自习室灯光自动控制系统

1、编号：2自习室灯光自动控制系统作者：张博泓、陈梦醒、邹小亮、方晓璐指导老师：陆道纲目录一、摘要 ,1二、概述,1 / U 亠 ，2三、自动控制系统框架 ,33.1 自动光控模式 ,43.2 正常模式 ,4四、自习室灯光自动控制系统结构 ,44.1 微控制系统 ,44.2 红外线扫描 ,84.3 智能光控系统 ,94.3.1 电路原理 ,94.3.2 光敏电阻的工作原理 ,94.3.3 LM324 ,114.4 室内灯光控制 ,124.41 电路原理 ,124.4 2 元器件说明 ,12五、后记 ,/ 1_1 AL_J，14六、参考文献 ,二*V /、1吵，15斗一摘要校园水电的浪费，特别是用在

2、电上的浪费特别严重。如有时中午大家都去吃 饭了，教室里空无一人，灯却没有关；有时候，天气特别晴朗，可是大家依然灯 火通明。专门针对此种现象，我们设计了本自习室灯光自动控制系统。本设计采用位单片机AT89C51对室内正常灯光和智能光控灯光进行控制，通 过I/O接口输出的信号来控制灯泡的亮灭情况。我们设计的课题主要分为四个部分： 红外线扫描部分，微控制部分，室内灯 光控制部分和智能光控部分。我们通过人工操作单刀双掷开关来给灯泡一个模式， 光控模式和正常模式。在光控模式中，通过光敏电阻感受光的强度，来给比较器 一个高低电压，与我们之前设定的基准电压作比较。 再由微控制部分接收、判断 并输出信号来控制

3、整体日光灯或单个日光灯的亮灭情况，来完成整个工作过程。我们的系统稍加改进的话还可以应用到办公室、 实验室以及卧房等房间，具 有很强的普适性与现实意义。斗二概述在生活中我们常会因为天气较亮的时候经常忘记关灯， 有时为了局部需要又 往往不得不大面积的开灯，因此致使大量电能被浪费。这种现象在大学自习室内 特别明显，而解决这一问题较好的办法通常是采用照明自动控制系统。如采用超声波开关系统或微机自动控制系统及优化开关控制路数，以满足灯开、关的数量和事先设定的照度要求，以期合理用电，例如楼道、厕所、门厅等地方的光控、 声控自动开关。在大学自习室内，有时候天气很好、室内光线充足或者是自习室 仅有1个或两个人

4、在自习，然而全部的灯都在紧张地做着无用的工作， 照亮教室 的每一个空洞的角落；或者几位同学零零星星的占据了各个方位，使得教室的任 何一盏灯都没法休息；更令人感到心痛的是有些自习室空无一人，而电灯却在明 亮的照着这种现象造成了电能的大量浪费。根据自动灯光控制理论，我们设 计了这个专门针对大学自习室的自习室灯光自动控制系统，它融合了我们日常的照明装置系统，而且更人性化的添加了自动光控系统和人体红外线扫描系统。并且还可以根据不同的环境来设置它不同的模式， 例如检修的时候和上课的时候选 用检正常模式。在我们设计的课题中包括：红外线扫描部分，微控制部分，室内灯光控制部 分和智能光控部分。我们通过人工操作

5、单刀双掷开关来给灯泡一个模式，光控模 式和正常模式。在光控模式中，通过光敏电阻感受光的强度，来给比较器一个高 低电压，与我们之前设定的基准电压作比较。 同时安装在每个灯附近的人体红外 线扫描装置扫描这个灯附近是否有人， 然后再由微控制部分接收、判断并输出信 号来控制整体日光灯或单个日光灯的亮灭情况。 现代新型的单片机为外部提供了 相当完善的总线结构，为系统的扩展和配置打下了良好的基础。正常模式就是现 在我们自习室的一般电路。这次设计及制作过程中，我们使用了模拟电子技术、数字电子技术，单片机 技术，光电检测技术等，电气控制技术以及机械等技术进行设计及制作。 这些知 识好多都是在我们的专业课上学不

6、到的， 但我们经过自己看书学习、讨论和陆院 长的指导，我们把这些理论知识基本融合了起来， 这次的参赛设计及制作对理论 联系实际有了一定的作用，使我们的理论知识得到了升华，同时也提高了我们独 立思考和动手能力，增强了团队合作精神，学会了与人交流沟通，我们一起发现 问题，讨论问题，解决问题。+三自动控制系统框架图3-1自动控制系统框架图每个自习室有一个总开关，为单刀双掷开关。一个控制进入检修模式系统，一个控制进入自动光控系统。当开关拨向1触点时启动自动光控模式，当开关拨 到2触点时启动检修模式。如此选用有三个好处：一是便于观察开关的闭合情况， 二是分开独立，互不影响，三是可以定期对系统进行检修或者

