基于单片机的教室节能控制系统设计》.docx
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基于单片机的教室节能控制系统设计》
XXXXXXXX学院
毕业设计（论文）
题目基于单片机的教室节能控制系统设计
英文并列题目DesignofclassroomEnergySavingControlsystembasedonsingleChipMicrocomputer
院系XXXXXXX班级XXXXXX
学生姓名李文强学号XXXXXX
所在团队
指导老师
（1）XXXXX职称XXXXX
指导老师
（2）职称
答辩委员会主任主答辩人
二〇一九年一月十五日
基于单片机的教室节能控制系统设计
摘要:
能源短缺问题仍是现阶段中国和世界面临的问题。
节约能源是我们需要解决的紧迫问题。
随着国民经济的快速发展和社会的进步，高校的规模也在不断扩大。
由于我国高校的大部分节能管理工作仍采用传统方式，能源浪费现象仍然普遍存在。
作为能源消耗的主要目标，电能可以形成一种简单有效的节能方案，必将为节能工作带来很大的帮助。
本设计以教学楼教学楼照明系统功耗高，易造成浪费为主要研究内容，结合当前国内外成熟的智能照明技术，设计出适合大学教学的一套建筑物的智能照明控制系统。
在智能照明控制系统的总体设计中，主要结合我国高校课堂照明控制的现状，形成了设计的整体设计方向，包括智能照明控制器的设计，主机系统的设计，通信系统的设计和LED照明系统的设计决定了可以通过系统实现的功能，使用神经网络算法来模拟最佳的灯具安装。
关键词:
照明；智能控制，感应
DesignofclassroomEnergySavingControlsystembasedonsingleChipMicrocomputer
Abstract:
EnergyshortageisstillaproblemfacingChinaandtheworldatthisstage.Savingenergyisanurgentproblemweneedtosolve.Withtherapiddevelopmentofnationaleconomyandsocialprogress,thescaleofuniversitiesisalsoexpanding.Becausemostoftheenergy-savingmanagementinCollegesanduniversitiesinourcountrystilladoptsthetraditionalway,thephenomenonofenergywasteisstillwidespread.Asthemaingoalofenergyconsumption,electricenergycanformasimpleandeffectiveenergy-savingscheme,whichwillcertainlybringgreathelptoenergy-savingwork.Themainresearchcontentofthisdesignisthatthelightingsystemofteachingbuildingishighpowerconsumptionandeasytocausewaste.Combiningwiththematureintelligentlightingtechnologyathomeandabroad,anintelligentlightingcontrolsystemsuitableforuniversityteachingisdesigned.Intheoveralldesignoftheintelligentlightingcontrolsystem,theoveralldesigndirectionofthesystemisformedmainlybasedonthecurrentsituationofclassroomlightingcontrolinCollegesanduniversitiesinChina,includingthedesignoftheintelligentlightingcontroller,thedesignofthehostsystem,thedesignofthecommunicationsystemandthedesignoftheLEDlightingsystem,whichdeterminethefunctionsthatcanberealizedthroughthesystem,andusetheneuralnetworkalgorithmtosimulatethebestlightingsafety.Install.
