基于51单片机的教室智能照明控制系统.docx

基于51单片机的教室智能照明控制系统.docx

《基于51单片机的教室智能照明控制系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于51单片机的教室智能照明控制系统.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于51单片机的教室智能照明控制系统

绪论

1教室灯光自动控制整体描述

1.1灯光控制总体思想....................................................................................7

1.2灯光控制方案分析....................................................................................8

1.3本章小结.......................................................................................................................9

2硬件电路设计

2.1微控制器...................................................................................................................10

2.1.1核心控制模块......................................................................................11

2.2教室人数检测模块................................................................................11

2.2.1热释电红外传感器的原理..............................................................11

2.2.2教室人数检测模块的功能实现.....................................................12

2.3教室光照强度检测模块.......................................................................14

2.3.1光敏电阻的选择及功能简述..................................................14

2.3.2光敏电阻检测光强原理...........................................................16

2.4按键控制模块..........................................................................................17

2.5液晶显示模块..........................................................................................18

2.6时钟模块...............................................................................................................19

2.7本章小结...................................................................................................................21

3系统软件设计

3.1系统监控主程序模块........................................................................................21

3.2系统自检及初始化..............................................................................................22

3.3系统主程序流程图.................................................................................22

3.4系统子程序流程图..................................................................................22

3.4.1按键控制流程图..............................................................................................23

3.4.2液晶显示流程图..............................................................................................24

4系统仿真

4.1调试方法与步骤..........................................................................................................27

4.2主要问题分析..............................................................................................................27

5总结与展望

5.1总结.....................................................................................................................................28

5.2展望.....................................................................................................................................28

参考文献........................................................................................................................29

致谢.............................................................................................................................30

摘要

该课题的研究对象是当前的各大院校对于不合理使用电力资源的现象，综合分析了传统照明系统和智能照明系统对灯光的控制方法，提出了以51单片机为核心的教室智能照明控制方案。

在此基础上，将此照明系统分为硬件和软件两个部分，其中硬件部分包括核心控制模块、液晶显示模块、时钟模块、红外检测模块和灯控模块等，STC89C52单片机作为该控制系统的核心元件，处理来自各个模块传输而来的信息，人体的存在通过热释电红外传感器来检测，教室中的光强度则利用光敏电阻设计的电路来检测，分析开灯所需的必要条件，该系统通过对人体是否进入教室里面，和教室中光强的检测以及是否达到设定开关时间段等条件的判断，将这些信息综合处理之后，从而实现对教师灯光智能控制的目的，避免大量浪费电力资源。

该系统具有安装方便、工作稳定、实用性强等优点，在很大程度上，能够帮助各高等院校实现对教室灯光的智能控制，从而在一定范围内实现对能源的节约和利用，本系统所采用的编程语言是C语言，采用模块化的设计思想，结构清晰合理，可移植性好，便于改进和扩展。

【关键词】：

灯光控制；热释红外传感器；光敏电阻；AT89C52

TheAuto-controlSystemofClassroomLights

Abstract

Theresearchobjectofthistopicisthephenomenonofunreasonableuseofelectricpowerresourcesinthemajorinstitutions.Thepaperanalyzesthecontrolmethodoflightingintraditionallightingsystemandintelligentlightingsystem,andputsforwardtheclassroomintelligentlightingcontrolschemewith51singlechipasthecoreTheOnthisbasis,thelightingsystemisdividedintotwoparts:

hardwareandsoftware,includinghardwarecontrolmodule,liquidcrystaldisplaymodule,clockmodule,infrareddetectionmoduleandlightcontrolmodulelamp.AT89C52microcontrollerasthecorecomponentsofthecontrolsystem,theexistenceofthehumanbodywithapyroelectricinfraredsensortodetecttheclassroomlightintensityistheuseofphotosensitiveresistordesigncircuittodetect,accordingtothenecessaryconditionsforclassroomlighting,thesystemthroughWhetherthehumanbodyintotheclassroom,andtheclassroomlightintensitydetectionandwhethertosetthetimetoswitchtheconditionsofthejudge,aftertheintegratedtreatmenttoachievethepurposeofclassroomlightingintelligentcontrol,thusavoidingtheclassroompowerresources,alotofwaste.Thesystemhastheadvantagesofsmallsize,highreliability,convenientcontrol,practicalityandhighcostperformance.Itcanhelpthecollegesanduniversitiestorealizetheintelligentcontrolofclassroomlightingtoalargeextent,soastorealizetheenergysavingandUse,thesystemusedbytheprogramminglanguageisClanguage,theuseofmodulardesignideas,clearandreasonablestructure,goodportability,easytoimproveandexpand.

