毕业论文设计基于MCS51单片机的智能灯光控制系统在现代家居设计中的应用.docx
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毕业论文设计基于MCS51单片机的智能灯光控制系统在现代家居设计中的应用
毕业论文（设计）：
基于MCS51单片机的智能灯光控制系统在现代家居设计中的应用
编号:
毕业论文（设计）
题目智能灯光控制系统在现代家居中的应用
指导教师贺廉云
学生姓名蔡光柱
学号200801702045
专业自动化
教学单位德州学院机电工程系
二零一二年四月三十日
德州学院毕业论文（设计）开题报告书
2011年12月20日
院（系）
机电工程系
专业
自动化
姓名
蔡光柱
学号
200801702045
论文（设计）题目
智能灯光控制系统在现代家居设计中的应用
一、选题目的和意义
“智能家居”是以住宅为平台，集系统、结构、控制于一体，利用先进的电力自动化技术、计算机技术、无线电传感技术，将与居家生活有关的各种设备有机地结合起来，通过网络化的综合管理家中设备，来创造一个优质、便利、高效、节能、健康、环保的居住生活环境空间,在大力倡导低碳经济和能源日益短缺的今天，智能家居灯光控制系统节约能源，优质环保的优点，越来越突出，随着中国人民生活水平和环保意识的提高，以及中国城镇化的迅速发展，智能灯光控制系统必将在中国迎来迅速发展的良机。
二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势
伴随中国城镇化的加速，以及住宅产业的快速发展，小区智能化系统在中国已经得到广泛应用，随着社会经济水平的发展，现在人们的生活追求个性化、自动化，追求充满乐趣的生活方式，生活家居要求一种人性化、智能化，电力自动化与计算机技术的应用，给人们的家居生活带来了全新的感受，目前最为流行实用的功能子系统就包含智能灯光照明系统。
灯光照明控制系统利用照明配电箱通过手动开关来控制照明灯的关闭开启，以实现远程自动控制。
现代社会出现的楼宇自控系统，是以电气继电器来实现小区区域控制、电子监控、定时通断等功能。
随着计算机技术与自动化技术的发展，开发出了智能化水平更高的专业照明控制系统，从而可以延长灯具寿命、节约电能、提高生活质量。
根据客户的使用经验，不仅可以降低照明管理与设备维修费用，还能起到改善环境、提高工作效率的显著效果。
三、课题设计方案[主要说明：
研究（设计）的基本内容、观点及拟采取的研究途径和方法。
]
该设计以MCS51单片机作为控制装置主要部件，采用光敏三极管构成的电路检测环境光的强度（光强时灯全关，光一般时灯开2盏，光弱时开3盏灯），采用热释红外人体传感器检测人体的存在（没人时家里灯全关，有人则进行下步行动）。
在特殊情况下可以通过手动来控制灯的开关。
一号按钮控制手动与自动，二号按钮控制灯的开关盏数（按0次没灯开，按1次开1盏灯，按2次开2盏灯，按3次开3盏灯，按4次后返回到0）。
硬件电路包括输入输出接口设计，CPU控制电路，LCD液晶显示电路，电灯驱动电路；软件设计采用51系列单片机，使用汇编语言进行开发。
四、计划进度安排[主要说明：
起止时间及分阶段的进度要求。
]
2011.12．1---2011.12.31：
完成开题报告并提交。
2012.1.1----2012.3.30：
查询相关资料、进行课题研究，在已完成研究的基础上，撰写毕业论文初稿。
2012.4.1----2012.4.15：
提交初稿和期中检查表。
2012.4.16----2012.4.30：
根据指导教师的修改意见进行论文修改，并最终定稿。
2012.5.4----2012.5.10：
将打印的论文交指导教师，由指导教师写评语，并由评阅教师进行评阅，根据评阅教师意见，进一步修改论文，准备答辩。
2012.5.15----2012.5.28：
毕业论文答辩。
五、主要参考文献
[1]王幸之，钟爱琴等.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京：
北京航空航天大学出版社.2005
[2]康华光.电子技术基础[M].高等教育出版社.2004
[3]何立民，MCS-51系列单片机应用系统设计[M]．北京：
北京航天航空大学出版社.2001
[4]赵玉安.人体热释电红外传感器介绍[J]．中国电子制作，2006.9
[5]俞海珍，李宪章，冯浩.热释电红外传感器及其应用[J].电子照明技术.2006.7
指导教师意见及建议：
签名：
年月日
教学单位领导小组审批意见：
组长签名：
年月日