keyword:
Lighting;IntelligentControl,Induction
1.2国内外研究现状................................................................2
3.1.1AT89S52单片机简介....................................................11
3.3.1照度探测模块电路......................................................14
3.4.1电力线载波通信技术....................................................20
3.4.2电力线载波模块的选择..................................................20
3.5继电器模块的设计21
4.1下位机程序设计..............................................................22
4.1.1系统工作流程设计......................................................22
4.1.2下位机主程序设计......................................................24
4.2数据采集设计的实现..........................................................25
4.2.1逻辑关系..............................................................25
4.2.2照度探测模块..........................................................26
4.2.3人体红外探测模块.....................................................28
4.3上位机管理系统的通讯实现...................................................30
结论...............................................................................32
参考文献............................................................................34
致谢..............................................................................35
第1章引言
1.1本课题的背景及意义
背景：
随着计算机网络的发展，控制技术、智能建筑的发展越来越迅速。
目前，国内大多数智能建筑存在效率低下的现象，高能源消耗。
智能建筑的照明系统，通常许多地方的灯打开是从早到晚的，无论在房间里还是在走廊里有人，无论有多少人。
或者，当自然光线很好时，灯不关闭，相反，在自然光线很难满足人们的需求时，又不能及时打开灯。
这种照明方式,不仅浪费能源，还不能满足人们对照明的基本要求，也会对人的视力造成很大影响。
如今，各种高校不断扩招学生，扩大教室教室里的电力负荷增加，电源管理不当，造成学校的电力浪费，这种经济损失、浪这笔费用与今天的节能理念背道而驰。
此外，现代自动化程度不断提升，计算机技术不断普及，光学管理更加自动化，智能化也在不断发展。
所有这些使教室照明控制也朝着智能的方向发展。
开发这种简单，方便实用的教室照明自动控制系统具有重要的现实意义。
一些学校也意识到教室照明的巨大浪费，采取各种管理方法，试图杜绝这种浪费。
如:
成本和支出，课堂上教师责任制，组织勤工助学学生或雇用专业人员进行专业管理电力等等。
许多学校已经采取这些方法，但始终没能坚持很长一段时间， 没有达到理想的效果。
由于管理不善等问题就会影响教学资源的配置和合理利用等等。
意义：
能量是我们人类生存的基础。
目前，能源短缺仍是中国和世界最头疼的问题。
除了寻找新的能源，节约能源和提高能源效率已成为我们正在努力解决的任务。
近年来,中国的经济实力得到了明显提升，社会文明程度也在日益提高。
这与教育的发展密不可分，教育在全社会的关注度达到了前所未有的地位。
