完整版基于51单片机的智能LED照明控制系统设计.docx

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完整版基于51单片机的智能LED照明控制系统设计

基于51单片机的智能LED照明控制系统设计

摘要

随着社会的发展人们对生活质量的要求越来越高，照明在能耗中所占的比例日益增加,因而照明节能也日显重要。

现在国内外普及使用的节能开关基本有声控型、触摸型、感光型等。

这几种开关各有自己的弊端，如声控型不适合环境嘈杂场所、感光型开关在无人期间不能自动关闭。

本设计通过AT89C51单片机结合LED照明技术、红外传感技术、光感技术、延时技术、处理等技术来实现对照明设备的智能控制。

单片机通过继电器控制照明设备的打开或者关闭、通过光照检测电路对照明设备周边亮度进行检测，如果亮度不够则单片机同时检测BIS0001芯片是否采集到了人体热释电传感信号，根据有无人体热释电传感信号单片机立刻控制照明设备打开或关闭。

关键词：

单片机；传感器；BIS0001；照明控制；节能

Abstract

Withthedevelopmentofsocietypeopleofthequalityoflifeindemandishigherandhigher,lightingintheproportionofenergyconsumption,thusincreasingilluminationenergyconservationalsomoreandmoreimportantly.Nowuniversaluseenergy-savingswitchathomeandabroadhavesonicbasictype,touchtype,photographictypeandsoon.Thisseveralswitchhavetheirowndisadvantages,suchassonictypeisnotsuitableforenvironmentalnoisyplaces,photographicswitchinoneperiodcan'tshutautomatically.ThisdesigncombinedbyAT89C51LEDlightingtechnology,infraredsensingtechnology,lightsensortechnology,thedelaytechniqueandprocessingtechnologytorealizetheintelligentcontroloflightingequipment.Microcomputercontrolslightingequipmentopenorclosed,bytherelay,throughthelightdetectioncircuitforlightingequipmenttesting,ifsurroundingbrightnessisnotenoughthenmicrocomputerdetecttheBIS0001chipwhethercollectedtohumanpyroelectricsensingsignals,accordingtowhetherhavepyroelectricsensingsignalsmicrocontrollerredirectedimmediatelycontrollightingequipmentopenorclosed.

Keywords:

microcontroller;sensor;BIS0001;lightingcontrol;energy-saving

前言

随着国民经济的快速发展和社会进步，教育在全社会愈加被关注和重视，校园规模也随着受教育者的数量增加而不断扩大，教室的数量也大幅度增加。

为使师生有舒适的教学和学习的环境，无论是教室的面积、设施和照度，校方在力所能及的范围内，都付出了十分的努力。

但由于学校开放型的管理模式，以及全员的节能意识的淡薄，高校的教室在白天室内照度很高的情况下，仍然普遍存在开灯作业；即使室内无人或人数很少的情况下，也是全部开启室内照明。

夜间许多教室，即使仅有几个学生在教室自习，但室内照明全部开启，绝不会有师生因为只有少数人而仅开几盏灯。

LED被认为是21世纪的照明光源。

LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10％，荧光灯的50％。

LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。

用LED替代白炽灯或荧光灯，环保无污染。

使用安全可靠，便于维护。

我国照明用电占总发电量的12％。

目前，公共建筑的照明灯具控制大多采用手动开关，经常出现没有及时开关的现象，从而造成大量的能源浪费和使用上的不便。

另外，不必要的使用，也会缩短灯具的使用寿命。

本文阐述了一套LED智能照明控制系统设计方案，可以根据工作环境中是否有人员和环境补光亮度等来自动控制照明的开关和亮度。

采用本系统具有提高用电效率，节约电能和缓解了用电高峰的电力供应压力双重作用。

单片机的出现至今已经有30多年的历史了。

微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机（单片微型计算机）的应用已经渗透到广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且也深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，并掀起了一场数字化技术革命。

单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。

因此一块芯片就构成了一台计算机。

它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。

本篇论文介绍了就是基于单片机AT89C51的室内灯光控制系统的研究和开发。

本系统是以单片机为控制器的核心，本系统主要由光照检测电路、热释电红外线传感器及处理电路、单片机系统及控制电路组成。

工作时，光照检测电路和热释电红外线传感器采集光照强弱、室人是否有人等信息送到单片机，单片机根据这些信息通过控制电路对LED照明设备进行开关操作，从而实现照明控制，以达到节能的目的。

