基于51单片机的教室智能照明控制系统设计.docx

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扬州工业职业技术学院毕业设计论文

扬州工业职业技术学院

2020—2021学年

第一学期

毕业论文

课题名称：

基于51单片机的教室智能照明控制

系统设计

设计时间：

2020.11~2021.03

系部：

信息工程学院

班级：

1801物联网

姓名：

陈浩文

指导教师：

许志恒

基于51单片机的教室智能照明控制系统

陈浩文

1801物联网

摘要:

现在随着社会的快速发展，人们对于生活的质量要求逐渐变高，平时生活中照明在能耗中所占的比例越来越高，因此照明节能也变得更加重要。

此时国内外普及在生活中使用的节能开关大致分为触摸型、感光型、声控型等。

这几种开关各自存在缺点，比如感光型无法在无人的期间自动关闭、声控型不适用于环境嘈杂的场所。

此次设计通过STC89C52单片机搭配LED照明技术、光感技术、红外感应、时钟处理、处理等技术对照明设备的智能控制。

关键词:

传感器单片机节能照明控制

ClassroomIntelligentLightingControlSystemBasedon51SingleChipComputer

HaowenChen

1801InternetofThings

Abstract:

Nowadays,withtherapiddevelopmentofsociety,people'srequirementsforthequalityoflifearegraduallyhigher,andtheproportionoflightinginenergyconsumptionindailylifeisgettinghigherandhigher,solightingenergysavinghasbecomemoreimportant.Atthistime,energy-savingswitcheswidelyusedindailylifeathomeandabroadareroughlydividedintotouchtype,photosensitivetype,andsoundcontroltype.Thesetypesofswitcheshavetheirownshortcomings.Forexample,thephotosensitivetypecannotbeturnedoffautomaticallywhenthereisnoone,andthevoice-activatedtypeisnotsuitablefornoisyenvironments.

ThisdesignusesSTC89C52single-chipmicrocomputerwithLEDlightingtechnology,lightsensingtechnology,infraredsensing,clockprocessing,processingandothertechnologiestointelligentlycontrolthelightingequipment.

Keywords:

