【基于单片机的教室灯控制系统设计与实现（论文）8000字】

基于单片机的教室灯控制系统设计与实现摘要：现如今智能控制和我们的生活息息相关，生活中的方方面面已经离不开智能控制，现在的学校的数量在增加，不可避免的教室数量也在急剧上升，如果能智能控制灯光开或者关，那么将节省大量的电能。本文着重分析了教室内照明系统和现代智能照明系统对教室的灯光的控制方法，提出了一种智能灯光系统控制方案，其中以单片机作为该控制系统的核心元件，处理来自各个模块传来的信息，人体的存在与否可以用人体红外线传感器来检测，教室里自然光强度可以用光敏电阻嵌入一个电路检测，分析开关灯的充分必要条件，该系统通过人体是否进入教室，光强度是否达到需要开灯的条件等判断，再将这些信息综合处理后，实现控制教室内灯光的目的，避免电力资源的大量浪费，有着稳定，安装方便，成本低的优点，很大程度上能帮助各高等院校实现对教室灯光系统智能控制的目的，实现一定范围内的对于电能的节省和高效利用。关键词：单片机控制；红外线传感器；教室灯光目录115261绪论 11.202131研究背景及目的 1156841.2照明系统的介绍 1275001.3研究内容 2218662基于单片机控制教室灯光基本理论 3233012.1教室里灯光特性 3237132.2系统控制方案分析 3186713教室灯控制系统硬件设计 4305453.1总体设计 4323163.2单片机 5121493.3环境光采集电路 654463.4时钟模块 7217773.5人体存在传感器模块 9268583.6看门狗模块 10324833.7超时报警模块 1199473.8继电器驱动模块 1256293.9按键电路 12259553.10小结 13273874教室灯控制系统软件设计 14246464.1系统总体流程图 1425254.2各子模块流程图 1523973结束语 2127095参考文献 221绪论研究背景及目的现如今我国有着不完善的教室灯控制系统，学校教室几乎都是人工手动控制灯光的亮与灭，由于人工的疏于管理，势必会造成大量的电能浪费，和我国的节约能源的理念背道而驰。再者说计算机技术的不断的发展和普及，智能控制走进了千家万户，与我们的生活息息相关，教师灯光控制系统自然也要朝着智能化的方向提高，所以，打造一个成本低廉且实用的教室灯光管理系统便具有重大意义。照明系统的介绍目前国内性价比高可以被大量配备和易于安装与教室里的照明控制系统简介：1.Dynalite智能照明控制系统。调光模块、开关模块、控制面板、液晶显示触摸屏、智能传感器、编程插口、时钟管理器、手持式编程器和PC监控机，这些部件经过组合共同构成Dynalite智能照明控制系统。该系统的工作原理:微型CPU控制控制模块，所有控制的部件互连至在微型CPU上，每个操存储器均能单独的完成指令，教室师生可以选择有一种简单的控制方式，可以根据教室里不同时间有着不同学生的特点，控制着照明系统。另一个系统是通用传感器，有着红外线和光强来监测遥控接收器。C-Bus智能照明控制系统。C-Bus系统由澳大利亚的一个公司在上世纪发明的，不仅可以用于控制教室灯照明系统，也可以运用于医院，公安等公共场所和设施。该系统内所有的原件都包含着微型CPU和储存器件，由1对信号线连接网络，1个单元设置1个地址，并将控制着回路上的负载。ABB

i-bus

EIB智能安装系统。其中，传感器的类型有，光线传感器，时间传感器和移动传感器，ABB

i-bus

EIB智能安装系统就是1个现场总线系统，只要是元件，都是1个单独的节点。这些节点连接在同一根2芯双绞线介质的总线上，所以不分主从隶属关系的实现相互之间的通讯从而完成控制和被控制。研究内容这篇论文先分析学校教室的灯光的使用特点、自然光强度，学习用光的强度需求和传统系统的不足，提出了一种基于单片机的教室灯光控制系统。然后从硬件设计和软件设计两个方面进行了介绍。整个系统以单片机为主控模块，其外围模块的主要模块是：环境光采集电路模块、红外线传感器模块、时钟模块、看门狗模块、按键电路、存储模块、超时报警模块、继电器驱动模块。根据教室合理开灯的条件，用单片机对人体存在信号和环境光信号的识别与判断后，来智能控制教室里灯光的亮或灭。最后显示了整个控制系统的调试过程。为表建立了四种样式：1.三线表2.表题（表序和表名）3.表标题行、标题列为表建立了四种样式：1.三线表2.