【基于单片机的照明智能控制系统设计与实现（论文）6700字】

基于单片机的照明智能控制系统设计与实现目录TOC\o"1-2"\h\u31822摘要 120074引言 1207051.照明智能控制系统简介与方案分析 2279151.1照明智能控制系统简介 2174211.2方案分析 2148382.控制系统的硬件设计 3120642.1控制系统硬件模块的构成及简介 3132812.2控制系统的主要硬件电路 4322713.控制系统的软件设计 9180833.1系统主程序模块 997953.2数据采集模块 1139003.3时钟模块 12248153.4显示驱动模块 1365084.系统调试方式及问题分析 14114944.1单片机系统调试方法及步骤 14109054.2问题分析 15318155.总结 15摘要：为了实现传统照明的智能化，满足室内照明节约资源和低耗节能的要求，设计了一种运用STC89C52单片机作为照明控制器核心的照明智能化自动控制系统。本系统的主要特点是使用红外对管来自动检测进入室内人的数量，同时可以实现在LCD屏上实时显示室内的人数，系统最高可统计人数到99人，可以通过室内人数的多少来自动控制LED灯开启的个数，在本次的设计中，使用了4个LED灯来模拟室内照明灯，在进入室内的人数超过30人时4个LED灯会全部开启；它是采用了一个光敏电阻组成的集合式电路，用于检测室内环境光的强度，然后通过环境光的强度来控制LED灯的亮度；进而完成对室内灯光的智能化控制，同时，系统还可以通过按键选择自动模式和手动模式，它在很大程度上达到了节能的目的。关键字：单片机；人数统计；照明智能引言随着当前经济世界形势的不断复杂变化和推动我国国民经济的不断高速健康增长，能源供应短缺的突出问题已经逐渐发展成为了一个严重制约我国的国民经济健康增长的“瓶颈”。而一个发达国家的发展工业生产和提高全国人民的财产生活水平离不开丰富的天然电力资源和水资源，这就使得电力资源面临了更加严峻的形势。现如今，人们已经越来越广泛地提倡一种低碳生活，生活中不难发现，公共的场所总是灯火通明，然而却空无一人，这种现象浪费了大量的电力资源。本设计所研究的照明智能控制系统就能够很好地实现节约电能的功能。单片机是我们智能控制系统设计中普遍使用的一种集成电路芯片。自从1970年出现了第一部单片机之后，就因为它具有高可靠性、处理数据能力强等特点而被广泛地应用到各种电子产品中。单片机更多地伴随着近几年我国工业和电子数据信息管理技术的不断创新和发展而向着智能化、大容量方向发展。在不久的将来，单片机技术必将成为一种提高我国全体人民的品质和生活水平的主要动力[1]。1.照明智能控制系统简介与方案分析1.1照明智能控制系统简介本设计的控制系统可以有效地满足对照明控制的智能化，在照明系统中运用单片机技术，能够在一定的程度上使得电能的损耗有一定的降低，进而起到节能的作用。本设计系统主要功能就是是把人体检测信号和室内光的强度信号作为输入参数，系统会把人体经过的一个信号转换成为一个可以被单片机所识别的高电平信号，经过这个单片机的高频识别之后，自动控制LED灯的亮灭。接着根据室内光强度的黯淡来自动地调节灯光照明系统的亮度[2]。当室内光的强度在一定值以下并且有人进入时LED灯开启，而在高于一定值时LED灯不开启。红外对管中有两个热释电元，需要注意的是在安装红外对管时要确保这两个热释电元的连线方向垂直于人体经过红外对管的方向，只有这样，红外对管采集的信号才会更加灵敏可靠。同时要尽量避免外界风等直接吹向红外计数管，以免造成信号采集的误差[3]。1.2方案分析这个设计方案的主要输入参数是室内环境光的强度和人体的存在。同时也可以得到满足系统自动进行控制和手动控制相兼容[4]。