教室灯光自动控制系统设计与实现精品.docx
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教室灯光自动控制系统设计与实现精品
南阳理工学院
本科生毕业设计（论文）
学院：
电子与电气工程学院
专业：
电气工程及其自动化
学生：
指导教师：
完成日期2014年5月
南阳理工学院本科生毕业设计（论文）
教室灯光自动控制系统设计与实现
DesignandImplementationofAutomaticControlSystemofClassroomLights
总计：
29页
表格：
4个
插图：
23幅
南阳理工学院本科毕业设计（论文）
教室灯光自动控制系统设计与实现
DesignandImplementationofAutomaticControlSystemofClassroomLights
学院：
电子与电气工程学院
专业：
电气工程及其自动化
学生姓名：
学号：
指导教师（职称）：
评阅教师：
完成日期：
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
教室灯光自动控制系统设计与实现
[摘要]本设计通过对教室灯光自动控制方法的研究，分析了教室灯光自动控制的原理和实现方法，提出了教室灯光自动控制系统的设计思路，并在此基础上开发了智能控制系统的硬件装置和相应软件。
该设计以AT89C51单片机为控制核心，采用光敏三极管作为探头对环境光线强度进行检测，采用热释电红外传感器检测教室有无人进出；根据此控制系统对环境光信号和人体存在信号的智能判断，以及对教室合理开灯的条件，完成对教室照明回路的自动控制，从而达到节约电能的目的。
另外，采用液晶显示器显示教室内的人数，还提供超时报警模块电路，方便管理人员对教室进行管理等等。
采用模块化结构设计，具有体积小，控制方便，可靠性高，专用性强，性价比合理等优点，可以满足各类学校教室灯光控制的要求。
[关键词]AT89C51；热释电红外传感器；自动控制；光敏三极管
DesignandImplementationofAutomaticControlSystemofClassroomLights
ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyJIAYan-fang
Abstract:
Thedesignanalyzestheprincipleandrealizationmethodoftheclassroomlightautomaticcontrol,andputsforwardtheclassroomlightingdesignideaofautomaticcontrolsystem,andonthisbasistodeveloptheintelligentcontrolsystemhardwareandcorrespondingsoftwarethroughresearchingonautomaticcontrolmethodforclassroomlighting.ThedesignusesAT89C51single-chipmicrocomputerascontrolcore,usinglightactivatedtriodeasaprobetotesttheenvironmentlightintensity,usingpyroelectricinfraredsensortotesttheresultthatifanyoneintooroutoftheclassroom;Accordingtothecontrolsystem’sintelligentjudgmentoftheenvironmentallightsignalandthehumanexistencesignal,aswellastotheclassroomreasonableconditions,openingthelamptocompleteautomaticcontroloftheclassroomlightingcircuit,soastoachievethepurposeofsavingelectricity.Inaddition,thedesignusesliquidcrystaldisplaytoshowthenumberoftheclassroom,andprovidestimeoutalarmmodulecircuittofacilitatemanagementtotheclassroom,andsoon.Thedesignadoptsmodularstructureandhasadvantagesofsmallvolume,convenientcontrol,highreliability,strongspecificity,reasonablecostperformance,Itcanmeettherequirementsofclassroomlightingcontrolaboutallkindsofschool.
