教室照明节能系统的设计毕业设计论文.docx

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教室照明节能系统的设计毕业设计论文

教室照明节能系统的设计

摘要

随着我国经济的快速增长，能源需求的大幅增加，能源供需矛盾突出，因此，对教学楼照明节能的研究有很大的潜力和现实意义。

既能节约能源，又能节约资本，是本设计的主要目的。

本系统以单片机为控制中心，兼用LCD显示教室内人数、系统时间、楼门开启时间和楼门关闭时间。

本系统分为自动模式和手动模式，自动模式是通过键盘设定楼门开启和关闭时间，根据作息时间、教室里的人数和光照情况自动控制教室灯的亮灭；手动模式是不考虑光照强度、人数和作息时间，人为地控制教室灯的亮灭。

同时，本系统还具有定时报警的功能，可以在楼门关闭时间快要到达时，提醒上自习的人赶快离开，从而符合照明节能这一要求。

本系统以89S52单片机为控制核心，由DYP-ME003进行人数统计，光线传感器检测教室内的光照强度，时钟芯片DS1302提供了系统的时钟和日期，键盘由五个按键组成，分别用于选择自动模式或手动模式，也用于校正时钟、日期和调整楼门开启时间、楼门关闭时间。

本系统电路结构简单，原理清晰，应用性比较强，性价比高，可扩展性比较强，可以被广泛应用于实际。

关键词：

单片机；照明节能；光照强度；人数统计

Designofclassroomlightingenergysavingsystem

Abstract

AsChina'srapideconomicgrowth,substantialincreaseinenergydemand,energysupplyanddemandcontradictionhighlights,sothatlightinginthebuildingforresearchhasgreatpotentialofenergy-savingandpracticalsignificance.Bothconservationofenergyandconservationofcapital,isthemainpurposeofthisdesign.Thissystembysingle-chipcomputercontrolcenter,andLCDshowsnumberofclassroom,systemtime,thedoorsopeningtimeandthedoorsclosingtime.Thesystemisdividedintoautomaticmodeandmanualmode,automaticmodethroughthekeyboardtosetthedoorsopeningandclosingtime,accordingtoschedule,thenumberofclassroomsandlightingcontrollamplightoutoftheclassroom;manualmodedoesnottakeintoaccountlightintensity,numberandtimetorelax,toartificiallycontrollamplightoutoftheclassroom.Atthesametime,thissystemalsofeaturestimingalarmfunction,canthedoorswhenclosingtimeisreached,remindedthepeoplegetoutofstudyhall,soastomeetthelightingrequirements.89S52microcontrollertocontrolthecoreofthesystem,statisticsbytheDYP-ME003,thelightsensortodetectlightintensitywithintheclassroom,providesthesystemclockanddateclockchipDS1302,keyboardismadeupoffivekeys,toselectautomaticmodeormanualmode,respectively,forcorrectionofclock,dateandalsoadjustthedooropeningtime,thedoorclosingtime.Circuitsofthesystemstructureissimple,theprincipleclearlyappliedstrong,cost-effectivescalability,strong,canbewidelyusedinactual.

Keywords:

Single-chipmicrocomputer;lightingenergy;lightintensity;demographics

1绪论

目前，高校教室照明系统存在严重电能资源浪费现象,在这种背景下对高校教室现有的能源资源调配管理系统进行技术升级改造研究就显得非常重要。

高校教学楼照明用电的管理一般有三种模式：

一是无专人管理，由学生自行控制开启与关闭；二是利用定时开关，根据作息时间开启和关闭整个教学楼的照明电源；三是由专人负责，即管理人员根据作息时间和天气情况分层送电。

教室作为高校教学的重要场所，一般采用开放式管理模式为主，学生基本上无固定的班级教室，无固定的座位；而楼宇管理人员仅负责卫生或保卫工作。

由于大多数人的节能意识淡薄，并且强光下人的眼睛对弱光不敏感，在自然光照大于灯具光照的情况下，难以察觉到灯光的存在，因此，造成了白天长明灯，晚上无人也开灯，人少灯全开的浪费现象，这在高校司空见惯。

一个教室的长明灯，看起来耗能不大，但从整个学校来看，整个社会来看，却是一个不小的数字，这是一种极大的浪费。

造成电能浪费的现象除了节能意识薄弱之外，另一个重要的原因就是节能的硬件设施跟不上。

据统计，我国照明用电量已占总用量的10%~12%，因此提高电能利用效率，无疑将较大幅度降低能源消耗，有效缓解目前我国电力供应紧张的局面。

按照我国提出的“中国绿色照明工程”，照明节电已成为节能的重要方面。

目前的照明节能潜力很大，一般节能方案均能达到节约20%~35%，按保守的数量采取20%的计算，全国节约的电能价值可观，可想而知在国民经济中该有多大的作用。

虽然教室的照明负荷在整个学校用电负荷中所占的比重不算太大，但是由于它们的数量众多，使用时间最长，使得它们在整个学校用电量中所占的比重一直居高不下，因而造成的用电浪费也就十分惊人。

