教室灯光控制系统最新毕业设计.docx

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教室灯光控制系统最新毕业设计

毕业设计

课题名称：

教室灯光控制系统设计

设计时间：

2009年12月

系部：

电子信息工程系

班级：

**************

姓名：

********

指导老师：

********

摘要

本研究针对教室灯光的控制方法，尤其是教室灯光的智能控制方面的发展现状，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机的教室灯光智能控制系统的设计思路，并在此基础上开发了智能控制系统的硬件装置和相应软件。

该系统以AT89C52单片机作为控制装置的智能部件，采用热释红外人体传感器检测人体的存在，采用光敏三极管构成的电路检测环境光的强度;根据教室合理开灯的条件，系统通过对人体的存在信号和环境光信号的识别和智能判断，完成对教室照明回路的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。

系统还具有多种报警功能;同时还采用了软/硬件的“看门狗”技术等抗干扰措施。

单片机软件采用汇编语言编制，采用模块化结构设计、条理清晰、通用性好，便于改进和扩充。

该系统具有体积小，控制方便，可靠性高，专用性强，性价比合理等优点，可以满足各类大、中专院校教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能目的。

关键词:

人体；红外线；传感器；自动控制；热释电

Abstract

Currentlylightintelligentcontrolsystemsarenotefficientlyusedintheclassroom.Inordertoimprovethesystem,basedoncontrolandcurrentmethodsofhowtokeepcontrol，developingintelligentclassroomlightcontrolsystemanddevelopedthehardwareandsoftwaresystem.

ThisclassroomlightintelligentcontrolsystemthetheoryofthelightputforwardmethodsofonthebasisofAT89C52isdeveloped,whichmachineofAT89C52isamajorpart,andtheenvironmentofdevelopmentisbetterthanbefore.Thissystemcansatisfythefollowingfunctions,suchascontrollingthecircuitofillumination,testingandprocessingdaylightsignal,testingandprocessingthesignalofhumanbodythatilluminatesthebacktrackexists,reportingtothewarningdevices,etc.Inordertosatisfythesefunctions,thesystemadoptedthehomologousmethodsrespectively,andtothegearingofthesystem,analyzinghowtoinstall，testandrunthesystem.

Themicrocontrollersoftwarewasdevelopedbasedonassemblelanguage.Assemblelanguageisonekindofstructuredprogramlanguages,ithasmoreadvantagesthanotherhigh-levellanguages.Assemblelanguageadoptsbuildingblockdesign.Itscommonalityisverygoodandeasytoimproveandexpand.Itcouldbeusedtodeveloplarger一scalesystemwithmoreperfectperformance.Atthesametime,theanti-jammingtechnologies,suchaswatchdog,arenecessarywhendevelopinghardwareandsoftware.

Thissystemhadmanyadvantages.Forexample,thephysicalvolumewassmall，thesystemwasconvenientlycontrolled,thecredibilitywashigh,theappropriationwasstrong,anditspriceproportionwasideal,etc.Theexperimentprovedthatthesystemcansatisfythecontrolcommandoftheclassroom'slightdevice,soitcouldlargelyreducetheconsumingofenergyresources.

Keywords:

Humanbody,infraredray,sensor,automaticcontrol，heattoreleasetheelectricity1.

