教室灯光自动控制系统设计概述.docx
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教室灯光自动控制系统设计概述
教室灯光自动控制系统设计
摘要
针对学校教室用电浪费现象，本研究教室灯光的智能控制，分析了发展现状教室灯光智能控制的原理和方法，提出了基于单片机的教室灯光智能控制的设计。
该系统以AT89S52单片机为控制装置的智能部件，采用热释电红外传感器检测到人类存在和采用光敏电阻构成的电路检测环境光强度。
根据教室光线条件和人体的测量信号系统和环境光，系统可以做出合理、智能判断，然后控制教室照明电路的工作。
首先通过传感器检测教室门口是否有人活动，若有人则开启教室门口的灯，然后通过光照强度检测电路检测光照强度，其检测信号经过ADC0804转换为可提供单片机直接处理的数字信号，每个座位上安置机械压力开关，根据数字信号及压力开关的变化自动执行对LED的恒光控制，以实现照明的节能控制。
教室门口安装内外两个光藕，用于检测人员进入情况，统计教室人数。
这是一个有效的方法来避免浪费电的教室。
体积小，控制方便，可靠性高，特异性高、价格合理的优势使该系统满足大，中等技术学校教室灯光控制的要求，极大地达到节能的目的。
关键词教室灯光控制；热释红外传感器；光敏电阻；AT89S52
Abstract
Thisstudyofintelligentcontrolclassroomlamplight,analyzesthecurrentsituationofthedevelopmentoftheclassroomlightofintelligentcontrolprincipleandmethod,isproposedbasedonsingle-chipmicrocomputerintelligentcontroloftheclassroomlamplightdesign.ThissystemtoAT89S52singlechipcomputerascontroldeviceofintelligentparts,adoptsheatreleaseinfraredsensordetectsthereleaseofhumanexistenceandadoptsphotoconductiveresistanceconstitutescircuittestingenvironmentlightintensity.Accordingtotheclassroomlightconditionsandthemeasuredthesignalofhumanbodysystemandambientlight,thesystemcanmakereasonableandintelligentjudgmentandthencontrolstheworkofclassroomlightingcircuit.Firstbysensordetectswhetherthedooroftheclassroomactivities,ifsomeoneopensthedooroftheclassroomlights,andthenthroughthelightintensitydetectingcircuitinlightintensity,thetestsignalafterconvertingADC0804canprovidesingle-chipcomputerprocessingofdigitalsignalsdirectly,eachseatonmechanicalpressureswitch,accordingtothedigitalsignalandthechangeofthepressureswitchautomaticallyperformtheLEDconstantlightcontrol,torealizetheenergysavingoflightingcontrol.Insideandoutsidethedooroftheclassroomtoinstalltwolightlotusroot,usedtodetectpersonneltoenter,statisticsthenumberoftheclassroom.
Itisaeffectivewaytoavoidtheclassroomofwasteelectricity.Smallvolume,convenientcontrol,highreliability,highspecificityandpricereasonablemakethissystemsatisfytheadvantagesoflarge,secondarytechnicalschoolsclassroomlightcontrolrequirementsandgreatlyreachenergy-savingpurpose.
Keywordstheclassroomlightcontrol;heatreleaseinfraredsensor;photoconductiveresistance;AT89S52;
第1章绪论
1.1教室灯光自动控制系统的发展现状
1.1.1国外灯光自动控制的发展状况
世界各地发电的主要原料是煤炭、石油和天然气，而丹麦在能源利用方面的成功经验提供了很好的借鉴。
从1974年以来，尽管丹麦国民收入增长了50%，丹麦总的能源消费量并没有增加。
丹麦是OECD成员国中能源消耗量和国民收入比值最小的国家。
他们不断地提供一些节能供热系统，例如丹麦热电同供热电厂（CHP），而且，他们尽可能的有效利用资源。
这样，他们的能源使用总效率达到了90%。
丹麦政府很重视住房空间用电的节能，并设立了对新建房屋节能的诸多要求。
数据显示，居民入住有节能装置的房子时，他们要支付比没有节能方案房屋高出8%的费用。
其节能项目经验在欧盟国家中广为流传。
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%的电能[1]。
种种迹象表明世界各国都在采取不同方式来节约能源，节约电能。
