基于单片机的自动照明系统论文.docx
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基于单片机的自动照明系统论文
毕业论文(设计)
题目基于单片机的自动照明系统
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学生姓名
学号
指导教师
职称
目录
1.引言1
1.1本课题研究的意义1
1.2国内外照明灯光自动控制器的研究现状1
1.3本课题研究的内容2
2.自动照明控制系统的设计方案3
2.1功能介绍3
2.2方案的比较与选择3
2.3系统组成4
3.自动照明控制系统的硬件介绍5
3.1总体电路图5
3.2单片机介绍6
3.3主机模块6
3.3.1复位电路7
3.3.2时钟电路8
3.4人体红外检测模块8
3.5日光强度检测模块10
3.61602液晶显示模块11
3.6.1引脚分布和接口信号说明12
3.6.2LCD液晶电路13
3.7继电器驱动模块供电电路14
3.8系统供电电路14
4.软件设计15
4.1系统监控主程序模块15
4.2系统自检初始化15
4.3定时中断处理设计16
4.4人体红外传感器的优缺点16
4.5数据采集软件的实现17
4.6编程与仿真17
4.6.1KeilC51软件17
4.5.2proteus介绍18
6.结果与分析19
6.1电路调试19
6.2系统功能测试20
7.结语与展望21
致谢21
参考文献:
22
ABSTRACT23
基于单片机的自动照明系统
摘要:
本课题的主要内容是研究照明灯光的自动控制。
对于学校教室照明,首先以51单片机核心,对教室灯光智能控制的原理和实现方法进行分析,在此基础上开发了自动控制系统的硬件装置和相应软件模块。
以AT89S51为控制模块的核心,以人体传感器感应人的存在,以光敏电阻组成的电路检测光的强弱,通过对环境光信号以及人体存在信号的识别与判断,来完成对教室灯的智能控制,减少能源没必要的浪费。
本文中还加入了1602液晶显示模块,以便能够更好的监控整个系统的运行状态。
该系统具有体积小,专用性强,可靠性高,控制方便,合理的性能价格比等优点,可以满足各类院校中教室灯光的智能化控制,因为其节能效果显著,所以具有很好的现实推广意义。
此过程还需要软件的配合,通过软件仿真和实际效果验证了本文自动照明系统的方案的正确性。
关键词:
AT89S51;人体感应检测;自动照明开关控制;1602液晶显示
1.引言
1.1本课题研究意义
科学技术的快速发展,提高了人们的生活水平,带来的却是资源的匮乏以及环境的恶化。
人类社会的发展高度依赖于资源的开发与利用,资源匮乏已成为全世界所面临的严峻问题,在我国,而能源问题显得更为严重。
目前,由于各类院校扩招所造成教室的不断扩建,教室内部照明的总体需求量也越来越多,由于在管理水平的落后,很多教室在没有人的情况下灯依然开着,这样就造成很多电能没必要的浪费。
因此,教室的灯光管理需要改善。
如今,在对灯光的自动控制方面,国内外研究人员都已经提出很多的方案。
而教室内部灯的控制,院校持续扩招造成教室以及宿舍楼的不断扩建,照明用电量不断增加,特别是很多高校对教室灯光管理水平的不完善,人工管理模式依然很常见,造成学校巨大的电能浪费和经济损失,这种现象与当今的所提倡的节能理念背道而驰。
再者,现代自动化水平不断的提高,灯光的管理也在向着自动化、智能化的方向发展。
例如家居灯光的智能化控制等等。
基于以上原因,促使教室灯光控制也要向着新的理念发展,智能化控制真好迎合时代。
因此,开发出实用的控制系统将教室灯光控制智能化具有重要的现实意义。
