教室智能照明控制器的设计—毕业设计说明书

毕业设计说明书教室照明智能控制器的设计
学生姓名：学号：09050941xx
学院：信息与通信工程学院
专业：信息对抗技术
指导教师：
2013 年 6 月
中北大学2013届毕业设计说明书
教室照明智能控制器的设计
摘要
本研究针对教室照明的控制现状及用电大量浪费的现象，分析了教室照明智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机的教室照明智能控制器的设计的设计思路。

该系统以AT89C52单片机作为控制装置的智能部件，采用红外传感器检测人体的存在，采用光敏三极管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。

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、中专院校教室照明控制的要求，很大程度的达到节能目的。

关键词：教室照明控制，红外传感器，光敏电阻，AT89C52
中北大学2013届毕业设计说明书
Classroom lighting intelligent controller design
Abstract
In this study, the control of classroom lighting situation and a lot of waste of electrical phenomena, analyze classroom lighting intelligent control principle and method is proposed based on single-chip intelligent controller design classroom lighting design ideas.
This system to AT89C52 single chip computer as control device of intelligent parts, adopts heat release infrared sensor detects the release of human existence and adopts photoconductive resistance constitutes circuit testing environment light intensity. According to the classroom light conditions and the measured the signal of human body system and ambient light, the system can make reasonable and intelligent judgment and then controls the work of classroom lighting circuit .It is a effective way to avoid the classroom of waste electricity. Small volume, convenient control, high reliability, high specificity and price reasonable make this system satisfy the advantages of large, secondary technical schools classroom light control requirements and greatly reach energy-saving purpose.
Key words: Classroom lighting control，photoconductive，dynatron，AT89C52
中北大学2013届毕业设计说明书
目录
1 引言 (1)
1.1 本课题研究的意义 (1)
1.2 教室照明控制器的发展现状 (1)
1.2.1国外发展现状 (1)
1.2.2国内发展现状 (2)
1.2.3 发展趋势 (3)
1.3 本设计研究的主要内容 (3)
2 教室照明智能控制器的整体方案设计 (4)
2.1 教室照明智能控制器简介 (4)
2.2 系统控制方案的分析 (5)
3 系统控制模块的硬件设计 (7)
3.1 控制模块的硬件构成 (7)
3.2 控制系统的主要硬件电路 (7)
3.2.1 系统主控电路 (7)
3.2.2在线编程模块电路 (9)
3.2.3 数据采集电路 (9)
3.3 教室光照强度检测模块 (13)
3.3.1 光敏三极管的选择及功能简述 (13)
3.3.2 光敏三极管检测光强原理及其模拟形式 (14)
3.4 时钟模块 (15)
3.4.1数据输入输出 (15)
3.4.2 时钟内部寄存器的使用 (16)
3.4.3 时钟自检初始化 (17)
4 系统程序设计 (20)
4.1系统主程序流程图 (20)
4.2系统子程序流程图 (21)
4.2.1按键控制流程图 (21)
中北大学2013届毕业设计说明书
4.2.2时钟程序设计 (22)
4.2.3液晶显示控制流程图 (22)
5 系统调试运行及问题分析 (24)
5.1 系统调试方法及步骤 (24)
5.2系统仿真 (25)
5.3 出现的主要问题及分析解决 (26)
6总结与展望 (27)
附录A (29)
附录B (32)
参考文献 (34)
致谢 (36)
中北大学2013届毕业设计说明书
1 引言
1.1 本课题研究的意义
随着社会经济和科学技术的发展，人类社会的进步越来越依赖于资源的开发与利用，然而与日俱增的能源需求和有限的资源数量形成了巨大的矛盾,能源短缺问题日益突出，成为一个国家经济发展的“瓶颈”。

