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
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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
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
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
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学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
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日期：
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注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
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。
EEPROM
存储器模块
AT89S51
单
片
机
最
小
系
统
环境光采集电路
看门狗模块
人体存在传感器
按键电路
时钟模块
图3-1
被控灯具
继电器驱动模块
超时报警模块
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
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