基于单片机的智能照明控制系统设计

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1、 设计名称：智能照明控制系统组别：第 五 组组长：XX 成员：XX 基于单片机的智能照明控制系统设计随着电子技术的飞速发展，基于单片机的控制系统已广泛应用于工业、农业、电力、电子、智能家居等行业，微型计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心，替代了老式的控制系统的常规电子线路。本文简介了基于单片机AT89C51的室内灯光控制系统及其原理，提出了有效的节能控制措施。该系统采用了当今较成熟的传感技术和计算机控制技术，运用多参数来实现对学校教室室内照明的控制。系统设计涉及硬件设计和软件设计两部分。工作时,光信号取样电路采集光照强弱、人体信号采集电路采集室内与否有人、与否为工作时间等信息并将信号送到单片机

2、,单片机根据这些信息通过控制电路对照明设备进行开关操作,从而实现照明控制,以达到节能的目的。目 录1 引言1.1研究背景1.2 智能照明控制系统的长处2 设计部分2.1 设计规定2.2 系统设计2.3 逻辑控制2.4 硬件设计2.4.1 系统硬件总述2.4.2 AT89C51单片机简介2.4.3 光照检测电路2.4.4 人体信号采集电路2.4.5 比较电路2.4.6 延迟时间选择电路2.4.7 输出控制电路3 系统软件设计及实现4 结 论5 评价.6 成员分工.1 引言1.1 研究背景如今普遍高校都是开放型的管理模式，高校的教室在白天室内照度很高的状况下，仍然普遍存在开灯作业；虽然是很少的时候

3、也是整个教室的灯全亮着。甚至教室无人的时候灯仍然亮着。这些现象普遍存在于各大高校，挥霍了电力资源。目前一般使用的节电方式有实行手工控制，声控型，太阳能灯等。但是它们都存在一定的弊端。手工控制方式操作不便，费时费力，并且需要人工控制。声控型则容易存在判断不精确，当不是人为需要的时候，其他噪声也也许会让灯亮。太阳能设备投资比较大，且容易受光照强度的影响，不适合用在教室设施场合。因此市场上迫切需要一种操作以便、价格低廉、便于大面积推广的新型节能方案。1.2 智能照明控制系统的长处智能照明控制系统是指用计算机技术并辅助以其他手段，对电力照明实行智能控制，提供合适照明光环境的同步减少照明系统电能消耗和其

4、他使用费用。智能照明控制系统于手动照明控制系统相比有诸多长处，涉及发明环境氛围，改善工作环境、提高工作效率，良好的节能效果，延长光源寿命，管理维护以便等。1.3智能照明控制系统的构成智能照明控制系统重要由输入装置、解决器和执行器三个部分构成。输入装置可以不断检测周边环境的光照度水平，可以探测到某个区域与否有人移动，以及输入人们的控制指令，并把相应的信号传送给解决器。输入装置涉及传感器、定期装置和控制面板或遥控器。解决器接受输入装置的信号，通过信息解决、判断、分析，输出控制信号。执行器与灯具直接连接，控制灯光回路的闭合或断开和调节灯光到相应的水平，涉及手动开关。2 设计部分2.1 设计规定控制器

5、的重要目的是对灯的开关状态进行控制。工作时根据时间，人工控制及光照等因素综合控制灯的开关状态。光照检测电路和红外线传感器采集光照强弱、室内与否有人等信息送到单片机，单片机根据这些信息通过控制电路对照明设备进行开关操作，从而实现照明控制，以达到节能的目的。系统设计重要涉及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。硬件设计部分涉及电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计规定。硬件电路是采用构造化系统设计措施，该措施保证设计电路的原则化、模块化。硬件电路的设计最重要的选择用于控制的单片机，并拟定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既

6、经济又高性能。硬件电路设计还涉及输入输出接口设计，画出具体电路图，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，最后达到设计目的。软件设计部分，一方面在总体设计中完毕系统总框图和各模块的功能设计，拟定具体的工作筹划；然后进行具体设计，涉及各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能规定。本系统软件设计采用模块化系统设计措施，先编写各个功能模块子程序，然后进行组合与调节，通过调试后，达到设计功能规定。2.2 系统设计系统设计可分为硬件设计和软件设计两部分。根据我们需要实现的功能，合理选择元器件进行设计。软件设