对我国来说这个问题尤为严重。

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。

在寻找替代品、提高能源利用率和节约能源等几种缓解能源危机的途径中，节能无疑是符合可持续发展要求。

这样，提高教室用电效率就成为首要考虑的问题。

目前对照明的智能控制，国内外己经开始采用，但对教室照明的控制，尤其是我国教室照明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，灯光的管理也在朝着自动化、智能化方向发展。

例如楼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。

于是，开发简便、实用的教室照明智能控制器便具有重要的现实意义。

1.2 教室照明控制器的发展现状
1.2.1国外发展现状
世界各地发电的主要原料是煤炭、石油和天然气，而丹麦在能源利用方面的成功经验提供了很好的借鉴。

从1974年以来，尽管丹麦国民收入增长了50%，丹麦总的能源消费量并没有增加。

丹麦是OECD成员国中能源消耗量和国民收入比值最小的国家。

他们不断地提供一些节能供热系统，例如丹麦热电同供热电厂(CHP)，而且，他们尽可能的有效利用资源。

这样，他们的能源使用总效率达到了90%。

丹麦政府很重视住房空间用电的节能，并设立了对新建房屋节能的诸多要求。

数据显示，居民入住有节能装置的房子时，他们要支付比没有节能方案房屋高出8%的费用。

其节能项目经验在欧盟国家中广为流传。

还有，欧司朗一斯维尼亚公司不断的推出新型高输出的荧光灯，节约6%的总系统功率，并具有更高的光通和平均光通量。

飞利浦照明公司推出的陶瓷金卤灯代替过去的卤钨灯，可节能60%的电能。

种种迹象表明世界各国都
中北大学2013届毕业设计说明书
在采取不同方式来节约能源，节约电能。

1.2.2国内发展现状
中国经济持续多年的高速发展让能源问题日益突出。

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间将在公用设施、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变，荧光灯与普通白炽灯的比例由1995年的l:6.25前的l: 1. 5。

目前，我国照明用电约占社会总用电量的12%，采用高效照明产品代替传统的低效照明产品可节电60%到80%。

如今，北京正在大力推行绿色照明工程，己推出上百万只绿色照明光源和部分节能电器，据测算年节约用电可达3442万千瓦时，节约电费2519.7万元。

政府己经在商厦、学校、医院等更换了24万只节能灯具。

在奥运工程的建设上，也大量运用节能技术，北京的奥运厂馆“水立方”，通过采用大量的节能灯具，装备新技术，通过增强透光性白天可节约照明能耗50%。

我们党在2000年10月11日党第十五届中央委员会第五次会议通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划的建议》中明确指出:“加强基础设施建设是今后五年至十年一项十分重要的任务。

”其中提到的基础设施建设就包括了能源建设。

《建议》还强调了能源建设要发挥资源优势，优化能源结构，提高利用效率。

面临如此紧迫的能源问题，我们应该把着眼点放在“高效加强环境保”利用“清洁”能源[4]。

由此可见，节能照明用电，对节能具有重要的意义。

目前国内各类院校中，由于同学们的自觉节能意识薄弱，在光线足够强时也开灯，护洁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。

就我校为例，初步统计大小教室大约安装了共有5400盏灯，以每天仅亮灯8小时来
计算，一年中扣除假期后，教室灯的耗电量约为52.25万度，学校在教室用电的经费上就得支出约为30.46万元人民币。

而以每天浪费2小时用电来计算，一年大约要浪费13.06万度的电量，占教室照明用电经费的四分之一。

我省各类大中专院校及其中小学总共有600百多所，若都象我校一样每年浪费13.06万度电的话，我省就会浪费近7900万度的电。

导致电能的极大浪费。

再者，每所院校不断的扩招，教室不断的扩建，若再没有改进教室的用电管理设备，那么用电负荷可想而知，浪费的电能就更加惊人了。

1.2.3 发展趋势
当今许多教室采用比较传统的照明系统：在主电源经过一个配电箱分出多个支路，这些支路再分别向灯具供电，然后再通过串接在照明中的单双极开关来通断供电线路[10]，所以该控制系统只能通过开关来控制灯具，无法实现比较人性化、多功能化的系统管理。