1.1.2国内灯光自动控制的发展状况
中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，但由于我国人口众多，所以人均储量少，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国民经济发展的关键问题。
从环境和自然资源角度出发，能源问题也是我国长期可持续发展战略中一个关键因素。
此外，能源问题不仅关系经济发展和环境生态，在特定情况下还会对社会稳定有很大影响。
鉴于能源问题的重要性，我国在绿色照明工程新闻发布，绿色照明工程未来五年间将在公用设施、宾馆、商厦、居民住所等全国建筑物中推广1.5亿只节能灯，节电290亿度电。
上海、河北等一些地方采取政府对节能灯大宗采购每只补贴3至4元的方式进行推广。
从普通白炽灯到高效节能灯，使我国的电光源产品结构逐步向节电型转变，荧光灯与普通白炽灯的比例由1995年的1:
6.25上升到目前的1:
1.5。
目前，我国照明用电约占社会总用电量的12%，采用高效照明产品代替传统的低效照明产品可节电60%到80%。
如今，北京正在大力推行绿色照明工程，己推出上百万只绿色照明光源和部分节能电器，据测算年节约用电可达3442万千瓦时，节约电费251、9.7万元。
政府己经在商厦、学校、医院等更换了24万只节能灯具。
在奥运工程的建设上，也大量运用节能技术，北京的奥运场馆“水立方”，通过采用大量的节能灯具，装备新技术，通过增强透光性白天可节约照明能耗50%。
1.1.3教室灯光自动控制的发展现状
目前国内各类院校中，由于同学们的自觉节能意识薄弱，在光线足够强时也开灯，课上完离开教室后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。
再者，每所院校不断的扩招，教室不断的扩建，若再没有改进教室的用电管理设备，那么用电负荷可想而知，浪费的电能就更惊人了。
基于以上种种原因，提高教室用电效率就成为学校节能的重要且主要的措施之一，因此教室灯光自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要的课题。
1.2当前常用灯光自动控制系统简介
（1）Dynalite智能照明控制系统
该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、编程插日、时钟管理器、手持式编程器和PC监控机等部件组成。
采用DyNet网络连接，DyNet是一个分布式智能化网络，使用RS一485通讯协议。
（2）C一Bus智能照明控制系统
C一Bus系统是1994年由澳大利亚奇胜电气公司开发的，现已广泛用于很多国家和地区。
C一Bus系统是一个二线制的总线型式的智能控制系统，主要用于对照明系统的控制。
也可用于消防等系统中的联动控制。
（3）ABBi-busEIB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、移动传感器）、智能开关驱动器和其他智能元件（逻辑模块总线祸合器）构成。
它是典型的现场总线系统，每个元件就是一个节点，这些节点连接在一根2芯双绞线介质的总线上，不分主从隶属关系实现相互之间的通讯从而实现控制和被控制。
1.3.本设计的题目来源
随着社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平也不断提高，导致用电负荷的加剧，又由于世界性的能源危机，能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。
而此问题对我国来说尤为严重。
随着各类大、中专院校的扩招，教室的扩建，教室照明的需求也越来越多，而教室照明的管理不到位，往往造成电能的巨大浪费，这样，提高教室用电效率就成为首要考虑的问题。
目前对灯光的智能控制，国内外己经开始采用，但对教室灯光的控制，尤其是我国教室灯光的智能控制尤为缺乏和不完善，依然是传统式的人工管理。
各类大、中专院校不断扩招，教室不断扩建，教室的用电负荷不断加大，教室用电管理不善，造成学校电能浪费，经济损失，这种的浪费与当今的节约能源理念相违背。
再者，现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，灯光的管理也在朝着自动化、智能化方向发展。
例如楼道灯光的自动控制等等[2]。
所有这些使得教室灯光控制也应该朝着智能的方向发展。
于是，开发简便、实用的教室灯光自动控制系统便具有重要的现实意义。
1.4本设计的主要内容与目标
本课题的研究内容主要有如下几点：
（1）了解教室照明光强的标准；
（2）调研教室灯光照明需求以及环境光强弱与开、关灯的关系；
（3）研究人体存在探测技术，探测角度与范围；
（4）研究传感器在教室分布、安放问题，是否一灯一个传感器或多灯公用传感器；
（5）研究确定人体传感器的有关参数；
（6）研究灯光控制器电源问题；
（7）研究控制器参数值设定的要求及方案；
（8）研究人工设置参数、掉电保存参数的问题；
（9）研究使用键盘按键控制灯光控制器技术；
（10）研究与现有教室照明相兼容，易替代，不易被偷盗、被仿制，易于维护、维修等控制技术；
（11）研究报警等附加功能问题。
本设计的主要研究目标是使教室灯光控制系统能用于现有教室照明系统的改造，实现对照明系统的人性化智能管理，提高用电效率；实现自动、手动灯光控制相兼容，以降低成本；通过反复试验和改进，最终达到可靠性、实用性、推广性较好的目地。
1.5本章小结
本章主要分析和介绍了教室灯光自动控制系统的国内外发展现状和当前使用的主要几个灯光自动控制系统，总结了教室灯光自动控制系统的当前现状，指出了当前教室灯光自动控制系统的一些问题，最后对本课题的题目来源以及本设计的主要设计内容和研究目标进行了介绍。
第2章教室灯光控制器简介及控制方案的分析
2.1教室灯光控制器简介
教室灯光控制器可实现有效的教室灯光智能控制。
