智能灯控系统设计.docx

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智能灯控系统设计

智能灯控系统设计

作者：

王曦专业：

电气工程及其自动化

摘要：

随着我国经济的快速发展，人们对于照明设备有了更多的认识。

本文就是针对室照明的能源浪费和灯具寿命缩短问题，设计了一种基于单片机控制的节能控制系统。

本文介绍了这种新型室节能控制系统的工作原理及设计方案，并且阐述了本系统的硬件组成和软件设计。

该控制系统若得到推广使用可以实现各类室照明灯具的智能控制，达到节约能源，延长灯具寿命的目的，使得该系统更具有环保、节能、管理灵活方便的优点。

关键词：

单片机；红外线传感系统；节能控制系统；LCD显示

审核意见：

1.通过查新该篇论文属抄袭，完全剽窃他人的成果，没有任何个人独创或修改。

2.结合自己的实际工作重写一篇自己熟知的领域或与所学电气工程专业有关

的论文。

3.在写论文时一定要按论文要求，要包括8个要素和规定格式，字数5000--1000字为宜。

附录：

毕业论文应包含下列要素：

（1）题目；

（2）作者（××级××专业）；（3）容摘要（200字以）；（4）关键词（3-5个）；（5）正文；（6）注释；（7）参考文献；（8）作者联系方式（通讯地址、及）。

毕业论文版面要求：

（1）A4版面（210×297mm）；

（2）标题字型字号：

二号、黑体；（3）摘要、关键词：

小四号、仿宋体；（4）容字型字号：

小四号、宋体、1.5倍行距；（5）页码：

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1.2课题研究的目的和意义1

1.2.1良好的节能效果可延长灯具寿命1

1.2.2改善工作环境，提高工作效率1

1.2.3提高管理水平1

1.3课题研究的容2

2系统的组成原理2

2.1系统组成2

2.2系统工作原理2

2.3单片机应用技术3

2.3.1单片机的介绍3

2.3.2AT89C51的介绍3

2.3.3AT89C51的管脚功能3

2.3.4工作模式3

2.4人体热释红外线传感器3

2.4.1人体热释红外线传感器组成3

2.4.2被动式热释电红外探测器工作原理4

2.5光敏三极管5

2.6LCD液晶显示5

2.7看门狗MAX813L6

3系统硬件设计7

3.1人体存在信号采集电路设计7

3.2光敏三极管采光电路设计7

3.3看门狗监控电路的设计8

3.4LCD液晶显示设计9

3.5电灯的驱动电路设计10

3.6总电路图11

4系统软件设计12

4.1功能要求和重点12

4.2软件编程12

4.2.1手动控制13

4.2.2自动控制14

4.2.3显示程序15

5系统仿真16

5.1仿真软件—Proteus简介16

5.2系统电路功能仿真16

5.3手动控制16

5.4自动控制17

参考文献19

总结20

附录1软件程序21

附录2硬件电路图26

附录3仿真电路图27

1绪论

1.1室照明控制系统的研究背景

随着人民生活水平的提高和光源的发展，人们对照明的要求越来越高，要求利用灯光营造和谐的气氛、舒适的环境，创造一种动态的效果，以及操作上的简便，传统的灯控系统一般是基于声或光控制，存在不够灵敏、精度不高、围低等缺陷，经常会有电能的浪费。

因而，依据节能、环保的要求，我们设计出智能灯控系统，可以大大提高灯控系统的可靠性、探测能力，特别适用于高校教室、楼道等公共场合，实现灯控的智能化，从而节约电能、环保，方便管理，具有重要的现实意义。