随之而来的是教育规模的扩大和受过教育的人数，特别是在高等教育机构中，承担着为祖国培养栋梁之才、孕育科研成果的重任,全社会都在关注。
高校不仅规模大，而且人口众多，人员分布相对分散。
由于中国大多数大学仍然采用传统的管理方法，能源浪费仍然很普遍。
据分析，中国一年大多数大学的水电费用可以达到学校全部支出的百分之二十左右,特别是电能消耗，总能源消耗比例不断增加，照明系统可占总电能消耗的50％以上。
与中小学不同，教学时间和日程相对不规律，并有大量的自习室。
基本上，每个教室都不能保证人们整天都在里面。
教室的照明在一天中的任何时候都是不同的，所以灯具不能及时关掉导致的能量浪费现象，甚至“长光”现象仍然大面积存在。
如今，大多数高校都采用了多媒体教学方法。
他们使用投影仪来播放幻灯片而不是传统的黑板教学。
这时，他们需要拉起窗帘才能打开灯具。
大多数学院和大学是第一批上午上课的学生。
打开后，没人想到下课后关灯，直到大楼的关闭被值班人员关闭。
这种能源浪费不仅给高等学校的办学带来了沉重的负荷，而且对全社会“节能减排”公益活动的发展产生了不利影响。
因此，如何有效节约能源已成为高校努力解决的问题。
作为能源消耗的主要目标，电能直接浪费。
如果能够设计出简单有效的照明节能方案，必将为节能工作带来很大帮助。
目前，人们节约用电的手段比较简单，主要是通过人们手动控制，增加语音控制，光感控制和更换新能源设备（如太阳能）。
手动控制方法更耗时，劳动强度大，增加了人员费用，节能的经济效益也相对较低。
声控和光控灯具的错误率相对来说比较高，这极大地影响了用户的舒适度。
新能源设备的前期投资相对较大，还会受环境和气候的影响。
因此，有必要设计一种满足用户舒适度要求，经济实用的智能照明节能系统，以便在高校中得到广泛推广。
1.2国内外研究现状。
1.2国内外研究现状
目前，国内照明大力采用高效照明产品代替传统低效率照明产品实现节能，大力推行绿色照明工程，大量运用节能技术，不断推出绿色光源和节能电器，采用大量的节能灯具，装备新技术，尤其以LED绿色照明的转型得到了国家的大力推动。
在这个阶段，世界各国正在采用不同的方式来节约能源和节约能源。
LUMA 公司推出的LEP等离子体灯替换传统照明，节能效果能达到50%，一 利浦照明公司和0SRAM公司也都在大力研究LED照明，芯片光效由以前的1001m/W提升到1501m/W, 丹麦住房建设对节能有很高要求，支付节能设备的居民比没有节能住房的居民高出8％。
简单的光源节能加有效的智能照明控制会让节能的空间大力提升，研究智能照明控制系统是是现在的发展趋势，综合了照明、自动化、计算机、电力电子化和互联网+的结合等，通过充分利用自然环光来减少人工照明带来的能源消耗，真正实现情景化、自动化、人性化的智能照明技术。
常见的照明控制系统包括飞利浦下的BonziDynalite智能照明控制系统，主要由调光模块，开关模块，控制面板，液晶显示触摸屏，智能传感器，编程插座，时钟管理器，手持编程器和PC监控组成。
使用DyNet网络连接，DyNet 是一种使用RS-485通信协议的分布式智能网络。
C-Bus智能照明控制系统主要由施耐德使用。
C-Bus系统是一种双线总线型智能控制系统。
所有单元设备（电源除外）都有内置微处理器和存储器。
该单元通过一对信号线（双绞线）连接到网络。
每个单元设置有唯一的单元地址，其功能由软件设置，每个环路负载由输出单元控制。
输入单元通过群组地址就可以和输出组建立相对应的连接。
当有输入时，输入单元将其转换为在C-Bus系统总线上广播的C-Bus信号。
所有输出单元接收并决定控制相应的环路输出。
快思聪基于ABB i-Bus EIB 智能安装系统，EIB智能系统由总线、总线电源、智能传感器（光线传感器、模糊开关、时间控制器、可移动性传感器）等组成。
每个组件都是一个节点，连接到2芯双绞线介质的总线，无论主从关系如何，都能实现控制和控制。
1.3智能照明控制系统发展概述
智能照明控制系统于20世纪90年代引入中国。
一开始，由于人们的消费意识和价格因素的影响，发展速度缓慢。
直到21世纪，随着中国经济的快速发展和“节能减排”工作的紧急需要，智能照明控制系统的研究和利用开始增长。
2015年3月8日，中国住房和城乡建设部发布了新修订的“智能建筑设计标准”（GB50314-2015）[1]，再次定义了智能建筑，并明确了智能建筑设计高校的标准和要求。
智能照明控制系统是组成智能建筑的重要要素。
随着智能建筑的快速发展，照明系统不再仅仅为人们带来光明，而是朝着舒适和节能的方向发展。