Keywords:
AT89C51;pyroelectricinfraredsensor;automaticcontrol;lightactivatedtriode
1引言
1.1本课题研究的目的及意义
随着社会进步和科学技术的不断发展，人们的生活水平也在不断提高，导致用电负荷的加剧，人类社会的进步越来越依赖于资源的开发和利用。
又由于近几年世界出现的能源危机，以及与日俱增的能源需求，因此，能源缺乏成为世界面临的严重问题，尤其对于我国这样的人口大国来说尤为重要。
在寻找替代品、提高能源利用率和节约能源等几种缓解能源危机的途径中，节能无疑是符合可持续发展的要求。
教室是高等院校学习和交流的场所，随着教室的扩建，对教室照明的需求也越来越多。
同时，高等院校为了便于学生之间进行相互动态的交流，通常都采用分时段开放式自由管理模式，这样对教室照明系统的管理就加大了难度。
由于缺乏对应的高效调配管理自动化系统以及有些学生节能观念淡薄，很多教室能源浪费十分严重，通常出现教室只有几个人，甚至无人时灯光还全部亮着，或者在光照强度满足学习要求时，照明系统还处于工作状态，造成了电能的大量浪费。
因此，提高教室照明系统效率显得至关重要。
目前，对于灯光的智能控制，国内外已经开始使用，但对教室灯光的自动控制却很少采用。
随着各类高等院校教学楼的扩建，教室灯光的使用越来越多，同时电能的浪费也越来越多。
同时，随着现代自动化程度的不断提高，计算机技术的普及，灯光的控制管理也在朝着自动化、智能化方向发展。
因此，开发简便且实用的教室灯光自动控制系统具有非常重要的现实意义[1]。
由于我国经济持续多年的高速发展，让能源问题日益突出。
虽然我国能源总储量不低，但人均量少，单位产值的能耗是发达国家的3-10倍，能源问题已成为制约我国经济发展的关键问题。
在寻找替代品、提高能源利用率和节约能源等几种缓解能源危机的途径中，节能无疑是符合可持续发展要求且符合可以从身边做起的选择。
据统计2005年，我国全社会的总用电量约为24000亿KW.h，照明用电量约为3000亿KW.h，且每年以13%到14%的速度递增，预计到2010年，照明用电量将超过5000亿KW.h，新增照明用电2000亿KW.h。
对于高等院校，据测算，其照明耗电占本单位所有耗电的40%左右，可见，在保证照明质量的前提下，对教室灯光进行自动控制，其节能效益和经济效益都是相当可观的。
中国十二五规划已经将城市绿色照明规划纳入重点，该规划除了强调控制污染和产品回收的问题，还着重强调节能降耗，节能新产品的设计等内容，说明我国已经对照明系统方面的节能十分重视，教室照明系统的研究正逐步发展。
目前，我国的照明用电约占世界总用电量的13%左右，采用高效照明产品代替传统的低效产品可节电60%-80%。
如今，北京正大力推行绿色照明工程，已推出上百万只绿色照明光源和部分节能电器。
另外，我国各类院校中，由于同学们的自觉节能意识薄弱，在光线足够强时也开着灯，上完课教室空无一人时灯还亮着的现象普遍存在，而且节能规划极为欠缺，教室的灯光控制完全由管理人员手工代替，教室极多，管理人员忙不过来，这样就造成不必要的电能浪费和经济损失。
对于国外关于教室灯光的自动控制设计，也有一定的发展和研究。
例如，丹麦在能源利用方面很成功，他们不断提供一些节能供热系统，尽可能有效的利用资源，给世界各地对能源的高效利用提供了很好的借鉴；还有欧司朗—斯维尼亚公司不断的推出新型高输出的荧光灯，节约6%的总系统功率，并具有更高的光通量和平均光通量；飞利浦照明公司推出的陶瓷金卤灯代替过去的卤钨灯，可节能60%。
种种迹象表明世界各国都在采取不同的方式来节约能源、节约电能。
1.2本课题研究的内容及技术要求
本课题包括数据收集模块、显示模块、主控模块。
该设计选用光敏三极管作为探头，来对环境光线强弱进行检测。
将检测到的光线强度传送给控制核心AT89C51单片机进行处理；用热释电红外传感器来检测教室内有无人进出，通过事前的设定，在显示器上显示教室内的人数，根据教室内的人数决定打开灯的数量。
本课题的主要技术要求包括：
（1）在正常环境下开启检测仪器，若外界光线较强，不管有无人进入教室，都不打开灯光；若外界光线较弱，就根据进入教室人数来选择打开灯的个数。
（2）在正常工作状态下，在教室的前门与后门各放置一个热释电红外传感器模块，检测有无人进出教室。
（3）能够控制时钟芯片显示系统时间。
（4）能够对人数实现加减计数。
（5）在LCD显示器上能够显示系统时间和室内人数。
