智能节电照明系统设计与开发--毕业论文

1、毕业论文论文题目（中文）智能节电照明系统设计与开发论文题目 （夕卜文）design and development of intelligentenergy saving lighting system中文摘要随着科学技术的日新月异，人类牛活在朝着自动化和智能化方向发展。同时, 随着人们环保意识的逐渐增强，对绿色节能的呼声也越来越高。照明，作为人类 生活中不可或缺的一部分，人们在对传统照明控制系统愈发不满的同时，对新型 的智能节电照明控制系统的降临欢迎备至。木选题设计了一套基于stc12c4052ad单片机的智能节电照明控制系统， 通过热释电红外传感器模块hcsr501和光照检测传感器bh17

2、50fvi模块 gy30分别检测人体红外信号和光照强度。如果光照强度不足，且检测到有人体 信号，则单片机处理后会控制继电器来开关led灯。并且，单片机会根据周围 环境光照的强弱来调节pwm波，使得led灯亮度随之变化，以达到节能的目 的。关键词：智能节电；stc12c4052ad；传感器；leddesign and development of intelligent energy savinglighting systemabstractwith the ever-changing science and technology, human life in the direction of

3、automation and intelligent development. at the same time, with the people's awareness of environmental protection gradually increased, the voice of the green energy is also getting higher and higher. lighting, as an indispensable part of human life, people in the traditional lighting control sys

4、tem increasingly dissatisfied with the new intelligent power-saving lighting control system come forward welcome.this design has designed a set of intelligent energy saving lighting control system based on stc12c4052ad single chip microcomputer. the infrared signal and illumination intensity are det

5、ected by the pyroelectric infrared sensor module hc-sr501 and the light detection sensor by1750fvi module gy-30 respectively. if the light intensity is insufficient, and the detection of a human body signal, the microcontroller will control the relay to switch led lights. and, the microcontroller wi

6、ll be based on the ambient light intensity to adjust the pwm wave, making led lights brightness changes, in order to achieve the purpose of energy conservation.key words: intelligent power-saving； stc12c4052ad； sensor； led中文摘要iiabstractill第一章引言11.1选题背景11.2选题概念与意义113国内外市场发展现状21.4选题研究目的31.5选题研究创新点3第二章

7、系统设计方案12.1系统功能描述12.2总体设计方案12.3单片机的优势12.4 pwm 控制 led22.4.1 pwm 简介.22.4.2 pwm控制led灯亮暗的原理.2第三章系统硬件电路设计13.1 stc12c4052ad 单片机13.1.1 stc12c4052ad 特点13.1.2引脚图.23.2人体红外传感器（pir）模块hc-sr50133.2.1工作原理.33.2.2热释电效应.43.2.3菲涅耳透镜.43.2.4模块参数.43.2.5模块特性.43.2.6触发方式.53.2.7封锁时间可调.53.3数字光强度检测模块gy-3053.3.1模块简介.53.3.2引脚功能描述

8、.633.3模块工作参数.63.4 led 灯73.4.1 led 灯简介.73.4.2 led灯的优势.73.5系统硬件电路框图83.6系统硬件电路说明8第四章系统软件设计部分14.1软件设计概述14.2程序设讣流程图43系统逻辑表4.4廿发环境介绍错误!未定义书签。第五章总结与展望致谢参考文献错误!未定义书签。第一章引言1.1选题背景随着科学技术的飞速发展和社会经济的不断提升，人们的生活水平也不断得 到改善和提高。而对于21世纪的人们来说，生活中早已离不开“电”。所以，生 活水平的提高自然而然会带來用电量的剧增。然而，在口前化石能源消耗严重、 新型能源发展缓慢占比小的形式下，用电负荷问题口

9、益严重，尤其是对于我们这 种发展屮的人口大国。据统计，在我国总用电量屮，照明用电能够占比12%,但是，由于照明设备 管理不到位，通常会造成电能巨大的损耗浪费。所以，如何才能提高照明用电效 率，这是目前亟待解决的问题。目前，对于室外照明，国内外均已实现了一定程度上的智能控制，但对室内 照明的管理和控制，依然是传统的人工管理和手动开关，这样会经常出现没能及 时开关的现象，从而不仅造成能源上的浪费，还会有使用上的不便，缩短灯具的 使用寿命。随着计算机技术的普及和自动化程度的提高，照明管理系统也应朝着 智能化和自动化方向发展，这是大势所趋。所以，开发出一套既实用又方便的智 能节电照明系统具有重要而深远

