基于单片机的智能灯光控制系统.docx

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基于单片机的智能灯光控制系统

毕业设计（论文）

题目：

基于单片机的高校节能

灯光控制系统的设计

学院：

信息与控制学院

摘要

现在的大学，由于学校开放型的管理模式，加之学生节能意识的淡薄，学校的很多教室在白天室内照度很高的情况下，仍然存在开灯现象；或者夜间许多教室，即使仅有几个学生在教室自习，但教室内照明全部开启。

长明灯到处都是，人离开不熄灯的现象处处可见。

这种有意和无意的浪费，不仅是浪费了国家资源，而且给学校带来了沉重的负担。

本文设计了基于单片机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。

本系统以AT89S52单片机为主控制器，实现了控制与警告提示等功能。

该系统采用了当今比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，从而达到节能的目的。

关键词：

灯光控制系统；AT89S52；热释电；节能；AD采集电路

Abstract

Nowdays,duetotheopenmanagementstyleandstudents’weakenergy-savingawarenessinhighschool,lightsinmanyclassroomsarekeptonatthedaytimewiththehighbrightness,andalso,lightsarealloninaroomwithonlyafewstudentsstudyingatnight.Wecanfindtheever-burninglampseverywhere.Thoseconsciousandunconsciouswasteleadtothesquanderingnationalresources,meanwhile,itbringscollegesatremendousburden.

ThispassagedisplaysanefficientenergycontrolmethodbasedontheprinciplesofSCM indoor lighting control system.ThissystemachievedthecontrolandalertfunctionwithAT89S52SCMasitsmaincontroller.Itadoptedtheadvancedtechnologyofripesensingandcomputercontrolmethod,basedonthecharacterstocontrolthelightingconditionofclassroomsoastosaveenergy.

Keywords:

Lightingcontrolsystem;AT89S52;Pyroelectric;Energysaving;ADacquisitioncircuit

附录B系统源程序…………………………………………………………………...34

绪论

随着科学技术和社会经济的发展，人们的生活水平在不断提高，导致用电量的加剧，又因为世界性的能源危机，能源缺乏已成为世界所面临的重大问题。

而此问题对我国来说更加严重。

随着各类高等院校的扩招，教室的扩建，教室照明的需求也越来越大，而教室照明的管理不严格，往往造成电能的巨大浪费，在这种情况下，提高教室用电效率便成为首要考虑的问题。

我国的能源储量位居世界前列，中国是世界第二大能源生产国，同时也是第二大能源消费国。

我国一次能源资源总储备估为4万亿吨标准煤左右。

但是，人均能源资源占有量却远远低于世界的平均水平。

二十世纪九十年代,中国人均探明煤储备量147吨，为世界平均水平的41.4%；人均探明石油储备量2.9吨，为世界平均水平的11%；人均探明天然气为世界平均水平的4%；人均探明可开发水能资源也低于世界人均水平。

从人均能源消费角度看，1994年世界平均水平为1433千克油当量，发达国家和地区为5066千克油当量，我国估计为670千克油当量。

1997年我国人均占有电力装机容量0.21千瓦、人均用电量为900kWh，仅是世界平均水平的1/3。

“十二五”期间，我国将投资5900亿元推广九大重点节能工程，节能装备产业规模年均增长15%以上，2015年，规模以上工业增加值能耗比2010年下降21%左右。

随着各类大、中专院校的不断扩招，教室不断扩建，教室的用电量不断加剧，教室用电管理不善，造成电能浪费与学校经济损失，这种浪费情况与当今的节约能源理念相违背。

其次，随着计算机技术的发展，现代自动化程度不断提高，灯光的管理也在朝着智能化和自动化方向发展。

例如，楼道灯光的自动控制等等。

国内外已经开始采用对灯光的智能控制，但是对教室灯光的控制，尤其是我国，教室灯光的智能控制更为缺乏和不完善，仍然是传统式的人工管理。

由此可见，教室灯光控制也应该向着智能化的方向发展。

在国内各大院校中，由于同学们的节能意识薄弱，在光线足够强时仍然开灯，下课后离开教室灯还亮着的现象普遍存在。

并且，节能规划极为缺乏，教室的灯光控制由管理人员手工执行。

由于教室极多，管理人员不能及时关闭电源,就造成不必要的电能浪费和经济损失。

基于以上原因，提高教室用电效率就成为学校节能的重要措施之一。

由此，教室节能灯光自动控制系统的研发便成为一项重要课题。

因此，开发简便和实用的教室灯光自动控制系统便具有重大的现实意义[1]。

本课题的研究内容有如下几点：

（1）使用自动或者手动控制灯光技术的方法；

（2）灯光控制器的电源问题，了解教室照明光强的标准;