sensor;MCU;Energysaving;Lightingcontrol

目录

第一章绪论 1

1.1教室智能照明的发展现状 1

1.2教室智能照明控制系统概述 3

1.2.1教室智能照明控制系统设计意义 3

1.2.2教室智能照明控制系统设计目的 3

第二章方案设计及论证 5

2.1教室智能照明控制系统的整体框架规划 5

2.2核心单片机的选用 6

2.3DS1302的选用 7

2.4红外传感器的选用 8

2.5LCD1602的选用 8

第三章硬件系统设计介绍 10

3.1硬件系统器件概述 10

3.1.1STC89C52单片机的概述 10

3.1.2时钟芯片的概述 11

3.1.3LM393的概述 12

3.1.4LD1602的概述 13

3.2硬件系统电路设计 15

3.2.1单片机最小系统模块设计 15

3.2.2时钟电路模块设计 16

3.2.3复位电路模块设计 16

3.2.4电源电路模块设计 17

3.2.5时钟芯片电路设计 18

3.2.6液晶显示器电路设计 18

3.2.7电压比较器电路设计 19

第四章软件设计与调试 21

4.1程序设计流程 21

4.1.1总程序流程图设计 21

4.1.2时钟程序设计 22

4.1.3LCD1602流程图设计 22

4.2软件开发环境介绍 23

4.2.1C语言简介 23

4.2.2KeilμVision4软件介绍 23

4.2.3Altiumdesigner软件介绍 26

第五章硬件的制作与调试 27

5.1元器件的选用 27

5.2元件安装与焊接的注意事项 28

5.3实物的测试 28

结论 31

参考文献 32

致谢 33

附件 34

扬州工业职业技术学院毕业设计论文

第一章绪论

1.1教室智能照明的发展现状

伴随着国民经济的迅速发展和社会的快速进步，全社会对于教育事业愈加关注和重视，校园规模也伴随着受教育者的增加逐渐扩大，教室的数量也不断的增加。

为了让师生有舒适的教学和学习环境，不管是教室的面积、设备和照明度，学校方面也在力所能及的范围内，付出了很多的努力。

但是学校的管理模式属于开放型的，加上人们的节能意识的不高，学校的教室在白天室内照度很高的状况下，也是全部开启照明。

在夜晚的学习生活中，会有几位同学利用晚间进行自习，不过教室里的灯却全部处于打开的一个状态，不会由于教室中只有几位同学而只开几盏灯。

现在在大学校园的建设热潮中，各大高校和他们的建设者也逐渐意识到了智能照明的重要性，相比于商业楼宇，大学校园中制冷设备的和大功率动力比重较少，照明设备相比下更加重要，所以节能是控制教室照明的关键。

使用照明控制系统时，更加表现在节能与管理方面的好处，大大提高学校的科学管理水平，还可以节省开支。

2018年，智能照明设备的销量增长率降低了不少，在2020年期间恢复稳定，在未来，智能照明会普及人们生活的方方面面，根据对于智能照明最近的调查，智能照明是最有可能被列入智能家居产品列表的产品，随着产品的增加和成本的快速下降，智能照明会成为最流行的智能家居应用，消费者对于智能照明的兴趣也会大大增加，这也得益于智能家居自动化和控制系统的供应商。

如下图所示：

图1-1-1智能照明的市场规模

教室照明是否需要智能照明系统，这个问题值得深思熟虑，教室智能照明系统可以达到非常好的节能效果，延长灯具的使用寿命，所以节能是照明控制系统的必备优势。

在我们传统的教室中，对于照明，只是单纯的白天开晚上开。

但是如果采用智能照明控制系统之后，我们就可以根据时间、天气，进行时间段、工作模式的分类，把没必要的照明灯具关闭，在需要的时候自动开启。

同时系统还可以充分利用自然光来自动调节教室内照度。

智能照明系统可以完成不同学习类型的多种照明模式，在保证基本照度的情况下，有效的降低了灯具的使用，节省了很大的能耗，同时也延长了灯具的使用寿命。

我国青少年的近视率在全世界都很高，并且有逐渐增长的趋势，这非常需要重视。

教室内的照明不足会导致部分同学注意力不集中，从而降低了学习的效率，在调查中，发现我国学校教室照明环境存在的问题主要体现在黑板及课桌照度低于国家标准的照度值，同学们长期处于低照度的环境下，甚至没有设专用黑板灯或黑板灯装设不符合规范，在教室内同学们长期盯着黑板和课本，所以照明要着重于健康护眼，同时还可以兼顾节能。

如下图所示：

图1-1-2教室智能照明系统使用中的教室

学校一直是用电大户，在照明场景中也是非常单一的，智能照明走进校园，是非常有效的节能措施。

期待着学校教室里的照明灯光可以成为“人走灯灭”的、“随心所欲”的、“天下大同”的。

当教室内的光线不适合读书写字的时候，教室内的照明灯可以自动亮起，并且可以亮到合适的程度。

当教室的某个地方有少数同学，教室内的部分灯光可以给这些同学亮起，而不是所有灯都亮着，教室中不同的位置自然光线不同的时候，教室灯可以自动地为光线暗的同学补光。

这些都是人们对学校智能照明的美好愿景，现在已经开始逐渐实现。

1.2教室智能照明控制系统概述

1.2.1教室智能照明控制系统设计意义

教室智能照明系统跟传统的照明有着很大的区别，教室智能照明系统是基于51单片机设计的智能照明控制系统，传统的照明首先是手动的，需要人工来控制他的开关，这就会出现忘记关灯导致的能源浪费，这种现象屡见不鲜，有时教室内只有寥寥几位同学或者晚自习之后同学们忘记随手关灯，整个教室内的照明灯就会一直亮着，哪怕是使用了节能灯也是非常浪费电能的，并且对于设备的使用寿命也存在影响，给学校带来不必要的经济负担。

