基于单片机的教室照明控制系统设计.doc

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1、基于单片机的教室照明控制系统设计基于单片机的教室照明控制系统设计摘 要： 本文详细介绍了基于单片机的教室照明系统设计，可以有效的节约教室照明系统所耗能源，响应国家号召建设节约型社会的政策。系统以单片机为中心，辅以红外检测模块,光照检测模块，报警声光模块以及灯光控制模块组成完整的控制系统.通过红外检测模块对教室进出人数进行计数，单片机根据需要控制照明系统工作。并且系统还设计了报警模块，对系统可能的误判作出弥补。系统综合考虑了照明系统设计的可实现性与实用性，妥善地处理好强弱电之间的连接以及单片机工作稳定性问题。关键词:AT89C51；照明系统；热释电传感器Design of Lighting Sy

2、stems Based On MicrocontrollerABSTRACT： To respond to the national policy of building a conservation-based social, this paper describes a lighting system based on single chip designed with classroom use, which can effectively save the energy consumption of the system. Centered on microcontroller, th

3、e system supplemented by infrared detection module， light detection module, the alarm sound and light module and control modules complete control system。 By infrared detection module to count the number of classrooms, the microcontroller according to the need to control lighting systems work. And th

4、e system also designs alarm module of the system to compensate for a possible miscarriage of justice。 Considering the lighting system design and practicality can be achieved and properly handle the connection between strong and weak electricity, and stability of microcontroller work。Keywords： AT89C5

5、1； Lighting Systems； Pyroelectric Sensor1 引言随着科学技术的发展，智能产品深入生产生活各个领域，使生活方式产生了巨大的变化。在节能方面，由于智能控制器的介入,使得其效率大大的提高，产品应用范围更广,适应环境能力更强.1.1 研究意义随着国民经济的快速发展，高等教育越来越被政府关注和重视，校园规模也随着高等教育规模的扩大而扩大，教室的数量也大幅度增加。为使师生有舒适的教学和学习的环境，在教室的面积、设施和照度方面，学校在力所能及的范围内予以最大的改善。但由于大学开放型的管理模式，以及部分大学生的节能意识的淡薄,高校的教室在白天室内照度很高的情况下，仍然普

6、遍存在开灯作业；夜间许多教室,即使仅有几个学生在教室自习，但室内照明设施全部开启；另外,长明灯比比皆是,人走不熄灯的现象到处存在.为了建设绿色节约型社会，本文设计了一种智能照明控制系统，可以合理有效地利用照明灯光，从而大大地减少高校照明能源浪费的现象.1.2 研究现状目前，国内外研究开发的智能照明控制系统,按照网络的拓扑结构可以分为集中式或分布式。集中式智能照明控制系统主要为星形拓扑，即以中央控制节点为中心,把若干外围节点连接起来的辐射式互连结构。各照明控制器、控制面板等设备均连接到中央控制器（CPU)上,由中央控制器向照明控制器等末端执行单元传送数据包；分布式智能照明控制系统以中央监控为中心

7、，组建控制主干网和多个控制子网，各照明控制器，控制面板等设备均具有中央处理器CPU单元，每个控制器和面板都可以直接连接在子网上1。1.3 研究内容本文设计的系统采用分布式智能控制，做到人在灯在，人走灯关。系统采用单片机和热释电红外感应传感器自动检测人体信号，不需要人工干预，实现了照明控制的自动化。，同时系统设计了声光报警模块,通知系统的关灯动作,使产品更加人性化。本系统应用方便，适用范围广,减少了人工管理成本.2 系统方案设计本节能系统采用以单片机为中心，设计外围控制电路，构成控制系统。除单片机外，系统还包括红外检测模块,光照检测模块，报警声光模块，以及照明设备控制模块2。其构成框图如图1所示

8、: 单片机电源光敏电阻放大放大蜂鸣器放大继电器红外传感器放大比较红外传感器放大比较图1 系统框图红外检测模块的功能是对进入教室的人数进行计数，为单片机提供教室使用情况的信息.使用红外方式检测具有无接触，检测灵敏,抗干扰,方便安装、使用的特点，是检测人体的最佳方式。光照检测模块的功能是检测光照强度，为单片机提供环境参数，使单片机确定教室光照条件，以便判断是否启动照明设备。照明设备控制模块的功能是根据单片机输出信号控制照明设备的工作。由于单片机输出功率小，一般不能直接驱动电路工作,故此模块包含放大电路。另外此模块功能是弱电控制强电，故需要电路电压的隔离,避免强电串入弱电，损坏单片机。声光报警模块的

9、功能是通知系统将关掉教室照明设备，使可能在教室的人员尽快离开教室或采取其他措施。当教室无人时,系统将关掉照明设备，为了弥补系统对教师人数可能的误判,确保教室关灯时无人员逗留，保护学生人生安全,系统特别设计了声光报警模块.系统通过光照检测模块，判断教室自然光照状态。但光照足够时，不需要打开照明设备。当光照较弱时，系统通过红外检测模块对教室人数进行计数，当教室无人时关闭照明系统，并在关闭灯光时进行声光报警。否则根据教室内人数确定打开照明设备的数量。3 硬件设计系统硬件包括电源电路，单片机AT89C51，红外检测电路,光照检测电路，照明设备控制电路。声光报警电路六个部分.电路具体设计如下：3.1 电

