毕业论文-基于51单片机的智能LED照明灯的设计

1、PAGE 27 基于51单片机的智能LED照明灯的设计 目 录 TOC o 1-3 h z u 摘要4Abstract5绪论61 概述8 HYPERLINK l _Toc14824 1.1 课题研究背景8 HYPERLINK l _Toc20407 1.2 课题研究的目的与意义7 HYPERLINK l _Toc19111 1.2.1 良好的节能效果和延长灯具寿命7 HYPERLINK l _Toc684 1.2.2 改善工作环境，提高工作效率7 HYPERLINK l _Toc1618 1.2.3 提高管理水平8 HYPERLINK l _Toc17842 1.2.4 较好的投资收益效果8

2、1 HYPERLINK l _Toc324590577 .3器件的介绍8 HYPERLINK l _Toc324590579 1.3.1 MCS51单片机简介8 HYPERLINK l _Toc324590580 1.3.2 光敏电阻简介10 HYPERLINK l _Toc324590581 1.3.3热释电红外传感器简介11 HYPERLINK l _Toc324590582 1.3.4 PWM简介11 1.3.5 ULN2803芯片间介12 1.3.6 BISSOOO1芯片简介12 HYPERLINK l _Toc324590578 2系统的设计思路14 2.1 设计的目的14 2.2

3、系统硬件总述14 HYPERLINK l _Toc324590585 3 系统的硬件设计与实现 HYPERLINK l _Toc324590586 3.1 主控系统设计15 3.2 LED驱动电路16 3.3 手动控制电路 17 3.4 人体信号采集电路17 3.5 光照检测电路184 系统统软件设计与实现 4.1系统软件流程图18 4.2主要程序195设计成果分析 HYPERLINK l _Toc324590598 结论22 HYPERLINK l _Toc324590599 参考文献23 HYPERLINK l _Toc324590602 致 谢24 摘 要 随着人们对能源的消耗越来越大，

4、环境污染越来越严重，节能减排成为了每个国家关注的事。室内照明在能源消耗中所占的比例越来越多，因此设计一种节能的室内照明灯显得格外重要。LED作为一种新型照明光源，具有工作电压低，亮度强，耗电量小，发光效率高、寿命长等优点，正逐渐在各国的室内照明中普及。本研究是针对人们对于室内照明人性化的渴望和节能的需求，而提出的基于51单片机的智能LED灯设计思路，并研究开发了智能LED灯控制的硬件设备和相关的软件。本设计通过STC89C51单片机结合LED照明技术、人体感应技术、光感技术、等技术来实现对照明设备的智能控制。通过光照检测电路对照明设备周边亮度进行检测，通过人体感应模块检测BIS0001芯片是否

5、采集到了人体信号，判断有无人员的存在。若检测到环境亮度不够且有人员存在，则将信号传输给单片机，单片机利用PWM调光技术对LED的亮度进行自动调节，同时设置手动调节控制功能。 关键词： 节能；传感器；单片机；BIS0001；光照检测；自动控制Abstract As the consumption of energy is more and more big, the environmental pollution is more and more serious. so each country pay close attention to energy saving and emission

6、reduction. Indoor lighting in the proportion of energy consumption is increasing, so design a kind of of energy-saving indoor lighting is very important. LED as a new type of lighting source, has low working voltage, strong brightness, small power consumption, high luminous efficiency, long life and

7、 other advantages, is gradually spread in the national indoor lighting. This design combined STC89C51， LED lighting technology, infrared sensing technology, light sensor technology, the delay technique and processing technology to realize the intelligent control of lighting equipment. Microcomputer

8、controls lighting equipment open or closed, by the relay ,through the light detection circuit for lighting equipment testing, if surrounding brightness is not enough then microcomputer detect the BIS0001 chip whether collected to human pyroelectric sensing signals, according to whether have pyroelec

9、tric sensing signals microcontroller redirected immediately control lighting equipment open or closed.At the same time set the manual regulation control function. Keywords:energy conservation;microcontroller;sensor;BIS0001;automatic control; 绪论随着社会的不断发展和能源的紧缺，人们对生活的质量要求越来越高，照明灯的使用也越来越广泛，例如：家庭照明，生产照明