学校作为育人之地节能之意义并不仅仅局限在节能本身，更重要的在于还能够培养学生的节能意识。

教室照明作为大学校园里用电的主要方面，消耗了大量电能。

为此，从学校的实际情况和经济利益两方面的考虑，设计与实施教室照明节能控制系统。

在同时满足作息时间内、有人上自习、光照强度低三个条件下，自动开启电灯，如其中有一条件不满足，则不开启电灯。

此系统在充分保证教室照度的前提下，达到节能的目的。

1.1研究的意义和目的

根据不完全统计：

80%的教学楼存在着在白天光照良好的情况下教室灯具开启和在午休时间长明灯的现象。

教室照明耗电约占学校所有耗电的40%，由于一些同学缺乏节能意识，教室内经常出现人走不熄灯的情况，另外，教室光线充足时，也可能会出现忘记关灯的情况，这些都会浪费电能。

按照教室等公共区域的照明设计规范可知,教室照明功率密度通常按照10W/m2进行设,也就是说如果一个标准教室按照96㎡进行设计,则按照其照明系统从早晨8点到晚上9点正常运行13个小时,每个教室每个教学年度按160kw·h,整个学校共有210间教室进行计算,如果采用相关先进控制技术手段将其照明系统的节电能力提高30%,则全年大约可以节约电能资源2.28×105kw·h,如果按照单位电能0.5元进行计算,则全年可以节约电费额为12万元左右,而且上述估算分析中还没有考虑教室照明系统的线损、灯具使用寿命等因素，因此，对教室照明系统等进行节能技术升级改造，其所获得的经济效益十分可观，是学校教室建筑节能降耗研究的一个重要内容。

1.2课题的任务和要求

研究主要内容：

教室照明节能系统是根据作息时间、教室里的人数和光照情况自动控制教室灯的亮灭的系统，可以达到节省能源的目的。

本毕业设计要求设计一个教室照明节能系统。

该系统由传感器电路、键盘电路、显示电路、灯控制电路和报警电路组成，其特征为：

1）以MCS-52单片机为控制核心。

2）有自动模式和手动模式。

3）键盘电路用于设定作息时间和系统时间。

4）传感器电路用于检测教室的光线和教室的人数。

5）自动模式时教室开放时间光线暗教室有人自动开灯，无人时发出报警信号并自动关灯。

6）自动模式时晚上作息时间快到时先报警，延时10分钟后自动关灯，作息时间可以默认。

7）显示电路显示时间和教室人数。

1.3单片机的简介及在系统中的应用

单片机是一种集成电路芯片，典型的嵌入式微控制器，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中。

采用单片机控制使得仪器表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。

硬件特性：

1）主流单片机包括CPU、4KB容量的ROM、128B容量的RAM、2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。

2）系统结构简单，使用方便，实现模块化；

3）单片机可靠性高，可工作到10^6~10^7小时无故障；

4）处理功能强，速度快。

5）低电压，低功耗，便于生产便携式产品

6）控制功能强

7）环境适应能力强。

单片机对系统中的传感器电路、键盘电路和时钟电路等输出的信号进行集中地处理和执行，来控制显示电路、灯控制电路和报警电路等有序地运行。

1.4本文的内容安排

本文共5章，主要内容为教室照明节能系统的设计，各章内容如下：

第1章为绪论，主要介绍了教室照明节能系统的课题意义和目的、任务和要求及单片机的简介和在系统中的应用。

第2章为教室照明节能系统的总体方案设计，主要介绍了本设计的软件和硬件的总体设计。

第3章为教室照明节能系统的硬件设计，本部分详细介绍了各个电路的组成及工作过程。

第4章为教室照明节能系统的软件的软件设计，本部分对各个子程序进行了详细介绍。

第5章为系统的调试与分析，本部分主要介绍了软硬件的调试和联调过程。

2教室照明节能系统的总体方案设计

本课题是利用单片机的运算和控制功能设计了一个教室照明节能系统，实现了根据作息时间、教室里的人数以及光照情况自动控制教室内电灯的亮灭，达到节省能源的目的。

本章主要介绍了教室照明节能系统的方案论证和本系统所采用的软件方案以及硬件方案。

2.1总体方案设计

2.1.1人数统计传感器的介绍

人数统计传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2×1mm的探测元件。

在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。

由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。

为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70db以上，这样就可以测出10~20m范围内人的行动。