7、对坏掉的材料进行 更换。I丨20 0图3-2单刀双掷开关3.1自动光控模式按键闭合，智能光控部分中的外部光线感应器件， 感受光线的亮暗程度来调 节自身的阻值的大小，即对应电压值在起变化，与我们之前设置的基准电压作比 较。同时安装在每个灯附近的红外线扫描仪在此灯照明范围内自动扫描，当在扫描范围内检测到有人时，则将其信号反馈给微控制器并对其进行处理，把信号传到室内灯光控制部分，使其做出相应的响应，控制整体或部分照明灯的开关。3.2正常模式按键闭合，自动光控模式不起作用，类似于现在的灯光人工控制系统， 这时 满足了上课时的暗光线需求，同时在正常模式下检修人员可以对自习室内的照明 系统进行检修。四自习

8、室灯光自动控制系统结构4.1微控制系统微控制部分选用我们常见的 AT89C51主要用来接收、判断并输出信号。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPERO Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能 CMOS 8位微处理器，即单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁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100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的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，AT

9、89C51是一种高效微控制器。图 4-1 AT89C51 单片机电路主要特性：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： 10 年全静态工作： 0Hz-24MHz三级程序存储器锁定 128X8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管脚说明：VCC：供电电压。GND： 接地。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

10、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

11、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“ T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

12、的缘故。P3 口也可作为 AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD （串行输入口）P3.1 TXD （串行输出口）P3.2 /INT0 （外部中断 0）P3.3 /INT1 （外部中断 1）P3.4 T0 （记时器 0 外部输入）P3.5 T1 （记时器 1 外部输入）P3.6 /WR （外部数据存储器写选通）P3.7 /RD （外部数据存储器读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG： 当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字

13、节。在 FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6 。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用 作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止 ALE的输出可在SFR8EH地址上置 0。此时，ALE只有在执行 MOVXMOVC旨令是 ALE才起作用。 另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE 禁止，置位无效。/PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每 个机器周期两次 /PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 / PSEN信号将不出

14、现。/EA/VPP ： 当 /EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000H-FF FFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。 在FLASH编程期间， 此引脚也用于施加 12V编程电源（VPP。XTAL1： 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2： 来自反向振荡器的输出。振荡器特性 :XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配 置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动 器件， XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二

15、分频触发器， 因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求 的宽度。复位：当在89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作 （ 若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环 复位状态 ） 。实际应用中，复位操作有两种基本形式：一种是上电复位，另一种是上 电与按键均有效的复位。这里我们采用第一种，上电复位。上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。常用的上电复位电路如图4-2所示。图4-2上电复位电路上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容C1的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），

16、单片机就可以进行复位操作。该电路典型的电阻和电容参数为：晶振为12MHZ时，C1 为 10 卩 F，R1 为 8.2K Q ;晶振为 6MHZ寸，C1 为 22 卩 F,R1 为 1KQ。 4.2红外线扫描在我们的设计中采用HT7610B的自动灯开关电路。 HT7610助核心组成的红外开关电路原理见 4-3图所 示。（1）电源电路源电路由R1、R2、C1、D1、DW D3和C5组成。市电由电容C1降压，经D1、DWD3和C5全波整流、 滤波和稳压后，输出约812V （本电路为9.1V）直 流电压加至HT761脚与脚之间。该电压取决于 降压电路C1的容值（0.220.33卩F）、电阻R1和对 应

17、稳压二极管的标称稳压值（812V。图4-3红外线扫描仪（2）控制电路热释电红外线探测器PIR感应到来入，触发亮灯； 人离开探测范围后，灯延时点亮约 30秒熄灭（这取决于C3 R4的数值），开关 恢复守候状态。但在开关初通电或断电 3秒钟后再加电时，灯将点亮约 40秒， 最后在约1秒钟时间内闪亮三次后熄灭，进入守候工作状态，这一现象称为 HT7610的加电初始化。初始化与C3 R4的数值、有无人体活动的信号和环境亮 度无关。12R31珠XAC2 104JIHYSJAfiOft22"02 +304 R6 IM的1Uci4C0?R2 IMIZJiCl224/XY16RM 1UC4 101C

18、J 1631 1S<ICHI7610ipGJ加C122即R5 560kSjV RHcTi R9 m03 40C7图4-4 红外线探测器原理图R11 22kR1$15kR12EMkC347pR10 47k7nrif06 n100p LPSHT7610的控制输出端脚与可控硅的触发极 G之间，本电路采用电容 C2耦合, 以免一旦可控硅击穿损坏时伤及集成电路。4.3智能光控系统4.3.1电路原理如图4-5所示，电路主要由光敏电阻和LM324比较器组成。光敏电阻的阻值 随着光线亮暗程度的变化而变化，光线越暗阻值越大。当光线暗到一定的程度， 阻值也达到适当的大小。这时LM324将其所承载的电压值与我