10、源电路电源电路如图2所示,从电网中接入入220V交流电源，通过变压器降压，再经过整流电桥整流，输出直流电压，然后经过集成稳压器LM7805稳压和滤波电容的滤波，为整个系统提供+5V的直流电压。图中C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，R为负载电阻。当输出电流较大时，7805应配上散热板3。 图2 电源电路3.2 单片机选型与基本电路单片机是指把组成微型计算机的各个功能部件，中央处理器CPU，随机存储器RAM，只读存储器ROM，输入/输出接口电路，定时器/计数器以及串行通信接口等，集成在一块芯片中,构成一个完整的微型计算机。单片机面对的是测控对象，突出的是控制功能.主流控制单片机一般是8位控制

11、单片机，一般而言，8位控制单片机足以满足控制需要。单片机加上适当的外围控制电路，可以获得比模拟控制电路优点更多的控制系统4。Intel研制的8051系列单片机是一种非常优秀的控制芯片,在中国广泛地使用。但同时Intel把8051的生产许可证转让给许多半导体公司,从而产生了种类更多，性能更好的与8051兼容的单片机，其中的佼佼者就有ATMEL公司的AT89C51系列单片机。ATMEL公司的AT89C51芯片指令集和芯片引脚与Intel公司的8051兼容；具有4KB片内在系统可编程Flash程序存储器，128字节片内随机读写存储器（RAM)；4个准通用输入输出口;2个16位定时/计数器；6个中断源

12、，2级优先级；1个全双工串行通信接口；时钟频率可达33MHz。此系列芯片配有丰富的集成开发软件，和大量的参考示例,参考书籍丰富，便于系统设计开发调试，有利于加快系统开发进度。系统使用到单片机的两个外接中断源，一个通用输入输出口，一个定时器,单片机不需外接扩展芯片。单片机的时钟信号可以由两种方式产生，即内部时钟方式和外部时钟方式。内部时钟方式是利用单片机芯片内部的振荡电路实现的，需通过单片机的TAL1和XTAL2引脚外接定时原件。定时元件选用晶体振荡器和电容组成并联谐振回路，内部反相放大器自激震荡，产生时钟。AT89C51的振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求，但电容取

13、值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度，一般8051系列单片机晶振频率为6MHz或12MHz，这里确定为12MHz.C1、C2可在20pF到100pF之间取值，但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中,振荡晶体选择12MHZ，电容选择65pF。上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。单片机的RST复位引脚是高电平有效的，高电平有效的持续时间应为24个振荡周期以上。时钟频率用12MHZ时C取22uF,R取1K5.单片机频率与上电复位电路如图3所示 图3 单片机上电复位与晶振电路3.3 红外检测电路本模块的功能是对进入教室的人数进行计数，

14、使用红外方式检测具有无接触,检测灵敏，抗干扰，方便安装的特点，是检测人体的最佳方式。光敏元件具有干扰小，误动作少，频率高，体积小等优点，近年来光敏传感器发展迅速，技术成熟，可靠性强，使用方便,应用越来越广泛。热释电人体红外线传感器最早出现于20世纪80年代末期，它通过检测人体辐射的红外能量，而感应人体,它具有灵敏度高，体积小,抗干扰能力强等特点，因此迅速得到了广泛的应用.它由敏感单元，阻抗变换和滤光窗三个部分组成。热释电红外人体传感器的结构决定了它只对温度变化敏感，当环境温度变化时，做在同一硅晶片上的两个温度敏感单元所产生的及形象感，能量相等的光电流在内部回路中相互抵消，传感器无信号输出。这种

15、传感器具有低频响应（一般为0。110Hz）和对特定波长红外线（一般为515m）相应的特点,他可以抗拒可见光和大部分红外线的干扰,而且只对运动的人体敏感，对静止或移动很慢的人体不敏感。一般而言，热释红外传感器要与菲涅尔透镜配合使用。若不用菲涅尔透镜，其探测距离不超过2m,当使用菲涅尔透镜式其探测距离可以达到10m，例如,一些传感器对20m外的汽车中的人体也能可靠的检测到6。热释电红外人体检测传感器采用美国HAMAMATSU公式生产的P2288型号传感器,外加 5V电源即可供工作。其电路如图4所示： 图4 红外检测模块电路放大器A1，A2将热释电红外传感器微弱的电信号进行放大，放大倍由电阻R3，R

16、4，R5，R9决定。A3将A2输出信号与R7,R8所确定的信号进行比较,C4,R15确定延时时间。当有人经过时A4输出高电平。其输出信号送入单片机的中断源进行计数。使用时安装两个红外检测模块，并一前一后放置，当人体通过时,通过判断先后输出高电平的顺序，确定人运动的方向，对教室内人数进行加减操作。3.4 光照检测电路光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的，在光的作用下，其电阻值一般随光照增强而减小。随光照减弱而增大。利用光敏电阻的这一特性，可以制作各种光控开关等电子电路。光敏电阻具有灵敏度高，体积小，质量轻，光谱响应范围宽,机械强度高，抗震动,寿命长等优点，因此，它得到了广泛的应用。Cds是一种硫