如在国内外有些灯光控制系统采用声控形式但是其没有经过单片机等芯片的处理使用仍是将采集信号处理后传递给逻辑电路来进行灯光控制，假使外界条件恶劣如有噪声等仍会造成电能的浪费，而且逻辑电路只能实现较少功能，综合而言，整个系统虽然简单但是功能不全，而且无法人性化控制。

现代自动化程度不断提高，计算机技术不断普及应用，教室灯光系统也应朝着更人性化智能化得方向发展。

本系统采用热释电红外传感器和光敏三极管来感知人体信息和外部光照环境改变，并通过单片机及软件编程的技术实现灯光系统的控制，达到了部分智能化的控制。

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照明智能控制器的设计无疑就成为其中一项重要课题。

1.3 本设计研究的主要内容
本论文在分析智能照明控制的发展背景和应用优势的基础上，提出了应用于教室的智能照明控制器的设计方案。

论文分为五个章节详细介绍了系统的设计内容，具体安排如下：
第一章研究了智能照明控制系统的发展背景及应用的优势，分析了智能照明控制器的结构和研究现状。

并结合大学教室的实际情况，提出应用教室智能照明控制器的必要性。

第二章首先对教室智能照明控制器进行了简单的阐述，提出本课题智能照明控制系统的总体设计方案，并具体阐述了教室智能照明控制器的设计方法，然后说明了系统所实现的功能及控制过程。

第三章围绕第二章的总体设计方案，对系统的教室智能照明控制器进行了相应的硬件电路设计，包括以为核心器件的单片机最小系统及数据采集模块的设计，重点研究了光照度传感器和红外人体感应传感器的设计及布局。

第四章根据第二章中教室智能照明控制器的功能，设计了系统各部分的软件，包括控制器的初始化、模拟量和数字量数据采集模块程序等。

第五章总结全文的研究工作和在系统设计中的经验，并指出系统需要完善的部分。

2 教室照明智能控制器的整体方案设计
2.1 教室照明智能控制器简介
教室照明智能控制器可实现有效的教室照明智能控制。

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，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。

教室照明智能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。

该系统以AT89c52单片机[8]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，采用光敏三极管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。

整体系统由人体传感器感应信号，再送入单片机进行处理，再由单片机控制控制教室灯光。

同时将环境亮度检测、人工控制、报警控制等功能加入到系统中。

系统设计流程图如图2.1所示。

系统方案分析
器件分析选择
软件设计
硬件设计
仿真设计
调试
整体综合
图2.1设计方案流程图
2.2 系统控制方案的分析
现在的教室主要是利用开关控制照明，这种开关一般包括两类：一类是定时开关结合手动方式，它结合学校的作息规律和室内人员对照明的需求来控制开关灯，以起到控制教室照明的作用。

这种粗放式的控制方式很大程度上依赖于人的自觉性，很容易照成“长明灯"的出现。

另一类是采用照度感应开关来自动控制灯具的开关，这是近几年出现的技术，是对传统以手动方式控制照明的一种很大的改进，笔者所在学校在校内的几个主要教学楼里安装了此种自动控制开关。

主要实现在室内光照度低于设定值并且检测范围内有人员存在时才开启照明设备。

后一类开关在一定程度上避免了教室无人时出现长明灯和的现象，并能够利用自然光源，实现节能。

但若只使用该照度感应开关来控制照明设备的开关时间，也存在一定的弊端。

主要表现为：其一、当环境温度接近人体温度时，灵敏度急剧下降；其二、对静止物不能探测，人员相对静止时间如学生长时间保持一种固定姿态超过开关延时计数时间，灯具则会自动关闭，引起灯具间歇式起停，影响学生学习。