1概述

1.1课题研究背景

随着计算机网络、通信、控制等技术的发展,智能建筑的发展越来越迅猛。

目前，国内大多数智能建筑存在效率低、能耗高的现象。

就智能建筑的照明系统来说，许多地方的灯经常是从早到晚开着的，不管这些房间或楼道是否有人，也不管有多少人。

或者，当自然光照度很好时，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，不仅造成能源的浪费，而且不能满足人对照明的基本需求，同时也给人的视力造成了很大的影响。

现代照明除了满足人的基本生活、学习要求之外，将更注重能量的节省和使用上的便利，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。

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智能化照明系统已经成为必不可少了。

而在大学校园的建设热潮中，各大高校和他们的建设者也意识到了智能照明的重要性。

相对商业楼宇而言，大学校园里的大功率动力和制冷设备比重较少，照明灯具则相对比重更多，所以控制教室照明是节能的关键。

使用照明控制系统，更能体现其在节能与管理方面的优势，提高学校的科学管理水平，而且还能节省开支。

1.2课题研究的目的与意义

1.2.1良好的节能效果和延长灯具寿命

节能是照明控制系统的最大优势。

传统的楼宇公共区域照明工作模式，只能是白天关灯，晚上开灯。

而采用了智能照明控制系统后，可以根据不同场合、不同的人流量，进行时间段、工作模式的细分，把不必要的照明关掉，在需要时自动开启。

同时，系统还能充分利用自然光，自动调节室内照度。

控制系统实现了不同工作场合的多种照明工作模式，在保证必要照明的同时，有效减少了灯具的工作时间，节省了不必要的能源开支，也延长了灯具的寿命。

1.2.2改善工作环境，提高工作效率

良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。

合理地选用光源、灯具及性能优越的照明控制系统，都能提高照明质量。

智能照明控制系统具有开关和调光两种控制方法，可以有效地控制各种照明场所的平均照度值，从而提高照度均匀性。

同时，系统能根据不同的时间段，人们的不同需要，自动调节照度。

1.2.3提高管理水平

智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。

在一般的情况下，不需要有人的参与，照明系统自动实现开关和调光功能，既大大减少了管理人员的数量，也排除了由于人为因素而出现的不定时开关，影响学校的正常教学、生活秩序的情况。

1.2.4较好的投资收益效果

智能照明控制系统在节能和节省灯具使用的同时，有效节省了电费与管理费用的支出。

根据一般的办公大楼运营的经验来看，节能效果能达到40％以上，一般的商场、酒店、地铁站等节能效果也能达到25％～30％。

2系统设计方案

2.1单片机的选择

方案一、MCS-51单片机

AT89C51是MSC-51单片机中应用最广泛的型号，现在以其为代表介绍其参数。

AT89C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。

如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。

它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。

但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。

其内部结构主要有以下几部分：

⏹微处理器该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。

⏹数据存储器片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。

⏹程序存储器由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。

⏹中断系统具有5个中断源，2级中断优先权。

⏹定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。

⏹串行口1个全双工的串行口，具有四种工作方式。

可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。

⏹4个并行8位I/O口分别为P1口、P2口、P3口、P4口

⏹特殊功能寄存器共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。

实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。

方案二、AVR单片机

1997年,由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术,共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。