摘要----------------------------------------------------------1

ABSTRACT--------------------------------------------------2

1.引言--------------------------------------------------------5

1.1本课题研究的意义----------------------------------------5

1.2国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题------------5

1.3本课题研究的内容和目标----------------------------------7

1.3.1研究内容------------------------------------------7

1.3.2研究目标------------------------------------------7

1.4本课题拟解决的关键问------------------------------------8

2.教室灯光控制器简介及控制方案的分析---------------------8

2.1教室灯光控制器简介--------------------------------------8

2.2系统控制方案的分析--------------------------------------8

3.系统控制模块的硬件设计-----------------------------------9

3.1控制模块的硬件构成--------------------------------------9

3.2控制系统的主要硬件电路---------------------------------9

3.2.1系统主控电路-------------------------------------10

3.2.2在线编程模块电路---------------------------------10

3.2.3系统供电电路-------------------------------------11

3.2.4数据采集电路-------------------------------------12

3.2.5系统时钟电路-------------------------------------16

3.2.6系统看门狗电路-----------------------------------19

3.2.7继电器驱动接口电路------------------------------21

3.2.8超时报警电路-------------------------------------21

4控制模块软件设计与开发-----------------------------------22

4.1系统监控主程序模块-------------------------------------23

4.1.1系统自检初始化-----------------------------------23

4.1.2定时中断处理-------------------------------------24

4.1.3多任务操作系统的构建-----------------------------24

4.2数据采集模块-------------------------------------------25

4.2.1人体存在传感器的优缺点---------------------------25

4.2.2数据采集软件设计的实现---------------------------25

4.2.3人体存在传感器的抗干扰措施-----------------------26

4.2.4人体存在传感器的安装要求-------------------------27

4.3时钟模块-----------------------------------------------27

4.3.1数据输入输出-------------------------------------27

4.3.2时钟内部寄存器的使用-----------------------------28

4.3.3时钟自检初始化-----------------------------------29

4.3.4时钟程序设计-------------------------------------30

4.4显示驱动模块-------------------------------------------30

4.4.1ULN2803驱动器的应用-----------------------------32

4.4.2显示程序设计-------------------------------------32

4.5系统键功能---------------------------------------------33

4.5.1键功能处理程序-----------------------------------33

5系统调试运行及问题分析-----------------------------------34

5.1单片机系统调试方法及步骤-------------------------------34

5.2出现的主要问题及分析解决-------------------------------35

6.结论和建议-------------------------------------------------36

6.1结论---------------------------------------------------36

6.2建议---------------------------------------------------37

7.致谢--------------------------------------------------------38

参考文献-----------------------------------------------------39

附图A--------------------------------------------------------40

附图B-------------------------------------------------------41

附录一------------------------------------------------------42

附录二-------------------------------------------------------44

绪论

随着社会经济和科学技术的发展，人类社会的进步越来越依赖于资源的开发与利用，然而与日俱增的能源需求和有限的资源数量形成了巨大的矛盾,能源短缺问题日益突出，成为一个国家经济发展的“瓶颈”。

在寻找替代品、提高能源利用率和节约能源等几种缓解能源危机的途径中，节能无疑是符合可持续发展要求。

英国城市大型彻夜灯光照明现象很少见，无论公司和政府部门，都没有虚浮华丽的所谓“照明工程”[14]。

夜晚漫步在伦敦街头，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。

课题研究的目的和主要内容：

主要研究目的

基于AT89C52单片机的教室灯光智能设计

加强灯光控制智能化理念

主要研究内容

（1）灯光控制方案的研究；

（2）灯光检测方案的研究；

（3）教室内人数检测方案的研究；

（4）热释电红外传感器的信息处理；

（5）人体与光照环境信号采集与处理；

（6）开发单片机系统；

（7）实验测试与数据分析。

2.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可以实现上述目标。

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。

2.2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。

同时，还要按作息时间来控制，夜晚超过12点，若还有人存在，则关闭自动控制器的运行，改用机械开关来手动控制，以解决因特殊情况下，自动控制器的不人性化运行。

本文所研究的教室灯光控制器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。

3.系统控制模块的硬件设计

考虑到本系统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、光敏三极管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。

3.1控制模块的硬件构成

系统控制单元是以单片

主控模块为核心，其它外围电路主要包括:

ISP下载线模块、系统供电模块、硬件时钟模块、看门狗模块、灯光驱动模块、数码管驱动显示模块、环境光模块、EEPROM存储模块、人体存在传感器模块、超时报警模块，其结构框图如图3-1所示：

图3-1系统控制单元结构框图

3.2控制系统的主要硬件电路

3.2.1系统主控电路

本系统的主控模块主要采用Atmel公司的AT89C52作为主控芯片，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，由于合理的安排使用片内RAM空间，所以没有扩展的片外RAM，使电路结构简捷。

因为设备的设置参数是根据实际需要进行更改的，又要求是断电能够保存下来，所以本设备用一片EEPR0M来存储系统的设置参数。

AT89S52I/0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。

89552引脚

外围器件引脚

说明

P0.0-P0.7

ULN2803

数码管段码驱动接口

P2.0-P2.7

NPN-9012基极

数码管位控驱动接口

P1.0

X5045SI

X5045串行输入端

Pl.1

X5045SCK

X5045串行时钟端

P1.2

X5045CS

X5045片选端

P1.3

X5045S0

X5045串行输出端

P1.4

系统工作灯显示端口

P1.5

DS1302CLK

DS1302时钟线

P1.6

DS1302I0

DS1302数据线

P1.7

DS1302RST

DS1302复位线

P1.5一P1.7

工SP在线编程端

P3.0一P3.1

数据采集输入端

P3.2

遥控器接收信号端

P3.3

人体存在传感器输出信号端

P3.4

超时报警信号输入端

P3.5一P3.6

灯光驱动输入端

P3.7

光敏三极管输入信号端

表3-1外围器件接口的分配

3.2.2在线编程模块电路

以往单片机的实验往往依赖于仿真机和单片机学习系统，价格昂贵，近年来，随着FLASH型单片机的广泛应用，采用软件模拟结合写片验证成为一种经济实用的实验方法，尤其是随着单片机技术的发展，很多单片机都具有了ISP功能，不再需要仿真机，将单片机的易用性推向一个新的高度。

AT89C52芯片就是这样的芯片。

AT89C52芯片支持在线编程（ISP）功能，用户可以通过AT89C52在线编程接口直接对电路板上的CPU进行在线编程，方便了程序的修改烧写工作。

ISP进行在线编程时，用AT89C52芯片的P1.5，P1.6，P1.7引脚及RST端口，通过PC并口，根据工SP协议制作简单的编程器就可对CPU进行编程。

在线编程（ISP）器的红色LED是电源指示灯，绿色LED是复位指示灯，黄色LED是时钟信号指示灯，每个LED约消耗0.6mA的电流，它们使用独立的缓冲器不会影响下载线和用户板，当执行菜单命令Reset时可以看到绿色LED闪一下，表示电脑已经可以控制下载线;其下载线正常工作电压为DC3.6-6V，部分电脑即使不连接VCC也可以正常工作，10心的插头和插座有三角形标志的均为第一脚。

使用方便、快捷，且工作显示信号清晰。

3.2.3系统供电电路

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Cl，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3.2.3

图3.2.3供电原理图

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的可充电铿电池作为备用电源。

具体电路及其原理将在后面的系统时钟电路部分详细说明。

3.2.4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，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。

1.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3.2.4.1-1

图3.2.4.1-1

环境光采集电路原理图如图3.2.41-2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