基于單片機的智能照明控制系統(tǒng)設計

..設計名稱：智能照明控制系統(tǒng)組別：第五組組長：XX組員：XX基于單片機的智能照明控制系統(tǒng)設計隨著電子技術的飛速發(fā)展,基于單片機的控制系統(tǒng)已廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電力、電子、智能家居等行業(yè),微型計算機作為嵌入式控制系統(tǒng)的主體與核心,代替了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的常規(guī)電子線路。本文介紹了基于單片機AT89C51的室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)及其原理,提出了有效的節(jié)能控制方法。該系統(tǒng)采用了當今較成熟的傳感技術和計算機控制技術,利用多參數(shù)來實現(xiàn)對學校教室室內(nèi)照明的控制。系統(tǒng)設計包括硬件設計和軟件設計兩部分。工作時,光信號取樣電路采集光照強弱、人體信號采集電路采集室內(nèi)是否有人、是否為工作時間等信息并將信號送到單片機,單片機根據(jù)這些信息通過控制電路對照明設備進行開關操作,從而實現(xiàn)照明控制,以達到節(jié)能的目的。..目錄1引言1.1研究背景1.2智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)點2設計部分2.1設計要求2.2系統(tǒng)設計2.3邏輯控制2.4硬件設計2.4.1系統(tǒng)硬件總述2.4.2AT89C51單片機介紹2.4.3光照檢測電路2.4.4人體信號采集電路2.4.5比較電路2.4.6延遲時間選擇電路2.4.7輸出控制電路3系統(tǒng)軟件設計及實現(xiàn)4結論HYPERLINK5評價………………..HYPERLINK6組員分工…………………………....1引言研究背景如今普遍高校都是開放型的管理模式,高校的教室在白天室內(nèi)照度很高的情況下,仍然普遍存在開燈作業(yè)；即使是很少的時候也是整個教室的燈全亮著。甚至教室無人的時候燈仍然亮著。這些現(xiàn)象普遍存在于各大高校,浪費了電力資源。目前通常使用的節(jié)電方式有實行手工控制,聲控型,太陽能燈等。但是它們都存在一定的弊端。手工控制方式操作不便,費時費力,而且需要人工控制。聲控型則容易存在判斷不準確,當不是人為需要的時候,其它噪聲也可能會讓燈亮。太陽能設備投資比較大,且容易受光照強度的影響,不適合用在教室設施場所。因此市場上迫切需要一種操作方便、價格低廉、便于大面積推廣的新型節(jié)能方案。1.2智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)點智能照明控制系統(tǒng)是指用計算機技術并輔助以其它手段,對電力照明實行智能控制,提供合適照明光環(huán)境的同時降低照明系統(tǒng)電能消耗和其它使用費用。智能照明控制系統(tǒng)于手動照明控制系統(tǒng)相比有很多優(yōu)點,包括創(chuàng)造環(huán)境氣氛,改善工作環(huán)境、提高工作效率,良好的節(jié)能效果,延長光源壽命,管理維護方便等。1.3智能照明控制系統(tǒng)的組成智能照明控制系統(tǒng)主要由輸入裝置、處理器和執(zhí)行器三個部分組成。輸入裝置可以不斷檢測周圍環(huán)境的光照度水平,可以探測到某個區(qū)域是否有人移動,以及輸入人們的控制指令,并把相應的信號傳送給處理器。輸入裝置包括傳感器、定時裝置和控制面板或遙控器。處理器接受輸入裝置的信號,經(jīng)過信息處理、判斷、分析,輸出控制信號。執(zhí)行器與燈具直接連接,控制燈光回路的閉合或斷開和調節(jié)燈光到相應的水平,包括手動開關。2設計部分2.1設計要求控制器的主要目的是對燈的開關狀態(tài)進行控制。工作時根據(jù)時間,人工控制及光照等因素綜合控制燈的開關狀態(tài)。光照檢測電路和紅外線傳感器采集光照強弱、室內(nèi)是否有人等信息送到單片機,單片機根據(jù)這些信息通過控制電路對照明設備進行開關操作,從而實現(xiàn)照明控制,以達到節(jié)能的目的。系統(tǒng)設計主要包括硬件和軟件兩大部分,依據(jù)控制系統(tǒng)的工作原理和技術性能,將硬件和軟件分開設計。硬件設計部分包括電路原理圖、合理選擇元器件、繪制線路圖,然后對硬件進行調試、測試,以達到設計要求。硬件電路是采用結構化系統(tǒng)設計方法,該方法保證設計電路的標準化、模塊化。