7、计部分，应当结合硬件电路所要实现的功能进行设计。重要针对光电检测电路和热释电红外传感器输出信号进行解决。当光强的时候，系统对光照进行检测，产生信号并解决控制灯的开关状态，科学管理灯光的亮与灭，达到节省用电的目的。2.3 逻辑控制教室内灯光控制系统根据天气、时间、等因素自动控制教室内灯光。当教室或者其他照明场合里面有人时，或者需要进行作业时，如果光线较暗则开灯，光线很亮时则关灯，没有人时，或者不需要进行作业时，则关灯。光线亮时则关灯，晴天时关灯，休息时间关灯。根据上述规定，可以画出控制系统逻辑功能表，如表1-1所示。室内灯光控制系统可以根据气候、人体等因素全天候自动控制室内照明电器的开和关。做到

8、光线暗时开灯，雨天阴天时开灯，无人时关灯，光线亮时关灯，晴天时关灯。在保证室内正常照明同步，可有效避免无人时开灯光线亮时开灯，从而达到节电目的。根据上述规定，可以画出如表2-1所示控制系统逻辑功能表。关系如果假设：室内光线强度为A：光线强时A=1，光线弱时A=0；人体信号为B：有人时B=1，无人时B=0；作息时间为C：上学时C=1，休息时C=0；电灯开关状态为D：合时D=1，断开时D=0。则表1-1可以转化为表1-2。由真值表可得出系统逻辑函数体现式为：D=ABC如下表所示信号室内光信号人体信号时钟信号电灯的开关状态参数自然光照度人体作息时间逻辑状态强无休息断强无上课断强有休息断强有上课断弱无

9、休息断弱无上课断弱有休息断弱有上课合表1-1 系统逻辑表1-2 逻辑系统真值表信号室内光信号人体信号时钟信号电灯的开光状况参数自然光信号人体作息时间符号ABCD逻辑状态100010101100111000000010010001112.4 硬件设计2.4.1 系统硬件总述系统以单片微型计算机AT89C51为核心外加多种接口电路构成，共有四个重要部分：光照检测电路、延时电路、热释电红外线传感器及解决电路、输出控制电路。如图2-1所示外围接光照检测电路、热释电红外线传感及解决电路、输出控制电路。两个开关实现人工控制。2.4.2 AT89C51单片机简介AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器

10、的低电压、高性能CMOS 8位微解决器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业原则的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为诸多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示 。2.4.3 光照检测电路光信号取样电路如图2-2所示，图中重要由光信号采集电路和A/D模数转换电路构

11、成，其中模数转换是电路的核心。信号通过采集送入A/D转换电路，通过单片机解决后，最后作为系统应用程序进行开关灯判断的根据。A/D转换器的位数应根据信号的测量范畴和精度来选择，使其有足够的数据长度，保证最大量化误差在设计规定的精度范畴内。本系统中，信号的测量范畴的电压：0.009.99V，精度0.01V。在本次设计中选用了带串行控制的10位模数转换器TLC1549，它采用CMOS工艺，具有自动采样和保持，采用差分基准电压高阻抗输入，抗干扰性能好，可按比例量程校准转换范畴，总不可调节误差达到()1LSB Max，芯片体积小等特点。同步它采用了Micro wire串行接口方式，故引脚少，接口以便灵活

12、。与老式的并行方式接口A/D转换器（例ADC0809/0808）相比，其单片机的接口电路简朴，占用I/O接口资源少。图2-2 光信号取样电路2.4.4 人体信号采集电路1) 热释电效应原理简述热释电红外传感器通过目的与背景的温差来探测目的，其工作原理是运用热释电效应，即在钛酸钡一类晶体的上、下表面设立电极，在上表面覆以黑色膜，若有红外线间歇地照射，其表面温度上升T，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压U。常用的热释电红外线光敏元件的材料有陶瓷氧化物和压电晶体，如钛酸钡、钽酸锂、硫酸三甘肽及钛铅酸铅等。实质上热释电传感器是对温度敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压

