家居智能照明系统的设计大学学位论文.docx
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家居智能照明系统的设计大学学位论文
本科毕业设计（论文）
家居智能照明系统的设计
（输入学生姓名）
燕山大学
2015年6月
本科毕业设计（论文）
家居智能照明系统的设计
学院：
电气工程学院
专业：
检测技术与仪器
学生姓名：
学号：
指导教师：
答辩日期：
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：
系级教学单位：
学
号
学生
姓名
专业
班级
题
目
题目名称
题目性质
1.理工类：
工程设计（）；工程技术实验研究型（）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）
2.文管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）
题目类型
1.毕业设计（）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（）自选题目（）
主
要
内
容
基
本
要
求
参
考
资
料
周次
第～周
第～周
第～周
第～周
第～周
应
完
成
的
内
容
指导教师：
职称：
年月日
系级教学单位审批：
年月日
注：
表题黑体小三号字，内容五号字，行距18磅。
（此行文字阅后删除）
摘要
随着现在社会的发展，时代进步，高新技术的快速融入，人们的生活发生了巨大的改变，人们置购了大量高新技术的产品，许多高科技产品的使用越来越成为家庭生活的主旋律。
智能灯光控制系统由单片机最小系统、人体感应模块、关照强度模块、灯光控制模块、电源模块和灯泡组成。
本文以STC89C52单片机为核心，通过利用光照度和红外人体感应相结合主动与被动的探测方法，实现了室内无人或者关照充足时灯光自动光灯，有人到来且光照不足时自动开启灯光。
当人们进入家门或走出公寓，室内照明灯延时一分钟后会自动熄灭。
在白天，即使有人走过时，灯也不会亮，可以达到节能的目的。
关键词 人体感应、智能灯光控制、光强度检测
Abstract
Withthedevelopmentofthesociety,noweraprogress,fastintothehighandnewtechnology,greatchangeshavetakenplaceofpeople'slives,peoplepurchasealargenumberofnewandhightechnologyproducts,theuseofmanyhigh-techproductsbecomethethemeoffamilylife.
Intelligentlightingcontrolsystembysinglechipmicrocomputerminimumsystemmodule,bodyinductionmodule,carestrength,lightingcontrolmodule,powermoduleandthelightbulb.BasedonSTC89C52single-chipmicrocomputerasthecore,throughtheuseoflightandinfraredhumanbodyinductioncombinedwithactiveandpassivedetectionmethod,isnowtheindoorautomaticlightlightwhennobodyorcareenough,someonecomeandilluminationopenautomaticallywhenbeinginsufficientlight.Whenpeopleenterthehouseoroutoftheapartment,corridorlightsdelaywillautomaticallyputoutinaminute.Duringtheday,evenifsomeonepassedby,thelightisnotbright,canachievethegoalofenergysaving.
Keywords humanbodyinduction,intelligentlightingcontrol,lightintensitydetection
第1章绪论
1.1课题背景
我们周围随着计算机网络、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。
1.2照明行业的发展
1.2.1国际智能照明行业的现状
照明行业是80年代首先由美国兴起并得以迅速发展的[3]。
90年代后期，由于现代计算机技术、自动控制技术、现代通信技术、现代信息处理技术在世界范围内的广泛应用，进入了信息时代并对各行各业都带来了巨大的影响，照明行业也随之发生了巨大的革新，提出了照明智能化的要求。
进入21世纪后，大量的新产品、新设备、新技术的出现，使智能照明技术向着系统一体化集成的方向发展。
[4]例如:
