房间照明智能控制器的设计说明书.docx
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房间照明智能控制器的设计说明书
房间照明智能控制器的设计
【摘要】
本文详细阐述了用MCS-51系列单片机完成一个房间照明智能控制器的设计。
此智能控制器是为了实现照明系统的自动控制，使得房间的照明更加舒适，更加人性化，实现系统的节能，节约有限的电力资源。
系统的控制的任务和要求是：
当自然光照度较低时，有人在房间，则开灯照明，在人离开10s后自动熄灯；当自然光照度较高时，无论是否有人在房间，照明灯熄灭。
红外传感器进行人的监测，继电器驱动模块用于启动照明控制系统。
/*****着重研究了基于P2288-02型热释电红外传感器及LM324集成运算放大器的应用电路，继电器触发电路*****/
关键词:
照明智能控制器；红外传感器；人的监测；继电器
目录
第1章绪论1
1.1照明智能控制的背景、目的及意义1
1.2照明智能控制的简介
1.2.1智能照明控制系统概述
1.2.2智能照明控制系统的基本组成
1.2.3智能照明控制系统的应用范围
第2章照明智能控制系统总体方案设计4
2.1照明智能控制器系统工作过程简介4
2.2系统设计总体方案5
2.3方案论证6
2.3.1中央处理器的选择6
2.3.2人数监测模块设计7
2.3.3人员数量显示模块设计方案8
2.4小结8
第3章照明智能控制器系统模块设计9
3.1教室小系统原理图设计9
3.2人数监测模块设计10
3.2.1“人体运动计数”的工作原理10
3.2.2系统及工作流程设计12
3.2.3热释电红外传感器输出信号的处理12
3.3灯具控制模块设计14
3.3.1手动强制按钮接口电路设计14
3.3.2继电器改进电路15
3.4人数显示电路设计16
3.5小结16
第4章系统软件设计17
4.1教室小系统主程序设计17
4.2智能继电器主程序设计19
4.3手动强制按键的主程序设计19
4.4手动按键扫描子程序20
4.5小结21
第5章系统模块验证调试22
5.1硬件模块检测22
5.2人数监测模块调试验证22
5.3人数监测模块程序设计24
5.4模块的仿真与测试26
5.5小结27
总结28
致谢29
第1章绪论
1.1照明智能控制的背景、目的及意义
随着科技的发展和人民生活水平的提高，人们对家庭的照明系统提出了新的要求。
人们希望使用方便甚至是随心所欲，传统的照明系统已经远远满足不了现代人的需要，于是智能照明系统应运而生。
它不仅要控制照明光源的发光时间、亮度，而且与家居子系统来配合不同的应用场合做出相应的灯光场景，而且还要考虑到管理智能化和操作简单化，以及灵活性来适应未来照明布局和控制方式变更等要求。
一个优秀的智能照明系统可以提升家庭环境的品质，确保家庭生活的舒适和健康。
所以网络开关代替传统的开关，智能照明系统代替传统的照明系统，是家居智能化过程中必然要走的一步。
智能照明控制系统的运用，通过人性化操作，达到了高效舒适、环保节能的效果，预示着绿色照明时代的到来。
传统开关的缺陷传统开关的缺陷主要存在于以下几个方面：
适合于目前大房子，如别墅，跃层等有楼上楼下的房子。
因为，没有遥控功能。
房间越大就越不方便。
没有简单的方法实现全开全关的操作，离家前还得检查一遍是否所有的灯已经关闭，非常麻烦。
没有场景操作，不能对成组的灯进行控制，使家庭的光线显得比较单调，不能满足人们的要求。
双控开关布线复杂，更无法实现三控和多控。
而且改变一个开关的控制对象是不可能的事。
在装修好的房子里增加灯和开关，就会破坏装修。
关灯原理不合乎节能的要求。
由于关灯不万便，造成关灯不及时而浪费电。
没有调光功能，有的时候灯太亮却无法调暗，刺激人眼，而且费电，只有更换灯泡才能解决问题。
还有开关灯时，亮度骤然变化，不仅对人眼刺激很大，而且灯丝温度骤冷骤热，影响灯泡的使用寿命。
不能自动延时关灯，费电，费事。
智能照明系统的灯光设计还可以与其他智能家居系统连动，将更加人性的功能展现在您的面前，当您的家里开舞会的时候，只要您按一下舞会模式的按钮，您的音响就会开启，播放您最最喜欢的曲子，灯光将变暗，闪烁，空调将自动设定为一种比较合适的温度，来营造一种热烈，舒适的娱乐环境。
或者当您看电视的时候，您客厅中的灯会变暗，其他房间的等全部关闭。
其中，场景的变化是可以随意设定的，可以发挥您自己丰富的想象力，来创造一种梦幻般的环境，它会给您带来更大的乐趣和舒适。
1.2照明智能控制的简介
1.2.1智能照明控制系统概述
智能照明控制系统，是根据某一区域的功能、每天不同的时间、室内光亮度或该区域的用途来自动控制照明。
其中最重要的一点就是可以预设，即具有将照明亮度转变为一系列设置的功能。
这些设置也称为场景，可由调光器系统或中央建筑控制系统自动调用。
智能照明控制系统分为独立式、特定于房间式或大型的联网系统。
在联网系统中，调光设备安装在电气柜中，由传感器和控制面板组成的外部设备网络来操作。
联网系统的优势是可以从许多点来控制不同的房间或区域。
1.2.2智能照明控制系统的基本组成
一个智能照明控制系统的基本组成有输入单元（包括输入开关、场景开关、液晶显示触摸屏、智能传感器等），输出单元（包括智能继电器、智能调光模块），系统单元（包括系统电源、系统时钟、网络通信线）。