10、，景观照明。人们不仅需要足够的照明亮度，同时要求它应该创建一个舒适的视觉环境，减少光污染。在欧洲一些国家，智能照明系统已成为建筑的一个组成部分，且得到日益广泛的应用。目前国内很多的路灯的路灯采用智能控制，根据环境的亮度控制它的开关和自动调节亮度，但这并不适合室内。室内的一些智能开关，虽然能感应到人的存在，根据环境亮度调节LED灯的亮度，但亮度值基本恒定，不能满足人们对不同活动下不同的亮度需求。针对现在的灯光控制存在的一些不足，本论文研究的智能LED灯满足人们的各种需求。 单片机的出现至今虽然发展历史还很短，但微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机的应用已

11、经广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且也深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，并掀起了一场数字化技术革命。本文介绍的是基于单片机STC89C51的室内灯光控制系统的研究和开发。该系统是基于单片机控制器作为该系统的核心,由光照检测电路，人体信息感应电路和LED驱动电路，主控制电路组成。工作时，光照检测电路和热释电红外传感器分别采集光强和感应人的有无，送至单片机。单片机通过PWM波控制LED灯的亮度。同时设定手动控制，实现节约能源的目的。1 概述1.1 课题研究背景 LED灯作为一种绿色光源具有节能环保的特点。韩国已计划在2030年前，将所有的家庭照明、路灯用LED灯来替换。

12、很多发达国家LED灯已经普及。LED灯在中国的起步比较晚，但这几年在国家政策的鼓舞、支持下，在广阔的市场前景吸引下，LED灯在国内的发展迅猛，平均每年以30%以上的速度增长，深圳以其独特的地理优势和产业集中优势已成为全球的LED灯生产和研发中心。随着行业的激烈竞争，LED的技术不断改进，价格也不断降低，LED照明将逐渐在国内普及。目前灯光控制系统主要采用传统的手动控制，在一些城市的公共场所有的采用了声光控制，其缺点是在没有人时环境周围的各种声音也能使灯打开，造成电能的严重浪费；有的采用人体感应和光的亮度来控制LED灯，其缺点是灯的亮度单一，不能满足人们对灯光亮度的不同需求。 因此要做到合理、经

13、济、节能、环保，首先应采用先进成熟的技术和产品，如电光源、灯具、照明控制系统。7因此，要满足不同个人和工作种类的不同对灯光亮度的不同需要，又要满足人们对节能、灯泡的使用寿命的要求。设计一种结合自动调节与手动调节的智能化照明控制系统具有广阔现实意义和应用前景。1.2 课题研究的目的与意义1.2.1 良好的节能效果和延长灯具寿命 目前，照明控制系统的设计大多数是以节约电能为目的。大多数公共场所的大楼都市采用晚上开灯，白天关灯的模式。不能根据人流量、环境亮度来自动调节亮度，造成了大量资源浪费。本设计采用的智能控制可以根据人员的有无自动控制开关，环境的亮度自动调节亮度，即节省了电的消耗，又延长了灯的使

14、用寿命。1.2.2 改善工作环境，提高工作效率 工作效率的高低受到光照强度等环境因素的影响。合理地选用光源、灯具及性能优越的照明控制系统，都能提高照明质量。1智能照明控制系统具有开关和调光两种控制方法，可以有效地控制各种照明场所的平均照度值，从而提高照度均匀性。1同时，系统能根据不同的时间段，人们的不同需要，自动调节照度。 1.2.3 降低突发事件和提高管理水平 GT基于智能照明控制系统以自动控制为主，手动控制系统为辅。在正常情况下，没有人的参与，照明系统自动开关和调光功能，这大大降低了管理人员的数量 ，同时手动控制也排除了传感器件的损坏，影响正常的教学，生活和工作秩序。1.2.4 节省开支

15、智能照明控制系统和节能灯在使用的同时，有效地节约了电力成本和管理费用。基于在一般的办公室运作的经验，超过35的能源节约效果，一般商酒店，地铁站可以达到2035的节能效果1.3 器件的介绍1.3.1、MCS51单片机本设计选用的单片机型号为STC89C51。8它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。8在单片机芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统供高灵活、提超有效的解决方案。8芯片的引脚如图所示：图1 STC89C5芯片引脚图 80C51的基本特性如下：面向控制的8位CPU；128字节的片内RA

16、M；21个特殊功能寄存器；32线并行I/O接口（P0、P1、P2、P3）；2个16位定时/计数器（T0、T1）；一个全双工串口；5个中断源、2个中断优先级的中断机构；4KB片内ROM；一个片内时钟振荡器和时钟电路；片内可扩展64KB ROM 和64KB RAM;表1 STC89C51RC引脚功能描述名称名称及功能ALE地址锁存使能P0.0-0.7P0口P1.0-1.7P1口T2（P1.0）：定时/计数器2的外部记数输入/时钟输出T2EX（P1.1）：定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制P2.0-2.7P2口P3.0-3.7P3口RXD(P3.0)：串行输入口TXD(P3.1)：串行输出口INT

