基于单片机的教室灯光控制系统的设计设计.docx
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基于单片机的教室灯光控制系统的设计设计
基于单片机的教室灯光控制系统的设计设计
四川理工学院毕业设计
基于单片机的教室灯光控制系统的设计
学生：
学号：
专业：
生物医学工程
班级：
指导教师：
四川理工学院自动化与电子信息学院
二O一三年六月
基于单片机的教室灯光控制系统的设计
摘要：
本文详细研究了大学教室的使用特点和照明需求及存在的问题，提出了一种基于单片机的教室灯光控制系统。
该系统以AT89S51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，采用光敏三极管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。
该系统可以满足各类院校对教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能目的。
关键词：
单片机；智能控制；热释红外传感器；X5045
DesignofLightingControlSystemBasedonMCU
Abstract：
Thispapercopiouslystudiedusingfeatures,lightingrequirementsandtheexistingproblemsoftheuniversityclassroom,atlastakindoflightingcontrolsystembasedonmcuofclassroomwasputforward.ThesystemusedAT89S51microcontrollerasacorecomponentofthecontrolmodule.Itintroducedpyroelectricinfraredsensortodetecttheexistenceofhumanbody,andusedcircuitwhichconstitutedofphotosensitivetriodetodetectthestrengthofenvironmentlighting.Thenavaraccordingtotheresonableconditionsofturningonclassroomlightandtheidentificationofsignalaboutenvironmentallightingandexistingofhumanbody,achievedtheintelligentcontrolofclassroomlighting.Atlast,itavoidthewasteofelectricity.Italsohadalarmingfunction,atthesametimeanti-interferencemeasuressuchasthesoftware/hardware"watchdog"wasadopt.Thesystemcanmeetinstitutionrequirementsforclassroomlightingcontrol,largelyachievedthepurposeofenergysaving.
Keywords:
Microcontroller；Intelligentcontrol；Pyroelectricinfraredsensor；X5045
摘要Ⅰ
ABSTRACTⅡ
第1章引言1
1.1课题研究的目的与意义1
1.2采用智能照明控制系统的优势1
1.3智能照明控制系统的研究现状2
1.4本章小节3
第2章教室灯光控制器简介与方案分析4
2.1大学教室照明控制现状4
2.2教室灯光控制器简介4
2.3系统控制方案分析4
2.4本章小节5
第3章系统控制模块的硬件设计6
3.1系统控制模块的硬件构成6
3.2系统控制的主要硬件电路7
3.2.1系统主控电路7
3.2.2系统供电电路8
3.2.3系统复位电路9
3.2.4数据采集电路10
3.2.5系统时钟电路13
3.2.6继电器驱动电路15
3.2.7超时报警电路15
3.2.8按键控制电路16
3.3本章小节17
第4章控制模块软件设计18
4.1系统监控主程序模块18
4.1.1系统自检初始化18
4.1.2定时中断处理设计19
4.2数据采集模块20
4.2.1人体存在传感器的优缺点20
4.2.2数据采集软件的实现20
4.2.3人体存在传感器的抗干扰措施21
4.2.4人体存在传感器的安装要求21
4.3时钟模块22
4.3.1数据输入输出22
4.3.2时钟自检初始化23