各种智能化断路器将微电子技术、传感技术、控制技术、电力电子技术等新技术结合起来，实现了功能多样化、结构模块化，使得断路器从基本保护功能发展到智能化的保护功能，工作更可靠，性能更安全。
在微电子技术飞速发展的带动下，许多半导体公司推出了专用功率开关器件和控制集成电路的系列产品，促进了电子镇流器的各类产品向高性能高可靠性方向发展。
另一方面，网络技术的渗透使不同控制方式的系统之间相互结合，实现了资源共享、远程监视、设定、控制及对系统异常信息进行一体化管理[5]。
控制技术的发展使许多控制功能从由较高层的控制室移至现场的低层设备，使信号的采集和处理更加快捷便利，而且工程技术人员还开发了一些控制管理软件，用户只要通过界面上的各个控制键，就可以实现对各种照明设备的监视和控制，操作更加容易、简单、直观。
各类智能照明产品的生产和技术实现也随着行业标准及规范的制定和逐步的完善进入成熟、实用、可靠阶段。
在继美国、德国、英国、日本、新加坡之后，其他各国的智能照明产业也陆续开始发展，并且不断趋于成熟。
先后涌现出许多国际知名企业:
国际知名的半导体制造商法国PERFECT公司开发出灯光控制专用图书馆的智能照明设计及其控制方法研究的、结合无线射频功能的芯片[6]。
PHILIPS、OSRAM、GE公司推出了双端球形HED是目前世界上最先进的大功率LED灯，奇胜公司的C一BUS系统、ABB公司的1一Bus系统以及邦奇公司的Dynalite、LUTRON公司的GRAFIK系列智能照明控制系统均己广泛应用到照明控制系统中。
此外路创、WIELAND、美国的奥莱斯、英国索思、德国欧斯朗、NATIONAL、BPI等企业都创建了诸多知名品牌，推动了智能照明行业的普及和发展[10]。
1.2.2国内智能照明行业的现状
智能照明行业自上世纪90年代进入中国市场，受市场的消费意识、市场环境、产品价格、推广力度等各方面的影响，一直处于缓慢发展的态势[7]。
近些年，随着国民经济的快速发展，特别是地产行业的高歌猛进，国内智能照明行业迅速发展，各类智能照明产品纷纷面市，国际物联网贸易与应用促进协会曾发布报告指出未来几年，中国智能家居市场增速会不断提升，到2016年预计能达到29.17%，到2017年，我国智能家居行业市场规模将达80亿元[8]。
智能家居的前景魅力，也让很多照明企业纷纷开始投入研究，走向智能化时代，照明智能市场将呈现的美好前景被业界一致看好。
20世纪90年代开始，国外智能照明系统厂商就已经在中国投资建厂。
进入21世纪，国内智能照明厂家和商家也如雨后春笋般迅速发展，涌现出了如瑞郎、百分百照明、清华同方、索博等大小不一的几十家企业，国内智能照明行业进入一个崭新的发展阶段。
但由于国外品牌智能照明系统起步早，跨国企业研发实力较强，其产品在创意、质量等方面均走在智能照明行业前端，国内智能照明市场目前是国外品牌的天下。
国外品牌占据了国内90%以上的大型公用建筑（如体育场馆、写字楼、酒店等）和70%以上家居智能照明系统的市场份额，国内现有的业内企业目前还无法与之争锋[9]。
索博、瑞朗、九州易居是较早进军智能照明行业的企业，在产品研发、市场拓展、技术培训与服务方面投入较大，尤其索博是国际型智能家居产品生产企业，拥有亚洲最大的产品研发中心和生产基地，以高端智能安防系统和智能微型控制模块在国际上处于绝对的领先地位。
天津瑞朗在2002年就开始启动了智能照明技术培训，用户对这些品牌的认知度较高。
上海奇胜公司推出了智能化系统，通过对C一BuS智能控制系统、安防控制系统、无线网络技术等的结合，实现了灯光控制、家电控制（电动窗帘、空调、Av设备等）、综合安防控制的各种控制功能产品，在较短的时间内就树立起了品牌形象。
同样是源自电工品牌的真善美也善于销售终端，其智能照明产品甚至可以在超级市场、建材市场和五金店购买到，该品牌在华南地区有较高的知名度。
清华同方是十大品牌中唯一一家侧重智能照明控制系统集成服务的企业，其智能开关控制系统，通过遥控器就可以控制所有房间内的灯光效果，完全实现了灯光智能控制功能，产品的安装、调试和操作都非常简单，不需要专业人员的指导，普通家庭可以自己安装。
安居宝作为一家主要生产楼宇对讲产品的企业也晋升十大品牌，说明传统安防企业也开始产品转型和服务升级，安居宝成为这一阵市场转型大潮中的佼佼者。
惠州雷士致力于新型绿色照明产品的开发和和谐光环境的营造，积极参加全国的城市亮化工程及绿色照明工程,带动了行业向绿色照明方向发展。
百分百在东莞设立运营总部，专业从事照明、电器、电工产品的研发、设计、生产，先后研发生产的红外线、无线数码智能遥控开关，推动了遥控开关的普及化。
北京莱特将计算机技术引入调光控制系统，自主开发了分布式LT一NET智能环境照明控制系统，被广泛地应用到各种灯光照明场所。
达实、易天元、普力特都是以技术见长的企业，拥有智能家居领域的技术专利和注册商标，在华南和华东地区有不少智能小区的应用案例。
国内智能照明厂家和实力强大的高科技IT厂商的介入，提供了科学的专业照明设计、优质可靠的专业照明设备、全面完善的专业照明服务，为照明行业带来了新的力量，促进了智能照明技术在中国的快速发展[10]。
1.3选题的依据