而我们这次设计的教室智能照明控制系统，帮助了我们解决这一问题，我们可以根据不同的天气，同学们的数量，进行智能照明，教室智能照明系统以自动控制为主要，人工控制为次要的系统，其实在一般的情况下也不需要人工的参与，智能照明系统自动实现了开关和自动调节亮度的功能，排除了由于同学们的粗心而出现的不定时开关。

教室智能照明在节能和灯具使用寿命中，也发挥了很大的作用，有效的节省了电费和设备的费用，这种节能效果在商业大楼中可以节省百分之四十以上的能耗，在酒店和地铁站等地点使用，节能效果依然可以达到百分之三十左右，我认为如果在学校教室中参与使用，效果还是让人满意的，因此做到合理经济并且节能的设计，在手动调节和自动调节中设计的照明系统非常有必要。

1.2.2教室智能照明控制系统设计目的

教室智能控制系统最通俗的优势是：

给学校的师生带来了很大的便利，首先从节能效果方面来说的话，传统的照明模式就是白天关晚上开，无论怎么注意平时生活中都会存在忘记关灯等现象出现，这造成的能源浪费与我们的节能恰恰相反，第二便是从灯具的寿命方面考虑，智能照明可以有效的进行关闭和补光，在保证基本的照度后，实现在不同的环境下不同的照明模式，大大减少了灯具的使用时间，减少了无效的耗能，从而延长了灯具的使用寿命。

第三点，同时也是最关键的一点，改善了师生们的学习环境，提高同学们的学习效率，良好的学习环境是帮助同学们提高学习效率的必要条件，智能照明的设计会根据环境的亮度开关和调节灯具的亮度，有效的掌握室内照度的平均值，做出解决的方法，保证照度可以顾及每一位师生。

第四点，平时在学校学习时，我们的老师有时会设置同学们轮流管理灯具的开关，我们的智能照明控制主要是以自动控制为主要的，至于人工控制只是次要，所以在平时的学习生活中，不需要同学们的参与，照明系统可以实现自动开关和调节，可以大大降低了管理灯光的同学数量，同时也排除了有部分人为因素导致的不定时开关，从而影响了学校的正常教学和生活的秩序。

同时，智能照明系统有一个较好的投资收益效果，为什么这么说呢，因为智能照明系统在节能和灯具使用寿命时，有效的降低了能耗，减少学校在照明方面所需要的经济支出。

这个系统在投入使用后会受到很大的影响，它的投入使用，可以让使用者明显的受到很大的帮助，同学们的家长也会得到放心，展示出我国对教育事业做出的极大重视，那么对于这个设计的要求就会变得很高，在安全性上也要更加完善，在操作方面也要简单等，这套系统在价格方面也相对接地气，学校不需要花费大量资金就可以投入使用，操作也非常的方便。

节约资源，提倡低碳的生活，改革开放以来，随着我们国家发展的越来越好，照明也随之快速发展起来，在数量和质量两方面看来，有明显的变化和提高，尤其是伴随着人们生活逐渐步入小康的生活水平后，对于照明环境的舒适智能等方面有了更好的要求，对于学习也有着重要的意义，当这一设计成熟时，也可以广泛的投入到社会中和家庭中使用，在以后物联网科学技术发展下智能照明控制系统将会越来越受到大家的广泛使用，人们对于智能照明的依赖也会逐渐提高，我国受教育者的近视率越来越高，很大一部分就是在学习环境中的照明度达不到该有的标准，所以一套功能完善的教室智能照明系统尤为重要，这也为智能照明的未来发展提供了充分的依据的。