硬件電路的設計最重要的選擇用于控制的單片機,并確定與之配套的外圍芯片,使所設計的系統(tǒng)既經(jīng)濟又高性能。硬件電路設計還包括輸入輸出接口設計,畫出詳細電路圖,標出芯片的型號、器件參數(shù)值,根據(jù)電路圖在仿真機上進行調試,發(fā)現(xiàn)設計不當及時修改,最終達到設計目的。軟件設計部分,首先在總體設計中完成系統(tǒng)總框圖和各模塊的功能設計,擬定詳細的工作計劃；然后進行具體設計,包括各模塊的流程圖,選擇合適的編程語言和工具,進行代碼設計等；最后是對軟件進行調試、測試,達到所需功能要求。本系統(tǒng)軟件設計采用模塊化系統(tǒng)設計方法,先編寫各個功能模塊子程序,然后進行組合與調整,經(jīng)過調試后,達到設計功能要求。2.2系統(tǒng)設計系統(tǒng)設計可分為硬件設計和軟件設計兩部分。根據(jù)我們需要實現(xiàn)的功能,合理選擇元器件進行設計。軟件設計部分,應該結合硬件電路所要實現(xiàn)的功能進行設計。主要針對光電檢測電路和熱釋電紅外傳感器輸出信號進行處理。當光強的時候,系統(tǒng)對光照進行檢測,產(chǎn)生信號并處理控制燈的開關狀態(tài),科學管理燈光的亮與滅,達到節(jié)約用電的目的。2.3邏輯控制教室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)根據(jù)天氣、時間、等因素自動控制教室內(nèi)燈光。當教室或者其它照明場所里面有人時,或者需要進行作業(yè)時,如果光線較暗則開燈,光線很亮時則關燈,沒有人時,或者不需要進行作業(yè)時,則關燈。光線亮時則關燈,晴天時關燈,休息時間關燈。根據(jù)上述要求,可以畫出控制系統(tǒng)邏輯功能表,如表1-1所示。室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)可以根據(jù)氣候、人體等因素全天候自動控制室內(nèi)照明電器的開和關。做到光線暗時開燈,雨天陰天時開燈,無人時關燈,光線亮時關燈,晴天時關燈。在確保室內(nèi)正常照明同時,可有效防止無人時開燈﹑光線亮時開燈,從而達到節(jié)電目的。根據(jù)上述要求,可以畫出如表2-1所示控制系統(tǒng)邏輯功能表。關系如果假設：室內(nèi)光線強度為A：光線強時A=1,光線弱時A=0；人體信號為B：有人時B=1,無人時B=0；作息時間為C：上課時C=1,休息時C=0；電燈開關狀態(tài)為D：合時D=1,斷開時D=0。則表1-1可以轉化為表1-2。由真值表可得出系統(tǒng)邏輯函數(shù)表達式為：D=A·B·C如下表所示信號室內(nèi)光信號人體信號時鐘信號電燈的開關狀態(tài)參數(shù)自然光照度人體作息時間邏輯狀態(tài)強無休息斷強無上課斷強有休息斷強有上課斷弱無休息斷弱無上課斷弱有休息斷弱有上課合表1-1系統(tǒng)邏輯表1-2邏輯系統(tǒng)真值表信號室內(nèi)光信號人體信號時鐘信號電燈的開光狀況參數(shù)自然光信號人體作息時間符號ABCD邏輯狀態(tài)100010101100111000000010010001112.4硬件設計系統(tǒng)硬件總述系統(tǒng)以單片微型計算機AT89C51為核心外加多種接口電路組成,共有四個主要部分：光照檢測電路、延時電路、熱釋電紅外線傳感器及處理電路、輸出控制電路。如圖2-1所示外圍接光照檢測電路、熱釋電紅外線傳感及處理電路、輸出控制電路。兩個開關實現(xiàn)人工控制。AT89C51單片機介紹AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器,俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造,與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器,AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖所示。2.4.3光照檢測電路光信號取樣電路如圖2-2所示,圖中主要由光信號采集電路和A/D模數(shù)轉換電路組成,其中模數(shù)轉換是電路的核心。信號經(jīng)過采集送入A/D轉換電路,通過單片機處理后,最終作為系統(tǒng)應用程序進行開關燈判斷的依據(jù)。A/D轉換器的位數(shù)應根據(jù)信號的測量范圍和精度來選擇,使其有足夠的數(shù)據(jù)長度,保證最大量化誤差在設計要求的精度范圍內(nèi)。本系統(tǒng)中,信號的測量范圍的電壓：0.00—9.99V,精度0.01V。