13、电晶体元件构成，在元件两个表面做成电极。在环境温度有T的变化时，由于有热释电效应，在两个电极上会产生电荷Q，即在两电极之间产生一单薄的电压V。由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一种场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷Q会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，T=0，则传感器无输出。当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生T，则有T输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。因此这种传感器也称为人体运动传感器。由实验证明，传感器不加光学透镜(也称菲涅尔透镜)，其检测距离不不小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可增长到10m左右。 2) 人体

14、红外探头简介热释电红外传感器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。热释电传感器具有成本低、不需要用红外线或电磁波等发射源、敏捷度高、可流动安装等特点。实际使用时,在热释电传感器前需安装菲涅尔透镜,这样可大大提高接受敏捷度,增长检测距离及范畴。实验证明,热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜,则其检测距离仅为2m 左右;而配上菲涅尔透镜后,其检测距离可增长到10 m以上。3) 热释电红外传感器简介 热释电红外传感器重要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一种或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，

15、以克制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接受到的红外辐射转变成单薄的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测敏捷度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一种菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各提成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出1020m范畴内人的行动。 菲涅尔透镜运用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一种交替变化的“盲区”和“高敏捷区”，以提高它的探测接受敏捷度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高敏捷区”，这样就使接受到的红外

16、信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而增强其能量幅度。 人体辐射的红外线中心波长为910 um，而探测元件的波长敏捷度在0.220 um范畴内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一种装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范畴为710 um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其他波长的红外线由滤光片予以吸取，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。4) 菲涅尔透镜简介菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是运用光的干波及扰射和根据相对敏捷度和接受角度规定设计的，透镜的规定很高。菲涅尔透镜在诸多时候相称于红外线

17、及可见光的凸透镜，效果好。多用于精度规定不是很高的场合。菲涅尔透镜运用透镜的特殊光学原理，在探测前方产生一种交替变化的“盲区”和“高敏捷区”，以提高它的探测接受敏捷度。当有人从镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高敏捷区”，这样就使接受到红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强化能量幅度。菲涅尔透镜有两个作用：一是汇集作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。由于热释电传感器输出的信号变化缓慢、幅值小(不不小于1 mV) ,不能直接作为照明系统的控制信

18、号,因此传感器的输出信号必须通过一种专门的信号解决电路,使得传感器输出信号的不规则波形转变成适合于单片机解决的数字信号。根据以上规定,人体热释电检测电路构成框图如图2-3所示。信号解决电路热释电红外传感器菲涅尔透镜检测对象2-3 热释电检测电路构成框图1) 热释电传感器解决电路本设计采用BIS0001 来完毕对热释电传感器输出信号的解决。BIS0001 是一款具有较高性能的热释电传感器信号解决集成电路,它重要由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定期器以及封锁时间定期器等构成。图2-4 中,热释电传感器S 极输出信号送入BIS0001的14脚,经内部第一级运算放大器放大后,由C3 耦合

19、从12 脚输入至内部第二级运算放大器放大,再经电压比较器构成的鉴幅器解决后,检出有效触发信号去启动延迟时间定期器,最后从12 脚输出信号Vo送入单片机进行照明控制。实验所得,当传感器检测室内有人时,Vo为4 V ;无人时Vo为0.4 V。BIS0001 的1脚接高电平,使芯片处在可反复触发工作方式。输出Vo的延迟时间Tx 由外部R8和C7 的大小调节;触发封锁时间Ti 由外部R9 和C6 的大小调节。图2-4 热释电传感器信号解决电路图2.4.5 比较电路比较电路如图2-5所示，由两个运算放大器构成，输入信号来自于红外人体探头输出。比较电路中的基准电压分别由两个独立的分压电路得到，供电路比较所

