基于单片机教室灯光智能控制系统.docx

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基于单片机教室灯光智能控制系统

基于单片机教室灯光智能控制系统

吉林农业科技学院

学士学位论文

论文题目：

基于单片机教室灯光智能控制系统

—环境光采集、热释红外传感系统设计

年级专业：

10级电子信息科学与技术

学生姓名：

孙丽爽

学号：

1005601131

指导教师：

谢艳新

评阅教师：

王海波

完成日期：

2014年6月13日

吉林农业科技学院

基于单片机教室灯光智能控制系统

—环境光采集、热释红外传感系统设计

学生:

孙丽爽

专业:

电子信息科学与技术

指导教师:

谢艳新

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STC89C51单片机作为控制模块的核心部件，采用热释红外人体传感器检测人体的存在，采用光敏电阻构成的电路检测环境光的强度；根据教室合理开灯的条件，通过对人体存在信号和环境光信号的识别与判断，完成对教室灯光的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。

系统还具有报警功能；同时还采用了软/硬件的“看门狗”等抗干扰措施。

关键词：

热释红外人体传感器；STC89C51单片机；光敏电阻

ClassroomLightingIntelligentControlSystem

—Theambientlightgatheringpyroelectricinfraredsensorsystem

Name:

lishuangSun

Major:

ElectronicInformationScienceandTechnology

Tutor:

yanxinXie

Abstract

Theresearchofcontrolmethodforclassroomlighting,especiallyclassroomlightingintelligentcontroldevelopmentpresentsituation,analyzedtheprincipleandrealizationmethodofclassroomlightingintelligentcontrol,andproposesanewdesignclassroomlightingintelligentcontrolsystembasedonsinglechipmicrocomputer,hardwaredeviceisdevelopedbasedontheintelligentcontrolsystemandcorrespondingsoftware.

ThesystemusesSTC89C51microcontrollerasacorecomponentofthecontrolmodule,theinfraredsensortodetecttheexistenceofhumanbody,usingopticaldetectioncircuitcomposedofenvironmentalphotosensitiveresistancestrength;accordingtothecondition,reasonable,throughidentificationanddeterminetheexistenceofsignalsandenvironmentallightsignalstothehumanbody,theclassroomlightingintelligentcontrol,toavoidtheuseofwasteelectricclassroom.Thesystemalsohasalarmfunction;atthesametimealsoadoptedthehardware/software"watchdog"anti-interferencemeasures.

Keywords:

PyroelectricInfraredBodySensor;STC89C51Single-chipMicrocomputer;PhotosensitiveResistance

1引言

1.1教室灯光控制的现状及发展趋势

随着社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平的不断提高，导致用电负荷的加剧，能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。

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。

同时各类大、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，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，提高教室用电效率就成为首要考虑的问题，因此需要对电灯能耗进行智能控制。

所谓智能控制是指利用现代通信技术、自动控制技术、总线技术、信号检测技术和微电子技术对室内照明进行有效控制，使灯光可以根据环境的变化的来满足客观实际要求而自动进行灯光照明的调节。

目前对电灯的智能控制国外已经开始广泛采用，产品的种类有总线类、电力载波类、无线类产品。

总线类产品：

历史悠久、国际标准、产品高档、性能可靠，但是功能复杂、价格高、需要专业技术支持。

电力载波类产品：

希望通过借助于电力载波免于产品的大规模布线，这类产品目前是国内主流产品且价格低廉，接近国人现有消费水准可以大规模简单安装，但是，没有统一的技术认证标准，厂家各自为政，产品的可靠性难以保证，容易发生电磁串扰。