（3）教室灯光照明需求，环境光强弱与开、关灯的关系；

（4）控制器参数值设定，要求及方案；

（5）学习人体传感器的有关参数；

（6）人体存在探测技术，了解探测范围与角度；

（7）传感器在教室分布与安放问题，是一灯一传感器还是多灯公用传感器；

（8）与现有教室照明互相兼容，容易替代，不易被偷盗、仿制，易于维护和维修的控制技术；

（9）报警等附加功能。

本课题拟通过试验研究教室灯光的控制方案解决如下关键问题：

（1）人体传感器的参数输入与采集问题：

（2）环境光采集与参数的输入问题

（3）教室灯与传感器合理安装的问题；

（4）开、关灯的自动与手动相兼容措施；

（5）照明回路控制回路和控制器本身存在的节能问题；

设计的教室灯光控制系统能够对现有的教室照明系统进行改造，以实现对照明系统的智能化及人性化管理，提高用电效率；实现自动和手动灯光控制相互兼容，降低成本；通过反复试验和研究，最后达到可靠性大、实用性强、推广性较好的目标。

1灯光控制器简介及控制方案的分析

1.1灯光控制器简介

教室灯光控制器可实现教室灯光智能化控制。

其主要输入参数是人体存在信号和环境光信号等外界因素，环境光的强度达到一定值时灯关闭,环境光强度在一定阀值以下并且有人存在时灯开启，理论和实验证明用这种方法来对教室灯光进行智能控制能够实现上述目标。

教室灯光控制器应安装在教室内电灯直射不到的位置，且人体传感器安置时要使人体活动方向与人体传感器中热释电元连线方向垂直，如此可使人体存在信号采集更加灵敏、可靠，同时还应该尽可能的避免外界风直接吹向人体传感器。

1.2系统控制方案的分析

所设计的控制器以环境光强度和人体存在当作控制器主要的输入参数。

可以实现手动与自动控制相互兼容。

在环境光较弱时，有人存在，且超过一定时间，控制器会自动打开电灯，等到人离开后再延时一定时间后灯关闭；在环境光线足够强时，无论人是否存在，都不开灯。

同时，还要按照作息时间控制，若夜晚超过12点，还有人存在，那么自动控制器关闭，改用机械开关或遥控器来手动控制，以解决特殊情况下，非人性化的自动控制器的运行问题。

本文所设计的教室灯光控制器主要是由硬件与软件两大部分构成。

硬件部分是基础,是整个系统执行的前提,它主要为软件提供程序运行的平台。

而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动与手动相结合的教室灯光智能控制。

1.2.1硬件方案论证

对于灯光智能控制系统来说，硬件系统是它的最基本的框架，是系统的所有功能的基础。

系统的设计成功与否很大程度上是由硬件系统的设计决定的，硬件的选择和所选硬件的性能对于系统的功能实现以及系统的精确度都有直接的影响。

本系统硬件方案论证包括灯光控制系统的传感器、单片机、通信方式、总线接口和显示电路的选择。

微处理器的选择

方案一：

8031芯片内部无ROM，需要外扩程序存储器，因此造成电路焊接的困难，况且使用8031还需要另外购买其他的芯片，如A/D转换及定时/计数器（PWM）等芯片，这样造成成本较高，性价比较低。

方案二：

ATMEL公司MCS-51系列单片机中的AT89S52芯片，它是低压高性能CMOS8位微处理器，带有4k字节可反复擦写的Flash只读程序存储器，128字节内部随机存取数据存储器（RAM），32个I／O口线，两个16位定时／计数器，一个5向量两级中断结构及一个全双工串行通信口。