自动控制模式主要是通过对系统设置一个定时的时间段来实现智能控制一个照明灯的开启和关闭，当系统已经处于定时的时间段内，当有人直接进入室内且室内的光线满足了开灯条件时，系统会自动控制LED灯的开启，而随着进入室内人数的逐渐增多和室内环境光的亮暗变化，开启的照明灯的个数会增加并且亮度也会随室内光线的亮暗变化而变化；如果系统处于不在设置的定时时间段内或者是没有人进入室内（室内无人），那么照明灯就会完全关闭；如果室内有人存在但是系统并不在所设置的定时时间段内，则我们就可以直接通过切换到手动模式的方式来控制照明灯的开启与关闭，从而解决了自动模式在特殊情况下的非人性化操作问题。设计系统的硬件部分和软件部分两个部分相互作用、相互影响，系统的硬件组成部分是作为整个照明智能控制系统设计能够实现其执行目标的一个重要依据，同时也为软件组成部分程序进行程序运行和发展提供了一个良好的平台。系统的软件组成部分的主要功能就是对硬件组成部分的各个端口所需要显示的信号进行数据采集、数据分析和进行一系列的数据处理，从而完成最终所要完成的功能，达到设计的目的。2.控制系统的硬件设计2.1控制系统硬件模块的构成及简介 本设计系统的各个总体控制电路单元主要是以STC89C52单片机主控模块为系统的控制核心[5]，它的外围控制电路单元模块主要组成有射频时钟控制电路、红外对管控制电路、显示屏的模块控制电路、独立式控制按键外围控制电路、LED灯控制电路模块、光线信号传感器和光检测器控制模块、模数信号变换器和控制器、电源模块，系统的总体设计电路框图及其结构原理如下文所述。图1为系统的总体设计电路框图：图1系统设计框图2.2控制系统的主要硬件电路2.2.1中央控制模块图2单片机最小系统单片机STC89C52作为本控制系统的一个主控功能模块，其具有损耗低、性能高、可编程的特点，还是一个可以自动擦除的直接式只读存储器，它的功耗比较低并且数据处理性能十分强大。并且它不占用任何一个用户的资源，抗干扰能力比较强[6]。图2所示即为单片机最小的系统结构图。2.2.2时钟电路为了确保系统的智能化，考虑到室内照明灯应受时间的控制，在本系统中还加入了硬件时钟电路。系统在接上电源后要硬件时钟电路会进行一个自检和初始化，而在进行自检和初始化之前我们必须要知道时钟芯片DS1302所处什么状态，这是因为时钟芯片DS1302所处的工作状态只有在开启状态时，才能够对系统进行正常的初始化过程，进而启动时钟。图3是DS1302的示意图。图3DS1302示意图不论在DS1302上进行什么操作，在操作之前都需要对其进行初始化，因为只有进行了初始化才可以做进一步操作，因此为了可以避免DS1302的内部控制时钟遭到外部环境的干扰或影响。需要在刚开始的时候将输入端RST置为低电平[7]。然而我们无论对DS1302芯片进行什么样的操作，把这些数据直接写入到DS1302时钟芯片的移位寄存器只能保持在一开始的8个时钟周期之内。如果后面是写入数据的命令字节信息，数据会在下一个8个时钟周期内完成字节信息的写入；如果接着的是读取数据的命令字节信息，数据就会在一个时长大约为8个SCLK周期的下降沿状态下进行输出。2.2.3红外对管模块红外对管的发送和接受装置是通过一对红外发射管和光敏接收管组合而成的。在该电路中的LED6和LED7是一对光敏式接收管，LED8和LED9是一对红外数据发送管[8]。为了避免由于电流过大对发射管产生破坏而增加了另外两个限流电阻R21和R22进行限流；电阻R12和R13的存在是作为上拉电阻促使红外对管接收到高电平。若是发生了发射管被其他物体所遮挡的情况，然后受到遮挡物影响的红外光会被传送到接收管然后这个接收管就会被接通并接地，输入端的红外光电压就会远远高于输出端的电压；若是发射管没有任何物体作用进行遮挡，接收管将自动断开，输入端的电压就可能会远远高于2.5V，只有这样电压比较器才会在输出时达到一个高电平，LED状态指示灯将会自动熄灭。如图4为红外对管信号采集模块[9]。