智能灯光控制器设计论文

南京理工大学紫金学院
毕业设计说明书(论文)
作者:学号：
系：电子工程与光电技术系
专业:电子信息工程
题目: 教室灯光智能控制器系统设计
(姓名) (专业技术职务)
评阅者：
(姓名) (专业技术职务)
2014 年 5 月
毕业设计（论文）评语
毕业设计说明书（论文）中文摘要
毕业设计说明书（论文）外文摘要
目次
1 引言 (1)
1.1 本课题研究的意义 (1)
1.2 国内外教室灯光控制器研究的现状 (1)
1.3 国内外教室灯光控制器研究的存在的问题 (2)
1.4 本课题研究的目标 (3)
1.5 本章小结 (4)
2 教室灯光智能控制器系统的简要介绍和总体设计思路的分析 (5)
2.1 教室灯光智能控制器系统的简要介绍 (5)
2.2 教室灯光智能控制器系统的设计总体要求 (5)
2.3 教室灯光教室灯光智能控制器系统的设计总体分析 (6)
2.4 本章小结 (7)
3 教室灯光智能控制器系统的硬件设计部分 (8)
3.1 单片机的基础知识 (8)
3.2 总体设计方案框图介绍 (10)
3.3 系统各个模块的硬件构成 (11)
3.4 教室灯光智能控制器系统的完整的电路原理图 (23)
3.5 本章总结 (24)
4 教室灯光智能控制器系统的软件设计部分 (25)
4.1 软件调试平台 (25)
4.2 系统流程图 (25)
4.3 光线强度显示子程序模块 (27)
4.4 系统的时间延时子程序模块 (27)
4.5 系统时间显示子程序模块详见 (27)
5 实物制作及测试结果 (28)
5.1 用面包板连接的整体原理图及各模块的分布情况 (28)
5.2 当外界光线足够强的时候，教室里面的灯不管有没有人都不亮。

(31)
5.3 当外界灯光很暗的时候，如果教室里面没有人，灯不亮。

(31)
5.4 当外界灯光很暗的时候，如果教室里面有人，灯亮。

(32)
5.5 实物调试与问题分析。

(34)
结论 (35)
致谢 (36)
参考文献 (37)
附录A (38)
附录B (39)
附录C (42)
1 引言
国家都是着眼于用电的节约和效率的提高。

因为这个目标，这个毕业设计就是奉行了“节约能源”的原则，才设计出了一款用STC89C52单片机当控制核心部件的教室灯光智能控制系统，能有效地控制教室照明，并且有设计简单，生产成本低，节能效果好，可移植性好等优点。

具有很好的实际应用价值及广泛的应用空间。

1.1 本课题研究的意义
现如今的时代，伴随着我们国家各个地区的经济迅猛的发展速度，各个地方生活的人们的物质生活要求的不断升高，我国各地的用电负担变得越来越难持续满足，与此同时国家还得面对世界性的电能能源供应危机，能源缺乏日益成为世界各国必须面对的严峻问题。

能源短缺问题势必会一个限制国家经济发展的进一步发展。

电力能源是保证工业的生产和人民正常生活的不可或缺的一种能源，它的重要性更是这样。

现在世界上提倡低碳生活的国家数量必然会不断增加，能源的节约已经变成一个全世界的共同认识，各类型的高校是国家培养未来社会栋梁的最好地方，所以高校也要当好节约电能的好榜样。

令人遗憾的是，就我国教室灯光的智能控制的目前现状来说，我国教室灯的控制是不合理不理想的，大量的高校依然采用古老费事的传统的人工管理方法。

在我国各个高校的校园里面，即使在教室里面看不到一个人，教室里面灯火通明的现象也是随处可以看到的，这些现象造成了很多的严重的资源浪费，没的必要的经济开销，这些浪费现象是目前社会上积极提倡的节能理念不一致的。

同时也对高校的形象造成了极坏的影响。

此外，现代自动化程度不断提高，计算机技术不断普及，灯光的管理理应朝着智能化方向发展。

所以说提高教室灯用电效率是高校节省电能首要考虑的问题，这个说法一点也不夸张。

设计一款既可以让高校减少电能开支又很是简单可靠、实用节能的控制器也就变得意义重大了。

1.2 国内外教室灯光控制器研究的现状
众所周知，煤炭、煤油和天然气世界上各个国家和地区电能产生的所用材料的主要成分，丹麦在节约能源方面可以说是非常成功的一个国家。

