基于单片机楼宇智能灯设计

基于单片机楼宇智能灯设计龙岩学院毕业设计 题目： 基于单片机楼宇智能灯设计 专业： 电子信息工程 学号： 2014041840 作者： 周海金 指导教师(职称)：陈阳 讲师 2016年6月4日基于单片机楼宇智能灯设计【摘要】 随着科技的迅速发展，信息化深入到人们生活中各个领域。伴随着能源需求也相对增加，在许多电子领域里对电力资源上铺张浪费。本论文主要是针对楼宇智能灯照明灯带来的浪费，通过单片机为核心设计一套节能控制系统。控制系统核心主要是以STC89C52芯片，集光敏与声敏控制外围信号传输，并用两个LED灯来模拟照明灯，设定当前时间与节能时间段开关。白天时，通过声控和光控来实现自动开关灯；傍晚时，设置的时间到了照明灯自动开启节能模式，有人经过时开启照明灯。除此之外，还设置报警系统，照明时LED灯没亮时则发出报警信号。从而有达到节能的效果，实现一个节能控制系统。【关键词】 节能控制系统 单片机 光控 声控Based on single chip microcomputer intelligent building light design【Abstract】 With the rapid development of science and technology, information into all fields of peoples lives. With the energy demand is relatively increased, in many electronic fields of electric power resource extravagance and waste. This paper is mainly aimed at building intelligent lamp lights bring waste, through single chip microcomputer as the core to design a set of energy-saving control system. Core control system mainly STC89C52 chip, set the current time period and energy-saving switch, light and sound sensitive control peripheral signal transmission, and two LED lights to simulate the lighting. During the day, automatically open to turn off the lights by acoustic and electric; In the evening, its time to set up open automatically lighting energy saving mode, someone after open the lighting. In addition, also set the alarm system, lighting when the LED is not illuminated when emit alarm signals. To achieve the result of energy saving, to implement a energy-saving control system.【Key Words】 Energy saving control system singlechip Optically controlled Voice control目录引言1第一章 总体设计1（一）、系统整体方案设计1（二）、系统整体方案论证2第二章 硬件设计3（一）、主控单元设计模块31、STC89C52单片机概述32、主控单元模块硬件电路设计4（二）、键盘模块设计4（三）显示模块设计41、LCD1602概述42、LCD显示模块硬件电路设计5（四）、时钟模块设计61、DS1302概述62、实时时钟模块硬件电路设计6（五）、环境监测单元设计71、LM393电压比较器概述72、光敏电阻概述73、环境检测模块硬件电路设计8（六）、物体监测单元模块设计81、三极管概述82、物体监测单元模块硬件电路设计9（七）、其它系统模块设计91、报警模块硬件电路设计92、电源模块硬件电路设计10第三章 软件设计11（一）、系统软件设计说明11（二）、主程序流程及相关说明111、系统结构框图112、初始模块程序设计123、自动工作模式程序设计13第四章 测试结果与分析15（一）、测试方法与结果15（二）、测试结果分析17第五章 结论18（一）、主要工作及结论18（二）、遇到的问题18（三）、感想及收获18致谢19参考文献20附录21引言随着近几年来我国经济的快速发展，人们的生活水平提高了。