基于单片机的智能楼宇灯光控制毕业设计

第第页目录TOC\o"1-3"\h\u111098383第一部分设计任务与调研 35634第二部分设计说明 562582.1

智能灯光控制系统的发展与现状 510032.2现有智能照明控制系统的分析 523763第三部分系统的设计方案 7258703.1系统设计要求 793993.2系统设计 7269133.3系统功能描述 7113613.4系统硬件电路框图 8306183.5AT89C52芯片介绍 8177863.6单片机最小系统 9229363.7光照强度检测模拟电路设计 11161993.8人体检测电路设计 1381923.9软件设计流程图 1428520第四部分结束语 1512600第五部分致谢 162912第六部分参考文献 16第一部分设计任务与调研在社会经济水平和科学信息技术不断膨胀的今天，社会的进步发展很大程度上取决于资源开发利用，但是不断增加的能源需求和有限的资源数量给人类的生存发展造成了相当大的威胁,能源短缺问题变成了全球性问题，同时也成为一个国家经济发展绊脚石。怎样有效利用能源和节约利用能源成为每个国家紧迫的问题，而符合可持续发展要求无疑是节约能源。在英国，你会很少见到大型彻夜灯光照明的现象，大型公司和政府部门，你是看不到虚浮华丽的所谓“照明工程”。当你漫步在伦敦街头，看不到大面积光华淌泻与楼体通明的景观，所有照明都基本以不影响人们的正常生活节奏为准。许多店铺橱窗的灯光在打烊后会全部关闭，有些店铺还采用定时关灯装置。在政府住宅楼和公寓楼内，楼道里的公用灯也大多采用自动断电装置。作为提高能源使用效率最重要的途径之一，德国政府努力推动能源公司实施“供热供电结合”，鼓励能源公司将发电的余热尽可能用于供暖。2002年，德国颁布了促进“供热供电结合”的法规，根据这一法规，政府向实施该措施的能源公司，尤其是小型能源公司提供补助，帮助他们置办相应设备。中国城市每年用于公共照明的能源支出高达280多亿，节能空间巨大。其中路灯照明能耗占30%以上。发展城市道路照明的同时，路灯以供街道照明以外，还大力兴建了不少景观照明工程，美化城市的夜景，但同时也带来了能耗的极大浪费。据统计2005年，我国全社会的总用电量约为24000亿kW·h，照明用电量约为3000亿kW·h，且每年以13%～14%的速度递增，预计到2010年，照明用电量将超过5000亿kW·h，新增照明用电2000亿kW·h[1]。对高等院校，据测算，其照明耗电占本单位所有耗电的40%左右，可见在保证照明质量的前提下，对教室灯光进行自动控制，其节能效益和经济效益都是相当可观的。目前对灯光的智能控制，国内外已经开始采用，但针对教室灯光的控制智能系统还不是很完善，依然是人工管理占主导地位。现在伴随各类大、中专院校的扩招，教学楼不断扩建，教室用电负荷不断加大，教室用电系统管理不善，造成学校资源的浪费与经济损失，这种做法显然与当今节约能源的理念相违背。当今许多教室采用比较传统的照明系统：在主电源经过一个配电箱分出多个支路，这些支路再分别向灯具供电，然后再通过串接在照明中的单双极开关来通断供电线路[9]，所以该控制系统只能通过开关来控制灯具，无法实现比较人性化、多功能化的系统管理。如在国内外有些灯光控制系统采用声控形式但是其没有经过单片机等芯片的处理使用仍是将采集信号处理后传递给逻辑电路来进行灯光控制，假使外界条件恶劣如有噪声等仍会造成电能的浪费，而且逻辑电路只能实现较少功能，综合而言，整个系统虽然简单但是功能不全，而且无法人性化控制。现代自动化程度不断提高，计算机技术不断普及应用，教室灯光系统也应朝着更人性化智能化得方向发展。本系统采用热释电红外传感器和光敏三极管来感知人体信息和外部光照环境改变，并通过单片机及软件编程的技术实现灯光系统的控制，达到了部分智能化的控制。第二部分设计说明2.1

智能灯光控制系统的发展与现状

智能控制技术发展方向主要有基于人工智能技术的智能控制方向、智能控制的模糊控制方向和智能控制的人工神经网络控制方向，在智能控制的人工神经网络控制方向上，基于人工神经网络和模糊逻辑有机结合的神经模糊技术，已成为近年来的一个热门课题澳大利亚邦奇开发的Dynalite分布式智能灯光控制系统的特点是模块化结构和分布式控制，各功能模块之间通过网络总线直接相互通信，当系统中某个模块出现故障时不会影响其它模块，可靠性高。美国LC&D智能灯光控制系统是一套由计算机微处理器控制的低压继电器配电盘组成，按照客户对室内外照明的具体要求，设定照明控制的时间、区域、方法来控制每一个独立的回路，也有手动开关直接控制。国内生产的真善美智能灯光系统具有集中控制、多点操作、集中显示、停电自锁、免打扰、遥控功能等智能功能，使家居生活更加方便和舒适。但是，国内外智能灯光系统的研究存在着如下问题：（1）现有国外智能灯光系统主要控制照度这个数量指标，国外的研究主要集中于办公室照明，以节能为主要目的，但据照明科技最新研究成果表明，非定量指标（如舒适性和艺术性等）对室内照明光环境质量影响更大。