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毕业设计灯光控制系统设计
灯光控制系统设计
摘要：
本设计主要从节能的角度出发，以AT89C52单片机为核心，多路传感器探测监控，实现了对教室灯光的智能化控制。
结果证明基于单片机的灯光自动控制系统的设计是正确的，并具有较广泛的用途，而且使用方便，更节省能源。
关键词：
灯光控制；光控；热释电红外传感；DS1302；AT89C52；单片机
LightAutomaticControlSystem
BasedonSCM
Abstract：
Thisdesign,mainlyfromtheAngleofenergysaving,AT89C52SCMasthecore,multi-channelsensormonitoring,realizetheintellectualizedcontrolofthelight.Resultsshowthatthelightcontrolsystembasedonsinglechipdesigniscorrect,andwidelyused,easytouse,moreenergyefficient.
Keywords：
lightcontrol；optical；Pyroelectricinfraredsensor；ds1302；AT89C52；
1绪论
1.1课题研究的背景和意义
随着计算机科学技术的发展,在智能建筑的方面的应用也越来越广泛。
目前,效率低、能耗高是国内大多数智能建筑的不合理的地方[10]。
就智能建筑中灯光控制系统的应用仍然存在一些问题,比如灯是从早到晚开着的,不管这些房间或楼道是否有人,即使光线已经足够亮。
或者,当照度很高时,灯不能及时关闭;反之,当自然光照度难以满足人的需求时,又不能及时打开灯光。
这种照明方式,造成大量能源的浪费,还不能满足人对照明的基本需求。
现代照明系统主要解决能源的尽可能节省和方便使用办法[9]。
以及满足人类工程学的个性方面的要求。
特别是近年来大厦内利用计算机工作的人员比例上升,不同视觉要求的工作的数量和复杂程度大大增加[1]。
所以,要做到合理、经济、节能,首先应采用先进成熟的技术和产品,如电光源、灯具、照明控制设备等,另外,还要选择合适的照明方式和照明控制系统。
因此,适应不同个人和工作需要,结合自动调节与手动调节的的智能化照明系统已经成为必不可少了[1]。
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，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[2]。
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，浪费的电能就更惊人了[3]。
因此，对照明电路的有效控制也就成了节约电能的首要方法。
于是，开发一种简单、实用而又节能的灯光自动控制系统便具有了十分重要的意义[4]。
（本设计主要针对教室灯光的自动控制）。
热释电红外传感器：
被动式热释电红外探头的工作原理及特性：
在自然界，任何高于绝对温度（-273度）时物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的[5]。
图1-1热释电红外传感器
在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器（PIR），它能将波长为8一12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进入警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异[5]。
另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。
菲涅尔透镜作用有两个:
一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号[7]。
人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10微米左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10微米左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10微米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[8]。
红外感应源通常采用热释电元件，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报警信号[11]。
（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10微米左右的红外辐射必须非常敏感。
（2）为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。
（3）被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。
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）人一旦侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，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，经信号处理而报警[12]。
（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。
1.2国内外研究现状、发展动态