自1974年开始，尽虽然说丹麦的国民收入增加了50%。

但是丹麦所用到的能源总量却是没什么变化的，虽然丹麦因为在能源消费和国民收入的比例最少成为所有经合组织成员是最小的国家。

但是他们仍然在不断地研究和提供一系列节省能源的热能供应系统。

比方说丹麦的热
电周供热电厂。

令人称赞的是，他们会尽最大的力量来发挥资源的利用率。

他们成功的达到了能源利用总体效率90%的水平。

与此同时，丹麦的政府部门在住房厂房的节能装置安装方面是很重视的。

从有关的数据来看，可以发现住户住进有节能装置的房子里面时，他们要比住到没得节能装置的房子里多支付8%的使用费。

丹麦的节省能源的经验得到了世界各国的认可和借鉴。

飞利浦照明公司认为用陶瓷金卤灯替换以前的的卤钨灯，电能消耗可以减少60%左右。

各种各样的节能研究和节能设备的问世都在说明一个问题，那就是世界上的各国都在使用多种多样的手段来节俭能源，减少电能消耗。

我们国家进入经济腾飞的时代的时间也不短了，在不断的持续高速发展情态下我国的各种能源缺乏问题也变得越来越严重。

固然是我国各种能源总体储存量也是不少的，但问题是我国13亿多的人口，人多能源少。

同时我国的能源利用率不是很高，其结果是我国的单位产值要比发达国家多用到2～9倍的资源。

要使我国的国民经济得到持续健康的发展，就必须解决好能源这个制约经济发展的主要问题。

同时我国政府从长远角度出发正在全力建设资源节约、环境友好型社会，解决好能源问题是我国建设资源节约、环境友好型社会，实现国家可持续健康发展布局中的一个关键战略。

从其他方面来说，能源问题不仅仅和社会经济发展以及环境生态保护有密切关系，在一些特定情况之下，它对社会稳定性的影响也是不容忽视的。

为了凸显能源问题的重要之处，我国在绿色照明工程消息发布，绿色照明工程在将来的五年时间里面，会在公共场所、大小型宾馆、百货商厦、住户住宅区等建筑物中安装使用1.5亿只节能灯，争取完成节省量290亿度的目标。

为了普及节能灯，大批量购买节能灯将可以得地到方政府每个节能灯3 至4元补助。

从一般传统的白炽灯到效率高的节能灯，说明我国电器商品组成正在慢慢地转型，努力变得更加节能。

当前，我们国家生产的总用电量的12%适用于社会照明的，如果把传统的效率低的照明灯换成高效率的照明产品可以节省60%-80%的电能。

现如今，首都正在全力推进绿色照明工程，根据估算结果北京每年可以减少的电能消耗高达3400万千瓦左右，节省下来的电能花费为2500万元。

在学校、医院等场所已经安装了由政府提供的将近二十四万只节能灯。

全国各个地方都在不同程度的研究和更换使用节省电能的照明设备。

1.3 国内外教室灯光控制器研究的存在的问题
当前我国国内的各种类型的不同层次的小学、中学、专科以及大学都在无休止的扩大招生规划，为了满足教学的要求，各类院校都在不断扩建教室，使得教室里面安
装使用的灯具量大幅度增加，导致各个高校的电能供应负担过重，教室灯管理也不够完善，同时因为有些同学的自愿节能意识不是很强，无论光线是否足够强都把灯打开，上课结束所有人都离开教室后灯还亮着的现象也是很普遍的；而且节能计划也不是很到位，教室的灯光控制大部分都由教室管理人员手工来开关的。

但各个高校都有非常多的教室，很多时候管理人员根本无法面面俱到,这样势必就会造成不必要的电能浪费和金钱损失。

根据于以上的种种原因，封闭的课堂灯智能控制系统的设计已经成为学校不断提高课堂效率和电力节能能力必不可少的措施。

1.4 本课题研究的目标
教室灯光智能控制器系统以STC89C52为主要芯片，通过人体感应电路中的CS9803来感测是不是有人存在，通过光敏电阻感测教室里面的光线亮度是不是足够的，经单片机STC89C52进行判定，以确定教室内是否有人存在，再根据教室内的光线强度开启灯光，这样一来教室照明智能控制就能得到很好的实现了。

做到人在灯在，人走灯关。

而且所研发设计的教室灯光控制系统也适合已经存在的教室灯控制系统的革新，完成了自动和手动灯光管理兼容并存的目标，通过一次又一次的试验和改进工作，使得照明系统的智能化管理成为了现实可能，大大的使能源利用率提高了数倍，与此同时能源的费用支出也大大的减少了，它将可靠性、实用性较好集成。

