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家庭灯光智能控制系统设计
毕业设计(论文)中文摘要
家庭灯光智能控制系统设计
摘要:
随着科技的不断进步,经济也在飞速的发展,人民的生活水平日益提高,传统的家居概念已经不能满足人们对家居环境的需求。
智能化的灯光控制、温度控制、电气控制、远程控制等渐渐地融入人们的生活,组成了具有时代感、科技感的现代智能家居系统。
家居灯光的照明控制系统是最基本的一个环节,而防盗控制系统更是其中至关重要的一部分。
本文重点阐述了家庭灯光智能控制系统的设计原理与实现方法。
以设计过程为主线,分别从硬件电路和软件程序两方面记述了整个设计过程,即从硬件方面的电路设计方法到软件方面的实现所需功能软件技术。
该家庭灯光智能控制系统的控制器以AT89S52单片机为核心,实现了控制灯光亮灭和蜂鸣器报警的功能。
文中详尽的描述了各个控制电路的设计过程,其中包括:
环境光采集电路,继电器驱动电路以及蜂鸣器报警电路等。
关于软件设计主要包括控制器程序设计与灯光控制设计、蜂鸣器控制设计等程序设计。
所要实现的功能是:
通过热释电传感器,光敏电阻和ADC0832,由AT89S52单片机控制,实现灯的开启和关闭以及异常时蜂鸣器发出警报的功能。
关键词:
灯光智能控制单片机热释电
毕业设计(论文)外文摘要
TitleTheIntelligentControlSystemDesignof
HomeLighting
Abstract:
Astechnologycontinuestoprogress,rapideconomicdevelopment,increasingthelivingstandardofthepeople,traditionalhomeofconceptcannolongermeettheneedsofpeopleonthehomeenvironment.Intelligentlightingcontrol,temperaturecontrol,electricalcontrol,remotecontrol,graduallyintegrateintopeople'slives,formedwiththesense,thesenseofscienceandtechnologyofmodernintelligenthomesystems.Homelightingisoneofthemostbasicaspectsoflightingcontrolsystem,alarmcontrolsystemisavitalpart.
Thisarticlefocusesonafamilyofintelligentlightingcontrolsystemdesignandimplementation.Tothedesignprocessasthemainline,fromdescriptionsofbothhardwareandsoftwareprogramtheentiredesignprocess,fromthehardwarecircuitdesignmethodtoachievetherequiredfunctionalityofthesoftwaretechnology.ThefamilyofintelligentlightingcontrolsystemcontrollerusingAT89S52microcontrollerasthecore,enablingcontrol,lightsout,andbuzzeralarmfunction.Designofcontrolcircuitfordetaileddescriptionofeachprocess,including:
ambientlightcircuitfordataacquisition,relaydrivecircuitandbuzzeralarmcircuit.Designsoftwareincludingcontrollerdesign,programminganddesignoflightingcontrol,buzzercontrolprogramdesign.Functionistobeachieved:
byPyroelectricsensorandphotosensitiveresistanceandADC0832,AT89S52microcontrollercontrol,achievethelightsturnonandoffandbuzzeralarmfunctionwhenanexception.
Keywords:
LightingIntelligenceControlSinglechipmicrocomputerPyroelectric
目次
1绪论
1.1本文的研究背景及意义
随着科技的不断进步,经济也在飞速的发展,人民的生活水平日渐提高,但与此同时,用电负荷量加剧,对能源的消耗量也是与日俱增。
不得不承认,人类社会的进步越来越依赖于对能源的开发与利用,然而人们对能源无尽的需求量和有限的能源数量形成了不可抗拒的矛盾,能源匮乏不仅是我国所面临的危机,更是世界所面临的严峻考验。
在寻找替代品、提高利用率和节能等几种能缓解能源危机的方式中,节能无疑是其中最符合可持续发展要求的。
尤其现在越来越倡导低碳生活,节约能源自然而然的成为了一种全球的共识。
中国是一个人口大国,家庭是其中最基本的一个组成单元,家庭照明占我国电能消耗的一大部分。
不少人有这样的经历,每到夏天,很多省市都会采取“拉闸限电”这一措施来减少用电量,但这只是治标不治本,因为害怕造成电能的浪费,而影响了正常的使用和生活,我们不能因噎废食。
管理好家庭灯光照明系统,不仅能减少电能的巨大浪费,优化我们的生活方式和居住环境,还能为我们提供优质、舒适、安全的生活空间。
1.2灯光智能控制系统的发展历史与现状
1.2.1国外灯光智能控制的发展状况
世界各地发电的主要原料是石油、煤炭和天然气,而丹麦在能源利用方面的成功经验为我们提供了非常有价值的的参考。