在本次設計中選用了帶串行控制的10位模數(shù)轉換器TLC1549,它采用CMOS工藝,具有自動采樣和保持,采用差分基準電壓高阻抗輸入,抗干擾性能好,可按比例量程校準轉換范圍,總不可調整誤差達到<±>1LSBMax,芯片體積小等特點。同時它采用了Microwire串行接口方式,故引腳少,接口方便靈活。與傳統(tǒng)的并行方式接口A/D轉換器〔例ADC0809/0808相比,其單片機的接口電路簡單,占用I/O接口資源少。圖2-2光信號取樣電路人體信號采集電路1>熱釋電效應原理簡述熱釋電紅外傳感器通過目標與背景的溫差來探測目標,其工作原理是利用熱釋電效應,即在鈦酸鋇一類晶體的上、下表面設置電極,在上表面覆以黑色膜,若有紅外線間歇地照射,其表面溫度上升△T,其晶體內(nèi)部的原子排列將產(chǎn)生變化,引起自發(fā)極化電荷,在上下電極之間產(chǎn)生電壓△U。常用的熱釋電紅外線光敏元件的材料有陶瓷氧化物和壓電晶體,如鈦酸鋇、鉭酸鋰、硫酸三甘肽及鈦鉛酸鉛等。實質上熱釋電傳感器是對溫度敏感的傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成,在元件兩個表面做成電極。在環(huán)境溫度有ΔT的變化時,由于有熱釋電效應,在兩個電極上會產(chǎn)生電荷△Q,即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱的電壓△V。由于它的輸出阻抗極高,在傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。熱釋電效應所產(chǎn)生的電荷△Q會被空氣中的離子所結合而消失,即當環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時,△T=0,則傳感器無輸出。當人體進入檢測區(qū),因人體溫度與環(huán)境溫度有差別,產(chǎn)生ΔT,則有△T輸出；若人體進入檢測區(qū)后不動,則溫度沒有變化,傳感器也沒有輸出了。所以這種傳感器也稱為人體運動傳感器。由實驗證明,傳感器不加光學透鏡<也稱菲涅爾透鏡>,其檢測距離小于2m,而加上光學透鏡后,其檢測距離可增加到10m左右。2>人體紅外探頭介紹熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線,并將其轉變?yōu)殡妷盒盘?。熱釋電傳感器具有成本低、不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源、靈敏度高、可流動安裝等特點。實際使用時,在熱釋電傳感器前需安裝菲涅爾透鏡,這樣可大大提高接收靈敏度,增加檢測距離及范圍。實驗證明,熱釋電紅外傳感器若不加菲涅爾透鏡,則其檢測距離僅為2m左右;而配上菲涅爾透鏡后,其檢測距離可增加到10m以上。3>熱釋電紅外傳感器介紹熱釋電紅外傳感器主要是由一種高熱電系數(shù)的材料,如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2*1mm的探測元件。在每個探測器內(nèi)裝入一個或兩個探測元件,并將兩個探測元件以反極性串聯(lián),以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉變成微弱的電壓信號,經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場效應管放大后向外輸出。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離,一般在探測器的前方裝設一個菲涅爾透鏡,該透鏡用透明塑料制成,將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份,制成一種具有特殊光學系統(tǒng)的透鏡,它和放大電路相配合,可將信號放大70分貝以上,這樣就可以測出10~20m范圍內(nèi)人的行動。菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學原理,在探測器前方產(chǎn)生一個交替變化的"盲區(qū)"和"高靈敏區(qū)",以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時,人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從"盲區(qū)"進入"高靈敏區(qū)",這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入,從而增強其能量幅度。