对环境保护的重视改变了许多，随之能源开发的意识也跟着加强了。现如今，不管是在机关、学校、矿厂企业等单位中的公共场所，以及还是在生活小区的公共楼道里，长明灯现象十分普遍的。然而这种现象带来极度的电力能源上浪费。除此之外还有常年经常用开关或者是人为原因现象，对开关的损坏率大大提高。通过本论文利用声光检测和分时定时控制照明灯来设计是，这是一款新颖的电路，节省电量安全，结构简单易懂，安装过程方便，使用照明灯的寿命延长，还能起到节能环保作用。第一章 总体设计本设计由主控单元模块、光控模块、声控模块、键盘模块、时钟模块、最小系统模块、LCD显示模块、报警模块、LED显示模块等模块组成，楼宇智能灯系统结构框图如图1所示图1（一）、系统整体方案设计方案一：采用单片机来作为主控制器，应用矩阵键盘输入，通过LED数码管来显示时间并设定时间开启和关断。用光敏电阻与三极管组合电路驱动方式来给单片机传输传感信号，并为后续程序操作来检测环境明暗情况，且单片机端口对应相关电路来操作，从而达到自动开关灯。LED灯开关工作模式：设置节能时间段模式，18点至凌晨6点时，当节能模式处于这时间段时LED灯一灭一亮，若是有声响则LED灯全亮。剩余时间段则通过环境明暗来控制LED灯全灭和全亮。24小时制具有日期时间调节功能与显示日期/时间/星期。方案二：采用STC89C52单片机来作为控制核心，采用了独立式按键对参数的设定和功能选择，通过1602液晶和DS1302时钟来显示时间、设定时间及控制模式。光敏电阻和驻极体通过电压比较器来进行模数转换，实现环境明暗与声响转换为电信号送给单片机进行判断。从而实现LED开光灯。LED灯开关工作模式：8点至次日6点在这个时间段处于节能模式一亮一灭，如果有声响则开启全亮模式。剩余时间段则面对突出情况，通过环境明暗和声响来控制LED灯全灭和全亮。当蜂鸣器响起发出报警声则表明系统发生故障。（二）、系统整体方案论证方案选择比较：方案一采用的是矩阵键盘虽然可以节省单片机的IO口，但是电力相对复杂，调试不易；用光敏电阻与三极管组合电路驱动方式来给单片机传输传感信号，但提供输入的信号相对环境的要求比较低和精确度不好掌控。虽说方案二也不是相对的高精度和高效率。但是相对比较下使用电压比较器和相关的执行元件，使得系统控的设计更加接近实际作用。还有就是用LCD1602液晶显示更加清晰直观。系统具有比较好的稳定性，基本满足本设计要求，控制结构简单，电路易懂，成本低，电路的元器件较少，性价比高，控制方式比较灵活。另外还添加了报警系统和时钟断电保护。因此，我们采取了方案二。第二章 硬件设计（一）、主控单元设计模块1、STC89C52单片机概述（STC89C52它是一种有4K字节可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Only Memory）低功耗电压。高性能CMOS8位微处理器，简称单片机，它与普通的AT89C51功能基本相同，管脚也基本兼容。AT89C51它是一种自带2K字节可编程可擦除只读存储器的单片机。可擦除只读存储器反复可以擦除100次。器件主要是采用ATMEL高密度不易失存储器技术制造，它的指令集和输出管脚相跟工业上标准的MCS-51兼容。因为将多功能的8位CPU和闪烁存储器组合一个芯片中，在宏发科技里STC89C52是一种高效的微控制器，由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，宏晶科技的STC89C52是一种高效微控制器，然而AT89C51是可以这么说是它的精简版本。STC89C52单片机在很多嵌入式控制系统中提供一种即灵活性高而又价廉的方案。图2.1如图2.1所示，STC89C52引脚排列（与AT89C51管脚一样）。有40个管脚端口，包含32个输入输出端口都可以用来作为普通IO使用，其中P1、P3口还具有第二功能；2个电源端口分别是电压端和接地端；2个时钟端口外接晶振和6个控制信号端口使用。STC89C52主要特性有和MSC-51或52兼容、4K字节EPROM、寿命1000写/擦循环、全静态工作0HZ-24HZ、三级ROM锁定、128*8位内部数据存储器、通过2个定时/计数器、5个中断、低功耗、掉电保护、可编程串行通道、内震荡器和时钟电路。