特别是节能，是智能照明控制系统的最为突出的一点，肩负着建设节约型社会的重任，为国家可持续发展做出表率。
目前，中国的主要发电形式仍然是火力发电，尤其是在北方。
如果我们能够大力发展智能照明控制系统，降低能耗，从而减少煤耗，那么改善空气质量和减少烟雾也是不寻常的意义。
这几年，随着计算机技术和自动控制技术、网络通信技术和微电子技术的不断进步，智能照明控制系统的发展也在不断深化。
随着不同的环境，用户可以使用智能照明控制系统根据实际情况做出不同的设定。
将会自动采集系统收集环境信息，并通过系统逻辑分析和推断信息，形成一种信号去反馈处理，从而实现最佳的照明控制效果。
1.4本课题主要研究的内容
本设计以教学楼的教学照明系统功耗高，易造成浪费为主要研究内容。
在总结中国高校照明系统现状的前提下，研究了国内外现如今存在的智能照明技术。
并相关材料表示，力争设计一套适合我国高校教室的智能照明控制系统，通过该系统可以有效实现智能化管理和节能的目的。
本设计主要包括以下几个方面：
（1）教室智能照明控制系统的总体设计。
通过查阅相关数据，结合我国高校课堂照明系统的现状，总结了节能措施的不足和短处，提出了该设计的总体设计方案，包括设计和组成。
通过用LED灯替换原来的荧光灯，主计算机系统的设计和通信模块的设计进一步提高了节能效果。
以此为基础，写出了本设计中要实现的功能以及智能控制过程。
神经网络算法用于模拟和仿真。
不仅满足照明要求，还能计算出最佳灯具照明方案。
（2）室内智能照明控制系统的硬件设计为了达到本设计的目的和实际需要，应该选择系统所需的硬件设备，主要包含智能照明控制系统控制器、数据采集单元的选择、复位电路和时钟电路和最小系统的设计，单片机的选择。
照度探测模块和人体红外探测模块，以及通信模块的选择和设计、继电器模块的设计也是具备的。
（3）课堂智能照明控制系统的程序设计。
为了确保下位机的硬件部分能够完全发挥其作用和功能，应根据设计要求进行相应的控制程序设计。
系统工作流程设计和智能控制器的主程序设计，数据采集设计包括逻辑关系设计，照度检测模块编程和人体红外检测模块编程，都是下位机程序设计组成成分。
（4）PC系统管理系统设计。
对于管理员最终需要在上位机进行智能控制，需要随时了解课堂的实际情况，结合智能控制系统的总体设计思路，由管理员设计的系统发布上位机上的命令，包括管理系统通信实现，管理系统接口设计和通信程序设计。
第2章智能照明控制系统的总体设计
2.1现阶段高校教室照明控制现状
现阶段多数高校都已经意识到了照明节能的重要性，在照明系统上也都采取了一定的节能措施，主要包含以下几种：
（1）传统的人工控制方式。
仍有不少高校仍在采用手动控制照明。
节约能源只能通过组织一些勤工俭学的学生定期检查和关闭不必要的灯光来实现。
一般来说，直到教学楼关闭，值班人员才能关闭电源。
这种最原始的节能方式，效果不明显，使用的人力也比较大。
（2）根据时间段进行控制。
通过学生作息时间表的内容，时间开关可以预设自动切换灯的时间，可以大大减少长亮光的现象。
但是，这种方法无法判断房间内是否有人和光照效果，即需要在白天照明时手动开灯，室内无人灯在夜间仍然亮，节能效果显然是不够完善。
（3）根据教室内人数自动控制。
通过这种方式，在教室的入口处安装了许多交通计数器，并且人数根据房间中的人数自动打开和关闭。
这样，理论上可以自动关闭房屋内的灯，但稳定性需要增强，例如大量人员进出会计数不准确，灯泡意外打开和关闭。
虽然上述方法可以有效节省能源，但都有各自的弊端，节能效果并不十分显著，所以，高校非常需要这样一种安装成本上、节能效果和稳定性上都好的智能照明控制系统。
2.2主要元器件介绍
（一）光敏电阻
（1）光电检测器件的选择
当前，光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电池等器件在光电检测技术中常用到，选择光照传感器可根据表①来比较选择。
表①光电器件特性比较
器件
光谱响应
灵敏度
线性度
伏安特性
电特性输出电流
噪声特性
光敏电阻
可见光至红外
高
差
电阻型
大
低
光电池
可见光至红外
低
一般
光伏型
最大
低
光电二极管
可见光至红外
一般
好
光伏型和饱和型
小
高
光电三极管
可见光至近红外
高
差
饱和型
大
高
与其他光电检测装置相比，光敏电阻具有以下特性:
a）高灵敏度和大于1的光电导增益。
b）很大的工作电流，能够达到数毫安。
c）测量的光强度范围的宽度，其可以检测强光和弱光。
选择光敏电阻是最好的。
（2）工作原理—光敏电阻
光敏电阻的工作原理:
