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传感器原理及工程应用期中论文
传感器原理及工程应用期中论文
论文题目：
基于51单片机的高等院校智能日光灯控制系统设计
系 别：
电子电气工程学院
年 级：
10级
专业（班）：
微电子制造工程01班
学 号：
40、43、33
学生姓名：
张郊、林鹏敏、李琛瑶
指导教师：
张东
2012年11月23日
目录
1.智能照明的原理及硬件设计4
1.1智能照明开发的意义4
1.2智能照明开发研究内容4
1.3智能照明开发研究目标4
2.智能照明的原理及硬件设计4
2.1智能照明的原理简介4
2.2系统控制方案的分析5
3.系统控制模块的硬件设计5
3.1数据采集电路介绍5
3.2环境光采集电路6
3.3人体存在传感器的工作原理7
3.4人体存在信号采集电路8
3.5存在传感器的优缺点9
3.6数据采集软件设计的实现9
3.7人体存在传感器的抗干扰措施10
3.8人体存在传感器的安装要求10
4.结论和建议11
4.1结论11
4.2建议11
5结束语11
附录1：
部分元器件特性介绍
1.单片机AT89S5214
2.时钟芯片DS130214
3.感光信号采集模拟电路14
4.看门狗芯片X5045X5045引脚功能14
附录2：
“日光灯控制系统”的安装立体图
基于51单片机的高等院校智能日光灯控制系统设计
摘要
目前,教室照明用电浪费现象很严重。
主要原因是照明的强度不能根据室内的自然光线强度以及室内的人数的变化而变化。
基于此,本文设计了一套教室专用日光灯节能控制系统，它通过传感器将室内的自然光强以及人数信息传到单片机内。
由单片机实现教室灯光节能控制。
从而达到节电的目的。
关键字：
日光灯；节能；控制
Abstract
Atpresent,thewasteofclassroomlightingelectrjcityisvery
serious．Theprimarycauseistheilluminationintensityoflighting
cannotactaccordingtothechangeofindoornaturalluminous；intensity
aswellastheindoorpopulation．Accordingtothis。
wehavedesigned
asetofenergyconservationcontrolsystemofclassroomdaylightlamp．Itinputstheindoornaturalluminousintensityaswellasthepopulationinformationtothesinglechipmicro-computerthrough
sensors．Thesinglechipmicro-computercarriesouttheenergyconservationcontrolofclassroomlights．
Keywords：
daylightlamp；energyconservation：
control
1.引言
1.1智能照明开发的意义
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，教室是学校照明用电的主要部分之一，如果没有合理的控制方案，能源上将造成巨大的浪费。
因此，做好照明设计、加强照明控制、将智能照明控制系统应用于普通教室、阶梯教室具有相当的实际意义。
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。
所有这些使得教室灯光控制也应该朝着智能的方向发展。
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，因此节能技术的重要手段之一就是教室灯关自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要课题。
1.2智能照明开发研究内容
（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等；
（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；
（10）研究报警等附加功能问题
1.3智能照明开发研究目标
研究的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，达到到人走灯灭，人来灯亮的效果，并且可以对环境光线进行人性化自动的探测。
以降低成本;通过反复试验和改进，最终达到可靠性、实用性、推广性较好的目标。
2.智能照明的原理及硬件设计
2.1智能照明的原理简介
原理：
灯光控制器对环境光线采集的参数和人体存在传感器模块探测人类活动采集的参数共同控制日光灯的亮灭；独立手动开关可以强制的控制日光灯亮灭。
目标：
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。
原理图模块：
人体存在传感器模块
电源模块
看门狗模块
环境光模块
51系统模块
EEEPROM存储器模块
灯光驱动模块
数码管显示模块
硬件时钟模块
2.2系统控制方案的分析
硬件设计：
灯光控制器对环境光线进行智能采集，输入参数主要是环境光信号。
目的是：
白天有人活动灯也不亮；光线过暗智能调节日光灯的亮度。
人体存在传感器模块：
对人类活动进行探测，其输入参数主要是人体存在信号。
目的是：
做到有人时才开灯。
安装：
教室灯光控制器一般安装在教室内避开电灯直射的位置，且人体传感器安置时应使人体活动方向与人体传感器中两个热释电元连线方向垂直，这样可使人体存在信号采集更加灵敏、可靠，同时还要尽可能避免外界风直接吹向人体传感器。
控制器以自然光强度和人体存在作为控制器的主要输入参数。
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。
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。
