教室照明自动控制器的设计学位论文Word下载.docx
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附录................................................................................................................................................33
第1章绪论
1.1课题的背景和意义
浪费一直是人类社会面对的重大问题，特别是到了二十一世纪，环保和可持续发展更成了国家长期发展的重中之重，我国也提出了“节能减排”的号召。
然而在众多的能源问题中，电能的短缺是束缚经济发展和人民生活改善的重要问题之一。
能源的充分利用与合理分配对我们国家的现状的改进有重要意义，从身边的小事做起，在照明灯的控制上采取智能化的控制，在保证照明强度的前提下，对于保护学生的视力和减少能源浪费方面有重要意义。
现在学校的教室照明灯存在管理落后，保护性差，布线复杂，能源浪费等问题。
现在的教室照明灯自动控制已经不能满足我们现在的生活学习需求。
因此设计一款新的教室照明灯控制器对教室照明、减少能源浪费、满足人们的日常生活需求等方面有及其深远的意义。
在本设计中，对教室的人员情况在不同时间不同光照条件下进行了调查，同时发现了在白天有个别教室仍然是出现了在光照条件充足的情况下开灯甚至教室无人的情况下开灯的现状，对能源造成了浪费。
本设计采用以单片机为主体的设计思路，通过单片机与各个模块之间的信息交流来实现对灯的亮灭控制。
1.2采用教室照明自动控制系统的优势
传统的教室照明灯都是通过人手来控制，无论我们怎么样的注意都会出现忘记关灯等现象，从而造成能源的浪费，这与国家倡导的节能减排大相庭径。
而该系统通过光照强度等来自动控制照明灯灯的开关，具体的优越性有以下几方面：
挺高了教室照明的智能化程度，解放了人手，使教室的智能化程度更高，更人性化。
减少了能源的浪费，通过具体的情况来确定灯的亮灭，从而有效的抑制了在白天光照充足的情况下仍然开灯的情况。
具有良好的节电效果。
解放了教室工作人员，提高了工作效率。
提高了教室的管理水平，教室照明由原来的手动控制变为智能化控制，减少了维护，巡查费用。
本论文旨在设计一个基于单片机技术的教室照明灯自动控制器。
通过各模块电路、控制电路及控制方法的设计与选择，软硬件的协同设计，最终实现了教室照明系统自动控制的目的，即在白天光照充足的情况下，教室无论有没有人照明灯都不开；
本设计以单片机为中心，通过红外模块，声响模块以及光敏模块的信号输入单片机，并通过单片机对继电器的控制来控制灯的亮灭。
红外模块对人体的红外信号进行监测并能输出高信号来判断是否有人，在此基础上配合光敏与声响模块对教室照明灯自动控制器进行了设计。
第二章教室照明自动控制器的总体设计分析
2.1学校教室自动控制的现状
学校的教室白天是同学们上课学习的地方，白天的光中情况一般充足，中午的人较少，晚上不管是上课还是上自习同学们都需要一个良好的光照条件，来保护眼睛与看清书本。
教室的灯具一般为荧光灯，能很好的满足光照条件，但是不可避免的出现白天开灯的情况，造成能源的浪费。
实现照明节能一般是通过两方面：
一方面是通过使用高效的灯具，如节能灯。
另一方面是通过控制系统的改进来实现智能化。
即通过优化照明系统来达到节能的效果。
2.2系统的整体设计方案
考虑教室的照明节能，改进照明系统的运行，主要应关注两个方面，合理利用自然光作为辅助光源和根据室内是否有人决定灯的开关，这样能够在保证照明质量的同时有效避免能源的浪费。
在自然光充足的情况下，因为照明亮度已经达到要求，所以无论教室是否有人都不开灯。
从而达到节能的效果，并且延长了灯管的寿命，减少了灯具的更换和维修费用。
针对教室主要用于学生上课和自习学习的特点，本论文提出一种智能化的控制器设计，其结构框图如图1所示
图1结构框图
第三章系统硬件设计
3.1单片机的介绍
本文选择的单片机为AT89S51，其引脚图如图3.1所示
图3.1AT89S51的引脚图
各引脚说明如下：
电源引脚
电源引脚介入单片机的工作电源。
VCC（40脚）：
接+5V电源（直流电源正端）。
VSS（20脚）：
接地（直流电源负端）。
时钟引脚
时钟引脚（18、19脚）：
XTAL1和XTAL2引脚，该单片机可以使用外部时钟也可以是使用内部时钟，当使用内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；
当使用外部时钟时，用于接外部时钟信号，如果是外部时钟由XTAL1引入，XTAL2X悬空。
XTAL1（18脚）：
接外部晶体的一个引脚。
在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。
当采用外部时钟是，对于HMOS单片机，此引脚接地：