10、的现实意义。相比于传统照明，智能照明拥有节能、舒适、安全、高效等优点，所以智能 照明在多个领域，女2家居、办公、商务及公共设施等都有着良好的发展境况。 当前，国内的智能照明市场发展并不成熟，主要的应用领域还集中在公共设施和 商务领域，如会展场馆、酒店、市政工程、道路交通领域等；此外，智能照明在 办公建筑和高端别墅项目领域中也有所应用。相信随着国内智能照明技术的发展 和推广力度的加大，智能照明产品有望得到大范圉普及。1.2选题概念与意义智能节电照明系统，是指利用计算机技术、传感器技术、通信技术等构建出 一个无线或有线的控制系统，它能够通过运行预先编写的程序，结合某一区域的 功用、每天的时间段或室

11、内外的光照强度来智能化控制灯光照明，以此达到节能 的目的。在当下时代，智能照明具有深远而重要的意义：(1) 节能：当前，我国正处于经济快速发展，社会不断建设的阶段中，节能 减排的任务耍求也随之越来越急迫。而智能照明系统能够通过种种不同的智能化 控制方式及控制元件，对不同环境因素进行精确检测与管理以实现对灯光照明的 合理化控制，达到节能减排的效果。(2) 改善照明质量：智能照明系统能够综合平衡各方面因素，控制各灯光发 岀相应光照强度，提高了光照均匀性。列外，频闪问题也能被智能照明系统很好 的解决。(3) 延长灯具寿命：查找资料可知，不管是稀有气体放电光源，还是热辐射 光源，它们之所以损坏的一个重

12、要原因是电网电压的波动。然而，智能照明系统 确是能有效防止此类问题，它能够通过限定电压和辘流滤波的方式抑制电网电压 的波动，从而预防不正常电压对灯具的损害。(4) 管理维护方便：智能照明控制系统对照明的控制以自动控制为主要手段, 手动控制是辅助。它采用模块化、集成化等方式，并且预置参数是以数字化形式 存储在eeprom中，修改简单快捷，再加之灯具寿命的提升，所以使得照明设备 的维护和管理变得更加地方便高效。1.3国内外市场发展现状在智能照明市场发展的初期阶段，尽管智能照明具备较为广阔的发展前景, 但是，由于当前市场环境的限制，并没有得到大面积的推广铺展，仍然是比较小 众的消费品。对于国内来说，

13、由于厂家和卖家并没有花大力气宣传，再加上人们基本缺乏 智能照明产品的消费意识，所以智能照明产品在国内的发展并非顺风顺水。与此 同时，智能照明产品费用高昂，对于基层民众来说显得较为奢侈，难以负担照明 的基本费用，因而使得智能照明市场更加难以实现快速发展。对于国外而言，他们仅是将智能照明当作是智能化技术的其中一部分，并没 有将其单独推广，这就使得国外的智能照明系统普及度同样不高。然而，随着物联网时代的到来，云计算、大数据等一系列先进技术的飞速发 展，人们对智能家居越发看重。智能照明系统作为智能家居系统不可或缺的一部 分，近几年逐渐有了开始高速发展的趋势，相信在不远的将来，智能照明技术将 得到进一步

14、的推广和应用，完全走进人们的日常生活中。1.4选题研究目的木选题旨在设计制作出一套小巧独立的智能照明系统，更确切的说，一个灯 具就是一套智能照明系统，只要给它上电就能工作。当周围光照强度足够时，即 使检测到有人灯光也不会点亮；只有自然光照强度不够，并h系统检测到人体信 号时，灯具才会点亮，并且灯光强度会根据周围自然光强弱相应调节，始终发散 出合适亮度的灯光，不至于使得灯光太刺眼。木系统的工作模式分别有自动控制 和手动控制两种。在正常情况下，系统运行在自动控制模式下，当遇到异常情况 时，工作人员可切换到手动模式，及时做出应对措施。木系统适用于大部分公共 场所，例如：学校、商场、店铺等，即使是家庭

15、，在某些情况下同样适用。1.5选题研究创新点(1) 独立性：一个灯具就是一套智能照明系统，只要通上电就能独立工作。 该系统小巧简单，便于携带运输，同样方便安装使用。(2) 模块化集成：该系统使用一些已经集成好的功能模块进行组装使用，这 样就使得系统简单直接，成本低廉，方便维修，可回收利用，绿色坏保。(3) 可拓展性：该系统可拓展性强，不仅是可进行二次开发利用，还可以添 加其他功能模块，如通信模块，使各独立系统可进行组网，方便管理维护。第二章系统设计方案2.1系统功能描述(1) 系统分为手动控制和白动控制两种模式，默认情况下是白动控制模式；(2) 当周圉坏境光照强度大于等于特定阈值时，即使检测到

