基于单片机的教室灯光自动控制器doc.docx

基于单片机的教室灯光自动控制器doc.docx

《基于单片机的教室灯光自动控制器doc.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的教室灯光自动控制器doc.docx（29页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

基于单片机的教室灯光自动控制器doc

摘要

本研究针对教室灯光的控制方法，尤其是教室灯光的智能控制方面的发展现状，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机的教室灯光智能控制系统的设计思路，并在此基础上设计了智能控制系统的硬件装置和相应软件。

该系统以AT89S52单片机作为控制装置的智能部件，采用热释电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，系统通过对人体的存在信号和环境光信号的识别和智能判断，完成对教室照明回路的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。

该系统具有体积小，控制方便，可靠性高，专用性强，性价比合理等优点，可以满足各类大、中专院校教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能目的。

关键词：

灯光控制，热释电，单片机

Abstract

Currentlylightintelligentcontrolsystemsarenotefficientlyusedintheclassroom.Inordertoimprovethesystem,basedonthetheoryofthelightcontrolandcurrentmethodsofhowtokeepcontrol,putforwardmethodsofdevelopingintelligentclassroomlightcontrolsystemonthebasisofAT89S52.Thisclassroomlightintelligentcontrolsystemisdeveloped,whichmachineofAT89S52isamajorpart,andtheenvironmentofdevelopmentisbetterthanbefore.Thissystemcansatisfythefollowingfunctions,suchascontrollingthecircuitofillumination,testingandprocessingdaylightsignal,testingandprocessingthesignalofhumanbodythatilluminatesthebacktrackexists,reportingtothewarningdevices,etc.Inordertosatisfythesefunctions,thesystemadoptedthehomologousmethodsrespectively,andtothegearingofthesystem,analyzinghowtoinstall,testandrunthesystem.

Themicrocontrollersoftwarewasdevelopedbasedonassemblelanguage.Thesystemhadmanyadvantagessuchassmall,easycontrolled,highcredibility,strongappropriationandpriceproportionwasideal,etc.Theexperimentprovedthatthesystemcansatisfythecontrolcommandoftheclassroom’slightdevice,soitcouldlargelyreducetheconsumingofenergyresources.

Keyword:

LightingControl，Heattoreleasetheelectricity，IntelligentControl

1前言

1.1本设计研究的意义

随着社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平也不断提高，导致用电负荷的加剧，能源缺乏己成为世界所面临的严峻问题，从而产生世界性的能源危机[1]。

而此问题对我国来说尤为严重。

随着各大中院校持续的扩建，造成越来越多的教室，教室照明的需求也越来越多，而往往由于教室照明的管理不到位，往往造成电能的巨大浪费，这样，提高教室用电效率就成为当务之急[2]。

目前对灯光的智能控制，国外已经逐渐有了广泛的应用，但对教室灯光的控制，尤其是我国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[3]。

随着各大中院校持续的扩建，造成越来越多的教室，教室的用电负荷不断加大，教室用电管理不善，造成学校电能浪费，资源紧缺，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[4]。

例如楼道灯光的自动控制等等。

所有这些使得教室灯光控制也应该朝着智能的方向发展。

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。

1.2国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题

世界各地发电的主要原料是煤炭、石油和天然气，而丹麦在能源利用方面的成功经验提供了很好的借鉴[5]。

从1974年以来，尽管丹麦国民收入增长了50%，丹麦总的能源消费量并没有增加。

丹麦是OECD成员国中能源消耗量和国民收入比值最小的国家。

他们不断地提供一些节能供热系统，例如丹麦热电同供热电厂（CHP），而且，他们尽可能的有效利用资源。

这样，他们的能源使用总效率达到了90％[6]。

丹麦政府很重视住房空间用电的节能，并设立了对新建房屋节能的诸多要求。

数据显示，居民入住有节能装置的房子时，他们要支付比没有节能方案房屋高出8％的费用。

其节能项目经验在欧盟国家中广为流传。

还有，欧司朗-斯维尼亚公司不断的推出新型高输出的荧光灯，节约6％的总系统功率，并具有更高的光通量和平均光通量[7]。

飞利浦照明公司推出的陶瓷金卤灯代替过去的卤钨灯，可节能60％的电能。

种种迹象表明世界各国都在采取不同方式来节约能源，节约电能。

中国经济持续多年的高速发展让能源问题日益突出。

虽然我国能源总储量不低，但时由于我国人口众多，总体的能源需求量过大，因而造成所以人均储量少，单位产值的能耗是发达国家的3-10倍。

能源问题已成为制约我国国民经济发展的关键问题[8]。

从环境和自然资源角度出发，能源问题也是我国长期可持续发展战略中一个关键因素。

此外，能源问题不仅关系经济发展和环境生态，在特定情况下还会对社会稳定有很大影响。

鉴于能源问题的重要性，我国在绿色照明工程新闻发布，绿色照明工程未来五年间将在公用设施、宾馆、商厦、居民住所等全国建筑物中推广1.5亿只节能灯，节电290亿度电。

上海、河北等一些地方采取政府对节能灯大宗采购每只补贴3至4元的方式进行推广。

从普通白炽灯到高效节能灯，使我国的电光源产品结构逐步向节电型转变，荧光灯与普通白炽灯的比例由1995年的1:

