单片机控制的教室照明系统设计文档格式.docx
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1引言
现代公共环境中照明设备的大量增加，在满足人们需求的同时，用电量也大幅度增加。
高效的利用电能已成为节约能源的一种有效手段。
而单片机控制的系统已在工业、农业、电力、电子、教学楼宇等行业广泛应用。
作为嵌入式控制系统的主体与核心，微型计算机代替了传统控制系统的常规电子线路。
加上控制智能化的发展与成熟，使单片机控制的照明系统得到应用和普及。
1.1课题的背景及意义
随着高科技的飞速发展，经济的全球化，能源紧张以及燃烧煤炭等资源带来的社会和环境问题日益突出，党和国家对节能工作的重视度也在不断加强。
1993年1月，我国国家经贸委开始启动一项旨在节约电能、保护环境、改善照明质量的“中国绿色照明工程”，并于1996年正式列入国家计划。
2004年9月，由国家经委贸、联合国正式开发计划署、全球环境基金合作开展的“中国绿色照明促进项目”的正式启动，对于促进绿色照明产品在中国市场的推广应用，促进我国节能环保事业的发展具有重要意义。
绿色照明是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品，人为地创造良好的光照条件，使人舒适而高效地识别观察对象，保证身心健康，更好地投入学习、生活、工作。
而教室照明节能是利用现代先进电子技术手段检测室内光照度，在保证符合国际规定照度标准的基础上，充分利用自然光照明，通过合理地关闭或减少人工光源的使用，而达到节约电能，保护学生视力和健康的一种绿色照明。
学校作为培育高素质人才的摇篮，负担着教书育人的重要使命，提倡节约意识显得重大而深远。
节能工作，不但可以为学校省下一笔不菲的资金，而且更重要的是培养了学生的节约意识和认知，有利他们负担起应有的使命，成为建设“节约型社会”的主力军。
节能工作是一件功在当代，利在千秋的事。
1.2教室照明现状及存在问题
照明是影响学习、工作环境最重要的因素之一。
教室照明质量的好坏直接影响学生的视力健康和学习效率。
由于技术和经济的原因，我国的学校照明一直停留在比较落后的水平。
近十几年来，高等教育在全社会范围内备受关注和重视。
随着大中专院校的不断扩招，教室群的大幅度扩建，校园规模也随之扩大，教室照明的需求也越来越多。
这在一定程度上改善和提高了教室照明水平，但总体上我国学校照明依然停留在十分落后的状态：
教室照明设计、布置不合理，使用的灯具简陋、老化，使用光效低的光源，造成灯光频闪、照度低、均匀度低、存在眩光。
落后的教室照明质量影响着学生的视觉健康和学习效率。
此外由于高校开放型的管理模式，上课、自习教室以及座位的不固定性，学校照明管理往往不到位，加上学生节能意识淡薄，于是教室在白天室内光线很强的情况下，仍然普遍存在开灯作业；
夜晚许多教室，即使只有几个学生自习，但室内照明设施也全部开启；
“长明灯”、“无人亮灯”等现象到处存在，造成电能的巨大浪费和不必要的经济损失。
1.3设计的内容
本文设计的教室照明系统采用分布式智能控制，大体遵循“人在灯亮，人走灯关”的原则。
系统不再单一的依靠人体存在信号进行开关灯控制，而是根据时钟、照度、人员分布情况实现照明控制的自动化，增强了节能效果。
同时系统还增设了自动、手动相互兼容的灯光控制方式，使得控制效果更加灵活；
声光报警模块，预先延时报警通知关灯动作，使得管理更加人性化。
该教室照明系统简单实用，适用范围广，减少人工管理成本。
1.4本章小结
教室作为教学的重要场所，面对教室照明质量差且浪费严重这一现象，着眼大局，为保护学生视力、提高学习效率，创造一个健康舒适、高效节能的学习环境，提高和改善教室照明质量，优化照明控制系统势在必行。
在合理布局照明设备，充分保证教室照明的前提下，本文着重论述通过优化教室照明系统的运行来实现节能效果。
2教室照明系统的设计
系统设计主要包括硬件和软件两大部分。
依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。
2.1系统整体设计方案
本课题将时间、光照度和人员分布三大要素作为系统控制的依据。
为了进一步加强对节能的监管，使工作时间与非工作时间的界限具体化，设计时钟控制模块。
根据人体检测模块的探测范围和教室光照明暗分布情况，参照本校教学教室，将教室分成方形区域，每个区域灯具的位置（详见附录4表2-1）及数量如图2-1所示，并分别将包含红外信号模块和室内环境光模块安装在各区域的天花板上，通过单片机的智能控制，实现局部或整体开关灯，进一步增强节能效果。
根据任务要求，所设计的单片机控制的教室照明系统总结构框图如图2-2所示，并简要描述各部分功能。
系统设置两种控制方式：
自动控制、手动控制。
系统上电，通过扫描按键判断系统初始状态：
设定按键没有按下，进入自动控制模式；
设定按键按下，进入手动控制模式，等待按键释放。
当系统处于自动方式下运行时，由红外检测、环境光、时钟向单片机输入信号，经过逻辑先后判断，再由单片机输出信号控制LED状态。