德州学院毕业论文（设计）中期检查表
院（系）：
机电工程系专业：
自动化2012年4月10日
毕业论文题目：
智能灯光控制系统在现代家居设计中的应用
学生姓名
蔡光柱
学号
200801702045
指导教师
贺廉云
职称
教授
计划完成时间：
毕业论文（设计）的进度计划：
2011.12．1---2011.12.31完成开题报告并提交
2012.1.1----2012.3.30查询相关资料，撰写毕业论文初稿。
2012.4.16----2012.4.30根据指导教师的修改意见进行论文修改，并最终定稿。
2012.5.15----2012.5.28毕业论文答辩
完成情况：
查阅了大量资料，论文初稿已经完成，收获了很多，过程学到了很多课程拓展方面的知识。
指导教师评议（指出优点和不足，如有其它建议，可另附页）
签名：
年月日
备注：
智能灯光控制系统在现代家居设计中的应用
蔡光柱
（德州学院机电系，山东德州，253023）
摘要：
该设计阐述了照明的控制方式设计原理与实现方法，以MCS51单片机为基础，实现了灯光照明控制与显示等功能，详细地描述了控制电路的设计过程，包括：
LCD显示电路，人体释热红外线传感器测量控制电路，光敏电阻控制电路，照明灯控制电路以及看门狗电路等。
软件设计主要包括控制器程序设计，灯光控制与LCD显示等，通过MCS51单片机利用人体释热红外线传感器，光敏三极管监测到的信号对照明灯实现开启、关闭、调节房间亮度强弱的功能。
关键词：
智能家居；单片机；人体释热红外线传感器；光敏三极管
1引言
1.1现代智能家居的概念
智能家居（SmartHome）以家作为平台，集自动化，建筑，智能化于一体，具有节能，高效，安全，便利的特点。
家居智能化技术起源于美国，发展在中国，实现网络系统中的各个设备的资源共享。
因其布线简单、功能灵活，扩展容易而被人们广泛接受和应用。
自动化的智能家居不再是一幢被动的建筑，而成了帮助我们利用时间，提高效率的工具，使家庭更加便利、安全、高效和节能[1]。
智能家居随着中国城镇化的进行，在中国发展迅速，它的目标是通过自动化和计算机等通信技术实现对家庭中的电器设备的智能控制，使其按照我们的生活需要工作运行。
随着网络技术的发展，网络化智能家居系统可提供远程遥控、空调，热水器等控制、灯光控制、电话视频控制、光控窗帘、安全防盗报警、PLC定时控制及计算机控制等多种功能，使生活更加高效，舒适，低碳和安全。
近十几年来，随着我国城市建设的快速发展，楼宇照明也相应飞速发展。
在楼宇的照明数量与质量两个方面均有显著的变化与提高，特别是随着人民生活水平进入小康水平，楼宇照明水平提高很快，追求人工照明光环境的舒适性、个性化、安全、节能等方面日见突出。
楼宇中人工光环境对于满足人们的生活、学习、娱乐以及工作方面有着重要的意义。
灯光照明控制系统利用照明配电箱通过手动开关来控制照明灯的关闭开启，以实现远程自动控制。
现代社会出现的楼宇自控系统，是以电气继电器来实现小区区域控制、电子监控、定时通断等功能。
随着计算机技术与自动化技术的发展，开发出了智能化水平更高的专业照明控制系统，从而可以延长灯具寿命、节约电能、提高生活质量。
根据客户的使用经验，不仅可以降低照明管理与设备维修费用，还能起到改善环境、提高工作效率的显著效果。
本系统是以单片机为控制器的核心，其是以MCS51为基础，以人体释热红外线传感器和光敏三极管为信号采集单元,再连接外围电路，通过单片机通信方式实现照明灯具的智能控制。
1.2照明控制系统设计原理
以MCS51单片机作为主要控制部件，采用光敏三极管检测环境光的强度,采用热释红外人体传感器检测人体的存在，系统通过对人体的存在信号和环境光信号的识别，完成对房间照明回路的控制[2]。
在特殊情况下可以通过手动来控制灯的开关。
一号按钮控制手动与自动，二号按钮控制灯的开关盏数，按0次没灯开，按1次开1盏灯，按2次开2盏灯，按3次开3盏灯，按4次后返回到0。
硬件电路的设计最重要的是选择系统所应用的单片机，并确定与之配套的外围芯片，硬件电路设计包括输入输出接口设计，ＬＣＤ液晶显示电路，电灯驱动电路，光敏三极管检测电路等。
软件设计的方法：
本系统采用MCS51系列单片机，使用汇编语言进行开发。
1.3控制系统的设计方案
系统的结构主要由单片机控制系统，电灯电源驱动系统，LCD显示系统，信号采集处理系统四部分组成，以达到控制照明灯具的目的。
外接的传感器（人体释热红外线传感器和光敏三极管）将信号传送给单片机后，由单片机控制灯的开关和显示系统。
系统在单片机的控制之下完成对数据的计算，处理，显示，同时能够控制照明灯具。