1.2国内外研究现状
自然界三大能源的总储备量是一定的,在经济飞速发展的今天,三大能源的储备量正在日益下降,除了要世界性的节约能源外。
积极需找新型能源也迫在眉睫。
在能源的利用方面丹麦处于世界一流水平,无论是节能设备的开发,还是推广都很成功,其经验为世界各其他国家提供了很好的借鉴。
自1974年以来,尽管丹麦国民收入增加了百分之五十,而总的能源消费量并没有增加。
丹麦是OECD成员国中国民收入与能源消耗量之比最小的国家。
他们不断地开发一些节能供热系统,如丹麦热电周供热电厂等等。
在丹麦节能这个词已经深入了人们的内心,节能装置随处可见。
而且,能源的利用率方面他们也很重视。
因此,他们能源使用总效率值达到了百分之九十。
丹麦居民住房用电节能装置在他们搬入新建住房时就已经被安装,提前设立了的诸多要求,对不符合节能要求的新建房屋将不被看中。
数据显示,丹麦居民宁愿多支付百分之八的费用购买入住有节能设施的房子,也不去考虑相对比较便宜的没有节能方案的房屋。
欧盟很多国际都学习借鉴了丹麦在节能项目经验。
并且,欧司朗公司在照明设备发面不断有新型高输出效率的照明设备涌现,新型设备相较之前的产品不但节约系统功率,还提升了光通量和平均光通量。
飞利浦照明公司推出的陶瓷金卤灯取代过去的卤钨灯,可节约百分之六十的电能。
以上种种,皆表明能源问题已经被越来越多国家所重视,各国都在致力于对能源的合理运用与开发,提高能源的利用率,来节约能源。
在我国,自从改革开放以来,国民经济持续多年的稳步发展,伴随着经济增上也造成了环境的破坏与资源的浪费,由于对能源的不合理运用,设备的简陋使得如煤炭之类的能源得不到充分燃烧,一氧化碳等不完全燃烧物的排放,造成酸雨,土地酸化,臭氧空洞等严重后果,自然灾害频繁,不利于未来的可持续发展。
目前能源问题已经成为我国经济发展的强大阻力。
虽然在能源总储量方面我们处于领先地位不低,但由于我国的社会主义国家,所以在人均储量我国则不尽人如意,单位产值的能耗是发达国家的3-10倍。
能从粗多角度出发,能源问题也是我国长期可持续发展战略中一个关键因素。
当能源不能满足人们的日常用度时,工厂停产,工人待业,经济发展受到抵制,还会引起社会的动荡,不利于国家的长治久安。
为了提倡节能意识,绿色照明工程渐渐的走进了人们的视线,他是以绿色环保节能为理念的希望工程。
其目标是在未来的五年内,向广大群众推广节能灯约1.5亿只节能灯,电能节约290亿度。
有些地方为了推广节能灯,人们在购买节能等的同时,将会的到一定的经济补贴,这样就带动了群众节能的积极性,有助于节能灯的普遍推广。
以前的油灯在到后来的白炽灯,最终到现在的高效节能灯,中国见证里照明设备的日新月异的变化。
现在,现在人们再也不拘泥于仅仅是为了照明,更重要的是为了我们的国家能过发展的更快,更稳,我们应该从节能入手,改善我们的生活质量。
从用电量来看,数据显示照明设别上的用电量大约占总用电量的五分之一,其比重不小,考虑到我国人口众多,不积跬步无以至千里,不积小流无以成江海,若以高效的节能灯来代替普通的白炽灯,其节约的电能可想而知,数字十分可观,大约可以节约电能60%-80%。
政府已经在学校、医院、商厦等更换了24万只节能灯。
通过对国内外能源状况的分析无处不透露着“节能”这两个字,回归校园,让我们看一看节能思想在校园内的应用。
如今,大多数家庭都是独生子女,同学们大多是从小娇生惯养,无所谓浪费与不浪费,很多情况下,当老师上完课,学生离开教室后,教室内的灯依然亮着,再加上大多数学校都配别了专门的人来关灯锁门,学校里的教室众多,一个管理员显然忙不过来,这就照成了很多电能没必要的浪费,怎么能减少这些浪费?