（2）国内一些智能灯光控制系统能够实现集中控制和集中显示，具有一定的智能性，但其只能控制房间中的一个灯或一组灯的开、关，不能实现场景控制，也不能对灯光的亮度进行调节，不能产生多种照明效果。（3）针对住宅照明光环境研制的智能灯光控制系统产品很少，还有很大的开发前景。2.2现有智能照明控制系统的分析一个国家经济发展绊脚石。怎样有效利用能源和节约利用能源成为每个国家紧迫的问题，而符合可持续发展要求无疑是节约能源。在英国，你会很少见到大型彻夜灯光照明的现象，大型公司和政府部门，你是看不到虚浮华丽的所谓“照明工程”。当你漫步在伦敦街头，看不到大面积光华淌泻与楼体通明的景观，所有照明都基本以不影响人们的正常生活节奏为准。中国城市每年用于公共照明的能源支出高达280多亿，节能空间巨大。其中路灯照明能耗占30%以上。发展城市道路照明的同时，路灯以供街道照明以外，还大力兴建了不少景观照明工程，智能灯光控制系统是指用计算机技术并辅助以其它手段，对电力照明实行自动控制，提供合适照明光环境的同时降低照明系统电能消耗和其它使用费用。智能灯光控制系统于手动灯光控制系统相比有很多优点，包括创造环境气氛，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，管理维护方便等。第三部分系统的设计方案3.1系统设计要求在一个非常大的环境中，当白天光照强度足够充足时，照明设备不启动；当光照强度不充足时，会根据人体传感器检测是否有人，开启相应的照明设备，如果人在教室内走动，则会依次点亮其行走路径上的照明设备；当人离开时，蜂鸣器报警然后照明设备关闭。本系统的主要功能是对灯光的开关状态进行智能控制。单片机是用来处理光照检测模块和热释电红外线传感器模块采集到光照强度、室内是否有人等的信息，再根据接收到的信息通过控制电路对照明设备进行开关控制，从而实现照明控制，以达到节能的目的。3.2系统设计本系统设计大致可分为硬件设计和软件设计两大部分。根据系统需要实现的整体功能，选择合适的元器件进行设计。硬件设计主要涉及到构造原理图，并对原理图用protues软件进行仿真，这一步可以说是最重要的，它关系到实验成功与否的关键。然后一旦仿真测试出我们想要的结果后，就可进行下一步原理图的绘制。软件设计部分，应该结合硬件电路所要实现的功能进行设计。主要针对光电检测电路和热释电传感器输出信号进行处理。当光强的时候，系统对光照进行检测，产生信号并处理控制灯的开关状态，科学管理灯光的亮与灭，达到节约用电的目的。本系统以AT89C52单片机作为控制装置的智能控制“头脑”，采用红外人体传感器来检测人体的存在，采用光敏三极管构成的电路检测光照强度；根据教室现有开灯的条件，系统通过对人体的存在信号和光照强度信号来综合管理和智能判断，完成对教室灯光的智能控制。3.3系统功能描述本系统设计的智能灯光控制系统的功能大致如下：1.首先通过红外传感器探测室内是否有人，当人在移动时，热释电传感器输出为高电平，没人的时候输出为低电平，电平值发送到单片机端口进行整体判断。2.当有人在教室内，系统自动启动，启动后通过光敏电阻自动检测教室内的光照强度，然后根据光敏传感器来发送光照强度数据，当室内光强大时，灯不会打开，当光强不够时就打开灯光。如果白天的亮度达到一定程度，就会自动关闭。因为采用光照强度检测，所以不用考虑白天黑夜时间段的问题，只要室内光照强度不够，且有人时就会打开灯。即使是阴雨天都会根据实际光照强度来决定是否开灯。3.数码管显示光照强度的具体情况。4.当人出去后蜂鸣器报警然后灯关闭。3.4系统硬件电路框图本系统具有对教室内的人体进行检测和对光照强度情况进行检测的功能，并对灯光进行智能控制，达到方便和节能的目的。当环境光照强度充足时且教室光照强度大于设定值时，不管有没有人，灯都不亮。若教室光照强度小于设定值，控制会根据有没有人来确定灯的开关，达到了智能控制和节能的作用。光照强度显示电路AT89C52光照检测电路光照强度显示电路AT89C52光照检测电路报警电路控制电路报警电路控制电路热释传感器信号处理电路控制电路热释传感器信号处理电路控制电路3-1硬件电路框图3.5AT89C52芯片介绍本系统采用AT89C52单片机处理芯片，其特点是外围电路简单，价格低廉，虽然此款单片机的工作频率相对较低，但本设计对频率要求不高，能够满足本设计的要求。另外此款单片机有32个I/O端口，方便了设计的需要。图3.1为单片机最小系统。因为52单片机的P0口驱动电流小，因此需要外加上拉电阻。图3-2单片机最小系统3.6单片机最小系统从系统设计的功能需求及成本考虑，这个系统用51单片机来实现。AT89C52是拥有2个外部中断、2个16位定时器、2个可编程串行UART的单片机。中心控制模块采用AT89C52单片机已完全满足设计需要，实现整个系统控制。AT89C52引脚图如3-3所示。图3-3AT89C52引脚图管脚说明VCC：电源GND：接地P0口：P0口是一个8位漏级开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0口端口写“1”时，引脚作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接受指令字节：在程序效验时，输出指令字节。