照明控制系统设计说明书

毕业设计说明书
公共场所照明自动控制系统设计
专业电气工程及其自动化
学生姓名郭飞
班级BMZ电气081
学号0861402106
指导教师姚志树
完成日期2012年6月5号
公共场所照明自动控制系统设计
摘要：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AT89S51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的软件。

该系统以AT89S51单片机作为控制装置的智能部件，采用ADC0809、步进电机、光敏三极管、按键、数码管构成的电路检测环境光的强度；根据教室合理设置的光强开灯和对步进电机窗帘的控制，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。

单片机软件采用C语言编制，采用模块化结构设计、条理清楚、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，可以满足各类大、中专院校教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能的目的。

关键词：照明；步进电机；光敏电阻；单片机；按键；ADC0804；继电器
System design of illumination intelligence controller for
public
Abstract:Currently light intelligent Control systems are not efficiently used in the classroom. In order to improve the system, based on the theory of the light control and current methods of how to keep control, put forward methods of developing intelligent classroom light control system on the basis of AT89S51 and developed the hardware and software system.
This system uses single chip microcomputer AT89S51 as the intelligent device of control unit, and takes the circuit completed by ADC0890, step motor, light activated triode, button and digitron to test the intensity of light. According to the appropriate layout of turning on the light by light intensity in the classroom and the control of curtain by step motor, it can also complete the intelligent control of illumination loop in the classroom, avoiding large wasting of electrical energy.
The single chip microcomputer software, programmed by C language and designed by modularization, has excellent organization and better currency, and is convenient to improve and extent.
This system had many advantages. For example, the physical volume was small, the system was conveniently controlled, the credibility was high, the appropriation was strong, and its price proportion was ideal, etc. The experiment proved that the system can satisfy the control command of the classroom’s light device, so it could largely reduce the consuming of energy resources.
Key word:Illumination；Step motor；Light activated triode；Single chip microcomputer；Button；ADC0804；Relay
目录
1 前言 (1)
1.1 概述 (1)
1.2 本课题的研究目的及意义 (1)
1.3 采用智能照明控制系统的优势 (2)
1.4 本课题照明控制对象的选择 (2)
1.5 本课题解决的关键问题 (3)
2 智能照明控制系统总体设计分析 (4)
2.1 大学教室照明控制现状 (4)
2.2 系统整体设计方案 (4)
2.3 教室智能照明控制器设计 (4)
3 智能照明控制系统的硬件设计 (5)
3.1总体框图及原理 (5)
3.2 教室智能照明控制器的微控制器的选择 (5)
3.3 控制系统的主要硬件电路 (5)
3.3.1 系统主控电路 (5)
3.3.2 电源电路 (8)
3.3.3 单片机最小系统 (9)
3.3.4 显示电路 (10)
3.3.5 A/D转换检测电路 (11)
3.3.6 继电器模块驱动原理 (13)
3.3.7 按键电路设计 (14)
3.3.8直流电机正反转电路 (14)
4 系统软件设计 (15)
4.1主程序设计 (15)
4.2键盘扫描程序设计 (16)
5 软件调试 (18)
5.1 keil 软件调试 (18)
5.2 keil 软件的使用 (18)
5.3 Protues 介绍 (23)
5.4 Protues和keil 的链条 (25)
6 结论和工作展望 (26)
6.1 结论 (26)
6.2 工作展望 (27)
参考文献 (28)
致谢 (29)
附录 (30)
附录1 程序清单 (31)
附录2 系统电气原理图 (36)
附录3 系统印刷电路图 (37)
附录4 元器件清单 (38)
公共场所照明自动控制系统设计
1 前言
在我国，照明耗电占年发总电量的10％左右，而对于一些照明时间较长，照明设备较多的的学校教室，其照明系统的使用浪费现象屡见不鲜，照明超过本单位所有耗电40％左右。

目前，国内大多数大、中、小学校教室的照明灯具控制采用手动开关，由于缺乏合理的管理，依然不可避免出现忘记关灯，有时可以借助外界环境能正常工作和夜晚室内空无一人时，整个教室也是灯火通明，从而造成大量的电能损耗。

1.1 概述
能源问题和环境问题一直是人类社会面对的重大问题，特别是到了二十一世纪，对降低能耗和保护环境的要求更成了国家长期发展的重中之重，我国也提出了“节能减排”的号召。