17、化镉为主要成分的光敏电阻元件,其内部电阻随光照射而变化，可作为光照测部件7.光敏电阻Cds无光照时电阻值达几M,有光照时，电阻值迅速下降到几十K,根据这一原理设计光照检测电路，光照检测电路如图5所示 图5 光照检测电路无光照时Cds与R1的分压电路产生高于R2与RV1的分压电路的电压，电路输出低电平。当有光照时,Cds电阻与R1的分压,低于调节滑动变阻器与R3的分压。电路输出高电平。电阻R2与C1形成一阶滤波，滤波后信号输入单片机.3.5 照明设备控制电路本模块功能是根据单片机输出信号控制照明设备的工作。此模块使用弱电控制强电，故需要电路电压的隔离，避免强电串入弱电，损坏单片机。继电器具有动作

18、快、工作可靠、安全性高,使用寿命长、体积小等优点,使用历史悠久。在工业中,它广泛的使用于电力保护，开关控制等场合。继电器可以直接隔离强电与弱电，无需另外附加光耦隔离电路。单片机输出无法直接驱动继电器,可以对单片机输出的信号进行简单的放大，然后驱动继电器，控制照明设备工作8。当单片机输出低电平时Q2截止，继电器两端电压为5V，开关闭合，灯具发光;当单片机输出高电平时Q2导通，继电器两端电压为0V，开关断开，灯具不发光。具体电路如图6所示：图6 继电器驱动电路3.6 声光报警电路声光报警模块的功能是发出响亮的报警声和引人注意的灯光提示。一般简单的蜂鸣器即可完成声音报警功能，通过单片机控制蜂鸣器每次

19、鸣叫时间，发出短促的报警声，引起有关人员注意.灯光报警电路应产生闪烁的有颜色的灯光,这样的电路对环境产生明显的影响才可以引起注意。声音报警电路如下图所示P0.1连接单片机，单片机控制P0。1引脚电平的，来控制蜂鸣器报警,Q1起放大作用。图7 声音报警电路灯光报警电路如下图所示,单片机控制P0.2引脚电平高低，使灯光不断闪烁进行报警，由于P0口具有一定的驱动能力,故可以直接驱动电路。 图8 灯光报警电路4 软件设计使用集成开发工具keil c51根据流程图编辑程序文件，并烧录进单片机。Keil开发环境集成了C编译器、宏汇编、连接器、库管理，仿真器等工具，方便程序的调试开发，加开系统开发速度。C语

20、言已成为当前举世公认的高效简洁而又贴近硬件的编程语言之-，具有良好的可读性。用C语言编写的8051单片机的软件,可以大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完善的系统9。系统启动后首先进行一些必要的初始化，接着检测教室光照是否足够，若做够则关闭灯光,否则调用灯光控制子程序。下图的左图为主流程图，右图为灯控制子程序流程图.程序流程图9如下：图9 程序流程图5 结论本文详细的阐述了一个系统从方案设计到系统实现，此系统的实现与应用将大大的节约教室照明所耗能源，杜绝高校能源的浪费,减轻高校照明财政负担。系统本着实用与易于实现相统一的原则，选择设计方案。并采

21、用模块化设计方法，各模块之间无直接联系，便于今后系统功能的扩充。系统完成后,在使用过程中发现问题，可以得到及时解决，并可随时升级系统，而不破坏系统整体结构。系统具有良好的稳定性和抗干扰能力，电路之间电磁干扰小，工作可靠,应用广泛。通过此次教室照明系统的设计，我对单片机和传感器应用方面有了比较深刻的体会,并熟悉了单片机系统的开发流程及注意事项。在设计中学习使用了单片机仿真软件Proteus和集成开发环境Keil C，增强了我的自学能力,为接下来毕业设计的完成打下了坚实的基础。在此要衷心感谢老师的悉心指导和同学的热心帮助。参考文献1丘吉平.基于现场总线的智能照明控制系统分析与探讨J。低压电器,20

22、05，（7）：1926。 2H.Mao ，Fred Lee。 Review of Power Factor Correction Techniques J, Procedings of IPEMC97，1997 3MMulder,Boyce，Spectral Effects In Route Linghting J.Linghting Res.Technol.37，(2005)pp。199218 4余永权。 ATMEL89系单片机应用技术。北京：北京航空航天大学出版社，2001.15 扬振江.流行单片机实用子程序及应用实例. 西安:西安电子科学技术出版社. 2002。36 王化祥等。传感器原理及其应用。天津：天津大学出版社。 1999.37 李希光。传感器技术手册.北京:国防工业出版社。 1986.128 K.De Gusseme,D.M。Van de Sype，J.A.A。Melkebeek.Design Issues for Digital Control of Boost 9Clarence W。 Silva .The role of soft computing in intelligent machines J. Phil。 Trans. R. Soc。 Lond. A doi: 10.1098/rsta.2003。1223， 1749178011