1.2课题研究的目的和意义

1.2.1良好的节能效果可延长灯具寿命

当今社会人们更加注重节能环保，在照明这一领域，特别是在公共场所也发生了很大的变化。

因而节能应该说是照明控制系统的最大优势。

传统的楼宇公共区域照明工作模式，只能是白天关灯，晚上开灯。

而采用了智能照明控制系统后，可以根据不同场合、不同的人流量，进行时间段、工作模式的细分，把不必要的照明关掉，在需要时自动开启。

同时，系统还能充分利用自然光，自动调节室照度。

控制系统实现了不同工作场合的多种照明工作模式，在保证必要照明的同时，有效减少了灯具的工作时间，节省了不必要的能源开支，也延长了灯具的寿命。

1.2.2改善工作环境，提高工作效率

良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。

合理地选用光源、灯具及性能优越的照明控制系统，都能提高照明质量。

智能照明控制系统具有开关和调光两种控制方法，可以有效地控制各种照明场所的平均照度值，从而提高照度均匀性。

同时，系统能根据不同的时间段，人们的不同需要，自动调节照度。

1.2.3提高管理水平

智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。

在一般的情况下，不需要有人的参与，照明系统自动实现开关和调光功能，使人的手解放出来，既大大减少了管理人员的数量，也排除了由于人为因素而出现的不定时开关，影响学校的正常教学、生活秩序的情况。

1.3课题研究的容

该设计以单片机作为控制器的核心，以人体热释红外线传感器和光敏三极管为信号采集单元，再配以外围电路，通过单片机通信方式实现照明灯具的智能控制，可以有效的实现对房间照明回路的智能控制，避免了照明用电的大量浪费。

在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。

硬件电路是采用结构化系统设计方法，硬件电路的设计最重要的选择是用于控制的单片机，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。

软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用51系列单片机，因此使用汇编语言进行开发。

2系统的组成原理

2.1系统组成

系统的结构主要由四部分组成：

单片机控制系统、信号采集处理系统、LCD显示系统和电灯电源驱动系统，达到控制照明灯具的目的。

系统组成图如下图2.1所示。

图2.1系统组成图

外接的传感器（人体释热红外线传感器和光敏三极管）将信号传送给单片机后，由单片机控制灯的开关和显示系统。

软件编程是系统的灵魂，是负责完成硬件电路实现功能和与用户交互的桥梁，是维护系统正常工作的工具。

2.2系统工作原理

采用热释红外人体传感器检测人体的存在，采用光敏三极管构成的电路检测环境光的强度，利用人体的存在信号和环境光信号进行识别和智能判断。

2.3单片机应用技术

2.3.1单片机的介绍

单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。

单片微型计算机有着集成度高、处理功能强、可靠性高、抗干扰能力强、系统结构简单和价格低廉等特点，被广泛应用在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化上，并已取得了令人瞩目的成果，获得了较高的经济效益，对人类社会产生了巨大的影响

单片机（单片微型计算机）由硬件系统与软件系统组成。

硬件系统是指构成微机系统的实体与装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成[1]。

其中运算器和控制器一般做在一个集成芯片上，统称中央处理单元（CentralProcessingUnit），简称CPU，是微机的核心部件。

CPU配上存放程序和数据的存储器、输入/输出（Input/Output，简称I/O）接口电路以及外部设备即构成单片机的硬件系统[2]。

软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称，人们通过它对微机进行控制并与微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。

软件系统与硬件系统共同构成完整的单片微型计算机系统，两者相辅相成，缺一不可。

2.3.2单片机的工作模式

AT89C51有间歇和掉电两种工作模式。

间歇模式是由软件来设置的,当外围器件仍然处于工作状态时,CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态,部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。

这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。

掉电模式是VCC电压低于电源下限,振荡器停振,CPU停止执行指令。

该芯片RAM和特殊功能寄存器值保持不变,直到掉电模式被终止。

只有VCC电压恢复到正常工作围而且在振荡器稳定振荡后,通过硬件复位掉电模式可被终止。

2.4人体热释红外线传感器

2.4.1人体热释红外线传感器组成

人体热释红外线传感器（及红外线热释电传感器）由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗三大部分组成。

敏感单元的制造材料有所不同。

如，SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成；P2288由LiTaO3制成。

这些材料再做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容。

因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，而它们形成的等效小电容能自身产生极化，极化的结果是，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。

但这两个电容的极性是相反串联的。

这正是传感器的独特设计之处，因而使得它具有独特的抗干扰性[3]。

滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。

传感器只对移动或运动的人体和温度近似人体的物体起作用。

2.4.2被动式热释电红外探测器工作原理

在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。

被动式热释电红外探头的工作原理及特性：

在自然界，任何高于绝对温度（零下273度）时物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。

人体都有恒定的体温，一般是37度，所以会发出特定波长10微米左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10微米左右的红外线而进行工作的。