无线类产品：

这类产品是目前发展速度是最快的，它解决了复杂的系统配置及安装问题，只要普通电工就可以安装。

这类产品最致命的问题是集群安装使用时所产生交调干扰致使系统的通讯可靠性下降。

于是，开发简便实用的教室灯光智能控制系统具有重要的现实意义。

1.2本设计的研究内容

本设计是基于单片机控制的教室灯光智能控制系统。

适用于学校商场等大型室内场所的照明智能控制，可以有效地对教室照明灯具进行智能控制，减少电能浪费，提高资源利用率。

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。

通过STC89C51单片机和各个感应模块，实现对教室灯光的智能控制。

主要功能有两种。

利用环境光采集电路，判断光线强弱，设置灯的开关状态。

当教室有人进入时，判断红外线的强弱，控制灯的亮暗。

本设计具有制作简单、成本低、操作性强等特点，具有广泛的现实意义。

该设计也是对我大学所学东西的综合运用，增强了我的动手和提出问题，分析问题，解决问题的能力，可以巩固自己的专业知识，为工作和学习打下坚实的基础。

1.3本文完成主要任务

本课题的研究任务有如下几点：

灯光控制系统数据采集的研究。

教室内人数监测方案的研究。

热释红外传感器与环境光信号采集与处理。

2教室灯光智能控制系统的总体设计

根据设计方案分析，本系统由STC89C51单片机控制器，环境光采集电路，热释红外传感器电路，按键电路，看门狗模块，显示电路，复位电路，时钟电路，电源几部分组成。

其中环境光采集电路测量教室光照强弱，热释红外传感器模块检测教室是否有人及人数的多少，显示电路显示温度值，时钟电路为单片机提供时钟频率，电源为整个电路供电。

系统结构图如图2-1：

图2-1系统控制单元结构框图

2.1单片机的选择

为了更好实现本设计的预定目标，我们对单片机进行了仔细的对比和研究。

方案一：

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS型8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。

其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间短。

写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护我们的劳动成果。

再者，AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。

AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。

只要程序长度小于8K，四个I/O口全部提供给用户。

可用5V电压编程，而且擦写时间仅需10ms。

AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。

P0口是三态双向口，统称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。

方案二：

STC89C51系列单片机的指令系统和AT89C51系列的完全兼容，但实际操作起来却存在很多问题：

⑴AT89C51不带ISP下载，要用下载器下载，STC89C51可以用USB串口下载，下载软件可以到STC89C51厂家网上下载。

⑵STC89C51单片机执行指令的速度很快，大约是AT89C51的3-30倍，尽管快是好事，但这样一来，你在AT89C51上好使的程序在STC89C51上不一定好用，最典型的例子就是那些对时序有严格要求的模块，用STC89C51时注意得加长延时，大约是AT89C51的10—30倍就差不多。

⑶STC89C51单片机对工作环境的要求比较低，电压低于5伏时仍然正常工作，甚至3伏到4伏之间都还可以工作，然而这样的环境下AT89C51肯定不行了，所以当一个系统用STC89C51单片机能正常工作，但用AT89C51的单片机不工作时，直接检查最小系统，看单片机的供电是否正常。

比较这两种方案，我们选择采用STC89C51系列芯片，因为此芯片对环境要求不严格，执行速度快。

而且学校也提供了相应的硬件操作平台，实际操作起来比较方便，故采用STC89C51芯片为更合理的选择。

2.2感应器的选择

方案一：

感应人体采用被动式红外传感技术，利用红外光敏器件将活动生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号，并进行放大处理。

它能可靠的将运动着的生物体和飘落的物体加以区别。

同时它还具有监控范围大，隐蔽性好，抗干扰能力强和误报率低等特点。

被动式红外入侵报警器又称热释电红外入侵报警器，由光学系统，红外传感器和信息处理三部分组成。

目前与红外传感器配套的光学系统有三种，即反射式、透射式和折射式。

其中反射式光学系统的灵敏度最高，其探测距离可达25～60m；透射式的灵敏度最低，探测距离为2～10m；折射式居中，兼有反射式和透射式的优、缺点。

方案二：

感应人体采用主动式红外探测器，由红外发射机、红外接收机组成。

分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。

红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束。

接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动信号。

比较这两种方案，主动式红外探测器由于光束较窄，收发端安装要牢固可靠，不应受地面震动影响，而发生位移引起错误，光学系统要保持清洁，注意维护保养。

因为主动式探测器所探测的是点到点，而不是一个面的范围。

其特点是探测可靠性非常高。

但若对一个空间进行检测，则需有多个主动式探测器，价格昂贵。

主动式探测器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。

本设计适合采用被动式红外传感器。

经过多方面考虑采用红外人体感应器模块，因为此模块具有监控范围大，隐蔽性好，抗干扰能力强的特点。

3系统硬件电路设计

系统控制器主要是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较强时，无论是否有人体存在，都不开灯；在环境光较弱时，有人存在且超过一定时间时，系统控制器自动打开电灯，人离开后延时一定时间后再自动关灯。