当今的灯光艺术已经成为了一门走在时代前沿的时尚艺术。
灯具的种类也由以前构造简单、功能有限的白炽灯、荧光灯、聚光灯等发展为今天的镜片反射式电脑灯、摇头式电脑灯、变色灯、电脑追光灯激光灯等构造复杂、精密，功能丰富多样的现代灯具。
像我们经常在电视节目上看到的舞台灯光、城市景观灯、舞厅的各种闪光灯、街道上的霓虹灯等，其艺术性和表现力都产生了质的飞跃。
在基本光满足必要的照度和色调的基础上，根据场景气氛的需要可以自由地组合出千姿百态、绚丽多彩、变幻无穷的灯光景观。
实现了艺术上的创新与突破，不断创造出令人惊叹、叫绝的视觉艺术效果，给人们带来了美的享受和心灵上的震撼。
就连我们最常见的楼道灯也一改过去那种人不开不亮，不关不灭的形象。
在我们生活的小区和工作的办公楼等地，每到晚上我们上下楼梯时，只要我们用手轻轻一摸开关上的按钮，灯就亮人走后没一会灯又自动熄灭。
或是天黑走过楼梯通道时，当有脚步声或其它声音时，楼道灯会自动点亮，提供照明。
当人们进入房内或离开楼梯，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。
在白天，即使有声音楼道灯也不会亮。
之所以出现这种效果，要归功于现代科学技术的发展其中很重要的一点，就是现代电子技术的发展和创新。
它主要是利用一些电子元件，应用数字电子技术的逻辑器件设计电路进行控制。
像舞台上的灯光就是运用现代数字电子技术，按照场景的需要通过电脑程序进行控制，像楼道的灯就是通过安装一些电子开关进行控制。
现在国家正在大力提倡节能减排，虽然关灯在有些人看来是件小事，也省不了多少电，但如果全国所有公共场所及家庭都使用新型节能开关，这样既避免了人们在黑暗中摸索开关的不便，又可以避免人们忘记关灯而造成浪费。
聚少成多，那也将是个惊人的数字，也一样能达到很好的节能目的。
电子开关的种类很多，有触摸式延时开关、声光控延时开关、红外线感应开关等。
前面讲的楼道灯就是安装了触摸式延时开关和声光控延时开关这两种新型的电子开关工作原理。
触摸式延时开关的工作原理其实很简单。
它就是由电源电路、晶闸管、可控硅、开关电路、延时电路等几部分组成一个自动开关控制电路。
平时，整个电路处于断开状态，灯不亮。
当人手触摸一下电极，开关外壳上的金属片时，人体泄漏电流形成回路，产生一个触发电压，使得电路中的触发器发生变化，开关开通，灯亮，同时给延时电路中的电容充电。
人手拿开后，电路失去触发电压，开关断开，此时电容向外放电，即延时电路发生作用，延长一段时间后，即电容电量放尽，灯灭。
若要延长或缩短延时时间，可以增大或减小电容数值来实现声光控延时开关。
声光控延时开关，顾名思义，就是利用声音和光来控制开关的开启，若干分钟后延时开关“自动关闭”。
这种开关在电路中增加了一些与门电路、话筒和光敏电阻，由光控电路、声控电路和延时电路三大部分构成。
简单地说，就是利用话筒接收声音信号（脚步声、掌声等）并转换成电信号，经过耦合、放大等处理后，变为电子开关的开关动作。
白天光线较强时，光敏电阻阻值很小，两端电压几乎为零，整个电路不具备光控条件，电子开关呈断开状态。
此时，即使有再大的声响，灯也不会亮。
夜晚光线较弱时，光敏电阻阻值很大，两端电压高，光控电路呈导通状态，当有外界声音信号时，经过声控电路的处理，电子开关闭合，灯亮。
然后通过延时电路的作用，持续一段时间后，开关断开，灯灭。
从声光控开关的结构上分析，开关面板表面装有光敏二级管，内部装有柱极体话筒（或其它样式的放射）。
而光敏二极管的敏感效应，只有在黑暗时才起到作用。
也就说当天色变暗到一定程度，光敏二级管感应后会在电子线路板上产生一个脉冲电流，使光敏二级管一路电路处在关闭状态，这时在楼梯口等处只要有响声出现，柱极体话筒就会同样产生脉冲电流，这时声光控制开关电路就连通起作用。
红外线感应开关的主要器件为人体热释电红外传感器。
在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器（PIR），它能将波长为8一12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进入警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。
另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。
菲涅尔透镜作用有两个:
一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。
人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10微米左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10微米左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10微米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。
红外感应源通常采用热释电元件，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触发开关动作。
当有人进入开关感应范围时，专用传感器探测到人体红外光谱的变化，开关自动接通负载，人不离开感应范围，开关将持续接通；人离开后或在感应区域内无动作，开关延时（时间可调TIME5-120秒）自动关闭负载。
1.3研究内容和目的
本课题主要研究的是以AT89S52单片机为核心的灯光自动控制系统。
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。
研究内容：
（1）灯光自动控制器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（通过可变电阻按需要设置）时不开灯；