【Keywords】lightcontrol；heatreleaseinfraredsensor；photoconductivedynatronAT89C52

绪论

伴随着现代科技的不断进步和人类文明的发展，资源的合理开发与利用已成为各国竞争的必然要求，但在人类开发和利用资源的同时，不可避免的会产生一些浪费，然而其中摩羯浪费并非不可避免的，我们只需要将这些浪费的资源通过合理有效的手段，就能减少这些不必要的浪费，使资源得到充分的利用。

而这对于我国，甚至是全人类来说，无疑是一种行之有效的办法，对于缓解目前世界能源资源短缺的问题，有着突出的意义。

人们对于灯光的控制，很早之前就已存在，但均是以人工控制为主，现阶段，我国对于智能照明控制系统的应用，已慢慢开始采用，但对于当前各大院校的教室照明系统来说，处于主导地位的依然是人工控制，然而由于人无法实时控制教室中灯的亮灭，因此，仅仅依靠人工来管理，不仅投入的人力资源非常大，而且取得的效果也不明显。

对于目前我国各大院校的不断扩招，教学楼不断的新建，但教室中的照明控制系统依然是传统的人工控制，由于并不能保证教师上完课，教室的学生走完之后会有人立刻关闭教室中的灯，因此这种情况将使得电力资源大量的浪费，显然，这种做法与当前阶段我国可持续发展的理念相违背。

现阶段，我国大多数高校教室照明系统采用的依然是传统的照明系统：

多个支路由一个主电源经过配电箱分出来，教学楼内的其它灯具则由这些支路来供电，灯具的连接方式一般为串联或并联，然后通过人工对开关的控制，进而来控制这些灯具的开和关，此系统的主要缺点是人工对开关的控制，但有些情况下人无法实时这些灯具，因此，该系统无法实现人性化、特定情形下功能化的系统管理。

虽然现在有一些通过其他方式来控制灯的亮灭，如声控开关，它通过声音的强弱来确定灯的亮灭，但一旦外界条件非一般情况，如声控开关周围有噪声或下雨天打雷的特殊情况时，仍会造成电能的浪费。

并且就声控电路来说，它所能实现的功能非常有限，即在有声音的情况下灯才会亮，声控系统的结构虽然简单，但是功能却非常单一，并且无法实现人性化控制。

随着社会不断的向前发展，机械自动化的应用不断提高，生活中大量地应用计算机技术，教室照明系统也应朝着人性化和智能化的方向发展。

本系统主要通过热释电红外传感器感知人的存在以及通过光敏电阻检测教室内的光强，通过对这些信息的采集，经由单片机处理，从而来控制教室中灯的亮灭，实现教室灯光的智能控制，达到节约能源的目的。

研究的目的以及主要内容：

目的

1.设计可行性的教室智能灯光控制系统。

2.使系统人性化和智能化

3.节约能源

主要研究内容：

（1）智能灯光的构想；

（2）检测方案的设计；

（3）教室人数的统计；

（4）热释电红外传感器的原理；

（5）人体信息和教室光强信息的采集与处理；

（6）单片机控制系统的应用；

（7）软件的仿真；

（7）硬件的调试与分析；

1.教室灯光自动控制系统整体概括

1.1灯光控制总体构想

该智能照明控制系统所采用的核心元件是STC89C52单片机，在单它的外部连接着其它电路，其外围电路包括：

人体信息采集电路、光强采集电路、液晶显示电路、时钟电路、开关控制电路等。

对于人体信息的采集，所采用的是热释电红外传感器，通过红外发射管和红外接收管，将采集到的信息传递给单片机，单片机再进一步处理这些信息。

而环境中的光强则通过光敏电阻来采集，光强强，则流过光敏电阻的电流小，光敏电阻上分得的电压低，经比较器之后将标准信号传入单片机进行处理。

考虑在正常条件下教室灯光亮灭的条件，整个系统首先通过热释电红外传感器对人体信息的采集和光线检测电路对光强信息的采集，以及软件对开关灯时间的设定，单片机将这些信息进行综合处理判断，进而智能控制教室中的灯光。

