基于单片机的智能照明控制系统设计1.docx
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基于单片机的智能照明控制系统设计1
设计名称：
智能照明控制系统
组别：
第五组
组长：
XX
组员：
XX
基于单片机的智能照明控制系统设计
随着电子技术的飞速发展，基于单片机的控制系统已广泛应用于工业、农业、电力、电子、智能家居等行业，微型计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心，代替了传统的控制系统的常规电子线路。
本文介绍了基于单片机AT89C51的室内灯光控制系统及其原理，提出了有效的节能控制方法。
该系统采用了当今较成熟的传感技术和计算机控制技术，利用多参数来实现对学校教室室内照明的控制。
系统设计包括硬件设计和软件设计两部分。
工作时,光信号取样电路采集光照强弱、人体信号采集电路采集室内是否有人、是否为工作时间等信息并将信号送到单片机,单片机根据这些信息通过控制电路对照明设备进行开关操作,从而实现照明控制,以达到节能的目的。
5评价………………………………………………………………………………………………..
6组员分工…………………………………………………………………………………………..
1引言
1.1研究背景
如今普遍高校都是开放型的管理模式，高校的教室在白天室内照度很高的情况下，仍然普遍存在开灯作业；即使是很少的时候也是整个教室的灯全亮着。
甚至教室无人的时候灯仍然亮着。
这些现象普遍存在于各大高校，浪费了电力资源。
目前通常使用的节电方式有实行手工控制，声控型，太阳能灯等。
但是它们都存在一定的弊端。
手工控制方式操作不便，费时费力，而且需要人工控制。
声控型则容易存在判断不准确，当不是人为需要的时候，其它噪声也可能会让灯亮。
太阳能设备投资比较大，且容易受光照强度的影响，不适合用在教室设施场所。
因此市场上迫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。
1.2智能照明控制系统的优点
智能照明控制系统是指用计算机技术并辅助以其它手段，对电力照明实行智能控制，提供合适照明光环境的同时降低照明系统电能消耗和其它使用费用。
智能照明控制系统于手动照明控制系统相比有很多优点，包括创造环境气氛，改善工作环境、提高工作效率，良好的节能效果，延长光源寿命，管理维护方便等。
1.3智能照明控制系统的组成
智能照明控制系统主要由输入装置、处理器和执行器三个部分组成。
输入装置可以不断检测周围环境的光照度水平，可以探测到某个区域是否有人移动，以及输入人们的控制指令，并把相应的信号传送给处理器。
输入装置包括传感器、定时装置和控制面板或遥控器。
处理器接受输入装置的信号，经过信息处理、判断、分析，输出控制信号。
执行器与灯具直接连接，控制灯光回路的闭合或断开和调节灯光到相应的水平，包括手动开关。
2设计部分
2.1设计要求
控制器的主要目的是对灯的开关状态进行控制。
工作时根据时间，人工控制及光照等因素综合控制灯的开关状态。
光照检测电路和红外线传感器采集光照强弱、室内是否有人等信息送到单片机，单片机根据这些信息通过控制电路对照明设备进行开关操作，从而实现照明控制，以达到节能的目的。
系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。
硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。
硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。
硬件电路的设计最重要的选择用于控制的单片机，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。
硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。
软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。
本系统软件设计采用模块化系统设计方法，先编写各个功能模块子程序，然后进行组合与调整，经过调试后，达到设计功能要求。
2.2系统设计
系统设计可分为硬件设计和软件设计两部分。
根据我们需要实现的功能，合理选择元器件进行设计。
软件设计部分，应该结合硬件电路所要实现的功能进行设计。
主要针对光电检测电路和热释电红外传感器输出信号进行处理。
当光强的时候，系统对光照进行检测，产生信号并处理控制灯的开关状态，科学管理灯光的亮与灭，达到节约用电的目的。
2.3逻辑控制
教室内灯光控制系统根据天气、时间、等因素自动控制教室内灯光。
当教室或者其它照明场所里面有人时，或者需要进行作业时，如果光线较暗则开灯，光线很亮时则关灯，没有人时，或者不需要进行作业时，则关灯。
光线亮时则关灯，晴天时关灯，休息时间关灯。
根据上述要求，可以画出控制系统逻辑功能表，如表1-1所示。
室内灯光控制系统可以根据气候、人体等因素全天候自动控制室内照明电器的开和关。
做到光线暗时开灯，雨天阴天时开灯，无人时关灯，光线亮时关灯，晴天时关灯。
在确保室内正常照明同时，可有效防止无人时开灯﹑光线亮时开灯，从而达到节电目的。
根据上述要求，可以画出如表2-1所示控制系统逻辑功能表。
关系如果假设：
室内光线强度为A：
光线强时A=1，光线弱时A=0；
人体信号为B：
有人时B=1，无人时B=0；
作息时间为C：
上课时C=1，休息时C=0；
电灯开关状态为D：
合时D=1，断开时D=0。
则表1-1可以转化为表1-2。
由真值表可得出系统逻辑函数表达式为：
D=A·B·C
如下表所示
信号
室内光信号
人体信号
时钟信号
电灯的开关状态
参数
自然光照度
人体
作息时间