4.3.3时钟程序设计25
4.4系统工作总流程26
4.5本章小节26
第5章系统调试运行及问题分析28
5.1单片机系统调试方法及步骤28
5.2主要问题分析30
第6章结束语31
致谢32
参考文献33
附录34
第1章引言
1.1课题研究的目的与意义
能源问题和环境问题一直是人类社会面对的重大问题，特别是到了二十一世纪，对降低能耗和保护环境的要求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。
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的重要能源问题之一。
据报道，用于照明的能源消耗占整个办公大楼能源消耗的20％~60％[1]，这部分能耗的多少很大程度上取决于照明的控制效果。
在现代建筑的楼宇自动化系统中，照明控制也是其中一个重要分支。
现代建筑对照明的要求很高，除了应该满足为建筑内人们在工作、学习、生活时对视觉环境的要求以外，还应该利用照明设备的不同类型及光线的变换为人们提供一个舒适、有美感的办公、学习和生活环境，此外，还应该提高能源的利用率，实现节能的目的[2]。
而传统的照明系统由于其管理落后、能源浪费、舒适性差、布线复杂以及灯具寿命短[3]的缺点，己不能满足人们的这种需求，所以研究新型照明控制系统，对减少这部分能源消耗、减少环境污染，同时更好的满足人们对照明质量的要求，都有极其重要的意义。
新型的照明控制系统主要指综合了照明、自动化控制、计算机技术、电力电子技术和网络技术等的智能照明控制系统。
最根本的是通过充分利用自然光来减少人工照明带来的能源消耗[4][5]。
1.2采用智能照明控制系统的优势
传统的照明控制系统主要是由照明配电箱通过手动开关实现控制照明灯具通断的目的，或在照明回路中串入接触器，实现远距离控制[6]，在灯具的开关控制上采用手动开关，所以很大程度上依赖于人的主动性。
而智能照明控制系统根据某一区域的功能、每天不同的时间、室外光亮度或该区域的用途来自动控制照明。
它能充分利用自然光，实现照明管理智能化。
具体来说其优越性主要表现在以下几个方面：
（1）提高照明控制的智能化程度，使整个照明系统出现全自动状态，可以根据不同场合在不同时段中不同的情景需求，预先设定合适的照明效果，更加智能化和人性化。
（2）减低电能消耗，有良好的节电效果，充分利用自然光作为光源，以人工光为补充，并结合室内的人员情况，只有在必需时才开启照明灯具，节能效果十分显著，一般可以达到30％左右[7]。
（3）改善室内工作环境，提高室内人员的工作效率。
（4）提高建筑物的照明系统管理水平，将传统的人为开关控制转换为智能化的管理，将大大减少大楼的运行、维护和管理的费用。
总之，研究新型照明控制器及系统，对于节约照明用电，减少环境污染，满足人民群众日益增长的对照明质量、照明环境和减少环境污染的需要，建立优质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境的照明系统有着极其重要的意义。
1.3智能照明控制系统的研究现状
目前国内几种常见的照明控制系统有以下几种：
l、Dynalite智能照明控制系统
该系统主要由调光模块、开关模块、控制面板、液晶显示触摸屏、智能传感器、编程插口、时钟管理器、手持式编程器和PC监控机等部件组成。
采用DyNet网络连接，DyNet是一个分布式智能化网络，使用RS-485通讯协议[8]。
系统的工作原理是：
控制模块由微处理器控制，所有控制部件均互连在DyNet网络上，网络上每一个装置内的存贮器均存有操作所需的全部指令。
用户利用控制面板按键选择一个预置场景是一种最简单的控制方式。
每个调光器可以预置96个场景。
利用时钟控制器也是一种常见的照明控制方式。
另一常用设备是通用传感器，其由动静控测远红外跟踪、光度检测光电管和用于遥控的接收器组成。
2、C-Bus智能照明控制系统
C-Bus系统是1994年由澳大利亚奇胜电气公司开发的，现已广泛用于很多国家和地区。
C-Bus系统是一个二线制的总线型式的智能控制系统，主要用于对照明系统的控制。
也可用于消防等系统中的联动控制，系统所有的单元器件（除电源外）均内置微处理器和存储单元，由一对信号线（双绞线）连接成网络。
每个单元均设置唯一的单元地址并用软件设定其功能，通过输出单元控制各回路负载。
输入单元通过群组地址和输出组件建立对应联系。
当有输入时，输入单元将其转变为C-Bus信号在C-Bus系统总线上广播，所有的输出单元接收并做出判断，控制相应回路输出。
控制方式包括场景控制、定时控制、红外线传感器控制、就地控制、集中开
关控制和集中调光控制、群组组合控制、系统联动及广域控制。