当系统处于手动状态，通过拨动开关控制LED单独开启或关闭。
此外，系统还设置单刀双掷开关，以便在手动控制方式下，能避开自动系统的控制作用，增强系统工作的可靠性和灵活性。
人体检测——热释电扫描以判断静止、移动人体；
分区扫描、分区控制，有人才亮灯，无人继续扫描检测。
环境光控制——环境光亮度过低时受控亮灯，亮度足够时灭灯。
当热释电红外传感器没有检测到人体信号时，不管教室自然光强度如何，教室照明设备都不亮。
当教室单独某个区域有人体信号存在，且自然光强度弱时，则只开启该区域的照明设备。
当再有人来教室时他们完全可以选择亮灯的区域坐，若选择其他区域情况类似。
时钟控制——根据设定时间，使灯光在工作期间受控，非工作期间关闭。
当预设时间到达，系统延时发出报警信号，教室光源关掉，从而完成了对教室照明回路的智能控制，起到节约能源的作用。
2.2教室照明系统的硬件设计
教室照明系统的硬件设计采用结构化设计方法。
硬件电路包括下载线接口模块，AT89S52单片机最小系统，数据采集模块，时钟电路，声光报警电路，人机交换模块六个部分。
具体设计过程如下文所述。
2.2.1教室照明控制器的选择
出于对单片机性能的要求和价格因素的考虑，本系统选择MCS-51系列的AT89S52单片机作为教室照明系统控制器。
AT89S52具有8K在系统可编程Flash存储器，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容，是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路，可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。
根据不同的运行速度和功耗要求，时钟频率可以设置在0
33M之间。
同时，该单片机支持计算机并口下载。
另外，AT89S52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。
其引脚排列如图2-3所示，各引脚功能如下：
1）P0口：
具有8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对其端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，不具有内部上拉电阻，作为低8位地址/数据复用。
2）P1、P2、P3口：
具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，其输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对其端口写“1”时，可作为输入口使用，此时由于内部电阻的原因，被外部拉低的引脚将输出电流（IIL）。
不同的是在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址，并使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
而P1、P3口引脚具有第二功能。
P1口某些引脚具有第二功能，具体如下：
P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5MOSI（在系统编程用）
P1.6MISO（在系统编程用）
P1.7SCK（在系统编程用）
P3口第二功能，具体如下：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2
（外中断0）
P3.3
（外中断1）
P3.4TO（定时/计数器0）
P3.5T1（定时/计数器1）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
3）flash编程和校验：
flash编程，P0口用来接收指令字节；
程序校验，外接上拉电阻并输出指令字节。
P1口接收低8位地址字节。
P2口接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口还接收一些控制信号。
4）RST：
复位信号输入端，高电平有效。
5）
/VPP：
访问芯片内部和芯片外部程序存储器的选择信号。
FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。
6）
：
外部程序存储器的读选通信号，每个机器周期两次
有效。
7）ALE/
低8位地址锁存信号/编程脉冲输入。
8）XTAL1/XTAL2：
振荡器反相放大器输入/输出端，同时XTAL1也是内部时钟发生电路的输入端。
9）VCC/GND：
电源电压的输入引脚/电源地引脚。
2.2.2下载线接口模块
AT89S52芯片支持在线编程功能，不需要编程器就可以进行单片机的实验和开发，免去了调试时由于频繁地插入取出芯片对芯片和电路板带来的不便，具有极强的可塑性。