根据本设计的要求，AT89S52芯片完全能够满足灯光自动控制系统所需要的处理器条件。

故本设计采用AT89S52芯片。

传感器的选择

根据本设计的要求，该控制系统需要两种传感器：

一种是人体信号采集传感器，另一种是光线信号强度采集传感器。

用于人体信号采集的传感器和光线信号强度采集的传感器有很多，这里根据设计的要求采用了下列传感器：

（1）热释电红外传感器

热释电红外传感器是一种采用热电效应原理的热电型红外传感器，它是上世纪80年代末期出现的一种新型传感器件，现在已经得到越来越广泛的应用。

热释电红外传感器由敏感单元、阻抗变换器及滤光窗等部分组成。

（2）光敏电阻

光敏电阻能够感应光照强度的变化，自己电阻阻值随着光强度的增加而减小，从而通过电阻上的电压变化来反应光照强度的变化。

传感器输出变化的电压信号给控制器，控制器根据接收到的信号的变化来确定下一步将要执行的动作。

光敏电阻是一种常用光电元件,它可以十分准确的反应出光照的变化，应用电路也十分的简单、实用。

2系统控制模块的硬件设计

考虑到影响本系统的环境因素有很多，而且教室控制设备中的人体存在传感器等设备经常会随环境情形变化而变化，所以在设计过程中，要充分考虑到线路布置、电子元器件的选用和设备安放的抗干扰问题。

2.1控制模块的硬件构成

以单片机主控模块作为系统控制单元的核心，其它外围电路主要包括：

系统供电模块、环境光模块、人体存在热释电传感器模块、看门狗模块、按键及超时报警模块，其结构框图如图2.1所示。

图2.1结构框框图

2.2控制系统的主要硬件电路

AT89S52单片机

功能特性描述

AT89S52是一种高性能、低功耗的CMOS8位微控制器，有8K在系统可编程Flash存储器。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

在单芯片上，拥有在系统可编程Flash和灵巧的8位CPU，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

VCC：

电源

GND：

地

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

RST：

复位输入。

当晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平会使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

ALE/PROG：

地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE输出脉冲为晶振六分之一的固定频率，可用来作为时钟或外部定时器使用。

PSEN：

外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。

当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。

EA/VPP：

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。

为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。

XTAL1：

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

WDT（看门狗定时器）是一种需要软件控制的复位方式。

WDT由13位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器（WDTRST）构成。

WDT在默认情况下无法工作；为了激活WDT，用户必须向WDTRST寄存器（地址为0A6H的SFR）写入0E1H和0E1H。

当WDT激活后，用户必须向WDTRST写入01EH和0E1H喂狗来防止WDT溢出。

当计数达到8191（1FFFH）时，13位计数器将会溢出，这将会复位器件。

晶振正常工作、WDT激活后，每一个机器周期WDT都会增加。

为了复位WDT，用户必须向WDTRST写入01EH和0E1H（WDTRST是只读寄存器）。

WDT计数器不能读或写。

当WDT计数器溢出时，将给RST引脚产生一个复位脉冲输出，这个复位脉冲持续96个晶振周（TOSC），其中TOSC=1/FOSC。

为了很好地使用WDT，以避免WDT复位，应该在一定时间内周期性写入那部分代码。

在掉电模式下，晶振会停止工作，这说明WDT也停止了运行。

在这种方式下，用户不必喂狗。

离开掉电模式有两种方式：

一是硬件复位，二是通过一个激活的外部中断。

由硬件复位方式退出掉电模式后，用户就应当给WDT喂狗，就如同通常AT89S52复位一样。

由中断退出掉电模式的情形与硬件复位有很大的不同，中断应该持续拉低非常长一段时间，使得晶振工作稳定。

在中断拉高以后，将执行中断服务程序。

为了防止在中断保持低电平的时候WDT复位器件，WDT在中断拉低后才开始工作。

这就说明WDT应该在中断服务程序中复位。

在进入待机模式之前，特殊寄存器AUXR的WDIDLE位用来决定WDT是否继续计数。

在默认状态下，待机模式，当WDIDLE＝0，WDT继续计数。

为了防止WDT在待机模式下复位AT89S52，用户应创建一个定时器，定时离开待机模式，喂狗后，再重新进入待机模式。

为了确保在离开掉电模式最初的几个状态时，WDT不被溢出，在进入掉电模式前，最好就复位WDT。

如图2.2所示为AT89S52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端。

陶瓷谐振器与石英晶体都可以用来一起构成自激振荡器。

若外部时钟源驱动器件的话，从XTAL1接入，而XTAL2可以不接，如图2.3所示。

由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有其它要求，最少高电平持续时间与最长低电平持续时间等还是要符合要求的。