自二十世纪七十年代以来,虽然丹麦国民收入增长了50%,但是丹麦能源消费的总量并没有增加。
丹麦是经济合作与发展组织成员国中能源消耗量和国民收入比值最小的国家。
他们不间断的发明和改进一些新的节能供暖系统,例如丹麦的热电同供热电厂,并且他们会尽可能有效的节约资源、提高资源利用率。
如此这样,他们的能源使用总效率高达90%。
此外,丹麦政府还很重视住房空间用电的节能,并设置了许多新的对住房节能设备和设施的要求。
资料表明,当居民要搬入到有节能设施的房子里居住时,他们要支付高于没有安装节能装置的房屋8%的成本。
其资源利用的经验在欧盟国家中流传甚广。
此外,欧斯朗思惟尼亚公司引入了一种新的高输出型荧光灯。
这种灯不仅能节约系统总功率的6%,还具有更高的光通量和平均光通量【1】。
陶瓷金属卤化物灯是由飞利浦照明公司生产的,用以取代过去的卤素灯,这样可以节约一半多的能源。
从EIB在二十世纪九十年代首次出现在德国汉诺威工业博览会上,起了巨大作用的电气安装革命就已经悄然开始。
资料表明,在德国的业务功能架构和一些大型超市中,EIB系统的应用覆盖率达到将近百分之三十。
而在计划修造的建筑物中,这一比例则高达了百分之六十。
EIB,即欧洲安装总线,电气安装总线是在亚洲的说法【3】。
到目前为止,已有一百多家制造厂上成为了EIBA的会员,按照公开的EIB准则生产能够相互兼容和互相操作的各种元器件,多达4000多种的产品品种,几乎囊括了建筑中各个产业和各种用途的需要。
EIB系统在智能灯光控制领域被广泛应用,灯光控制是其最基本的功能,以前许多办公大楼即使在天气晴朗的日子,仍然把电灯全部打开,现在EIB依照所接收到阳光的多寡而调整办公室内的电灯亮度高低,当室外很亮时,这个灯光控制系统就会将是室内的灯光转暗,而最靠近窗户的灯光将会是最微弱的,以便整个房间的亮度都一致。
由此可见,世界各国都在采取不同方式来节约电能、节约能源。
1.2.2国内灯光智能控制的发展状况
由于我国有近十四亿人口,经济又处于持续高速发展的阶段,这都是能源问题日益突出的主要原因。
尽管我国能源的总量不低,但人均储备量却极少。
单位产值的能量消耗是发达国家的三到十倍。
能源问题已经成为制约我国经济发展的关键因素。
所以,解决能源问题,是我国长期可持续发展战略的关键一环。
此外,能源问题不仅关系到经济的发展和生态的平衡,在特定情况下,很大程度上还会影响社会的稳定。
鉴于此,我国在绿色照明工程新闻上发布,未来五年内将大面积推广节能灯具,实现节电300亿度,让绿色照明工程将成为推动国家建设事业、商业建筑的重点。
一些大中型城市则采取政府对节能灯大宗采购,通过每只补贴3至4元的方式来进行宣传普及。
由普通白炽灯到高效节能灯,实现我国的电光源产品结构向节电型转变。
目前,我国的照明用电量约占社会总用电量的12%,采用高效的照明产品来代替传统的低效照明产品可节电60%以上。
如今,北京也在大力推行绿色照明工程,已经推出上百万绿色照明光源和部分节能电器,据统计年节约用电量可达三千万万千瓦时,节约电费两千多万元。
政府已经在学校、医院、商厦等地更换了24万只节能灯具。
在奥运工程建设上,也大量运用了节能技术,北京的奥运场馆“水立方”,通过采用大量节能灯具,装备节能技术,通过增强透光性,白天可节约一半的照明能耗。
苏州市美术馆新馆、文化馆新馆、名人馆等文化场所采用澳大利亚奇胜公司开发的C-BUS系统,对展区进出口、外景观、多功能厅、休息厅、大厅等不同区域按照不同的照明需求,营造特殊的灯光环境氛围,让各区域的使用功能发挥得淋漓尽致。
通过这样的智能化照明控制系统,不仅营造了有层次的灯光环境,美化了生活,更减少了人力工作的疏忽,节约了能源和资源,还降低了人力工作强度,增强了灯光控制的灵活性和可靠性。
我们党在2000年十五届中央委员会第五次会议通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划的建议》中明确指出:
“加强基础设施建设是今后五年至十年一项十分重要的任务”【2】。
能源建设就是包含在基础设施建设中,并且成为重点。
《建议》还强调:
能源建设要充分发挥资源优势,优化能源结构,提高利用效率,加强环境保护;面临如此紧迫的能源问题,我们应该把着眼点放在“高效”利用“清洁”能源上【2】。
由此可见,节约照明用电量,对节能具有重要意义。
1.2.3家庭灯光智能控制的发展趋势
人们的生活离不开光线。
不同的光线给人的感受不同,良好的光线效果会产生较好的空间感,让人们身心舒畅,相反,昏暗压抑的光线会让人感觉不快。
而在科技飞速发展的今天,室内照明才是人们接触最多的照明方式,其设计的好坏将直接影响人们的日常生活及工作。
值的高兴的是,经过现阶段的研究及发展,室内照明正朝着安全、节能、健康的方向改进。
以下就是几个主流的发展趋势:
(1)节能化:
欧美国家在早些时候就非常重视室内照明系统的节能。
上个世纪末美国环保局就推出了节能标识体系,在符合节能标准的产品上做特殊标签,并通过环保局的商品目录进行推广。
同时,还以举办各种节能产品大赛的形式来鼓励照明厂商研发更高效更节能的照明产品。
据统计,目前上海市的办公楼总面积大约三千五百平米,估计需用两千三百多盏灯,如果使用节能产品照明,可以节约二十多亿度电,同时减少二十亿千克的二氧化碳排放。
节能环保是大势所趋我们有目共睹。
(2)智能化:
人们已不满足于机械式的控制灯光,走到开关处,调节开关闭合状态将逐步被历史所淘汰。
新一代的灯光智能控制方法主要包括遥控器调节、语音控制、人体感应装置操控等。
(3)艺术化:
在科技的带动下,人们对生活水平、生活质量有了更高的要求,灯光控制也越来越往智能化方向发展,主要表现在光线的智能可调上。
人们可以根据实际的应用场景来调节灯具的亮度、色彩等等。
例如晚上可以降低灯具的亮度,减少由于视觉原因而给眼睛造成的压力;或者是家中的一些装饰可以通过灯光的色彩变换加强空间感、艺术感;还可以在一些情景照明中,配以音乐,调节灯光,营造所需要的氛围。