其三，当教室人员稀少，人员的进出和移动会造成教室内所有相关灯管引起开闭行为。

所以，需要在此类照度感应开关的基础上开发更为智能化的照明控制方法和设备。

通过对上述两类的控制器分析，笔者觉得以自然光强度和人体存在作为控制器的主要输入参数，通过光感和红外传感器并结合时钟控制实现自动与手动控制相兼容。

其基本工作原理是：在自然环境光较强光线足够时，无论人是否存在，都不开灯;在自然环境光较弱时，有人存在且超过一定时间，控制器自动打开电灯，直到人离开后再延时一定时间后关灯。

同时，还要按作息时间来控制，夜晚超过12点，若还有人存在，则关闭自动控制器的运行，改用机械开关来手动控制，以解决因特殊情况下，自动控制器的不人性化运行。

其系统的结构框图如图2.2所示： 光敏电阻探测组件单片
机
AT89C52热释红外传感器组件强制开关组件
隔
离
缓
冲
器受控灯系统计数电路
报警系统
图2.2 系统结构框图 本文所研究的教室灯光控制器主要是由硬件和软件两大部分组成。

硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。

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，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动与手动相结合的教室照明智能控制。

3 系统控制模块的硬件设计
3.1 控制模块的硬件构成
系统控制单元是以单片机[4]主控模块为核心，其它外围电路主要包括:ISP 下载线模块、系统供电模块、硬件时钟模块、看门狗模块、灯光驱动模块、数码管驱动显示模块、环境光模块、EEPROM 存储模块、人体存在传感器模块、超时报警模块，其结构框图如图3.1所示：
3.2 控制系统的主要硬件电路
3.2.1 系统主控电路
本系统的主控模块主要采用Atmel 公司的AT89C52作为主控芯片，它是一种低功耗，8位CMOS 工艺处理器，具有8K 在线可编程Flash 存储器，片内的Flash 可多次编为在线编程提供了方便。

片内有128字节的RAM, 4KB 的EEPROM ，由于合理的安排使用片内RAM 空间，所以没有扩展的片外RAM ，使电路结构简捷。

因为设备的设置参数是根据实际需要进行更改的，又要求是断电能够保存下来，所以本设备用一片EEPR 来存储系统的设置参数。

AT89C52I/0端口与系统其它外围器件接口的分配情况表如表3.2所示。

图3.1系统控制单元结构框图 51系统模块 ISP 下载线模块 看门狗模块
硬件时钟模块 数码管显示模块 灯光驱动模块 环境光模块 EEEPROM 存储器模块 电源模块 人体存在传感器模块
表3.1外围器件接口的分配
89552引脚外围器件引脚说明
P0.0-P0.7 ULN2803 数码管段码驱动接口
P2.0-P2.7 NPN-9012基极数码管位控驱动接口
P1.0 X5045SI X5045串行输入端
Pl.1 X5045SCK X5045串行时钟端
P1.2 X5045CS X5045片选端
P1.3 X5045S0 X5045串行输出端
P1.4 系统工作灯显示端口
P1.5 DS1302CLK DS1302时钟线
P1.6 DS1302I0 DS1302数据线
P1.7 DS1302RST DS1302复位线
P1.5一P1.7 工SP在线编程端
P3.0一P3.1 数据采集输入端
P3.2 遥控器接收信号端
P3.3 人体存在传感器输出信号端
P3.4 超时报警信号输入端
P3.5一P3.6 灯光驱动输入端
P3.7 光敏三极管输入信号端
另外此款单片机有32个I/O端口，方便了设计的需要。

