基于单片机AT89C51智能灯光控制系统的研究与设计.docx

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基于单片机AT89C51智能灯光控制系统的研究与设计

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。

楼宇智能化的发展与成熟，也为基于单片机的照明控制系统的普及与应用奠定了坚实的基础。

对一些照明时间较长、照明设备较多的场所（如学校教室、商场等）其照明系统的使用浪费现象屡见不鲜。

由于缺乏科学管理和管理人员的责任心不强，有时在借助外界环境能正常工作和夜晚室内空无一人时，整个房间内也是灯火通明。

这样下来，无形中所浪费的电能是非常惊人的。

据测算，这种现象的耗电占其单位所有耗电的40％左右。

因此，有必要在保证照明质量的前提下，实施照明节能措施。

这不仅可以节约能源，而且会产生明显的经济效益。

针对公共场所用电浪费现象，以AT89C52为核心，提出一种用热释电红外传感嚣和光照检测相结合的智能照明控制系统,通过对光线的强弱和室内是否有人的判断自动实现开关灯，达到节能的目的。

关键词：

智能灯光,节能,AT89C52,热释电红外传感器,光照检测

Researchanddesignofcontrolsystemofintelligentlighting

Abstract

Withtherapiddevelopmentofelectronictechnology,thesystemofcontrolbasedonSingle-chipMicrocomputeriswidelyappliedinindustry,agriculture,electricpower,electron,intelligentbuildingandsoon.Microcomputer,asthesubjectandcoreoftheembeddedsystemofcontrol,replacesthetraditionalsystem—electroniccircuit.Atthesametime,thedevelopmentandmaturationoftheintelligentbuildinghaveestablishedthesubstantialfoundationforthepopularizationandapplicationofthecontrolsystemforlightingbasedonsingle-chipmicrocomputer.

Forsometimelonger,lightingequipmentmoreplaces（suchasschoolclassrooms,shoppingmallsandsoon）Itisoftenseenusingwasteitslightingsystem.Duetothelackofscientificmanagementandmanagementresponsibilityisnotstrong,sometimeswiththeexternalenvironmentcanworknormallyandatnightnobodyindoor,thewholeroomislit.Inthisway,thewasteofintangiblepowerisveryalarming.Accordingtoestimates,thepowerconsumptionoftheunitofthiskindofphenomenonabout40%ofallelectricityconsumption.Therefore,itisnecessarytoguaranteethequalityoftheimplementationoflighting,lightingenergysavingmeasures.Thiscannotonlysaveenergy,butalsocanproducesignificanteconomicbenefits.

Aimingatthephenomenonofelectricitywasting,takingAT89C52asthecore,akindofintelligentlightingcontrolsystemofinfraredsensingnoiseandlightdetectioncombinedpyroelectricinfrared.Thelightintensityandwhetherindoorhumanjudgmentautomaticallyswitchlights,achievethepurposeofenergysaving.

Keywords:

intelligentlightingenergysaving,AT89C52,pyroelectricinfraredsensornoise,lightdetection

智能灯光控制系统研究与设计

许仲池021210131

0绪论

在社会经济水平和科学信息技术不断膨胀的今天，社会的进步发展很大程度上取决于资源开发利用，但是不断增加的能源需求和有限的资源数量给人类的生存发展造成了相当大的威胁,能源短缺问题变成了全球性问题，同时也成为一个国家经济发展绊脚石。

怎样有效利用能源和节约利用能源成为每个国家紧迫的问题，而符合可持续发展要求无疑是节约能源。

在英国，你会很少见到大型彻夜灯光照明的现象，大型公司和政府部门，你是看不到虚浮华丽的所谓“照明工程”。

当你漫步在伦敦街头，看不到大面积光华淌泻与楼体通明的景观，所有照明都基本以不影响人们的正常生活节奏为准。

许多店铺橱窗的灯光在打烊后会全部关闭，有些店铺还采用定时关灯装置。

在政府住宅楼和公寓楼内，楼道里的公用灯也大多采用自动断电装置。

作为提高能源使用效率最重要的途径之一，德国政府努力推动能源公司实施“供热供电结合”，鼓励能源公司将发电的余热尽可能用于供暖。

2002年，德国颁布了促进“供热供电结合”的法规，根据这一法规，政府向实施该措施的能源公司，尤其是小型能源公司提供补助，帮助他们置办相应设备。

中国城市每年用于公共照明的能源支出高达280多亿，节能空间巨大。

其中路灯照明能耗占30%以上。

发展城市道路照明的同时，路灯以供街道照明以外，还大力兴建了不少景观照明工程，美化城市的夜景，但同时也带来了能耗的极大浪费。

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%～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[1]。