（2）环境光强度在一定阀值以下且有人存在时开灯；
（3）按作息时间来控制，夜晚超过11点，自动关灯；若还有人存在，有特殊情况要用教室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。
设计目的：
（1）通过些次任务熟悉单片机结构功能和工作原理；
（2）熟练掌握protel制图过程和proteus仿真，学会设计和调试电路；
（3）了解热释电红外传感器，光敏元件，时间芯片等的原理；
（4）实现对灯光的自动化和节能控制，以达到节省能源的目的。
2硬件设计
2.1设计思路
图2-1系统总框图
本设计主要包括几个部分：
单片机、硬件时钟模块、人体存在传感模块、光控模块、LED照明模块、数码管显示时钟模块。
系统总框图见图2-1。
分别把硬件时钟模块、人体存在传感模块和光控模块的信号输入单片机，用单片机去判断LED照明模块的开与关。
判断规则如表3-1所示：
表2-1开灯条件表
环境光参数
人存在参数
作息时间
教室灯状态
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
设计原理图如图2-1所示：
图2-1设计原理图
2.2硬件电路
2.2.1单片机及基本外围电路
本系统的主控模块拟采用Atmel公司的AT89C52作为主控芯片。
（2）单片机电路
单片机电路见图2-2。
图2-2单片机电路
（2）复位电路
图2-3单片机复位电路
复位电路的作用是：
系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤消复位信号。
复位是单片机的初始化操作，使CPU及各专用存储器处于一个确定的初始状态，其中把PC的内容初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序，除了系统的正常开机（上电）复位外，当程序运行出错或操作错误使系统处于死循环状态时，为摆脱困境，可按复位键进行复位。
复位电路见图2-3.。
复位原理：
VCC上电时，C1充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位；
几个毫秒后，C1充满，10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。
工作期间，按下S1，C1放电。
S1松手，C1又充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位。
几个毫秒后，单片机进入工作状态。
（3）晶振电路
图2-4晶振电路
每个单片机系统里都有晶振，全程是叫晶体震荡器。
他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。
晶振电路见图2-4.。
晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。
通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。
有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步
2.2.2硬件时钟电路
本设计硬件时钟电路采用DS1302时钟芯片存储系统时间，跟现实作息时间保持一致。
即始断电后也不会影响时间，见图2-5。
图2-5DS1302时钟电路
说明：
SCLK（串行时钟）接P1.0，I/O（数据线）接P1.1，RES（复位）接P1.2。
DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。
实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线
（1）RES（复位）
（2）I/O（数据线）（3）SCLK（串行时钟）。
时钟/RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。
DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。
DS1302是由DS1202改进而来，增加了以下的特性：
双电源管脚用于主电源和备份电源供应，Vcc1为可编程涓流充电电源，附加七个字节存储器。
它广泛应用于电话、传真、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。
下面将主要的性能指标作一综合：
●实时时钟具有能计算2100年之前的秒、分、时、日、日期、星期、月、年的能力，还有闰年调整的能力
●31*8位暂存数据存储RAM
●串行I/O口方式使得管脚数量最少
●宽范围工作电压2.0~5.5V
●工作电流：
2.0V时,小于300nA
●读/写时钟或RAM数据时，有两种传送方式：
单字节传送和多字节传送（字符组方式）
●8脚DIP封装或可选的8脚SOIC封装（根据表面装配）
●简单3线接口
●与TTL兼容Vcc=5V
●可选工业级温度范围-40℃~+85℃
●与DS1202兼容
●在DS1202基础上增加的特性
―对Vcc1有可选的涓流充电能力
―双电源管用于主电源和备份电源供应
―备份电源管脚可由电池或大容量电容输入
―附加的7字节暂存存储器
DS1302引脚图见图2-6。
图2-6DS1302引脚图
DS1302管脚描述：
表2-2
引脚
功能说明
X1，X2
32.768KHZ晶振管脚
RST
接地管脚
I/O
数据输入/输出引脚
SCLK
串行时钟
Vcc1,Vcc2
电源供电管脚
（详见DS1302芯片资料）
2.2.3键盘电路
键盘电路见图2-7。
图2-7时间调整键盘电路
2.2.4光控模块
采用光敏电阻和变阻器分压来驱动三极管的导通/截止。
从而使输出端输出高/低电平，见图2-8。