被动式热释电红外探头的工作原理及特性：

人体都有恒定的体温，一般在37°，所以会发出特定波长10μm左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。

人体发射的10μm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产生报警信号。

2.1.2光线传感器的介绍

光线传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。

光线传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。

光线传感器能感应光线的明暗变化，输出微弱的电信号，通过简单电子线路放大处理，可以控制灯具的自动开关。

2.1.3系统方案

根据设计任务要求，教室照明节能系统的原理框图如图2.1所示。

本系统选择单片机AT89S52作为控制核心，硬件部分将由单片机电路、传感器电路、键盘电路、显示电路、灯控制电路、报警电路和时钟电路七部分组成。

传感器电路中，人数的统计是通过DYP-ME003人体红外模块检测，室内的光照强度是通过光线传感器检测，检测到的信息转换成数字量传送给单片机电路和显示电路。

时钟电路中，由DS1302芯片提供系统所需的时钟和日期。

键盘电路中，由五个按键组成，分别用于选择自动/手动模式、调整系统时间和作息时间的累加/累减。

显示电路中，显示教室人数、时钟、日期、作息时间和自动/手动模式。

灯控制电路中，由电磁继电器和发光二极管组成，当同时符合在作息时间内、教室内有人和光照强度低这三个条件，发光二极管被点亮，否则，发光二极管不被点亮。

报警电路中，由蜂鸣器组成，当发光二极管点亮，在楼门关闭时间的提前十分钟时，蜂鸣器开始长达一分钟的连续报警。

本系统综合考虑了教室有无人和光照强度以及作息时间等客观因素，对教室的照明系统进行节能控制。

图2.1系统框图

该方案电路结构简单，原理清晰，应用性比较强，性价比高，可扩展性比较强。

检测范围只受传感器的性能影响，可根据实际需要更换传感器型号来实现预期目的，实现了电路测量范围的可变性。

2.2教室照明节能系统的硬件设计

根据系统原理框图，可知本系统的硬件部分主要是由传感器电路、键盘电路、报警电路、时钟电路、灯控制电路、显示电路及单片机电路组成。

1）传感器电路：

包括2个传感器，人数统计传感器和光线传感器。

人数统计传感器用来检测进出教室内的人数，并将信息量传送给单片机进行数据统计。

光线传感器用来检测教室内的光照强度，传送给单片机，并和系统设置的光照强度进行比较。

2）键盘电路：

包括5个键盘，系统时间设置键、加1键、减1键、作息时间设置键和手动切换键。

当系统时间设置键按下时，按步骤进入系统时间的年、月、日、时、分和秒的设定。

当加1键按下时，进入系统时间或作息时间的累加。

当减1键按下时，进入系统时间或作息时间的累减。

当作息时间设置键按下时，按步骤进入楼门开启时间、楼门关闭时间的时、分的设定。

当手动切换键按下时，按1下，电灯会开启；再按1下，电灯会关闭。

3）报警电路：

用单片机来控制蜂鸣器。

当蜂鸣器报警时，将持续长达一分钟后停止报警。

4）时钟电路：

由时钟芯片DS1302组成，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿的功能。

5）灯控制电路：

人数统计传感器和光线传感器将输出的开关量信号传送给单片机，然后通过三极管控制继电器的吸合，从而来控制的电灯的熄灭。

6）显示电路:

采用1602LCD液晶显示器实现人数和时间显示。

1602LCD是指显示的内容为16×2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字），其中第一行用来显示教室的人数，第二行用来显示系统时间或作息时间。

7）单片机电路：

采用AT89S52单片机进行智能控制，是这个系统控制及数据处理的核心。

2.3教室照明节能系统的软件设计

硬件是基础，软件是灵魂。

通过软件控制单片机的功能是单片机的主要特点和优点，程序的设计要考虑合理性和可读性。

程序遵循模块化设计的原则，采用自顶向下的设计方法。

模块化设计使程序的可读性好、修改及完善方便。

软件设计语言选择的是C语言编程：

C语言是一种计算机程序设计语言，它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。

它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。

语言一共只有32个关键字，9种控制语句，程序书写形式自由，区分大小写。

把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。

C语言可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元。

由于C语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作，能够像汇编语言一样对位（bit）、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元，可用来写系统软件。