本系统应用方便，适用范围广，不需要雇用专门的人员进行照明系统的管理控制，很大程度上减少了人员管理费用支出。

1.5 本章小结
这次设计的系统是以STC89C52为主控芯片，通过CS9803芯片感测是不是有人存在，通过光敏电阻感测教室里面的光线是不是足够强，经STC89C52芯片进行判定，以确定教室内是否有人存在，再根据教室内的光线强度来举决定是否开启灯光。

同时机械操作模块，它是用来解决一个自动控制系统不能做到的问题。

使得整个设计更加人性化。

本次的设计是由主要两大部份构成的，一个是硬件另一个是软件。

硬件部分是必备条件，是实现全部功能的基础，它的主要任务就是给软件运行供应平台。

而软件部份，将硬件端口读入输出的信号收集起来，然后进一步的剖析处置，最后完成控制器所要完成的各项功用，达到本次的研究目标。

本课题共四章，具体结构如下：第一章是绪论部分，简单介绍本毕业设计研究的目的、目前状况、存在问题、主体内容以及系统的整体设计框架。

第二章主要是教室灯光智能控制器系统的简要介绍和总体设计思路的分析
第三章主要是教室灯光智能控制器系统的硬件设计部分
第四章主要是教室灯光智能控制器系统的软件设计部分
第五章主要是实物制作及测试结果。

从课题设计的全文结构上来看，第二章主要介绍了教室灯光智能控制器系统的总体设计方案，为后面的设计研究打好了基础；第三，四章为本课题的主要设计部分，最能体现设计的结果，通过电气仿真运行对教室灯光智能控制器系的各个硬件模块的功能进行验证；第五章对本课题设计的实物进行硬件测试和调试。

2 教室灯光智能控制器系统的简要介绍和总体设计思路的分析
2.1 教室灯光智能控制器系统的简要介绍
教室灯光控制器能够方便的完成对教室照明系统的管控。

它的输入技术指标主要有人体自身固有的信号以及自然界光线信号等一些外界条件，外部的光线强度强到一定数值的时候不打开灯,外部光强度低于规定开灯的数值同时有人在教室里面的时候把灯打开，理论和实验证明，这样的课堂灯智能控制可以实现这些目标。

教室照明控制器通常避免直接安装在教室灯可以直接找到的地方，且人体传感器安设的时后应该让人体运动的方向和人体传感器里面的两个热释电元的连线方向呈90°角，这样的安装方法可以让人体存在的信号更加灵敏、全面的被采集到，与此同时还需要注意尽最大努力不让人体传感向器受到教室外面风的干扰。

2.2 教室灯光智能控制器系统的设计总体要求
本课题所研究设计的教室灯光智能控制器是以STC89C52单片机为主要的控芯片，实现整体的控制功能。

通过热释电红外传感器感应来判定是不是有人的存在，通过光敏电阻感应来判定教室内的光线强度是不是足够强，然后再通过单片机进行相关的判断，这样就能够判别出教室里面是否有人的存在，根据光线强度来决定要不要打开灯，如此就能便利的对教室里面的灯光进行智能式的管控。

下面是较为全面详细的总体要求及功能的介绍。

1、当光敏电阻感应到的光线强度足够强的时候，不管教室里面有人还是没有人，教室灯光的控制器系统都不会把灯打开。

2、当光敏电阻感应到的光线强度不够强的时候，系统首先会进行相关的判定把灯打开，随后就会进入10s的等待时间，如果有人移动，又会重新的进入10s的等待时间，循环往复的进行下去。

若10s的等待时间里面没有人员的移动，就会马上进入30s的倒计时阶段，如果在倒计时结束前一直都没有人员移动，教室内打开的灯光就会自动的关闭；相反如果30s的倒计时阶段内有人员的移动，又会重新的进入30s的倒计时阶段，循环往复的进行下去。

3、教室灯光智能控制器系统也设计了一个可以进行手动控制的控制开关，使用教室的人们可以方便对教室灯光智能控制器进行人工设定，可以让教室内的灯光一直亮着或者是一直处于灭了的状态。

这样做可以有效的避免一些特殊情况下发生的差
错，也是教室灯光智能控制器系统人性化的重要体现。

2.3 教室灯光教室灯光智能控制器系统的设计总体分析
2.3.1 控制器系统的系统框图
本课题研究设计的教室灯光智能控制器系统主要由下面的几个部分组：STC89C52主控芯片、供电的电源模块、进行手动控制的模块、热释电红外传感器模块、灯光驱动模块、数码管显示模块、光敏电阻模块。