1.3.1良好的节能效果和延长灯具的使用寿命
电磁流量计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。
1.3.2改善环境，提升生活品质
良好的工作生活环境是提高工作效率和提升生活品质的一个必要条件。
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。
1.3.3较好的投资收益效果
涡轮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％。
1.4研究意义
目前，照明已成为建筑环境设计与建设中一个非常重要的组成部分。
一方面，照明是基本的工作，生活的需要应提供一定的照度、亮度分布等光照环境，同时满足一定的舒适度要求。
避免过强或过弱的光照条件带来的不适感觉[11]。
另一方面应兼顾节能环保的要求。
随着我国经济的快速发展，居民生活水平的逐步提高，照明用电占社会用电总量的比重正逐年提高[12]。
电力供应不足和用电效率低下的状况依然比较严重。
电力紧缺是我国目前面临的一个很严峻的问题，减少照明的能耗，进行节能照明已是我国照明的主要发展趋势，故我国大力推广“绿色节能照明工程”以提高照明效率[13]。
同时,随着“智能家居”概念的提出,人们对照明技术的要求也越来越高,传统照明控制系统技术已不能满足要求,智能照明技术正逐渐受到重视[14][15],而智能照明技术的理念是改变传统的人工控制照明系统的方式,利用多种传感器对照明环境进行检测，并根据照明环境及照明需求的变化对照明灯具进行智能控制，既提高了居民工作、生活中的照明舒适度,又可在照明过程中减少大量不必要的照明用电,从而提高照明效率,大量节省用电量,是照明技术的发展趋势。
该选题的意义在于迎合当前社会的发展趋势，节约能源，开发出一个即节能，又不影响人们正常生活的智能家居照明系统，实现节能与智能控制的合二为一。
第2章系统硬件电路的设计
2.1系统硬件的概述
家居智能照明系统在安装和使用的过程中需要克服较多的环境影响因素，且考虑到环境中各种变量的影响，会导致系统设备中人体感应传感器以及光敏传感器受到家居环境的变化而不稳定从而影响系统精度，因此为了防止系统的本稳定以及为了保证系统精度，在系统设计过程中应当在元件选择，电路设计，线路布置焊接等过程中要充分考虑抗干扰问题。
本文所研究的家居智能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。
系统控制单元是以单片机主控模块为核心，其它外围电路主要包括：
系统供电模块、环境光模块、人体存在传感器模块、光敏模块及继电器驱动模块，此设计运用单片机、电压比较器、光敏电阻、人体感应模块、继电器等构成一款智能灯设计。
单片机作为主控芯片，人体感模块识别人体，光敏智能识别光线，LM393电压比较器来将光敏的芯片处理给单片机，继电器控制负载灯。
设计可以应用普通家居照明当中，此系统研制的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。
可以实现自动与手动控制相兼容。
在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。
从而实现节能、智能的效果。
该系统可用于现有家居照明系统的改造，实现对照明系统的人性化智能管理，提高用电效率。
2.2方案的选择
2.2.1单片机的选择
方案一：
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS型8位单片机，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，功能强大。
其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。
写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护我们的劳动成果。
再者，AT89C52目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。
AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。
只要程序长度小于8K，四个I/O口全部提供给用户。
可用5V电压编程，而且擦写时间仅需lOms。
AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。
PO口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。
方案二：
STC89C52系列单片机的指令系统和AT89C52系列的完全兼容，但实际操作起来却存在很多问题：
（1）AT89C52不带ISP下载，要用下载器才行，STC89C52可以用你的USB转串口下载，下载软件可以到STC厂家网上去下。