16、有人体信号，led 灯也不会发亮；(3) 当周围光照强度低于特定阈值时，系统会检测是否有人体信号，若有， 则led灯亮；若没有，贝ijled灯不会亮；(4) 系统红外感应模块检测到人体信号后会自动顺延一段时间，在这段时间 内，如果人体一直在感应区域内活动，贝ijled灯常亮。2.2总体设计方案本选题总体设计分为硬件设计和软件设计两个部分。硬件电路系统以单片微型计算机为核心部件，外加两个传感模块，分别是人 体红外传感器模块hc-sr501和数字光强度检测模块gy-30o当传感模块检测到 有效信号时，会传递给stc12c4052ad,经过一系列运算后，stc12c4052ad芯 片会控制继电器来开

17、关led灯并输出pwm波来调节亮度。系统分为手动控制和自动控制两种模式，模式的选择将直接由管理员操作, 通过单片机优先级最高的外部中断int1连接。管理员将手动/自动控制开关置 成低电平时，系统将进入手动模式。软件设计部分采用keil c51进行编程设计。当hc-sr501输岀高电平给单片机 时，单片机会对gy30的端口进行扫描，若数字信号高于某一阈值，贝ijled灯不 会发亮；若低于阈值，则单片机会延时is后再次进行扫描，若还是低于阈值，则 单片机会输岀控制继电器打开led。2.3单片机的优势本选题选择单片机作为智能控制的核心，是因为以下几个原因：(1) 集成度高，可靠性强，同吋体积小巧。单

18、片机是一块集成度高的品体芯片，它将各个功能部件都集中到一起，自然 体积比较小巧。同时，单片机内部布线很短，它的抗工业噪音性能比一般的cpu 都要优越，而且，程序指令等都是i古i化在单片机的rom中，不容易被损坏，所 以单片机的可靠性很高。(2) 控制能力强。为了达到对其他机器的控制耍求，单片机的指令系统被设计得极为丰富，如: i/o口的逻辑操作、位处理、分支转移能力，这些功能都是专门适用于控制能力 的。(3) 电压和功耗都低，易于生产便携式产品。现如今，许多单片机的工作电压仅仅为3.5v5v之间，而工作电流仅为数百 微安。非常便于适用于便携式系统中。(4) 拓展性好。单片机外部具有可供拓展用的

19、引脚，很容易构成各种的计算机应用系统。(5) 性价比高。单片机不仅性能优越，而且因为各大公司的商业竞争使得单片机的价格十分 低廉，所以单片机的性能价格比极高。2.4 pwm 控制 led2.4.1 pwm 简介pwm,是“pulse width modulation"的缩写，全称是“脉冲宽度调制”, 简称是“脉宽调制”。pwm常被用于使用微处理器输出数字信号对模拟电路进 行控制，被广泛地应用在测量、功率控制、通信等很多领域中。pwm是一种模拟的控制方式，它通过相应载荷的变化，调制晶体管基极或 栅极的偏置，来开关稳压电源输出或者是晶体管导通时间的变化，这种方法能使 得电源的电压输岀在工

20、作状态未变吋保持稳定，所以这是一种利用微处理器中的 数字信号来对模拟电路控制的有效手段。2.4.2 pwm控制led灯亮暗的原理本选题控制led灯亮喑转换采用的是脉宽pwm法。它把脉冲宽度均相同的 脉冲列作pwm波，可以通过改变脉冲的周期或占空比来调频或调压，也可以采 用适当的方法使得频率或电压协调变化。所以，通过调整pwm的周期和占空比 可以控制电流大小，从而控制led灯的亮暗程度。本选题使用51单片机产生占空比变化的矩形波，通过i/o口与led灯相连， 由于输出的矩形波占空比不断改变，在一个周期内，有一部分时间导通，另一部 分时间截止，所以整体来看会有一个平均电压，又因为pwm波频率较高，

21、所以 从肉眼上无法分辨岀每个周期led灯亮灭的全过程。故，led灯的亮暗程度是由 平均电压决定的，随着波形占空比的变化，平均电压随之变化，led灯自然也随 之亮暗变换。第三章系统硬件电路设计3.1 stc12c4052ad 单片机3.1.1 stc12c4052ad 特点stc12c4052ad单片机是一款单时钟/机器周期(1t)的以8051为内核的兼 容性单片机，是低功耗/高速的新生代51单片机，有着全新的流水线/精简指令 集结构。stc12c4052ad单片机具有以下特点：(1) 精简指令集结构/增强型1t流水线8051内核；(2) 工作电压为3.4v5.5v；(3) 工作频率范围035m