对高等院校，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[10]。

目前对灯光的智能控制，国内外已经开始采用，但针对教室灯光的控制智能系统还不是很完善，依然是人工管理占主导地位。

现在伴随各类大、中专院校的扩招，教学楼不断扩建，教室用电负荷不断加大，教室用电系统管理不善，造成学校资源的浪费与经济损失，这种做法显然与当今节约能源的理念相违背。

当今许多教室采用比较传统的照明系统：

在主电源经过一个配电箱分出多个支路，这些支路再分别向灯具供电，然后再通过串接在照明中的单双极开关来通断供电线路[9]，所以该控制系统只能通过开关来控制灯具，无法实现比较人性化、多功能化的系统管理。

如在国内外有些灯光控制系统采用声控形式但是其没有经过单片机等芯片的处理使用仍是将采集信号处理后传递给逻辑电路来进行灯光控制，假使外界条件恶劣如有噪声等仍会造成电能的浪费，而且逻辑电路只能实现较少功能，综合而言，整个系统虽然简单但是功能不全，而且无法人性化控制。

现代自动化程度不断提高，计算机技术不断普及应用，教室灯光系统也应朝着更人性化智能化得方向发展。

本系统采用热释电红外传感器和光敏三极管来感知人体信息和外部光照环境改变，并通过单片机及软件编程的技术实现灯光系统的控制，达到了部分智能化的控制。

1系统相关背景介绍

1.1系统研究背景

改革开放30年来，我国经济取得了突飞猛进的发展，人民生活水平质量也得到了巨大的提高，人们对照明的需求也越来越高。

从最初只提供亮度的基本功能到现在产了多方面的需求：

除了提供适宜的环境亮度以外，还要营造优雅舒适的氛围；用户方要求控制方式灵活方便，能实现按需配置，同时实现节能、降低运行费用；施工方要求安装简单、维护方便；设计方要求系统能提供满足用户多样性要求的各种技术手段。

需求的变化导致控制方式的改进：

从传统的机械式开关演变为电子技术的智能照明系统。

能源短缺是21世纪国际面临的新课题。

在寻找新的能源之外，节约能源，提高效益也就成为了我们研究的课题。

所以如何来节省电力能源也成为了一个迫切需要解决的问题。

从节约资源、对社会贡献、节省部门经费支出等多方面考虑，办公室、高校教室等公共场所照明的节电问题不得不提到重要的议事日程上来。

目前常用的节电方式为手工控制，声控型，太阳能灯等。

手工方式操作起来不灵活，费时费力。

声控型往往判断不准确，不需要的时候也也会经常亮。

太阳能设备投资比较大，且容易受光照强度的影响。

因此市场上迫切需要一种操作方便、价格低廉、便于大面积推广的新型节能方案。

1.2系统研究的意义

社会经济和科学技术的发展使得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。

随着各类建筑空间的扩大，照明的需求也越来越多，而室内照明的管理不到位，往往造成电能的巨大浪费，这样，提高室内用电效率就成为首要考虑的问题。

目前对灯光的智能控制，国内外已经开始采用，但对室内灯光的控制，尤其是我国室内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。

各类大型建筑不断扩建，室内的用电负荷不断加大，室内用电管理不善，造成电能浪费，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。

例如搂道灯光的自动控制等等。

所有这些使得室内灯光控制应该朝着智能的方向发展。

所以，开发简便、实用的室内灯光自动控制系统具有重要的现实意义。

1.3智能灯光控制系统的发展与现状

1.3.1智能控制技术的研究现状

智能控制技术发展方向主要有基于人工智能技术的智能控制方向、智能控制的模糊控制方向和智能控制的人工神经网络控制方向，在智能控制的人工神经网络控制方向上，基于人工神经网络和模糊逻辑有机结合的神经模糊技术，已成为近年来的一个热门课题。

1.3.2国内外智能灯光发展概况

“智能建筑”是综合计算机、信息通信等方面最先进的技术，使建筑物内的电力、空调、照明、防灾、防盗、运输设备等，实现建筑物综合管理自动化、远程通信和办公自动化的有效运作，并使这三种功能结合起来的建筑。