19、们之前设定的基准 电压值作比较。当大于基准电压时，比较器 LM324俞出电压为+5V,经过模数转 换7404,将检测信号送入单片机对应端口。(这部分由于要达到仿真效果，选 用滑动变阻器代光敏电阻)4.3.2光敏电阻的工作原理：光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引 线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻如图所示。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半 导体。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。当光敏电阻 受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子一空穴对的

20、出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子一空穴对就越多，阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大 而增大。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐 渐小。光敏电阻器以硫化隔制成，所以简称为 CDS通常使用热压结晶体之光电 传导零件，其特性有：1 光传导零件之特性：CDS之相对灵敏度与照射光线之灵敏度有关，波长从 5500至6500A(1A=1. 10-8CM)之间有最大的灵敏度。+5v-5vR图4-5自动光控电路原理图2照度特性：在同样之电压下，照度愈强，光电流愈大，亦即是电阻愈小，适当的添加杂 质，便能使照度在小11000 LUX范围内保持与光电时

21、间的直线关系。图4-6光敏电阻外观图片3. 时间响应特性：光照射到度件，光电流达到正常值之 63%勺时间，称为"上升时间"，反之 一，将光遮断，而光电流减少为原来的 63%之时间，则叫做"衰弱时间"。一般其 值为10毫秒至数秒，若置于黑暗的时间较短而有照度愈强，向应时间就有愈短 之倾向，此外，负载电阻增大，贝U上升时间就变短而衰弱时间就变长。4. 温度特性：CDS之禁带宽度高达2.4EV（EV为电子伏特），故可以在-20° C70° C之范 围内工作，当温度上升，光灵敏度减少，在低照度时特别显著。400 500 600 700 800

22、 900 100010060(nrrt)图4-7光敏电阻CDS之符号图4-8光敏电阻光谱图433 LM324LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可 以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合 中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器有5个引出脚，其中“ +”、“-”为两个信号输入端，“ V+”、“V - ”为正、负电源端，“ Vo”为输出 端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的

23、信号与该输入端的位相反；Vi+ （ +）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图4-9。LM324的特点：1. 短跑保护输出2. 真差动输入级3. 可单电源工作：3V-32V4. 低偏置电流：最大100 nA5. 每封装含四个运算放大器。6. 具有内部补偿的功能。7. 共模范围扩展到负电源8. 行业标准的引脚排列9. 输入端具有静电保护功能3 4 - 5 6 7一 11 11 -I3入VEP 输ndGnE图4-9 LM324引脚图4.4室内灯光控制4.4 .1电路原理如图4-11所示，当ROOMLED口接到低电位信号，经过7404反相器给三极 管基极

24、一个高电位，使三极管导通，并将信号放大送入继电器形成回路， 使继电 器闭合，灯泡工作。4.4 . 2元器件说明在本设计中，我们采用弱电控制强电，选用HRA电磁继电器来实现。在各种自动控制设备中，都存在一个低电压的自动控制电路与高压电器电路的互相连 接问题，一方面要使低压的电子电路的控制信号能够控制高压电器电路的执行元 件，如电动机，电磁铁，电灯等；另一方面又要为电子线路的电气电路提供良好 的电隔离，以保护电子电路和人身的安全，电磁式继电器能完成这一桥梁作用。电磁式继电器一般由控制线圈、铁芯、衔铁、触点簧片等组成，控制线圈和 接点组之间是相互绝缘的，因此，能够为控制电路起到良好的电气隔离作用。

25、当 我们在继电器的线圈两头加上其线圈的额定的电压时， 线圈中就会流过一定的电 流,从而产生电磁效应。衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开 触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之 消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位 置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。 这样吸合、释放，从而达到了在电路中的接通， 切断的开关目的。下面是一个电磁继电器HRA勺实物照片和主 要参数：图4-10电磁继电器照片RL1o ROOM3LER21k图 4-111. 线圈参数1- 1.额定电压：3,5,6,9,12,24VDC1- 2.额定线圈功率：330

26、mWV 450mW2. 触电参数2- 1.触点形式：C-一组转换2- 2.触点材料：AuAg overlay , Ag Alloy2-3.触点负载：1A 120VAC/24VDC2-4.最大切换电压：120VAC/30VDC2-5.最大切换电流：2A2-6.最大切换功率：120VA,30W2-7.最小切换电压电流：5VDC,10mA2-8.接触电阻：Max.50mQ ( 6VDC 0.1A)2- 9.寿命：电寿命：100,000次机械寿命：10,000,000 次3通用参数.3- 1.绝缘电阻：Min.100MQ 500VDC3- 2.介质耐压：500VAC,1min触点与触点间500VAC,1mi