智能照明控制系统的设计

基于单片机实现智能照明控制系统的设计
摘要
随着社会的发展人们对生活质量的要求越来越高，为方便生活人们越来越多的在各个场所引入照明设备，照明在能耗中所占的比例日益增加。

为了达到方便生活的目的，这些照明设备有时会彻夜开着，从而造成了大量电力能源的浪费。

据统计，在楼宇能量消耗中，仅照明就占33%，因此照明节能日显重要。

现在国内外普及使用的节能开关基本有声控型、触摸型、感光型等。

这几种开关各有自己的弊端，如声控型不适合环境嘈杂场所、触摸型虽然能自动关闭但不能自动打开、感光型开关在无人期间不能自动关闭……由此研究设计一种既智能又节能的控制系统来替代现有的产品是一件极其有意义的工作。

本设计通过AT89C51单片机结合LED显示技术、红外传感技术、光感技术、延时技术、按键采集与处理等技术来实现对照明设备的智能控制。

其原理为：1、单片机通过继电器控制照明设备的打开或者关闭。

2、单片机通过光照检测电路对照明设备周边亮度进行检测，如果亮度满足生活需要则保持照明设备的关闭状态；如果亮度不够则由单片机同时检测BIS0001芯片是否采集到了人体热释电传感信号。

3、如果芯片
BIS0001检测到人体信号，单片机立刻控制照明设备打开；如果该芯片没有检测到人体信号，单片机控制照明设备继续保持关闭状态。

4、照明设备打开时，如果某一时刻单片机检测不到人体信号则延时一段时间后关闭，延时期间如果又检测到人体信号则结束延时。

5、根据应用场所及使用人群的不同可以通过设置单片机P1.0—P1.4引脚的状态来设置不同的延时时间值。

本设计的程序采用C语言来编写，并且通过单片机仿真软件Proteus对程序进行仿真，大大提高了设计时间和设计的可靠性。

关键词单片机传感器 BIS0001 照明控制节能
目录
1绪论 (1)
1.1系统研制意义
1.2国内外研究（设计）现状
2系统设计方案 (2)
2.1单片机的选择 (2)
2.2光照检测方式 (2)
2.3人体感应方式 (3)
2.4显示电路 (4)
2.5延时参数设置电路 (5)
2.6照明设备驱动电路 (5)
3系统原理图及电路 (6)
3.1单片机最小系统 (7)
3.2光敏电阻电路 (8)
3.3BIS0001外围电路 (9)
3.4LED驱动电路 (10)
3.5键盘接口 (12)
3.6继电器控制电路 (13)
4流程图 (14)
5毕业设计总结 (15)
6参考文献 (16)
附录 (17)
6.1总原理图 (18)
6.2C语言程序 (19)
一、绪论
1.1系统研制意义
近年来随着经济的发展和科技的进步，人们对照明的要求也越来越高，传统的手动照明控制系统技术受到了时代的强烈冲击，“智能照明”技术随之出现，并迅速地向前发展。

一般来说，手动控制系统指的是个人通过按钮的切换、旋转、揿动或遥控器和其他途径执行操作的单一开关或一组开关和调光装置构成的系统，小规模情况下，的确具有成本低廉的优点，但随着照明系统规模的扩大，手动控制将失去其成本上的效益。

此外，不需要照明时，是否关灯完全决定于人为因素，难免浪费电力增大能耗，照明范围越大，问题尤其严重。

相对智能照明控制系统而言，传统控制方式简单、有效、直观。

但它过多依赖控制者的个人能力，控制相对分散和无法有效管理，其实时性和自动化程度太低。

正因为此，照明的智能自动化研究有着极其有重要的意义。

1.2 国内外研究（设计）现状
目前，纵观国内外研究开发的智能照明控制系统，按其通信介质主要有总线型、电力线载波型、无线网络型等。

按照网络的拓扑结构可以分为集中式或分布式。

集中式智能照明控制系统主要为星形拓扑，即以中央控制节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互连结构。

各照明控制器、控制面板等设备均连接到中央控制器（CPU）上，由中央控制器向照明控制器等末端执行单元传送数据包；分布式智能照明控制系统以中央监控为中心，组建控制主干网和多个控制子网，各照明控制器，控制面板等设备均具有中央处理器CPU单元，每个控制器和面板都可以直接连接在子网上。