而在众多的能源问题中，电能的短缺是束缚经济发展和人民生活的重要能源问题之一。

据报道，用于照明的能源消耗占整个办公大楼能源消耗的20％-60％，这部分能耗的多少很大程度上取决于照明的控制效果。

在现代建筑的楼宇自动化系统中，照明控制也是其中一个重要分支。

现代建筑对照明的要求很高，除了应该满足为建筑内人们在工作、学习、生活时对视觉环境的要求以外，还应该利用照明设备的不同类型及光线的变换为人们提供一个舒适、有美感的办公、学习和生活环境，此外，还应该提高能源的利用率，实现节能的目的，而传统的照明系统由于其管理落后、能源浪费、舒适性差、布线复杂以及灯具寿命短所以研究新型照明控制系统，对减少这部分能源消耗、减少环境污染，同时更好的满足人们对照明质量的要求都有极其重要的意义。

新型的照明控制系统主要指综合了照明、自动化控制、计算机技术、电力电子技术等的智能照明控制系统。

最根本的是通过充分利用自然光来减少人工照明带来的能源消耗。

1.2 本课题的研究目的及意义
究其节能具有很重要的意义。

本文在分析智能照明控制系统的发展背景和应用优势上，研究了目前较成熟的智能照明控制系统的优缺点，并将对象定位于大学教学楼的照明研究。

大学中传统的照明控制方式由于其管理落后、能源浪费、舒适性差、布线复杂以及灯具寿命短缺点，造成了大学校园中普遍存在“长明灯"、“无人亮灯”等电能浪费的现象。

而现有成型的智能照明控制系统在应用中存在一些问题，需要对其作进一步的研究与开发。

本文详细研究了大学教室的使用特点和照明需求及存在的问题，提出了一种网络化的教室照明智能控制系统，采用低功耗单片机和总线技术，给出了教室照
明控制器和上位机系统的设计方法，在此基础上，在实验室中实现了测试系统的开发和调试。

同时，文中提出了通过建立人数预测模型实现教室自习时段的照明控制方法，并论述了网络化照明控制的优越性，改善了现有教室照明控制中存在的误关断和浪费电能的问题。

论文中详细介绍了整个照明控制系统的功能和控制策略、现场控制器的硬件电路和软件程序设计等。

主要完成了以AT89S51单片机为核心芯片的硬件设计，包括数据采集模块、串口通讯模块和执行模块等的电路设计和软件开发；设计了整个系统的控制策略和功能,并有较好的节能和智能控制效果。

1.3 采用智能照明控制系统的优势
传统的照明控制系统主要是由照明配电箱通过手动开关实现控制照明灯具通断的目的，或在照明回路中串入接触器，实现远距离控制，在灯具的开关控制上采用手动开关，所以很大程度上依赖于人的主动性。

而智能照明控制系统根据某一区域的功能、每天不同的时间、室外光亮度或该区域的用途来自动控制照明。

它能充分利用自然光，实现照明管理智能化。

具体来说其优越性主要表现在以下几个方面：
(1)提高照明控制的智能化程度，使整个照明系统出去全自动状态，可以根据不同场合在不同时段中不同的情景需求，预先设定合适的照明效果，更加智能化和人性化。

(2)减低电能消耗，有良好的节电效果，充分利用自然光作为光源，以人工光为补充，并结合室内的人员情况，只有在必需时才开启照明灯具，节能效果十分显著，一般可以达到30％左右哺。

(3)改善室内工作环境，提高室内人员的工作效率。

(4)提高建筑物的照明系统管理水平，将传统的人为开关控制转换为智能化的管理，将大大减少大楼的运行、维护和管理的费用。

总之，研究新型照明控制器及系统，对于节约照明用电，减少环境污染，满足人民群众日益增长的对照明质量、照明环境和减少环境污染的需要，建立优质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境的照明系统有着极其重要的意义。

1.4 本课题照明控制对象的选择
据教育部公布，截止2007年5月18日，全国共有高校2621所高校(包括全国普通高校共1909所、民办普通高校共295所、成人高校共415所、民办成人高校共计2所)，且每个高校不止一幢教学楼。

近几年来，随着高校的扩招，学生数量大幅增长，大学教学楼的数量也增加很多。

由于大学开放型的管理模式，以及学生们节能意识的淡薄，教室里在白天室内照度充足的情况下，仍普遍存在开灯学习的现象，即使教室内无人或人数很少的情况下，也是全部开启室内照明灯。

在许多教室里，长明
灯和人走不熄灯的现象普遍存在。

据测算，教学楼耗电量占学校所有耗电的40％左右。

按照有关规定，教室照明的功率密度约为lO W／m2。

一个标准教室的面积为96m2，假设每天正常用电时间为1 5 h，每个教学年度按270 d计，一个学校教室数量为200间，节电率以平均30％计算，则一年可节电105度105 kWh，节约电费12-20万元。