17、0(P3.2)：外部中断0INT1(P3.3)：外部中断T0(P3.4)：定时器0外部输入T1(P3.5)：定时器1外部输入WR(P3.6)：外部数据存储器写信号RD(P3.7)：外部数据存储器读信号PSEN程序存储选通RST复位端VCC电源：提供掉电，空闲，正常工作电压。GND接地EA/Vpp外部寻址使能/编程电压XTAL1晶体1：反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入XTAL2晶体2：反相振荡放大器输出STC89C51RC单片机还具有以下几个特点：（1）增强型6时钟/机器周期CPU；（2）3.4V-5.5V宽工作电压，工作频率范围0-40MHz，实际工作频率可达48MHz；（3）工作温度

18、范围075；（4）8KB用户应用程序空间以及512B片内RAM，无需扩展存储器；（5）内置看门狗电路，无需外加看门狗电路；（6）内置3个16位定时器/计数器；其中定时器0可作为2个8位定时器使用；（7）具有4个外部中断源；（8）下降沿或低电平触发中断，掉电模式可由外部中断低电平触发中断模式唤醒；（9）PDIP-40封装。1.3.2 光敏电阻 光敏HYPERLINK /view/3571.htm电阻器是利用HYPERLINK /view/19928.htm半导体的HYPERLINK /view/715172.htm光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的HYPERLINK /view/6

19、09381.htm电阻器，又称为HYPERLINK /view/568465.htm光电导探测器,光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和HYPERLINK /view/1361492.htm光电转换；它具有光谱响应范围宽、灵敏度高、工作电流大，体积小，质量轻等特点。2 光敏电阻的光照特性。光敏电阻的光照特性用于描述光电流和光照强度之间的关系，绝大多数光敏电阻光照特性曲线是非线性的，不同的光敏电阻的光照特性是不同的，一般光敏电阻的电阻随光照强度的增加而减小。21.3.3热释电红外传感器 红外辐射是一种人眼不可见的光线，俗称红外线，因为它是介于可见光中红色光和微波之间的光线,红外线的波长范围大致在

20、0.76-1000 m之间，对应的频率大致在4104 至31011Hz之间。2红外辐射本质上是一种热辐射,任何物体，只要它的温度高于绝对零度( -273 )，就会向外部空间以红外线的方式辐射能量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。2 物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。2 另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热能,自然界中存在的各种物体可以发出不同波长的红外线，利用红外传感器可对其进行检测。2热释电探测器的构造是把敏感元件切成薄片，在研磨成5-50m 的极薄片后，把元件的两个表面做成电极，类似于电容器的构造。为了保证晶体对红外线的吸收，有时也用

21、黑化以的晶体或在透明电极表面涂上黑色膜。2当红外光照射到已经极化了的铁电薄片上时，引起薄片温度的升高，使其极化强度(单位面积上的电荷) 降低，表面的电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫热释电型传感器。2释放的电荷可以用放大器转变成输出电压。如果红外光继续照射，使铁电薄片的温度升高到新的平衡值，表面电荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷，也就不再有输出信号。2这区别于其他光电类或热敏类探测器，这些探测器在受辐射后都将经过一定的响应时间到达另一个稳定状态，这时输出信号最大。而热释电探测器则与此相反，在稳定状态下，输出信号下降到零，只有在薄片温度的升降过程中才有输出信号。2热释电型传感器常用于根

22、据人体红外感应实现自动电灯开关、自动水龙头开关、自动门开关等领域。21.3.4 PWM PWM是单片机里固有的一个功能，其方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口，在不改变PWM方波的周期，通过编程的方法调整单片机的PWM控制寄存器。6从而调整PWM的占空比，从而控制电流来调节亮度。1.3.5 ULN2803芯片ULN2803芯片，1至8脚为8路输入，18到11脚为8路输出。驱动能力500MA50V.应用时9脚接地，要是驱动感性负载，10脚接负载电源V+.输入的电平信号为0，或5V。输入0时，输出林顿管截止。输入为5V电平时，输出达林顿饱和。输出负载加在电源V+和输出口上，当输入为高电平时

23、，输出负载工作。 图2 ULN2803管脚封装图 1.3.6 BISOOO1芯片BIS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。5它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、蜂鸣器、自动门、烘干机和自动洗手池等装置。 图3 BISOOO1芯片管脚图 表2 BIS0001管脚功能说明图表2 BIS0001管脚功能说明图引脚名称I/O功能说明1AI可重复触发和不可重复触发选择端。当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发2VOO控制信