ISP进行在线编程时，使用AT89S52的P1.5、P1.6、P1.7口及复位端。
2.2.3单片机最小系统
（1）电源电路
系统设计需要的电压输出为5V。
要取得5V电压，若选用12V变压器，整流滤波后输出往往大于12V，这样会使稳压器功耗大，自身温度高。
故采用输出为9V电压的变压器。
电路原理如图2-4所示。
系统从电网中接入220V交流电源，通过变压器降压，得到9V电压，再经整流电桥整流，输出直流电压，然后经CT1滤波电容滤波后送入集成稳压器LM7805输入端，由输出端再经CT2滤波，最后得到+5V的直流工作电源，用于给单片机控制系统及其它外围电路的VCC端供电。
图中D1LED为电源工作指示灯。
当输出电流较大时，7805应配上散热板。
（2）复位电路
系统复位电路的作用：
一是单片机启动运行时，使CPU以及其他功能部件处于一个确定的初始状态；
二是单片机工作过程中，使其重新回到开始状态（包括死机）。
该系统采用按键复位如图2-5所示，它能有效实现上电自动复位和手动复位。
单片机的REST引脚是高电平有效的，其有效时间持续24个振荡周期以上才能完成复位操作。
上电自动复位是通过RC电容充电来实现的。
手动复位是通过外部按键实现的。
当复位按键按下，电容CT3被充电，REST/VPD端的电位逐渐升高为高电平，实现复位操作，按键释放后，电容器经内部下拉电阻放电，REST/VPD端恢复低电平。
（3）晶振电路
单片机的时钟信号可以由两种方式产生：
内部时钟和外部时钟。
内部时钟是利用单片机芯片内部的振荡电路实现的，通过单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接定时元件。
定时元件由晶体振荡器和电容组成并联谐振回路，内部反相放大器自激震荡，产生时钟。
单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作。
根据AT89S52单片机时钟周期的要求，晶振频率选用12MHZ，电容C3、C4选30pf，如图2-6所示。
2.2.4数据采集模块
人体存在信号和环境光信号是单片机控制的教室照明系统的两个主要输入参数，因此教室数据采集部分分为红外信号采集和室内环境光采集。
为了实现教室灯光的智能控制，必须根据这两个参数发出的命令，来确定灯具的亮灭时刻及位置，这样在节能的同时，也为使用者提供舒适的视觉效果。
（1）人体信号采集
经过日益发展，传感器技术已渗透到人们的日常生活中。
本系统红外信号的采集使用热释电红外传感器。
采集人体信号的作用是对进入教室的人员分布区域进行检测，为单片机提供教室可能亮灯区域的信息。
①体传感器的基本结构和原理
热释电红外人体传感器由探测元、滤光窗和场效应管阻抗变换器等三大部分组成，如图2-7所示。
对不同型号传感器，探测元的制造材料有所区别。
将这些材料制成很薄的薄片，每一薄片相对的两面各引出一根电极，电极两端则形成一个等效的小电容。
而这两个小电容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小电容能自身产生极化，从而在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。
传感器中两个极性相反的电容是串联在一起的。
当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，电容两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，所以，正负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。
当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到两个电容上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消，传感器仍然没有信号输出。
当人体在传感器的检测区域内移动时，照射到两个电容上的红外线能量不相等，光电流在回路中不能相互抵消，传感器有信号输出。
综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。
滤光窗是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，能够有效地滤除7.0~14um波长以外的红外线。
人体的正常体温为36~37.5℃，即309~310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为λm=2989/（309~310.5）=9.67~9.64um，中心波长为9.65um，正好落在滤光窗的响应波长的中心。
所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。
热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。