2、主控单元模块硬件电路设计图2.2如图2.2所示，在STC89C52上9脚连接一个复位电路，S2为复位按键，当按下手动复位，复位即让程序重新运行，相当于重新启动。18、19脚连接一个晶振电路，Y1为晶振12KHZ，提供振荡信号给单片机，单片机才能运行程序。在P0端口上连接9*10K的排阻，主要是连接液晶屏的上拉电阻，如果没有接排阻呈高阻态，无法得到高电平，液晶显示异常状态。（二）、键盘模块设计 键盘模块设计电路如图2.3所示。K1、K2、K3、K4、K5、K6分别和P1.5、P1.6、P3.0、P3.1、P3.3、P3.4相连。在本设计中，若是在时间调整模式下，S4设置“加1”功能键，S5设置“减1”功能键；若是在手动模式时，通过S7“开关”功能键进行开关灯。其中，S2是功能切换键，主要是实现时间调整和自动模式定时时间模式，通过S3“确认”按键为确认设置。S6按键主要是在运行模式实现自动和手动的切换。、图2.3（三）显示模块设计1、LCD1602概述1602液晶也可以叫1602字符型液晶，它是用来显示数字、字母和符号等点阵型液晶模块，是由多个5*7或5*11等点阵字符位组成，在每个点阵字符位上显示一个字符。每位和每行之间都有间隔，起到字符间距和行间距作用。然而，液晶不能显示图像也是这个原因的。LCD1602也泛指显示内容是16*2，在显示屏上显示两行且每行显示16个字符液晶模块（显示字符和数字）。LCD1602屏幕和地址对应关系如表2.1所示表2.1显示位置123456740第一行00 H01 H02 H03 H04 H05 H06 H27H第二行40 H41 H42 H43 H44 H45 H46 H67H如图2.4所示，LCD160通常有14个引脚（无背光）或16个引脚（带背光）的接口，其中14脚线还是16脚线的LCD它们的控制原理是一样的，多出来的2条是15脚电源线和16脚地线GND。还具有的特性对比度可调、有复位电路、提供多种控制命令、80个字节显示数据存储器、内有192个5*7点阵的字型的字符发生器CGROM和8个字符发生器CGRAM。图2.42、LCD显示模块硬件电路设计图2.5如图2.5所示，7-14脚是通信总线，通过上拉9个引脚10K排阻同P0口相连接，来保护数据传输或指令传输时正常使用。然而，通过电位器控制阻值的大小改变液晶显示的清晰度。 （四）、时钟模块设计1、DS1302概述DS1302是美国DALLAS公司推出一种具有涓细电流充电能力低功耗、高性能的实时时钟电路。主要采用的是传销数据传输，还具有断电保护电源来提供充电功能，并可以关掉充电功能。在实时显示时间的应用，可以对年、月、日、星期、日、时、分、秒进行计时作用，并还有润年补偿功能等。DS1302时钟电路接口简单、价格相对便宜、方便使用，在现在流行的串行时钟电路广泛地采用。图2.6如图2.6所示，DS1302是8个引脚的时钟芯片。具有特性是实时时钟/日历时、分、秒、年、月、日、星期等信息，31字节静态RAM、采用串行IO接口、电压工作2.5-5.5V、可选慢速充电和备份电源用。2、实时时钟模块硬件电路设计图2.7如图2.7所示。J1为备用电池用电压值3V的纽扣电池，保证突发情况下掉电时也能过正常计时。Y1是一个外接32.768KHZ的晶振。5-7脚分别接在P1.0、P1.1、P1.2端口，并接10K上拉电阻，来保证硬件电路的操作和通信时的稳定。（五）、环境监测单元设计1、LM393电压比较器概述LM393又称为双电压比较器，它是由两个精度高、相互独立电压比较器组成集成电路。当不受VCC端电压的限制时，输出的负载电阻能过接在电源电压范围内上的任何电压值。不用负载电阻没被使用时，输出可以作为一个简单对地SPS开路，部分陷电流可能得到驱动及器件的值所限制。当达到最大电流时，输出晶体管将退出使得输出电压迅速上升。393设计可以TL和CMOS连接；当使用双电源时，它能与MOS逻辑电路兼容。所以LM393与其它标准比较器上独特之处。图2.8如图2.8所示，LM393是一个8个管脚芯片。还具有一些特性是：工作电源电压宽，工作温度一般在：0+70，在单电源（236V）、双电源（118V）都可以工作，消耗电流小，失调电压小与MOS、TTL、DTL等兼容。输出用开路集电极相接“或”门。2、光敏电阻概述（1）、光敏电阻介绍光敏电阻主要采用的是半导体材料来制作的，其原理利用内光电效应的光电元件。在光线照射下使其阻值变小，这种现象称之光导效应，故光敏电阻又叫光导管。在黑暗环境中，它的阻值比较高，受到光照时，由于产生的载流子导电并且通过外电场力下做漂移运动，使得电子迅速运动到电源正极，空穴也跑向负极上，导致了光敏电阻值降低。