教室灯光控制系统-毕业设计.doc

摘要本课题主要是处理室内灯光的控制，节约能源的问题，尤其是针对当前社会室内灯光的智能控制方面的发展缓慢的现状。本课题详细分析了室内灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机和模拟电路相结合的室内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软件。 该系统以AT89C52单片机作为主控制装置的“大脑”，采用热释红外人体传感器检测人员的存在与否，采用光敏电阻构成的电路检测周围环境的光照强度。以室内人员数目作为打开照明灯的条件，系统通过对人体的存在信号和周围环境光强信号的识别和智能判断，实施对室内照明调节的智能控制，避免了室内照明用电的大量浪费。同时还采用了软/硬件的“看门狗”技术等抗干扰措施。单片机软件程序部分采用C语言编写，采用模块化结构设计、条理清晰、通用性强，便于改进和扩充。 该系统具有一下优点：体积小，控制简单，可靠性高，专用性强，性价比高等优点，可以满足各类室内灯光控制的要求，最大程度的达到节约能源的目的。关键词:人体；红外线；传感器；自动控制；热释电AbstractCurrently light intelligent control systems are not efficiently used in the classroom. In order to improve the system, based on control and current methods of how to keep control，developing intelligent classroom light control system and developed the hardware and software system. This classroom light intelligent control system the theory of the light put forward methods ofon the basis of AT89C52 is developed, which machine of AT89C52 is a major part, and the environment of development is better than before. This system can satisfy the following functions, such as controlling the circuit of illumination, testing and processing daylight signal, testing and processing the signal of human body that illuminates the back track exists, reporting to the warning devices,etc.In order to satisfy these functions, the system adopted the homologous methods respectively, and to the gearing of the system, analyzing how to install，test and run the system. The microcontroller software was developed based on assemble language. Assemble language is one kind of structured program languages, it has more advantages than other high-level languages. Assemble language adopts building block design. Its commonality is very good and easy to improve and expand. It could be used to develop larger一scale system with more perfect performance. At the same time, the anti-jamming technologies, such as watchdog, are necessary when developing hardware and software.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 words: Human body, infrared ray, sensor, automatic control，heat to release the electricity1.1.引言1.1本课题研究的意义随着当今社会经济和科学技术的飞速发展，我们的生活水平也在不断的快速提高，致使用电负荷的日益加剧，而当今世界全球性的能源危机，能源缺乏已成为全世界所面临的严峻问题。尤其对我国来说非常严重。伴随着各类室内、楼盘、公司的扩建，室内照明的需求也变的越来越多，而室内照明的管理不能及时到位，往往会造成电能的大量浪费。因此，提高室内用电效率就成为首要考虑的一大问题。 目前对灯光的智能控制系统，国内外己经开始采用，但于对室内灯光的控制，尤其是我国室内灯光的智能控制尤为缺乏和不完善，依然是传统的人工管理。各类大、中专院校不断扩招，教室不断扩建，室内的用电负荷急剧加大，室内用电管理不完善，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。而且，伴随着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。