这是个很值得我们深思的话题。
基于以上种种,开发新型照明系统就有其现实的意义。
因此教室灯关的智能控制系统设计无疑就成为了其中一项重要课题。
1.3本课题研究的内容
本课题的研究内容有以下几点:
(1)灯光控制方案研究;
(2)灯光检测方案研究;
(3)热释电红外传感器的信息处理;
(4)人体信号与光照环境信号的采集与处理;
(5)开发单片机系统;
(6)研究与现有的教室照明技术相兼容,易替代,防盗,便于维护和维修等;
(7)实验测试与数据分析。
本课题通过试验和研究教室灯光的控制方案来解决如下关键性问题:
(1)照明系统中的控制回路以及控制器自身节能的问题;
(2)教室灯与传感器的配合安装问题;
(3)环境光检测参数输入和采集问题;
(4)人体红外传感器的参数输入和采集问题;
(5)开灯及关灯的自动与手动相兼容的措施。
2.自动照明控制系统的设计方案
2.1功能介绍
本文首先明确了说明自动照明灯控制系统的功能,并且介绍了自动照明灯控制系统的工作原理及其硬件组成,分别从系统原理图,主要的芯片,系统的工作流程图、各模块工作原理和系统程序调试来阐述,给出自动照明系统具体的设计方案。
自动照明控制系统可实现实际的教室灯光人性化智能控制,输入参数主要是环境光信号于人体存在信号的外界因素。
本文是简易自动照明灯控制系统的设计,首先按下开关电源,单片机开始工作,采用热释红外人体传感器检测是否有人存在,采用光敏电阻构成的电路来检测环境光的强度,然后根据教室的合理开灯的条件,通过对环境光信号与人体存在信号的识别判断,最后完成对教室灯光的智能化控制,避免了教室用电没必要的浪费。
2.2方案的比较与选择
方案一:
运用模拟电子和数字电子器件来实现自动照明灯控制。
在光线强时,节电开关为关闭状态,灯不亮,夜间或光线较弱时,节电开关呈预备工作状态。
当有人经过该开关附近时,红外传感器检测到人体信号把节电开关启动,灯亮,当人离去时,延时40~50秒后节电开关自动关闭、灯灭。
图1是自动照明灯控制系统电路的原理方框图,由红外传感器、放大电路、倍压整流、光控电路、电子开关、延时和交流开关七部分电路组成。
图1教室感应自动照明控制电路的原理方框图
方案二:
采用AT89S51单片机进行控制,采用热释红外人体传感器作为人体红外感应模块检测人体的存在,采用光敏电阻作为光源检测模块构成的电路检测环境光的强度,然后根据教室合理开灯的条件,通过对人体存在信号和环境光信号的识别与判断,最后完成对教室灯光的智能控制,避免了教室用电的大量浪费。
本文还加入了1602液晶显示功能,能够较好的监控整个系统的运行状态。
本系统还实现了控制器自动与手动相结合的教室照明智能控制,能更好的、有效的对教室灯光进行控制。
选择方案:
鉴于上述对比与分析,本设计采用方案二。
2.3系统组成
整个系统由中央控制器、硬件时钟模块、光源检测模块、1602液晶显示模块、人体红外感应模块和继电器驱动电路6个模块组成。
其中,对室内光线强弱程度进行判断的是光源检测模块,单片机的时序功能主要依赖于硬件时钟该模块,两者提供定时数据和光照供给以51单片机为核心的中央控制模块,从而对当前状态进行实时的判断,最后将判断的结果反馈给51单片机,最终通过LCD1602液晶显示屏将最终的状态结果显示出来。
整个系统的硬件框图如图2所示
图2系统结构图
3.自动照明控制系统的硬件介绍
3.1总体电路图
本设计以AT89S51作为控制核心,采用热释红外人体传感器作为人体红外感应模块来检测是否有人体的存在,采用光敏电阻构成的电路作为光源检测模块构成的电路检测环境光的强弱程度。
本文还加入了1602液晶显示功能和超时报警功能,就能够较好的监控系统的运行状态。
本系统还实现了控制器手动和自动相结合的教室照明控制,能够更好的、更有效的对教室灯光进行智能控制。
系统总体电路图如图3所示
图3系统总体电路
3.2单片机介绍
单片机又称单片微型计算机,单片机是把中央处理器、存储器、定时/计数器、输入输出端口都集成在一块集成电路上的微型计算机。
单片机与电脑中应用的的通用微型处理器相比,单片机更注重自供应,并且节约制作成本。
体积小是单片机最大的优点,可以安装在仪表的内部,但是存储量比较小,输入输出的接口相对简单,功耗比较低。
单片机如今已经运用在我们生活中的各个方面,在每个智能化控制的机器里,你都会发现单片机的身影;无论是简单的,还是复杂的大型机器,里面都要用到单片机。
