基于单片机的教室灯光自动控制器的设计.docx

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基于单片机的教室灯光自动控制器的设计

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.

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

1.1本课题研究的意义----------------------------------------1

1.2国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题------------1

1.3本课题研究的内容和目标----------------------------------3

1.3.1研究内容------------------------------------------3

1.3.2研究目标------------------------------------------3

1.4本课题拟解决的关键问------------------------------------4

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

1.引言

1.1本课题研究的意义

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，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。

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。

1.2国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题

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，欧司朗一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。

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。

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l:

6.25前的l:

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2519.7万元。

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，北京的奥运厂馆“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%。

我们党在2000年10月11日党第十五届中央委员会第五次会议通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划的建议》中明确指出:

“加强基础设施建设是今后五年至十年一项十分重要的任务。

”其中提到的基础设施建设就包括了能源建设。

《建议》还强调了能源建设要发挥资源优势，优化能源结构，提高利用效率。

面临如此紧迫的能源问题，我们应该把着眼点放在“高效加强环境保”利用“清洁”能源

。

由此可见，节能照明用电，对节能具有重要的意义。

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，护洁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。

就我校为例，初步统计大小教室大约安装了共有5400盏灯，以每天仅亮灯8小时来计算，一年中扣除假期后，教室灯的耗电量约为52.25万度，学校在教室用电的经费上就得支出约为30.46万元人民币。

而以每天浪费2小时用电来计算，一年大约要浪费13.06万度的电量，占教室照明用电经费的四分之一。

我省各类大中专院校及其中小学总共有600百多所，若都象我校一样每年浪费13.06万度电的话，我省就会浪费近7900万度的电。

导致电能的极大浪费。

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、凉人了。

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。

1.3本课题研究的内容和目标

1.3.1研究内容

本课题的研究内容有如下几点:

（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

1.3.2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，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。

1.4本课题拟解决的关键问题

本课题拟通过试验研究教室灯光的各种控制方案解决如下关键问题:

（1）照明回路的控制回路与控制器本身的节能问题；

（2）传感器与教室灯配合安装的问题；

（3）环境光参数输入采集问题；

（4）人存在传感器参数输入采集问题；

（5）开、关灯的自动与手动兼容措施；

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