（6）教室灯光控制系统一般安装在教室内避开电灯直射的位置，且热释电人体传感器安置时应使人体活动方向与人体传感器中两个热释电元连线方向垂直，这样可使人体存在信号采集更加灵敏、可靠，同时还要尽可能避免外界风直接吹向人体传感器。
2系统总体设计
2.1系统整体分析
本课题所研究的教室灯光自动控制系统，以环境光线强度和人体存在作为主要输入参数，同时结合对AT89C51单片机的软硬件进行控制，可以实现自动控制室内灯光的开与关。
当环境光线充足时，无论有无人，教室灯光均不亮；当环境光线较弱时，根据教室内人数决定打开灯的数量。
本课题利用开关K2模拟光敏三极管所采集的光照强度对系统进行控制，当K2按下表示外界环境光很强，灯均不亮，反之就根据人数来开灯；利用按键开关JIN与CHU来模拟热释电红外人体传感器所检测的教室内人数，即JIN按键表示有人进入，CHU按键表示有人出去，通过对进出按键的控制及对单片机的软件编程实现加减计数，并在LCD液晶显示器上显示教室内实有人数，通过事前对单片机的设定来决定自动开灯的数量，当教室内人数为零时自动关灯[2]。
另外，为了防止学生学习时间过长而作息不规律的问题，还设置了时钟电路和超时报警电路，在LCD显示器上显示当前时间，当22点时会报警一次，提醒该休息了，延时20秒后蜂鸣器会自动关闭。
本课题研究的教室灯光自动控制系统主要由硬件和软件两部分组成。
硬件部分是设计的前提，是整个系统执行的基础，为软件部分提供程序运行的平台。
软件部分是对硬件部分所体现的信号加以采集、分析、处理，是实现所希望系统达到预期效果必不可少的一部分。
通过硬件与软件配合使用，并结合相应外界可能出现的干扰对其进行消除和改进，最终实现控制系统所希望实现的各项功能的智能照明系统。
2.2应解决的主要问题
为实现教室灯光的自动控制需要解决如下关键问题：
（1）环境光参数输入采集问题；
（2）热释电红外传感器参数输入采集问题；
（3）LCD显示器的显示问题；
（4）按键模拟问题。
3系统硬件设计
3.1系统硬件组成
此系统控制单元主要以AT89C51单片机主控模块为核心，其次为由光敏三极管组成的环境光采集电路和由热释电红外传感器组成的人体存在采集电路为数据收集模块，以及由显示器构成的显示模块。
还有系统供电电源模块、看门狗模块、I2C总线读写EEPROM存储器模块、时钟电路模块、超时报警模块、灯控区模拟模块等。
此系统硬件结构框图如图1所示。
此硬件结构电路原理图见附录一所示。
图1系统硬件结构框图
3.2系统主要硬件电路
3.2.1系统主控电路
此系统主控单元是AT89C51单片机，如图2是其最小单元。
图2单片机最小系统模块
AT89C51单片机是ATMEL公司的一种曾在我国非常流行的一类单片机[3]。
具有与MCS-51产品完全兼容，具有4KB可在系统编程的Flash内部程序存储器，可擦/写1000次，128KB内部RAM,32根可编程I/O口线，2个16位定时器/计数器，6个中断源，可编程串行UART通道，低功耗空闲模式和掉电模式，有片内振荡器和时钟电路等特点；另外，其指令简单，外围电路及I/O口操作简单，易学易懂，还具有价格便宜，容易购买等优点[4]。
如上图2所示，AT89C51共有40个引脚，其中接5V电源正端的40引脚Ucc和接5V电源地端的20引脚Uss未显示。
单片机P1口是一个内部有上拉的8位准双向I/O口；P2口除了是一个内部有上拉的8位准双向I/O口，当CPU以总线方式访问外部存储器时，P2口输出高8位地址；P3口除了是一个内部有上拉的8位准双向I/O口，还具有第二功能。
单片机P0口作为通用I/O口时，由于其内部没有上拉电阻，因此通常要在其外部加一个上拉电阻来提高电流驱动能力，本设计用一个排阻RP1来接单片机所有的P0口。
单片机内部有产生振荡信号的放大电路，通过外接晶振等器件构成稳定的自激振荡电路属于内部方式产生的时钟电路，图中电容C5、C6通常取33PF，可稳定频率并对频率有微调作用。
AT89C51单片机在启动工作时要先进行复位，其有一复位引脚RST，高电平有效，此处用的是手动复位电路。
单片机I/O口与其外围电路接口的分配情况如表1所示。
表1I/O口与外围电路的接口分配
单片机I/O口引脚
外围电路引脚
说明
P0.0-P0.7
D0-D7
LCD数据口
P1.0
JIN
进入教室内人数按钮
P1.1
CHU
走出教室人数按钮
P1.2
D1
LED指示灯
P1.3
D2
LED指示灯
P2.0
RS
LCD数据/命令选择端
P2.1
RW
LCD读写选择端
P2.2
E
LCD读写信号
P2.5
时钟芯片复位端
P2.6