人体发射的10微米左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。

红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号[4]。

传感器

最敏感移动方向

图2.3红外线热释电传感器工作区示意图

红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大，如图2.3所示。

红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向（即与半径垂直的方向）移动则最为敏感。

在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。

2.5光敏三极管

通过对光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管的比较，发现光敏三极管的光谱响应峰值比较接近人的视觉敏感区555mm波长，其次是当光照强度减弱时，它的响应时间相对增加，这对光敏三极管在光照强度变化时，输出状态保持相对稳定十分重要。

因此，我们可以利用光敏三极管设计一个电路，使得日光灯无常启动或者被强制关闭从而达到节约能源的目的。

2.6LCD液晶显示

LCD液晶显示选用1602芯片来实现，1602的引脚图如下图2.4所示：

图2.41602引脚图

第1脚：

VSS接低电平

第2脚：

VDD接5V正电源

第3脚：

VEE为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

1602液晶模块部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。

液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。

要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符1602的部显示地址[5]。

2.7看门狗MAX813L

复位电路是单片机工作必不可少的部分。

目前，在市场上有许多流行的专用复位芯片。

我们在设计中采用了Maxim公司生产的MAX813L。

因为MAX813L具有上电复位、Watchdog输出、掉电电压监视、手动复位四大功能。

在复位电路的设计中被较多地使用。

MAX813L有双列直插和贴片两种封装形式，引脚功能如下：

第

（1）脚为手动复位输入，低电平有效；第

（2）、（3）脚分别为电源和地；第（4）脚为电源故障输入；第（5）脚为电源故障输出；第（6）脚为看门狗输入，第（7）脚为复位输出，第（8）脚为看门狗输出。

MAX813L的引脚图如下图2.5所示：

图2.5MAX813L芯片的引脚图

MAX813L芯片具有以下主要性能特点：

（1）复位输出。

系统上电、掉电以及供电电压降低时，第（7）脚产生复位输出，复位脉冲宽度的典型值为200ms，高电平有效，复位门限的典型值为4.65V。

（2）看门狗电路输出。

如果在1.6s没有触发该电路（即第（6）脚无脉冲输入），则第（8）脚输出一个低电平信号。

（3）手动复位输入，低电平有效，即第

（1）脚输入一个低电平，则第（7）脚产生复位输出。

（4）1.25V时，第（5）脚输出一个低电平信号。

MAX813L是一体积小、功耗低、性价比高的带看门狗和电源监控功能的复位芯片；它使用简单、方便。

它所提供的复位信号为高电平，因而是应用于复位信号为高电平场合的单片机系统的理想芯片。

3系统硬件设计

3.1人体存在信号采集电路设计

本设计采用的人体存在信号采集电路的传感器是HP-208型号的热释电红外人体存在传感器。

人体存在传感器的1号引脚为电源信号端，3号引脚为接地信号端，2号引脚为采集信号输出端。

在电路设计中,为了使人体存在传感器的工作更加可靠，介于人体存在传感器的信号引脚2与接地信号引脚3之间加了一个6800pF的电容，另外，人体存在传感器的信号引脚2与单片机的P1.0引脚相连，P1.0引脚再接一个100KΩ的上拉电阻，增加人体存在传感器输出信号的可靠性，其电路原理图，如图3.1所示：

图3.1人体存在传感器电路原理图

3.2光敏三极管采光电路设计

通过对光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管的比较，考虑到灵敏度、可行性、经济性等方面的因素，本设计采用光敏三极管作为采光元件，对教室里的自然光进行采集，设计中采用3DU5C型号的光敏三极管。

光敏传感器采光电路如图3.2所示，采用LM339电压比较芯片，组成一个三级电压比较电路。

图中，取R7=200K，40W白炽灯光照度为强，约340流明，产生光生电流为340×15/300=17μA产生电压为3.4V，即为光照度强；25W白炽灯光照度为中，约250流明，产生光电流为250×15/300=12.5uA产生电压为2.5V，即为光照度中；15W白炽灯光照度为弱，约150流明，产生光电流为7.5uA，产生电压为1.5V，即为光照度暗。

