基于单片机的学校照明系统节能控制电路的设计.docx

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基于单片机的学校照明系统节能控制电路的设计

摘要

针对学校经常出现人走后教室的灯依旧开着的严重浪费电能的情况，为了响应节能号召，本论文研究并设计出了学校照明系统智能控制电路。

该控制电路以AT89C51单片机为核心，利用照度检测电路、红外线检测电路对周边环境进行监控，再通过继电器对照明系统进行控制，实现照明系统的智能控制，即有人且光照不足时自动开灯、无人或光照充足时自动关灯，达到节能的目的。

该控制电路还延续了手动开关电灯的功能，即忽略照度检测电路和红外线检测电路对周边环境的监控，只由两个开关控制电灯的开关。

本论文只是对该控制电路进行模拟，对电路进行了简化，用发光二极管代替实际电路中的继电器和照明系统，因此只需将电路中的发光二极管用继电器和照明系统替代掉就可应用于实际电路了。

本论文提供了该控制电路的工作原理、硬件结构、软件设计流程及相关程序。

关键词：

照明系统；智能控制；节能

Abstract

Theschooloftengoaftertheclassroomlampisstillopentotheseriouswasteofelectricity,inresponsetocalltoconserveenergy,thispaperstudiesanddesignstheschoollightingsystemintelligentcontrolcircuit.ThecontrolcircuitbasedonAT89C51single-chipmicrocomputerasthecore,usingtheilluminationdetectioncircuit,aninfrareddetectioncircuitonthesurroundingenvironmentmonitoring,andthenthroughtherelayonthelightingcontrolsystem,realizethelightingsystemofintelligentcontrol,i.e.someoneandwhenilluminationisinsufficientautomaticallyturnonthelights,unmannedoradequatelightautomaticallywhenyouturnoffthelight,toachievethepurposeofenergysaving.Thecontrolcircuitisacontinuationofthemanualswitchlampfunction,namelyignoringtheilluminancedetectingcircuitandaninfrareddetectioncircuittotheperipheralenvironmentmonitoring,onlybythetwoswitchtocontrolthelampswitch.Thisthesisisonthecontrolcircuitsimulation,thecircuitissimplified,withthelightemittingdiodetoreplacetheactualcircuitrelayandlightingsystem,soonlythecircuitofLEDlightingsystemreplacedrelaysandcanbeappliedtotheactualcircuit.Thispaperprovidesthecontrolcircuitworkingprinciple,hardwarestructure,softwaredesignprocessandrelatedprocedures.

Keywords:

lightingsystem;intelligentcontrolling;energy-saving

目录

中文摘要

英文摘要

1绪论1

2节能控制电路硬件设计2

2.1节能控制电路工作原理2

2.2AT89C51简介及其各引脚功能2

2.3照度检测电路4

2.4红外检测电路5

2.5晶体振荡电路6

2.6电源电路6

2.7复位电路7

2.8电路各主要元件简介7

2.8.1热释电红外传感器RE200B简介7

2.8.2红外热释电处理芯片BISS0001简介8

2.9节能控制电路整体设计10

2.10节能控制电路的硬件焊接11

3节能控制电路软件设计13

3.1KeilC51简介13

3.2C51与标准C的主要区别13

3.3节能控制电路的C语言程序设计14

4结论18

参考文献19

附录120

附录221

附录322

致谢23

1绪论

目前，大部分学校照明都存在用电严重浪费的情况，特别是大学校园，由于大学是开放式管理，很少有专人管理，学生又经常忘记关灯，因此会造成比较严重的用电浪费情况。

学校用到的节能措施非常少，仅限于少数走廊或公厕等地的声控灯，而声控灯在刮风、打雷天气时就没有节能效应了。

针对这样一个现状，本论文要设计一个智能照明系统节能控制电路，利用照度检测和红外探测相结合的主动与被动的探测方式，基于单片机开发教室照明节能自动控制系统，实现教室无人或者光照充足时自动关灯、有人到来且光照不足时自动开灯的功能，达到节能的目的，还要延续手动开关的功能。

这个设计不仅仅适用于教室，还适用于其它需要智能照明的场所。

照度检测可以利用光敏电阻阻值随光照强度变化而变化的特性来实现，而红外探测则需要用到红外探测器RE200B和对RE200B输出信号进行处理的传感信号处理集成电路BISS0001及相关外围器件。