所有这些使得室内灯光控制也应该朝着智能的方向发展。于是，开发简便、实用的室内灯光自动控制系统便具有非常重要的实际意义。1.2国内外室内灯光控制系统研究的现状及问题 世界上各地发电的主要原料还是煤炭、石油和天然气，而丹麦在能源利用方面的成功经验为大家提供了很好的借鉴。从1974年以来，尽管丹麦国民收入比以往增长了50%，然而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。他们不断地研发、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。因而，使他们的能源使用总效率达到了90%。丹麦政府非常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。根据数据显示，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。而且，有欧司朗一斯维尼亚公司也在不断的推出新型高输出的荧光灯，节约6%的总系统用电功率，并具有更高的光通和平均光通量。飞利浦照明公司推出的新型陶瓷金卤灯代替过去的卤钨灯，可以节约60%的电能。这种种迹象表明世界各国都在采取不同方式来节约能源，节约电能。中国经济持续多年的高速发展让能源问题越来越严重。虽然我国能源总储量不低，但是，由于我国人口众多，所以人均储量较少，单位产值的能耗高达发达国家的3-10倍。因此，能源问题已成为制约我国国民经济高效发展的关键问题。从保护环境和自然资源角度出发，节约能源问题也是我国长期可持续发展战略中的一个关键因素。鉴于能源问题的重要性，我国在绿色照明工程新闻发布中声明，绿色照明工程在未来五年间将在全国公用设施、宾馆、商厦、居民住所等全国建筑物中推广1.5亿只节能灯，节约电能290亿度电。上海、河北等一些地方采取政府对节能灯的大宗采购每只补贴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，护洁课上完离开室内后灯还亮着的现象普遍存在;而且，节能规划极为欠缺，室内的灯光控制由管理人员手工代替，室内极多，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。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，室内不断的扩建，若再没有改进室内的用电管理设备，那么用电负荷可想而知，浪费的电能就更惊人了。 基于以上种种原因，提高室内用电效率就成照明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室内灯关自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要课题。1.3本课题研究的内容和目标1.3.1研究内容本课题的研究内容有如下几点:(1)了解室内照明光强的标准；(2)调研室内灯光照明需求以及环境光强弱与开、关灯的关系；(3)研究人体存在探测技术，探测角度与范围；(4)研究传感器室内分布、安放问题，是否一灯一个传感器或多灯公用传感器等；(5)研究确定人体传感器的有关参数；(6)研究灯光控制器电源问题； (7)研究控制器参数值设定的要求及方案；(8)研究人工设置参数、掉电保存参数的问题；(9)研究与现有室内照明相兼容，易替代，不易被偷盗、被仿制，易于维护、维修等控制技术；(10)研究报警等附加功能问题1.3.2研究目标 研究的室内灯光控制系统能用于现有室内照明系统的改造，实现对照明系统的人性化智能管理，提高用电效率;实现自动、手动灯光控制相兼容，以降低成本;通过反复试验和改进，最终达到可靠性、实用性、推广性较好的目标。1.4本课题拟解决的关键问题本课题拟通过试验研究室内灯光的各种控制方案解决如下关键问题:(1)照明回路的控制回路与控制器本身的节能问题；(2)传感器与室内灯配合安装的问题；(3)环境光参数输入采集问题；(4)人存在传感器参数输入采集问题；(5)开、关灯的自动与手动兼容措施；2.室内灯光控制器简介及控制方案的分析2.1室内灯光控制器简介 室内灯光控制器可实现有效的室内灯光智能控制。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室内灯进行智能控制可以实现上述目标。 室内灯光控制器一般安装在室内内避开电灯直射的位置，且人红外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。2.2系统控制方案的分析 所研制的控制器以自然光强度和人体存在作为控制器的主要输入参数。可以实现自动与手动控制相兼容。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。 本文所研究的室内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室内照明智能控制。3.系统控制模块的硬件设计 考虑到本系统所安装的环境影响因素比较多，且室内控制设备中的人体存在传感器、光敏电阻等经常会因环境情形变化而不稳定，所以在设计过程中，电子元器件的选用、线路布置和设备的安放要充分考虑到抗干扰问题。3.1控制模块的硬件构成系统控制单元是以单片机主控模块为核心，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、环境光模块、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：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图3-1系统控制单元结构框图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可多次编程，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EEPR0M来存储系统的设置参数。