表题（表序和表名）3.表标题行、标题列4.表内容（除标题行、标题列外的单元格）5.续表字样（表太长分页显示时才需要）2.1教室里灯光特性首先关注的是教室里灯光的用途，白天自然光强度足够高，足够支持学生所需要的看书要求和写作要求，晚上无自然光或者说自然光强度很低时，学生以在教室自习为主，不排除某些教室被用来上课，不管是哪一种，为了学生的身体，都需要保证教室里的灯光强度足够支持学习或者自习，但是相应的造成了很多的电能浪费。因此，在保证光强度的前提下，研究一种可以节能的智能灯光控制系统。为了节约能源，最直接的方法就是改善灯泡，大量使用节能灯就能既能保证光照强度足够，并且也可以节省大量的能源，提高设备照明的效率，一般都能满足教室的用光需求。高效的智能灯光控制系统也可以大量的节省电能。教室灯开或者关由学生和光强度两个参数共同控制，自然光强度足够时，教室里绝不开灯，当自然光强不够时并且教室里有学生需要用到灯光时，该系统控制教室的灯打开，在自然光强度足够或者学生离开时，系统控制关闭灯光。而教室里是否有人就依靠环境光采集电路和光敏电阻来共同决定和控制。2.2系统控制方案分析智能控制首先有控制器，人体存在与否和自然光强度是否足够为两个参数，自动控制和手动控制相互兼容，不管哪种控制，都由硬件和软件两大部分组成，硬件设施是基础，为软件实施提供保障和平台，而软件部分是将硬件部分采集的参数将由设计好的程序加以分析处理，达到控制灯光的效果。整个系统所处的环境是学校教室，由于人体传感器和光敏电路容易受环境的影响，因此需要加添相应的抗干扰措施。而且由于教室里会大量配备这种灯光控制管理系统，成本低廉也是一个重要的参考因素。教室灯控制系统硬件设计总体设计系统以单片机为核心部件，加了环境光传感器，存储器，人体存在传感器，按键电路时钟模块等作为模块，结构图如3-1所示。环境光传感器模块由光敏电阻电路组成，当自然光增强，电阻很小，当无自然光或自然光强度变低时，电阻变得很大，这样就将光信号转变成电流，而电流这种电信号可以被采集起来。而电阻突变的点可以由需要的光强度来手动变化。人体存在传感器模块可以用红外线传感器模块，由人体所发出的特殊波长红外线来控制，一般市场上的红外线传感器以HP-28为主，该传感器有着成本低，抗干扰能力强的特点，适合大量配备。系统数据储存可以由X5054组成，这是一种512字节的，同时兼顾着看门狗和监测电源的作用的储存器。环境光采集传感器（光敏电路）单片环境光采集传感器（光敏电路）单片机系统EEPROM存储器模块 人体存在传感器看门狗模块人体存在传感器看门狗模块按键电路模块按键电路模块时钟模块图时钟模块继电器驱动模块继电器驱动模块灯光超时报警模块灯光超时报警模块图3-1系统控制单元结构图单片机本课题是基于单片机的系统设计，所以针对单片机做了AT89S51与AT89C51的比较与选择如下：写入方式：写入程序的方式有两种，AT89C5仅仅1支持并行写入，不支持其他，并且同时需要烧写电压较高，高达10v以上。但是AT89S51不仅支持在线可编程写入技术，还支持串行写入技术，而且具有速度快、稳定性好，成本更低等一系列优点，而且所需烧写电压也不高，烧写电压也仅仅需要4~5V即可。工作所需电源范围：AT89S51电源范围宽达4.5-5-5V,在此范围内都可以正常工作而AT89C51在低于4.3V和高于5.6V电压的时候则会出现死机甚至烧坏的情况。3.工作频率：目前AT89S51的性能远高于AT89C51,AT89S51极限工作频率可达到32MHz，而AT89C51工作极限频率仅为25MHz。4.加密功能：AT89S51算法更新，漏洞更少，不易出错，安全系数更高，这让解密AT89S51几乎不可能，保密性能远超AT89C51.5.抗干扰性：内部自带1个看门狗计时器用来减少外部信号造成的干扰，而AT89C51本身不具有抗干扰的能力，实验时可能会出现问题。6.使用寿命更长：据说可以运行上万次，最少也能运行4000次，而AT89C51仅仅只能使用2000次，相对来说AT89S51的成本低，性价比远超AT89C51。7.AT89S51可以替代AT89C51使用，同样的程序，运行结果相同,但是AT89C51不可替代AT89C51。8.在市场价格方面，AT89C51的功能更少，价格更贵，不适合在教室里大量配备，而AT89S51成本更低，功能更多，稳定性更好，适合大量配备。