基于单片机的楼宇灯控系统的设计Word文档下载推荐.doc

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1.1课题研究背景 3

1.2课题研究的目的与意义 3

1.3系统的主要研究内容及要求 4

2系统方案论证与硬件电路设计 4

2.1系统核心控制元件的类型与介绍 4

2.2红外对射检测模块电路设计 5

2.3强电控制模块电路设计 12

2.4按键控制模块电路设计 14

2.5时间及计数显示电路设计 15

3楼宇灯控系统的软件设计 19

4系统的抗干扰技术 19

5系统的仿真 20

5.1PROTEUS仿真介绍 20

5.2PROTEUS软件的组成及特点 20

5.3原理图绘制 21

5.4程序加载 21

5.5仿真分析 21

6结论 21

参考文献 22

致谢 23

附录 23

学生：

指导老师：

（）

本文介绍了基于AT89S52的室内灯光控制系统及其原理，提出了有效的节能控制方法。

该系统采用了当今比较成熟的传感技术和计算机控制技术，利用多参数来对学校教室室内照明进行控制。

系统设计包括硬件设计和软件设计两部分。

该照明控制系统是以AT89S52单片机为基础，实现了通信、控制与显示等功能。

文中详细地描述了电路的设计过程，包括：

键盘与数码管显示电路、人体信号采集电路、照明灯控制电路等。

对于软件设计主要有灯光控制、定时控制、键盘扫描与数码管显示等程序设计。

灯光控制系统；

AT89S52;

单片机；

节能；

信号采集电路

DesignofBuildingLightChargeSystemBasedonMCU

Students:

Tutor:

（）

Abstract:

:

ThepaperintroducestheindoorlightcontrolsystemanditsprinciplebasedonAT89S52,thenitputsforwardsomeeffectiveenergysavingcontrolmethod.Thissystemhasusedsomematuresensortechnologyandcomputercontroltechnology,anditusesparameterstocontroltheschoolclassroomindoorlighting.

Systemdesignincludeshardwaredesignandsoftwaredesign.Thelightingcontrolsystem,basedonsingle-chipAT89S52,hasrealizedthefunctionofcommunication,controlanddisplay.Thepapermainlydescriptsthecircuitdesignprocessincludingdigitaldisplayandkeyboardcircuit,signaltubeacquisitioncircuitandcontrolcircuitfloodlightandetc.Thenthesoftwaredesignintroducessomeprogramdesignincludinglightcontrol,timing.keyboardscanwithdigitaldisplaytube.

Keywords:

lightingcontrolsystems;

SCM;

energy-saving;

signalacquisitioncircuit

1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；

即使室内无人或人很少的情况下，也是全部开启室内照明。

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

长明灯比比皆是，人走不熄灯的现象到处存在。

这种有形和无形的浪费，给校方的支出带来了沉重的负担，学校的水电支出约占全校经费的1/4-1/5,电费支出占据较重比例。

其中主要能耗浪费较大的是：

教室照明和空调的使用。

而教室照明的浪费源自于长明灯、白天亮灯、不合理使用照明灯以及就灯管的不及时更换。

能源短缺时21世纪国际面临的新课题，在寻找新的能源之外，节约能源，提高效益也就成为了我们研究的课题，所以学校如何来节省电力能源也成为了一个迫切需要解决的问题。

从节约资源、对社会贡献、节省高校经费支出和学生的健康等多方面考虑，高校教师照明的节电问题不得不提到重要的议事日程上来。

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，单片机的应用已经渗透到社会经济、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。

他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AT89S52的室内灯光控制系统的研究和开发。

本系统是以单片机微控制器的核心。

系统通过人体信号采集电脑对人体信号采集和光信号采集电脑对光信号采集以及相应的处理并输入给单片机，单片机对输入信号判断并输出信号来控制学校教师室内灯光的开关和亮度。

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，国内大多智能输建筑存在效率低、耗能高的现象。

就智能建筑的照明系统来说，许多地方的等经常是从早到晚开着的，不管这间房或是楼道是否有人，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，当自然光的照度不能满足人的需求时，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，将更注重能源的节省和使用上的便利，以及满足人类工程学个性方面的要求。

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这也意识到了智能照明的重要性。

相对商业楼宇而言，大学校园里德大功率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

⑴良好的节能效果和延长灯具寿命

节能是照明控制系统最大的优势，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。

⑵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。

合理的选用光源、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，自动调节光度。

⑶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，也派出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。

⑷较好的投资效益效果

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%。

1.3系统的主要研究内容及要求

系统设计主要包括硬件和软件两大部分，根据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。

硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试、，以达到设计要求。

硬件电路的设计采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标注化、模块化。

硬件电路的设计最重要的选择用于控制的单片机，并确定与之配套的外围芯片，时所设计的系统既经济性又高性能。

硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。

软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；

然后进行具体的设计，包括各模块的流程图，选择合适的汇编语言和工具，进行代码设计等，最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。