相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片机。

由于采用了高性能的MCU,省掉了大量的外围器件,如外扩RAM、ROM存储器等,使硬件结构大大简化,提高了系统的可靠性。

⏹它与其它结构类型单片机相比，AVR具有以下一系列的优点：

⏹在相同的系统时钟下AVR运行速度最快；

⏹芯片内部的Flash、EEPROM、SRAM容量较大；

⏹所有型号的Flash、EEPROM都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写（ISP）；

⏹多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，零外围电路也可以工作；

⏹每个IO口都可以以推挽驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强；

⏹内部资源丰富，一般都集成AD、DA模数器、PWM、SPI、USART、TWI、

通信口、丰富的中断源等。

方案分析：

除了以上几种单片机，市场上还有好的其它结构单片机。

如果实现本系统，基本上上述三种类型的单片机都可以实现。

考虑到MCS-51单片机具有较强的代表性以及该系列单片机资料较多，本设计采用AT89C51来实现。

2.2光照检测方式

方案一、采用光敏二极管或三极管等光传感器件把环境亮度转换成相应的数字电平，然后直接接入单片机IO引脚。

方案二、采用光敏电阻把环境亮度转换成相应的电压值（模拟值），然后通过运放后给单片机输入一个标准的数字信号。

由于光敏电阻属于纯阻性器件，所以采用方案一。

2.3人体感应方式

方案一、采用红外对管进行检测。

红外发送管和红外接收管分别安装在通道两侧。

当某一时刻红外接收管如果接收不到信号表示两者之间有遮挡物通过，可以视为有人体进入。

方案二、采用集成电路BIS0001，该芯片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就可构成被动式的热释电红外开关、报警用人体热释电传感器等。

它能自动快速开启各类白炽灯、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、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。

由于方案一要求红外发送管和接收管必须相对才行，而且两者距离有限，实现起来较为不便，所以本设计采用方案二。

2.4延时参数设置电路

方案一、采用NE555做延时定时器，单片机以脉冲方式触发该定时器。

方案二、采用单片机内部定时器定时。

通过读取外部参数，单片机实现不同时间的定时。

由于此方案简单可靠且节约成本，本系统采用这种方案。

2.5照明设备驱动电路

方案一、采用可控硅控制。

可控硅又称晶闸管，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件。

其具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。

方案二、采用继电器控制。

继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。

其具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。

广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。

根据结构不同，可以将其分为电磁继电器、热敏干簧继电器、固态继电器、磁簧继电器、光继电器等型号。

由于电磁继电器简单易用，开关状态极其容易判断，所以本设计采用电磁继电器来控制。

3硬件电路设计与实现

3.1系统硬件总述

系统以单片微型计算机为核心外加多种接口电路组成，共有六个主要部分：

AT89C51芯片、光信号采集电路、人体信号采集电路、延时选择电路、输出控制电路、时间显示电路，如图3-1所示。

图3-1系统硬件总述图

3.2CPU性能介绍

本系统采用了ATMEL公司MCS-51系列单片机中的AT89C51芯片，它是低压高性能CMOS8位微处理器，带有4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15个I／O口线，两个16位定时／计数器，—个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口。

3.3主控制机电路设计

主控制器采用AT89C51单片机作为微处理器，AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），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。

主控制器系统的外围接口电路由信号处理电路、LED显示及控制电路、时间显示电路等几部分组成。

主控制器系统的硬件电路原理图如图3-2所示。

图3-2系统硬件电路图

为了使系统功能更加完善，在该系统中可以增加时间显示电路，用于显示当前的时间。

由于该部分硬件与软件均已成熟，在此不做详细介绍。

3.4菲涅尔透镜

菲涅尔透镜作用有两个：

一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域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。

当人进入感应范围，人体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离A区或中距离B区或近距离C区的某个段的同心环上，同心环与红外线探头有一个适当的焦距，红外光正好被探头接收，探头将光信号变成电信号送入电子电路驱动负载工作。

整个接收人体红外光的方式也被称为被动式红外活动目标探测器。

镜片主要有三种颜色：

一、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易变形。

二、白色主要用于适配外壳颜色。

三、黑色用于防强光干扰。

镜片还可以结合产品外观注色，使产品整体更美观。

每一种镜片有一型号（以年号+系列号命名），镜片主要参数：

一、外观描述——外观形状（长、方、圆）、尺寸（直径）。

以毫米为单位。

二、探测范围——指镜片能探测的有效距离（米）和角度。

三、焦距——指镜片与探头窗口的距离，精确度以毫米的小数点为单位。

长形和方形镜片要呈弧形以焦距为单位对准探头窗口。

镜片与探头的配合应用——我们常用的是双源式探头，揭开滤光玻璃片，其内部有两点对7—14um的红外波长特别敏感的TO—5材料连接着场效管。

静态情况下空间存在红外光线，由于双源式探头采用互补技术，不会产生电信号输出。

动态情况下，人体经过探头先后被A源或被B源感应，SaSb产生差值，双源失去互补平衡作用而很敏感地产生信号输出，见图3-3。

当人对着探头呈垂直状态运动，Sa=Sb不产生差值，双源很难产生信号输出。

因此，探测器安装的位置与人行走方向呈平行为宜。

3.5热释电传感器及处理电路

3.5.1热释电红外线传感器

热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号。

热释电传感器具有成本低、不需要用红外线或电磁波等发射源、灵敏度高、可流动安装等特点。

实际使用时，在热释电传感器前需安装菲涅尔透镜，这样可大大提高接收灵敏度，增加检测距离及范围。

实验证明，热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜，则其检测距离仅为2m左右；而配上菲涅尔透镜后，其检测距离可增加到10m以上。