其输入参数主要是人体存在信号和环境光信号等的外界因素，环境光的强度达到一定值时不开灯，环境光强度在一定阀值以下且有人存在时开灯，理论和实验证明用这种方式来对教室灯进行智能控制[3]可以实现上述目标。
教室灯光控制器由机械开关和红外传感器组成，红外传感器安装在教室门口，当有人进入且灯光较暗时打开灯，机械开关安装在教室每个座位上，用来检测是否有人坐下。
前后教室门口分别安装光藕用于检测进进出出教室的人数。
2.2教室灯光系统控制方案的分析
所研制的控制器以自然光强度和人体存在作为控制器[4]的主要输入参数。
可以实现自动与手动控制相兼容。
在自然环境光较强光线足够时，无论人是否存在，都不开灯；在自然环境光较弱时，有人存在且超过一定时间，控制器自动打开电灯，直到人离开后再延时一定时间后关灯。
本文所研究的教室灯光控制器[5]主要是由硬件和软件两大部分组成。
硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，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照明智能控制[6]。
2.3本章小结
本章仅对教室灯光自动控制器进行了一下简要的介绍，并对教室灯光自动控制系统的方案进行了分析与简介。
第3章教室灯光系统控制模块的硬件设计
3.1本系统需要抗干扰的原因分析
考虑到本系统[7]所安装的环境影响因素比较多，且教室控制设备中的人体存在传感器、光敏电阻等经常会因环境情形变化而不稳定，所以在设计过程中，电子元器件的选用、线路布置和设备的安放要充分考虑到抗干扰问题。
3.2本系统控制模块的硬件构成分析
图3-1系统控制模块硬件组成
3.3本控制系统的主要硬件电路设计
3.3.1系统主控电路
本系统的主控模块主要采用Atmel公司的AT89S52作为主控芯片[8]，它是一种低功耗，8位CMOS工艺处理器，具有8K在线可编程Flash存储器，片内的Flash可多次编程，为在线编程提供了方便。
片内有128字节的RAM，4KB的EEPROM[9]，由于合理的安排使用片内RAM空间[10]，所以没有扩展的片外RAM，使电路结构简捷。
该芯片具有以下主要特征：
（l）与MCS-51系列单片机兼容
（2）8KBytes，Flash存储器，在线编程，可写1000次
（3）4.0-5.5V的工作电压
（4）自带256×8bitRAM
（5）32个可编程I/O管脚
（6）3个16-Bit定时器/计数器
（7）8个中断源
（8）自带看门狗
AT89S52I/O端口与系统其它外围器件接口的分配情况表如表3-1所示：
表3-1单片机接口分配表
89S52引脚
外围器件引脚
说明
P0.0-P0.7
74HC573
数码管显示驱动接口
P2.0-P2.3
独立按键
键盘输入接口
P2.6
74HC573
数码管段码选择接口
P2.7
74HC573
数码管位码选择接口
P1.0-P1.7
ADC0804
AD转换接口
P3.6-P3.7
数模转换读写输入端口
单片机最小系统模块电路如图3-2所示：
图3-2单片机最小系统电路
3.3.2系统供电路
要取得+5V电压，若选用12V的变压器，整流滤波后输出往往大于12V，会使稳压器功耗大，自身温度较高。
故不选用输出电压为12V的变压器，而选用输出电压为9V的变压器。
系统接通220V交流电源后，将220V交流电变压到9V，经过二极管全波整流、电解电容C1、C2滤波，再经一只正输出稳压器LM7805，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+5V的直流工作电源，用于给控制系统中单片机系统及其它外围电路的VCC+端供电。
其供电原理图如图3-3。
图3-3系统供电电路
在硬件时钟模块中，为了在断电后硬件时钟能够正常运行，故采用主从双电源供电方式。
硬件时钟一般在系统的+5V主电源情况下工作，而只有系统+5V主电源消失的情况下，为确保硬件时钟的正常运行，设计一个3.6V的可充电锂电池作为备用电源。
3.3.3数据采集电路
教室中的环境光和人体存在与否是系统的主要输入参数[11]，因此教室中的环境光和人体存在成为系统数据采集的主要对象。
常见的环境光采集器件光电传感器有光敏二极管、光敏三极管和光敏电阻，根据需求，选用灵敏度较高的光敏电阻。
此外，人体传感器要求灵敏度高，可靠性强，本系统采用了逻辑电平输出的HP-208型号[12]的人体存在传感器。
1、环境光采集电路
光强采集，采用光敏电阻进行设计。
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。
采用分压原理，设计电路如图3-4所示：
图3-4环境光采集电路
2、人体存在传感器的工作原理
自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线，利用红外传感器[13]可对其进行检测。
根据工作原理，红外传感器分为热型和量子型两类，热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器。
与量子型相比，响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可在常温下工作。
量子型与热型的特点相反，而且要求冷却条件。
本系统采用的是热释电红外传感器，人体存在传感器主要采用了红外传感器的原理，它是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、自动照明等场合，及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。
其原因为：
①被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；②大气对2~2.6μm、3~5μm、8~14μm三个被称为“大气窗口”的特定光通量的红外线吸收甚少，可非常容易被检测；③中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。