图2-8光控电路
光敏电阻简介：
光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。
光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。
光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。
设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。
（详见光敏电阻资料）
说明：
PR1为光敏电阻，VR1为调节的电位器，P3.0输出高/低电平。
2.2.5热释电红外传感模块
图2-9热释电红外传感模块
本设计采用热释电红外传感器与BISS0001芯片制作的成品红外传感模块，进行人体存在的探测。
如果探测到人体，DATA脚输出高电平，否则为低电平。
热释电红外传感模块见图2-9.。
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炙灯、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、库房及家庭的过道等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。
功能叙述:
CMOS数模混合专用集成电路
具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号与处理
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，结构新颖，稳定可靠，调解范围宽
内置参考电压:
工作电压范围2V~6V
采用16脚DIP和SOP封装
APPLICATIONAPPLICATIONAPPLICATIONAPPLICATION产品应用:
用于多种传感器和延时控制器（详见BISS0001芯片资料）
管脚功能、说明：
图2-10BISS0001引脚图
表2-3BISS0001引脚说明
引脚
名称
功能说明
1
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
2
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。
3
RR1
输出延迟时间Tx的调节端
4
RC1
输出延迟时间Tx的调节端
续表2-3
5
RC2
触发封锁时间Ti的调节端
6
RR2
触发封锁时间Ti的调节端
7
VSS
工作电源负端
8
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
9
VC
触发禁止端。
当VcVR时允许触发（VR≈0.2VDD）
10
IB
运算放大器偏置电流设置端
11
VDD
工作电源正端
12
2OUT
第二级运算放大器的输出端
13
2IN-
第二级运算放大器的反相输入端
14
1IN+
第一级运算放大器的同相输入端
15
1IN-
第一级运算放大器的反相输入端
16
1OUT
第一级运算放大器的输出端
2.2.6时钟显示模块
本设计采用八段数码管显示硬件时钟，方便用户能在板上就能直观地看到系统时间，见图2-11。
图2-11数码管显示电路
本设计采用的是四位一体的共阳极数码管（四位一体，即四个数码管的A,B,C,D,E,F,G,DP八个脚都接在一起，然后公共端是用来控制位选的四个封装在一起数码管），而单片机的输出电流比较小，导致数码管显示不够亮，因而在阳极上还因加上电流放大电路，即数码管驱动电路，见图2-12。
图2-12数码管驱动电路
2.2.7被控LED电路
被控电路，本设计用了一个LED模仿被控电器进行智能控制和手动控制的操作，见图2-13。
图2-13被控LED电路
3软件设计
3.1软件设计主要流程
图3-1系统软件设计框图
本产品的软件设计主要包括三大部分，一是对时钟芯片的读写操作，二是对四个按键的扫描，三是输出显示部分，系统软件设计框图见图3-1。
3.2对时钟芯片DS1302进行读写
主要了解DS1302内部的各个寄存器分别存放的是什么数据，那样就可对DS1302进行读写操作了。
0x80//秒寄存器
0x82//分寄存器
0x84//时寄存器
0x8A//周寄存器
0x86//日寄存器
0x88//月寄存器
0x8C//年寄存器
CH:
时钟停止位
CH=0振荡器允许工作；CH=1振荡器停止。
寄存器2的第7位：
12/24小时标志：
Bit7=1,12小时模式；Bit7=0,24小时模式。
WP：
写保护位
WP=0允许写入；WP=1禁止写入。
寄存器2的第5位：
AM/PM定义：
AP=1下午模式；AP=0上午模式。
TCS：
涓流充电选择
TSC=1010使能涓流充电；TSC=其它禁止涓流充电。
DS:
二极管先择位
DS=01选择一个二极管；DS=10选择两个二极管；
DS=00或11，即使TSC=1010,充电功能也禁止。
表3-1RS位说明
RS位
电阻
典型位
00
没有
没有
01
R1
2KΩ
10
R2
4KΩ
11
R3
8KΩ
读DS1302时序的流程图如图3-2所示。
图3-2读DS1302时序
写DS1302时序的流程图如图3-3所示。
图3-3写DS1302时序
3.3扫描四个按键
（1）按键的识别：
由于键位未按下，输出高电平，键位按下，输出低电平，因此可以通过检测输出线上电平的高/低来判断键位有无按下。
（2）抖动的消除：
本设计采用软件消抖的方式，先执行一段大于10ms的延时程序后在判断按下的键位是哪一个。
如果四个按键哪个键按下，单片机就对DS1302执行相应的读写操作和显示操作。
3.4时钟显示电路
采用动态对数码管进行动态扫描的方
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