3、ABBi-busEIB智能安装系统
EIB智能系统由总线、总线电源、智能传感器（光线传感器、模糊开关、时间控制器、移动传感器）、智能开关驱动器和其他智能元件（逻辑模块总线耦合器）构成[9]。
它是典型的现场总线系统，每个元件就是一个节点，这些节点连接在一根2芯双绞线介质的总线上，不分主从隶属关系实现相互之间的通讯从而实现控制和被控制。
1.4本章小节
我国对教室灯光的智能控制尤为缺乏和不完善，依然是传统式的人工管理。
各类大、中专院校不断扩招，教室也不断扩建，教室的用电负荷就不断加大，教室用电管理不善，造成学校电能浪费，这种的浪费与当今的节约能源理念相违背。
再者，现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，灯光的管理也在朝着自动化、智能化方向发展。
于是，开发简便、实用的教室灯光自动控制系统便具有重要的现实意义。
第2章教室灯光控制器简介与方案分析
2.1大学教室照明控制现状
分析大学教室的用途，白天以上课为主，照明光源以自然光为主，人工照明为辅，用以补偿在阴天或有遮挡时教室里照度不足的区域；中午及晚上以学生自习为主，少数教室也用来上课，不管是上课或是自习，为了保护视力和提高学习效率，学生们均需要有良好的照明环境，但这些对照明环境的要求也造成一个直接后果，出现资源的浪费问题。
所以，需要在保证教室照明要求的前提下，研究照明节能问题。
要实现照明节能主要有两种方法：
一种是选用高效照明光源或灯具，如节能灯。
在保证照明质量的前提下，降低照明用电量的根本措施就在于提高照明设备的效率，即提高光源与灯具的效率；另一种是在现有照明灯具的基础上研究智能照明控制策略，即在充分研究照明对象的需求上，通过优化照明系统的运行来达到节能的效果[10]。
在照明灯具方面，大学教室多采用荧光灯，采用直接照明的方式，比较满足现有的需求，所以本课题着重论述后面一种方法，改进照明控制策略和运行方式。
2.2教室灯光控制器简介
教室灯光控制器可实现有效的教室灯光智能控制。
其输入参数主要是人体存在信号和环境光信号等的外界因素，环境光的强度达到一定值时不开灯，环境光强度在一定阀值以下且有人存在时开灯，理论和实验证明用这种方式来对教室灯进行智能控制可以实现上述目标。
教室灯光控制器一般安装在教室内避开电灯直射的位置，且人体传感器安置时应使人体活动方向与人体传感器中两个热释电元连线方向垂直，这样可使人体存在信号采集更加灵敏、可靠，同时还要尽可能避免外界风直接吹向人体传感器。
2.3系统控制方案分析
该控制器以自然光强度和人体存在作为控制器的主要输入参数，能够实现自动与手动控制相兼容。
首先，系统默认为自动控制，当按键模块感应到有键按下时，系统改为强制控制。
然后，在自动控制模式下：
当自然环境光较强光线足够时，无论人是否存在，都不开灯；在自然环境光较弱时，有人存在且超过一定时间，控制器自动打开电灯，直到人离开后再延时一定时间后关灯。
同时，还可设置作息时间来控制，夜晚超过10点，若还有人存在，则关闭自动控制器的运行，改用开关来手动控制，以解决因特殊情况下，自动控制器的不人性化运行。
该教室灯光控制器主要是由硬件和软件两大部分组成。
硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。
而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到设计目的。
2.4本章小节
整个系统的设计要求主要有手动和自动控制的选择，时间的控制及信息的采集。
本章对信息的采集进行了简单的分析，信息来源主要有教室里自然光的强度和人的存在与否，并且采集信息的电路及其他各电路需要抗干扰能力强，防止误动作；安装、操作简单，维护方便；总体成本低这些特点。
第3章系统控制模块的硬件设计
考虑到本系统所安装的环境影响因素比较多，且教室控制设备中的人体存在传感器、光敏三极管等经常会因环境情形变化而不稳定，所以在设计过程中，电子元器件的选用、线路布置和设备的安放要充分考虑到抗干扰问题。
3.1系统控制模块的硬件构成
系统控制单元是以AT89S51单片机主控模块为核心，其它外围电路主要包括：
环境光采集电路、时钟模块、人体存在传感器模块、看门狗模块、按键电路、EEPROM存储模块、超时报警模块、继电器驱动模块，其结构框图如图3-1所示。
图3-1
图3-1系统控制单元结构图
环境光模块采用光敏三极管来检测环境光的强度，有光照时，电阻减小，随着光照强度的减弱，电阻逐渐增大，把光信号转化成电信号，实现对光强度的检测。
人体存在传感器模块采用HP-208是基于红外线技术的智能产品，实现对人体存在的检测。