I/O
时钟芯片数据端
P2.7
SCLK
时钟芯片时钟线
P3.2
光敏三极管输入端
P3.5
超时报警信号输入端
3.2.2系统供电电路
由于单片机的供电电压通常为DC5V,而市电电压为AC220V，因此，要得到直流+5V电压，必须进行变压。
变压器若选用输出电压为12V的变压器时，整流滤波后输出电压往往大于12V，因此，应选输出电压为9V的变压器。
当系统接通220V交流电源后，变压器就将220V交流电变压到9V；再经二极管整流桥进行全波整流，电解电容C1、C2滤波；再经一个三端稳压集成电路LM7805；另外，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用了电容C3、C4，最后得到直流+5V电源，用于给主控单元单片机系统及其他外围电路的VCC端供电。
其供电电路原理图如图3所示。
图3系统供电电路图
3.2.3环境光采集电路
环境光的采集是本设计输入参数之一，基本思想就是将采集到的光信号转换成单片机能够识别的电信号。
光敏电阻能够实现将光信号转变成电信号，而光敏三极管还具有放大信号电流的作用，比光敏电阻对光线的检测要高得多；并且光敏三极管的灵敏度要高于光敏二极管，因此，选用光敏三极管来采集环境光。
光敏三极管实物图如图4所示。
图4光敏三极管
光敏三极管与普通半导体三极管一样，是采用半导体制作工艺制成的具有NPN或PNP结构的半导体管。
在结构上，它的引出电极通常只有两个，也有三个的。
当无光照时，流过光敏三极管的电流就是正常情况下光敏三极管集电极与发射极之间的穿透电流Iceo,它很小，是光敏三极管的暗电流；当有光照射基区时，产生的Ib增大，成为光电流Ie，而Ie的大小随光照强度的增强而增强，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号[5]。
由于本设计是在Proteus中仿真，故用按键开关K2模拟光敏三极管。
环境光采集模拟电路如图5所示，当环境光强大于一定程度，即相当于按键开关K2闭合时，三极管2N3416基极电压升高，使其饱和导通，其集电极输出低电平；当自然光强小于一定程度，即按键开关K2打开时，三极管2N3416截止，其集电极输出高电平[6]。
图5环境光采集模拟电路
3.2.4人体热释电红外传感器电路
自然界中的物体都会发射红外线，但波长各有不同。
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。
人体辐射的红外线中心波长为9~10微米，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20微米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7~10微米，正好适合于人体红外辐射的探测，同时将灯光、阳光及其他红外辐射滤除，因此热释电红外传感器只对运动的人体敏感。
热释电红外传感器有许多优点，例如：
其本身不发射任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉；夜间也可工作；可以防小动物干扰、抗电磁干扰、抗灯光干扰等。
但容易受各种热源、光源干扰；当环境温度和人体温度接近时，探测灵敏度下降，有时会造成短时失灵。
目前，人体热释电红外传感器广泛应用于楼道自动开关、防盗报警、自动门、自动水龙头等领域中。
使用热释电红外传感器时，应注意避开日光、汽车头灯、白炽灯直接照射，也不能对着如暖气片、加热器等热源或空调，以避免环境温度较大的变化而造成误报；检测器安放必须要牢固，避免因风吹晃动而造成误报；传感器表面不允许用手摸；光学透镜外表面要定期用湿软步或棉花擦净，避免尘土影响灵敏度；安装高度约2m。
另外，要特别注意红外人体传感器的安放方向[7]。
本设计考虑到实验条件，只在仿真软件中仿真，所以用按键开关模拟进出教室内的人数。
其模块电路如图6所示。
图6按键电路
3.2.5系统时钟电路
考虑到实际需要，本设计还应增加对时间的控制，合理安排学生的作息时间，防止学生学习忘记时间，当过了夜间22点时，如果教室还有人就应该提醒相关人员注意休息，因此，设置时钟电路显示时间并设报警电路提醒是有必要的。
现在流行的串行时钟芯片很多，如DS1302、DS1307、PCF8485等，这些电路具有接口简单、价格低廉、使用方便而被广泛采用，考虑到多方面因素，还是决定采用目前应用最广泛的DS1302时钟芯片。
