教室节能智能照明系统软件设计本科.docx

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教室节能智能照明系统软件设计本科

教室节能智能照明系统软件设计本科

本科毕业设计（论文）

题目：

教室节能照明智能控制

系统软件设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

教室节能照明智能控制系统软件设计

摘要

该系统以AT89C52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，采用光敏电阻构成的电路检测环境光的强度;根据教室合理开灯的条件，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，完成对教室照明回路的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。

本文详细阐述了系统的软件设计过程，采用模块化的编程思想，使用C51语言编写源程序，实现教室的节能照明功能。

该系统具有体积小，控制方便，可靠性高，专用性强，性价比合理等优点，可以满足各类大、中专院校教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能目的。

关键词:

教室节能照明；软件设计；热释电红外传感器；智能控制

TheSoftwareDesignofClassroomEnergy-efficientLighting

IntelligentControlSystem

Abstract

ThisclassroomlightintelligentcontrolsystemthetheoryofthelightputforwardmethodsofonthebasisofAT89C52.isdeveloped,whichmachineofAT89C52isamajorpart,andtheenvironmentofdevelopmentisbetterthanbefore.Thissystemcansatisfythefollowingfunctions,suchascontrollingthecircuitofillumination,testingandprocessingdaylightsignal,testingandprocessingthesignalofhumanbodythatilluminatesthebacktrackexists,reportingtothewarningdevices,etc.

Thispaperdescribessystemsoftwaredesignprocess,theuseofmodularprogrammingideas,useC51languagesourcecode,classroomsenergy-efficientlighting.

Thissystemhadmanyadvantages.Forexample,thephysicalvolumewassmall，thesystemwasconvenientlycontrolled,thecredibilitywashigh,theappropriationwasstrong,anditspriceproportionwasideal，etc.Theexperimentprovedthatthesystemcansatisfythecontrolcommandoftheclassroom'slightdevice,soitcouldlargelyreducetheconsumingofenergyresources.

keywords:

Theclassroomenergysavinglighting,Softwaredesign,Pyroelectricinfraredsensor,IntelligentControl

1绪论

1.1本课题研究的目的及意义

随着社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平也不断提高，导致用电负荷的加剧，又由于世界性的能源危机，能源缺乏以成为世界所面临的严峻问题。

而此问题对我国来说尤为严重。

随着各类大、中专院校的扩招，教室的扩建，教室照明的需求也学来越多，而教室照明的管理不到位，往往造成电能的巨大浪费，这样，提高教室用电效率就成为首要考虑的问题。

目前对灯光的智能控制，尤其是我国教室灯光的智能控制尤为缺乏和不完善，依然是传统式的人工管理。

各类大、中中专院校不断扩招，教室不断扩建，教室用电负荷不断增加，教室用电管理不善，造成学校电能浪费，经济损失，这种浪费与当今的节能理念相违背。

再者，现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，灯光的管理也朝着自动化、智能化方向发展[1]。

于是，开发简便、实用的教室灯光自动化控制系统便具有重要的现实意义。

1.2国内外研究的现状及遇到的问题

目前国内国外同领域大多都研究智能自动控制在照明中的应用，以热释红外为基础来检测是否有人，靠单片机来实行自动化，但是大多数只是停留在理论阶段，并未在实际生活中像声控那样广泛应用，而高校中用电量30%—40%都用在照明上，这部分中浪费极为严重。

因此，必须有一套节能设施，本作品正好解决出现的问题。

现在的公共场所照明应用最多的还是你年前出现的声光控延时灯具和开关。

这种灯具和开关的出现，实现了人来灯亮，人走灯灭，目前已成为公共场所照明开关的主流产品。

当然，这种产品在某种程度上说确实实现了节能的目的，但同时也给人们的生存环境造成了一定的破坏。

由于产品本身性能的限制，这种声光控灯具和开关自动控制的实现需要（超过60分贝）声音的配合，这就给大众需要的安静环境造成了一定的噪声污染。

1.3本课题研究的内容即实现结果

教室照明节能智能控制系统是根据判别光照度强弱和人体特定红外波普感应原理，结合结合人体感应传感其技术，通过数字电路的精确分析判断，实现“按需用电”之目的。

当光线达到设定照度值是，节电装置可自动关闭供电电源。

即使打开开关，照明灯也不亮（即光线亮度够时，室内有人灯也不亮）。

当光线低于设定照度值时，室内有人时，节点装置自动接通电源，室内照明灯亮。

当室内唔认识，节电装置延时5分钟后，自动关闭供电电源。

通过不同的解决方案，多形式、多方位来实现“人走灯灭，节约用电”的效果。

2教室照明系统方案论证

2.1编程语言选择方案

2.1.1汇编语言

汇编语言是面向机器的程序设计语言。

在汇编语言中，用助记符代替机器指令的操作码，用地址符号或标号代替指令或操作数的地址，如此就增强了程序的可读性和编写难度，象这样符号化的程序设计语言就是汇编语言，因此亦称为符号语言。