6.25上升到目前的1:

1.5[9]。

目前，我国照明用电约占社会总用电量的12%，采用高效照明产品代替传统的低效照明产品可节电60%到80%。

如今，北京正在大力推行绿色照明工程，己推出上百万只绿色照明光源和部分节能电器，据测算年节约用电可达3442万千瓦时，节约电费2519.7万元。

政府己经在商厦、学校、医院等更换了24万只节能灯具。

在奥运工程的建设上，也大量运用节能技术，北京的奥运场馆“水立方”，通过采用大量的节能灯具，装备新技术，通过增强透光性白天可节约照明能耗50%[10]。

我们党在2000年10月11日党第十五届中央委员会第五次会议通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划的建议》中明确指出:

“加强基础设施建设是今后五年至十年一项十分重要的任务。

”其中提到的基础设施建设就包括了能源建设。

《建议》还强调了；能源建设要发挥资源优势，优化能源结构，提高利用效率，加强环境保护。

面临如此紧迫的能源问题，我们应该把着眼点放在“高效”利用“清洁”能源上[11]。

由此可见，节能照明用电，对节能具有重要的意义。

目前国内各类院校中，由于同学们的自觉节能意识薄弱，在光线足够强时也开灯，课上完离开教室后灯还亮着的现象普遍存在；而且，节能规划极为欠缺，教室的灯光控制由管理人员手工代替，教室极多，管理人员忙不过来，这样就造成不必要的电能浪费和经济损失[13]。

基于以上种种原因，提高教室用电效率就成为学校节能的重要且主要的措施之一，因此节能技术的重要手段之一就是教室灯关自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要设计。

1.3本设计研究的内容和目标

1.3.1研究内容

本设计的研究内容有如下几点：

（1）了解教室照明光强的标准；

（2）调研教室灯光照明需求以及环境光强弱与开、关灯的关系；

（3）研究人体存在探测技术，探测角度与范围；

（4）研究确定人体传感器的有关参数；

（5）研究灯光控制器电源问题；

（6）研究控制器参数值设定的要求及方案；

1.3.2研究目标

研究的教室灯光控制系统能用于现有教室照明系统的改造，实现对照明系统的人性化智能管理，提高用电效率；实现自动、手动灯光控制相兼容，以降低成本；通过反复试验和改进，最终达到可靠性、实用性、推广性较好的目标。

1.4本设计主要研究方面

本设计拟通过研究教室灯光的各种控制方案解决如下关键问题：

（1）照明回路的控制回路与控制器本身的节能问题；

（2）传感器与教室灯配合安装的问题；

（3）环境光参数输入采集问题；

（4）人存在传感器参数输入采集问题；

（5）开、关灯的自动与手动兼容措施

2教室灯光控制器简介及控制方案的分析

2.1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[14]。

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，本文通过理论研究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[15]。

2.2系统控制方案的分析

所设计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[16]。

同时，还要按作息时间来控制，夜晚超过12点，若还有人存在，则关闭自动控制器的运行，改用传统的机械开关来手动控制，以解决因特殊情况下，自动控制器的不人性化运行。

本文所设计的教室灯光控制器[14]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[17]。

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，最终实现控制器的各项功能，以达到教室照明自动智能控制。

系统原理图如下图所示：

单片机AT89S52

环境光采集参数

人体存在传感器1参数

电灯1

人体存在传感器2参数

电灯2

电子时钟

按键输入

图2-1系统原理框图

3系统硬件设计

本设计的硬件部分的系统控制单元是以单片机系统电路为核心，它包括单片机，晶振回路等。

而外围电路主要包括：

系统供电电路、环境光采集电路、人体存在传感器电路、电子时钟显示电路等。

3.1单片机系统电路设计

3.1.1单片机的选型

本系统的主控模块主要采用ATMEL公司的AT89S52[16]作为主控芯片。

AT89S52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含有8Kbytes的可以反复擦写的只读程序存储器（PEROM）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（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89S52单片机可以提供许多高性价比的应用场合。