以上估算还未包括线损和灯具长时间开启而损坏的部分。

因此，研究大学教室的智能照明控制，在满足学校照明需求的基础上，实现大学教室的智能照明控制，不仅能满足室内人员对照明的要求，又节能，延长灯具寿命，降低运行费用，简化节省配电控制设备和管线工作量，其研究具有非常重要的现实意义。

现有的照明控制系统虽然产品和技术都已相对较成熟，却多为针对普通建筑物如居民楼、办公楼，多采用定时控制、场景控制或简单的传感器控制，很难满足大学教室罩人员多、流通性强等特点，所以有必要针对大学教室的特点，研究相应的照明控制系统。

本文将控制对象具体定位为大学教室，以细化照明控制的实施方案，提出针对大学教室实现智能照明节能控制方案和实施方法。

现在大学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，笔者所在学校也于2009年6月开始陆续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。

1.5 本课题解决的关键问题
本课题通过模拟假设方法研究教室灯光的各种控制方案解决如下关键问题：
a.照明回路的控制回路与控制器本身的节能问题
b.传感器与教室灯配合安装的问题
c.光线传感器参数输入采集问题
d.开，关灯的自动与手动兼容措施
e. 灯的开关与时间问题
2. 智能照明控制系统总体设计分析
2.1 大学教室照明控制现状
分析大学教室的用途，白天以上课为主，照明光源以自然光为主，人工照明为辅，用以补偿在阴天或有遮挡时教室里照度不足的区域；中午及晚上以学生自习为主，少数教室也用来上课，不管是上课或是自习，为了保护视力和提高学习效率，学生们均需要有良好的照明环境，但这些对照明环境的要求也造成一个直接后果，出现资源的浪费问题。

所以，需要在保证教室照明要求的前提下，研究照明节能问题。

要实现照明节能主要有两种方法，一种是选用高效照明光源或灯具，如节能灯。

在保证照明质量的前提下，降低照明用电量的根本措施就在于提高照明设备的效率，即提高光源与灯具的效率：另一种是在现有照明灯具的基础上研究智能照明控制策略，即在充分研究照明对象的需求上，通过优化照明系统的运行来达到节能的效梨。

在照明灯具方面，大学教室多采用荧光灯，采用直接照明的方式，比较满足现有的需求，所以本课题着重论述后面一种方法，改进照明控制策略和运行方式。

2.2 系统整体设计方案
考虑教室的照明节能，改进照明系统的运行，主要应关注两个方面，合理利用自然光作为辅助光源和根据室内人数有效开启灯具数量，这样能够在保证照明质量的同时有效避免能源的浪费。

充分自然光能减少人工灯具的开启时间，关闭室内无人区域的照明灯具带来的节能有两种方式：第一，当灯具关闭后，电能消耗减少了，这是很直接的节能；第二，延长了灯管的寿命，减少了灯具的更换和维修费用。

针对大学教室主要用于学生上课和自习学习的特点,整个照明控制系统由安装于教室中的照明控制器。

教室照明控制器采用ATMEL公司的AT89S51单片机为中央处理器，系统采用C语言开发。

2.3 教室智能照明控制器的设计
本方案中安装在每个教室里的智能控制器是以ATMEL公司的单片机AT89S51为主控芯片的数据采集和处理装置。

由电源模块、复位模块、数据采集模块、按键模块、执行模块等构成。

控制器利用光照度传感器来探测室内照度，从而节能控制。

基本思路，通过按键模块设定要设的室内光线强度，通过数码管显示，保留要设光线数据。

基于光敏电阻通过A/D转换控制电路，通过单片机采集数据判断光线和预设值的比较，当预设值大于室内光线数据过大时单片机控制继电器打开室内灯，要是预设值大于室内光线的值不是太大时，通过单片机控制步进电机调节窗帘幕布打开的大小更精确的控制室内光线。

同理当预设值小于室内光线时关闭室内灯，然后通过步进电机更准确的调节。

3 智能照明控制系统的硬件设计
3.1 总体框图及原理
图3-1 系统的总体设计框图
本设计采用了AT89S51单片机组成光照控制系统，可以实现对光强的控制。

光强传感器采用了光敏电阻,对光照强度进行实时采样。

通过A/D转换模块将采集到的模拟信号转换成数字信号，通过光线的强弱对窗帘的关闭进行控制，然后通过数码管显示，用继电器控制光照，以此达到对光照强度的控制。

总体设计框图如图3-1所示。

3.2 教室智能照明控制器的微控制器的选择
系统的功能和结构如前面章节所述，是一个基于微控制器的设计。

在微控制器的选择上采用ATMEL公司生产的AT89S51系列单片机中。

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes
ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