可以说不论在哪,甚至在太空中都有单片机。
虽然目前单片机的应用已经十分广泛了,包含了生活中的各方各面,但仍然有很多可以用单片机来控制的项目还没付诸实施,所以,在科学技术不断发展,自动化设备不断被强调,单片机还具有很大的发展空间。
3.3主机模块
本次设计的主机模块是由主控芯片AT89S51、复位电路和时钟电路组成,同时它是报警系统的核心部分,复位电路可以有效的防止系统死机,保证程序的正常运行,时钟电路可以产生时钟周期驱动单片机[4]。
AT89S51引脚图如图4所示。
图4AT89S51各个引脚
AT89S51单片机是一款高性能,低功耗CMOS8位单片机,单片机内含有4kBytesISP的Flash只读程序存储器,该存储器可以反复擦写1000次。
AT89S51具有如下特点:
40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)口,4kBytesFlash片内程序存储器,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个全双工串行通信口,2个16位可编程定时计数器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器[5]。
主要功能表特性见表1。
兼容MCS-51指令系统
4k可反复擦写(>1000次)ISPFlashROM
32个双向I/O口
4.5-5.5V工作电压
2个16位可编程定时/计数器
时钟频率0-33MHz
全双工UART串行中断口线
128x8bit内部RAM
6个外部中断源
低功耗空闲和省电模式
中断唤醒省电模式
三级程序加密锁
看门狗(WDT)电路
软件设置空闲和省电功能
灵活的ISP字节和分页编程
双数据寄存器指针
表1主要功能表特性
3.3.1复位电路
系统的复位电路是将核心控制芯片回到默认的硬件状态下,即使单片机的片内电路初始化,使得单片机能够从一种确定的默认的状态下开始运行,它是每个微机系统必须执行的第一步。
单片机AT89S51的复位是通过外部的复位电路来实现的,其复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
复位电路工作原理图如图5所示,在VCC上电瞬间,电容器C3随之充电,在电阻R1上出现电压,使得单片机复位;几个毫秒之后,电容器C3充满,通过电阻R2上的电流将降为0,电压也为0,使得单片机进入工作状态。
工作期间,按下按钮,电容器C3放电,松开按键按钮,电容器C3又开始充电,在10K电阻上出现电压,使得单片机复位。
几个毫秒之后,单片机进入工作状态。
图5复位电路
3.3.2时钟电路
单片机的时钟电路是用来配合外部晶体实现振荡的电路,这样可以为单片机提供时钟,单片机中各功能部件的运行都是以时钟频率为基准,如果运行时钟为0,单片机就不工作,当然超过单片机的工作频率的时钟也会导致单片机不工作。
电路图6所示。
图6时钟电路图
3.4人体红外检测模块
不管是什么物体其自身都会向外不发射出红外线,由于物体不同,发射出的红外线波长也不一样,通过这一点的区分,我们就可以通过多红外闲的勘察,来做出判断,人体红外传感器就是一种能区分人与其他物体的传感器。
其工作原理如下:
正常人体会发出波长为10μM的红外线,被被探测到之后,先被菲泥尔滤光片增强,然后被聚集到红外感应源,引起感应源温度变化,使得其向外释放电荷,后续电路检测到电荷后,就会显示为有人体存在。
人体红外传感器透镜的信号采集敏感区示意图如图7.
有人进来时,人体红外线被红外传感器所接收,人体存在就会被感应,并以高电平输出。
当人进入到最不敏感的移动方向时,那么人体传感器所检测到的信号就会不理想,有的时会产生误动作,所以在安装人体红外传感器时方向要特别注意。
图7信号采集敏感区
人体红外传感器的原理图如图8所示:
人体红外传感器的1号引脚是电源的信号端,2号引脚是信号采集输出端,3号引脚是地信号端。
在设计电路时,为了增加人体传感器的工作时的可靠性,在引脚2与地引脚3之间加入一个6800PF的电容,此外人体存在传感器的引脚2和单片机的P3.3连接在一起,P3.3再接一个100千欧的上拉电阻,这样就能使得人体存在传感器的输出信号更加的可靠。
其电路原理图如图9.