24、号输出端。由VS的上跳变沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态。3RR1-输出延迟时间Tx的调节端4RC1-输出延迟时间Tx的调节端5RC2-触发封锁时间Ti的调节端6RR2-触发封锁时间Ti的调节端7VSS-工作电源负端8VRFI参考电压及复位输入端。通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位9VCI触发禁止端。当VcVR时允许触发(VR0.2VDD)10IB-运算放大器偏置电流设置端11VDD-工作电源正端122OUTO第二级运算放大器的输出端132IN-I第二级运算放大器的反相输入端141IN+I第一级运算放大器的

25、同相输入端151IN-I第一级运算放大器的反相输入端161OUTO第一级运算放大器的输出端二 系统设计思路2.1 设计的目的本设计对于现在社会上的灯具弊端，旨在达到更加节能、合理的目的，根据外界环境的光照强度的变化以及感应人员的有无，传感器接收到信号并转换成电信号传给单片机，再由单片机接收并处理信号，进而驱动电路开关，控制电路运行来调节灯的亮度。其功能是：（1）有光时，不管有无声响，灯都不不亮；（2）无光时且感应到人的存在. i自动调光: 控制器就会先判断环境的亮度，不同的环境亮度，光敏电阻的 电压值也会不同，将LED灯的亮度分为50%，75%，100%的不同层次的亮度，这样可节省电能，提高用

26、电效率 ii手动调光:手动控制可以分为四档,对应KEY1-4,分别使LED发出25%, 50%， 75%, 100%的亮度.2.2 系统硬件总述系统以单片微型计算机为主控电路，外加多种接口电路组成，包括光照检查电路、人体信号采集电路、手动调光电路、LED驱动电路一起实现其功能。单片机 光照检测电路单片机 光照检测电路LED驱动电路人体信号采集电路LED驱动电路人体信号采集电路手动调光电路手动调光电路 图 4 系统硬件总框图三：硬件电路设计与实现3.1主控系统设计本系统采用了STC公司生产的MCS-51系列单片机中的STC89C51芯片。STC89C51是一款八位，片内含有Flash程序存储器、

27、SRAM、UART、SPI、AD、PWM等模块，其硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。这种芯片构成的最小系统简单、实用可靠。该器件的基本功能与普通的51单片机完全兼容。主控系统的外部接口电路由光照检测电路、人体信号采集电路、手动调光电路、LED驱动电路四部分组成。以实现当天黑且感应到人的存在时，控制LED灯打开。根据光敏电阻检测到的环境亮度，来调节PWM波的输出，进而调节LED灯的亮度。同时可以根据人们在不同场合对亮度的要求不同，可以人为的调节LED灯的亮度。按key4改为人工调节LED灯亮度，调节亮度为25%；按key3调节LED灯亮度为100%；按key2调节LED灯亮度为75%；k

28、ey1调节LED灯亮度为50%。电路原理图如图5所示：、 图 5 硬件电路设计3.2 LED驱动电路 电流的大小影响LED的亮度，所以可以通过调节电流调节LED灯的亮度。利用公式可知，利用调整PWM不同的占空比就可以控制电流的大小。ULN2803芯片提供驱动LED的电流，如下图6所示： 图 6 LED驱动电路 3.3 手动控制电路 通过key4的变化来改变系统的控制方式，不按下KEY4，整个系统为自动控制；若只按下key4系统改为手动控制且调节LED灯的亮度为25%，手动控制分为4档，可以根据人们的不同需求来调节，按下key3调节LED灯的亮度为100%；按下key2调节LED灯的亮度为75%

29、；key1调节LED灯的亮度为50%。 图 7 手动控制电路图 3.4 人体信号采集电路 自然界中的物体都会发出不同频率的红外线，根据此原理热释电红外传感器能检测出人体辐射的红外线。当检测到人体的红外线时，传感器的电压会改变，从而将人员的有无，转变为电信号。但此时的电信号十分微弱，且很不稳定，不能直接传输到单片机进行控制，因此传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路，使得传感器输出信号的不规则波形转变成适合于单片机处理的数字信号，所以选择BISOOO1芯片，将传感器的信号进行处理、放大，传输给单片机。信号处理电路热释电红外传感器人体检查信号处理电路热释电红外传感器人体检查电路如图8所示