人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性[14]如下：
人体都有恒定的体温，一般在37℃，所以会发出特定波长10µm左右的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的10µm左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10µm左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。
红外感应源采用热释电元件，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由人体存在的信号[15]。
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10µm左右的红外辐射非常敏感。
2）为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。
3）人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元，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）一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被人体存在传感器的热释电元接收，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，经信号处理而输出有人体存在的信号[16]。
5）菲尼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。
人体传感器透镜的信号采集敏感区示意图3-5如下所示。
图3-5信号采集敏感区示意图
有人进入时，移动人体发出的红外线被红外传感器接收，则人体存在被感应，并输出高电平。
若人体进入最不敏感移动方向时，则人体传感器所体现的信号就会不理想，有时还会产生误动作，所以要特别注意人体传感器的安装方向。
人体存在信号采集电路
人体传感器HP-208是深圳市浩博特电子有限公司研发和生产的基于红外线技术的智能产品，它的主要特性如下：
（l）感应为全自动方式，人进入感应范围时输出高电平（高3.3V），人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平（低0.3V），其高低电平利于采集；
（2）采用可重复触发方式。
即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时8秒-15秒后将高电平变为低电平；
（3）人体传感器工作电压宽为DC5V-DC20V；
（4）人体传感器制作成锥面形状，感应范围大，小于140度锥角，感应距离为7米以内；
（5）其静态电流小于50微安，功耗低；
（6）工作温度介于-20℃和+70℃之间，适应性强；
（7）灵敏度高，可靠性强。
人体传感器的1号引脚为电源信号端，3号引脚为地信号端，2号引脚为采集信号输出端。
在电路设计中，为了使人体传感器的工作更加可靠，介于人体传感器的信号引脚2与地信号引脚3之间加一个6800pF的电容，另外人体存在传感器的信号引脚2与单片机的P3.3引脚相连，p3.3引脚再接一个l00KΩ的上拉电阻，增加人体存在传感器输出信号的可靠性，其电路原理图如图3-6。
图3-6人体采集电路
3.3.4数码管驱动显示电路
荧光数码管是一种分段式真空显示器件。
其优点是工作电压低，电流小，寿命长，清晰悦目，稳定可靠，视距较大。
液晶显示器是利用液态晶体的光学特性来工作的。
由于它具有工作电压低、耗电省，成本低等优点。
缺点是显示不够清晰，工作温度范围较窄（-10°-60°）。
因为我们这里并不需要太丰富的显示内容，而且液晶显示器太贵，终上所述我们选择数码管来显示。
数码管的驱动我们选择74HC573芯片，下图为74HC573的功能表和引脚图：
表3-274HC573功能表
OE
LE
D
Q
L
H
H
H
L
H
L
L
L
L
X
Q0
H
X
X
Z
图3-774HC573引脚图
74HC573管脚1脚三态允许控制端低电平有效[17]，1D-8D为数据输入端，1Q-8Q为数据输出端。
74HC573是高性能硅门CMOS器件，它具有：
三态总线驱动输出，置数全并行存取，缓冲控制输入，使能输入有改善抗扰度的滞后作用。
其原理说明：
74HC573的八个锁存器都是透明的D型锁存器，当使能G为高时，Q输出将随数据D输入而变。
当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。
输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持[18]，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。
这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。
特别适用于缓冲寄存器，I/O通道，双向总线驱动器和工作寄存器。
数据锁存：
当输入的数据消失时，在芯片的输出端，数据仍然保持；
从其功能和价格方面考虑，我们选择了74HC573来驱动数码管。
数码管驱动显示电路如图3-7：
图3-8数码管驱动电路
3.3.5数模转换电路
ADC0804是单片机集成A/D转换器[19]，它采用CMOS工艺20引脚集成芯片，分辨率为8位，转换时间为100μs，输入电压范围为0-5V。
芯片内具有三态输出数据锁存器，可以直接连在数据总线上。
图3-8为ADC0804双列直插式引脚分布图。
图3-9ADC0804引脚分布图
各引脚名称及作用[20]：
VIN（+），VIN（-）—两模拟信号输入
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