系统控制单元是以单片机主控模块为核心，其它外围电路主要包括：

系统供电模块、环境光采集模块、热释红外传感器模块及继电器驱动模块。

单片机作为主控芯片，热释红外传感模块识别人体，光敏电阻识别光线，LM393电压比较器将光敏芯片处理给单片机，继电器控制负载灯。

设计可以应用在教室，图书馆等一些公共场所，当光线暗并且有人时，继电器会吸合，从而驱动任何负载，智能延时，当没有人时灯不会亮，从而实现节能、智能的效果。

3.1主控模块设计

3.1.1系统主控电路

STC89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上。

使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。

STC89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

单片机最小系统是单片机工作的最基本电路，接好最小系统对于做实物来说极其重要。

3.1.2单片机的引脚功能

⑴VCC（40）：

电源+5V。

⑵VSS（20）：

接地，也就是GND。

⑶XTL1（19）和XTL2（18）：

振荡电路。

单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号。

⑷PSEN（29）：

片外ROM选通信号，低电平有效。

⑸ALE/PROG（30）：

地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。

⑹RST/VPD（9）：

复位信号输入端/备用电源输入端。

⑺EA/VPP（31）：

内/外部ROM选择端。

⑻P0口（39-32）：

双向I/O口。

⑼P1口（1-8）：

准双向通用I/O口。

⑽P2口（21-28）：

准双向I/O口。

3.2单片机的最小系统

STC89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：

一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。

在单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振），就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。

图中电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值在5-30pF，典型值为30pF。

晶振的振荡频率范围在1.2-12MHz间选择，典型值为12MHz和11.0592MHz。

当在STC89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。

只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。

时钟频率用6MHZ时电容取22uF，电阻取1KΩ。

除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。

本设计就是用的按键手动复位。

按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。

其中电平复位是通过RST端经过电阻与电源Vcc接通而实现的。

最小应用系统图如图3-1所示：

图3-1单片机最小系统

3.3环境光采集模块设计

光电传感器是一种能够将光照转换成电量的传感器。

光敏电阻体积小、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。

3.3.1光敏电阻介绍

光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。

这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。

这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。

光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。

为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案，光敏电阻结构如图3-2所示：

图3-2光敏电阻结构图

光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器。

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。

光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4-0.76）um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。

本设计利用光敏阻值的变化与电阻进行分压，得到的电压值给LM393进行电压比较，通过10k可调电阻可以实现光线限值的调节。

感应光线是否过弱，将信号给单片机处理。

3.3.2LM393电压比较器介绍

LM393主要特点如下：

⑴工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：

2～36V，双电源：

±1～±18V；

⑵消耗电流小，Icc=0.8mA；

⑶输入失调电压小，VIO=±2mV；

⑷共模输入电压范围宽，Vic=0～Vcc-1.5V；

⑸输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；

⑹输出可以用开路集电极连接“或”门。

采用双列直插8脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8脚塑料封装（SOP8）。

LM393引脚图及内部框图如图3-3所示：

图3-3LM393内部结构图

LM393是高增益,宽频带器件,像大多数比较器一样,如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合,则很容易产生振荡。

这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时,输出电压过渡的间隙。

电源加旁路滤波并不能解决这个问题,标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的。

减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号,增加很小的正反馈量（滞回1.0-10mV）,不会产生由于寄生电容引起的振荡。

