毕业论文-灯光控制系统设计.doc

商丘师范学院学士学位毕业设计2015届本科毕业设计灯光控制系统姓 名： 系 别： 物理与电气信息学院 专 业： 电子信息工程 学 号： 110312004 指导教师： 2015年5月3日 商丘师范学院学士学位毕业设计目 录摘要与关键词.0引言.11主要目的和研究内容.12系统设计流程图.23教室灯光自动控制系统分析概述.23.1灯光控制系统智能化的简要分析.23.2控制灯光的方法概述.24硬件电路部分的设计.34.1控制的核心部分.34.2人数检测模块.34.2.1热释电红外传感器的工作原理.34.2.2人数检测模块功能的实现.64.3外部环境光线检测模块.64.3.1光电晶体管的原理及功能.64.3.2光电三极管的光强度检测原理及实现电路.74.4灯控模拟模块的设计.74.5时钟控制电路、显示模块及自检报警模块.75软件部分设计概述.105.1主程序部分.105.2子程序部分.115.2.1按键控制部分.115.2.2数码管显示控制部分.116系统性能仿真测试.117结语.11参考文献.15致谢.15灯光控制系统摘 要本设计主要基于现阶段各大院校教室灯光控制的不科学的方式造成用电大量浪费的现象，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，设计了基于单片机的教室灯光智能控制的设计思路。系统以AT89C52单片机作为主控装置的智能控制芯片，系统通过检测教室是否有人体存在和环境光信号的强弱，对教室是否开灯进行智能判断，避免了教室用电的大量浪费。对人体的检测主要采用热释红外传感器，用光敏三极管组成电路用以检测环境光的强度。本设计具有体积小，易控制，可靠性高，针对性强，易于实现等优点，足以适用于各大院校教室的灯光控制，具有较强的市场应用前景。关键词灯光控制；人体；红外传感器；光敏元件；AT89C52Lighting control systemAbstractThe design is based on unscientific way classroom lighting control resulted in major institutions at this stage a lot of waste electrical phenomenon, it analyzes the principle and implementation of intelligent control of classroom lighting design based on single-chip intelligent control of classroom lighting design ideas. AT89C52 microcontroller system as the master device intelligent control chip, system by detecting whether there is the strength of human existence classroom and ambient light signal, whether for classroom lights on intelligence judgments, to avoid wasting a lot of electricity in the classroom. Detection of the human body mainly pyroelectric infrared sensor circuit to detect ambient light intensity with phototransistor. This design has a small, easy to control, high reliability, targeted, easy to implementation, sufficient for major institutions classroom lighting control, have strong market prospectsKeywordslighting control ;human body ;infrared sensors ;photosensitive element ;AT89C52II0 引言随着当今中国经济的飞速增长，国内的工业、农业等行业都得到了极大的发展。