C语言描述问题比汇编语言迅速，工作量小、可读性好，易于调试、修改和移植，而代码质量与汇编语言相当。

本系统的程序由主程序和4个子程序组成。

其中子程序包括键盘识别程序、人数统计程序、时钟程序和显示程序等。

本系统软件总体流程图如图2.2所示。

上电后，系统软件开始运行，首先进入初始化程序，系统先调用显示程序，显示系统时间和作息时间，再调用键盘程序，检查时间是否需要校对；当系统时间在作息时间内，先进行自动/手动模式的选择，如果选择自动模式，则进一步对光照强度和室内人数进行检测，并将人数通过显示屏显示出来；如果光照强度低且室内有人，则自动开启电灯；如果晚上作息时间段内有人上自习，在提前楼门关闭时间的10分钟时，开始长达一分钟的连续报警，并在报警后的10分钟时自动关闭电灯；在手动模式下，可以不考虑光照强度、人数和作息时间，人为地控制电灯的亮灭。

图2.1系统软件流程图

3教室照明节能系统的硬件设计

教室照明节能系统的硬件部分主要是由传感器电路、键盘电路、显示电路、灯控制电路和报警电路组成。

3.1单片机电路

3.1.1AT89S52单片机的简介

AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

256字节RAM，一个6向量2级中断结构，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

主要性能：

●与MCS-51单片机产品兼容

●1000次擦写周期

●全静态操作：

0Hz~33Hz

●三级加密程序存储器

●32个可编程I/O口线

●三个16位定时器/计数器

●八个中断源

●全双工UART串行通道

●低功耗空闲和掉电模式

●掉电后中断可唤醒

●看门狗定时器

●双数据指针

●掉电标识符

其引脚图如图3.1所示。

图3.189S52单片机引脚图

本系统中的核心控制部分是89S52单片机，通过单片机对系统的传感器电路、键盘电路和时钟电路等输出的信号进行集中地处理和执行，来控制显示电路、灯控制电路和报警电路等有序地运行。

3.1.2单片机内部时钟电路

时钟是计算机的心脏，控制着计算机的工作节奏。

单片机内部有一个由高增益反相放大器组成的振荡器。

反相放大器输入端为XTAL1，输出端为XTAL2。

单片机的振荡方式有两种，即内部方式和外部时钟方式。

单片机的内部时钟如图3.2所示。

它是利用芯片内部反相器和电阻组成的振荡电路，在XTAL1和XTAL2引脚上跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，构成单片机的时钟电路。

晶振可以在1.2MHz～12MHz之间选用，电容C2、C3可以在20pF～100pF之间选择，它的主要作用是帮助振荡器起振，其值的大小对振荡器频率有微调作用。

本系统中的晶振选择为11.0592MHz,C2=33PF,C3=30PF。

AT89S52

XLAT1

XLAT2

C233PF

C330PF

图3.2单片机内部时钟电路图

3.1.3单片机复位电路

89S52的复位输入引脚RST（即RESET）为89S52提供了初始化的手段。

有了它可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的0000H地址单元开始执行程序。

在89S52的时钟电路工作后，只要在RST引脚上出现两个机器周期以上的高电平时，单片机内部则初始复位。

只要RST保持高电平，则89S52循环复位。

只有当RST由高电平变成低电平以后，89S52才从0000H地址开始执行程序。

本系统的复位电路是采用上电复位的电路，如图3.3所示。

上电时，刚接通电源，电容C相当于瞬间短路，高电平立即加到RST/VPD端，该高电平使89S52全机自动复位，这就是上电复位。

复位后，P0到P3并行I/O口全为高电平，其它寄存器全部清零，只有SBUF寄存器状态不确定。

各参数选择为：

C6=1

R23=10K

。

图3.3单片机复位电路

3.2时钟电路

在本系统中，时钟电路可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿的功能，工作电压为2.5V～5.5V。

采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。

DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。

DS1302存在主电源/后备电源双电源引脚，能够对后备电源进行涓细电流充电。

DS1302时钟芯片的SCLK、I/O、RST引脚分别与单片机的P3.5~P3.7引脚相连接，通过单片机集中处理采集信息，在1602LCD液晶屏上显示出来。

DS1302的引脚说明如表3.1所示，时钟电路图如图3.4所示。

表3.1DS1302的引脚说明

符号

说明

SCLK

时钟输入端，只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。

I/O

串行数据输入输出端（双向），微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高位D7必须为逻辑1，如果D7=0，则禁止写DS1302，即写保护；D6=0，指定时钟数据，D6=1，指定RAM数据；D5～D1指定输入或输出的特定寄存器；最低位LSB（D0）为逻辑0，指定写操作（输入），D0=1，指定读操作（输出）。

RST

复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。

RST输入有两种功能：

RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；RST提供终止单字节或多字节数据传送的方法。

VCC2

主电源

图3.4时钟电路图