在对两极施加一定电压后，光照射在光电导体上时候，由照射产生的光生载流子在施加的电场作用下沿一定方向移动。
在电路中产生电流以实现光电转换的目的。
光敏电阻器是使用内部光电效应从半导体材料操作的光电器件。
在光的效果下，它的阻力通常很小。
这种状况被称为光导效应。
即光敏电阻也称为光管。
（二）单片机AT89S52
AT89S52单片机内部结构简图
2.3系统总体设计方案
由于高校教室的使用和使用在一天中的任何时候都不确定，并且照明需要相对恒定，因此设计的照明系统应具有自动工作功能并尽可能无人值守。
设计出的系统不仅要能够适用于大多数的高校而且还需便于使用。
管理者可以根据系统设置的不同工作状态根据不同的工作周期进行切换。
每种工作模式都充分考虑了自然光系数，并使照度值尽可能保持恒定。
使用自然光来节省能源。
广义智能照明控制系统可分为两部分：
上位机系统和下位机系统。
这两部分根据特定的通信协议来通信和控制灯。
在该设计中，下位机主要由单片机和多个检测模块组成。
下位机根据设计位置布置在每个教室中，可以实时检测和监控教室人员的情况和照度。
管理员可以随时了解教室中的情况，因为电力线载波模块可以将下位机检测到的数据实时上传到上位机。
在全自动模式下，系统将根据设定的临界值判断是否开灯。
管理员需要执行上位机来执行命令。
上位机也是整个智能控制系统的核心。
由于大学的教学具有相对规律性，可以根据工作时间设计几种固定的工作模式。
管理员可以根据实际情况释放机器工作指令，下位机会通过指令进入对应的工作模式，从而实现智能控制过程。
在这种智能控制中，上位机是通过电力线载波模块与下位机通信，显示每个教室的人员情况和照度，控制下位机的工作模式和手动更改教室中的照明状态来实现需要实现的主要功能的。
除此之外，以下功能是下位机还应实现的：
一是通过人体红外探测模块检测课堂人员的情况;另一种是通过照度检测模块检测教室的光照强度;三是通过电力线载波模块实现上位机与下位机通信并执行上位机发出的指令。
给上位机，在全自动模式下，系统会按照设定好的临界值来判断是否系统总体结构图如图②所示。
系统总体结构图②
智能照明控制系统有三种控制模式：
班级模式，自动模式和强制模式，三种模式可以随时切换。
在强制模式的时候，每个教室的照明系统管理员可以手动控制，并选择强制打开或强制关闭教室照明。
即使面对突发情况，该模式也能满足用户和管理者的特殊要求;在白天，自然照度充足，教室的利用率相对较高。
在这种模式下，每个教室的灯将首先处于关闭状态。
在下位机照度检测模块检测到室内照度显示不足时，人体红外线检测模块才会检测到房间内有人，教室里的灯会亮;自学模式大多应用于晚上，此时，课堂的主要目的是供学生自学，如果学生不能集中，课堂的能源就会使用率低，导致浪费能源。
在这种模式下，系统将从楼梯打开每层楼下一个教室的灯具，剩下的将被关闭。
教室将根据优先级设置，优先级高有人在教室的情况下，才能打开下一级教室的探测器，如果检测到人，则打开灯。
往后以此类推。
第3章智能照明控制系统硬件设计
3.1智能照明控制系统控制器设计
3.1.1AT89S52单片机简介
AT89S52MCU是一种功耗低，性能强的8位MCU。
芯片中的ROM采用FLASHROM技术。
闪存的大小为8K，可以编程。
AT89S52MCU采用Atmel公司在制造业中的高密度和非易失性存储技术。
它在兼容性方面与MCS-51系列MCU的引脚和指令兼容。
在单芯片方面，AT89S52微控制器具有灵活的8位CPU和可在系统中编程的闪存，可用于各种嵌入式控制系统。
AT89S52MCU可以选择进入省电模式。
该软件可以将频率降低到0Hz。
在空闲模式下，CPU可以停止，但RAM，计数器，定时器和串行端口可以继续运行。
当处于掉电保护模式的时候，RAM内部数据将被密封，振荡器将冻结，微控制器将暂停所有操作，除非接收到下一个中断或者硬件复位信号才结束。
AT89S52单片机实物图如图3-1所示。
3.1.2引脚功能
AT89S52单片机具有4个8位并行的I/O口，总共32根I/O线，每条线I/O线都可用作输出或输入。
RST复位输入端、ALE/PROG地址锁存允许信号、PSEN程序存储器允许信号、EA/VPP外部存取允许信号、XTAL1振荡器的反相放大器输入以及XTAL2振荡器的反相放大器输出都属于单片机的引脚。
AT89S52单片机引脚图如图3-2所示，引脚功能说明如表3-1所示，P3口的第二功能如表3-2所示。
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