检测信号通过单片机预先编好的程序处理后，单片机会在一个或多个预定的引脚输出一个或多个信号到继电器上来控制照明，以达到智能照明的目的。

由于RE200B红外探测器只能探测移动的人体，当人体坐在教室不动时，探测器就不能探测到是否有人了，因此也就失去了效用。

为了解决这个问题，可以让RE200B红外探测器相对人体移动，这样即使人体不动也能检测出来是否有人。

可让红外探测器安装在一个机械转轴上，让红外探测器不停地左右转动对周围进行扫描，这样就可以即时检测出是否有人。

为了控制成本，本论文并没有也没有必要完全按照上述描述设计，只是进行了模拟。

用发光二极管代替了继电器，发光二极管发亮表示继电器接通即控制的灯亮。

还有并没有把红外探测器安装在一个机械转轴上。

本论文只是按照论文要求进行了仿真，完全能够实现要求的功能，即实现教室无人或者光照充足时自动关灯、有人到来且光照不足时自动开灯的功能。

2节能控制电路硬件设计

2.1节能控制电路工作原理

如图1，该电路以一片AT89C51为核心，包括照度检测电路、红外检测电路、手动开关、晶体振荡电路、继电器、电源电路、复位电路。

其中照度检测电路用来检测环境照度，当亮度不足时输出一个高电平信号，当亮度充足时输出一个低电平信号，并将信号传给AT89C51；红外检测电路用来检测是否有人，当有人时输出一个低电平信号，当无人时输出一个高电平信号，并将信号传给AT89C51；手动开关用来手动控制照明电路的开和关，而忽略照度和红外线检测，当开关按下时输出一个低电平信号，并将信号传给AT89C51。

电源电路、复位电路和晶体振荡电路都是AT89C51正常工作的必要设备。

单片机接收以上信号后，会根据程序设置判定是否开灯或关灯。

这样就可以实现有人且光照不足时自动开灯、无人或光照充足时自动关灯，也可以手动开关电源，达到节能的目的。

图1节能控制电路工作原理框图

2.2AT89C51简介及其各引脚功能

AT89C51是ATMEL公司生产的一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，即单片机。

AT89C51单片机继承了MCS-51系列单片机的原有功能，与MCS-51系列单片机在原有功能、引脚以及指令系统方面完全兼容。

其各引脚功能如下：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：

P3.0RXD（串行输入口）　　P3.1TXD（串行输出口）　　P3.2/INT0（外部中断0）　　P3.3/INT1（外部中断1）　　P3.4T0（记时器0外部输入）　　P3.5T1（记时器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）　　P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

振荡器特性:

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

2.3照度检测电路

图2照度检测电路原理图

如图2，该照度检测电路由一个光敏电阻、一个NPN三极管和三个限流限压电阻组成，当光线暗时，R2阻值较大，Q1基极电压很小，Q1不导通，输出给p1.0端为高电平；当光线亮时，R2阻值很小，Q1基极电压达到0.7V时，Q1导通，输出给p1.0端为低电平。

经过仿真，当光敏电阻降到7.5kΩ时，三极管就会导通；当光敏电阻高于7.5kΩ时，三极管就会截止。

把高低电平信号送给AT89C51处理，AT89C51根据高低电平信号及其他相关信号判断是进行开关灯处理。

2.4红外检测电路

图3红外检测电路原理图

如图3，该红外检测电路由红外探测器RE200B、传感信号处理集成电路BISS0001及一些外围电路组成。

RE200B的D端接电源正极，S端为信号输出端，G接电源负极。

当人体先后经过两个探测元时，产生差值，S端输出一个信号，S端输出信号经过集成电路芯片BISS0001及外围电路处理后从VO端输出一个高电平使三极管Q2导通，Q2导通后，电路输出一个低电平信号给单片机的P1.1端；若无人则RE200B没有信号输出，Q2不导通，电路输出一个高电平信号给单片机的P1.1端。

单片机接收到高低电平信号后，按程序进行处理后再输出开关灯控制命令。

其中，RR1、RC1：

输出延迟时间Tx的调节端，Tx≈49152R14C12；RR2、RC2：

触发封锁时间Ti的调节端，Ti≈24R11C11。

可以通过改变与RR1、RC1引脚相连的电阻R14阻值和电容C12容值来改变输出延迟时间的长短；通过改变与RR2、RC2引脚相连的电阻R11阻值和电容C11容值来改变触发封锁时间的长短。