由于热释电传感器输出的信号变化缓慢、幅值小（小于1mV），不能直接作为照明系统的控制信号，因此传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路，使得传感器输出信号的不规则波形转变成适合于单片机处理的数字信号。

根据以上要求，人体热释电检测电路组成框图如图3-4所示。

图3-4人体热释电检测电路组成框图

3.5.2信号处理电路

本设计采用BIS0001来完成对热释电传感器输出信号的处理。

它配以热释电红外传感器和少量外接元器件就可构成被动式的热释电红外开关、报警用人体热释电传感器等。

它能自动快速开启各类白炽灯、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、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。

它主要由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成。

BIS0001的引脚图如图

图3-5BIS0001的引脚图

由BIS0001构成的信号处理电路如图3-6所示。

图3-6BIS0001的热释电红外开关应用电路图

图3-6中，运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器，输出信号Vo经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载。

R3为光敏电阻，用来检测环境照度。

当作为照明控制时，若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。

SW1是工作方式选择开关，当SW1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。

输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，值为Tx≈24576xR9C7；触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，值为Ti≈24xR10C6。

3.6光照检测电路

如图3-2所示，当外界环境光照强时，光敏电阻R13阻值较小，则A点电平较低；当外界环境光照弱时，光敏电阻R13阻值较大，则A点电平较高，将此电平送到单片机，由程序控制是否实现照明。

3.7控制电路

3.7.1延时时间选择电路

系统在AT89C52的P1中设置了延时时间选择电路，其目的是在环境光照较弱时，照明设备延时一段时间后自动熄灭。

电路通过P1．0～P1．3设置4个延时时间，当P1．0～P3．0无开关闭合时，系统按初始值进行延时；当P1．0～P1．3有开关闭合时，程序从P1．3～P1．0进行检测，若检测到某一端口为低电平时，则系统按当前端口设置的值进行延时。

设置时间关系值如表1所示。

3.7.2输出控制电路

单片机对光照检测电路和传感器处理电路输出的信号进行检测，输出控制信号由单片机的P2．0输出。

在室内环境光照较强或光较弱但室内又无人时，P2．0输出高电平，此时三极管V1截止，继电器J1不工作，则接在220V上的照明设备不亮。

在室内光照较弱且传感器检测室内有人时，则P2．0输出低电平，此时三极管V1导通，继电器J1工作，则220V交流电通过继电器加到照明设备上，照明设备正常点亮。

3.8时钟电路

AT89C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。

AT89C51单片机的时钟产生方法有两种。

内部时钟方式和外部时钟方式。

本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。

本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。

振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。

电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值。

所以本设计中，振荡晶体选择6MHZ,电容选择30pF。

4系统软件设计及实现

4.1系统软件流程图

软件部分的主要任务是完成对光照检测电路和对热释电传感器信号处理电路的输出信号进行处理。

在光照较强时，系统继续对光照检测电路的输出状态进行检测。

光照较弱时，系统对信号处理电路的输出状态Vo进行检测。

若室内有人时Vo为高电平，系统控制照明设备点亮并按设定的时间进行延时。

在延时时间内再一次检测到有人时，则系统又按设定的时间进行延时；若在延时时间内检测到室内无人时，则系统控制照明设备熄灭并重新对信号处理电路的输出状态Vo进行检测。

基于上述分析，系统软件设计流程如图4-1所示。

图4-1系统软件流程图

4.2仿真环境介绍

4.2.1Keil介绍

随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil。

该软件是美国KeilSoftware公司出品的软件开发系统，其允许用户使用汇编或者C语言来开发MCS-51单片机（或与MSC-51指令兼容的其它单片机）的应用软件。

功能上，KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内