对于CHOMS单片机，此引脚作为外部振荡器信号的输入端。
XTAL2（19脚）：
接外部晶体的另一端，在单片机内部接至反相放大器的输入端。
若采用外部时钟，对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端：
对于CHOMS单片机，该引脚悬空不接。
输入/输出引脚
输入/输出（I/O）接口引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。
①P0口：
为双向8位三态I/O接口。
在不接片外存储器或不扩展I/O接口时，可作为准双向输入/输出口；
在接有片外存储器或扩展I/O接口时，P0口地址总线低8位及数据总线分时复用口，一般作为扩展是地址/数据总线口使用。
②P1口：
为8位准双向I/O接口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入时，口锁存器必须置1）。
③P2口：
为8位准双向I/O接口，但作为I/O接口使用时，可直接连接外部I/O设备；
在皆有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256B时，P2口用做高8位地址总线，一般作为扩展时地址总线的高8位使用
④P3口：
P3口的每一条引脚都能够独立定义为第一功能的输入/输出或第二功能。
P3的第二功能如表3-1所示。
控制引脚
RST：
即为RESET,VPD为备用电源。
该引脚位单片机的上电复位或掉电保护端。
它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现两个机器周期以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，单片机就保持复位状态。
ALE/PROG：
地址锁存有效输出端。
ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。
在访问外部储存器时，ALE输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。
即使不访问外部存储器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡频率的1/6.但是，每当访问外部数据存储器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。
ALE端可以驱动8个TTL负载。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；
当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
31脚为片外程序储存区选用端。
表3-1P3口的第二种功能说明表
引脚号
第二功能
P3.0
RXD（串行输入）
P3.1
TXD（串行输出）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
3.2单片机与继电器的设计
本模块功能是根据单片机的输出信号控制照明设备工作。
此模块使用弱电控制强电，故需要电路电压的隔离，避免强电串入弱电，损坏单片机。
继电器具有动作快、工作可靠、安全性高，使用寿命长、体积小等优点，使用历史悠久。
在工业中，它广泛的使用于电力保护，开关控制等场合。
继电器可以直接隔离强电与弱电，无需另外附加光耦隔离电路。
单片机输出无法直接驱动继电器，可以对单片机输出的信号进行简单的放大，然后驱动继电器，控制照明设备工作。
继电器的低压控制端工作于低压直流，但对于AT89S51单片机的I/O口来说还是比较大的，所以我们通常使用图3.2来实现三极管开关实现单片机I/O与继电器的低压控制端接口。
图3.2单片机与继电器的连接图
继电器由衔铁、铁芯、触点簧片、线圈等组成的。
只要在线圈两端加电压，线圈中就会流过电流，从而产生电磁效应，继电器线圈只有两个头，加上额定电压后线圈流过额定电流，产生的电磁力就克服弹簧力，通过电磁机构使常开触点闭合、常闭触点断开。
通常只有接触器才分主触点和辅助触点。
继电器使用时通常就是把一般触点串联或者并联用在主回路和控制回路中，完成控制任务。
吸引衔铁的电磁力，克服弹簧的张力被吸引到铁芯，主触点与衔铁驱动的辅助触点（常开触点）吸合。
当线圈断电时，吸力消失，弹簧的反作用力将使衔铁返回到原来的位置，从而使可动触点与原来的静止触点（常闭触点）释放。
通过吸合、释放，从而达到电路的导通、断开的目的。
对于继电器的“常开，常闭”触点，它可以理解为继电器线圈不通电时处于断开状态的静触点称为“常开触点”;
在接通状态，静触点是“常闭触点”。
技术参数：
1额定工作电压是指在继电器线圈正常运行所需的电压。
根据继电器的型号有所不同，电磁继电器可以用交流电压，也可以是直流电压。