（2）STC单片机执行指令的速度很快，大约是AT的3-30倍，尽管快是好事，但这样一来，你在AT上好使的程序在STC上不一定好用，最典型的例子就是那些对时序有严格要求的模块，用STC时注意得加长延时，大约是AT的10—30倍就差不多，这一点自己调试就知道了。
（3）STC单片机对工作环境的要求比较低，电压低于5伏时仍然正常工作，甚至3伏到4伏之间都还可以工作，然而这样的环境下AT肯定不行了，所以当一个系统用STC单片机好用，但用AT的单片机不工作时，直接查最小系统，看单片机的供电是否正常。
比较这两种方案，由于在学校期间学过数字电路、单片机原理、C语言程序设计，综合考虑单片机的各部分资源和作为学生能够获得的资源，经过对比此次设计要求，我选择用STC系列芯片完成。
而且学校也提供了相应的硬件操作平台，实际操作起来比较方便，故STC为更合理的选择。
本系统选择STC89C52单片机作为主控芯片。
足够本设计运行，且价格便宜，下载程序方便。
2.2.2人体感应器的选择
方案一：
感应人体采用被动式红外传感技术，是利用红外光敏器件将活动生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号,并进行放大,处理,它能可靠的将运动着的生物体（人）和飘落的物体加以区别。
同时它还具有监控范围大，隐蔽性好，抗干扰能力强和误报率低等特点。
被动式红外入侵报警器又称热释电红外入侵报警器，由光学系统，红外传感器和信息处理三部分组成。
目前与红外传感器配套的光学系统有三种，即反射式、透射式和折射式。
其中反射式光学系统的灵敏度最高，其探测距离可达25～60m；透射式的灵敏度最低，探测距离为2～10m；折射式居中，兼有反射式和透射式的优、缺点。
方案二：
感应人体采用主动式红外探测器，由红外发射机、红外接收机组成。
分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。
红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束。
接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动信号。
比较这两种方案，主动式红外探测器由于光束较窄，收发端安装要牢固可靠，不应受地面震动影响，而发生位移引起错误，光学系统要保持清洁，注意维护保养。
因为主动式探测器所探测的是点到点，而不是一个面的范围。
其特点是探测可靠性非常高。
但若对一个空间进行检测，则需有多个主动式探测器，价格昂贵。
主动式探测器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。
本设计适合采用被动式红外传感器，经过多方面考虑，本设计采用红外人体感应器模块。
2.2.2人体感应器的选择
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主控模块的设计
2.3.1系统主控电路
本次设计选用STC89C52作为灯光照明的控制芯片．STC89C52的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上．使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。
STC89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FAlshProgrAmmABleAndErAsABleReAdOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
2.3.2单片机的引脚功能
（1）VCC（40）：
电源+5V。
（2）VSS（20）：
接地，也就是GND。
（3）XTL1（19）和XTL2（18）：
振荡电路。
单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号。
（4）PSEN（29）：
片外ROM选通信号，低电平有效。
（5）ALE/PROG（30）：
地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。
（6）RST/VPD（9）：
复位信号输入端/备用电源输入端。
（7）EA/VPP（31）：
内/外部ROM选择端。
（8）P0口（39-32）：
双向I/O口。
（9）P1口（1-8）：
准双向通用I/0口。
（10）P2口（21-28）：
准双向I/0口。
2.3.3单片机的主要性能
与MCS-51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：
1000写/擦循环数据保留时间：
全静态工作：
0Hz-24Hz三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路
（ P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3口管脚备选功能
P3.0RX
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