2系统总体方案设计
2.1家庭灯光智能控制系统的功能简介
本课题是基于单片机的家庭灯光智能控制系统设计,在分析了室内灯光智能控制的原理和实现方法后,提出了基于单片机的家庭灯光智能控制系统整体思路,并以此为基础设计了其硬件模块和相对应的软件流程。
本设计以AT89S52单片机作为控制模块的核心部件,采用热释红外人体传感器检测人体的存在,采用由光敏电阻组成的光采集电路检测环境光的强度;根据合理的室内开灯条件,通过对人体存在信号和环境光信号的识别与判断,完成对室内灯光的智能控制,避免了家庭用电的浪费。
系统还具有报警功能。
本系统程序部分用C语言编写,采用模块化结构设计,条理清晰、通用性好,便于改进和扩充。
该系统具有体积小,控制方便,可靠性高,针对性强,性价比高等优点,可以满足大多数家庭对灯光控制的要求,很大程度的达到了节能的目的。
2.2系统的工作原理
本系统能够采集室内光照强度数据,并结合室内相应情况对室内灯光进行实时控制,达到方便简洁和节约能源的目的。
通过人体存在信号采集电路能够检测房间里有没有人,通过环境光采集电路采集环境光照度,并将处理后的结果传送给单片机进行处理。
控制电路会依据传入的信号控制电灯的开关以及蜂鸣器是否报警。
通过以上功能的实现,给用户更加舒适、环保的生活体验。
2.3系统的总体方案设计
家庭智能灯光控制系统是一个复杂的系统,包含了现代通信技术,智能控制技术以及计算机技术等相关技术。
在本设计中,信息处理模块包括热释电传感器、光敏电阻。
通过这些传感器,监控室内环境及状态,并将采集到的信息通过通信模块传送给主控制器。
主控制器在接收到信息后,进行汇总和处理,做出正确的判断,再通过通信模块对驱动模块进行指示,以达到控制室内灯光的目的。
若处于异常状态下,主控制器则对外部信息接口做出指示,达到通知或报警的目的。
其中主控制器选用AT89S52单片机。
本设计的输入参数主要是人体存在信号和环境光照度信号等外界因素,环境的光照强度达到一定值时不会开灯,环境的光照强度在一定阀值以下且有人存在时才开灯。
有理论和实验证明,用这种方式对室内灯光进行智能控制可以实现上述目标。
其整体结构如图所示。
功能驱动模块
信息采集模块
通信模块
主控制器
图家庭灯光智能控制系统整体结构
2.4本章小结
本章主要从系统的设计要点、结构以及性能指标及技术要求等几方面对所设计的家庭灯光智能控制系统的框架和功能进行了阐述,该系统由一个主控制器与若干个子控制模块组成。
3系统硬件设计
本设计包括6个电路模块,系统控制模块以AT89S52单片机为核心,其他外围电路包括:
环境光采集模块、热释电模块、按键电路、电源模块、报警电路。
系统结构框图如图所示。
按键电路
热释电模块
环境光采集模块
AT89S52单片机
报警电路
继电器驱动电路
电源模块
图家庭灯光智能控制系统结构框图
环境光模块采用光敏电阻来检测环境光照强度,光照强时,电阻最小,随着光照强度的减弱,电阻逐渐增大,把光信号转化成电信号,实现对光照强度的检测。
热释电模块采用热释电传感器,实现对人体存在的检测。
3.1中央处理器(CPU)
本系统中的CPU采用AT89S52单片机,AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器【14】。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案【12】。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89S52单片机的引脚结构如图所示。
VCC:
5V电源。
GND:
地。
图AT89S52单片机组成
P0口:
P0是一个8位漏极开路的双向I/O数据口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
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口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻【13】。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,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(IIL)。
此外,和分别作定时器/计数器2的外部计数输入(T2)和时器/计数器2的触发输入(T2EX)。
在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节【13】。
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,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(IIL)。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址。
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(如MOVX@RI)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口也接收高8位地址字节和一些控制信号【13】。
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,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(IIL)。
在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号【13】。
RST:
复位输入。
晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下,复位高电平有效。
ALE/PROG:
地址锁存控制信号。