可灵活应用于各种控制领域。

主要性能参数有：

（1）与MCS-51系列单片机兼容

（2）8KBytes,Flash存储器，在线编程，可写1000次

（3）4.0-5.5V的工作电压

（4）自带256×8bitRAM

（5）32个可编程I/0管脚

（6）3个16-Bit定时器/计数器

（7）8个中断源

（8）自带看门狗

本设计选用ATMEL89系列的AT89S52单片机作为本系统的CPU。

由AT89S52单片机为核心的单片机最小系统包括晶振电路和复位电路。

图3-1AT89S52的接口图

3.1.2晶振回路设计

晶振回路的主要任务是为AT89S52单片机正常工作需要的内部时钟电路提供一个稳定的工作频率。

根据AT89S52单片机时钟周期的要求，回路需要选用频率为12MHz的晶振。

在XTAL0和XTAL1两端跨接晶振，与内部的反相器构成稳定的自激振荡器。

其发出的时钟脉冲直接送入单片机内定时控制部件。

3.2系统供电电路设计

要取得+5V电压，若选用12V的变压器，整流滤波后输出往往大于12V，会使稳压器功耗大，自身温度较高。

故不选用输出电压为12V的变压器，而选用输出电压为9V的变压器。

系统接通22OV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，再经一只正输出稳压器LM78O5，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的直流工作电源，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。

其供电原理图如下图。

图3-2系统供电原理图

3.3环境光采集电路设计

教室中的环境光和人体存在与否是系统的主要输入参数，因此教室中的环境光和人体存在成为系统数据采集的主要对象。

常见的环境光采集器件光电传感器有光敏二极管和光敏三极管，根据需求，选用灵敏度较高的光敏三极管。

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换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。

在无光照时三极管的穿透电流很小，为暗电流Iceo=（1+β）Icbo。

有光照时，产生的Ib增大，成为光电流Ie=（1+β）Ib。

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2-7所示。

当自然光强大于一定程度时，光敏三极管D6呈现低阻状态≤1KΩ，三极管Q12的基极电压升高，Q12管饱和导通，集电极输出低电平。

当自然光强小于一定程度时，光敏三极管D6呈现高阻状态≥1OOKΩ，使三极管Q12截止，集电极输出高电平。

其中可变电阻R26可调节，调节R26阻值的大小，使Q12三极管受环境光影响在适当的亮度下导通。

图3-3环境光采集电路原理图

3.4人体存在传感器电路设计

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，响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可在常温下工作。

量子型与热型的特点相反，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、8-14lLm三个被称为“大气窗口”的特定光通量的红外线吸收甚少，可非常容易被检测；③中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。

本系统考虑可能在多个地方会出现光线暗的问题，那么可以考虑，建立两个人体传感器电路，分别置于教室不同的两个位置。

每个人体传感器电路分别对应一个电灯，当某一人体传感器感应到人的存在时，即相应的区域的电灯会开。

这样既能对能源的节约得到保证，又能保证足够的亮度。

3.4.1人体存在传感器工作原理

人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10μM左右的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的10μM左右的红外线而进行工作的。

人体发射的10μM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。

红外感应源采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生由人体存在的信号。

（1）这种探头是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为10μM左右的红外辐射非常敏感。

（2）为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。

（3）人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。

（4）一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被人体存在传感器的热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而输出有人体存在的信号。

（5）菲涅尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。

人体传感器透镜的信号采集敏感区示意图如图所示。

图3-4人体传感器透镜的信号采集敏感区示意图

有人进入时，移动人体发出的红外线被红外传感器接收，则人体存在被感应，并输出高电平。

若人体进入最不敏感移动方向时，则人体传感器所体现的信号就会不理想，有时还会产生误动作，所以要特别注意人体传感器的安装方向。

3.4.2人体存在传感器的特性与电路设计

人体传感器HP-208是的基于红外线技术的智能产品，它的主要特性如下：

（l）感应为全自动方式，人进入感应范围时输出高电平（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；

（2）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8秒-15秒后将高电平变为低电平；

（3）人体传感器工作电压宽为DC3V-DC24V；

（4）人体传感器制作成锥面形状，感应范围大，小于140度锥角，感应距离为7米以内；

（5）其静态电流小于50微安，功耗低；

（6）工作温度介于-150和+700之间，适应性强；

（7）灵敏度高，可靠性强。

人体传感器的1号引脚为电源信号端，3号引脚为地信号端，2号引脚为采集信号输出端。

在电路设计中，为了使人体传感器的工作更加可靠，介于人体传感器的信号引脚2与地信号引脚3之间加一个6800pF的电容，另外人体存在传感器的信号引脚2与单片机的P3.3引脚相连，P3.3引脚再接一个100KΩ的上拉电阻，增加人体存在传感器输出信号的可靠性，为了使对人进入教室的探测更为准确，特在教室的两处不同地方设置了人体传感器，当有人进入了相应的人体传感器区域，该传感器探测到该区域的人体存在，那么该传感器对应的电灯打开，既节约了能源，又能达到了很好的照明效果。

