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室内照明控制系统设计

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毕业设计（论文）

题目室内照明控制系统设计

姓名周巧莉

专业班级08电科A

所在学院电子信息学院

指导教师（职称）胡云峰（讲师）

二○一二年三月十日

室内照明控制系统设计

【摘要】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、智能楼宇等行业，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。

同时楼宇智能化的发展与成熟，也为现代化的照明控制系统的普及与应用奠定了坚实的基础。

本文介绍了基于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室内照明的控制。

系统设计包括硬件和软件两部分，即从硬件电路的设计方法到实现所要求功能的软件技术。

该照明控制系统的控制器分别是以AT89C51单片机为基础，实现了控制与显示等功能。

文中详细地描述了控制电路的设计过程，包括：

LED显示电路以及照明灯控制电路等。

对于软件设计主要有控制器、灯光控制、LED显示等程序设计。

该功能是：

通过人体释热红外线传感器，光敏电阻和AT89C51单片机控制的照明灯实现开启、关闭、调节房间亮度功能。

【关键词】AT89C51，灯光控制系统，单片机，节能，红外线传感器

TheControlSystemDesignforIndoorLighting

【Abstract】Withtherapiddevelopmentofelectronictechnology,thesystemofcontrolbasedonSingle-chipMicrocomputeriswidelyappliedinindustry,agriculture,electricpower,electron,intelligentbuildingandsoon.Microcomputer,asthesubjectandcoreoftheembeddedsystemofcontrol,replacesthetraditionalsystem—electroniccircuit.Atthesametime,thedevelopmentandmaturationoftheintelligentbuildinghaveestablishedthesubstantialfoundationforthepopularizationandapplicationofthecontrolsystemformodernlighting.Inthispaper,theIndoorLightingControlSystemBasedonAT89C51anditsprincipleareintroduced.Someeffectiveandenergysavingcontrolstrategysoflightingsystemarebroughtforward.Thecurrentsystemusesarelativelymaturesensortechnologyandcomputercontroltechnology,usingmulti-parametertoachievetheindoorlightingcontrol.Thesystemincludeshardwareandsoftwaredesignintwoparts.Inanotherword,thepaperdescribestheprocessfromthemethodofcircuitdesigningtothesofewaretechnologyofrealizingthedemandedfunctions,ThecontrollerofthecontrolsystemforlightingisbasedonAT89C51single-chipmicrocomputer.Thesystemcandomanyjobs,suchascontrollinganddisplay.Thepaperdescribesthedesigningprocessofthecircuitatlength,including:

LEDdisplaycircuitandcontrolcircuitoflighting,etc.Thedesigningofsoftwaremainlyincludestheseveralprogramming,suchaslamplightcontrollingandLEDdisplaying.ThefunctionisthatthroughHuman-releasethermalinfrared,PhotoconductiveresistanceandAT89C51single-chipmicrocomputersendsorderstoturnonlighting,turnofflighting,regulatebrightnessofroom,etc.

【KeyWords】AT89C51，lightingcontrolsystem，Single-chipmicrocomputer，energy，Infraredsensor

第1章绪论1

1.1课题研究的背景1

1.2课题研究的目的与意义1

1.2.1良好的节能效果和延长灯具寿命1

1.2.2改善工作环境，提高工作效率2

1.2.3较好的投资收益效果2

1.3系统设计2

1.3.1系统设计要点2

1.3.2系统的结构3

1.4系统性能指标及技术要求4

1.5本章小结4

第2章硬件设备的应用5

2.1单片机的应用技术5

2.2人体释热红外线传感器5

2.2.1工作原理及特性6

2.2.2感应范围8

2.3光敏电阻8

2.3.1结构9

2.3.2主要参数与特性9

2.3.3应用10

2.4本章小结11

第3章照明控制系统的硬件电路设计12

3.1主控制器的电路设计12

3.2光敏电阻采光电路设计12

3.3人体存在信号采集电路设计13

3.4总设计原理图15

3.5本章小结16

第4章照明控制系统的软件设计17

4.1功能要求和重点17

4.2软件编程设计17

4.2.1手动控制18

4.2.2感应控制18

4.3本章小结19

结论20

参考文献21

附录23

附录A程序23

附录A1实物图25

致谢27

图目录

图1.1结构示意图3

图2.1红外线释热电传感器工作区示意图8

图3.1光敏控制电路13

图3.2人体传感器电路15

图3.3室内照明控制系统原理图15

图4.1流程图18

第1章绪论

1.1课题研究的背景

近十几年来，随着我国城市建设的快速发展，楼宇照明也相应飞速发展。

在楼宇的照明数量与质量两个方面均有显著的变化与提高，特别是随着人民生活水平进入小康水平，楼宇照明水平提高很快，追求人工照明光环境的舒适性、个性化、安全、节能等方面日见突出。