软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用51系列单片机。

本系统软件设计采用模块化系统设计方法，现编各个功能模块子程序，然后进行组合与调整，达到设计功能要求。

2系统方案论证与硬件电路设计

2.1系统核心控制元件的类型与介绍

AT89S52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。

AT89S52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes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位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89S52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

图1单片机

Fig1SCM

　　AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89S52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

AT89S52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

　　·

兼容MCS51指令系统·

8k可反复擦写（>

1000次）FlashROM

32个双向I/O口·

256x8bit内部RAM

3个16位可编程定时/计数器中断·

时钟频率0-24MHz

2个串行中断·

可编程UART串行通道

2个外部中断源·

共6个中断源

2个读写中断口线·

3级加密位

低功耗空闲和掉电模式·

软件设置睡眠和唤醒功能

2.2红外对射检测模块电路设计

人体信号检测有两种方案，第一种是采用热释电红外传感器，第二种是采用红外对管。

热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。

它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。

由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。

热释电效应所产生的电荷ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出。

当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；

若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器只能检测人体或者动物的活动。

而控制教室里的灯的点亮与熄灭要精确的检测到具体的人数。

故第一种方案被淘汰。

发光元件的种类很多,依光谱大致可分为红外线发光元件及可见光的发光元

图2热释电红外传感器检测电路

Fig2Pyroelectricinfraredsensordetectioncircuit

第二种方案是采用红外对管来控制，在本设计中，所要介绍的红外线发光元件，是以砷化镓（GaAs）的红外线发光二极管（也称红外线发射二极管）为主体，分别叙述其基本特性及应用电路。

⑴基本特性

①电流—电压特性

红外线发光二极管其电气的电路符号及特性曲线，如图1所示。

阳极（P极）电压加正，阴极（N极）电压加负，此时二极管所加之电压为正向电压，同时亦产生正向电流，提供了红外线发光二极管发射出光束的能量，其发光的条件与一般的发光二极管（LED）一样，只是红外线为不可见光。

一般而言砷化镓的红外线发光二极体约须1V，而镓质的红色发光二极管切入电压约须1.8V；

绿色发光二极管切入电压约须2.0V左右。

当加入之电压超过切入电压之后，电流便急速上升，而周围温度对二极管的切入电压影响亦很大，当温度较高时，将使其切入电压数值降低，反之，切入电压降低。

红外线发光二极管工作在反向电压时，只有微小的漏电流，但反向电压超过崩溃电压时，便立即产生大量的电流，将使元件烧毁，一般红外线二极管反向耐压之值约为3~6v,在使用时尽量避免有此一情形发生。