第二章方案设计及论证

2.1教室智能照明控制整体框架规划

在三年大学的学习生活中，学习了51单片机的专业课知识，从而猜想能不能使用这一单片机做出一个对于照明方面的设计，课后了解这次设计需要符合哪些条件，结合在校园内学习到的知识，思考构建，向老师和同学虚心提问学习，在网络和书本中查找这一方面的资料扩展自己的专业知识设计而来。

考虑市面上的多种单片机，贴合本次设计，MCS-51拥有较强的代表性，并且该单片机的学习资料比较多，所以本次设计使用MCS单片机中STC89C52的基础上，把主要的控制应用都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片之中，它们分别为红外感应、按键设置、DS1302时钟、PWM脉冲控制、led灯、光敏检测，其中通过片内单一总线的连接完成，但其中的基本结构依旧是CPU加上外围芯片这一传统结构。

以下的框图根据教室智能照明控制设计的，构造如图2-1所示。

图2-1系统总体框图

图中系统总体框图是基于单片机智能照明控制的模块里，使用DS1302时钟来对年月日时分进行一个计时功能，并且一次输出多个字节的时钟型号，内部拥有存放数据RAM寄存器，红外感应用于检测人员的具体数量，光敏检测则是测试室内环境的光照强度，PWM脉冲控制led灯则是调节led的平均电流将这些采集到的信息发送给单片机，让程序控制来完成是否开启照明。

2.2核心单片机的选用

现在大家能够在市面上找的许多种单片机，学习这方面知识的我们对此也并不陌生，在我大二的时期就学过关于单片机的专业知识，巧妙运用我们所学习到的专业知识，把设计所需要的控制应用都集中在一个尺寸有限的芯片之上。

单片机可以称为单片微型计算机或者是单片微电脑，由于计算机的出现，可是加速了人类发展的速度，在人们平时的日常生活中也因此得到了广泛的应用，可别小看它，它拥有许多的优点，首先呢，51单片机是一种低功耗高性能的芯片，把所有的信息部件全部集中在这个芯片上，可以编写程序，具有不挥发性且带有电可擦除性，密度和访问速度快（大约在60ns）等特点，所以由于以上一系列优点，使它在实时性、运行速度、可靠性等方面特别优秀，即使是在系统掉电很快的情况下，你的重要数据和状态信息都不存在丢失，它的性价比在同种芯片中出类拔萃。

51单片机也是我们学习生活中最常见的单片机，所以我们对于51单片机也是非常熟悉的，在单片机这门专业课程当中，老师带领我们做过许多次有关的实验，对于我这种萌新来说它可是最容易上手学习的单片机，许多种逻辑位操作来控制丰富的指令系统，使其被称为一代经典，也是后来其他单片机的基石。

另外一种单片机是AVR单片机，相对比“老前辈”51系列单片机，是较为成熟的，采用高性能的MCU，也帮助省掉了很多的外围器件，但是难度也是相对提高了不少，对于新手而言属实不太友好。

考虑51单片机有着很强的代表性，加上这方面的学习资料比较充足，最终还是以STC89C52为核心，如图2-2所示：

图2-2STC89C52单片机实物图

2.3DS1302时钟芯片的选用

首先呢，我们要了解DS1302时钟芯片是什么，它是一种涓流充电时钟芯片，是用于对精确当前时间的低功耗高性能的实时时钟芯片，其实包含一个31字节静态RAM、实时时钟和日历，广泛使用在电话、传真等产品领域中。

该芯片采用的是一个SPI三线接口，和CPU进行使用来作为一个同步通信功能，当中具备了一个掉电保存的功能。

如果我们给电路突然断电的时候，时钟电路中有一个电子会通过二极管来单向导通，这样可以使时钟依然照常行走和显示年月日，包括时分秒和星期。

DS1302采用的是八脚DIP封装或者是SOIC封装，它与TTL兼容使用，并且选用工业级的温度范围在-40℃到+85℃，双电源供应分别是主电源和备份电源两个，其中备份电源可以由电池或者大容量电容来实现，DS1302一共拥有十二个寄存器，他们其中有七个与时钟和日期息息相关，存放数据也是BCD形式，该芯片内拥有三十一个RAM单元，对于其中RAM拥有两种操作方式，他们分别为单字节方式和多字节方式，并且命令字当中为C0H到FDH时则为单字节读写，命令字当中的D5到D1则永远选择其中对应的RAM单元，这其中奇数为读操作，偶尔则为写操作。