(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时,此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。
在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。
如果需要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”,ALE操作将无效。
这一位置“1”,ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则,ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位(地址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效【11】。
PSEN:
外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。
当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活【8】。
EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。
为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。
在flash编程期间,EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
本设计中,单片机的P0口连接上拉排阻,P2口连接LED实现控制灯光的功能。
单片机的复位采用上电和手动复位,振荡器的接法有两种:
一是内部振荡器接法,二是外部的时钟驱动。
本系统中采用第一种接法,电路如图所示。
图振荡器电路图
3.2环境光采集模块
环境光采集电路采用单片机作为控制处理核心,具有价格低、体积小等特点,满足实际需求。
传感器选择光敏电阻,用精密电阻与之串联将分压得到的电压信号送给A/D转换器。
为了减小模块体积和降低成本,选择兼容性强、性价比高的ADC0832作为A/D转换器,其原理如图所示。
图环境光采集电路
当环境光照度强时,光敏电阻的阻值小,分得的电压低,输入ADC0832的CH0通道的电压值小;当环境光照度弱时,光敏电阻阻值增大,分得的电压高,输入CH0通道的电压值大;不同的电压值转化而来的数字信号不同,通过设定相应的值来控制单片机调节灯光。
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片,其最高分辨可达256级,可以适应一般的模拟量转换要求;其内部电源输入与参考电压的复用,使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间;芯片转换时间仅为32μS,据有双数据输出可作为数据校验,以减少数据误差,转换速度快且稳定性能强;独立的芯片使能输入,使多器件挂接和处理器控制变的更加方便;通过DI数据输入端,可以轻易的实现通道功能的选择【16】。
其引脚接口说明如表所示。
表ADC0832引脚说明
CS_
片选使能,低电平芯片使能。
CH0
模拟输入通道0,或作为IN+/-使用。
CH1
模拟输入通道1,或作为IN+/-使用。
GND
芯片参考0电位(地)。
DI
数据信号输入,选择通道控制。
DO
数据信号输出,转换数据输出。
CLK
芯片时钟输入。
Vcc/REF
电源输入及参考电压输入(复用)。
正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线,分别是CS、CLK、DO、DI;但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的,所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用【17】。
当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平,此时芯片禁用,CLK和DO/DI的电平可任意;当要进行A/D转换时,须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束;此时芯片开始转换工作,同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲,DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号;在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平,表示启始信号;在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能;当此2位数据为“1”、“0”时,只对CH0进行单通道转换;当2位数据为“1”、“1”时,只对CH1进行单通道转换;当2位数据为“0”、“0”时,将CH0作为正输入端IN+,CH1作为负输入端IN-进行输入;当2位数据为“0”、“1”时,将CH0作为负输入端IN-,CH1作为正输入端IN+进行输入【17】。
到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用,此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取;从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7,随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据;直到第11个脉
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