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，根据工SP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系统供电电路要取得+5V电压，若选用12V的变压器，整流滤波后输出往往大于12V，会使稳压器功耗大，自身温度较高。故不选用输出电压为12V的变压器，而选用输出电压为5V的变压器。系统接通220V交流电源后，将220V交流电变压到5V，经过二极管全波整流、电解电容Cl，C2滤波，再经一只正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用了电容C3、C4，最后得到+5V的直流工作电源，用于给控制系统中单片机系统及其它外围电路的Vcc+端供电。其供电原理图如3.2.3图3.2.3 供电原理图在硬件时钟模块中，为了在断电后硬件时钟能够正常运行，故采用主从双电源供电方式。硬件时钟一般在系统的+5V主电源情况下工作，而只有系统+5V主电源消失的情况下，为确保硬件时钟的正常运行，设计一个3. 6V的可充电铿电池作为备用电源。具体电路及其原理将在后面的系统时钟电路部分详细说明。3.2.4数据采集电路 室内中的环境光和人体存在与否是系统的主要输入参数，因此室内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电阻，根据需求，选用灵敏度适中的光敏电阻。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。采用的光敏电阻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。在无光照时光敏电阻的穿透电流很小，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。因此光敏电阻灵敏度高，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3.2.4. 1-1 图3.2.4. 1-1环境光采集电路原理图如图3.2.4 1-2所示。当自然光强大于一定程度时，光敏电阻呈现底阻状态1千欧，电压升高。当自然光强小于一定程度时，光敏电阻呈现高阻状态,100千欧，截止电极输出高电平。其中可变电阻R26可调节，调R26阻值的大小，使光敏电阻受环境光影响在适当的亮度下导通。图 3.2.4.1-2环境光采集电路原理图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:被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；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；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 左右的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的左右的红外线而进行工作的。人体发射的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。5)菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距(感应距离)，从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。人体传感器透镜的信号采集敏感区示意图如图4. 2. 2-1图4. 2. 2-1信号采集敏感区示意图有人进入时，移动人体发出的红外线被红外传感器接收，则人体存在被感应，并输出高电平。若人体进入最不敏感移动方向时，则人体传感器所体现的信号就会不理想，有时还会产生误动作，所以要特别注意人体传感器的安装方向。3.人体存在信号采集电路 人体传感器HP-208是深圳市浩博特电子有限公司研发和生产的基于红外线术的智能产品，它的主要特性如下:(1)感应为全自动方式，人进入感应范围时输出高电平(高3.3V)，人离开应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平(低0.3V)，其高低电平利于采集； (2)采用可重复触发方式。即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果二人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时8，15秒后将高电平变为低电平；(3)人体传感器工作电压宽为DC3V-DC24V；(4)人体传感器制作成锥面形状，感应范围大，小于140度锥角，感应距了为7米以内；(5)其静态电流小于50微安，功耗低；(6)工作温度介于15度和+70度之间，适应性强；(7)灵敏度高，可靠性强。 人体传感器HP-208型号的正视图如图3.2.4.2-1所示: 图3.2.4.2-2人体传感器的1号引脚为电源信号端，3号引脚为地信号端，2号引脚为采集信号输出端。在电路设计中，为了使人体传感器的工作更加可靠，介于人体传感器的信号引脚2与地信号引脚3之间加一个6800pF的电容，另外人体存在传感器的信号引脚2与单片机的P3.3引脚相连，P3.3引脚再接一个100的上拉电阻，增加人体存在传感器输出信号的可靠性，其电路原理图如图3. 2. 4. 2-3 图3.2.4.2-3 HP-208传感器电路原理图3.2.7继电器驱动接口电路继电器驱动接口电路如图3.2.7所示，这里继电器由相应的PNP型号的59012三极管来驱动，开机时，单片机初始化后的P3. 