用AT89S51更合适，芯片体积小，而且AT89C2051的工作电压最低为2.7V，因此可以用来开发两节5号电池供电的便携式产品。

3.3 控制系统的主要硬件电路
3.3.1 系统主控电路
单片机在软件的控制下能准确、迅速、高效的完成程序设计者先规定的任务，能够完成现在工业控制系统所要求的智能化控制功能。

给单片机配备必要的外围器件（设备）用于某一控对象中，就构成了一个单片机应用系统。

3.3.1.1 单片机型号选择
由于本设计要实现的功能决定了选择AT89S51是很合适的。

与AT89S2051
等端口比较少的单片机相比必须选择AT89S51，因为端口太少无法符合设计要求。

而端口太多也会浪费资源，AT89S51价格便宜，及时与AT89C51相比就新增加很多功能，性能有了较大的提升，价格基本不变，甚至比89C51的还低。

兼容性完全向下兼容51全部系列的产品。

本系统主要采用AT89S51 为ATMEL 所生产的可电气烧录清洗的8051 相容单芯片，其内部程序代码容量为4KB。

3.3.1.2 AT89S51主要功能
a、为一般控制应用的8 位单芯片
b、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）
c、内部程式存储器（ROM）为4KB
d、内部数据存储器（RAM）为128B
e、外部程序存储器可扩充至64KB
f、外部数据存储器可扩充至64KB
g、32 条双向输入输出线，且每条均可以单独做I/O 的控制
h、5 个中断向量源
i、2 组独立的16 位定时器
j、1 个全多工串行通信端口
k、8751 及8752 单芯片具有数据保密的功能
l、单芯片提供位逻辑运算指令
3.3.1.3AT89S51各引脚功能
图3-2 AT89S51D的PDIP封装形式
AT89S51单片机引脚及封装如图3-2所示。

VCC：AT89S51 电源正端输入，接+5V。

VSS：电源地端。

XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。

XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1 和XTAL2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一20PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。

AT89S51的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H 处开始读入程序代码而执行程序。

EA/Vpp：
"EA"为英文"External Access"的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。

因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。

如果是使用8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。

此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。

ALE/PROG：
ALE是英文"Address Latch Enable"的缩写，表示地址锁存器启用信号。

AT89S51可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为AT89S51是以多工的方式送出地址及数据。

平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。

此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。

PSEN：
此为"Program Store Enable"的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。

AT89S51可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。

PORT0（P0.0～P0.7）：
端口0是一个8位宽的开路汲极（Open Drain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。

其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。

如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7）。

设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。

PORT2（P2.0～P2.7）：
端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS 的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。

P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89S51扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当做I/O 来使用了。

PORT1（P1.0～P1.7）：
端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LS TTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。

如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。

PORT3（P3.0～P3.7）：
端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。

其引脚分配如下：
P3.0：RXD，串行通信输入。

P3.1：TXD，串行通信输出。

P3.2：INT0，外部中断0输入。

P3.3：INT1，外部中断1输入。

P3.4：T0，计时计数器0输入。

P3.5：T1，计时计数器1输入。

P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。

P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。

3.3.2电源电路
系统各模块的供电电源都为+5V，选用L7805为稳压芯片。

具体电路如图3-3所示。

图3-3 电源模块
3.3.3 单片机最小系统
图3-4单片机最小系统图
MCU最小系统工作原理：
单片机最小系统，是指用最少的元件组成以单片机为核心元件的可以正常工作具有特定功能的单片机系统，是单片机产品开发的核心电路。

下面我们设计单片机最小系统，同时具有上电复位功能。

3.3.3.1 单片机时钟电路
单片机是一种时序电路，必须要有时钟信号才能正常工作。

芯片的18脚（XTAL2）、19脚（XTAL1）分别为片内反向放大器的输出端和输入端，只要在18脚（XTAL2）和19脚（XTAL1）之间接上一个晶振，再加上2个30PF的瓷片电容即可构成单片机所需的时钟电路。

注意，当采用外部时钟时，19脚（XTAL1）接地，18脚（XTAL2）接外部时钟信号。

3.3.3.2 单片机复位电路
单片机芯片的第9脚RST（Reset）是复位信号输入端。

在开机或工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于某种死循环状态等情况下都需要复位。

MCS-51系列单片机的复位靠外部电路实现，信号从RST引脚输入，高电平有效，只要保持RST引脚高电平2个机器周期，单片机就能正常复位。

常见的复位电路有上电复位电路和按键复位电路二种。

3.3.3.3 程序存储器选择电路
单片机芯片的第31脚（EA）为内部与外部程序存储器选择输入端。

当EA 引脚接高电平时，CPU先访问片内4KB的程序存储器，执行内部程序存储器中的指令，当程序计数器超过0FFFH时，将自动转向片外程序存储器，既是从1000H。