2直流电阻是指继电器线圈的直流电阻，由万用表测量。
3产生的最小电流是继电器通电吸合电流。
在正常使用中，电流必须稍大于一个给定的上拉电流，使继电器可以产生稳定的效果。
对于所施加的线圈电压，一般不超过1.5倍的额定电压，否则会产生较大的电流导致线圈烧毁。
4放电电流是继电器产生的最大脱扣动作时的电流。
继电器闭合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。
此时电流远小于上拉电流。
5触电切换电压和电流是继电器装置允许施加的电压和电流。
它决定了继电器控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。
继电器的选用：
1首先要了解的必要条件
①控制电路的电源电压，可提供的最大电流;
②所述控制电路的电压和电流;
③被控电路需要几组，什么样的形式的接触。
继电器的选择，一般控制电路的电源电压可以作为选择的依据。
应该给继电器控制电路提供足够的电流，否则继电器不稳定。
2获得相关数据，以确定使用条件，可以找到相关信息，确定需求和规格的继电器型号。
如果继电器已经在手，可以根据数据是否匹配。
最后确认大小是否适当。
3本论文主要用于一般电器所以主要考虑小型继电器电路板安装布局。
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
继电器的作用是
在电路中起着自动调节、安全保护、以弱控强，转换电路等作用。
继电器K1的控制端（4,5）有三极管Q1来驱动，只要单片机P0.7输出高电平则三极管Q1导通，继电器K1的控制端通过电流，电磁铁工作吸引衔铁，于是K1的接触端1,3导通，电灯L工作。
当P0.7为低电平时，三极管Q1截止，K1的控制端没有电流通过，电磁铁不工作，于是接触1,3断开，灯停止工作，可见继电器帮助单片机I/O口实现了低压5VDC控制高压220VAC的目的。
由于继电器K1的电磁铁有一定的电感，在断电瞬间可能会产生较大的反向电压对三极管Q1不利，因此在继电器K1控制端反接一个二极管D1用于放电。
3.3光敏模块的设计
光敏二极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优点。
光电管在一个真空的玻璃泡内装有两个电极，光电阴极和阳极。
光电阴极有的是贴附在玻璃泡内壁，有的是涂在半圆筒形的金属片上，阴极对光敏感的一面是向内的，在阴极前装有单根金属丝或环状的阳极，当阴极受到适当波长的光线照射时变发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，这样在光电内管就产生了电子流，在外电路中便产生了电流。
光敏二极管的结构与一般二极管相似，装在透明的玻璃外壳中，它的PN结装在管顶，可直接受到光照射，光电二极管在电路中一般是处于反向工作状态的。
在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，称为暗电流。
当光照射在PN结上，光子打在PN结附近时，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，使少数载流子的浓度大大增加，因此通过PN结的反向电流也随之增加。
如果入射光照度产生变化，光生电子-空穴对的浓度也相应变动，通过外电路的光电强度也随之变动。
可见，光敏二极管能将光信号转换为电信号输出。
照度为照射到表面一点处的面元上的光通量除以该面元的面积。
照度的符号为E（Ev）；
单位为勒克斯（流明／单位面积），符号为
其中，
——光通量，A——面积。
光通量的单位为“流明”。
光通量通常用Φ来表示，在理论上其单位相当于电学单位瓦特，因视觉对此尚与光色有关。
所以依标准光源及正常视力度量单位采用“流明”，符号：
lm。
1.光通量是每单位时间到达、离开或通过曲面的光能量。
2.光通量是灯泡发出亮光的比率。
流明（lm）是国际单位体系（SI）和美国单位体系（AS）的光通量单位。
如果将光作为穿越空间的粒子（即光子），那么到达曲面的光束的光通量与1秒钟时间间隔内撞击曲面的粒子数成一定比例。
光通量的物理表达式为：
式中：
K：
光敏度、感光度（类比：
胶卷的感光度）、人眼对于彩色的感知能力K=683.002lm/W。
K值使光通量的单位与辐射功率的单位得到统一。
λ：
波长，事实上人眼只对波长位于380nm~780nm的可见光有反应，习惯上我们把低于380nm的光波称为紫外线（Ultraviolet，简称UV），把高于780nm的光波称为红外线（Infrared，简称IR），这一点也反映在了视见函数V（λ）中。
V（λ）：
称为人眼相对光谱敏感度曲线，亦作视见函数曲线，是总结了众多针对人眼的测试经验而得到的，它描述了人眼对不同波长的光的反应强弱。
人眼对亮度的敏感程度与颜色有关，在整个可见光范围内并不是均匀的.可以用相对敏感函数曲线进行描述.