硬件电路只是系统的实施工具，大量的工作是由软件来完成的。
这些软件程序是系统的灵魂，是负责完成硬件电路实现功能和与用户交互的桥梁，是维护系统正常工作的工具。
图1控制系统结构示意图
1.4控制系统的主要功能
单片机首先通过按钮1判定是自动还是手动，自动时，根据人体存在信号采集电路和光敏三极管采光电路的检测结果，先判定室内是否有人，再判定室内光照度，单片机再决定是否开灯，开几盏灯，最后通过LCD显示开了几盏灯和关闭了几盏灯。
手动时，按钮2控制灯的开关盏数，按0次没灯开，按1次开1盏灯，按2次开2盏灯，按3次开3盏灯，按4次后返回到0。
手动/自动：
（1）自动有三种模式：
A全关；B开2盏；C开3盏。
（2）手动有四种模式：
A全关；B开1盏；C开2盏；D开3盏。
2硬件设备的介绍
2.1MCS51单片机的性能指标
本系统采用MCS51系列的8051单片机作为控制核心[3]。
MCS51系列单片机是美国Intel公司于1980年推出的一种8位单片机系列。
8051的片内程序存储器（ROM）是掩膜型的，即在制造芯片时已将应用程序固化进去。
8051具有良好的抗干扰性好，可以在恶劣环境下良好工作。
8051CPU的时钟频率是12MHZ，对传感器的计数脉冲可以进行快速的处理。
805l有32根输入输出I／O口线，可以连接LED显示器、存储器、光敏传感器等各种外部器件。
8051功耗低，可以在低电压工作模式下工作，可以利用电池对系统供电[4]。
8051单片机引脚说明
VCC：
电源电压。
GND：
接地端。
P0口：
P0口为一个8位双向I/O口。
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口作为第八位地址接收。
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
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，如下表所示：
P3口管脚备选功能
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 T0（记时器0外部输入）
P3.5 T1（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。
图28051单片机引脚图
2.2人体释热红外线传感器
所用人体热释电红外传感器型号为HP-208，它是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。
静态电流极小，<50微安，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感应器应用在自动灯光控制系统中。
HP-208是由运算放大器、状态控制器、电压比较器、延迟定时器等构成的数模混合集成电路。
人体存在传感器的1号引脚为电源信号端，2号引脚为采集信号输出端，3号引脚为接地信号端[5]。
2.3光敏三极管介绍
该设计所用光敏三极管型号为3DU5C，晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。
在家里安装一个检测电路，利用光敏三极管检测光强度，当亮度达到一定程度的时候，使得家里面日光灯无法启动，可以利用光敏三极管附加电磁继电器来完成这个电路。
并不是每一个居室的明亮程度都是相同的，因此采光点的选取是一个关键，可以采用多点取样来达到这个要求。
例如在3个居室中都安放光敏三极管，我们可以设置，如果他们全部或者大部分亮度都很高，那么，日光灯就无法正常启动，达到节约能源的目的。
当阴天时，亮度不够，那么日光灯可以开启了，但是不久天气放晴，日光灯不会自动关闭，同样造成很大浪费。
可以在采光点所在的家外面再安装一个采光点，当室内外强度的差值缩小到一定范围时，我们可以认为日光灯的作用可以忽略，日光灯就会自动关闭。
综上所述，利用光敏三极管设计一个电路，使得日光灯无法正常启动或者被强制关闭，通过光敏三极管的特性来得到节约的目的。
2.4LCD液晶显示
该设计所用LCD液晶显示器型号为DM-1602，该液晶显示器具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。
1602采用标准的16脚接口，其中:
第1脚：
VSS为地电源
第2脚：
VDD接+5V正电源
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端。