下面是教室灯光智能控制器系统组成框图如图2.1所示。

图2.1 系统结构图
2.3.2 教室灯光智能控制器系统的各个模块功能说明
下面是各模块的主要功能作用的说明：
1、电源模块：该模块可将220v不恒定的交流电压经过变压器、全波整流、滤波、电压稳定性处理就会输出需要的5V恒定的直流电压，从而满足教室灯光智能控制器系统所需要用到的STC89C52单片机、传感器以及其他元器件的电源供电要求。

2、进行手动控制的控制模块：能够让教室的使用人员对教室灯光进行手动控制，可直接控制教室的灯光一直处于亮的情况或一直是关着的状态，这是为了满足一些特殊情况下的用电要求进行的设计。

3、热释电红外传感器模块：教室灯光智能控制器系统需要用热释电红外传感器来感应教室里面有没有人的存在，然后将判断的结果传送给STC89C52主控单片机进行处理，按有人存在的情况和没有人在的两种情况来选择不同的灯光控制程序。

这样就可以做到根据有人在和没有人在两种情况达到不同的灯光控制要求。

4、灯光驱动模块：该模块的主要部分可以说是光电耦合器，通过光电耦合器进
行“电—光—电”的转换，来达到对灯光的安全控制功能。

5、数码管显示模块：通过数码管显示模块显示教室内的实时光线强度值、判断无人时的10ｓ倒计时和判断无人时的30ｓ倒计时。

6、光敏电阻模块：光敏电阻收集到信号以后传递给单片机, A/D（TLC549芯片）把对光线强度信号的转换好的结果传递给主控单片机，这样就能对教室内的光线强度进行监视，然后做到随时根据光线的强度情况进行不同的灯光控制操作，做到合理有效、节能方便地管理教室灯光智能控制器。

2.4 本章小结
本章一开始简单的介绍了教室灯光智能控制器系统，能够对该系统有个大体印象。

然后讲解了教室灯光智能控制器系统设计的主要的具体要求，和它的各个模块要实现的功能。

同时并给出了本次设计总的硬件电路图。

3 教室灯光智能控制器系统的硬件设计部分
3.1 单片机的基础知识
3.1.1 控制芯片STC89C52的说明及其最小系统
STC89C52 是一种低功耗、高性能8 位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器，为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2 种软件可选择节电模式。

空闲模式下， CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止[1]。

最小系统如图3.1所示。

图3.1 单片机最小系统图
(1) STC89C52的40号引脚被连接到+5V的正电源端口上，STC89C52的20号引脚被连接到+5V的负电源端口上。

(2) 18、19引脚是用来接入芯片外面的振荡电路的，给STC89C52提供一个起振控制信号。

(3) RST（9）脚要外接复位电路。

(4) 如果使用的是内部程序存储器，EA（31）脚需要接在+5V上面。

本科毕业设计说明书（论文）第9页共43页3.1.2 芯片的具体管脚分布和管脚功能如图3.2所示
图3.2 单片机的管脚图
（1）电源引脚：VCC被连到+5V 电压的正端端口上；GND被连在+5V 电压的负端
端口上。

（2）时钟引脚说明：引脚19号和引脚18号都被外接在石英晶体振荡电路的两
端上面。

时钟电路的两种不同链接单片机芯片形式，其中一个方式是片内晶体起振，这个
方法要在石英晶体两个引脚上各接一个33pF的电容，然后电容的另外两端接地，那
个晶振的另外两端接到芯片的18管脚和19号管脚。

另一个方式是外部晶体起振，将
芯片的19管脚被接地，18脚被用来输入外面的周期脉冲信号。

（3）控制引脚
PSEN是用来决定芯片外部的ROM是不是开始工作的端口，在输入低电平的时候外
部ROM开始起作用。

（4）芯片的输入和输出引脚P0端口， P1端口，P2端口和P3端口的作用说明。

STC89C52芯片总共有四个可以并行工作的输入/输出的端口，它们就是P0口、P1口、P2口和P3口，每8个引脚组成一个输入/输出的端口，每一个输入/输出的端口都具有一般的I/O操作功能。

P1口仅仅只有普通的I/O操作功能，P0 、P2、P3口都有第二中功能，P3口的第二种功能不仅很常用而且也是很重要的，P3口的第二中功能见表3.1。

P1、P2、P3口都可以驱动4个TTL门，而且不需要加上拉电阻就可以使MOS电路正常工作。

但是P0口的内部是没有上拉电阻的，驱动TTL电路就可以让8个TTL门进行工作，但是如果想让CMOS能够工作，P0口做I/O口用的时候，就必须给它的8个引脚接上一个8×10k的排阻。