22、hz,类似于普通51单片机的0420mhz；(4) flash程序存储器大小为4k字节；(5) 单片机上集成了256字节ram；(6) 通用i/o口 15个，有四种工作模式：准双向口 /弱上拉，推挽/强上拉, 仅为输入/高阻，开漏，复位后为：准双向口 /弱上拉模式；(7) 共有2个16位定时器/计数器；(8) pwm (2路)/pca (可编程计数器阵列)；(9) adc, 8路8位精度；(10) 内部集成rc振荡器，精度耍求不高时可省略外部晶体；(11) 看门狗；(12) 通用异步串行口(uart)；(13) eeprom 功能；(14) 工作温度范副-40°c85°c；

23、(15) 封装：pdip-20, sop-20 (宽体)；rst|1f120 |rxd/p3.02219|txd/p3.1|318xtal2hstc17xtal1516 |int0/p3.2612c4052ad15 |int1/p3.3714 1eci/t0/p3.48ptfipwm1/t1/p3.5912 |gnd3.1.2引脚图ii 30pfvcc 二5vvccp1.7/sclk/adc7p1.6/mis0/adc6p1.5/m0si/adc5gndp1.4/ss/adc4p1.3/adc3p1.2/adc2p1.1/adc1/clk0ut1p1.0/adc0./clkout0p3.7/p

24、wm0xtal212mhz» xtal1gnd3.2人体红外传感器(pir)模块hc-sr501图3.2 hc-sr501实物图3.2.1工作原理人体是恒温的，一般是37°c左右，被动式红外探头z所以能探测到人体信号, 正是因为人体会发岀波长为10屮n左右的红外线。人体发射出的这种特定波长的 红外线先经过菲涅尔滤光片增强信号后，再汇聚到红外感应源上。通常，红外感 应源会采用热释电元件充当，因为这种元件在采集到人体的红外温度辐射发生变 化时，电荷就会失衡，从而释放电荷给后续电路进行检测处理。3.2.2热释电效应如果使某些晶体表面的温度发生变化，随着温度的下降或上升，这些晶体表

25、 面上回出现电荷的变化，这种现象被称为热释电效应。323菲涅耳透镜根据菲涅耳原理制作而成，分为反射式和折射式两种。它有两个作用，其一： 聚焦作用，将热释红外信号折射或反射到pir±；其二：将检测区域分为若干个 暗区和明区，使得进入检测区域的物体在pir上以温度变化的模式产牛变化的热 释红外信号，如此pir就能产生电信号了。菲涅耳透镜能够使人体红外传感器灵 敏度增强。3.2.4模块参数表3-1 hc-sr501模块参数工作电压范圉dc 4. 820v工作电流范圉<20pa输出电平高3. 3v / 低0v触发方式l不可重复出发/ii可重复触发延时时间0.5200s (时间可调)封锁

26、时间2. 5s外形尺寸32mm*24mm感应范围<100°锥角，7米以内工作温度-15°c 70°c3.2.5模块特性(1) 这种探头的主耍目标是探测人体辐射，所以，它对波长为10pn左右的红 外线敏感度很高；(2) 通常，传感器的辐射照面盖有菲涅尔滤光片，这样可以明显使得环境的 干扰收到抑制，增强对人体红外辐射的敏感度；(3) 被动红外传感器通常含有两个互相并联或者串联的热释单元，而且它们 的电极化方向正好相反。由于环境背景辐射对两个热释电元的作用是相同的，这 就使得它们产生的热释电效应互相抵消，探测器无信号输出；(4) 当人体进入探测区域时，人体红外辐射

27、就会先通过菲涅尔滤光片聚焦， 然后被热释电单元接收。但由于两片热释电单元接收到的热量存在差异，产生的 电荷也不同，不能相互抵消，经信号处理后输出；(5) 菲涅尔滤光片具有不同的感应距离，能根据性能要求的不同产生不同的 监控视场。3.2.6触发方式l：不可重复触发方式，即延时时间一过，感应输出将自动从高电平变化为 低电平；h：可重复触发方式，即延时时间期间，如果检测到人体依然在其感应区域 内，输出将一直保持高电平，知道不在检测到人体信号后才会变为低电平(感应 模块检测到人体信号的每次活动后将会自动顺延一个时间段，并以最后一次活动 时间为延时时间的起点)；默认情况下，模块默认为h模式，两种模式可跳