所以，图中V2取3V，V1取1.5V，VIN>3V光照度为强，VIN<1.5V光照度为弱，1.5V

V1，V2通过200K电位器调节设定。

图中是4.7×1/3≈1.567V，4.7×2/3≈3.133V，与此不符故要使用电位器R7[6]。

由于不同时间，不同季节光线的强弱不同，不同的天气情况有较大的影响，光控装置必须充分考虑到这些因素的影响。

此外，也必须考虑到诸如闪电，车灯，浮云等一些干扰光源对探测器件的影响，特别是应该避免日出，日落时，大气层对光线的影响。

对于一个全面综合的设计的来说，这些都是要考虑进去的因素，但由于自身知识的有限和各方面条件的限制，使得采光方面的设计并没有达到开始时预想的程度。

图3.2光敏三极管采光电路图

3.3看门狗监控电路的设计

看门狗监控电路采用MAX813L芯片，MAX813L与AT89C51的接口电路如图3.3所示。

MR与WDO经过一个二极管连接起来，WDI接单片机的P2.7口，RESET接单片机的复位输入脚RESET，MR经过一个复位按钮接地[7]。

图3.3看门狗电路图

该监控电路的主要功能如下：

（1）系统正常上电复位：

电源上电时，当电源电压超过复位门限电压4.65V，RESET端输出200ms的复位信号，使系统复位。

（2）对+5V电源进行监视：

当+5V电源正常时，RESET为低电平，单片机正常工作；当+5V电源电压降至+4.65V以下时，RESET输出高电平，对单片机进行复位。

（3）看门狗定时器被清零，WDO维持高电平；当程序跑飞或死机时，CPU不能在1．6s给出“喂狗”信号，WDO跳变为低电平，由于MR端有一个部250mA的上拉电流，D导通MR获得有效低电平，RESET端输出复位脉冲，单片机复位，看门狗定时器清零，WDO又恢复成高电平。

（4）手动复位：

如果需要对系统进行手动复位，只要按下手动复位按钮，就能对系统进行有效的复位[8]。

3.4LCD液晶显示设计

采用AT98C51驱动一片1602液晶显示器，使显示器第一行显示“OPEN：

Χ”;第二行显示“CLOSE：

Χ”。

其中LM016L与1602功能及用法基本相同，只是LM016L上没有控制背光灯的引脚[9]。

图3.4所示电路中，1602所在库类别为“Optoelectronics”,子类别“AlphanumericLCDs”（字符型显示器）。

电路中使用了滑动变阻器R5，其所在库类别为“Resistors”，子类别为“Variable”（可变的）。

滑动变阻器R5的阻值应设为10kΩ。

图3.4LCD液晶显示电路

3.5电灯的驱动电路设计

主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路（即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管），称为驱动电路。

驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。

单片机发出信号通过同相驱动器7407驱动光电耦合器MOC3021，然后通过MOC3021来控制双向晶闸管的接通与断开,从而控制电灯的开关。

光电耦合器能隔离单片机系统和输出部分，使两部分的电流信号独立，抗外界干扰，提高系统的可靠性。

共有3盏灯，房间最前的一盏灯与P2.0口相连；房间中间一盏等与P2.1口相连，最后一盏灯与P2.2口相连。

参见图3.5所示。

图3.5电灯的驱动电路原理图

光电耦合器的性能特点：

光耦的基本结构是将光发射器和光敏器的芯片封装在同一外壳，并用透明树脂灌封充填作光传递介质，通常将光发射器的管脚作输入端，光敏器的引脚作为输出端，当输入端加电信号时，光发射器发出的光信号通过透明树脂光导介质投射到光敏器后，转换成电信号输出，实现了以光为媒介的电→光→电信号转换传输，并在电气上是完全隔离的。

光耦的主要性能特点如下：

（1）隔离性能好，输入端与输出端完全实现了电隔离，其绝缘电阻RISO一般均能达到1010Ω以上，绝缘耐压VISO在低压时都可满足使用要求，高耐压一般能超过lkV,有的可达10kV以上[10]。