程序效验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位是双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑电平。对P1口写“1”时，内部上拉电阻的原因，将输出电流ILL。此外，与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输出（P1.1/T2EX），具体如下表所示。引脚号功能特性P1.0T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出P1.1T2EX定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制表3-4P1.0和P1.1的第二功能在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑电平。对P2口写“1”时，通过内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流ILL。在访问外部好曾许存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在Flash编程和校验时，P2口接收低8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑电平。对P3口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入端口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流ILL。3.2光照强度检测电路设3.7光照强度检测模拟电路设计3.7.1ADC0804的介绍图3-5ADC0804管脚图管脚说明/CS：芯片片选信号，低电平有效，即/CS=0,该芯片才能正常工作，在外接多个ADC0804芯片时，该信号可以作为选择地址使用，通过不同的地址信号使能不同的ADC0804芯片，从而可以实现多个ADC通道的分时复用。/WR:启动ADC0804进行ADC采样，该信号低电平有效，即/WR信号由高电平变成低电平时，触发一次ADC转换。/RD:低电平有效，即/RD=0时，可以通过数据端口DB0～DB7读出本次的采样结果。UIN（+）和UIN（-）：模拟电压输入端，模拟电压输入接UIN（+）端，UIN（-）端接地。双边输入时UIN（+）、UIN（-）分别接模拟电压信号的正端和负端。当输入的模拟电压信号存在“零点漂移电压”时，可在UIN（-）接一等值的零点补偿电压，变换时将自动从UIN（+）中减去这一电压。VREF/2：参考电压接入引脚，该引脚可外接电压也可悬空，若外界电压，则ADC的参考电压为该外界电压的两倍，如不外接，则Vref与Vcc共用电源电压，此时ADC的参考电压即为电源电压Vcc的值。CLKR和CLKIN：外接RC电路产生模数转换器所需的时钟信号，时钟频率CLK=1/1.1RC，一般要求频率范围100KHz～1.28MHz。AGND和DGND：分别接模拟地和数字地。/INT:中断请求信号输出引脚，该引脚低电平有效，当一次A/D转换完成后，将引起/INT=0，实际应用时，该引脚应与微处理器的外部中断输入引脚相连（如51单片机的INT0,INT1脚），当产生/INT信号有效时，还需等待/RD=0才能正确读出A/D转换结果，若ADC0804单独使用，则可以将/INT引脚悬空。 DB0~DB7：输出A/D转换后的8位二进制结果。3.7.2光敏三极管功能光照强度检测采用的是光敏三极管。光敏三极管与普通半导体三极管一样，是采用半导体制作工艺制成的具有NPN或PNP结构的半导体管它在结构上与半导体三极管相似，它的引出电极通常只有两个，也有三个的。光敏三极管的结构为适应光电转换的要求，它的基区面积做得较大，发射区面积做得较小，入射光主要被基区吸收。和光敏二极管一样，管子的芯片被装在带有玻璃透镜金属管壳内，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片上。光敏三极管的集电极接正电位，其发射极接负电位。当无光照射时，流过光敏三极管的电流，就是正常情况下光敏三极管集电极与发射极之间的穿透电流Iceo它也是光敏三极管的暗电流，当有光照射在基区时，激发产生的电子--空穴对增加了少数载流子的浓度，使集电结反向饱和电流大大增加，这就是光敏三极管集电结的光生电流。该电流注入发射结进行放大，成为光敏三极管集电极与发射极间电流它就是光敏三极管的光电流。可以看出，光敏三极管利用普通半导体三极管的放大作用，将光敏二极管的光电流放大了(I+hFE)倍。所以，光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。