方案设计流程图如下：

图1系统设计流程图

1.2灯光控制方案的研究

该套教室灯光智能控制系统，具有对教室中人数统计和在正常环境下教室内光强度检测的功能，在现实生活中，对灯光控制的情况下，教室的灯光在该系统的智能控制下，能够实现易于管理和节约能源的目标，该智能控制系统包括两种控制模式：

1.自动控制模式。

2.强制执行模式。

自动控制模式：

在将编写好的程序烧录进单片机后，将电源接入该系统，按下硬件电路上的复位按钮，使系统处于自动控制状态，当教室中的光强较大时，流过光敏电阻的电流小，此时光敏电阻上的电压就小，在这种情况下，不管教室内有没有人，灯都不会亮，即光强强，则灯不亮，作为系统开关灯的判据之一。

而当教室光照强度较小时，此时光敏电阻上所分到的电压就会较大，若此时并未到开灯所设定的时间，则教室的灯依然不会亮，而当时间处于开灯所设定的时间段时，系统通过对进入教室中人数的统计，以此来确定所开灯具的数量和位置。

当有人从室外进入室内时，位于教室门口的红外对管开始工作，此时人体信号转换为电压脉冲信号，将此脉冲信号经过隔离缓冲送到CPU，信号被处理后，CPU会发送指令使液晶显示器上显示当前教室内的人数，反过来，当有人从教室出来时，液晶显示器上人数将自动减1，而当教室人数减为零时，此时的条件已不满足开灯所设定的条件，则不管教室里面的光强有多低，系统均关闭灯光，因此教室中是否有人也是作为开关灯的条件之一。

强制执行模式：

电路工作在正常环境下时，无论教室里面的光强是强或者是弱，也不管时间是否达到系统所设定的开启时间，只要人为按下强制转换按钮，则该系统立刻变换为手动控制电路，即通过人工对开关的操作，来控制教室灯的亮灭。

当需要再次启动智能照明控制系统时，通过复位按钮或者再次按下转换按钮，则系统将再次工作在自动控制模式下。

系统结构图如下：

图2系统方框设计图

1.3本章小结

本章介绍了教室智能照明系统的设计方案以及如何实现该方案所需要的条件，通过分析可知对灯光的智能控制条件主要分为三个：

一是光强是否足够弱，二是是否达到了教室灯光开的时间，三是是否教室里面是否有人，对于这三个条件，缺少其中任何一个条件，灯就不会亮。

2硬件电路设计

2.1微控制器

STC89C52单片机是STC公司生产的一种微控制器，它的特点是：

低功耗、高性能，且具有8K字节的可编程Flash存储器。

STC89C52系列单片机使用经典的MCS-51内核，对于目前市场上存在的一系列单片机，大多数都是在原来的基础上做的一些改进，因此，和传统系列的单片机相比较，改进的这些芯片在功能上更加完善。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和可编程Flash，使得众多嵌入式控制应用系统选择STC89C52芯片来工作。

STC89C52单片机的标准功能如下：

32位I/O口线，8k字节Flash，512字节RAM，内置4KBEEPROM，看门狗定时器，复位电路，16位定时器/计数器3个，全双工串行口，外部中断4个。

除此之外，STC89X52有两种省电模式可供选择。

在空闲模式下，当cup停止工作时，此时RAM、定时器/计数器、串口、中断等能够继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机停止一切工作，当下一次中断或硬件复位时，单片机再重新开始工作。