楼宇中人工光环境对于满足人们的生活、学习、娱乐以及工作方面有着重要的意义。

照明控制系统传统是以照明配电箱通过手动开关来控制照明灯具的通断，或通过回路中串入接触器，实现远距离控制。

而今出现的楼宇自控系统，是以电气触点来实现区域控制、定时通断、中央监控等功能。

由于照明控制系统在楼宇自控系统中并非独立，同时控制功能简单，因此使用上有一定的局限性。

故当楼宇自控系统出现故障时，照明系统亦受到影响。

随着微电子技术与数字化技术的发展，开发出了智能化水平更高的专业照明控制的独立系统，从而能节约能源、延长灯具寿命、提高照明质量。

根据使用客户的经验，不仅使照明管理与设备维修简单及降低费用外，还对环境改善、提高工作效率都有着显著的效果。

本系统是以单片机为控制器的核心，其是以AT89C51为基础，以人体释热红外线传感器和光敏电阻为信号采集单元，再连接外围电路，通过单片机通信方式实现照明灯具的智能控制。

1.2课题研究的目的与意义

1.2.1良好的节能效果和延长灯具寿命

节能是照明控制系统的最大优势。

传统的楼宇公共区域照明工作模式，只能是白天关灯，晚上开灯。

而采用了智能照明控制系统后，可以根据不同场合、不同的人流量，进行时间段、工作模式的细分，把不必要的照明关掉，在需要时自动开启。

同时，系统还能充分利用自然光，自动调节室内照明度。

控制系统实现了不同工作场合的多种照明工作模式，在保证必要照明的同时，有效减少了灯具的工作时间，节省了不必要的能源开支，也延长了灯具的寿命。

1.2.2改善工作环境，提高工作效率

良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。

合理地选用光源、灯具及性能优越的照明控制系统，都能提高照明质量。

系统能根据不同的时间段，人们的不同需要，自动调节照度。

1.2.3较好的投资收益效果

智能照明控制系统具有手动开关和感应开关两种控制模式，可以有效地控制各种照明场所的照明度，这样在节能和节省灯具使用的同时，有效节省了电费与管理费用的支出。

根据一般的办公大楼运营的经验来看，节能效果达到40%以上，一般的商场、酒店等节能效果也达到了25%~30%。

1.3系统设计

1.3.1系统设计要点

照明作为智能楼宇的子系统之一，它对智能楼宇的舒适性、经济性、方便性具有重要的意义。

利用人体的存在信号和环境光信号的识别和智能判断，可以有效的对房间照明回路的智能控制，避免了照明用电的大量浪费。

本设计以AT89C51单片机作为控制装置的智能部件，采用热释红外人体传感器检测人体的存在（没人时教室里灯全关，有人则进行下步行动），采用光敏电阻构成的电路检测环境光的强度（光强时灯全关，光弱时进行下一步操作）。

根据房间合理开灯的条件，系统通过对人体的存在信号和环境光信号的识别和智能判断，完成对房间照明回路的智能控制，避免了室内用电的大量浪费[1]。

在特殊情况下（如多媒体教学和电影文学欣赏）可以通过手动来控制灯的开关。

一号按钮控制手动与自动模式，二号按钮为手动模式控制灯的开关。

在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。

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，画出电路原理图，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[2]。

软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用51系列单片机，因此使用汇编语言进行开发。

1.3.2系统的结构

系统的结构主要由四部分组成：

（1）单片机控制系统

（2）信号采集处理系统（3）LED显示系统（4）电灯电源驱动系统，达到控制照明灯具的目的。

图1.1结构示意图

外接的传感器（人体释热红外线传感器和光敏电阻）将信号传送给单片机后，由单片机控制灯的开关和显示系统。

系统在单片机的控制之下完成数据的处理、显示，同时能够控制照明灯具，其硬件电路只是系统的实施工具，大量的工作是由软件来完成的。

这些程序是系统的灵魂，是负责完成硬件电路实现功能和与用户交互的桥梁，是维护系统正常工作的工具。

1.4系统性能指标及技术要求

首先单片机通过按钮1判定是自动还是手动模式，若是自动模式则人体存在信号采集电路和光敏三极管采集电路先后工作判定室内是否有人，和室内自然光照强度，单片机再决定是否开灯，最后通过LED灯显示。