20、用。即运算放大器D1的6脚和D2的1脚电压分别为0.45V和2.0V。图2-5 人体信号比较电路通过比较电路将相应的电压比较成果以数字信号输出。当被动红外探头在有效范畴内感应到人体信号后，运算放大器的“2脚”或“5脚”的电压降为3.0V；当被动红外探头在有效范畴内没有感应人体红外信号时，“2脚”或“5脚”的电压降为1.0V。探头故障断路时，则“2脚”或“5脚”的电压降为0V。1) 红外探头工作正常“1脚”的电压恒定为2.0V，“2脚”的电压有1V或是3.0V两种状态，“6脚”的电压恒定为0.45V，“5脚”的电压与“2脚”的电压保持一致。探头将会根据有无人体信号在“2脚”产生1.0V或3.0V

21、两种电压信号。2) 红外探头不正常工作“1脚”的电压恒定为2.0V，“2脚”的电压为0V，“6脚”的电压恒定为0.45V，“5脚”的电压为0V。探头将只会产生一种电压信号0V。具体的比较成果如下表1-3所示。表1-3 探头采集信号输出状态表探头工作状态“1脚”电压“2脚”或“5脚”电压“6脚”电压P2.6P2.5正常工作无人状态2.0V1.0V0.45V11有人状态2.0V3.0V0.45V01断路或故障2.0V0V0.45V10通过比较电路，不仅解决了不同工作状态时被动红外探头的对外界人体红外信号的采集，并且也实现了仅通过被动红外探头的两根电源线同步也传播了所采集的周边环境的红外信号，一举两

22、得。2.4.6 延迟时间选择电路系统在AT89C51 的P1 中设立了延时时间选择电路,其目的是在环境光照较弱时,照明设备延时一段时间后自动熄灭。电路通过P1.0 P1.3 设立4 个延时时间,当P1.0 P3.0 无开关闭合时,系统按初始值进行延时；当P1. 0P1.3 有开关闭合时,程序从P1.3P1.0 进行检测,若检测到某一端口为低电平时,则系统按目前端口设立的值进行延时。设立时间关系值如表1-4所示。表1-4 端口时间设立表端口P1.0P1.1P1.2P1.3时间/min152025302.4.7 输出控制电路1) 继电器继电器是一种根据电量（电压、电流等）或者根据非电量（温度、时间

23、、转速、压力）等信号的变化带动触点动作，来接通或者断开所控制的电路或者电器，以实现自动控制和保护电路或者电器设备的电器。继电器一般由感测机构、中间机构和执行机构三个基本部分构成。可分为电磁式继电器和非电磁式继电器两大类。电磁式继电器是在输入至电磁线圈中的电流的作用下，由其机械部件的相对运动而产生预定响应动作的一种电器。重要有：交流电磁继电器、直流电磁继电器、磁保持继电器、舌簧继电器等。(1) 交流电磁继电器：输入电路中的控制电流为交流的电磁继电器。(2) 直流电磁继电器：输入电路中的控制电流为直流的电磁继电器。(3) 磁保持继电器：运用永久磁铁或具有很高剩磁特性的铁芯，使电磁继电器的铁芯，使电

24、磁继电器的衔铁在其线圈断电后仍能保持在线圈通电的位置上的继电器。磁保持继电器具有两个稳定状态。(4) 舌簧继电器：运用密封在管形外壳内并具有触点簧片和衔铁磁路双重作用的舌簧的动作来开、闭或转换线路的继电器。工作原理：(1) 电磁式电压继电器电磁式电压继电器是根据两端电压大小而接通或断开控制电路的继电器。这种继电线圈的导线细、匝数多、阻抗大，并联在电路中。(2) 电磁式电流继电器电磁式电流继电器串接在电路中以反映电路中的变化。为了不影响电路的正常工作。电流继电器线圈匝数少、导线粗、线圈阻抗小。除了有用于一般控制的电流继电器外，尚有作为保护用的过电流继电器和欠电流继电器。2) 输出控制电路单片机输