P3口的第二功能见表3.1。

表3.1 P3的第二种功能表
3.2 总体设计方案框图介绍
本章节是对教室灯光智能控制器的硬件系统进行设计，它包括电源电路的设计、数码管显示电路的设计、A/D转换电路的设计、光照强度检测电路的设计、人体红外检测电路的设计、复位电路的设计、时钟电路的设计、灯光驱动电路的设计以及外部手动开关电路的设计。

硬件电路框图如图3.3所示。

图3.3 硬件电路框图
3.3 系统各个模块的硬件构成
3.3.1 电源电路
教室灯光智能控制器需要用+5V电压提供电能。

当不恒定的220V交流电被加到系统之后，电源电路就会进行一系列处理，首先220V交流经过变压器处理产生9V左右的电压，紧接着用二极管组成的单向桥式整流电路和由C1，C2这两个电解电容组成的滤波电路滤波，对9V的电压进行整流和滤波处理，可以得到大约11V的电压。

这个电源电路的设计就是要给单片机和其他部件提供电能的，但是如果直接在C2后面接一个负载，如果电源电路要带的负载是不同设备或加到电源电路输入端的交流电波动大的时候，C2两边的电压就会受到影响发生较大的变化，所以要想真正的产生一个比较稳定的输出电压，就要就接入一个稳压电路。

最后就可以得到符合要求的+5V 电压。

供电系统的原理图如图3.4所示。

全桥整流
220V交流电滤波
5V直流电压输出
7805稳压
图3.4 供电系统原理图
具体的原理图如图3.5所示。

图3.5 系统的电源电路
电源指示电路如图3.6所示。

图3.6 系统的电源指示电路图
3.3.2 数码管显示电路
数码管是一种半导体发光器件，它也是51单片机系统里面用的大量使用的一种输出设备，是由发光二极管这种最基本的元器件构成的。

七段数码管、八段数码管是比较常用的两种数码管；根据它显示的8的个数又可以分为一位、两位和四位等不同位数的数码管；从数码管组成器件发光二极管的连接方式又可以分成共阴型数码管（CA）和共阳型数码管(CC)。

共阴型数码管（CA）和共阳型数码管(CC)连接构成方式如图3.7所示。

根据显示要求的的不同，在abcdefg引脚端加不同的电平来显示0～9这几个数字和一些字母、符号还有小数点。

b
a
c d e f g dp
a b c
d e f g
dp
图3.7 共阴型数码管（CA）和共阳型数码管(CC)组成图
共阴型数码管（CA）是把它的8个发光二极管的阴极连在一块然后接到低电平上，8个发光二极管的阳极极连在各段驱动电路的输出端上，当某一段或几段的输出端是高电平的时候，该段连接着的发光二极管就处于导通状态，并且会发光，接高电平的各段是不发光的。

CC连接方式的数码管的构成方法是， 8个发光LED的阳极那端被连一起，而后把它接到接到+5V电源的正端，8个发光LED的阴极与各段驱动电路的输出端相连，当某一段或几段的输出端是低电平的时候，该段连接着的发光二极管就处于导通状态，并且会发光。

连接着高电平的各个发光二极管就不会发光。

根据发光LED的不同配合来表示不同的数字和符号。

本毕业设计使用的是8段共阳极数码管，它的各个引脚通过一个330 和单片机的P2口连在一起，P12和单片机的P1.2口相连。

通过单片机的输出信号，这两个数码管可以按照设计的要求来显示外接环境光线的强度，以及当有人进入教室后进行的10s和30s倒计时的显示。

8段共阳极数码管引脚图如图3.8所示。

图3.8 数码管引脚图
8段共阳极数码管的驱动电路如图3.9所示。

图3.9 数码管显示电路
3.3.3 A/D转换电路
A/D转换电路也被称为模拟数字转换器，被简称为模数转换器。

可以把模拟量或者连续变化的量进行离散化，转化为相应的数字量的一种电路[2]。

A/D的转变有3个部份，先是抽样然后是量化以及编码。

一般来说量化和编码可以一起进行地，抽样的实质是让原本连续变化的模拟量在时间上面变成离散的量；量化就是让模拟信号在它的幅度方面也变得离散的一个过程；编码顾名思义就是把已经被量化的样值用一些二进制代码表示一下。

为了模块体积尽量小些和尽可能降低成本，本毕业设计的A/D转换电路选用的是。