量，从而实现自动光照调节。

本文主要内容如下：

第1章主要介绍了光照自动调节设备及技术的研究背景，其在国内和国外的研究发展状况等，为本设计提供了相关理论依据和应用前景分析。

第2章主要介绍了系统拟采用的光照强度信息获取方案的选择及调光方案的选择，详细分析比较了各种方案的优缺点，并最终确定了本设计所采用的方案。

第3章主要介绍了本系统所采用的硬件电路，完成了从各元器件的选则到各模块原理图的绘制，以及整个系统的搭建。

第4章主要介绍了本系统控制程序的编写编译和仿真，并对所得结果进行了详细的分析。

2方案分析

2.1光照传感器的方案分析

信息是控制的前端，只有获取目标信息后才能对系统进一步进行控制。

为了控制灯光亮度，本系统需要采集外界光照强度信息，获取该信息后下才能继续之后的信息处理及灯光控制工作，故而需研究与讨论光照强度信息的获取方式。

方案一：

光敏电阻器

光敏电阻器主要由半导体光电晶体组成。

当有阳光照射到光电晶体表面时，该晶体内的载流子数量将会随光照强度的增加而随之增长，与此同时电导率会随之增强[11]。

光敏电阻器本质上就是利用半导体的光电效应而制成的一种阻值会随入射光的变化而变化的可变电阻器。

当入射光的光照强度大时，阻值将下减，当入射光的光照强度小时，阻值会变大。

将其与一已知且固定阻值的电阻串联接入电路，就可以根据其分压值的变化来测量光照强度的对应改变。

但其输出的电压信号是模拟信号，还需继续增加一模数转换，并需要对硬件进行不断调试，而且还需要对不同的光照强度进行标定，增加了成本和难度，且可靠性较低。

方案二：

光照强度传感器

成熟的商业光照强度采集模块的内部集成了传感器、调理电路、放大电路和模数转换。

拥有精度高，可靠性好，实时性优，性价比高等诸多优点[12]。

目前已经商业化的光照采集模块有Intersil公司生产的ISL29033，罗姆半导体生产的BH1750FVI，OnElectronics公司生产的On9658等等。

这种类型传感器具有片内高集成度，很强的可靠性，和高性价比的特点，能够实时监测光强并将数据传递给控制芯片。

依据以上比较，在能够达到目的的条件下，方案二中的BH1750FVI是更加合适的方案。

故本设计中采用罗姆半导体生产的BH1750FVI作为光照强度采集模块。

2.2调光方式的方案分析

目前光照调光方案有模拟调光、可控硅调光和控制点亮LED数量调光三种方案。

下文会以这三种方案来展开分析：

方案一：

模拟调光

模拟调光的原理是通过改变电流的强弱，来实现改变灯的亮度[13]。

普遍采取的实现方法有两种：

其一是调节与灯串联的限流电阻Rs的大小，从而实现调节电流的目的；其二是采取控制电流调节芯片的模拟调光功能引脚来控制输出电流的大小，进而调节灯光亮度。

模拟调光具有一个很大的缺点：

驱动器的能量利用效率会随输出电流的减小大幅度下降，而这必将使整体耗能加大，使能源利用的效率下降，不符合节能趋势。

再有由于灯光的电流和色温之间存在着相关关系，因而灯光色温会随着电流的变化而产生变化[14]。

因此在许多对灯光颜色有要求的条件下，不适宜运用模拟调光。

方案二：

可控硅调光

三端双