28、线选择。3.2.7封锁时间可调封锁时间:感应模块在每次高电平转换为低电平时，可以设置一个封锁时间, 在此时间内，感应器不再接收任何信号。这个功用可以有效地抑制负载转换过程 中各种干扰的产生。模块默认封锁吋间是2.5s。图3. 3 hc-sr501可调电位器3.3数字光强度检测模块gy-303.3.1模块简介gy-30,数字光强度检测模块，采用的是rohm原装的bh1750fvi芯片二它 的供电电压范围是3到5伏之间，而它的光照强度范围是0到65535lx之间。由于 传感器内置了一个16bit的模数转换器，可以直接数字输出而不必进行麻烦且复杂 的计算。gy-30的分光特性接近于视觉灵敏度，故可以

29、对广泛的亮度进行高精度测定，精度可以达到1勒克斯。gy-30内部集成的通信协议模块包含通信电平转 换，可以让它与单片机i/o口直接进行通信。3.3.2引脚功能描述vccsclsda addr gnd图3.4 gy-30引脚图表3-2 gy-30引脚功能表序号引脚名称功能描述1vcc电源端2scliic总线时钟线3sdaiic总线数据线4addriic总线地址线5gnd接地端333模块工作参数表3-3 gy-30工作参数表名称描述工作电压3v 5v工作电流200 卩a接线类型iic工作温度40。（：85°c尺寸（长*宽*高）32.6mmx 15.2mmx 11.6mm3.4 led 灯

30、341 led灯简介led,英文全称是light emitting diode,中文名称是发光二极管，它是由一块 通电即可发光的半导体材料芯片，先用银胶或白胶固定在支架上，随后用银线或 金线来连接电路板和芯片，周围用环氧树脂密封，以此达到保护内部芯线的作用, 最后，装上外壳。3.4.2 led灯的优势led节能灯，作为21世纪新型的照明光源，因其显著的优点而受到普罗大众 的欢迎。其较为显著的几点优势如下：(1) 节能效果显著。正常情况下，白光led的能耗比白炽灯和节能灯都低。 与口炽灯相比，能耗仅为其十分z-；与节能灯相比，能耗仅为期四分z-o如 果使用大功率超高亮的led光源，再配合使用高效

31、率电源，那么相同功率下，led 灯的亮度是白炽灯的十倍，却比传统白炽灯节电80%以上。(2) 使用寿命长。led灯采用的是先进的封装技术一一共晶焊，这种技术可 靠度高，能充分保障led灯的超长寿命。据统计，led灯的寿命可以达到10万小 时以上，这种寿命长度对于普通家庭照明来说可谓是“一劳永逸” 了。(3) 绿色环保。led等不含有汞、铅等污染性元素，不会对坏境造成任何污 染。另外，led灯泡的组装部件是可拆卸的，并且比较容易，即使不用厂家回收 也口j以其他人回收利用。(4) 视觉效果好。led灯采用先进的配光技术，将led点光源转换为面光源， 这样增大了发光面，消除了眩光，使得视觉效果得到升

32、华，并且由于led灯采用 纯直流工作，所以并不会如传统光源一样因频闪而引起视觉疲劳。(5) 使用简单，存储方便。led灯采用固态封装技术，并且属于冷光源，所 以，它能够实现很好的安装和运输，可以在任何微型或封闭的设备中安装而不怕 振动。随着科学技术的飞速发展，led技术也取得口新月异的进步。一方面，它的 发光效率正在不断取得巨大的突破，另一方面，它的价格却是在逐步降低中。相 信不远的将来，led灯必将取代节能灯和白炽灯成为家庭照明的首选。3.5系统硬件电路框图图3. 5系统硬件电路框图3.6系统硬件电路说明(1) 由于stc12c4052ad单片机内部已经集成了复位电路，所以不需 要设计外部复位电路；(2) 由于stc12c4052ad单片机内部集成了时钟电路,虽然精度不是 很高，但在对精度要求不高的设计中，可以省去外部晶振电路；(3) 由于pir模块hc-sr501检测到人体信号时输出高电平3.3v,没有 检测到时则输出低电平0v,所以hc-sr501可以直接与单片机i/o口相连而不 需要设计其他连接电路；(4) 由于数字光强度检测模块gy30内置了一个16bit的模数转换器, 可以直接数字输出