30、图 83.5 光照检测电路 如图9所示，当入射光找到半导体上时，若光电导体为本征半导体，且光辐射能量又足够强，则电子受光子的激发由价带越过禁带跃迁到导带，在价带中就留有空穴，在外加电压下，导带中的电子和价带中的空穴同时参与导电，即载流子数增加，电阻率下降。2由光的照射，使半导体的电阻变化，因此测量光敏电阻两端电压变化，可以知道周围环境光的亮度的变化。 光敏电阻器一般用于光亮度的测量、光电转换。因此，不断采集光敏电阻两端的电压便可以获知环境中光强的变化。光敏电阻将检测到的电压输入模数转换电路。ADC0809芯片将其转换后通过P11输出，从而让单片机再进一步处理。 图 9 光照检测电路四 系统统软

31、件设计与实现 4.1系统软件流程图 对光照检测部分电路和人体感应部分电路收集到的信息传送给单片机，单片机再根据程序指令对这些信息进行处理。当系统没有检测到人时不工作。当系统检测到人时，判断key4是否按下，一：若没有按下则为自动调光模式，继续检测光照检测系统检测的光的强度，根据检测到的光的强度，自动调节LED灯的亮度为0%，50%，75%,100%。二：若key4按下则系统为手动调光模式，再分别判断key3、key2、key1有没有按下，若key31都没有按则LED灯亮度为25%，若key3按下则亮度为100%；3若key2按下则亮度为75%；若key1按下则亮度为50%。3流程框图如下所示：

32、 图10 流程框图4.2主要程序按键扫描不断扫描按键判断是手动控制和自动控制。程序代码：void keyscan() ad(); if(key1=1) /key4松开，a恒为0 ,通过读c的值确定b的值 if(c=0.5 & c=2.8 & c4)L = 7.5;else L = 10; if(key1=0) /key4按下， 手动控制 if(key2=0) delayms(10); /去抖if(key2=0) L=10; else if(key3=0) delayms(10);if(key3=0) L=7; else if(key4=0) delayms(10);if(key4=0) L=5

33、; else L = 2.5; AD转换定时器1产生CLK信号，定时时间为2us,亦即CLK周期为0.4us。地址为100， 即IN4口输入。利用公式getdata*1.0/255*VREV+对数字量进行变化。程序代码如下：void ad()ST=0;/关闭转换OE=0;/关闭输出ST=1;/开启转换ST=0;/关闭转换while(EOC=0);/判断是否转换结束:是则执行以下语句,否则等待OE=1;/开启数据输出允许getdata=P0;/将数据取走,存放在变量getdata中OE=0;/关闭输出c=getdata*1.0/255*4.85;/电压值转换,5V作为参考电压,分成256PWM调

34、节定时器0控制PWM周期和占空比。程序代码如下：void int1(void) interrupt 3TH1=(65536-500)/256;TL1=(65536-500)%256;count+;if(countCIRCLE) count=1; if(count=last)pwm=0; /占空比,使用反相器应为1else pwm=1;五 实验现象及分析1、 有光时，不管有无声响，灯都不不亮； 无光时且感应到人的存在. i自动调光: 控制器就会先判断环境的亮度，不同的环境亮度，光敏电阻的 l样可节省电能，提高用电效率 ii手动调光:手动控制可以分为四档,对应KEY1-4,分别使LED发出25%,

35、 50%，75%, 100%的亮度.2、人体红外感应不稳定。有时感应不到人或者感应到人但信号不稳定。可能没有使用菲涅尔透镜，菲涅尔透镜可以将人体释放的红外线聚焦在传感器上，使信号根稳定。 结论 本课题是针对于室内智能照明进行研究。以环境中的光照强度和是否感应到人的存在为输入参数，对室内灯光开关进行控制，减少人们的工作量同时可以及时的再没有人存在的时候关闭灯光。同时可以根据环境亮度情况，自动调节LED灯的亮度，更有效的降低灯光的资源费用。 最后还可以根据人们在不同的时间段、对不同的活动需要不同的亮度，手动的调节灯的亮度，满足人们个性化需求。本课题的智能LED灯设计，对于居民家庭照明的管理具有重要的意义，即可以满足人们的不同需求，也可以节约电量。同时适用于各类办公室、教室、研究机构的灯光控制，具有广泛的实用意义。 本论文设计首先介绍了设计中所用到的器件和芯片，然后介绍整体的设计思路，设计各个模块的电路，最后焊接硬件，实物测试。 该智能LED灯的设计是以STC89C51单片机为控制核心，LED驱动电路，光照检查电路，人体感应电路，手动控制电路组成。系统设计了智能化控制的同时，还设置了手动控制，这样在系统智能控制偶尔出现故障