通过计算机主机或PC监控器编程设计出各种不同的照明方案，如需集中管理可在控制室中设置一台主机。
每个输入输出单元设置唯一的地址并用软件设定其功能。
输入单元一般为安全电压。
输入信号在通信网络上传送，所有的输出单元接受并作出判断，控制相应的输出回路。
系统中的每个单元均内设微处理器（CPU）和数据存储器，所有的参数被分散存储在各个单元中，即使系统断电或某一单元损坏，也不影响其他单元的正常使用。
系统通过总线连接成网。
1.2.3智能照明控制系统的应用范围
主要的应用范围一类是大型公共建筑如会展中心、航站搂、客运站、体育场馆、大型商场等，这类建筑具有公共活动场所照明灯具多、能耗比例高、管理维护难度大等特点；第二类是博物馆、美术馆、图书馆等文化建筑和教学建筑；第三类是星级酒店宾馆和高档写字楼的宴会厅、多功能厅、会议室、大堂、走到等场所。
第2章照明智能控制系统总体方案设计
2.1照明智能控制器系统工作过程简介
2.2系统设计总体方案
照明控制器的照明控制原理：
将教室分为0～5六个区，如图2-2所示，屋顶中央圆盘上固定6个人体检测模块，传感器位于图2-2中传感器1的位置，朝向6个分区，分别对6个区域进行监视，其中在1和4区放置照度检测模块，分别检测靠门侧3个区和靠窗侧3个区的照度。
在教室的进门处加一个“双元型”热释电红外传感器，位于图2-2中传感器2在位置，对实验室的人数进行监测，达到系统的完整。
本系统控制的总体框图如图2-3所示，照明智能控制器控制分区的照明灯具，单片机读入人数监测的监测值，送入上一级（栋层控制器）。
原理框图如2-3所示：
图2-3原理总框图
在以上的模块设计中，照度检测、人体检测上届学长已完成，本设计以人数监测模块为重点，并对系统的抗干扰做进一步处理。
2.3方案论证
对于一项设计而言，找到合理的设计方案是至关重要的，因为它不仅决定着设计实现与否，还决定着设计结果的准确性。
2.3.1中央处理器的选择
房间层中央处理器主要作用是做简单的逻辑控制，并不涉及复杂的算法。
AT89S51提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路[4]。
同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
本系统设计选择AT89S51单片机作为房间层中央处理器，如图2-4所示。
89S51相对于89C51增加的新功能包括：
1、工作频率为33MHz，89C51的极限工作频率只有24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。
2、内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。
3、具有双工UART串行通道。
4、双数据指示器。
5、电源关闭标识。
新增加了许多功能，性能有了较大提升，价格却基本不变，甚至比89C51更低！
2.3.2人数监测模块设计
方案一：
人体识别方法：
在屋顶中央圆盘上固定6个人体检测模块，在最中央安放一个可转动的摄像机，首先依据人体感应模块得到的人员分布情况，利用电机转动摄像机到有人员分布的区域，进行图像采集，经过图象处理得出室内人员的数量。
原理框图2-5如下：
图2-5人体识别原理框图
此方案操作不方便，反应时间长，不宜进行实时监测，而且误差较大，价格昂贵，不宜进行大规模生产。
方案二：
人数监测方法：
将双元型热释电红外传感器[3]安装在门框的同一侧，相互间隔适当的距离。
人体经过传感器时，人体的运动方向不同，传感器输出的信号也不同，进而判断是进入房间还是离开房间[5]。
系统原理框图2-6如下：
图2-6人数监测原理图
通过以上分析比较，本设计采用方案二，方案二的实现成本较低，容易实现；但热释电红外传感器的安放位置还是比较困难的，而且人经过门的速度也是不尽相同的，故在本设计中有一定的理想化处理成分，在实践中总结其最好的距离和位置，以达到最好的监测效果。
2.3.3人员数量显示模块设计方案
方案一：
液晶显示器（LCD）是一种低功耗的显示器件，在袖珍式仪表或低功耗应用系统中有广泛的应用。
液晶显示器有标准段式液晶显示器、字符点阵液晶显示器和全点阵图形液晶显示器三种。
液晶本身并不发光，而是借助自然光或外来光源显示数码，它的优点是工作电压低、耗电极省，但在黑暗中显示需加背景光，相应刷新速度低，而房间号的显示需要醒目，液晶显示的字符较小，只有近距离才较易看清，成本也较高。
方案二：
采用LED数码管动态扫描显示，用一片七段译码芯片CD4511驱动4片LED，直接用单片机I/O口接数码管公共端做片选信号，使用芯片数量少，但占用I/O口数量多。
方案三：
采用串入并出移位寄存器驱动显示。
使用两片移位寄存器74LS164驱动两片数码管，仅需两个I/O口，但显示需做软件译码[6]。
通过以上分析，本系统中由于I/O口占用数量较多，为节约单片机I/O口同时考虑成本，采用方案三。
2.4小结
本章简要的描述了系统的结构及工作过程，并通过比较分析，确定了各个模块的设计方案。
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