二、系统设计方案
2.1 单片机的选择
方案一、MCS-51单片机
AT89C51是MSC-51单片机中应用最广泛的型号，现在以其为代表介绍其参数。

AT89C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。

如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。

它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。

但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。

其内部结构主要有以下几部分：
微处理器该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理
功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。

⏹数据存储器片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储
程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志
位等，所以称为数据存储器。

⏹程序存储器由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片
内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多
可外扩至64k字节。

⏹中断系统具有5个中断源，2级中断优先权。

⏹定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。

⏹串行口1个全双工的串行口，具有四种工作方式。

可用来进行串行通讯，
扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机
的功能更强且应用更广。

⏹4个并行8位I/O口分别为P1口、P2口、P3口、P4口
⏹特殊功能寄存器共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控
制、监视。

实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功
能的RAM区。

方案二、A VR 单片机
1997年,由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术, 共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称A VR。

相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，A VR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片机。

由于采用了高性能的MCU,省掉了大量的外围器件,如外扩RAM、ROM存储器等,使硬件结构大大简化,提高了系统的可靠性。

⏹它与其它结构类型单片机相比，A VR具有以下一系列的优点：
⏹在相同的系统时钟下A VR运行速度最快；
⏹芯片内部的Flsah、EEPROM、SRAM容量较大；
⏹所有型号的Flash、EEPROM都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写
(ISP)；
⏹多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，
零外围电路也可以工作；
⏹每个IO口都可以以推换驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强；
⏹内部资源丰富，一般都集成AD、DA模数器、PWM、SPI、USART、TWI、
I2C通信口、丰富的中断源等。

方案三、PIC单片机
PIC 8位单片机产品共有三个系列，即基本级系列、中级系列和高级系列。

上述的三层次(级)的PIC 8位单片机还具有很高的代码兼容性，用户很容易
将代码从某型号转换到另一个型号中。

其主要产品是PIC 16C系列和17C系列8位单片机。

该系列单片机特点如下：
⏹CPU采用RISC结构
⏹采用Harvard双总线结构
⏹运行速度快
⏹低工作电压、低功耗
⏹较大的输入输出直接驱动能力
⏹一次性编程、小体积等。

方案分析：
除了以上几种单片机，市场上还有好的其它结构单片机。

如果实现本系统，基本上上述三种类型的单片机都可以实现。

考虑到MCS-51单片机具有较强的代表性以及该系列单片机资料较多，本设计采用AT89C51来实现。

2.2光照检测方式
方案一、采用光敏二极管或三极管等光传感器件把环境亮度转换成相应的数字电平，然后直接接入单片机IO引脚。

方案二、采用光敏电阻把环境亮度转换成相应的电压值（模拟值），然后通过运放后给单片机输入一个标准的数字信号。

由于光敏电阻属于纯阻性器件，引入后不会存在对其它器件造成干扰，而且电路也不复杂，所以采用此方案。

2.3人体感应方式
方案一、采用红外对管进行检测。

红外发送管和红外接收管分别安装在通道两侧。

当某一时刻红外接收管如果接收不到信号表示两者之间有遮挡物通过，可以视为有人体进入。

方案二、采用集成电路BIS0001，该芯片是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。

它配以热释电红外传感器和少量外接元器件就可构成被动式的热释电红外开关、报警用人体热释电传感器等。

它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。

由于方案一要求红外发送管和接收管必须相对才行，而且两者距离有限，实现起来较为不便，所以本设计采用方案二。

2.4显示电路
为了实时显示系统运行状况及各个参数，本系统配备显示外设。

通常单
片机可以配备LCD或LED做为显示外设，各个外设大多又分为穿行驱动和并行驱动两种驱动方式。

为了节约成本，本系统采用LED做为显示外设。

2.5延时参数设置电路
方案一、采用NE555做延时定时器，单片机以脉冲方式触发该定时器。

方案二、采用单片机内部定时器定时。

通过读取外部参数，单片机实现不同时间的定时。

由于此方案简单可靠且节约成本，本系统采用这种方案。

2.6照明设备驱动电路
方案一、采用可控硅控制。

可控硅又称晶闸管，是一种具有三个PN 结的四层结构的大功率半导体器件。

其具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。

方案二、采用继电器控制。

继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。

其具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。

广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。

根据结构不同，可以将其分为电磁继电器、热敏干簧继电器、固态继电器、磁簧继电器、光继电器等型号。

由于电磁继电器简单易用，开关状态极其容易判断，所以本设计采用电磁继电器来控制。

三、系统原理图及电路
3.1单片机最小系统
AT89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。

用AT89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图3.1 AT89C51单片机最小系统所示。

由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。

其应用特点：
(1)有可供用户使用的大量I/O口线。

(2)内部存储器容量有限。

(3)应用系统开发具有特殊性。

1、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。

AT89C51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，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，CX1、CX2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6MHZ,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。