但是诸多的矛盾也随之而来，其中最为主要的矛盾就是有限的能源和极大的需求。众所周知，经济的发展离不开能源的巨大消耗，而中国的人口数量巨大，资源有限，并且由于种种原因造成的浪费更是天文数字，这更加剧了能源短缺的问题。而在众多能源浪费中，电能的浪费则是一个最突出的问题。在能源问题的研究中，有许多可以提高能源利用率的研究方向，这其中节能是最容易操作，最符合中国现状，最符合可持续发展的方式。在国内的许多大中城市，“不夜城”似乎已经成为了一种体现城市繁荣的标志，但“不夜城”这种浮华的表面下隐藏着的是电能的巨大浪费。本来是造福民众的城市道路照明系统则被各种“照明工程”所代替，除了基本路灯之外，更是兴建了许多美化城市的灯光景观。这些灯光景观造成了电能的极大浪费。而在国内各大院校内的灯光浪费也不容忽视，学校内教学楼里灯光彻夜长明，大部分教室没有人，但是灯却由于控制方式的不科学而不熄灭，积少成多也造成了电能的大量浪费。在国外一些发达国家，控制灯光来节约电能方面历史悠久，并且成效可观。在很多大城市，彻夜长明的照明景观十分少见。高楼大厦外壁的霓虹灯也多是定时熄灭。在街道上的路灯，灯光强度也基本以不影响居民生活为基准。而许多店铺的橱窗灯则是打烊之后就全部关闭，公寓楼道内的灯光则以感应灯配合智能控制断电系统。在德国的部分城市，更是由政府努力，推动供电供热结合，将发电的余热用于供热。用这些方法每年节约的电能十分可观。据资料显示，2012年内我国社会总用电量为2万4千亿千瓦时，而其中照明用电量为4千亿千瓦时，并且以每年百分之十的速度递增。预计到2015年，照明量将达到6千亿千瓦时。对于高校来说，据测算，其用电总量的百分之四十的用电是教室照明消耗。由此可见，教室照明，保证照明质量的前提下，智能控制是绝对必要的，它可以节约能源，其所产生的经济效益十分可观。目前，照明控制还处于起步状态，对灯的自动控制只有大学课堂的一部分，而智能控制系统不完善，还处于手动控制阶段。并且随着现阶段国内高校扩招，教学楼不断扩建，用电负荷不断加大。所以用电控制系统的不完善必然造成更多的电能的浪费，这是不符合当今社会正在推行的节约的思想的。今天的许多课堂教学仍采用传统的照明系统：在主电源通过配电箱分成多个分支，分支的灯的电源，然后照明开关连接到开关电源线。照明系统只能通过开关来控制灯，但不是更人性化的管理控制。另外还有一些灯光控制系统采用声控的方式，虽然较传统方式有一些改进，但没有经过智能芯片的处理。声音信号经过采集后仍由逻辑电路控制灯光，受外界环境影响较严重，仍会造成一定程度上的浪费。由于逻辑电路自身具有局限性，已经不能适应不断提高自动化程度的现代社会。此课题选取单片机AT89C52作为程序主控制部件，对红外传感器传输回来的人体信息和光敏元件传输回来的外部环境信息进行处理，再综合定时器电路，对灯的开关状态控制实现一定程度的智能化。1主要目的和研究内容目的基于AT89C52单片机的智能照明控制系统；内容（1）照明的智能化控制方案；（2）检测是否有人存在和外部环境的实现方式；（3）红外传感器信息采集与处理；（4）开发单片机软件环境；（5）实验测试与分析数据。2 系统设计流程图：图1 系统设计流程图3 教室灯光自动控制系统分析概述3.1灯光控制系统智能化的简要分析智能照明控制系统可实现教室照明的智能化控制。由于有红外释热传感器和光敏元件，可以将人体存在信号和外部环境信号作为主要输入信号。基于AT89C52单片机的智能1的主要控制部分，参考输入信号和写出好的程序来控制教室的灯。没有人体信号输入时灯不亮，有人体信号并且环境光强度低时灯亮。并且加入计时器电路，在正常情况下按时控制灯光的点亮熄灭。同时加入报警系统，在突发状况下将自动控制改为手动控制，并保护控制部件。3.2控制灯光的方法概述此系统不但能实现人体检测与人数统计，还能实时监控环境光的强度。控制分自动控制和手动控制两种状态。自动控制状态：当电路通电后，系统电路复位，启动自动控制方式。