人工智能技术在建筑与灯光中的应用趋势不断扩大。

正如英国的Glasgow市报指出：

“Glasgow正在成为一个研究和发展太空时代智能建筑的国际组织的神经中枢。

在智能建筑中的智能灯光、供热、空调、通讯及办公设备将全部由电子计算机进行控制与管理。

”

面对这一发展趋势，开发了不少智能灯光设计，如智能灯具、智能照明控制与管理系统，包括在照明方面的计算机硬件和软件。

此外计算机在照明设计和测试方面也得到广泛应用。

澳大利亚邦奇开发的Dynalie智能照明控制系统，美国的智能照明建筑，特别是现代化办公室的智能灯光技术等都值得我们研究与借鉴。

1.3.3智能灯光控制系统的优点

智能灯光控制系统是指用计算机技术并辅助以其它手段，对电力照明实行自动控制，提供合适照明光环境的同时降低照明系统电能消耗和其它使用费用。

智能灯光控制系统于手动灯光控制系统相比有很多优点，包括创造环境气氛，改善工作环境、提高工作效率，良好的节能效果，延长光源寿命，管理维护方便等。

1.3.4现有智能照明控制系统的分析

澳大利亚邦奇开发的Dynalite分布式智能灯光控制系统的特点是模块化结构和分布式控制，各功能模块之间通过网络总线直接相互通信，当系统中某个模块出现故障时不会影响其它模块，可靠性高。

美国LC&D智能灯光控制系统是一套由计算机微处理器控制的低压继电器配电盘组成，按照客户对室内外照明的具体要求，设定照明控制的时间、区域、方法来控制每一个独立的回路，也有手动开关直接控制。

国内生产的真善美智能灯光系统具有集中控制、多点操作、集中显示、停电自锁、免打扰、遥控功能等智能功能，使家居生活更加方便和舒适。

但是，国内外智能灯光系统的研究存在着如下问题：

（1）现有国外智能灯光系统主要控制照度这个数量指标，国外的研究主要集中于办公室照明，以节能为主要目的，但据照明科技最新研究成果表明，非定量指标（如舒适性和艺术性等）对室内照明光环境质量影响更大。

（2）国内一些智能灯光控制系统能够实现集中控制和集中显示，具有一定的智能性，但其只能控制房间中的一个灯或一组灯的开、关，不能实现场景控制，也不能对灯光的亮度进行调节，不能产生多种照明效果。

（3）针对住宅照明光环境研制的智能灯光控制系统产品很少，还有很大的开发前景。

2系统的设计方案

2.1系统设计要求

在一个非常大的环境中，当白天光照强度足够充足时，照明设备不启动；当光照强度不充足时，会根据人体传感器检测是否有人，开启相应的照明设备，如果人在教室内走动，则会依次点亮其行走路径上的照明设备；当人离开时，蜂鸣器报警然后照明设备关闭。

本系统的主要功能是对灯光的开关状态进行智能控制。

单片机是用来处理光照检测模块和热释电红外线传感器模块采集到光照强度、室内是否有人等的信息，再根据接收到的信息通过控制电路对照明设备进行开关控制，从而实现照明控制，以达到节能的目的。

2.2系统设计

本系统设计大致可分为硬件设计和软件设计两大部分。

根据系统需要实现的整体功能，选择合适的元器件进行设计。

硬件设计主要涉及到构造原理图，并对原理图用protues软件进行仿真，这一步可以说是最重要的，它关系到实验成功与否的关键。

然后一旦仿真测试出我们想要的结果后，就可进行下一步原理图的绘制。

软件设计部分，应该结合硬件电路所要实现的功能进行设计。

主要针对光电检测电路和热释电传感器输出信号进行处理。

当光强的时候，系统对光照进行检测，产生信号并处理控制灯的开关状态，科学管理灯光的亮与灭，达到节约用电的目的。

本系统以AT89C52单片机作为控制装置的智能控制“头脑”，采用红外人体传感器来检测人体的存在，采用光敏三极管构成的电路检测光照强度；根据教室现有开灯的条件，系统通过对人体的存在信号和光照强度信号来综合管理和智能判断，完成对教室灯光的智能控制。