（2）光信号单向传输，输出信号对输入端无反馈，可有效阻断电路或系统之间的电联系，但并不切断他们之间的信号传递。

（3）光信号不受电磁干扰，工作稳定可靠。

（4）抗共模干扰能力强，能很好地抑制干扰并消除噪音。

（5）光发射和光敏器件的光谱匹配十分理想，响应速度快，传输效率高。

（6）易与逻辑电路连接。

（7）无触点。

寿命大。

体积校耐冲击。

（8）工作温度围宽，符合工业和军用温度标准。

光电耦合器作用就是：

阻断信号源跟信号接收方的电气连接，这样可以有较的阻断电气干扰。

3.6总电路图

整个控制系统由人体存在信号采集电路，光信号采集电路，看门狗电路，驱动电路等模块组成。

通过硬件与软件的共同作用，才能实现控制功能，总电路图见附录2。

4系统软件设计

软件是计算机系统的灵魂，没有软件计算机不能充分发挥其功能，这是软件在计算机中的地位，而在计算机控制系统中，软件也是非常重要的。

在照明控制系统中，硬件设备的功能是由软件来定义的，由此可见，软件是控制系统中的一个重要组成部分。

4.1功能要求和重点

本设计以AT89C51单片机作为控制装置的智能部件，采用热释红外人体传感器检测人体的存在，采用光敏三极管构成的电路检测环境光的强度；根据房间合理开灯的条件，系统通过对人体的存在信号和环境光信号的识别和智能判断，完成对房间照明回路的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。

在特殊情况下可以通过手动来控制灯的开关。

一号按钮控制手动与自动，二号按钮控制灯的开关盏数（按0次没灯开，按1次开1盏灯，按2次开2盏灯，按3次开3盏灯，按4次后返回到0）。

因为放大电路和比较电路中有滞环效果所以不必在程序中考虑设置滞环。

在单片机接收每一信号时要延迟3ms与下一信号比较以防突变。

按钮的情况也是如此。

当房间里没人灯全关时要延迟30s关灯。

LCD液晶显示要及时无误的显示灯所开的盏数，程序见附录2。

4.2软件编程

如图4.1为整个程序流程图，首先给狗门电路喂狗防止出现死机的情况。

由按键1被按次数R1判断是自动还是手动（按键按一次R1＝1时程序进入手动状态，按键按零次R1＝0时程序则进入自动状态，若按两次就会返还到R1＝0的状态）。

自动时单片机由人体存在信号采集电路和光敏三极管采光电路的信号决定是否开灯，开几盏灯。

手动时单片机会由按键2所按的次数R0决定开灯的盏数（按0次全关，案1次开一盏，按2次开两盏，按3次全开，按4次则返还到按0次的状态）。

最终通过LCD液晶显示开灯的盏数和关灯的盏数。

P2.0引脚接1号灯（教室里最前面的灯），P2.1引脚接2号灯（教室里中间的一盏灯），P2.2引脚接3号灯（教室里最后一盏灯）。

全开时P2=00000111B,开两盏灯时教室前后两盏P2=00000101B,开一盏灯教室中间的一盏P2=00000010B,全关时P2=00000000B。

图4.1程序流程图

4.2.1手动控制

手动控制程序流程图如图4.2所示，由P1.6引脚处的按钮被按次决定手动和自动，R1=0时自动，R1=1手动控制，R1=2后返回到P1.6=0的情况。

R1=1手动时按钮2被按的次数R0决定开灯的盏数（R0=0全关，R0=1开一盏灯，R0=2开两盏灯，R0=3全开，RO=4后返回到R0＝0的情况）。

单片机收到信号后将一些情况处理，再给P2赋值。

图4.2手动控制程序流程图

4.2.2自动控制

自动控制程序流程图如图4.3所示，P1.0连接人体存在信号采集电路（有人时P1.0=1；没人时P1.0=0）；P1.1，P1.2接光敏三极管信号采集电路，P1.1接信号的高值；P1.2接信号低值。

P1.0=0时程序直接跳到延迟30S程序后把灯全关了。

P1.0=1时程序开始根据P1.1,P1.2的情况给P2口附值。

（P1.1,P1.2）为（0，0）表示教室里光线很暗要把灯全打开则给P2口附00000111B的值；（P1.1,P1.2）为（0，1）中等强度的光开两盏灯给P2口附00000101B的值；（P1.1,P1.2）为（1，1）关线强则把所有的灯关了给P2口附00000000B的值。

图4.3自动控制程序流程图

4.2.3显示程序

采用LCD液晶显示，程序每次执行给P2口附值后就给R3附值（所要开的灯盏数）。

执行完开关灯程序后调用显示程序。

显示两行，第一行显示“OPEN:

#R3”,第二行显示“CLOSE:

#R4”（R4关闭灯的盏数）。

5.系统仿真

5.1仿真软件—Proteus简介

Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围