图2.2内部振荡电路连接图

图2.3外部振荡电路连接图

在掉电模式下，晶振停止工作，激活掉电模式的指令是最后一条执行指令。

片上RAM和特殊功能寄存器保持原值，直到掉电模式终止。

掉电模式可以通过硬件复位和外部中断退出。

复位重新定义了SFR的值，但不改变片上RAM的值。

在VCC未恢复到正常工作电压时，硬件复位不能无效，并且应保持足够长的时间以使晶振重新工作和初始化[2]。

空闲工作模式下，所有片上外部设备保持激活状态，而CPU处于睡眠状态。

可以通过软件产生这种状态。

在这种状态下，特殊功能寄存器和片上RAM的内容保持不变。

空闲模式可以被硬件复位或任一个中断终止。

由硬件复位终止空闲模式只需两个机器周期有效复位信号，在这种情况下，片上硬件可以访问端口引脚，而禁止访问内部RAM。

硬件复位终止空闲模式后，为了避免预想不到的写端口，激活空闲模式指令的下一条指令不应是外部存储器或写端口。

单片机的最小系统如图2.4所示。

图2.4单片机的最小系统

要使单片机工作起来，最基本的电路构成为：

时钟电路：

单片机工作的时间基准，决定单片机工作速度。

时钟电路就是振荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。

时钟电路连接方式如图2.5所示。

图2.5时钟电路连接图

电源电路：

向单片机供电。

AT89S52单片机的工作电压范围是4.5V—5.5V，所以通常给单片机外接5V直流电源。

连接方式为VCC（40引脚）接电源+5V端，GND（20引脚）接电源地端。

复位电路：

确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。

如图2.6所示。

图2.6复位电路连接图

单片机接通电源时，产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机起始工作状态。

手动按键产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机的初始状态。

通常在单片机工作出现混乱或“死机”时，使用手动复位可实现单片机“重启”。

光线强度检测模块

光线强度检测模块把单片机作为控制处理核心，具有价格低、体积小等优点，满足实际需求。

传感器选择光敏电阻，用精密电阻与之串联分压得到一电压信号送给A／D如图2.7所示。

为了减小模块体积和降低成本，选择低功耗的ADC0832作为A／D转换器，其原理如图2.8所示。

ADC0832是8位分辨率；8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；双通道A/D转换；5V电源供电时输入电压在0~5V之间；商用级芯片温宽为0°Cto+70°C，工业级芯片温宽为−40°Cto+85°C；工作频率为250KHZ，转换时间为32μS一般功耗仅为15mW；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容。

芯片接口说明：

CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。

CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。

CS_片选使能，低电平芯片使能。

Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。

DI数据信号输入，选择通道控制。

DO数据信号输出，转换数据输出。

CLK芯片时钟输入。

GND芯片参考0电位（地）。

ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。

芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。

独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。

通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择[3]。

图2.7环境光采集电路

图2.8A/D转换器电路

光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

光敏电阻的主要参数与特性：

（1）光电流、亮电阻。

光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。

（2）光谱响应。

光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。

若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。

（3）暗电流、暗电阻。

光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。

外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。

（4）光照特性。

光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。

从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。

若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。

在大多数情况下，该特性为非线性。

（5）灵敏度。

灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。

（6）温度系数。

光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。

（7）伏安特性曲线。

伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。

（8）额定功率。

额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低[4]。

单片机对ADC0832的控制

正常情况下单片机和ADC0832的接口应为4条数据线，分别是CLK、CS、DI、DO。

但由于DI端和DO端在通信时并不是同时有效，并且与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DI与DO并联在一根数据线上使用。

当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，CLK和DO/DI的电平可任意，此时芯片禁用。

当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平，并且保持低电平到转换完全结束为止。

此时芯片开始转换工作，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲。

在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。

在第2、3个脉冲下沉之前，DI端应输入2位数据用于选择通道功能，DC0832与单片机的接口电路如图2.9所示。

图2.9ADC0832与单片机的接口电路

当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。

当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。

当2位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。

当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。

到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。

从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。

直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。

也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0。

随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束