手动/自动

（1）自动

A关（无人）

B开（有人，光弱）

（2）手动

A关

B开

1.5本章小结

本章主要从系统设计要点、系统的结构、系统性能指标及技术要求三方面对所研究的照明控制系统的设计框架和性能进行了阐述，该系统由一个主控制器与若干个分控制器组成。

系统的设计首先要从硬件方面着手，在绘制出正确的电路图后，再按功能要求编制出相应的软件程序，最终要达到所要求的性能指标。

第2章硬件设备的应用

2.1单片机的应用技术

电子技术和微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机（单片微型计算机）的应用已经渗透到国民经济的各个部门和领域，它起到了越来越重要的作用。

单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。

因此一块芯片就构成了一台计算机。

它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。

单片机由硬件系统与软件系统组成。

硬件系统是指构成微机系统的实体与装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成[3]。

其中运算器和控制器一般做在一个集成芯片上，统称中央处理单元（CentralProcessingUnit）[4]，简称CPU，是微机的核心部件。

CPU配上存放程序和数据的存储器、输入/输出（Input/Output，简称I/O）接口电路以及外部设备即构成单片机的硬件系统。

软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称，人们通过它对微机进行控制并与微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。

软件系统与硬件系统共同构成完整的单片微型计算机系统，两者相辅相成，缺一不可。

2.2人体释热红外线传感器

人体释热红外线传感器（及红外线热释电传感器）由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成[5]。

敏感单元的制造材料有所不同。

SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成；如：

P2288由LiTaO3制成。

这些材料再做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容。

因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，而它们形成的等效小电容能自身产生极化，极化的结果是，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。

但这两个电容的极性是相反串联的。

这正是传感器的独特设计之处，因而使得它具有独特的抗干扰性[5]。

物体发射出的红外线辐射能，最强波长和温度的关系满足λm*T=2989（um.k）（其中λm为最大波长，T为绝对温度）。

人体的正常体温为36~37.5度，即309~310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为λm=2989/（309~310.5）=9.67~9.64um，中心波长为9.65um。

因此，人体辐射的最强的红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长（7~14um）的中心。

所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰[6]。

综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。

在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。

2.2.1工作原理及特性

被动式热释电红外探头的工作原理及特性：

在自然界，任何高于绝对温度（零下273度）时物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。

在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器（PIR），它能将波长为8到12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异[5]。

另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。

菲涅尔透镜作用有两个：

一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。

人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10微米左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10微米左右的红外线而进行工作的。

人体发射的10微米左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。

红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号[6]。

1）这种探头是以探测人体辐射为目标的。

所以热释电元件对波长为10微米左右的红外辐射必须非常敏感。

2）为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。

3）被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。

而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。

4）人一旦侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。

5）菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。

优点是本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。

价格低廉。

缺点是：

◆容易受各种热源、光源干扰。

◆被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。

◆易受射频辐射的干扰。

◆环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。

红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系。

正确的安装应满足下列条件：

1、红外线热释电传感器应离地面2～2.2米。

2、红外线热释电传感器远离空调,冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。

3、红外线热释电传感器和被探测的人体之间不得间隔家具、大型盆景、玻璃、窗帘等其他物体。

4、红外线热释电传感器不能直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。

红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方[5]。

2.2.2感应范围

图2.1红外线释热电传感器工作区示意图

红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。

红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向（即与半径垂直的方向）移动则最为敏感。

在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。

2.3光敏电阻

光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。

这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。

这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

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。

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。

光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。

光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

2.3.1结构

通常光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。

当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。

为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。

光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。

光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。

2.3.2主要参数与特性

根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：

紫外光敏电阻器：

对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。

红外光敏电阻器：

主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。

锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。

可见光光敏电阻器：

包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。

主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。

光敏电阻的主要参数是：

（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）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。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

（6）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。

（7）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。

（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。

2.3.3应用

光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机，太阳能庭院灯，草坪灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。

2.4本章小结

本章介绍了照明控制系统在智能楼宇中的应用、发展以及所使用的主要专业技术。

它从传统的方式逐步发展到能够实现智能化控制，使用户使用起来更加方便、舒适。

本文所研究的照明控制系统主要使用了单片机应用技术、有线通信技术和无线数传技术。

在这里主要对这三种技