在光敏电阻金属电极两边加上电压，就有电流流通，受到光线照射时，电流会随着光照强度的上升而增加，实现光电转换。如果没有极性，只是相当于电阻器件，在使用时，加直流或交流电压。（2）、参数特性a、暗电阻、亮电阻暗电阻：在常温光敏电阻上施加电压下，没有光照射下时流过的电流称之暗电流，此时电压与光电流之比称为暗电阻。亮电阻：在常温光敏电阻上施加电压下，光照射一定强度下时流过的电流称之亮电流，此时电压与光电流之比称为亮电阻。亮电流与暗电流之差为光电流。此时如果暗阻越大就会越好，亮阻越小就会越好，可以这么说暗电流小时，亮电流大，光敏电阻灵敏度相对比较高。b、 基本特性伏安特性：在一定照射强度下，光敏电阻两边加的电压和流过电阻电流之间的关系。光电特性：光敏电阻光电流在不同光照强度下之间的关系。光谱特性：不同的波长的光线下，相对的灵敏度也随之不一样。频率特性：不同的材料上，光敏电阻有着不同的延特性，造成频率特性上不相同。温度特性：光敏电阻受到温度升高或降低时，它的暗电阻会发生改变。3、环境检测模块硬件电路设计图2.9如图2.9所示，在这设计我们使用的光敏电阻是5539型号同LM393电压比较器相结合方式来实现环境的检测。LM393在这里的作用的作为电压比较的，电压比较器的主要原理是当输入电压V+V-时，输出高电平，当输入电压V+-，比较器7脚输出高电平；黑暗的时候，光敏电阻阻值较大，分到的电压高，电压是大于2.5V的，所以+V-时，输出高电平，当输入电压V+V-时，输出低电平（这里第2脚是V- ，第3脚是V+，第1脚是输出）。MK1为检测声音的元器件驻极体，有声音时，器件产生交变电压，低压通过C5耦合到Q2的基极，使三极管截止，此时三极管集电极为高电平，比+输入端的2.5V高，所以此时1脚输出低电平，LED指示灯D1亮，电平由高变低，下降沿触发单片机外部中断，使单片机感知外界有声音；相反地如果没有声音，三极管一直开通，第二脚-输入端为低电平，比较器输出高电平，单片机靠判断低电平来知道有声音。（七）、其它系统模块设计1、报警模块硬件电路设计图2.11如图2.11所示，单片机控制BEEP的高低电平来让蜂鸣器是否工作，Q1为三极管，NPN型，所以此处BEEP为高电平时，三极管开通，蜂鸣器接地得电，相反为低电平时，三极管截止，蜂鸣器不得电。R1为上拉电阻，让IO口的电流在高电平时加大，足以让蜂鸣器正常工作，R6做限流用，保护三极管。2、电源模块硬件电路设计图2.12如图2.12所示，这是电源电路设计图，当电池盒接入插座，通过开关，再经过两个电容滤波，主要是为了得到更稳更干净的电源电压。其中还多了后面是电源指示灯，为了更加直观的看到看是否有电流通过。2第三章 软件设计（一）、系统软件设计说明 在本设计控制系统中，除了硬件设计外，还需要通过Keil软件设计程序来实现大部分硬件上的工作。因此，软件设计在单片机控制系统设计中占着重要地位。在控制系统中，大致可以分为数据处理和过程控制两个基本类型的。数据处理主要是通过数据的采集，然后进行滤波及标度变换等。而过程控制程序是单片机按一定的方式进行计算，再输出，从而方便控制生产。通过在进行软件上的设计时，常常把整个过程分成若干个部分来实现的，每个部分也是叫做一个独立模块。模块，就是完成相应的功能和相对独立的程序段，通常这种程序设计法也可以叫模块程序设计法。用这种设计方法来设计有多种优点：单个模块总比一个完整的程序来得易编写和调试；模块可以共存，一个模块可以在不同条件下的多任务调用；模块程序可以分割任务，以及利用已有程序，给设计者带来方便设计。（二）、主程序流程及相关说明1、系统结构框图系统结构框图如图3.1所示。图3.1根据结构框图设计主程序流程图如图3.2所示图3.22、初始模块程序设计在每个系统中都有着初始程序及模块，初始模块是系统控制运行时的前提。对于该系统主要用的是串行通信，把源程序通过串口下载到单片机芯片上，下载成功。对系统上电后进行复位。随后在LCD1602显示屏上显示初始时设定的时间值，此时可以通过“S2”选择按键按下并“S3”按键进行确定，进入时间设置面，并设定当前时间。当设置当前时间完了，按两下“S2”并按下确认键，进入定时时间段设置，并设置开灯时间和关灯时间。完成后，在显示屏上显示当前时间。如图3.3所示。图3.33、自动工作模式程序设计图3.4图3.5自动工作模式系统主要分为在定时阶段和不在定时阶段如图3.4和3.5所示。通常一般定义是在定时阶段是在晚上，而不再定时阶段是在白天里。白天时，我主要是通过行人和环境来控制照明灯开启并延时10秒左右的时间。在晚上时，开启节能模式并且有人经过时开启所有照明灯延时10秒左右的时间。