图8人体红外传感器的原理图
图9人体红外传感器电路图
3.5日光强度检测模块
日光强度检测模块是以单片机作为核心,由于单片机的体积小、成本低,能够满足实际需求。
传感器选择的是光敏电阻,和精密电阻串联串联在一起,分压得到的电压信号传送到A/D如图10。
为了减小模块的体积以及降低成本的价格,本设计选择了功耗低、方式工作为串行的TLC549作为A/D转换器。
TLC549采用了IinCMOSTM技术并且以开关电容逐次逼近的原理来工作的8位串行A/D芯片,可以和通用微控制器、处理器通过CS、DATAOUT、I/OCLOCK三条口线来进行串行接口的。
TLC549有软、硬件控制电路和4MHz的片内系统时钟,转换的时间最长是17μs,最高可以达到为40000次/s转换速率。
总的失调误差最大是±0.5LSB,典型功耗值是6mW。
TLC549采用的是差分参考电压高阻输入,抗干扰性强,可以按照比例量程来校准转换的范围,因为当VREF-接地时,(VREF+)-(VREF-)≥1V,所以较小信号就可以用它来采样,另外,该芯片的电源供电的范围是3~6v。
总而言之,TLC549具有时序简单,控制的口线少,价格便宜,转换速度快,功耗低等特点,比较适用于低功耗的袖珍仪器上单路A/D的采样,也可以把多个器件并联在一起来使用。
工作原理为TLC549带有片内系统时钟,该时钟和I/OCLOCK是彼此独立工作的,对于特殊速度和相位匹配没有要求。
当CS为高电平时,DATAOUT端口是高阻状态,这时I/OCLOCK是不起作用。
这种CS的控制作用允许在使用多片TLc549时,共用I/OCLOCK,来减少多路(片)A/D使用时I/O控制端口。
图10A/D模块
3.61602液晶显示模块
显示模块采用1602LCD液晶显示器,显示控制方法简单,低功率,简单的硬件电路,可以显示字符。
1602液晶模块字符在内存(CGROM)有160个不同的点阵字符图形存储,这些字符包括阿拉伯数字和英文字母和常用的符号,和日本的假名,每个字符有一个固定的代码,如英文字母“A”资本的代码是01000001B,显示模块取41H点阵字符图形显示地址,我们可以看到字母“A”。
1602是有一个标准接口16脚接口。
3.6.1引脚分布和接口信号说明
(1)引脚分布
1602液晶显示共有16个引脚,其引脚分布如图11所示。
图111602液晶显示模块引脚分布
(2)引脚功能
1602引脚功能如表2所示
表2LCD1602引脚功能
3.6.2LCD液晶电路
LCD液晶电路连接如图12所示:
图12LCD1602连接图
读写操作时序如图13和14所示:
图13读操作时序
图14写操作时序
3.7继电器驱动模块供电电路
继电器是整个系统的强弱电的中间体,其驱动电路如图14所示,这里友ULN2003来驱动继电器,在系统开机时,单片机的RESET将51单片机初始化,P2^1管脚是低电平,ULN2003内部的三极管为截止状态,因此开机之后继电器始终处于常开状态,如果人体红外传感器检测到有人体存在信号时,P2^1管脚将输出高电平,此时ULN2003内部的三极管处于导通状态,继电器得电后立马处于常闭状态吸合,从而使负载得以驱动,最后点亮电灯。
继电器都有一对触点,它们都可以常开常闭。
继电器驱动接口电路如图15所示。
图15继电器驱动电路图
3.8系统供电电路
本系统的供电电源采用直流稳压电源供电。
首先先将220V的交流电经过变压、整流、一次滤波和稳压以及二次滤波后转换成稳定的5V直流电压后,在供给整个控制电路,驱动电路以及显示电路供电。
其所对应方框图2所示,以下就各部分的作用加以介绍。
[8]
电路的分析过程如下:
如图16所示,首先在输入端输入为220V的交流电压(即市电),在一般情况下,我们所需要的直流电压与市电的有效值有着很大的差别的差别,此时需要通过降压变压器降压后,再对降压后的交流电进行处理。