AT89S51是一种低功耗，具有8K在线可编程Flash存储器的单片机，此外AT89S51具有可多次编程，合理安排RAM空间，电路简洁，能耗低等诸多优点，因此，将AT89S51单片机作为本系统模块的主控芯片。主控芯片的主要特征见如表3-1所示表3-1AT89S51单片机芯片主要特征表AT89S51引脚外围器件引脚说明P1.0X504SIX5045串行输入端P1.1X5045SCKX5045串行时钟端P1.2X5045CSX5045片选端P1.3X5045S0X5045串行输出端P1.4工作状态指示灯P1.5DS1302CLKP1.6DS1302I/OP1.7DS1302RSTP3.0-P3.1数据采集输入端P3.3人体存在传感器输出信号端P3.4超时报警信号输入端P3.7光敏三极管输入信号段这个系统采用9伏特变压器，外接220伏特电源时，经过变压器工作，将220v的家庭用电变压到9v，最后经过二极管整流，电解滤波，得到5v的直流电压，就可以给单片机及其单片机外围电路供电。图3-2系统供电原理图环境光采集电路光电传感器是一种将光信号转化成电信号的装置，并且还具有将光信号放大的功能，当光照强度不够甚至是无光时，三极管穿透电流为暗电流，当光照强度足够支持教室所需要时，穿透电流增大，变成光电流，此外光电流的大小和光照强度成正比，电阻和光照强度成反比，光照强度越强，光电流越大，于是光信号就被转化成电信号，而光敏三极管极其敏感，而且电流小，电压低，发光均匀稳定成本低可大量购买的优点。光敏电阻采集参数工作原理图如图3-3所示。当光照强度低于需要值时，（这个值由管理员设定好，一般都是学生读书需要的最低光照强度），光敏电阻很大，当大于100千欧时，三极管Q8输出高电平，在电路中工作，当光照强度足够时（达到设定值时），光敏电阻小于1千欧，输出低电平，在电路中不工作，其中R9是一个调整参数的器件。图3-3光敏电阻采集参数工作原理图时钟模块教室里是否有人也和时间有关，半夜十点之后和节假日放假后，教室里不太可能有人，所以这个系统也和时间有关。老旧的芯片，虽然成本低，但是这些芯片的有着引脚太多，体积大，占用的口线多的缺点，显然不适合用在现代的控制系统上。所以要挑选一个有着成本低，引脚少，体积小等优点的芯片，DS1302就符合这所有优点，可以大量购买使用。该芯片使用24时计时方法，有自动闰年补偿等功能，具有体积小，成本低廉，便于安装等优点考虑到系统停电的时候甚至作为电源为时钟电路提供电能，DS1302这个芯片采用串行通信方式，不仅可以提供作为电源的功能，还有体积小，精度高等功能，工作电压低，基本上可以满足系统芯片的全部要求。时钟内置芯片图如下图3-4所示。图3-4时钟内置芯片图DS1302与单片机接口电路连接原理图如图3-5，其中Vcc2外接3.6V的一枚电池，为DS1302的备用电源。连接单片机之后进行数据传输。图3-5DS1302连接单片机电路图人体存在传感器模块在自然界中，不仅仅是人可以发出红外线，小动物也可以发出不同波长的红外线，因为热型红外传感器抗干扰能力强，波长宽，成本低廉，适合在学校的环境工作，所以本系统采用的是热型红外传感器。1.热型红外传感器工作原理如下：人体体温恒定，一般都是36度以上，38度以下，会发出特定波长的红外线如果教室里能检测到一定量的红外线，则发出有人的信号。该传感器是专门为检测人体是否存在而被创造出来的，所以精度十分高。2)表面有抗干扰材质，抗干扰性强。3)当有人进入教室后，经过信号处理后，产生一个人体存在的信号，返还给单片机2.人体存在信号采集电路人体传感器主要特性如下：1)自动采集高电平2)可重复触发，当有人体的时候是高电平，当检测到无人的情况下，延时十五秒，若检测仍然无人，则输出低电平。3)需要的功率低；4)适应温度-20度到55度，可以应付很多的环境。红外传感器的1号引脚是电源信号端，3号引脚是地信号端，2号引脚是采集信号输出端。电容为6800微法，电阻为100千欧，其电路原理图如图3-6。图3-6人体传感器设计电路图看门狗模块看门狗定时器的预置时间是人工设定的，如表3-2所示，状态寄存器一共有6位，每一位状态寄存器都与看门狗电路有关表3-2看门狗定时器的预置时间表7654321000WD1WD0BL1BL0WELWIPWD1=0，WD0=0，预置时间2.1sWD1=0，WD0=1，预置时间0.6sWD1=1，WD0=0，预置时间0.4sWD1=1，WD0=1，看门狗不工作看门狗电路时间的长短可以由自己设定好，一般和系统相比，略微高一点。