5/P3. 6为高电平，三极管截止，所以开机后继电器始终处于释放状态，如果P3. 5/P3. 6为低电平，三极管的基极就会被拉低而产生足够的基极电流，使三极管导通，继电器就会得电吸合，从而驱动负载，点亮相应电灯。继电器的输出端并联100欧的电阻和6800皮法电容，目的是避免继电器吸合与释放期间产生火花。每个继电器都有一对常开常闭的触点，便于在其他电路中使用，继电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管，这种继电器驱动方式硬件结构比较简单。图3.2.7继电器驱动电路图4控制模块软件设计与开发4.1系统监控主程序模块监控程序按模块分为监控主程序和命令处理子程序。监控主程序的基本任务是调用子程序，一个主程序可以调用多个子程序，对于51系列单片机，系统资源有限，主程序通常是一个无限循环的过程，即是一个反复调用子程序的过程。子程序主要分为中断子程序和功能子程序，它们之间可以互相嵌套和调用，即中断子程序可以调用功能子程序。在应用软件的设计中，尽可能各个功能模块写成子程序的形式，并通过主程序调用。而命令处理子程序完成各种命令所规定的具体操作，它按各种命令再分为不同的子程序模块，它一般总是把其余部分连接起来构成一个无限循环，系统所有功能都在这一循环中周而复始的有选择的执行。其监控主程序流程图如图4-1所示: 系统初始化看门狗激活设定定时器，允许定时中断上电Reset人体传感器处理任务环境光处理任务定时时钟管理显示刷新任务图 4-1 监控主程序流程图4.1.1定时中断处理 定时中断是利用单片机内部的定时器定时时间到或计数值已满引起的中断，内部定时器的计数器可以对内部时钟或从外部引线TO和TI输入的外部脉冲进行计数。计数器的溢出信号作为中断请求信号，去置位定时器溢出标志位，向单片机的CPU申请中断。定时中断为周期性中断，每隔一定的时间会中断一次。本系统中设定的定时中断主要用来构造多任务操作系统，在系统响应中断后，无需对断点实施现场保护，可直接进行多任务时间的划分工作，使相应的操作任务进入就绪状态，即该中断可以启动有关的任务就绪。该定时中断处理程序框图如图4-I-2所示。开始定时中断到？多任务启动时间划分下一步YN图 4-1-2 定时中断处理程序框图 本系统还采用了外部中断，此外部中断主要用来判断是否有遥控器信号，若有，就采集下来并加以处理；若无，则返回到主循环。4.2数据采集模块本控制系统中的数据采集对象为环境光信号及人体存在信号，在程序设计中对这两个数据的采集放置在多任务模块中实施定时采集。4.2.1存在传感器的优缺点人体存在传感器有优点，也有缺点。优点便是本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。而缺点是容易受各种热源、光源干扰;由于红外穿透力差，因此人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；易受射频辐射的干扰;环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时还会造成短时失灵。试验检测也证明了这点，只要人体存在却有巧秒左右没有活动，人体传感器则认为没有人体存在。为避免这种现象的出现，本系统软件程序中设计为有人体存在状态后间隔2分钟或更长的时间来对人体存在参数信号的采集。4.2.2数据采集软件设计的实现 本系统考虑到环境光足够亮时，无论有否人体存在都不应开灯;而环境光不够亮时，有人体存在才开灯，无人体存在不开灯。本系统逻辑定义为环境光亮时为二进制的“0”(符合光采集电路输出信号状态)，暗时为“1”，人体存在为“1”，人体不存在为“0”，开灯为“1”，关灯为“0”，那么环境光与人体存在可以有以下的逻辑关系表表示，如表4. 2. 2所示: 表4. 2. 2环境光参数人体存在参数室内灯状态010000111100上表数据表明可将环境光参数与人体存在参数相与门操作，又由于继电器是低平驱动，所以要将采集处理后的信号进行非操作，才可以驱动继电器工作，即可得到室内灯的状态，其软件程序为:； 4.2.3人体存在传感器的抗干扰措施 人体存在传感器易受外界影响，于是要在使用时特别注意抗干扰性能。 1.防小动物干扰 探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上的小动物，不产生信号。 2.抗电磁干扰 探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4. 6. 1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。 3.抗灯光干扰 探测器正常灵敏度范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生信号。4.2.4人体存在传感器的安装要求 人体存在传感的安装要求：人体存在传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系，正确的安装应满足下列条件：1.人体存在传感器应离地面2.0-2.2米。2.人体存在传感器远离空调，冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。3.人体存在传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。4.人体存在传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。人体存在传感器也不要安装在有强气流活动的地方。人体存在传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。人体存在传感器对于径向移动反应最不敏感，而对于横切方向(即与半径垂直的方向)移