输出延迟时间的长短和触发封锁时间的长短，会直接影响到节能控制电路是否能有效快速的对周围环境变化做出反应。

2.5晶体振荡电路

图4晶体振荡电路原理图

如图4，该晶体振荡电路由一片12MHz石英晶体和两片30pF电容组成，连接于AT89C51的XTAL1和XTAL2上，产生时钟信号。

晶体的频率越高，系统的时钟频率就越高，单片机的运行速度也就赶快。

但是，运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也就越高，即要求线间的寄生电容要小。

晶体和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作。

为提高温度稳定性，应采用稳定性能好的电容。

因该设计不需要过高频率的石英晶体，我选择了12MHz的石英晶体。

2.6电源电路

图5电源电路原理图

电路工作原理：

220V交流电经变压器TF1降压后，得到9V交流电，经过D1～D4组成的桥式整流电路整流、电解电容C2滤波、7805稳压及电解电容C3的再次滤波后，得到5V直流电压。

本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。

三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。

2.7复位电路

图6复位电路原理图

如图6，复位电路由两个电阻、一片电解电容和一个轻触开关组成，该电路具有上电复位和手动复位两种复位方式，当上电时，电容充电，R6出现高电压，单片机复位。

充电完毕后，流经R6电流为0，电压为0，单片机进入工作状态；当按下开关时，电容放电，松手后，电容充电，R6有电压，单片机复位，充电完毕，单片机进入工作状态。

2.8电路各主要元件简介

2.8.1热释电红外传感器RE200B简介

图7RE200B内部结构图

RE200B是传感器的一种，RE200B采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，并配合双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。

热释电红外传感器由两个传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。

干涉滤光片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。

热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换，由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用,因而需要用电阻将其转换为电压形式,该电阻阻抗高达104ＭΩ，故引入的Ｎ沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器来完成阻抗变换。

当人体先后经过两个探测元时，两探测元失去互补平衡作用，产生输出信号。

图8RE200B实物图及引脚区分

双元热释电红外传感器RE200B参数：

灵敏元面积2.0×1.0mm2　　基片材料硅　　基片厚度0.5mm　　工作波长7-14μm　　平均透过率>75%　　输出信号>2.5V　　（420°k黑体1Hz调制频率0.3-3.0Hz带宽72.5db增益）　　噪声<200mV　　（mVp-p）（25℃）　　平衡度<20%　　工作电压2.2-15V　　工作电流8.5-24μA　　（VD=10V,Rs=47kΩ,25℃）　　源极电压0.4-1.1V　　（VD=10V,Rs=47kΩ,25℃）　　工作温度-20℃-+70℃　　保存温度-35℃-+80℃　　视场139°×126°

2.8.2红外热释电处理芯片BISS0001简介

BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。

它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。

特点：

*CMOS工艺

*数模混合

*具有独立的高输入阻抗运算放大器

*内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰

*内设延迟时间定时器和封锁时间定时器

*采用16脚DIP封装

引脚说明：

图9BISS0001引脚图

A：

可重复触发和不可重复触发选择端。

当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发。

VO：

控制信号输出端。

由VS的上跳变沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。

在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态。

RR1、RC1：

输出延迟时间Tx的调节端，Tx≈49152R1C1。

RR2、RC2：

触发封锁时间Ti的调节端，Ti≈24R2C2。

VSS：

工作电源负端。

VRF：

参考电压及复位输入端。

通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位。

VC：

触发禁止端。

当VcVR时允许触发（VR≈0.2VDD）。

IB：

运算放大器偏置电流设置端。

VDD：

工作电源正端。

2OUT：

第二级运算放大器的输出端。

2IN：

第二级运算放大器的反相输入端。

1IN+：

第一级运算放大器的同相输入端。

1IN-：

第一级运算放大器的反相输入端。

1OUT：

第一级运算放大器的输出端。

2.9节能控制电路整体设计

图10节能控制电路整体原理图

如图10为节能控制电路整体原理图，其中包含电源电路、照度检测电路、复位电路、红外检测电路、复位电路、晶体振荡电路、手动开关电路。

电源电路为整个电路提供电源，直接接220V交流电，经变压器变压后输出9V交流电，再经过滤波稳压再滤波后输出5V直流电。

照度检测电路的输出与单片机的P1.0引脚相连，光敏电阻在光照强的情况下阻值小，使三极管基极电压变大，三极管导通，给单片机的P1.0引脚送入一个低电平，光敏电阻在光照弱时阻值很大，使三极管的基极电压变小，三极管截止，给单片机的P1.0引脚送入一个高电平。