除非利用滞后,否则直接插入IC，并在引脚上加上电阻，引起输入—输出在很短的转换周期内振荡。

如果输入信号是脉冲波形,并且上升和下降时间相当快,则滞后将不需要。

比较器的所有没有用的引脚必须接地。

LM393偏置网络确立的静态电流与电源电压范围无关。

通常电源不需要加旁路电容，差分输入电压可以大于Vcc，并不损坏器件。

LM393的输出部分是集电极开路,发射极接地的NPN输出晶体管,可以为集电极输出提供或Oring功能。

输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上,不受Vcc端电压值的限制。

当达到极限电流（16mA）时,输出晶体管将退出并且输出电压将很快上升。

本设计利用光敏阻值的变化与电阻进行分压，得到的电压值给LM393进行电压比较，通过10k可调电阻可以实现光线限值的调节。

感应光线是否过弱，将信号给单片机处理。

如图3-4所示：

图3-4光敏模块电路图

3.4热释红外感应模块

热释红外感应模块用来检测教室内是否有红外线，判断教室内是否有人。

通过判断教室内红外线的强弱，判断教室中人数，从而控制教室内的光照强度，是数据采集的核心模块之一。

本系统采用的热释红外传感器主要采用热释红外传感器的原理，它是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、自动照明等场合，及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。

其原因为：

①被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；②大气对2-2.61Lm，3-51Lm，8-141Lm三个特定光吸收甚少，非常容易被检测；③中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。

人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性如下：

人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的红外线进行工作。

人体发射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热释红外传感信号。

⑴这种探头是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对特定波长的红外辐射非常敏感。

⑵为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射面覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。

人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电源，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，使其产生的释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。

一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被人体存在传感器的热释电元件接收，但是两片热释电元件接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而输出有人体存在的信号。

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。

有人进入时，移动人体发出的红外线被红外传感器接收，则人体存在被感应，并输出高电平。

若人体进入最不敏感移动方向时，则人体传感器所体现的信号就会不理想，有时还会产生误动作，所以要特别注意人体传感器的安装方向。

热释红外传感器HP-208是深圳市浩博特电子有限公司研发和生产的基于红外线技术的智能产品，它的主要特性如下：

⑴感应为全自动方式，人进入感应范围时输出高电平（高3.3V），人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平（低0.3V），其高低电平利于采集；

⑵采用可重复触发方式。

即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时8秒-15秒后将高电平变为低电平；

⑶人体传感器工作电压宽为DC3V-DC24V；

⑷人体传感器制作成锥面形状，感应范围大，小于140度锥角，感应距离为7米以内；

⑸其静态电流小于50微安，功耗低；

⑹工作温度介于-15°和+700°之间，适应性强；

⑺灵敏度高，可靠性强。

人体传感器的1号引脚为电源信号端，3号引脚为地信号端，2号引脚为采集信号输出端。

在电路设计中，为了使人体传感器的工作更加可靠，增加一个三极管驱动人体存在传感器输出信号的可靠性，同时可以驱动一个LED充当指示作用。

其电路原理图如图3-5所示：

图3-5人体传感器电路图

当教室有人员出入时，人体发出的红外线被红外传感器接收，则人体存在被感应，并输出高电平。

当人员在教室移动到红外传感器探测盲区时，则人体传感器所体现的信号就会不理想，有时还会产生误动作，所以要特别注意人体传感器的安装方向。

3.5系统时钟电路

本系统采用美国DALLAS公司推出的具有充电能力的用于临时性存放数据的RAM寄存器的实时时钟芯片DS1302。

此芯片采用的是串行通信方式，还可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。

工作电压为2.5V-5.5V。

可为掉电保护电源提供可编程的充电功能的时钟芯片DS1302的引脚图如图3-6所示：

图2-9DS1302引脚

图3-6时钟芯片DS1302引脚图

其中Vcc2外接3.6V可充电的铿电池，为DS1302的备用电源。

Vcc1外接系统供电模块的输出稳定电压+5V，为DS1302的主电源。

DS1302由Vcc1和Vcc2两者中较大者供电。

系统正常运行时，Vcc1大于Vcc2，因此由Vcc1给DS1302供电，在主电源关闭的情况下，则由