当定时器电路给出的信号是处在点亮状态时，如果外部环境光强度高，无论是否有人灯都不亮。如果外部环境光强度低时，教室内有人则灯亮，教室内无人则灯不亮。当定时器电路给出的信号是处在熄灭状态时，无论是否有人，外界光是否强，灯都不亮。手动控制状态：当灯光控制系统出现突发状况时，按下手动控制键，则进入手动控制方式，此时灯的点亮与熄灭由手动拨动开关控制。若再次按下手动控制键，则控制系统复位，重新进入自动控制模式。图2 系统硬件设计框图4 硬件电路部分的设计4.1 控制的核心部分系统的硬件设计框图如图2。单片机AT89C522作为此系统的核心控制部件，与其他单片机相比较其主要优点为易于购买、价格较低、使用方便、外围电路简单。虽然此单片机固定工作频率较低，但是本设计需要的工作频率同样也较低，所以此款单片机是最为适用的。此款单片机共有I/O端口共32个，图3为专门为本设计所设计的，满足了基于单片机系统的简单的设计要求。由于51单片机的P0驱动电流小，所以要额外接上拉电阻。单片机最小系统主要的是振荡电路，警报电路和复位电路。蜂鸣器的驱动电流较大，所以单片机I/O口不能直接驱动，需通过晶体管将电流放大。热释电红外传感器3会感应教室内是否有人体存在，当感应到教室内没有人体存在时，红外是热传感器会将信号传输给单片机，由单片机处理控住教室内灯光熄灭，直到下一次感应到有人进来时灯才会点亮。人在出门时，蜂鸣器会报警，关掉灯。由蜂鸣器报警，门电路和晶体管组成警报部分。4.2 人数检测模块4.2.1热释电红外传感器工作原理热释电红外传感器4主要由材料的高的热释电系数，如锆钛酸铅陶瓷，钽酸锂，硫酸钛三个探测器21mm元件。在每个探测器装入两个检测元件，并反极性的串联两探测器元件，由于升高温度引起的干扰就得到了抑制。红外辐射探测和检测元件将接收到的微弱信号，场效应管安装在探头上以进行信号的放大输出。为了提高探测器的灵敏度5一般设立一个镜头安装在探测器前，镜片由透明塑料，镜头，两部分分为几个部分，使之成为一种具有特殊的透镜，配合放大电路，信号可以被放大许多，这样就可以使得探测范围增加许多。热释电传感器在结构上采用场效应管完成阻抗变换。由于热电元件的输出电流信号，不可直接使用，因此有必要改变阻抗变换为电压信号。因为阻抗的大小为成百上千欧姆，所以使用N通道JFET共漏极接入方式。通过传感器检测单元，干涉滤光片和场效应管装置由三部分组成，保证了热释电红外传感器的完整性。图3 基于AT89C52的最简系统 图4 热释电红外传感器双探测器热释电红外传感器原理图如图4。D连接到正极，负极G端子，S端子信号输出。传感器的两极是相反的，对同一检测器其余特性相同的连接在一起用以抑制自身温度升高而产生的干扰。热释电红外菲内尔传感器的红外辐射通过内置镜头，辐射传输到传感器后两检测元件检测，传感器输出的信号电压。热释电红外传感器的信号，必须经过信号调理电路，波形会产生单一的接受。本系统采用BISS00016集成电路，该电路可以将传感器信号转换为标准的电平。其电路原理图如图5。图5 传感器信号调节电路原理图图6 BISS0001管脚图4.2.2人数检测模块功能的实现热释电红外传感器信号的第一个芯片BISS00016在一个非可重触发模式由一个或两级运算放大器的双向鉴幅器，收集，加工成标准相比，在高水平后延迟，将此标准信号传输到单片机上P2口上，并通过软件方法对引脚信号进行检测来统计进入教室的学生人数。还可以把采集到的信号在外部使用统计方法的类数中断引脚。在这个系统中，两个热释电红外传感器采用普通引脚信号的检测：一门上在课堂上对人体传感信号；另一个放置在后门，从人体感应信号走出课堂，实现人数的检测。这部分的两个开关，热释电红外传感器的模拟信号，如图7所示。BISS0001引脚和功能如表1： 表1 BISS0001引脚和功能简介引脚功能VDD电源正极。范围为35VVSS电源负极。一般接0VIB运算放大器设置偏置电流端。1IN-第一级运算放大器的反相输入端1IN+第一级运算放大器的同相输入端1OUT第一级运算放大器的输出端2IN第二级运算放大器的反相输入端2OUT第二级运算放大器的输出端VC禁止触发端。VRFVRF的参考电压和复位输入。一般的VDD。