图4红外对管信号采集模块2.2.4显示模块图5LCD1602液晶显示图5为LCD1602液晶数据显示系统的电路，LCD1602显示屏需要和数据处理器进行一个并行连接，只有这样才能够接收从处理器向用户发送出来的命令和数控，并且将其在LCD1602液晶数据显示屏中显示出来，LCD1602的对比度也可以通过手动调节电位器R1进行调整。2.2.5模数转换模块如图6为模数转换控制模块，光敏电阻LIGHT1会随着环境光越强而变得越小，而分到的电压也越低。ADC0832芯片足以完成大多数的模拟量转换的要求。单片机通过接受其检测到的可见光而转化成的电信号而实现对照明灯的智能化控制，从而保证室内光照的舒适度，进而减少额外的耗电，节约了电源的损耗。图6模数转换模块2.2.6电源模块图7电源模块系统的单片机在工作的时候需要工作电源来为整个设计系统提供动力，并且对工作电源的要求都是+5V，采用单+5V的电源电压供电可以完成对所有器件的供电问题。图7为本设计所使用的电源模块。2.2.7其他模块在端口按键触发控制电路中，按键在被按钮触发或者按键按下时会与各个端口相互并联接地，单片机可以直接通过判断端口的工作电平，以便于判断每个端口按键在不同的端口时是否被按键触发或者按下，端口电平变为低电平时则可以称为被按键触发或者按下。图8为按键模块。LED2~LED5是一个模拟室内照明的光源，处理器在输出一个低电平时照明灯会被点亮。其中图9是一个模拟光源照明的照明灯。自动模式和手动模式的指示灯只有在低电平下有效，如图10所示。图8按键模块图9模拟照明灯图10自动/手动模式3.控制系统的软件设计3.1系统主程序模块图11主程序流程图本设计系统的主程序模块是整个控制电路系统的一个核心组成部分，而其他的外围电路为了更好地实现它们各自在控制模块中的功能都是需要经过该控制系统的主程序模块。按键可以直接通过命令进行对系统设计主程序的接受和分析，从而进一步的把控制信号转移至相应的处理子程序入口，起到一个引导的重要作用。图11为控制系统的主程序流程图。其描述了整个设计过程中控制一个系统的程序运行时的情况。系统在上电之后传感器就会对外围控制电路的各种数据进行一个初始化过程，然后系统会读取日期时间并在LCD1602液晶显示屏上显示出来，同时显示出来红外对管所检测到的进入室内的人数；接着若是选择非自动模式（手动模式），就需要根据按键来控制灯的亮暗；若选择自动模式，系统只有在有人进入室内且系统处于定时时间内以及室内光线满足开灯条件时自动开启LED灯，其他的条件下LED灯都不会开启，同时系统会根据室内人数的多少来控制室内LED灯的打开、关闭数量进行控制，根据室内的光线强弱来控制室内LED灯的亮度；利用光敏电阻对室内的光照信号以及红外对管对人体信号的采集是系统进行数据采集的一个重要内容，这两个信号的采集元件就是在照明控制系统在自动监测状态下对室内信息数据进行实时采集。3.1.1系统自检初始化系统只有经过了自检和初始化的过程才能确保系统的正常运行[11]，并且系统上电复位后会直接运行并完成系统自检和初始化程序。自检初始化是为了定义硬件所需要的初始化参数。系统的初始化也针对各个接口芯片的功率值进行了检测，目的主要是为了检测各个接口芯片都是否已经没有了硬件故障并且还是处在一个稳定的准备就绪状态。若是时钟芯片处在一个启动状态的话就需要首先对它们进行初始化之后再开始启动时钟时钟。3.2数据采集模块系统的数据采集模块主要采集了室内环境光信号和人体存在信号两种信号，根据环境光的强弱来智能控制照明，即光线较弱则照明灯的较亮，反之则较暗；利用红外对管检测人体自身存在的信号。在对该应用程序进行设计的同时，需要定期地采集到环境光信号和检测到人体是否存在信号，并且要将其放置在一个多任务模块中进行。3.2.1红外对管传感器存在的缺点红外对管是一款本身不会有任何辐射的传感器，其功率损耗较小，隐蔽性也很好，价格也不昂贵；然而其也具有着比较容易受到光源和热源等的影响的缺点，同时射频辐射也很容易对其造成干扰；如果人体温度与室内环境的温度相近则会对红外对管的探测造成影响，其灵敏度也将显著降低，红外对管红外对管也可能导致短期故障。