1、 共 页 第 页中文摘要单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，电灯已是千家万户的必需生活用品，当夜晚来临时，人们摸黑去开灯，非常不方便，而当离开时，人们又经常忘记关灯而造成巨大的能源浪费。 本研究针对教室灯光的控制方法，尤其是教室灯光的智能控制方面的发展现状，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机的教室灯光智能控制 系统的设计思路，并在此基础上开发了智能控制系统的硬件装置和相应软件。主要是以红 外 热 释 电 处 理 芯 片 BISS0001 和 单 片 机 组 成 的 红 外 传 感 控 制 电 路。其原理是：以人体红外辐射（波长为 9.5u
2、m）为传感信号，当人体在台灯的范围内且环境光强较弱时，自动感应开灯，省去黑夜摸灯的麻烦；当人离开台灯传感器检测范围，自动感应关灯。采用 LM393 电压比较器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。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，专用性强，性价比合理等优点。关键词：人体感应，教室灯，单片机，智能化共 页 第 页ABSTRACTMicrocontroller penetrated into every aspect
3、 of our lives, which is almost difficult to find traces of the field without MCU, the light is necessary for thousands of households living supplies, when night comes, people in the dark to light, very inconvenient, but when he dies, people often forget to turn off the lights and causing huge waste
4、of energy.The research of control method for the classroom lighting, especiallyclassroom lighting intelligent control development present situation,analyzes the principle and realization method of the intelligent lighting control room, puts forward the design idea of classroom lightingintelligent co
5、ntrol system based on single chip, hardware devicebased on the development of the intelligent control system and the corresponding software.Mainly deal with infrared sensor chip BISS0001 and MCU control circuit for pyroelectric infrared. The principle is: to human body infrared radiation (wavelength
6、 9.5um) as a sensing signal, when the body of the scope of the lamp and light intensity is weak, the automatic induction lamp, night lamp without touching the trouble;when people leave the lamp sensor detection range, automatic induction lights. The circuit testing environment LM393 voltage comparat
7、or strength; according to the condition of light conditions, theexistence of system identification and intelligent judgment signal and ambient light signal of human body, the classroom lighting intelligentloop control, to avoid the use of large amount of waste electricclassroom. Modularization struc
8、ture design, clarity, good versatility,easy to improve and expand. The system has the advantages of small volume, convenient control, high reliability, strong specificity, has the advantages of reasonable price.Keywords: The induction of the human body, the classroom lamp, MCU, intelligent共 页 第 页目 录
9、第一章 绪论 .51.1 研究的背景 .51.2 研究的意义 .51.3 研究内容与目标 .71.3.1 研究内容 .71.3.2 研究目标 .7第二章 系统总体方案设计 .82.1 系统总体框图 .82.2 方案的选择 .82.2.1 单片机的选择 .82.2.2 感应器的选择 .9第三章 系统硬件电路设计 .113.1 系统硬件概述 .113.2 主控模块设计 .123.2.1 系统主控电路 .123.2.2 单片机的引脚功能 .123.2.3 单片机的主要特性 .123.2.4 单片机最小系统 .143.2 人体感应模块设计 .153.3 光敏模块设计 .173.3.1 光敏电阻介绍 .