最高工作频率为35MHz。

图3为单片机引脚图：

图3STC89C52引脚图

2.1.1核心控制模块

该系统的控制模块是以51单片机为核心的硬件的电路，其组成部分主要由复位电路和晶振电路两部分组成，对于晶振的选择，一般情况下为了方便计算以及电路工作频率不是很大时，选用12MHz的晶振，与晶振相连接的电容通常在皮法量级，如22pF、30pF、47pF等。

对于复位电路，其复位的时间可利用公式

来计算，对于本系统，所选用的电容和电阻分别是10uF和10k.单片机最小系统如下图所示：

图4单片机最小系统

2.2教室人数检测模块

2.2.1热释电红外传感器的原理

热释电红外传感器的制作原理是基于热电效应。

热释电红外内部的热电元由高热电系数的钽酸锂以及铁钛酸铅汞陶瓷、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，它的极化随着温度的变化而发生变化。

为了防止因自身的变化而带来的负面效果，这种传感器在工艺上的连接方式为，将两个特征一致的热点元反相串联或连成差动形式，即使不与物体直接接触，对于外部红外线能量的变化，依然能够检测得到，并通过转换将其转换为电信号，随后将其输出。

在结构上，热释电红外传感器为了完成阻抗变换，引入了场效应管。

由于热电元输出的是电荷信号，因此并不能直接使用，这时为了使输出为电压形式，故需要通过电阻来进行转换，此时，应选择阻值较高的电阻进行转换，因此，引入N沟道结型场效应管接成共漏形式（即源极跟随器）来实现阻抗变换。

热释电红外传感器包括三个部分：

传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器。

设计时，高热电材料被制成一定厚度的薄片，并将金属电极镀在它的正反两面，然后加上电使其极化，了热释电探测元便由此制成。

由于加电极化的电压是有正负极性之分的，因此极化后的探测元也分为正负两极。

图5双探测元热释电红外传感器

图5是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。

在使用的时候，D端接电源正极，G端接电源负极，信号则从S端输出，为了消除因环境和自身变化所引起的干扰，两个极性相反、但特性一致的探测元串联在一起组成该传感器。

为了让传感器得到补偿，它利用两个极性相反，但大小相等的干扰信号在内部互相抵消。

对于外界红外辐射辐射到传感器上，热释电传感器则通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜在其聚焦后加到两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。

2.2.2教室人数检测模块

热释电红外传感器采集到的信号首先经比较器LM339缓冲，通过比较之后将此信号接到单片机上的I/O口上，在软件设计上，通过对此I/O口的不断扫描，将此信号与基准信号进行对比，从而来统计进入教室的总的人数。

对此，另外一种方法就是通过该引脚和中断引脚相连，利用外部中断的方法，使教室中的人数通过电信号来进行转换。

本系统所采用的是普通引脚信号检测的方法，将两对红外对管放置在教室的进门处，其中一个发射红外线，另一个则用来接收，之所以放置两对红外对管是为了使判断结果更准确。

当有人经过教室门口时，红外发射管发射红外线，经人体反射之后，红外接收管将反射回的光线进行接收，与此同时，位于门口的指示灯被点亮，随后传感器将采集到的信号传输给单片机，单片机经处理之后在液晶屏上显示人数加1，每当有人从门口进入教室时，液晶显示屏上的人数不断增加，直至软件设定的最大值，当有人从门口走出时，门口此时的红外对管和进入时的顺序刚好相反，此时经比较器LM339之后传入单片机的信号与进入时的信号也相反，单片机将信号处理之后使液晶显示屏上的人数减1。

图6红外对管检测电路

LED7和LED6这两个二极管为红外接收管，LED8和LED9这两个二极管为红外发射管，这两对二极管组成红外对管，电阻R21和R22的目的是为了限流，避免因电流过大而导致元件损坏，R12和R13是位于接收端的上拉电阻，为了使输出得到高电平。

当红外对管前有人经过时，接收管收到人体反射回来的红外线，此时接收管导通接地，电压低于输入端的2.5V，V+V-，输出高电平，LED指示灯灭，单片机通过对传输来的高低电平进行判断，以此来确定是否有人进入教室中。

L