另外红外对管传感器会对两人并排进入室内做出一个错误判断，而不是准确检测到两个人进入室内。3.2.2数据采集软件的实现用逻辑“0”和逻辑“1”分别表示室内环境的状态、灯光的工作状态和人体存在状态，设定为：逻辑“0”表示为室内环境光足够亮时（符合光采集电路输出信号状态），逻辑“1”表示为室内环境光暗时；逻辑“0”表示为室内无人存在时，逻辑“1”表示为有人存在时，逻辑“0”表示为照明灯关闭时，逻辑“1”表示为照明灯开启时，那么室内环境光与人体存在可以采用以下的逻辑关系表来表示，如表1所示：表1室内环境光与人体存在逻辑关系室内环境光参数人体存在参数照明灯状态000100010111上面表格里面的数据我们可以把室内环境光参数和人体存在参数信息进行操作，为了使驱动器能够工作以便于得到室内照明灯的状态，而且采集和处理的信号必须执行非操作，这是因为继电器是一个只有低电平才能驱动的器件。3.3时钟模块在对系统进行自检和初始化的过程中，必须首先判断时钟芯片DS1302的一个运行状态，这主要的原因是由于系统在进行初始化的时候必须要确保时钟芯片DS1302是处于正常启动状态下。并且只有当系统初始化后才可以开始启动时钟[8]。3.3.1数据输入输出只有在对时钟芯片进行了初始化之后才可以对时钟芯片DS1302来执行各种操作，即在开始运行前必须将RST端（复位输入端）设置为一个高电平，同时为了能够防止DS1302内部控制时钟可能会受到外部的干扰和影响，读取或写入数据后，RST终端应该被设置为低电平。同时，为了有效避免外界对复位输入的干扰或影响，复位输入RST必须保持处于0的逻辑状态，且主电源的引脚上电时必须控制大于2.5V。在将命令控制信息和提供有关数据必须要在开始的8个时钟工作周期之内。地址/命令信息是用于指示40个寄存器中的哪些正在执行操作。图12所示为程序输入输出流程图。图12输入输出流程图3.4显示驱动模块显示驱动模块在系统的运行过程中更加直观的了解系统的运行情况，从而更加方便直接地对控制系统进行操作。在本系统中采用了LCD1602液晶屏，在对LCD1602完成了初始化后，接着处理器会对室内人数和光线强度进行一个检测，同时将检测到的数据发送至显示模块直观的显示出来。如图13所示为LCD1602显示模块的流程：图13LCD1602显示模块流程图4.系统调试方式及问题分析4.1单片机系统调试方法及步骤对于单片机的系统在设计中进行调试时可以分为系统硬件的调试和软件的调试两个重要的部分，主要目的就是通过这两个调试过程来发现在系统中的硬件和软件组成部分中所存在的问题，查看他的运行结果是否满足实际要求。为了促使系统能够进入正常的工作，需要在各个硬件部分中都要做好静态调试、软件部分调试和硬件软件的动态调试。（1）静态调试：静态调试的主要目的是为了排除一些硬件方面较为明显的故障和问题[12]。比如由于所加电压过高或者是电源的无意接反对传感器或者是芯片造成的损坏。另外，也要注意插入芯片时方向不要反并且要在断电的状态下插入芯片[10]。（2）软件调试：为了使我们能够更好地实现一个应用软件开发的整个工作过程，需要我们进行一个简易的软件调试。（3）动态调试：为了更好地实现对系统的硬件部分的故障诊断和对软件部分的在线仿真，需要进行一个系统的动态调试。在系统的动态调试中，需要使用一种仿真研究开发的工具来针对用户的各种软、硬件电路做出诊断和调试。然而也有一些在线调试是一些和硬件密切相关的用户程序必须要和硬件紧密地配合起来才能开始实施，同时还需要及时修改和纠正在调试过程中所出现的逻辑性错误。在程序的调试工作完成之后，需要通过一种简单的方式，使用编程器将该子程序直接固化到单片机中，以保证整个系统都能够正常地运行。问题分析针对在调试过程中遇到的一些问题做出了分析与解决。（1）电源系统供电电