3.系统控制模块的硬件设计
3.1数据采集电路介绍
教室中的环境光和人体存在与否是系统的主要输入参数，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和光敏三极管，根据需求，选用灵敏度较高的光敏三极管。
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型号的人体存在传感器。
3.2环境光采集电路
光电传感器是一种能够将光转换成电量的传感器。
采用的光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。
在无光照时三极管的穿透电流很小，为暗电流Iceo有光照时，产生的Ib增大，成为光电流Ie。
光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。
因此光敏三极管灵敏度高，而且体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，其外形电路图形符号如图2-1：
图2-1
环境光采集电路原理图见图2-2所示。
当自然光强大于一定程度时，光敏三极管D6呈现底阻状态<1千欧，三极管Q12的基极电压升高，Q12管饱和导通，集电极输出低电平。
当自然光强小于一定程度时，光敏三极管D6呈现高阻状态,100千欧，使三极管Q12截止，集电极输出高电平。
其中可变电阻R26可调节，调R26阻值的大小，使Q12三极管受环境光影响在适当的亮度下导通。
图2-2环境光采集电路原理图
3.3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2-2.61Lm,3-51Lm,8-141Lm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如下:
人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长
左右的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的
左右的红外线而进行工作的。
人体发射的
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。
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
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。
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。
人体传感器透镜的信号采集敏感区示意图如图3-1
图3-1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。
3.4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
术的智能产品，它的主要特性如下:
（1）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，如果二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8，15秒后将高电平变为低电平；
（3）人体传感器工作电压宽为DC3V-DC24V；
（4）人体传感器制作成锥面形状，感应范围大，小于140度锥角，感应距了为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－15度和+70度之间，适应性强；
（7）灵敏度高，可靠性强。
人体传感器HP-208型号的正视图如图4-1所示:
图4-1
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100
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4-2.
图4-2
3.5存在传感器的优缺点
人体存在传感器有优点，也有缺点。
优点便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。
而缺点是容易受各种热源、光源干扰;由于红外穿透力差，因此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，有时还会造成短时失灵。
试验检测也证明了这点，只要人体存在却有巧秒左右没有活动，人体传感器则认为没有人体存在。
为避免这种现象的出现，本系统软件程序中设计为有人体存在状态后间隔2分钟或更长的时间来对人体存在参数信号的采集。
3.6数据采集软件设计的实现
当外界环境中的自然光能满足人体所需的最佳光照度时，不管教室是否有人，教室灯都不亮。
当自
然光不能满足要求时，则根据室内外光照度和教室人数开启相应数量的灯具。
当教室要作特殊使用时（如多媒体教学或者文学电影欣赏等），则拉上窗帘，关闭所有的灯具或点亮少许微弱的灯具。
当教室里的人都离开后，则自动关闭灯具电源，实现教室灯光实时智能监控的目的。
电路有2种工作状态：
自动
控制状态和强制状态。
自动控制流程图：
3.7人体存在传感器的抗干扰措施
人体存在传感器易受外界影响，于是要在使用时特别注意抗干扰性能。
1.防小动物干扰
探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上的小动物，不产生信号。
2.抗电磁干扰
探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。
3.抗灯光干扰：
探测器正常灵敏度范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生信号。
3.8人体存在传感器的安装要求
人体存在传感器的安装要求：
人体存在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.人体存在传感器应离地面2.0-2.2米。