10、173.3.2 LM393 电压比较器介绍 .183.4 继电器 驱动模块设计 .19第四章 系统软件的设计 .21第五章 系统分析与调试 .22第六章 结论及展望 .24共 页 第 页参考文献 .25附录 A.26致谢 .27共 页 第 页第一章 绪论1.1 研究的背景社 会 在 不 断 进 步 ， 人 类 在 不 断 追 求 ， 市 场 在 不 断 变 化 ， 高 科 技 应 用 含 量 决 定 着 产品 发 展 的 新 趋 势 和 前 景 ， 智 能 化 技 术 在 电 子 产 品 领 域 的 应 用 意 义 深 远 。 随着电子产品的快速发展，家用电器也越来越偏向智能化，已经应用于实际
11、中的有智能洗衣机，智能电饭锅，智能电磁炉等，而所用的智能化家用电器都用一个共同的特点，都是利用单片机作为中央控制单元。结合了单片机的智能家用电器和普通家用电器相比，功能上更强，使用更方便，安全可靠性也更高，最重要的是更节省电能。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，能源缺乏已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，教室照明的需求也越来越多，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。 对灯光的智能控制，国内外已经开始采用，但对教室灯光
12、的控制，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、中专院校不断扩招，教室不断扩建，教室的用电负荷不断加大，教室用电管理不善，造成学校电能浪费，经济损失，这种的浪费与当今的节约能源理念楣违背。再者，现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，灯光的管理也在朝着自动化、智能化方向发展。例如搂道灯光的自动控制等等。所有这些使得教室灯光控制也应该朝着智能的方向发展。所以说，开发简便，实用的教室灯光自动控制系统便具有重要的现实意义。 1.2 研究的意义 我国政府非常重视节能和节约。1997 年 11 月 1 日我国颁布了中华人民共和国节约能源法 ，节能已经是法律上的规定
13、，是我国重要国策之一。北京 2008 年奥运场馆建设，在“科技奥运，人文奥运，绿色奥运”三大理念的基础上，又提出“勤俭办奥运”的方针，充分体现政府节能，节约的决心！国家发改委提出了“电机系统节能工程” 、 “建筑节能工程” 、 “绿色照明工程”等十大重点节能工程，通过这十大工程， “十一五”期间将实现节约 2.4 亿吨标准煤的目标。2006 年 1 月将实行国家建设部颁布的“民用建筑节能管理规定”共 页 第 页，2005 年 7 月 1 日开始实施的“公共建筑节能设计标准”GB501892005 要求全年的总能耗（采暖，通风，空气调节和照明）减少 50%。广大电气技术工作者只有认认真真研究节约
14、电能的理论和技术，开发出优良的节电产品并应用于实际，才能从根本上贯彻国家规定的各项节能法规，造福于社会。照明节能意义重大，我国照明耗电大体占全国总发电量10%12%，据资料报道，目前城市照明（指景观照明和功能照明的统称） ，年用电量约占全国总发电量的 4%5%。照明节能主要从三个方面入手：选用高效节能的电光源和灯具；选用高品质电子镇流器或节能型电感镇流器；配置适宜，先进照明控制装置。目前我国城市公共照明每年开支达数百亿元。应积极推广采用国际上流行的全数字智能路灯节能控制技术：即智能光源降压稳压调光技术。它的技术思想为：在繁忙时段，控制路灯保持较强的照度，午夜时分，自动调光；后半夜车稀人少时，控
15、制路灯保持较低的照度的照明。在美国、德国此类技术得到了政府大力扶持和推广，节电率高于 30%。我国已有独立自主知识产权的这方面技术产品如哈工大楼宇自动化研究所研制的“金卤灯调压调光系统” ，在城市道路照明应用中运行效果优良。今后尚需政府的行政支持。当前，随着经济的飞速发展，能源短缺问题日益突出，成为一个国家经济发展的“瓶颈”。作为工业生产和人民生活不可或缺的电力能源更是如此。尤其现今越来越提倡低碳生活，节约能源已经成为一种全球共识，而作为培养社会精英的高校更应该起到榜样的作用。但是目前在校园内，教室灯火通明，却空无一人的现象屡见不鲜，这不仅造成了严重的资源浪费，也对高校的形象造成了很坏的影响。
16、本文所研究的教室灯光控制系统就可以很好地实现节约能源的作用。虽然我国能源总储量不低，但由于我国人口众多，所以人均储量少，单位产值的能耗 是发达国家的 3-10 倍。能源问题已成为制约我国国民经济发展的关键 问题。从环境和自然资源角度出发，能源问题也是我国长期可持续发展 战略中一个关键因素。此外，能源问题不仅关系经济发展和环境生态，在特定情况下还会对社会稳定有很大影响。鉴于能源问题的重要性，我 国在绿色照明工程新闻发布，绿色照明工程未来五年问将在公用设旅、宾馆、商厦、居民住所等全国建筑物中推广 1.5 亿只节能灯，节电 290 亿度电。上海、河北等一些地方采取政府对节能灯大宗采购每只补贴 3 至
17、 4 元的方式进行推广。从普通白炽灯到高效节能灯，使我国的电光源 产品结构逐步向节电型转。国内各类院校中，由于同学们的自觉节能意识薄弱，在光线足够强时也开灯，课上完离开教室后灯还亮着的现象普遍存在；而且，节能规划极为欠缺，教室的灯光控制由管理人员手工代替，教室极多，管理人员忙不过来,这样就造成不必要的电能 浪费和经济损失。基于以上种种原因，提高教室用电效率就成为学校节能的重要且主要的措施之一，因此节能技术的重要手段之一就是教室灯自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要课题。共 页 第 页1.3 研究内容与目标1.3.1 研究内容 随着智能化技术的飞速发展，智能化家用电器的日益普及，教师灯光控制