使用汇编语言编写的程序，机器不能直接识别，还要由汇编程序或者叫汇编语言编译器转换成机器指令。

汇编程序将符号化的操作代码组装成处理器可以识别的机器指令，这个组装的过程称为组合或者汇编。

因此，有时候人们也把汇编语言称为组合语言。

汇编语言是直接面向处理器的程序设计语言。

处理器是在指令的控制下工作的，处理器可以识别的每一条指令称为机器指令。

每一种处理器都有自己可以识别的一整套指令，称为指令集。

处理器执行指令时，根据不同的指令采取不同的动作，完成不同的功能，既可以改变自己内部的工作状态，也能控制其它外围电路的工作状态[2]。

汇编语言是一种面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。

因为是机器指令的符号化表示，故不同的机器就有不同的汇编语言。

使用汇编语言能面向机器并较好地发挥机器的特性，得到质量较高的程序。

汇编语言保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点，可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备，如磁盘、存储器、CPU、I/O端口等，且占用内存少，执行速度快，是高效的程序设计语言。

由于是直接控制硬件，且简单的任务也需要很多汇编语言语句，因此在进行程序设计时必须面面俱到，需要考虑到一切可能的问题，合理调配和使用各种软、硬件资源。

这样，就不可避免地加重了程序员的负担。

与此相同，在程序调试时，一旦程序的运行出了问题，就很难发现。

汇编语言优点：

a.因为用汇编语言设计的程序最终被转换成机器指令，故能够保持机器语言的一致性，直接、简捷，并能象机器指令一样访问、控制计算机的各种硬件设备；

b.目标代码简短，占用内存少，执行速度快，是高效的程序设计语言，经常与高级语言配合使用，以改善程序的执行速度和效率，弥补高级语言在硬件控制方面的不足，应用十分广泛。

汇编语言缺点：

a.汇编语言是面向机器的，处于整个计算机语言层次结构的底层，故被视为一种低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。

因此，不同的处理器有不同的汇编语言语法和编译器，编译的程序无法在不同的处理器上执行，缺乏可移植性；

b.难于从汇编语言代码上理解程序设计意图，可维护性差，即使是完成简单的工作也需要大量的汇编语言代码，很容易产生bug，难于调试；

c.使用汇编语言必须对某种处理器非常了解，而且只能针对特定的体系结构和处理器进行优化，开发效率很低，周期长且单调。

2.1.2C51语言

单片机C51语言是由C语言继承而来的。

和C语言不同的是，C51语言运行于单片机平台，而C语言则运行于普通的桌面平台。

C51语言具有C语言结构清晰的优点，便于学习，同时具有汇编语言的硬件操作能力。

单片机C51语言兼备高级语言与低级语言的优点，语法结构和标准C语言基本一致，语言简洁，便于学习，运行于单片机平台，支持的微处理器种类繁多，可移植性好。

对于兼容的8051系列单片机，只要将一个硬件型号下的程序稍加修改，甚至不加改变，就可移植到另一个不同型号的单片机中运行，具有高级语言的特点，尽量减少底层硬件寄存器的操作，C51语言代码执行的效率方面十分接近汇编语言，且比汇编语言的程序易于理解，便于代码共享。

C语言是一种高级程序设计语言，它提供了十分完备的规范化流程控制结构。

因此采用C51语言设计单片机应用系统程序时，首先要尽可能地采用结构化的程序设计方法，这样可使整个应用系统程序结构清晰，易于调试和维护。

对于一个较大的程序，可将整个程序按功能分成若干个模块，不同的模块完成不同的功能。

对于不同的功能模块，分别指定相应的入口参数和出口参数，而经常使用的一些程序最好编成函数，这样既不会引起整个程序管理的混乱，还可增强可读性，移植性也好[3]。

与汇编语言相比，C51语言可以编写出更加灵活和更多功能的用户界面，提供优质的图文显示而且硬件处理效率也不会降低太多。

汇编语言开发的程序代码短、执行速度快，但由于汇编语言是低级语言，使用汇编语言是一件很麻烦的事

情，尤其是进行数值运算或结果显示时更为复杂。

因此，只有对程序执行的时间要求十分苛刻时，才考虑使用汇编语言。

对大多数应用环境，C51语言是能满足要求的，而且，C51语言对编写需要硬件进行操作的场合，明显优于其他高级语言，本文智能水表系统的软件编程，选择用C51语言更为合适。

2.2系统控制方案论证

本课题所研制的控制系统以自然光强度和人体存在作为主要输入参数，可以实现自动与手动控制相兼容。

在自然光较强光线足够时，无论人是否存在，都不开灯；在自然光较弱时，有人存在，控制器自动打开电灯，直到人离开延迟一定时间后关灯。

同时，还可以按作息时间来控制，夜晚超过12点，若还有人存在，则关闭控制系统的运行，改用开关手动控制。

本课题研究的系统主要由硬件和软件两部分组成，硬件部分是前提，它主要为软件提供运行平台[4]。

而软件部分，是对硬件端口所体现的信号加以采集、分析、处理，最终实现系统所要实现的各项功能。

2.3数据采集方案论证

教室中的自然光和人体存在与否是系统主要输入参数，因此教室中的环境光和人体存在成为系统数据采集的主要对象，常用的环境光采集器件光电传感器有光敏电阻和光敏二极管，根据需求选择光敏电阻。