硬件时钟模块采用具有充电能力的低功耗，具有临时性存放数据的RAM寄存器的实时时钟芯片DS1302。
该电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛的使用。
系统数据存储及故障保护部分由X5045组成，X5045是一种串行通讯的512字节EEPROM，同时兼有看门狗和电源监控功能键盘模块。
3.2系统控制的主要硬件电路
3.2.1系统主控电路
本课题是基于单片机的系统设计，所以针对单片机做了AT89S51与AT89C51的比较与选择如下：
1.程序存储器写入方式：
二者的写入程序的方式不同，AT89C51只支持并行写入，同时需要VPP烧写高压。
AT89S51则支持ISP在线可编程写入技术、串行写入、速度更快、稳定性更好，烧写电压也仅仅需要4～5V即可。
2.电源范围：
AT89S51电源范围宽达4～5.5V，而AT89C51系列在低于4.8V和高于5.3V的时候则无法正常工作。
3.工作频率：
目前AT89S51的性能远高于AT89C51,AT89S51支持最高高达33MHz的工作频率，而AT89C51工作频率范围最高只支持到24MHz。
4.市场价格：
由于AT89C51已经全面停产,所以在市场价格方面，库存的AT89C51的批发价格要比AT89S51贵将近一倍.
5.兼容型：
89S5*向下兼容89C5*，就是说用AT89S51可以替代AT89C51使用，同样的程序，运行结果相同。
6.加密功能：
AT89S51为全新的加密算法，这使得对于AT89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。
7.抗干扰性：
内部集成看门狗计时器，不再需要像AT89C51那样外接看门狗计时器单元电路。
8.烧写寿命更长：
AT89S51标称的1000次，实际最少是1000次～10000次，这样更有利初学者反复烧写，减低学习成本。
综合上面的几点区别比较，了解到AT89S51是一种低功耗，8位CMOS工艺处理器，具有8K在线可编程Flash存储器的单片机。
其优势在于片内的Flash可多次编程，为在线编程提供了方便；片内有128字节的RAM，4KB的EEPROM，由于合理的安排使用片内RAM空间，所以没有片外扩展的RAM，使电路结构变得简洁。
因此，个人认为本课题基于单片机的教室灯光控制系统的设计更适合选用AT89S51单片机作为本系统模块的主控芯片，
该芯片的主要特征见如表3-1所示：
表3-1AT89S51主要特征
AT89S51引脚
外围器件引脚
说明
P1.0
X5045SI
X5045串行输入端
P1.1
X5045SCK
X5045串行时钟端
P1.2
X5045CS
X5045片选端
P1.3
X5045S0
X5045串行输出端
P1.4
工作状态指示灯
P1.5
DS1302CLK
DS1302时钟线
P1.6
DS1302I/O
DS1302数据线
P1.7
DS1302RST
DS1302复位线
P3.0-P3.1
数据采集输入端
P3.3
人体存在传感器输出信号端
P3.4
超时报警信号输入端
P3.7
光敏三极管输入信号端
（1）40（Vcc）20（GND）脚间的电压应有5V。
（2）18、19脚分别与20脚间有1.7―2.5V电压。
（3）9（RST）脚与GND间电压基本为0。
（4）31（EA）脚与20（GND）脚间电压为5V。
3.2.2系统供电电路
系统采用+5V电压供电。
本设计采用输出电压为9V的变压器。
系统接通220V交流电源后，将220V交流电变压到9V，经过二极管全波整流、电解电容C1，C2滤波，再经正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用了电容C3，C4，最后得到+5V的直流电压，用于给控制系统中单片机系统及其它外围电路的Vcc端供电。
系统供电原理如图3-2所示。
图3-2供电原理图
3.2.3系统复位电路
系统复位电路的作用是使系统得到充分复位，实现稳定可靠的工作。
在单片机工作过程中，不可避免的会由于外界的干扰而产生程序跑飞、死机甚至造成整机瘫痪等情况。
为了能够及时恢复单片机的工作，只能采用重新复位的方法，因此还应该在硬件设计中使用看门狗电路，这样在单片机发生死机的情况下，看门狗将产生一个复位信号给单片机，使单片机复位，重新执行程序。
由于此次系统设计同时需要看门狗和EEPROM，所以本设计中使用芯片X5045。
X5045具有三种常用的功能：
看门狗定时器、复位控制和EEPROM[11]。