18、是利用单片机作为控制芯片。将硬件设计分为传感器及信号处理部分、以单片机组成的中央处理单元、智能的控制教室灯。对各部分功能作用予以详细说明。软件设计采用模块化结构，将各模块设计完成后进行总调。首先要了解教室照明光强的标准，其次调研教室灯光照明需求以及环境光强弱与开、关灯的关系，再次研究灯光控制器电源问题，最后确定研究控制器参数值设定的要求及方案。1.3.2 研究目标 论文针对教室灯光的控制，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机设计教室灯光智能控制系统的思路，并在此基础上开发了智能控制系统的硬件模块和相应软件部分。研究的教室灯光控制系统能用于现有教室照明系统的改造，实现对照明系
19、统的人性化智能管理，提高用电效率；实现自动、手动灯光控制相兼容，以降低成本；通过反复试验和改进，最终达到可靠性、实用性、推广性较好的目标。 共 页 第 页第二章 系统总体方案设计2.1 系统总体框图系统控制单元是以单片机主控模块为核心，其它外围电路主要包括：系统供电模块、硬件时钟模块、看门狗模块、环境光模块、人体存在传感器模块、遥控器模块、遥控器接收模块及超时报警模块，设计的系统总框图如图 2-1 所示。图 2-1 系统总体框图教室灯光控制可实现有效的教室灯光智能控制。其输入参数主要是人体存在信号和环境光信号等的外界因素，环境光的强度达到一定值时不开灯,环境光强度在一定阀值以下且有人存在时开灯
20、，理论和实验证明用这种方式来对教室灯进行智能控制可以实现上述目标。教室灯光控制器一般安装在教室内避开电灯直射的位置，且人体传感器安置时应使人体活动方向与人体传感器中两个热释电元连线方向垂直，这样可使人体存在信号采集更加灵敏、可靠，同时还要尽可能避免外界风直接吹向人体传感器。2.2 方案的选择2.2.1 单片机的选择单片机晶振电路 继电器模块复位电路人体感应模块LED 指示模块光敏模块共 页 第 页方案一：AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 型 8 位单片机，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用
21、 8 位中央处理器(CPU)和 Flash 存储单元，功能强大。其片内的 4K 程序存储器是 FLASH 工艺的，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护我们的劳动成果。再者，AT89C52 目前的售价比 8031 还低，市场供应也很充足。AT89C51 可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于 8K，四个 I/O 口全部提供给用户。可用 5V 电压编程，而且擦写时间仅需 lOms。AT89C51 芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统
22、不被仿制。PO口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。方案二：STC89C51 系列单片机的指令系统和 AT89C51 系列的完全兼容，但实际操作起来却存在很多问题：（1）AT89C51 不带 ISP 下载，要用下载器才行，STC89C51 可以用你的 USB 转串口下载，下载软件可以到 STC 厂家网上去下。（2）STC 单片机执行指令的速度很快，大约是 AT 的 3-30 倍，尽管快是好事，但这样一来，你在 AT 上好使的程序在 STC 上不一定好用，最典型的例子就是那些对时序有严格要求的模块，用 STC 时注意得加长延时，大约是 AT 的 1030
23、 倍就差不多，这一点自己调试就知道了。（3）STC 单片机对工作环境的要求比较低，电压低于 5 伏时仍然正常工作，甚至 3伏到 4 伏之间都还可以工作，然而这样的环境下 AT 肯定不行了，所以当一个系统用 STC单片机好用，但用 AT 的单片机不工作时，直接查最小系统，看单片机的供电是否正常。比较这两种方案，由于在学校期间学过数字电路、单片机原理、C 语言程序设计，综合考虑单片机的各部分资源和作为学生能够获得的资源，经过对比此次设计要求，我选择用 STC 系列芯片完成。而且学校也提供了相应的硬件操作平台，实际操作起来比较方便，故 STC 为更合理的选择。本系统选择 STC89C51 单片机作为
24、主控芯片。足够本设计运行，且价格便宜，下载程序方便。2.2.2 感应器的选择方案一：感应人体采用被动式红外传感技术，是利用红外光敏器件将活动生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号,并进行放大,处理,它能可靠的将运动着的生物体(人)和飘落的物体加以区别。同时它还具有监控范围大，隐蔽性好，抗干扰能力强和误报率低等特点。被动式红外入侵报警器又称热释电红外入侵报警器，由光学系统，红外传感器和信息处理三部分组成。目前与红外传感器配套的光学系统有三种，即反射式、透射式和折射式。其中反射式光学系统的灵敏度最高，其探测距离可达 2560 m；透射式的灵敏度最低，探测距离为 210 m；折射式居中，兼有反射式
25、和透射式的优、缺点。方案二：感应人体采用主动式红外探测器，由红外发射机、红外接收机组成。分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束。接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动信号。共 页 第 页比较这两种方案，主动式红外探测器由于光束较窄，收发端安装要牢固可靠，不应受地面震动影响，而发生位移引起错误，光学系统要保持清洁，注意维护保养。因为主动式探测器所探测的是点到点，而不是一个面的范围。其特点是探测可靠性非常高。但若对一个空间进行检测，则需有多个主动式探测器，价格昂贵。主动式探测器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。本设计适合采用被动式红外传感器，经过多方面考虑，本设计采用红外人体感应器模块。