“0”在定时器复位时间A一个可重复触发和不可重复触发控制终端Vo控制信号输出端。低电平跳变到高电平时有效RR1RC1输出延时调节端RR2RC2触发封销调节端4.3 外部环境光线检测模块4.3.1光电晶体管的原理及功能光电晶体管与普通三极管相类似，都具有PNP或NPN结构，同普通三极管一样具有电流放大作用。不过光敏三极管的集电极电流不止受到基极电路和电流的影响，同样也受到光辐射的影响。它的基极通常不引出电极，不过也有部分在基极引出电极。光敏三极管的基区通常做的很大，这种结构是为了让光敏三极管能够适应光电转换的要求。由于发射极面积比较小，入射光则主要被基极所吸收。该芯片被封装在一个金属壳玻璃镜片，这是类似于光敏二极管，当光照射时，光线通过镜头集中在芯片。将光敏三极管接在电路中，光敏三极管7旳集电极接电源正极，发射极接于电源负极，当没有光，流过晶体管的电流，通常是光电三极管的集电极和发射极之间的电流ICEO，它也是光敏三极管的暗电流，其大小为Iceo =(1 + hFE) Icbo式中: Icbo-集电极与基极间的饱和电流;hFE -为共发射极直流放大系数。当基光激发电子空穴少数载流子浓度增加，集电结反向饱和电流的增加，这是由电流引起的。这是输入电流放大器的集电极和发射极之间，三极管的电流。光敏三极管利用三极管的放大作用，将光电流放大了( I + hFE) 倍。光电晶体管的特点： 反应速度快，易于匹配。 性能稳定，寿命较长。 耐高温性好，整体性能比较优越图7 红外检测模块4.3.2光电晶体管的光强度的检测原理及实现电路晶体管是一个放大器，但其影响从外部环境是比较大的，比较大的干扰的环境不稳定，所以我们需要一个稳定的信号的集成电路，信号进一步放大。这样它的探测范围相应扩大。再在后面电路上接一个大电阻（大概范围3K左右），这样就可以将电流信号转换为电平信号。该信号经过A/D转化器转化为相对较平稳的信号，之后与软件设定值相比较，以达到检测光信号的目的。此模块由一个滑动变阻器，A/D转换芯片ADC08088组成，滑动变阻器的滑动可以模仿外部环境光线的变化，之后信号通过A/D转换器转换为单片机可以接受的信号并通过P1口传递给单片机AT89C52进行处理。其实现电路如图8所示。4.4灯控模拟模块的设计本设计的进出门状态、模式开关、强制开关状态分别用四个按钮9来表示，强制模式和自动控制模式转换键功能：当第一模式时，灯光控制一半的面积，第二模式控制区的光，第三模式灯控制区所有灯熄灭；当你按下该模式的关键FORCE关键失败，那么只有再次按下MODE键控制。实现电路如图9所示。4.5时钟控制电路、显示模块及自检报警模块由于教室的灯光具有规律的使用周期，一般在晚间和假期时是不需要开灯的，所以本设计加入了时钟控制电路以节约能源。传统的时钟芯片虽然足够精确，但缺点明显，体积比较大、引脚太多等等，不适合作为本系统的时钟模块芯片。在新型时钟芯片中，由美国公司生产的DS1302芯片10则非常适合本系统。高性能，低能耗，占用单片机资源较低，采用三线借口与CPU同步通信。同时增加了主电源/背后电源双引脚。其引脚排列如图10。图8 感光信号收集部件图9 灯控模拟电路图10 DS1302引脚图DS1302与单片机的接口电路原理图11如图11，Vcc2外接电源作为时钟电路备用电源。Vcc1接为系统供电的稳定电源，作为时钟模块主电源。RST脚与单片机复位信号相连。时钟输入端SCLK接单片机的P1.5口，作为时钟控制。图11 DS1302与单片机接口电路原理图数码显示模块是本系统与人交互的最直观的通道，对于数码显示模块，本设计选用共阳极数码管。由于数码管驱动电路需求电路驱动电流较大，本实验采用LM016L显示模块，HD44780作为控制器，其指令集较简单，可实现功能叫丰富，可以满足设计需求。HD44780包括两个8位寄存器，指令寄存器，数据寄存器，地址计数器等。指令寄存器只能写不能读，寄存器的指令代码；数据寄存器用于寄存数据，暂存DDRAM和CGRAM中读出的数据12。DDRAM用于储存显示字符，CGRAM由8位字符吗生成5*7点阵和5*10点阵字符。LM016L引脚图如图12。