2.人体存在传感器远离空调，冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。
3.人体存在传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。
4.人体存在传感器不要直对窗口，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。
人体存在传感器也不要安装在有强气流活动的地方。
人体存在传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。
人体存在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。
4.结论和建议
4.1结论
本课题对适合应用于教室灯光控制系统的控制部分进行了研究。
以环境光、人体存在状况等外界环境为控制器的输入参数，比单纯的人员管理教室灯光更合理，更有效的降低教室灯光的资源费用;同时还加入了时间控制参数，使教室灯光的控制更加符合学校的作息时间。
本控制系统的设计对于各类大、中专院校的教室灯光管理具有重要的意义，也适用于各类办公室的灯光控制。
该教室灯光系统的控制是以AT89C52单片机主控单元为核心，通过相关电路的驱动，完成对系统设备（电灯）的控制，采用一个二极管闪烁显示整个系统的工作状态，实现了对教室灯光的自动开灯、关灯控制。
系统设计在实现智能化控制的同时，还设置了手动，这样在系统智能控制偶尔出现故障时，可采用手动操纵，不至于影响教室灯光的正常应用。
系统控制单元的硬件电路中多采用简易芯片（ULN2803,DS1302,X5045等），简化了电路设计，同时节省了单片机I/0口资源，为系统进一步扩展留下了空间。
系统功能的实现通过采用多任务模块编写，省去了一些不必要的延时程序，提高了系统的运行效率。
系统的硬件及软件设计，经实验初步证实了系统具有很好的稳定性，提高了电能资源的利用率。
在保证装置能稳定可靠工作的前提下，硬件设计上尽量采用性价比高的元器件，以降低成本。
软件设计上采用多任务形式对信号的采集、处理，达到最终控制灯光的目的。
本控制系统与己有的教室灯光配套使用时，不需要对原有设备电路进行大的改动，以降低成本实现了教室灯光的智能控制。
4.2建议
由于教室大小面积各不相同、教室灯光数量不一，教室内部安装智能控制装备的数量也会有所不同，特别是人体传感器使用的数量受面积的影响更大，一套教室灯光控制系统的应用也只是在有限的范围内。
若教室面积很大，超过人体传感器辐射范围，这样采集的信号可能会不够准确，进而影响控制设备的运行。
为防止这种现象发生，使系统更加可靠，最好采用多个人体传感器。
人体传感器一般采集的是有活动的人体，若人体静止时，如坐着看书没有活动，这时人体传感器是不会有信号输出的，故而最好将人体传感器装置制作成在系统运行过程中能摆动为宜。
本系统中，人体传感器采集的信号与环境光采集的信号相互间有制约关系，有着密切联系。
最好能将人体传感器与环境光采集电路集成到一起，简化电路，简化软件程序。
本系统适用性较好，可以应用于教室、楼道和办公室中。
5结束语
本系统综合利用单片机技术、传感器技术、电子技术等专业知识．对教室照明控控制系统进行了研究。
在设计和开发过程中．紧密结合大学生教室照明的实际情况．综合目前一些较先进的检测技术，完成了对教室滞留人数、光照度的检测功能和分析功能，装置根据设定好的程序．自动调节教室的照明灯亮灭的数量。
可以在本系统的基础上稍加改动，很好地满足其它需要，因此本系统的可移植性好．具有比较大的市场潜力和广泛的应用前景。
然而由于条件的限制，本系统只是在实验室环境下模拟运行的原理性，通过适当改造具有一定的应用前景。
参考文献：
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北京航空航天大学出版社,2001,69-78
附录：
部分元器件特性介绍
1.单片机AT89S52
AT89系列单片机是由美国ATMEL公司将闪速存储器与MCS-51控制器相结合开发生产的一种新型8位单片机，它不但具有一般MCS-51单片机的所有特性，而且还拥有一些独特的优点，使8位单片机更具生命力。
它具有以下主要特性:
（1）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256X8bitRAM
（5）32个可编程I/0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
2.时钟芯片DS1302
DS1302特征:
（1）实时时钟，可以对秒、分、时、周、日、月、年以及带闰年补偿的年进行计数;
（2）与T'I'L兼容（V}}=5V）、
（3）2.0-5.5V的宽电压范围
（4）具有主从双电源方式，从电源为
（5）8个中断源
（6）自带看门狗
3.感光信号采集模拟电路
4.看门狗芯片X5045X5045引脚功能
CS:
选输入;
SO:
行输出，数据由此引脚逐位输出;
SI:
行输入，数据或命令由此引脚逐位写入X5045;
SCK串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出;
WP:
保护输入，当它低电平时，写操作被禁止;
Vss:
地
Vcc:
源电压
RESET:
位输出
X5045在读写操作之前，需要先向它发出指令，指令名及指令格式如表1所示。
表1X5045指令及其含义
指令名
指令格式
操作
WREN
00000110
设置写使能锁存器（允许写操作）
WRDI
00000100
复位写使能锁存器（禁止写操作）
RDSR
00000101
读状态寄存器
WRSR
00000001
写状态寄存器
READ
0000A801
把开始于所选地址的寄存器中的数据读出
WRITE
0000A801
把数据写入开始于所选地址的寄存器
5.“日光灯控制系统”的安装立体图
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