图3.2红外线发光二极管的特性

图3二极管伏安特性曲线

Fig3Amperecharacteristicsofdiode

②损失

红外线发光二极管的热损失，是因元件所外加的电压VF，产生的电流IF累积而来的，除了一小部份能量做为光的发射外，大部份形成热能而散发，所散发的热能即所谓的损失。

元件的功率损耗，在最大值的60％以下范围内,元件使用上会很安全，功率的损其最大值与周围温度亦有关系。

⑵发射束电流特性

一般可见光的发光二极管其输出光的强度是以光度表示之，而不可见光如红外

线发光二极管其输出光的能量大小，是以发射束Fe表示，其单位为瓦特。

发射束的

意义是单位时间内，所能发射、搬移光的能量的多寡。

红外线发光二极管的发射束大体上也是随电流比例而定，如图2所示，为发射束

与正向电流的特性曲线。

同时，发射束亦受周围温度影响，温度下降时，发射束反

而增强；

温度上升时，则下降（正向电流一般都有一固定值），然而因热损失之故，

元件上的温度便形增加，如此发光效率就会受到影响而降低。

图4红外线发光二极管的输出特性曲线

Fig4Infraredlight-emittingdiodeoutputcharacteristiccurve

⑶发光频谱

发光二极管所发射的光波长，常因其所用的材料而异。

图6所表示是各种发光

二极管的发光频谱。

砷化镓的红外线发光二极管，其峰值发光波长为940~950nm，

而人不能看到的光波长，大概就在900nm以上，这也就是红外线的光我们人眼所

不能看到的原因。

图中虚线部分，是Si质光电晶体的相对分光感度，光电晶体的

感光范围很大，其范围由500nm到1100nm，而其感光峰值约在800nm左右，所以

光电晶体除了平常用来做可见光线侦测外，也常用来做红外线接收器。

但使用光电

晶体当红外线接收器时，须注意其它光线的干扰，为排除干扰可以在接收器的放大

部份加入一带通滤波器，以让红外线发光二极管发射出来光线的频率通过，如此可以减少很多不必要的干扰。

图5发光二极管的发光频谱

Fig5Spectrumlightemittingdiode

⑷方向特性

红外线发光二极管的发射强度因发射方向而异。

方向的特性如图3.2.5.图的发射强

度是以最大值为基准，方向角度即为发射强度的相对值。

当方向角度为零度时，其

放射强度定义为100％，当方向角度越大时，其放射强度相对的减少，发射强度如由

光轴取其方向角度一半时，其值即为峰值的一半，此角度称为方向半值角，此角度

越小即代表元件之指向性越灵敏。

一般使用红外线发光二极管均附有透镜，使其指

向性更灵敏，而图3.2.5（a）的曲线就是附有透镜的情况，方向半值角大约在±

7°

。

另外每一种编号的红外线发光二极管其幅射角度亦有所不同，图3.2.5（b）所示之曲线为另

一种编号之元件，方向半值角大约在±

50°

.

图6发光元件的方向特性

Fig6Theorientationcharacteristicsoflightemittingdevices

⑸距离特性

红外线发光二极管的幅射强度，依光轴上的距离而变，亦随受光元件的不同而

变。

图5是受光元件的入射光量变化和距离的特性。

基本上光量度是随距离的平方

成反比，且和受光元件特性不同有关。

图7相对发射输出与距离特性

Fig7Outputanddistancecharacteristicsoftherelativeemission

⑹响应特性

响应特性所指的是，红外线发光二极管加入电流后，至发光的时间，一般红外

线发光二极管的响应时间是随其制作方法不同而异。

现在最快的是液体成长型红外

线发光二极管，其响应速度约在1~3uS，亦即在适当调节下，其使用频率约在300KHz

以下。

⑺包装与外型

红外线发光二极管的包装种类分为三种，透镜消除型、陶瓷型及树脂分子型，其包装构造，如图6所示，若在使用环境上，用途上要求严格的话，应使用陶瓷型的最佳。

红外线发光二极管的外型，如图所示：

图8红外发光二极管

Fig8InfraredLEDs

红外对射探测器全名叫“光束遮断式感应器”（PhotoelectricBeamDetector），其基本的构造包括瞄准孔、光束强度指示灯、球面镜片、LED指示灯等。

其侦测原理乃是利用红外线经LED红外光发射二极体,再经光学镜面做聚焦处理使光线传至很远距离,由受光器接受。

当光线被遮断时就会发出一个信号。

红外线是一种不可见光，而且会扩散，投射出去会形成圆锥体光束。

如下图所示：

图9红外检测电路

Fig9Infrareddetectioncircuit

由于考虑到教室的人数不稳定，有进有出，采用一对红外对管不能满足功能的要求，所以本电路采用四对红外对射管，在教室的前后门各装两对，通过人体遮挡一次红外线就计数一次的原理，用来统计教室的人数，当人体先经过第一对红外对管再过第二对红外对管时，计数器加一，反之，减一，当计数显示为零时，单片机会发出一个信号给光电耦合模块，来控制可控硅，从而控制教室的灯，此时教室的灯全部熄灭。

2.3强电控制模块电路设计

由于涉及到对强电的控制，有两种方案可以选择。

方案一：

用继电器实现隔离。

本方案虽然可以很好地实现强电与弱电的隔离，但是由于教室是学习的地方，保持安静最重要，而继电器在断开和吸合的时候会发出噪音，是一种不和谐因素，于是我们不采用这种方案。

方案二：

利用单片机控制光耦，光耦控制可控硅来实现隔离，光耦是一种常用于电气隔离的电子元器件。

由于光耦可以通过的电流很小，为毫安级，不能直接控制强电的通断，所以我们要利用它控制可控硅，有可控硅控制强电，可控硅是一种广泛用于控制强电的电子元器件，它具有制作方法简单，耐压高，电流大的特点。

本方案和方案一相比最大的有点是无噪音，很适合教室里使用。

故我选用方案二。

电路图如下：

图10强电控制电路

Fig10Inthecontrolcircuitpower

在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。

图11可控硅电路

Fig11SCRcircuit

可控硅是可控硅整流元件的简称,是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件,一般由两晶闸管反向连接而成.它的功用不仅是整流，还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。

可控硅和其它半导体器件一样，其有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。

它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件。

2.4按键控制模块电路设计

本电路共采用5个按键，SB1为复位按钮，PIN9为RESET复位信号引脚，图1为典型的复位电路。

当89S52通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统复位，程序计数器PC指向0000H，P0==P3输出口全部为高电平，对战指针SP为07H，其他专用寄存器被清“0”.RESET由高电平下降为低电平，程序从0000H地址开始执行。

值得注意的是：

一是初始复位不改变RAM的状态。

二是复位脉冲至