这三种功能是集成在单个8引脚封装的CMOS器件内，将电源监控和看门狗功能以及高速三线非易失性存储器组合在一起，从而在很大程度上降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求，X5045的引脚排列如图3-3。
图3-3X5045的引脚图
看门狗定时器的预置时间是通过X5045的状态寄存器的相应位来设定的。
如表3-2状态寄存器所示，X5045状态寄存器共有6位。
其中WD1、WD0和看门狗电路有关，其余位和EEPROM的工作设置有关。
表3-2状态寄存器
7
6
5
4
3
2
1
0
0
0
WD1
WD0
BL1
BL0
WEL
WIP
WD1=0，WD0=0，预置时间为1.4S，
WD1=0，WD0=1，预置时间为0.6S，
WD1=1，WD0=0，预置时间为0.2S，
WD1=1，WD0=1，禁止看门狗工作。
看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。
X5045硬件部分连接如图3-4。
图3-4系统看门狗电路
系统看门狗电路由系统数据存储及故障保护部分组成，X5045是一种串行通信512字节的EEPROM，同时兼有看门狗和电源监控功能，X5045有三种可编程看门狗周期，上电和Vcc低于检测门限时，输出复位信号，X5045输出复位高电平有效，为了复位更加可靠，其复位输出端外接一个10K的上拉电阻，并与AT89S51的复位端相连。
看门狗能在电源上电、掉电期间产生一个复位信号。
该芯片还带有一个1.4s的看门狗定时器可用来监控单片机的工作。
如果在1.4s内未检测到其工作，出现故障，内部定时器将使看门狗WD1处于低电平状态，为系统提供保护，避免死机、程序跑飞或进入死循环等意外的发生。
3.2.4数据采集电路
针对本课题数据的采集，首先分析此次研究设计的背景是在校园教学楼的教室里，主要采集的参数有教室的环境光强度和人体存在与否。
常见的环境光强度采集器件主要有光敏二极管和光敏三极管，考虑抗干扰的需要，选用灵敏度较高的光敏三极管。
此外，人体存在传感器要求灵敏度高，可靠性强。
本系统采用逻辑电平输出的HP-208型号的人体传感器。
一、环境光采集电路
光电传感器是一种能够将光转换成电量的传感器。
采用的光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转变成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。
再无光照时三极管的穿透电流很小，为暗电流。
有光照时，穿透电流增大，成为光电流。
光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。
因此光敏三极管灵敏度高，而且体积小、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。
环境光采集电路原理图如图3-5所示。
当教室内自然光光照强度高于一定程度时（即设定参数），则光敏三极管D6呈现低阻状态即小于1KΩ，三极管Q8的基极电压将增大，使三极管Q8饱和导通，就会使三极管Q8集电极输出低电平，不参与工作。
当办公场所室内自然光光照强度小于一定程度时（即设定参数），则光敏三极管D6呈现高阻状态大于100KΩ，使三极管Q8截止，Q8的集电极输出高电平，参与电路工作。
其中可变电阻R9是作为调节室内环境光光照强弱灵敏度参数的器件，其阻值的大小，将会是三极管Q8在不同的室内环境光照强度参数下导通，而R10、C9组成的电路是防止外界干扰而设计的，具有防干扰的作用。
图3-5环境光采集电路图
二、人体存在传感器的工作原理
自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线，利用红外线传感器可对其进行检测。
根据工作原理，红外传感器分为热型和量子型两类，热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器。
与量子型相比，热型的红外线波长范围较宽，价格便宜，并在常温下工作。
量子型与热型的相反，而且要求冷却条件。
本系统采用的是热释电红外传感器，人体存在传感器主要采用了红外传感器的原理，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三个被称为“大气窗口”的特定光通量的红外线吸收较少，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℃，所以会发出特定波长1
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