人體輻射的紅外線中心波長為9~10um,而探測元件的波長靈敏度在0.2~20um范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開設了一個裝有濾光鏡片的窗口,這個濾光片可通過光的波長范圍為7~10um,正好適合于人體紅外輻射的探測,而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收,這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器。4>菲涅爾透鏡介紹菲涅爾透鏡多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片,也有玻璃制作的,鏡片表面一面為光面,另一面刻錄了由小到大的同心圓,它的紋理是利用光的干涉及擾射和根據(jù)相對靈敏度和接收角度要求設計的,透鏡的要求很高。菲涅爾透鏡在很多時候相當于紅外線及可見光的凸透鏡,效果好。多用于精度要求不是很高的場合。菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學原理,在探測前方產(chǎn)生一個交替變化的"盲區(qū)"和"高靈敏區(qū)",以提高它的探測接收靈敏度。當有人從鏡前走過時,人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從"盲區(qū)"進入"高靈敏區(qū)",這樣就使接收到紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入,從而強化能量幅度。菲涅爾透鏡有兩個作用：一是聚集作用,即將熱釋紅外信號折射〔反射在PIR上,第二個作用是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū),使進入探測區(qū)域的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號。由于熱釋電傳感器輸出的信號變化緩慢、幅值小<小于1mV>,不能直接作為照明系統(tǒng)的控制信號,因此傳感器的輸出信號必須經(jīng)過一個專門的信號處理電路,使得傳感器輸出信號的不規(guī)則波形轉變成適合于單片機處理的數(shù)字信號。根據(jù)以上要求,人體熱釋電檢測電路組成框圖如圖2-3所示。信號處理電路熱釋電紅外傳感器菲涅爾透鏡檢測對象信號處理電路熱釋電紅外傳感器菲涅爾透鏡檢測對象2-3熱釋電檢測電路組成框圖1>熱釋電傳感器處理電路本設計采用BIS0001來完成對熱釋電傳感器輸出信號的處理。BIS0001是一款具有較高性能的熱釋電傳感器信號處理集成電路,它主要由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成。圖2-4中,熱釋電傳感器S極輸出信號送入BIS0001的14腳,經(jīng)內(nèi)部第一級運算放大器放大后,由C3耦合從12腳輸入至內(nèi)部第二級運算放大器放大,再經(jīng)電壓比較器構成的鑒幅器處理后,檢出有效觸發(fā)信號去啟動延遲時間定時器,最后從12腳輸出信號Vo送入單片機進行照明控制。實驗所得,當傳感器檢測室內(nèi)有人時,Vo為4V;無人時Vo為0.4V。BIS0001的1腳接高電平,使芯片處于可重復觸發(fā)工作方式。輸出Vo的延遲時間Tx由外部R8和C7的大小調整;觸發(fā)封鎖時間Ti由外部R9和C6的大小調整。圖2-4熱釋電傳感器信號處理電路圖比較電路比較電路如圖2-5所示,由兩個運算放大器組成,輸入信號來自于紅外人體探頭輸出。比較電路中的基準電壓分別由兩個獨立的分壓電路得到,供電路比較所用。即運算放大器D1的6腳和D2的1腳電壓分別為0.45V和2.0V。圖2-5人體信號比較電路通過比較電路將相應的電壓比較結果以數(shù)字信號輸出。當被動紅外探頭在有效范圍內(nèi)感應到人體信號后,運算放大器的"2腳"或"5腳"的電壓降為3.0V；當被動紅外探頭在有效范圍內(nèi)沒有感應人體紅外信號時,"2腳"或"5腳"的電壓降為1.0V。探頭故障斷路時,則"2腳"或"5腳"的電壓降為0V。紅外探頭工作正常"1腳"的電壓恒定為2.0V,"2腳"的電壓有1V或是3.0V兩種狀態(tài),"6腳"的電壓恒定為0.45V,"5腳"的電壓與"2腳"的電壓保持一致。探頭將會根據(jù)有無人體信號在"2腳"產(chǎn)生1.0V或3.0V兩種電壓信號。2>紅外探頭不正常工作"1腳"的電壓恒定為2.0V,"2腳"的電壓為0V,"6腳"的電壓恒定為0.45V,"5腳"的電壓為0V。