红外检测电路的输出与单片机的P1.1引脚相连，红外探测元检测到人体信号后输出一个微弱信号给传感信号处理集成电路BISS0001处理，经处理后输出一个高电平给三极管，三极管导通，给单片机的P1.1引脚送入一个低电平，否则给单片机的P1.1引脚送入一个高电平。

复位电路与单片机的RST端相连，开关电路连接于单片机的P1.2和P1.3引脚，晶体振荡电路与单片机的XTAL1和XTAL2引脚连接。

图中有两个发光二极管，其中与P0.0相连的发光二极管D5是用来模拟电灯的，与P0.1相连的发光二极管D6是用来提示是否进行了手动开关电灯。

当光照不足、有人且没有进行手动开关电灯时，绿色发光二极管D5亮，红色发光二极管D6不亮，表示电灯打开且没有进行手动开关电灯。

如果进行了手动开关电灯，相应的绿色发光二极管D5会亮或不亮，同时红色发光二极管会不断闪烁，提示进行了手动开关电灯，此时只能通过手动开关电路的两个开关控制电灯的开和关，而忽略照度和人的影响。

若想让电路继续检测照度和是否有人，可通过复位电路的开关对单片机进行复位，复位后单片机回到初始状态，即仍会对周围环境进行监测并作出相应动作。

2.10节能控制电路的硬件焊接

印制电路板上通常印制的是导线，将元器件按要求插在印制电路板的相应位置上，然后用熔化的焊锡把印制导线与元器件引脚连接牢的过程，称为焊接。

手工焊接技术虽然不那么高深复杂，但却要掌握一定的工艺和技巧，否则焊接不牢，影响设备的正常工作，甚至造成元器件与印制电路板的损坏。

手工焊接是一种传统的焊接方法，由于操作简单、方便，因此，目前仍在生产、科研、实验与维修中广泛应用。

焊接的好坏，直接关系到电子产品或制作的质量，必须严格要求。

焊接技术要求如下：

（1）焊点要有足够的机构强度。

为确保制品受到振动或冲击时不至脱落、松动，要求焊点机械强度好。

有时为了提高被焊件的机械强度，可将元件引线端子扭弯后再行焊接，所以应视具体情况选用。

合适的焊点连接形式：

焊点处焊件的连接形式可大致分为插焊、弯焊（勾焊）、绕焊和搭焊四种。

弯焊和绕焊机械强度高，连接可靠性最好，但拆焊很困难。

插焊和搭焊连接最方便，但强度和可靠性差。

电子电路由于元器件重量轻，对焊点强度要求不是非常高，因此元器件安装在印制电路板上通常采用插焊形式，在调试或维修中为装拆方便，临时焊接可采用搭焊形式。

（2）焊点无虚焊，焊接可靠，确保良好的导电性能。

在焊接过程中，要控制焊锡的用量。

过量的焊锡不但消耗了较贵的焊锡，而且增加了焊接时间，相应地降低了工作速度，在高密度的电路中，过量的焊锡很容易造成不易觉察的短路。

但是焊锡过少不能形成牢固的结合，降低焊点的强度，特别在板上焊接时，焊锡不足是造成导线脱落的原因。

只能用合适的焊锡量，才能焊出合格的焊点。

（3）控制焊点的形状，表面圆而光滑、清洁、无毛刺，在焊接中，适量的焊剂是不可少的，但要适量。

过量的松香使焊点表面及其周围不清洁，甚至会在加热不足之处夹杂到焊锡中形成“夹渣”。

对于有松香芯的焊锡丝来讲，基本上可不另用助焊剂。

（4）控制焊接时间，能短则短。

烙铁头应修整窄一些，使焊一个点时不会碰到相邻的焊接点。

焊接时间在保证润湿的情况下，尽可能短，尤其是CMOS集成电路，更要掌握好焊接时间，一般时间不超过3秒。

瓷片电容、发光二极管、中周等元器件的共同弱点是加热时间过长就会失效，其中瓷片电容、中周等元件是内部接点会开焊，发光二极管则是管芯损坏。

因此在焊接前一定要处理好，施焊时强调一个“快”字，若采用辅助散热措施，可避免过热失效。