对比度过高时显示会模糊，使用时通过一个10K的电位器可以调整对比度；接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。
第4脚：
RS为寄存器选择端，低电平时选择指令寄存器，高电平时选择数据寄存器。
第5脚：
RW为读写信号端，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时，读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时，写入数据。
第6脚：
E端为使能端，由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据总线。
第15～16脚：
空引脚。
图3DM-1602引脚图
2.5看门狗MAX813L
MAX813L是一带看门狗和电源监控功能的复位芯片,它具有使用方便，体积小、功耗低的特点。
它的复位信号为高电平，在复位信号为高电平场合，它是单片机控制系统的理想芯片。
MAX813L，引脚简单介绍如下：
第
（1）脚为手动复位输入，低电平有效；第
（2）为电源电压；第（3）脚为接地端；第（4）脚为电源故障输入；第（5）脚为电源故障输出；第（6）脚为看门狗输入，第（7）脚为复位输出，第（8）脚为看门狗输出。
（如图4所示MAX813L）
图4看门狗电路图
MAX813L芯片的主要功能特点：
（1）手动复位输入。
第
（1）脚输入一个低电平，第（7）脚产生复位输出。
（2）复位输出。
当系统掉电，上电或者供电电压降低时，第（7）脚复位产生复位输出。
（3）看门狗电路输出。
如果在1.6s内没有触发该电路，即第（6）步无脉冲输入，则第（8）脚输出低电平信号。
（4）1.25V时，第（5）脚输出一个低电平信号。
3家居照明控制系统的硬件电路设计
3.1主控制器的电路设计
本系统采用MCS51系列的8051单片机作为控制核心[6]。
MCS51系列单片机是美国Intel公司于1980年推出的一种8位单片机系列。
8051的片内程序存储器（ROM）是掩膜型的，即在制造芯片时已将应用程序固化进去。
8051具有良好的抗干扰性好，可以在恶劣环境下良好工作。
8051CPU的时钟频率是12MHZ，对传感器的计数脉冲可以进行快速的处理。
805l有32根输入输出I／O口线，可以连接LED显示器、存储器、光敏传感器等各种外部器件。
8051功耗低，可以在低电压工作模式下工作，可以利用电池对系统供电。
第40脚接电源电压，MR与WDO经过一个二极管连接起来，WDI接单片机的P2.7口，RESET接单片机的复位输入脚RESET，MR经过一个复位按钮接地。
图5单片机与狗门电路组成的控制电路图
3.2LCD液晶显示设计
DM-1602具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。
具有16脚接口，可以满足该系统对引脚的需求。
将MCS51单片机P0接口与液晶显示器八位输入输出接口相连，P3.2接口与液晶显示器使能端相连，通过V0接口调节液晶显示模块的对比度，滑动变阻器的阻值应设为10kΩ。
显示电路如图6所示，
图6LCD显示电路
3.3看门狗监控电路的设计
硬件看门狗采用MAXIM公司的微处理器监控芯片MAX813L构成，与MCS51的接口电路如图7所示。
MR与WDO经过一个二极管连接起来，WDI接单片机的P2.7口，RESET接单片机的复位输入脚RESET，MR经过一个复位按钮接地[7]。
看门狗电路实现的功能如下：
（1）系统正常时，上电复位：
当电源电压超过复位门限电压4.65V，电源上电，RESET端输出复位信号，使系统复位。
（2）看门狗定时器被清零，WDO维持高电平：
当程序出现错误时，CPU不能在1.6s内给出“喂狗”信号，WDO跳变为低电平，D导通MR获得有效低电平，RESET端输出复位脉冲，单片机复位，看门狗定时器清零，WDO又恢复成高电平。
（3）对+5V电源电压进行监视：
当电源电压正常时，RESET输出低电平，单片机正常工作；当电源电压降至+4.65V以下时，RESET输出高电平，单片机复位。
（4）手动复位：
需要手动复位时，只要按下手动复位按钮，就能对系统进行有效的复位。
图7看门狗电路图
3.4光敏三极管采光电路设计
考虑灵敏度、可行性、经济性等方面的因素，对光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管比较之后，决定采用光敏三极管作为采光元件，对家里自然光进行采集，本课题设计采用3DU5C型号的光敏三极管。