看门狗电路图如下图3-7所示：图3-7看门狗电路图看门狗电路能在电路低电平工作时避免死机甚至程序出错等情况的发生。超时报警模块教室里，当使用手动控制灯光开与关时，由于学习的时候入迷或者说最后一个离开的学生因为粗心大意，忘记关灯就会造成无人的教室里长时间开着灯，浪费大量的电能。所以就要加一个超时报警电路，减少或者避免这种情况的发生，不仅能够节省电能，还能方面老师更好更方便的管理教室。无人超时报警电路图如下图3-8所示：图3-8超时报警电路图继电器驱动模块如图3-9所示，继电器驱动接口负载电路的电路图，继电器由三极管启动。启动后初始化为高电平，若不是高电平，三级管开始工作，继电器驱动负载，使电灯亮起来。整个硬件电路图比较简单。图3-9继电器驱动接口负载电路图按键电路按键控制电路图由图3-10所示。一共4个输入信号端P2的4个低口为输入信号端，当所有按键都没有按下时，均为高电平，当按键按下时，对应的变成低电平，确定哪个端口被按下后，4个二极管和电阻变成与门电路，当任意按键按下，电平变低，只要利用电平变化产生的中断，确定被按下的按键，再来执行相互对应的程序功能。图3-10按键控制电路3.10小结对于本实验所需要的主控芯片单片机，选取了AT89S51单片机作为主控芯片单片机，该芯片具有可重复书写功能，且成本低廉，基本能满足该实验的全部要求。然后对于各大模块做了相应的了解，从成本到功能强度进行具体的分析后，了解了工作原理，完成了教室灯控制系统硬件设计。教室灯控制系统软件设计系统总体流程图教室的灯控制模式有2种，分别是人工控制和智能控制，由于出厂时就已经默认为智能控制，需要变成人工控制时，按下按键。若有键按下，系统就进入手动模式，通过人为按键来判断灯光是开还是关。如果没有键按下，默认为自动模式，这时光采集电路判断自然光的强度，如果光强度足够支持学生学习，则关灯，如果自然光强度不够支持学生学习，则通过红外线传感器来判断教室内是否有人的存在，若有人则开灯，若无人，则仍然熄灯。灯光是开还是关由继电器驱动电路控制。然后多次试验，直到找到适合的光照强度，找到合适的光照强度后，则将这个系统编程，放入单片机中，使单片机运行起来。对于单片机来说，这个系统的主程序是一个无限循环的过程，也是一个反复调试子程序的过程，子程序中相互转化镶嵌套用，命令子程序完成命令对应的具体操作，中断子程序可以控制功能子程序，而最重要的监控子程序分析来在外部的命令，把控制转到相应的子程序的入口，起一个“带路人”的作用。所有的功能都在这个“大房子”中进行，包括激活看门狗，采集外部信号，接收外部按键信号等。所以系统初始化自检查是整个系统能运转起来的必要条件。检测芯片是否进入准备启动状态，检测红外线传感器是否能够检测到人体发出的红外信号，检测有无硬件故障等。系统的总体流程框图如图4-1所示：自诊断开始自诊断开始系统初始化系统初始化按键否？键盘扫描程序Y按键否？键盘扫描程序YNNNN有有人吗？YY光照强度够吗？光照强度够吗？YNN亮灯亮灯延时10秒延时10秒YY有人吗？有人吗？NN熄灯熄灯图4-1系统的总体流程图4.2各子模块流程图定时中断就是指到了一定时间内，内部计时器发出一个信号，计时器发出一种信号作为请求中断信号。定时中断为周期性循环中断，到了设计好的时间，内部计时器就发出一个信号，向芯片发出请求中断信号，此时系统中断后，无需派专人保护，程序图如下图4-2所示。中断时间到了吗中断时间到了吗YY中断中断NN下一步下一步图4-2系统定时发出中断信号图由于本系统的运用环境为大学教室，所以不同的地点对于光照信号的采集多多少少都还是会出现一些误差，而采集的自然光是一个非线性的变化，而且与教室里的桌椅板凳摆放有着明显的关系，因此必须好好考虑如何合理摆放采集自然光信号的装置来减少误差，才能更好的反应教室里实际的自然光度情况。该系统就是为了避免教室里长时间无人但是长时间亮灯造成的电能浪费而设计出来的，因此在教室里无人或者教室里的自然灯光足够强时，灯光始终不开启，而只有当教室里有人且自然光的强度不够支撑这学习的时候才会开灯。灯光是否开启和人体存在与否的逻辑关系图如表4-1所示：表4-1灯光亮或灭与人体是否存在关系表自然光强度教室里人的存在与否教室的灯光强无灭强有灭弱无灭弱有亮根据表4-1所示，自然光强度和人体是否存在教室里共同控制着教室里灯具的亮或暗，因此可以将这两个参数进行操作，使驱动继电器工作起来。