设计思路流程图如图2.1所示。

图2.1设计思路流程图

2.3功能描述

本系统设计的智能灯光控制系统的功能大致如下：

1.首先通过红外传感器探测室内是否有人，当人在移动时，热释电传感器输出为高电平，没人的时候输出为低电平，电平值发送到单片机端口进行整体判断。

2.当有人在教室内，系统自动启动，启动后通过光敏电阻自动检测教室内的光照强度，然后根据光敏传感器来发送光照强度数据，当室内光强大时，灯不会打开，当光强不够时就打开灯光。

如果白天的亮度达到一定程度，就会自动关闭。

因为采用光照强度检测，所以不用考虑白天黑夜时间段的问题，只要室内光照强度不够，且有人时就会打开灯。

即使是阴雨天都会根据实际光照强度来决定是否开灯。

3.数码管显示光照强度的具体情况。

4.当人出去后蜂鸣器报警然后灯关闭。

2.4系统硬件电路框图

本系统具有对教室内的人体进行检测和对光照强度情况进行检测的功能，并对灯光进行智能控制，达到方便和节能的目的。

当环境光照强度充足时且教室光照强度大于设定值时，不管有没有人，灯都不亮。

若教室光照强度小于设定值，控制会根据有没有人来确定灯的开关，达到了智能控制和节能的作用。

系统结构框图2.2所示。

图2.2系统框图

3系统硬件设计

3.1单片机最小系统

本系统采用AT89C52单片机处理芯片，其特点是外围电路简单，价格低廉，虽然此款单片机的工作频率相对较低，但本设计对频率要求不高，能够满足本设计的要求。

另外此款单片机有32个I/O端口，方便了设计的需要。

图3.1为单片机最小系统。

因为51单片机的P0口驱动电流小，因此需要外加上拉电阻。

图3.1单片机最小系统

3.1.1AT89C52芯片介绍

从系统设计的功能需求及成本考虑，这个系统用51单片机来实现。

AT89C52是拥有2个外部中断、2个16位定时器、2个可编程串行UART的单片机。

中心控制模块采用AT89C52单片机已完全满足设计需要，实现整个系统控制。

AT89C52引脚图如3.2所示。

图3.2AT89C52引脚图

管脚说明

VCC：

电源

GND：

接地

P0口：

P0口是一个8位漏级开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0口端口写“1”时，引脚作高阻抗输入。

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。

在flash编程时，P0口也用来接受指令字节：

在程序效验时，输出指令字节。

程序效验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位是双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑电平。

对P1口写“1”时，内部上拉电阻的原因，将输出电流ILL。

此外，与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输出（P1.1/T2EX），具体如下表所示。

表3.1P1.0和P1.1的第二功能

引脚号

功能特性

P1.0

T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出

P1.1

T2EX定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制

在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑电平。

对P2口写“1”时，通过内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

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ILL。

在访问外部好曾许存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在Flash编程和校验时，P2口接收低8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑电平。

对P3口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入端口使用。

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ILL。

P3口除了作为一般、的I/O口线外，更重要的是它的第二功能，如下表所示。

表3.2P3口引脚第二功能

引脚号

第二功能

P3.0

RXD（串行输入）

P3.1

TXD（串行输出）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

在Flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期以高电平将使用单片机复位。

ALE/

：

地址锁存器控制信号（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（

）也使用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作无效。

这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高。

这个ALE使能标志位的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

：

外部程序储存器选通信号（

）是外部程序存储器选通信号。

当AT89C52从外部程序存储器执行外部代码时，

在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据储存器时，

将不被激活。

：

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H—FFFFH的外部程序存储器读取指令，

端必须保持低电平（接地）。

为了执行内部程序指令，

应该接VCC。

在flash编程期间，

也接受12伏VPP电压。

XTAL1：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

3.1.2晶振电路

晶体振荡器，简称晶振。

在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。

由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。

这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。

　　晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。

　　一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。

　　一般的晶振的负载电容为15p或12.5p，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。

　　晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。

无源晶振与有源晶振（谐振）的英文名称不同，无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。

无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振是一个完整的谐振振荡器。

　　谐振振荡器包括石英（或其晶体材料）晶体谐振器，陶瓷谐振器，LC谐振器等晶振电路如下图3.3所示：

图3.3晶振电路

3.1.3复位电路

复位电路的作用:

在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：

这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。

无论用户使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计。

而单片机复