由于探测元输出的是电荷信号，不能直接使用，因而需要将其转换为电压形式。
场效应管输入阻抗高达104MΩ，接成共漏极形式来完成阻抗变换。
使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。
②人体检测电路设计
热释电红人体红外传感器是一种检测物体辐射红外能量的传感器。
它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输出，而利用该信号可以实现照明控制。
但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。
而实际应用时，需在热释电传感器前安装菲涅尔透镜，这样可大大提高接收灵敏度，增加检测距离及范围。
综上述，热释电检测电路组成框图如图2-8所示。
人体传感器要求灵敏性高，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。
HP-208是基于红外线技术的自动控制产品，它的主要特性有：
全自动感应，人进入其感应范围则输出高电平（高3.3V），人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平（低0.3V），其高低电平利于采集；
采用可重复触发方式，即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平；
工作电压范围宽为DC3V-24V；
人体传感器制成锥面形状，感应范围大，小于140度椎角，感应距离为7米内；
其静态电流<
50微安，低功耗；
工作温度介于
之间，适应性强。
人体存在传感器的1号引脚为电源信号端，3号引脚为接地信号端，2号引脚为信号输出端。
在电路设计中，介于人体存在传感器的信号引脚2与接地信号引脚3之间接一个1.5K的电阻，并连到三极管，三接管的集电极与单片机的P1.3引脚相连，增强人体传感器工作的可靠性。
此外，在集电极和VCC间连接LED。
当传感器感应到人体存在时，LED发光指示传感器产生作用。
其电路原理图2-9所示。
（2）室内环境光采集
环境光采集是检测光照度，为单片机提供光照强弱参数，以便判断是否启动照明设备。
①采光器件的选择
在光电技术中，常用的采光器件有光敏电阻（CdS）、光电池、光电二极管、光电三极管等，参照表2-2合理选择适当的光照度传感器。
表2-2各种光电传感器特性比较
特性
器件
光谱和光电特性
线性度
伏安
特性
电特性输出电流
噪声
光谱响应
灵敏度
光敏电阻
可见光至红外
高
差
电阻型
大
低
光电池
一般
光伏型
最大
光电二极管
好
光伏型和饱和型
小
光电三极管
可见光至近红外
饱和型
通过上述光电传感器的性能比较，因光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，而且体积小，质量轻，性能稳定，价格便宜，所以本文选择用光敏电阻作为采光元件。
为确保模拟信号在数字流中被准确地表示，选择较常见的模数转换器件ADC0809作为采光数据处理。
②光敏电阻
工作原理
光敏电阻是利用光电导效应制成的光电探测器件，对光照特别敏感。
在光敏电阻两极加上一定的电压后，当光照射在光电导体上时，由光照产生的光电载流子在外加电场作用下沿一定方向运动，电路中产生电流，流过光敏电阻的电流随着光照强度的增加而增大。
其工作原理如图2-10所示。
半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。
在黑暗的环境里，光敏电阻的阻值很高。
当它受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，成为自由电子，同时并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。
光强愈强，阻值愈低。
入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。
主要参数
1）暗电阻、暗电流在无光照射条件下，光敏电阻的阻值称为暗电阻；
此时在规定的外加电压下通过的电流称为暗电流。
2）亮电阻、亮电流在受到光照射条件下，光敏电阻的阻值称为亮电阻；
此时在规定的外加电压下所通过的电流称为亮电流。
3）灵敏度光敏电阻在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化。
基本特性
光敏电阻的基本特性有伏安特性、光谱特性、照度特性和温度特性等。
这里我们只说明其光照特性。
光照特性是指外加一定电压时，光敏电阻的光电流（或光电阻）和照度之间的关系。
其CdS的光照特性如图2-11所示。
不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电
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