光敏传感器采光电路[8]如图8所示，采用LM339电压比较芯片，组成一个三级电压比较电路。
[
图8光敏三极管采光电路图
3.5人体存在信号采集电路设计
HP-208是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路[9]。
静态电流极小，<50微安，
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感应器应用在自动感灯光控制系统中。
人体存在传感器的1号引脚为电源信号端，3号引脚为接地信号端，2号引脚为采集信号输出端。
在人体存在传感器的信号引脚2与接地信号引脚3之间加了一个6800pF的电容，可以消除来自外界的干扰，使人体存在传感器的工作更加可靠。
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100KΩ的上拉电阻，可以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9所示：
图9人体存在信号采集电路图
3.6电灯的驱动电路设计
单片机发出信号通过7404来给光电耦合器MOC3021来控制续电器接通与断开,从而控制电灯的开关。
光电耦合器能将强弱电隔离，抗外界干扰。
共有3盏灯，房间最前的一盏灯与P2.0口相连；房间中间一盏等与P2.1口相连，最后一盏灯与P2.2口相连。
图10电灯的驱动电路图
4家居照明控制系统的软件设计
4.1软件设计要求和目的
以MCS51单片机作为控制装置的智能部件[10]，采用热释红外人体传感器检测人体的存在（没人时家里灯全关，有人则进行下步行动），采用光敏三极管构成的电路检测环境光的强度（光强时灯全关，光一般时灯开两盏，光弱时开3盏灯）；根据房间合理开灯的条件，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，完成对房间照明回路的智能控制[11]。
在特殊情况下可以通过手动来控制灯的开关。
一号按钮控制手动与自动，二号按钮控制灯的开关盏数（按0次没灯开，按1次开1盏灯，按2次开2盏灯，按3次开3盏灯，按4次后返回到0）。
在单片机接收每一信号时要延迟3ms与下一信号比较以防突变，按钮的情况也是如此。
当房间里没人灯全关时要延迟30s关灯。
LCD液晶显示要及时无误的显示灯所开的盏数。
4.2软件设计程序框图
如图11为整个程序流程图，首先给看门狗电路喂狗防止出现死机的情况。
由按键1被按次数R1判断是自动还是手动，按键按一次R1＝1时程序进入手动状态，按键按零次R1＝0时程序则进入自动状态，若按两次就会返还到R1＝0的状态。
自动时单片机会由人体存在信号采集电路和光敏三极管采光电路的信号决定是否开灯，开几盏灯。
手动时单片机会由按键2所按的次数R0决定开灯的盏数，按0次全关，按1次开1盏，按2次开2盏，按3次全开，按4次则返还到按0次的状态。
最终通过LCD液晶显示开灯的盏数和关灯的盏数。
P2.0引脚接1号灯（家里最前面的灯），P2.1引脚接2号灯（家里中间的一盏灯），P2.2引脚接3号灯（家里最后一盏灯）。
全开时P2=00000111B,开两盏灯时家前后两盏P2=00000101B,开一盏灯家里中间的一盏P2=00000010B,全关时P2=00000000B。
图11程序流程框图
（1）手动控制
由P1.6引脚处的按钮被按次决定手动和自动，R1=0时自动，R1=1手动控制，R1=2后返回到P1.6=0的情况。
R1=1手动时按钮2被按的次数R0决定开灯的盏数（R0=0全关，R0=1开一盏灯，R0=2开两盏灯，R0=3全开，RO=4后返回到R0＝0的情况）。
单片机收到信号后将一些情况处理，再给P2赋值。
（2）自动控制
P1.0接人体存在信号采集电路（有人时P1.0=1；没人时P1.0=0）；P1.1，P1.2接光敏三极管信号采集电路，P1.1接信号的高值；P1.2接信号低值。
P1.0=0时程序直接跳到延迟30S程序后把灯全关了。
P1.0=1时程序开始根据P1.1,P1.2的情况给P2口附值。
（P1.1,P1.2）为（0，0）表示家里光线很暗要把灯全打开则给P2口附00000111B的值；（P1.1,P1.2）为（0，1）中等强度的光开两盏灯给P2口附00000101B的值；（P1.1,P1.2）为（1，1）关线强则把所有的灯关了给P2口附00000000B的值。
（3）显示程序
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