逻
辑
状
态
强
无
休息
断
强
无
上课
断
强
有
休息
断
强
有
上课
断
弱
无
休息
断
弱
无
上课
断
弱
有
休息
断
弱
有
上课
合
表1-1系统逻辑
表1-2逻辑系统真值表
信号
室内光信号
人体信号
时钟信号
电灯的开光状况
参数
自然光信号
人体
作息时间
符号
A
B
C
D
逻
辑
状
态
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
1
2.4硬件设计
2.4.1系统硬件总述
系统以单片微型计算机AT89C51为核心外加多种接口电路组成，共有四个主要部分：
光照检测电路、延时电路、热释电红外线传感器及处理电路、输出控制电路。
如图2-1所示
外围接光照检测电路、热释电红外线传感及处理电路、输出控制电路。
两个开关实现人工控制。
2.4.2AT89C51单片机介绍
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
外形及引脚排列如图所示。
2.4.3光照检测电路
光信号取样电路如图2-2所示，图中主要由光信号采集电路和A/D模数转换电路组成，其中模数转换是电路的核心。
信号经过采集送入A/D转换电路，通过单片机处理后，最终作为系统应用程序进行开关灯判断的依据。
A/D转换器的位数应根据信号的测量范围和精度来选择，使其有足够的数据长度，保证最大量化误差在设计要求的精度范围内。
本系统中，信号的测量范围的电压：
0.00—9.99V，精度0.01V。
在本次设计中选用了带串行控制的10位模数转换器TLC1549，它采用CMOS工艺，具有自动采样和保持，采用差分基准电压高阻抗输入，抗干扰性能好，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到（±）1LSBMax，芯片体积小等特点。
同时它采用了Microwire串行接口方式，故引脚少，接口方便灵活。
与传统的并行方式接口A/D转换器（例ADC0809/0808）相比，其单片机的接口电路简单，占用I/O接口资源少。
图2-2光信号取样电路
2.4.4人体信号采集电路
1）热释电效应原理简述
热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标，其工作原理是利用热释电效应，即在钛酸钡一类晶体的上、下表面设置电极，在上表面覆以黑色膜，若有红外线间歇地照射，其表面温度上升△T，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压△U。
常用的热释电红外线光敏元件的材料有陶瓷氧化物和压电晶体，如钛酸钡、钽酸锂、硫酸三甘肽及钛铅酸铅等。
实质上热释电传感器是对温度敏感的传感器。
它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极。
在环境温度有ΔT的变化时，由于有热释电效应，在两个电极上会产生电荷△Q，即在两电极之间产生一微弱的电压△V。
由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。
热释电效应所产生的电荷△Q会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，△T=0，则传感器无输出。
当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有△T输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。
所以这种传感器也称为人体运动传感器。
由实验证明，传感器不加光学透镜（也称菲涅尔透镜），其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可增加到10m左右。
2）人体红外探头介绍
热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线,并将其转变为电压信号。
热释电传感器具有成本低、不需要用红外线或电磁波等发射源、灵敏度高、可流动安装等特点。
实际使用时,在热释电传感器前需安装菲涅尔透镜,这样可大大提高接收灵敏度,增加检测距离及范围。
实验证明,热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜,则其检测距离仅为2m左右;而配上菲涅尔透镜后,其检测距离可增加到10m以上。
3）热释电红外传感器介绍
热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。
在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。
由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。
为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20m范围内人的行动。
菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。
当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而增强其能量幅度。
人体辐射的红外线中心波长为9~10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20um范围内几乎稳定不变。
在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
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