探頭將只會產(chǎn)生一種電壓信號0V。具體的比較結果如下表1-3所示。表1-3探頭采集信號輸出狀態(tài)表探頭工作狀態(tài)"1腳"電壓"2腳"或"5腳"電壓"6腳"電壓P2.6P2.5正常工作無人狀態(tài)2.0V1.0V0.45V11有人狀態(tài)2.0V3.0V0.45V01斷路或故障2.0V0V0.45V10通過比較電路,不僅解決了不同工作狀態(tài)時被動紅外探頭的對外界人體紅外信號的采集,而且也實現(xiàn)了僅通過被動紅外探頭的兩根電源線同時也傳輸了所采集的周圍環(huán)境的紅外信號,一舉兩得。延遲時間選擇電路系統(tǒng)在AT89C51的P1中設置了延時時間選擇電路,其目的是在環(huán)境光照較弱時,照明設備延時一段時間后自動熄滅。電路通過P1.0～P1.3設置4個延時時間,當P1.0～P3.0無開關閉合時,系統(tǒng)按初始值進行延時；當P1.0～P1.3有開關閉合時,程序從P1.3～P1.0進行檢測,若檢測到某一端口為低電平時,則系統(tǒng)按當前端口設置的值進行延時。設置時間關系值如表1-4所示。表1-4端口時間設置表端口P1.0P1.1P1.2P1.3時間/min15202530輸出控制電路1>繼電器繼電器是一種根據(jù)電量〔電壓、電流等或者根據(jù)非電量〔溫度、時間、轉速、壓力等信號的變化帶動觸點動作,來接通或者斷開所控制的電路或者電器,以實現(xiàn)自動控制和保護電路或者電器設備的電器。繼電器一般由感測機構、中間機構和執(zhí)行機構三個基本部分組成。可分為電磁式繼電器和非電磁式繼電器兩大類。電磁式繼電器是在輸入至電磁線圈中的電流的作用下,由其機械部件的相對運動而產(chǎn)生預定響應動作的一種電器。主要有：交流電磁繼電器、直流電磁繼電器、磁保持繼電器、舌簧繼電器等。<1>交流電磁繼電器：輸入電路中的控制電流為交流的電磁繼電器。<2>直流電磁繼電器：輸入電路中的控制電流為直流的電磁繼電器。<3>磁保持繼電器：利用永久磁鐵或具有很高剩磁特性的鐵芯,使電磁繼電器的鐵芯,使電磁繼電器的銜鐵在其線圈斷電后仍能保持在線圈通電的位置上的繼電器。磁保持繼電器具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)。<4>舌簧繼電器：利用密封在管形外殼內(nèi)并具有觸點簧片和銜鐵磁路雙重作用的舌簧的動作來開、閉或轉換線路的繼電器。工作原理：<1>電磁式電壓繼電器電磁式電壓繼電器是根據(jù)兩端電壓大小而接通或斷開控制電路的繼電器。這種繼電線圈的導線細、匝數(shù)多、阻抗大,并聯(lián)在電路中。<2>電磁式電流繼電器電磁式電流繼電器串接在電路中以反映電路中的變化。為了不影響電路的正常工作。電流繼電器線圈匝數(shù)少、導線粗、線圈阻抗小。除了有用于一般控制的電流繼電器外,還有作為保護用的過電流繼電器和欠電流繼電器。2>輸出控制電路單片機輸出控制信號電路如圖2-8所示,由P2.0、P2.3和P2.7口輸出的控制信號來實現(xiàn)室內(nèi)燈光的控制功能。用P2.0和P2.3兩個輸出來實現(xiàn)手動開關控制,用P2.7口來實現(xiàn)智能控制,輸出的是"0"電平時,則由Q1三極管組成的信號放大電路就被截止,則繼電器回路中無電流,所以,繼電器線圈無法工作,使得繼電器開關觸點斷開,電燈回路不通,電燈不亮,反之,當P2.7口輸出的是"0"信號時,則由Q1三極管組成的信號放大電路就導通了,則繼電器線圈工作,使得繼電器觸點閉合,電燈回路導通,電燈亮。圖2-8輸出控制電路3系統(tǒng)軟件設計及實現(xiàn)電路板要實現(xiàn)它的功能,還要必不可以的軟件程序對它進行控制。軟件設計分主程序設計、子程序設計、中斷程序設計三大塊。軟件是計算機系統(tǒng)的靈魂,沒有軟件計算機不能充分發(fā)揮其功能,這是軟件在計算機中的地位,而在計算機控制系統(tǒng)中,軟件也是非常重要的。在照明控制系統(tǒng)中,硬件設備的功能是由軟件來定義的,如系統(tǒng)要控制分布的照明燈具,通過編程完成對輸出電路的控制等等,由此可見,軟件是控制系統(tǒng)中的一個重要組成部分。該照明控制系統(tǒng)的軟件程序包括：照明啟?？刂瞥绦?、照明亮度控制程序、照明定時控制程序等。本著軟件設計的基本方法,照明控制程序的軟件設計方法是利用傳統(tǒng)的結構化分析與設計方法來完成的。結構化程序設計方法雖然是早期的程序設計方法,但該方法還一直被廣泛地使用。結構化系統(tǒng)分析與設計貫穿整個軟件設計過程,遵循"自頂向下,逐步求精"的基本原則。本照明控制系統(tǒng)軟件程序總體結構如圖3－1所示。取鍵值初始化取鍵值