图12 数码显示模块示意图表2是其引脚功能： 表2 LM016L引脚及功能简介引脚功能VDD电源正极VSS电源负极，一般接地RSRS高水平的数据到数据信号线，低电平为指令信号RWRW为读数据模式的高，低水平的数据写入模式E使能信号端DB0DB7数据线在教室中由于种种原因，总是会有突发状况发生，或者是教室灯长亮的情况。所以本系统就采用了一种自检报警模块，当出现情况时，会发出声音来提醒管理人员；或者提醒十分投入学习中的那些同学，快要到熄灯的时间了，给学生们一个准备离开的信号，以达到更人性化的管理方式。本系统采用的报警模块如图13所示，在P3.4口外接一个比较大的上拉电阻，与三极管C945基极连接之间要加一个限流电阻。当P3.4为低电平时，三极管导通，蜂鸣器发出声音，以示提醒。当P3.4口为高电平时，三极管处于截止状态，此时蜂鸣器不工作，表示系统正常，灯正常工作。 图13 报警器模块电路5软件部分设计概述该系统的主要功能的软件部分是由红外传感器和光敏三极管发射的信号处理和控制的状态，根据光在教室里预先设定。主要功能包括信号处理，数据处理，结果显示等。5.1主程序部分首先，电力系统复位后，时钟模块发送一个信号，在这一时期，系统进入自动控制工作状态；如果有人走出教室，记录人数，自动显示在液晶屏上；根据教室内人数和外部光线强度来控制教室内灯光是否点亮；若出现突发情况，则按下强制执行按钮，进入手动控制灯光状态。主程序流程图如图14所示。5.2子程序部分5.2.1按键控制部分这部分的重点模拟了热释电红外传感器检测数量的变化，与滑动变阻器模拟光电三极管的外部光线强度的变化检测。在在自动控制状态下，按一下“J”键，表示教室内进入一人，则液晶屏显示加一，同理按一下“C”键则表示一人走出教室，液晶屏显示减一。当人数满足大于15且外部光线弱时，灯光全亮。当人数小于15且外部光线弱时，灯光部分亮。当处于强制执行状态时，手动控制灯光亮灭。按键控制子程序流程图如图15所示。5.2.2数码管显示控制部分 数码管显示部分在系统启动后首先要对数码显示模块初始化，之后对红外传感器模块信息进行检测，并将其进行显示。显示部分子程序流程图如图16所示。6 系统性能仿真测试设置初始状态数，光照强度，自动控制，参数小于25，光照强度大于参考值，所以只有D1亮。经过多次按下“J”增加人数超过25，D2将点亮。你按下MODE按钮时，“J”，“C”键会失效，然后按FORCE，灯在全亮，部分亮，全灭的三态间切换。再次按下MODE键，则其他按键可再次恢复控制。仿真图如图17。7结 语 本设计基于现阶段我国高校教室灯光的基本情况，结合目前国家提倡的节能潮流、高校教室灯光控制的管理需求及灯光控制的发展趋势的分析。以环境光线强度、人体是否存在作为最主要输入参数，加入了时间控制，再配合以单片机AT89C52和编写好的程序对灯光进行智能式的控制。本设计相对于传统人工控制式的灯光系统具有安装方便、电路结构简易、工作状态稳定、工作效率较高且成本控制在较低范围等优点。该功能可以达到预期的目标，可以显示人的数量，可以根据学校工作的安排，基本实现了智能照明控制。但由于种种原因，这一设计是仿真测试系统的实现，并没有在现实中进一步的完成，所以本设计在现实操作中还是有可能会发生一些小问题。另外由于本人目前的知识面还很有限，对很多高层次的技术知识还不了解，因而本设计也存在着一些不完善地方。例如：本系统的抗干扰性还有待实际考验，热释红外传感器因其工作原理限制，对于教室开窗，室内短暂的强热空气流动有可能会使其发生误检情况；另外对于大型教室来说，热释红外传感器模块的安放问题也有待考虑。针对于本设计的功能设计还不够丰富，单片机资源还有很多没有被利用，系统的运行效率还不是最高，在今后的学习生活中，我还会加强对智能控制这方面的知识学习和研究，使本系统功能更加丰富。本设计的可移植性与扩展性较强，譬如：可以移植到公司办公楼内，对楼内办公室进行灯光智能控制。可与公司的签到系统进行整合，还可与楼内消防、监控系统整合，在一定程度上实现写字楼管理的智能化与一体化。所以本设计在未来经过完善后，其应用前景具有巨大的潜力和市场。图14 主程序流程图图15 按键控制部分流程图图16 显示子程序流程图图17 系统仿真图 参考文献1 曹巧媛.单片机原理及应用M.北京：北京:电子工业出版社，1997.2 周明珠.无触点开关在控制中