其电路原理图如图所示。

图3-5人体传感器电路原理图

3.5电子时钟显示电路设计

系统运行过程中的数据显示是人机交互对话的一个重要通道。

通过系统数据的显示了当前的时间，我们才可以更好的了解系统运行的状态，从而便于对整个系统进行必要的操作。

本系统中采用共阳极的数码管，采用简单又便宜的9012三极管来驱动数码管的位选，节约成本，程序编写简单。

该电子钟上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入时钟准备状态；第一次按电子钟启动/调整键，电子钟从0时0分0秒开始运行，进入时钟运行状态；再次按电子钟启动/调整键，则电子钟进入时钟调整状态，此时可利用各调整键调整时间，调整结束后可按启动/调整键再次进入时钟运行状态。

图3-6显示驱动模块

图3-7按钮与单片机接口图：

表3-1AT89S52I/O端口与系统其他外围器件接口的分配情况表

89S52引脚

外围器件引脚

说明

P0.0-P0.7

数码管段码驱动接口

P2.0-P2.3

NPN-9012基极

数码管位控驱动接口

P3.2

光敏三极管输入信号端

P1.4-P1.5

人体传感器2号接口

人体存在传感器输出信号端

P1.6-P1.7

灯光接口

P1.0-P1.2

按钮：

K0键为启动键、K1为时调节、K2为分调节

系统的电路图见附录二

4系统软件设计

在单片机硬件系统的基础上，再配上相应的软件，才能构成一个完整的系统。

用户软件的开发与系统硬件有着密切的关系。

在系统的硬件及输入输出方法确定后，程序软件就可以完全独立的进行设计。

在程序设计过程中，采用合理的程序设计结构是一项关键技术。

在本系统的设计过程中，总体设计采用自上至下的设计思想将主程序设计好，而在各个部分展开成从属程序或子程序时，是将各个小模块分别进行设计和编程，同时在编程的过程中又用到了结构程序设计的思想。

本控制系统软件模块主要包括：

系统监控主程序模块、数据采集模块、电子时钟模块。

4.1系统监控主程序设计

监控程序按模块分为监控主程序和命令处理子程序。

监控主程序的基本任务是调用子程序，一个主程序可以调用多个子程序，对于51系列单片机，系统资源有限，主程序通常是一个无限循环的过程，即是一个反复调用子程序的过程。

子程序主要分为中断子程序和功能子程序，它们之间可以互相嵌套和调用，即中断子程序可以调用功能子程序。

在应用软件的设计中，尽可能各个功能模块写成子程序的形式，并通过主程序调用。

而命令处理子程序完成各种命令所规定的具体操作，它按各种命令再分为不同的子程序模块，它一般总是把其余部分连接起来构成一个无限循环，系统所有功能都在这一循环中周而复始的有选择的执行。

其监控主程序流程图如图4-1所示。

初始化系统

设定定时器，允许定时中断

人体感应理任务

环境光处理任务

时钟处理任务

定时刷新任务

上电复位

图4-1监控主程序流程图

系统自检与初始化是保证整个控制系统能够正常运行的重要条件，系统加电复位后，直接进入自检初始化程序，完成系统的自检及初始化。

初始化过程主要是对一些控制寄存器（如中断控制）、数据区进行初始参数设置和定义。

本系统中的自检初始化主要指各接口芯片的检测、芯片内部设定参数的初始化及系统内部寄存器的初始化。

系统内部寄存器初始化主要是指在数据缓冲区内，各用户定义的数据变量的初始化赋值及部分特殊功能寄存器SFR的复位初始化，单片机复位后，程序计数器PC指向程序存储器的入口地址0000单元，程序状态字寄存器PSW清零，片内存储器选择1区工作寄存器，用户标志位F0为0状态，堆栈指针SP指向07H，其它定时器、中断允许寄存器IE、累加器ACC等皆为00H。

4.2数据采集模块程序设计

本控制系统中的数据采集对象为环境光信号及人体存在信号，在程序设计中对这两个数据的采集放置在多任务模块中实施定时采集。

本系统考虑到环境光足够亮时，无论有否人体存在都不应开灯；而环境光不够亮时，有人体存在才开灯，无人体存在不开灯。

本系统逻辑定义为环境光亮时为二进制的“0”（符合光采集电路输出信号状态），暗时为