2、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。

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6MHZ时C取22uF,R取1KΩ。

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。

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。

按键手动复位电路见图3.2。

时钟频率选用6MHZ时，C取22uF,Rs取200Ω，R K取1KΩ。

3.2光敏电阻电路
3.3 BIS0001外围电路
3.4 LED驱动电路
本设计采用LED动态显示方式显示倒计时等数据。

所谓动态显示方式就是要显示的数字在LED数码管上一个一个逐个显示，通过位选端控制在哪个LED上显示这个数字。

由于“视觉暂留”原理，人眼看起来它们是同时显示出来的。

动态显示方式所用的接口少，节省了单片机的管脚。

由于端口的问题以及动态显示方式的优越性，在此设计的连接方式上采用共阴级接法。

，首先说段选端，它由LED八个端口构成，通过对这八个端口输入的不同的二进制数据使得它的时间（或温度）显示也不同，从而可以得到我们所要的时间显示和温度。

3.5 键盘接口
3.6 继电器控制电路
继电器是具有隔离功能的自动开关，在自动控制电路中起控制与隔离作用的执行部件，它实际上是一种可以用低电压、小电流来控制大电流、高电压的自动开关。

四、系统软件设计及其仿真调试
4.1系统软件设计思想
在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根
据每个生产对象的实际需要设计应用程序。

因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。

对于本系统，软件更为重要。

在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。

数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。

过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。

为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。

所谓“模块”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。

模块程序设计法的主要优点是：
1、单个模块比起一个完整的程序易编写及调试；
2、模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用；
3、模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。

本系统软件采用模块化结构，由主程序﹑定时子程序、避障子程序﹑中断子程序显示子程序﹑调速子程序﹑算法子程序构成。

4.2模块程序及其流程图
4.3仿真环境介绍
4.3.1Keil介绍
随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil。

该软件是美国Keil Software公司出品的软件开发系统，其允许用户使用汇编或者C语言来开发MCS-51单片机（或与MSC-51指令兼容的其它单片机）的应用软件。

功能上，Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。

外观上采用全Windows界面，容易上手。

性能上，即便是使用高级语言开发应用程序，其生成的目标代码效率也非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑。

4.3.2 Proteus介绍
Porteus是一款集单片机仿真与SPICE分析于一身的EDA仿真软件，于1989年由英国Labcenter Eletronice Ltd研发成功，经过多年的发屏，现已成为当前EDA性价比最高、性能最强的一款软件。

Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其最大的特点
是Proteus VSM(Virtual System Modelling)实现了混合模式的SPICE电路仿真，它将虚拟仪器、高级图表仿真、微处理器软仿真器、第三方的编译器和调试器等有机结合起来，在世界范围内第一次实现了在硬件物理模型搭建成功之前，即可在计算机上完成原理图设计、电路分析与仿真、处理器代码调试及实时仿真、系统测试，以及功能验证。

Proteus主要有两大部分组成：
ISIS——原理图设计、仿真系统。

它用于电路原理图的设计以及交互式仿真。

ARES——印制电路板设计系统。

它主要用于印制电路板的设计，产生最终的PCB文件。

4.4仿真调试
五、毕业设计总结
通过本次毕业设计，我接触到了一些以前没有接触过的知识，而且巩固了一些旧知识，如C语言基础知识、电子电路基础知识、单片机基础知识等，同时进一步提高了我的动手能力和逻辑思维能力、新知识接受能力等。

这次设计基本达到预期的目的，但是在关灯延时时，实际延时时间不是特别的准确，经过查询资料知道是单片机的晶振标称值与实际值有极其微小的误差导致。

通过这次实践使我更深刻的体会到了理论联系实际的重要性。

另外由于本人学识有限,所以文中难免有疏漏和不足之处,请各位老师给予批评和指正。

六、参考文献
[1]陈涛,毛信伟.智能照明控制系统的工程应用[J].智能电气,2004（11）:69-71.
[2]王文升.智能照明控制与节能[J].智能建筑与城市信息.2005,（4）:120-122.
[3]丘吉平.基于现场总线的智能照明控制系统分析与探讨[J].低压电器,2005,（7）:19-26.。