才外人体传感器要求灵敏度高、可靠性强，本系统采用热释电红外传感器（PIR）RE200B。

2.4系统调试方案论证

2.4.1焊接硬件电路板

本课题分为自然光检测模块、人体检测模块、震荡电路、复位电路、输出电路、开关电路等部分，元器件在电路板插装的顺序是先低后高、先小后大、先轻后重、先易后难，上道工序的安装不能影响下道程序安装，有极性的元器件极性严格按照图纸要求安装，每焊接好一个模块都要输入程序进行调试。

2.4.2Protues软件调试方案

Protues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器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。

2.4.3方案选择

部分元器件在Protues软件中未找到，而且焊接电路板对于结果演示效果更好，所以本课题选择焊接电路板。

3系统主要器件简介

3.1AT89C51单片机简介

3.1.1单片机的引脚及功能

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory），它是一种高性能的CMOS8位处理器，俗称单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL公司高密度非易失存储器技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容[5]。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，它为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价格低廉的方案。

图3.1是AT89C51的引脚结构图。

图3.1引脚结构图

AT89C51主要特性：

a.一个8位的80C51微处理器（CPU）；

b.片内256字节数据存储器RAM/SFR，用以存放可以读/写的数据，如运算

的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等；

c.片内4KB程序存储器FlashROM，用以存放程序、一些原始数据和表格；

d.4个8位并行I/O端口P0～P3，每个端口既可以用作输入，也可以用作输出；

e.两个16位的定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制；

f.具有5个中断源、两个中断优先级的中断控制系统；

g.一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通信；

h.片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允许振荡频率为24MHz；

i.89C51单片机与8051相比，具有节电工作方式，即休闲方式及掉电方式。

AT89C51单片机的引脚的功能：

a.Vcc电源端，为+5V，Vss接地端；

b.XTAL2（18脚）：

接外部晶体和微调电容的一端；

c.XTAL1（19脚）：

接外部电容的另一端；

d.ALE/

（30脚）：

地址锁存允许信号端；当89C51上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡频率Fosc的1/6。

e.

（29脚）：

程序存储器允许输出信号端；

f.

/Vpp（31脚）：

外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端；

g.P0端口（P0.0～P0.7,39～32脚）：

P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口；

f.P1、P2及P3端口均是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口；

在89C51中，P3端口还用于一些复用功能。

表3.1P3端口引脚与复用功能表

端口引脚

复用功能

P3.0

XD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0的外部输入）

P3.5

T1（定时器1的外部输入）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

3.1.2AT89C51单片机的最小系统

复位电路：

AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。

复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号[6]。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

最简单的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。

只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。

时钟频率用12MHz时C取22uF，R取1K。

除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。

本设计就是用的按键手动复位如图3.2。

按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。

其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。

时钟频率选用12MHz时，C取22uF,Rs取200Ω，R0取1KΩ

。

图3.2复位电路

时钟电路：

AT89C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。

单片机的时钟产生方法有两种。

内部时钟方式和外部时钟方式。

本设计采用内部时钟方式如图3.3，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。

本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。

振荡晶体可在1.2MHz到12MHz之间选择。

电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，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。

在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。

为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。

NPO是一种最常用的具有温度补偿特性的单片陶瓷电容器。

它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。

图3.3时钟电路

3.2热释电红外传感器简介及原理

主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2~1mm的探测元件。

在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。

由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。

为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内人的行动。

菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。

当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度[7]。

人体辐射的红外线中心波长为9~10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20um范围内几乎稳定不变。

在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。

优点：

本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。

价格低廉。

缺点：

容易受各种热源、光源干扰，被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。

3.3光敏电阻简介及工作原理

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。

光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆[8]。

光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性。

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。

在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。

用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。

通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度1。

在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。

光照愈强，阻值愈低。

入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。

在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。

光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。

半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少[9]。

优点：

内部的光电效应和电极无关（光电二极管才有关），即可以使用直流电源，灵敏度和半导体材料、以及入射光的波长有关。

缺点：

受温度影响较大，响应速度不快，在ms到s之间，延迟时间受入射光的光照度影响。

4系统软件设计

4.1系统结构框图

本系统需要两个传感器来分别检测人体红外信号和自然光强信号，需要按键电路来强制灯的开关，还需要指示电路来指示系统的工作状态如图4.1。

图4.1系统结构图

4.2系统软件设计概述

4.2.1总体流程图

首先通过自然光检测电路检测光照强度，如果光照度足够，则无论教室有没有人，灯都不亮；如果光照度不够，则通过人体红外检测电路检测是否有人，有人灯亮，没人灯灭。

另外为了应对特殊情况，设置手动开关，强制灯亮灯灭如图4.2为总体流程图。

图4.2总体流程图

4.2.3按键流程图

本设计中，按键程序采用扫描方式的来判断是否有键，也可使用中断方式。

按键流程里设计了10ms延时子程序如图