在选取变压器的时候也要注意铭牌的选取。
这样可以避免对后续的电路造成一定的影响。
变压器二次侧输出的交流电压对后面直流电也有着一定的影响。
通过整流电路可以将变压器二次侧输出的电压将转换为直流电,此整流电路可以通过4个二极管即可实现。
由于整流之后的直流电中均含有较大的交流分量,这样将会对负载电路的造成一定的冲击;例如,交流分量将混入输入信号被放大电路放大,甚至在放大电路的输出端所混入的电源交流分量大于有用信号;因此不能将此直流电源电子电路的供电电源。
为了解决上述问题,需通过电容滤波电路滤波,将输出的直流电趋于平滑。
在理想情况下,交流分量应当全部滤除,使输出的电压就为稳定的直流电。
然而由于无源滤波电路的影响,所以负载对此滤波电路势必会造成一定的影响。
交流电压经过了上述的处理之后,虽然直流电压中交流分量较小,但当市电波动或者负载变化时,其直流电压还会随之变化。
此时需要接上一个稳压电路来使输出的直流电压基本不受市电或者负载变化的影响,从而使直流电源的稳定性能大大提高。
图16系统供电电路
4.软件设计
4.1系统监控主程序模块
系统的监控观测程序按模块可分成中断子程序和监控观测主程序。
照明灯光自动控制的整个系统的核心就是监控观测主程序,通过人体红外传感器反馈给单片机的信息由用户编写好的程序进行判断,最终将显示的结果在LCD1602液晶显示屏中显示出来。
4.2系统自检初始化
为了保证整个控制系统能够正常运行,系统的自检初始化是很必要的条件。
系统在加电复位以后,就进入了自检初始化程序,从而系统的自检初始化被完成。
初始化主要对一些数据区、控制寄存器和外部芯片进行初始的参数设置以及定义。
在本系统中主要指的是系统内部寄存器的初始化、各接口芯片的检测及芯片内部设定参数的初始化。
检测各接口芯片主要是对各芯片是否已经准备就绪的检测,在无硬件方面是否存在故障等。
如果时钟芯片正处于启动的状态,就需要对时钟芯片进行初始化并且启动实时时钟。
系统内部寄存器初始化一般指的是在数据缓冲区之内,部分特殊功能寄存器SFR的复位初始化和各用户定义的数据变量的初始化赋值,当单片机复位之后,计数器PC就会指向程序存储器的入口地址,程序状态字寄存器PSW被清零,片内存储器选择工作寄存器,用户的标志位F0是0状态,堆栈指针SP指向07H,其它中断允许寄存器IE、定时器,累加器ACC等等都是00H。
4.3定时中断处理设计
定时中断是在用单片机内部定时器定时,计数值已满或是时间到而引起的中断,内部定时器的计数器可以对从外部引线T0和T1输入的外部脉冲或内部时钟进行计数。
计数器的溢出的信号就会引起中断,去置位定时器溢出的标志位,向单片机CPU申请中断。
定时中断是周期性的中断,每过一定的时间要中断一次。
这个系统里设定的定时中断主要是用来构造多任务的操作系统,响应中断之后,无必要对断点进行现场的保护,可以直接进入多任务时间划分的工作,使得相应的操作任务准备就绪。
该定时中断处理程序框图如图17所示:
图17定时中断处理程序框图
系统还采用了外部中断,主要用来判断是否有外来信号的输入,如果有,就采集下来然后处理;如果无,就返回到主循环。
4.4人体红外传感器的优缺点
人体红外传感器有很多优点,如其耗电量较小,价格方面相对于其他产品比较实在、最重要的是它不会对人体产生辐射。
缺点就是容易被各类光源、热源干扰。
当有人体存在时却一定时间内没有任何的活动,人体红外传感器就会认为没有人体的存在。
为了避免该现象出现,系统软件程序中设计为有人体存在状态之后间隔1分钟或是更长时间来对人体存在参数信号进行采集。
人体存在传感器容易受到外界干扰,因此
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