25、出控制信号电路如图2-8所示，由P2.0、P2.3和P2.7口输出的控制信号来实现室内灯光的控制功能。用P2.0和P2.3两个输出来实现手动开关控制，用P2.7口来实现智能控制，输出的是“0”电平时，则由Q1三极管构成的信号放大电路就被截止，则继电器回路中无电流，因此，继电器线圈无法工作，使得继电器开关触点断开，电灯回路不通，电灯不亮，反之，当P2.7口输出的是“0”信号时，则由Q1三极管构成的信号放大电路就导通了，则继电器线圈工作，使得继电器触点闭合，电灯回路导通，电灯亮。图2-8 输出控制电路3 系统软件设计及实现电路板要实现它的功能，还要必不可以的软件程序对它进行控制。软件设计分主程序设

26、计、子程序设计、中断程序设计三大块。软件是计算机系统的灵魂，没有软件计算机不能充足发挥其功能，这是软件在计算机中的地位，而在计算机控制系统中，软件也是非常重要的。在照明控制系统中，硬件设备的功能是由软件来定义的，如系统要控制分布的照明灯具，通过编程完毕对输出电路的控制等等，由此可见，软件是控制系统中的一种重要构成部分。该照明控制系统的软件程序涉及：照明启停控制程序、照明亮度控制程序、照明定期控制程序等。本着软件设计的基本措施，照明控制程序的软件设计措施是运用老式的构造化分析与设计措施来完毕的。构造化程序设计措施虽然是初期的程序设计措施，但该措施还始终被广泛地使用。构造化系统分析与设计贯穿整个软

27、件设计过程，遵循“自顶向下，逐渐求精”的基本原则。本照明控制系统软件程序总体构造如图31所示。取键值初始化调用键盘扫描程序有键按下吗返回开始YN图 31 照明控制系统软件程序总体构造图当电源接通后，开始初始化，程序调用键盘，扫描程序。判断有无热键按下，如果有，则为人手工控制：如果没有，则根据外界条件控制。当有人时，如果光线很强，系统觉得是白天，或者不需要开灯。当光线弱时，系统判断是晚上，则控制灯亮。当没有人时，系统判断室内无人，则使输出电路控制灯不会亮。4结论通过本次的设计提高了我们分析问题、解决问题的能力，提高了理论联系实际的能力，提高了动手能力，提高了团队协作能力。我的单片机应用水平迈上了

28、一种新台阶。我结识到有诸多技能如果不去动手实践永远也不会掌握，只有在实践中学习，在学习中实践，才干更好的提高能力。我们小组做的智能电灯具有很强的实用性，也是将来智能家居的发展方向。随着生产力水平的不断提高，人们的生活方式也会发生深刻变革，智能家居必将走进千家万户。本次课程设计我感到最大的收获是我的科学素养得到了很大提高，结识到解决实际问题最重要的是有思路，有了思路之后才干拿出解决方案并进行设计。我们将在此后的学习生活中更加努力学习专业知识，不断实践。培养创新精神和钻研精神，为将来成为国家和社会的栋梁之才打下坚实基本。5 评价(全员) 智能照明控制系统是通过使用计算机技术并辅助以其他手段，对电力

29、照明实行智能控制，智能照明控制系统于手动照明控制系统相比有诸多长处：（1）实现照明控制人性化，通过控制调解，来实现场景控制、定期控制、多点控制等多种控制方案，以保证照明质量。（2）改善工作环境，提高了工作效率，延长了灯具的使用寿命。（3）节省能源，智能照明管理系统采用设立照明工作状态的方式，通过智能化管理使系统能最大限度地节省能源。（4）提高管理水平：将大大减少使用者的运营维护次数。然而，科技是把双刃剑。不得不说，智能照明系统仍然存在缺陷与局限性：（1）与老式照明系统相比，价格较昂贵。（2）使用场景存在局限性，目前只合用于家居方面。（3）系统构造复杂，维修费用较高。（4） 电子设备回收费用较高，且难度较大6成员分工XX：编写筹划以及逻辑控制设计 XX：产品评估与软件构造图设计 XX：硬件电路设计与查询 XX：研究背景与市场调查