光敏三极管产品特点：(1)灵敏度高，响应速度快，易与晶体管、集成电路相匹配；(2)带有基极引出线的光敏管，可以在基极上施加相应偏置电压，进行信号调制；(3)体积小，重量轻，寿命长，可靠性高；(4)金属玻璃封装的器件，具有玻璃表面耐磨性好、光洁度高、耐焊接、耐高低温性能好等。3.8人体检测电路设计3.8.1热释电红外传感器的原理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、灵敏度高、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，这样可大大提高接收灵敏度，增加检测距离及范围。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，其检测距离可增加到10m以上。由于热释电传感器输出的信号变化缓慢、幅值小(小于1mV)，不能直接作为照明系统的控制信号，因此传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路，使得传感器输出信号的不规则波形转变成适合于单片机处理的数字信号图3-6双探测元热释电红外传感器3.9软件设计流程图图3-7软件流程图第四部分结束语本设计介绍了楼宇灯光控制系统的设计方法、结构、设计的硬件/软件等。在对夜灯的控制上达到节约能源的目的，智能调整灯光，比如60%，虽然感受下来和80%也差别不了多少，但是你每一盏灯，每个灯泡都下降40%的亮度。这样一段时间后，电费方面会明显降低。本设计采用符合国际潮流及建筑发展方向的CAN总线技术，进行强、弱电分离式布线。用24V弱电控制强电，强电都走天花板或墙体，人弱电开关灯方式来控制用电设备，所能接触的全为安全弱电，极大的保护了人身安全。提高管理效率，减少维护费用。通过智能控制系统，将普通照明手动的开与关转换成了智能化管理，不仅使本设计的管理者能将其高素质的管理意识运用于用电设备的控制中去，同时将大大减少本案的运行维护费用，并带来极大的投资回报。布线方式简单、灵活。只需灯具原有线路直接进入配电箱，而无需增加布线工作量与材料，相反，在人工、材料上节约十分明显。但本设计尚有不足之处，在停电之后数据不能自动保存，实现真正的无人值守，在改进后实现现场所有灯联网模块和中心均具有停电数据自动存储功能，停电后不丢失数据。在恢复供电时，系统会根据预设记忆参数，自动恢复停电前的工作状态，实现无人值守本发明提供了一种智能照明控制系统，包括多个照明设备、多个探测模块及多个控制模块。

第五部分致谢非常感谢老师在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给我的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到毕业设计定稿，她给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业设计，她们放弃了自己的休息时间，她们的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向她们表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这三年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！通过这一阶段的努力，我的毕业设计《基于单片机的智能楼宇灯光控制》终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在本设计的写作过程中，我的导师肖玥老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。写作本设计是一次再系统学习的过程，毕业设计的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。

第六部分参考文献【1】马淑华王凤文张美金编著单片机原理与接口技术［M］.北京.北京邮电大学出版社2007【2】贾正松基于单片机实现智能照明控制系统设计［J］现代电子技术2009（17）:P105——107【3】孙涵芳、徐爱卿.单片机原理及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社.1996【4】陈新忠.基于RS485总线的单片机多机通信软件设计［J］.现代电子技术.2002.（3）P8-10【5】樊宇、程全.基于RS485总线实现的远距离多机主从式通信技术［J］.工业控制计算机.2006.19（7）P71～73【6】孙雪梅、范久臣.实时时钟芯片在单片机系统中的应用［J］.沈阳教育学院学报.2005.7（2）P132～134【7】胡汉才.单片机原理及其接口技术［M］.北京：清华大学出版社.1996年第1版.p266-268.【8】清华大学自动化系.智能信息处理和智能控制［