在环境明亮时，人眼对于波长X=555nm（环境黑暗时为507nm）的光线最为敏感,我们定义这时的相对视敏度Vs（555）=1.当X为其它值时，Vs（X）均小于1.如果对于某一波长X的单色光,其辐射功率为P（X）,相对视敏函数为Vs（X）,则可以定义光通量为Y（X）=P（X）*Vs（X）。
当P（X）以瓦为单位时，Y（X）的单位为光瓦.只有当X=555nm时,1瓦光辐射功率产生683lm（流明）的光通量。
光敏电阻使用光电导体制成的光电器件，又称光导管，它是基于半导体内光电效应工作的。
光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可见直流偏压，也可加交流电压。
光敏电阻的工作原理是当无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，因此电路中的电流迅速增加。
光敏电阻的管心是一块安装在绝缘衬底上的带有两个欧姆接触电极的光电导体。
半导体吸收光子而产生的光电效应，仅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，但深入厚度有限，因此光电导体一般都做成薄层。
为了获得很高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状，所以提高了光敏电阻的灵敏度。
光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体密封在带有玻璃的壳体中。
光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性，光谱响应从紫外区一直到红外区，而且体积小、重量轻、性能稳定。
常用的光敏三极管型号有：
3DU5C3DU313DU333DU1073DU303L14C1PT334等3DU系列为金属壳封装，顶端为玻璃透光窗，对880nm的光线灵敏度最高，常与红外发光二极管配套使用，具有灵敏度高，响应速度快的特点。
常用的红外发光二极管型号有：
GL3S2GLALN3035GLA等
3.3.1光敏元件的选择
LX1970，包含PIN型光电二极管，高增益放大器和两个互补电流输出端。
芯片特点：
PIN光电二极管光谱特性及灵敏度都与人的眼睛相似，可代替人眼感受亮度的明暗变化，并将接受的可见光装换成电流信号。
光电二极管阵列峰值响应波长为520mm电流灵敏度为0.38μA/lx,暗电流为10μA。
⑴LX1970非线性误差小，无需使用蓝光滤光片，即可以有效的衰减紫外光及红外光。
⑵两个互补输出端电流不对称仅为±
0.5％，可任选一段作为输出。
⑶微功耗，低压供电。
采用+2～+5.5V电源，电源电流低至85μA（典型值）工作温度范围是-40℃～+85℃，外型尺寸2.95mm×
3mm×
1mm，其结构如图3.3所示。
图3.3LX1970引脚图
51单片机的读写控制信号P3.6,P3.7分别与P2.7经过或非门连接到ADC0809的启动端START和输出允许端OE。
计算得ADC0809端口地址为7FFFH。
LX1970转换后的电压信号没有经过运算放大器放大，直接送A/D转换。
可采用延时的办法读取A/D变化的电压数量一般来说，ADC0809完成转换时间不超过200μs，如果需要及时读取数字量，可以将0809的EOC端经过反相器连接到51单片机外部中断0端口，ADC0809转换完成通过触发外部中断口在中断服务程序当中完成数据的读取和处理。
其连接图如图3.3.2所示。
图3.3.2光敏原件的连接图
ADC0809各脚功能如下：
D7-D0：
A/D转换器的数据输出端，该输出端具有三态特性，能与计算机总线相接。
IN0-IN7：
8位模拟量输入引脚。
VCC：
+5V工作电压。
GND：
地。
REF（+）：
参考电压正端。
REF（-）：
参考电压负端。
START：
A/D转换启动信号输入端。
ALE：
地址锁存允许信号输入端。
（以上两种信号用于启动A/D转换）
EOC：
转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。
OE：
输出允许控制端，用以打开三态
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