可得到教室的灯状态与人体存在与否，软件程序代码为：Function:BodySensorandlighttolightport356DoSensLight:Movc,port33;SignalofSensorAnlc,port37Cplc;havepersonandnolightMovport35,c;onrelay1Movport36,c;onrelay2JncSensOut;nopersontooutHaveperson:MovsensDelayBuf,#5;delay5minuteSensOut:out但是由于生活中，大学教室里并不是仅仅只有人能发出10微米的特定红外线波长，比如某些小动物，像猫猫狗狗这些小动物就会对人体存在传感器采集数据产生干扰，可能会出现教室里只有一只猫，而灯亮一晚上的情况，依然是和节省电能这个最初的想法南辕北辙，因此就要想办法将这些干扰信号降到最低。1.防止宠物等小动物对传感器采集信号的干扰，可以将探测器安装在1米左右的高度，这个高高度一般都能检测到人体存在的信号并且很难采集到小动物小宠物的信号。2.手机也会源源不断地放出电磁波，可能也会对芯片产生性能上的干扰。3.防止某些卤素大灯透过玻璃照射却没有采集到灯光信号，这样容易产生同时开着两种灯的情况。电压表测量输出电压电压表连接电源部分，若电压表示数等于电源电压或略小于电源电压则解决问题或更换电源，电源调试流程图如下图4-3所示。电压表测量输出电压N结构是否满足要求N结构是否满足要求检查原因并解决检查原因并解决电源调试完成Y电源调试完成Y图4-3电源调试流程图输入一个小程序，若系统可以工作，则无问题，否则检查原因并解决。最小系统检测图如下图4-4所示。输入小程序输入小程序检查原因并且解决N能否工作检查原因并且解决N能否工作YY完成调试完成调试图4-4最小系统调试图下载按键程序后，按下按键，相应端是否能采集到对应的信号，若能采集到正确的信号则无问题，若不能采集到信号或采集到错误信号则查看硬件软件的问题并解决。按键电路调试图如下图4-5所示。下载按键程序下载按键程序硬件连接无误硬件连接无误N是否采集到信号N是否采集到信号查看硬件查看硬件和相应软件YY按键调试部分成功按键调试部分成功Nj你NN图4-5按键电路调试Nj你NN在硬件部分正确的条件下，给电路一个采集信号，若采集端采集到的信号后，达到要求，则电路调试成功，若不达到要求，则调整对应的物理量，直到满足要求，采集电路调试图如下图4-6所示。给电路所需要的采集信号给电路所需要的采集信号电路调试成功YY硬件连接硬件连接是否达到要求是否达到要求调整物理量采集端采集信号N调整物理量采集端采集信号N图4-6采集电路调试图DS1302，刚买来一个新的芯片需要加入一个新的自检化程序，程序代码如下图所示：Function：StartcheckDS1302DSCheck:MovR6,#DS1302Sec+1;SecondTimeACallDSRd1ByteMovDSCheckData,aCjnea,#60H,$+3DSCheckNext:JncDSSetTime:a>=60HtoSetDS1302'sTimeAcallDSDelay;DS1302delay1secondMovR6,#DS1302Sec+l;a<59HReadDS1302'sSecondagainACallDSRdlByteCjnea,DSCheckData,DSOK;TwoDSSecofReadingisdifferentAJMPDSSetTimeDSOK:Ret自检完以后，必须先初始化，需要把RST端变成高电平，若RST输入端不是高电平的话，数据传输立刻终止，并且芯片引脚立即增大阻抗到很高。在数据输入完，芯片读取完之后，RST端才能变为低电平，此时，低电平可以防止外部干扰对芯片的内部时钟。同时，为了防止复位输入端受到外部干扰，当有要求上电的时候，RST端只能置0。数据输入的流程图如下图4-7所示：开机开机复位端变高数据传输一次复位端变高数据传输一次写命令字节写命令字节SCLK脉冲SCLK脉冲N够8次吗N够8次吗YY写数据字节一位写数据字节一位SCLK脉冲SCLK脉冲N够8次吗N够8次吗YY复位端变低复位端变低完成一次输