不过最厉害的是它对于某些具有特殊意义的数据点，可以实现数据和出现该数据的时间时，进行同时记录，并且具有闰年补偿的功能，所以广泛的用于测量系统中来使用。

DS1302时钟芯片如下图2-3所示：

图2-3-1DS1302时钟芯片实物图

2.4红外传感器的选用

红外线相信我们都很熟悉，我们平时生活中使用的电视遥控器、空调遥控器等诸如此类都是采用的红外传感器，这次我们选用的红外传感器如下图所示，它的作用则是发射和接受信号，它拥有干扰小、便于安装等特点，广泛的被运用在机器人避障和流水线技术等众多场合。

最可靠的是工作稳定，在面对周围环境光线的情况下适应性非常棒。

红外传感器如下图2-4所示：

图2-4-1红外传感器实物图

2.5LCD1602的选用

在我们日常的生活中，对液晶显示器再熟悉不过了，它已经成为现在许多电子产品的主要器件，比如在计算机、电子表等当中都可以看到这一器件，主要用于显示数字、图形和专用符号。

1888年一位澳大利亚的伟大科学家莱尼茨尔，在一次实验中合成了一种很奇怪的有机化合物，并且它有两个熔点，根据一系列研究最后定义为“液晶”，当电流通过该液体时，会使水晶重新进行排列，使得光线无法穿透他们，就像百叶窗一样，允许光线穿过它又可以挡住光线，这一发明使得现在科技信息产品制作的非常轻便、薄且短小，不过我们这次使用的LCD则是以点阵图形态液晶，再由M×N个显示单元而组成的字符型液晶显示模块，它专门用于显示字母数字和符合等点阵式，之所以使用这个器件，主要是因为他的显示质量高，配合数字式的接口，功耗低、体积小且重量轻的优点，相对更加符合我们这次设计的要求。

LCD也被称为单色液晶屏，通俗一点就是黑白屏，主要是因为它只能单一的显示一种颜色而得此名，可以通过更改偏光片等办法做成黑底白字，或者蓝底白字诸如此类，它最大的优势就是给用户设计的特别简单，占用主控的I/O口也较少，其中机器结构电路也较为简单，使他成为目前市场中最受欢迎的产品规格。

LCD1602也是很多单片机爱好者接触较早的一款字符型液晶显示器了，主控芯片是HD44780或者是其他的兼容芯片，初学者一开始接触的也是这一款，但是由于对它了解不多，也就不难随心所欲的对它进行驱动，不过在经过一段时间的学习过后，也就会有一点学习心得，LCD首先它是外部设备，处理速度肯定是要比CPU慢的，向LCD写入命令也需要一段时间才能完成功能，这个过程，LCD是处在一个忙状态，也就不能向LCD写入新的内容。

图2-5-1LCD1602实物图

这次设计使用LCD1602的具体原因是因为，它是工业字符型，可以同时显示16*2就是32字符，并且1602液晶模块内部中的字符存储器已经存储160个不同点阵字符，这其中包括阿拉伯数字及英文字母等，使用的时候可以直接编写软件程序按照一定的时序驱动就可以，特点就是显示字迹的时候清楚，在价格方面，也相对来说便宜，是本次设计中的最佳选择，完全符合这次设计所需要的要求。