当照明灯没亮时，会发出报警声并及时通知工作人员进行维修。手动工作模式，无非就是人为去控制开关灯。这时如果自动工作模式没有运行时，则通过开关按键来开启照明灯。第四章 测试结果与分析（一）、测试方法与结果 本系统设计接通+5V的电源后，LCD1602液晶屏显示程序设置好的初始值“2000/01/01 00:00:00 01”，如图4.1所示。接着通过“S2”选择键按一下并按下确认键进入修改时间设置，并设定当前时间，如图4.2所示。当按两下选择键时，进入设定节能时间段设置，并设置开关灯时间“开灯时间为18点和关灯施加6点”。如图4.3和4.4所示。这些是系统开始时的初始化，是系统运行的前提。对于时间的设定，我们可以根据四季时不同的光照强度和时间长短来设定时间。然而作为主控室，1602只是行动与一个数字万年历。本设计系统模块电源电压为+5V。通过外接一个电池盒作为电压源，电源电路模块主要是为了使电压更干净更纯的电压。 图4.1 图4.2 图4.3 图4.4 在本设计系统中设计了两种工作模式分别是手动控制开关模式和自动控制开关模式。手动控制模式，通过模式切换键进行切换工作模式，此时模式显示灯黄灯亮，然后按键开关是否开启所有灯，如图4.5和4.6所示。 图4.5 图4.6在自动控制模式，主要分别两种控制方式，分别是设定时间段如图4.7所示和不在时间段如图4.8所示。不在时间段正常都是在白天时工作的，这是根据环境明暗和有行人经过来判断开启所有灯如图10所示；当进入设定时间段时一般设置在傍晚时阶段，开灯时间到了，灯进入节能状态并且此时有人经过开启所有灯如图9所示。到了关灯时间，重新进入不在是时间段模式下工作。本系统还有个特点就是还设置报警系统，此时在开启灯时没亮，就会发出报警声并通知工作人员及时维护。 图4.7 图4.8 图4.9 图10（二）、测试结果分析本设计基本的要求都达到了题目要求，在本系统中如果采用了高级的控制芯片，可以实现了更多种的控制功能，使得系统更加完善。其中需要考虑到作品的性价比，还有就是设计电路板时外观设计不足，应该进一步修改，使得看起来更加美观好看。除此之外，本设计系统中增加了创新部分的功能：（1）、利用了STC系列单片机与1602液晶屏实现了主菜单和多级子菜单功能的选择、还有参数设定、运行与实时检测监控等诸多功能，实现了对智能灯控制系统综合控制。（2）、本设计都是用一些便宜的硬件，然而硬件的功能主要是通过软件来实现的，元器件少，可靠性高，成本较低，性价比高，几乎所有功能都满足设计的要求。第五章 结论（一）、主要工作及结论本论文研究与设计基于单片机楼宇智能灯设计，采用了一些常见的电子元器件，利用了STC89C52单片机和外围接口来实现了照明灯的智能控制，利用了单片机定时/计数器来定时与中断原理，还有1302实时时钟，通过软、硬件结合起来，在液晶屏上显示时间以及工作菜单信息。真正的实现时间和光声双控的楼宇照明灯控制系统，达到了一个节能效果。 在设计中，虽然设计的思路并不是很复杂，但是具体操作起来设计的量还是挺大的。用软件Altium Designer 09完成对原理图的设计电路和绘制PCB图。然后对元器件的采购，面包板焊接与调试完成电路板。之后，在Keil4软件进行编程与调试，从而达到预定目标。本设计安装简单、成本低廉、性能稳定好，是一个创新实用的工程设计系统。（二）、遇到的问题 虽说在以前课程设计做过很多，但是实物设计还是不太懂的。关于元器件封装上的问题还不是很懂，在绘制PCB和原理图时，也没有完成考虑到元器件的工作原理和引脚尺寸问题。在没有发现问题时就开始制作PCB板，可能导致元器件因为引脚尺寸不合适而造成不好焊接，还有就是布局不合理的话会导致元器件无法插入引脚或者存在安全隐患等问题。在制板时，在制版比较有经验的同学帮助下，发现问题及时修改或者重新绘制。（三）、感想及收获经过半学期的时间，在老师指导和同学们帮助下完成了本次毕业设计所有工作。这次毕业设计使我得到很大的提高，让我能运用自己所学的知识来解决设计时带来种种问题，也促进我自己解决问题能力和动手能力的提高。通过本次设计时，我查阅了许多文献及资料，并认真阅读这些与设计有关的资料，从而提高专业知识及专业涵养。我觉得在离校时，完成整个设计工程让我的专业知识得到了巩固，给毕业时打好基础最好的回报。致谢毕业的日子慢慢尾声了，毕业设计随之接近。经过半学期的努力毕业设计也终于写下句号了。毕业设计它不仅仅是对于我们大学生所学专业知识的一种考查而已，还有就是对我们自身能力的一种提高。在这一次毕业设计中，让我明白了自己所学的知识是那么欠缺的，自己要学习的知识还太