该芯片是DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的具有涓细电流充电能力的实时时钟电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，也可以关闭充电功能[8]。
DS1302可以计时年、月、日、时、分、秒，具有闰年补偿等多种功能，在测量控制系统，特别是长时间无人职守的测控系统中，经常需要记录某些特殊数据及其出现的时间，而传统的数据记录方式是实时采样，只能记录数据而无法准确记录其出现的时间，而采用DS1302能很好的解决这个问题。
DS1302的工作电压为2.5V~5.5V，采用3线接口与CPU同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
其内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。
其外部引脚定义如图7所示。
引脚功能如表2所示。
图7DS1302引脚图
表2DS1302引脚功能
引脚编号
引脚名称
功能
1
VCC2
主电源
2、3
X1、X2
振荡源，外接32.768KHZ
4
GND
地线
5
复位/片选线
6
I/O
串行数据输入/输出端
7
SCLK
串行数据输入端
8
VCC1
后备电源
对于
复位引脚，通过把RST输入驱动置高电平启动所有数据传送，RST输入有两种功能，一是接通控制逻辑允许地址/命令序列送入移位寄存器；二是RST提供了终止单字节或多字节数据的传送手段。
当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许操作DS1302；如果在传送过程中置RST为低电平，那么终止此次数据并且I/O引脚变为高阻态。
上电运行时，在VCC≥2.5V之前，RST必须保持低电平。
只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。
对于数据I/O端，在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时数据被写入DS1302，数据输入从低位，即0位开始。
同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0至高位7。
DS1302共有12个寄存器，其中有7个与日历、时钟相关，存放的数据为BCD码。
与RAM相关的寄存器分为两类，一类是单个RAM单元，共31个。
每个单元组态为一个8位的字节,其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，在此方式下可一次性读写所有RAM的31个字节[9]。
DS1302与单片机接口电路如图8所示。
如上表所述，VCC2外接系统供电模块的输出稳定电压+5V，为DS1302的主要供电电源；VCC1可接3.6V可充电锂电池，作为DS1302的备用电源，DS1302由VCC1或VCC2两者中较大者供电。
当系统正常运行时，VCC2大于VCC1，因此由Vcc2给DS1302供电；在主电源关闭的情况下，则由VCC1给DS1302供电，保持时钟的连续运行。
本设计主要利用此时钟电路设置系统时间。
图8系统时钟电路
3.2.6超时报警电路
为了保证学校学生正常作息，防止教室灯光工作超时，特采用超时报警模块，此模块与时钟模块结合来提醒相关人员注意时间。
一般情况下，为保证充分的休息，在夜间22点之前应该关灯，因此，通过对单片机的软件编程及硬件时钟电路的结合，当达到夜间22点时，若教室还有人蜂鸣器就报警提醒。
超时报警模块仿真电路如图9所示。
图9超时报警电路
本设计中单片机P3.5引脚端口外接一个10KΩ上拉电阻，再经一个100Ω限流电阻与三极管基极相连，若P3.5为低电平，即系统达到22点时，三极管导通，蜂鸣器响，图中LED指示灯是为了仿真时检测蜂鸣器是否工作；当P3.5为高电平时，三极管截止，蜂鸣器不工作，教室灯光控制系统正常工作。
3.2.7系统看门狗电路
由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场等因素的干扰，造成程序的跑飞而陷入死循环，使程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法正常继续工作，会造成整个系统陷入停滞状态
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