第三章硬件系统设计介绍

3.1硬件系统器件概述

3.1.1STC89C52单片机的介绍

单片机在一个控制系统当中是电路的一个部分，这其中的程序是在其所在的电路中进行编写的，所以要想对单片机进行编程并且实现其中一定的功能，首先就得了解这整个系统的一个电路图，然后再针对于某个特定电路来进行单片机编程，这一点是和普通的编程是不一样的，目前为止，很多生产单片机产品的一些公司很多，但是当中比较有影响力的就是英特尔公司的MCS-51系列，在一片小集成电路芯片中，集成了微处理器、I/O接口电路和存储器，便构成了单芯片微型计算机，也就是单片机。

之所以使用STC89C52的芯片使用，是因为它是一种带8K字节闪烁的可编程可擦除的只读存储器，主要的特性分为：

增强型的8051单片机中可以在6时钟/和12时钟/机器周期间随意选择一个即可，其指令代码也是完全相容传统的8051，在工作频率范围中，0到40MHz中，相当于普通版本8051的0到80MHz，并且它的工作频率可以达到48MHz。

这个芯片的工作电压可以达到5.5V到3.3V（5V单片机）或者3.8V到2.0V（3V单片机），该单片机上片上集成有512个字节RAM；它的通用I/O口有三十二个，在复位后为P1/P2/P3/P4是准双扣向上或者弱上拉，P0口则是漏极开路输出，如果把它作为总线扩展使用时，不需要加上拉电阻作为I/O口使用时，只需加上拉电阻；该器件一共拥有三个十六位定时器/计数器，定时器为TO/T1/T2；该器件具有EEPROM的功能和看门狗功能，且使用PDIP封装，用户应用程序空间则为8K字节。

这款单片机的优点比较适合此次设计，因此最终采用STC89C52单片机。

总结以上单片机的特点，决定采用STC89C52单片机来使用。

下面是单片机引脚图：

图3-1-1STC89C52引脚示范图

STC89C52的引脚功能说明

VCC（40引脚）：

电源电压

PSEN（29引脚）：

外部存储器读选通信号

VSS（20引脚）：

接地

RST（9引脚）：

复位

3.1.2时钟芯片的概述

DS1302是由来自美国得州的一家半导体公司推出的一种低功耗高性能时钟芯片。

这个芯片主要使用CPU配合SPI三线接口作为一个同步通信的功能，在突发的情况下，它是可以一次传送多个字节功能包括时钟信号。

其中附加了三十一个字节静态RAM，该时钟芯片可以提供年月日，还可以自动调节一个月29到31，并且它具有闰年补偿等功能，该时钟芯片于单片机中使用，可以简单的采用同步串行的方式进行通信使用，并且只需要用到三个口线即可，则该时钟芯片非常适合我们此次的设计，在我们本次设计里起到了非常重要的作用。

DS1302时钟可以使用备用电池的一个芯片，如果安装上电池，就算把它的电源关闭，该芯片的时间依然正常走，这个功能和电脑是一样的，有了这个功能，在它的备用电池不断电的情况下，也就不再需要对它进行初始化了，此芯片一辈子就只要初始化一次，非常的方便，但是如果单片机断电再进行通电，那么这个程序就会从头开始执行它初始化的程序，一开始我认为，只要不破坏它的时钟数据就可以了，把单片机开机的时候再读一次时钟数据，然后再把控制字叠加进去再写回去就可以了，然而事实证明，试验了很多次都以失败告终，而且每次都是小时的数据对不上，所以DS1302中暂存RAM中设立了一个标志位，只要保证它的备用电源不会断电，该标志就不会消失，只要每次通电开机时，当单片机检测到这个标志，也就不会再对其进行初始化。

总结而言，DS1302在使用中，精度不高，而且容易受到环境影响，从而出现时钟混乱等现象，不过可以用于数据记录，尤其是对于一些具有特殊意义的数据点进行记录，实现数据与出现的数据时间进行同步记录。

这一功能对于一些长时间连续测控系统的结果分析还有对一些异