图3.2为单片机最小系统。

因为51单片机的P0口驱动电流小，因此需要外加上拉电阻。

单片机最小系统主要还有晶振电路以、复位电路、及报警电路。

由于蜂鸣器需要的驱动电流较大，单片机I/O端口不能直接驱动，所以通过一个三极管进行电流放大。

当教室里面没有人时系统会通过热释电红外感应无人信息，传递给单片机进行处理后使教室里面（即控制区）的灯全部关闭。

知道下次有人进来时才点亮。

同时当人出去后蜂鸣器报警然后灯关闭。

本报警电路由蜂鸣器、三极管、非门组成。

如图3.2所示：
图3.2单片机最小系统
3.2.2在线编程模块电路
以往单片机的实验往往依赖于仿真机和单片机学习系统，价格昂贵，近年来，随着FLASH型单片机的广泛应用，采用软件模拟结合写片验证成为一种经济实用的实验方法，尤其是随着单片机技术的发展，很多单片机都具有了ISP功能，不再需要仿真机，将单片机的易用性推向一个新的高度。

AT89C52芯片就是这样的芯片。

AT89C52芯片支持在线编程(ISP)功能，用户可以通过AT89C52在线编程接口直接对电路板上的CPU进行在线编程，方便了程序的修改烧写工作。

ISP进行在线编程时，用AT89C52芯片的P1.5，P1.6，P1.7引脚及RST端口，通过PC并口，根据ISP 协议制作简单的编程器就可对CPU进行编程。

在线编程(ISP)器的红色LED是电源指示灯，绿色LED是复位指示灯，黄色LED是时钟信号指示灯，每个LED约消耗0.6mA 的电流，它们使用独立的缓冲器不会影响下载线和用户板，当执行菜单命令Reset 时可以看到绿色LED闪一下，表示电脑已经可以控制下载线;其下载线正常工作电压为DC3.6-6V，部分电脑即使不连接VCC也可以正常工作，10心的插头和插座有三角形标志的均为第一脚。

使用方便、快捷，且工作显示信号清晰。

3.2.3 数据采集电路
教室中的环境光和人体存在与否是系统的主要输入参数，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。

常见的环境光采集器件光电传感器有光敏二极管和光敏三极管，根据需求，选用灵敏度较高的光敏三极管。

此外，人体传感器要求灵敏度高，可靠性强，本系统采用了逻辑电平输出的HP-208型号的人体存在传感
器。

（1）环境光采集电路
光电传感器是一种能够将光转换成电量的传感器。

采用的光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。

在无光照时三极管的穿透电流很小，为暗电流Iceo 有光照时，产生的Ib 增大，成为光电流Ie 。

光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

因此光敏三极管灵敏度高，而且体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，其外形电路图形符号如图3.3所示。

图3.3 光电传感器
环境光采集电路原理图如图 3.4 所示。

当自然光强大于一定程度时，光敏三极管D6呈现底阻状态<1千欧，三极管Q12的基极电压升高，Q12管饱和导通，集电极输出低电平。

当自然光强小于一定程度时，光敏三极管D6呈现高阻状态,100千欧，使三极管Q12截止，集电极输出高电平。

其中可变电阻R26可调节，调R26阻值的大小，使Q12三极管受环境光影响在适当的亮度下导通。

图 3.4环境光采集电路原理图
R2510k Q12NPN D6PHOT O
R26470k
+5v p27
（2）人体存在传感器的工作原理
自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线，利用红外传感器可对其进行检测。

根据工作原理，红外传感器分为热型和量子型两类，热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器。

与量子型相比，响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可在常温下工作。

量子型与热型的特点相反，而且要求冷却条件。

本系统采用的是热释电红外传感器，人体存在传感器主要采用了红外传感器的原理，它是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、自动照明等场合，及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。

其原因为:①被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；②大气对2-2.61Lm,3-51Lm, 8-141Lm 三个被称为“大气窗口”的特定光通量的红外线吸收甚少，可非常容易被检测；③中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。

人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性如下:人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10M μ 左右的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的10M μ左右的红外线而进行工作的。

人体发射的10M μ左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。

红外感应源采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生由人体存在的信号。

1)这种探头是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为10M μ左右的红外辐射非常敏感。

2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。

3)人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。

4)一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被人体存在传感器的热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而输出有人体存在的信号。