1、基于单片机的高校节能灯光控制系统学士学位论文基于单片机的高校节能灯光控制系统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，并在此基础上设计智能控制系统的硬件装置以及相应软件。 该系统主要以AT89C52单片机作为控制装置的智能部件，采用热释红外人体传感器检测人体的存在，采用光敏三极管构成的电路检测外部环境光的强度；根据教室合理开灯的条件，系统通过对人体的存在信号和环境光信号的识别和智能判断，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。系统还具有多种报警功能；同时课题
2、还采用了软、硬件的“看门狗”技术等抗干扰措施。单片机软件采用汇编语言编制，采用模块化结构设计、条理清晰、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目的。关键词：人体、红外线、传感器、自动控制、热释电1.引言1.1本课题研究的意义 随着社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平也不断提高，导致用电负荷的加剧，又由于世界性的能源危机以及能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。而此问题对我国来说尤为严重随着各类大学、中专院校的扩招，教室的扩建教室照明的需求也越来越多，而教室照明的管理不到位，往往
3、造成电能的巨大浪费，这样提高教室用电效率就成为首要考虑的问题。 日前，随着经济的飞速发展，能源短缺问题日益突出，成为一个国家经济发展的“瓶颈”。作为工业生产和人民生活不可或缺的电力能源更是如此。尤其现今越来越提倡低碳生活，节约能源已经成为一种全球共识，而作为培养社会精英的高校更应该起到榜样的作用。但是目前国内各大高校中，同学们的自觉节能意识薄弱，在教室光线足够亮时也开灯，离开教室后灯还亮着的现象普遍存在；而且教室极多，管理人员也管不过来，同时造成我国电量不必要的浪费以及经济损失。据中国行业研究（2013.12.8）的报道，我国照明用电约占全国用电量的13%左右，而对照明时间长，照明场所多的学校
4、而言，照明电量远远超过这个数字指标。在校园内，教室灯火通明，却空无一人的现象屡见不鲜，这不仅造成了严重的资源浪费，也对高校的形象造成了很坏的影响。本文所研究的教室灯光控制系统就可以很好地实现节约能源的作用。本课题设计的控制器可有效的实现教室灯光的智能控制。其输入参数主要是人体存在信号和环境光强度信号等外界因素。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，实验证明这种方案可以实现对教室灯进行智能控制。 1.2国内外教室灯光控制器研究的现状及存在的问题 世界各地发电的主要原料是煤炭、石油和天然气，而丹麦在能源利用方面的成功经验提供了很好的借鉴。从1974年以来，尽管丹
5、麦国民收入增长了50%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。这样，他们的能源使用总效率达到了90%。丹麦政府很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。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。还有，欧司朗一斯维尼亚公司不断的推出新型高输出的荧光灯，节约6%的总系统功率，并具有更高的光通量和平均光通量。飞利浦照明公司推出的陶瓷金卤灯代替过去的卤钨灯，可节能6
6、0%的电能。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日益突出。虽然我国能源总储量不低，但由于我国人口众多，所以人均储量少，单位产值的能耗是发达国家的3- 10倍。能源问题已成为制约我国国民经济发展的关键问题。从环境和自然资源角度出发，能源问题也是我国长期可持续发展战略中一个关键因素。此外，能源问题不仅关系经济发展和环境生态，在特定情况下还会对社会稳定有很大影响。鉴于能源问题的重要性，我国在绿色照明工程新闻发布，绿色照明工程未来五年间将在公用设施、宾馆、商厦、居民住所等全国建筑物中推广1. 5亿只节能灯，节电290亿度电。上海、河北等一些地方
7、采取政府对节能灯大宗采购每只补贴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上升到目前的1:1.5目前，我国照明用电约占社会总用电量的12%，采用高效照明产品代替传统的低效照明产品可节电60%到80%。如今，北京正在大力推行绿色照明工程，己推出上百万只绿色照明光源和部分节能电器，据测算年节约用电可达3442万千瓦时，节约电费251、 9.7万元。政府己经在商厦、学校医院等更换了24万只节能灯具。在奥运工程的建设上，也大量运用节能技术，北京的奥运厂馆“水立方”，通过采用大量的节能灯具，装备新技术，通
8、过增强透光性白天可节约照明能耗50%,我们党在2000年10月11日党第十五届中央委员会第五次会议通过的中共中央关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划的建议中明确指出:“加强基础设施建设是今后五年至十年一项十分重要的任务。”其中提到的基础设施建设就包括了能源建设。建议还强调了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. 06万度电崖话，我省就会浪费近7900万度的电。导致电能的极大浪费。再者，每所院校不断扩招，教室不断的扩建，若再没有改进教室的用电管理设备，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，提高教室用电效率就成为学校节能的重要且主要的措施
9、之一，因此节能技术的重要手段之一就是教室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)了解教室照明光强的标准； (2)调研教室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)研究传感器教室分布、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)研究与现有教室照明相兼容，易替代，不易被偷盗、被仿制
10、，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 研究的教室灯光控制系统能用于现有教室照明系统的改造，实现对照明系统的性化智能管理，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教室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)传感器与教室灯配合安装的问题； (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.教室灯光控制器简介及控制方案的分
11、析2.1教室灯光控制器简介 教室灯光控制器可实现有效的教室灯光智能控制。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教室灯进行智能控制可以实现上述目标。 教室灯光控制器一般安装在教室内避开电灯直射的位置，且人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
12、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，改用遥控器或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。 本文所研究的教室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教室照明智能控制。3.系统控制模块的硬件设计
13、 考虑到本系统所安装的环境影响因素比较多，且教室控制设备中的人体存在传感器、光敏三极管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、数码管驱动显示模块、环境光模块、EEPROM存储模块、人体存在传感器模块、遥控器模块、遥控器接收模块及超时报警模块，其结构框图如图3-1所示。图3-1系统控制单元结构框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
14、采用Atmel公司的AT89S52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。AT89S52I/0端口与系统其它外围器件接口的分配情况表如表3-2所示。表3-1外围器件接口的分配89552引脚外围器件引脚说明P0.0-P0.7ULN2803数码管段码驱动接
15、口P2.0-P2.7NPN-9012基极数码管位控驱动接口P1.0X5045SIX5045串行输入端Pl.1X5045SCKX5045串行时钟端P1.2X5045CSX5045片选端P1.3X5045S0X5045串行输出端P1.4系统工作灯显示端口P1.5DS1302CLKDS1302时钟线P1.6DS1302I0DS1302数据线P1.7DS1302RSTDS1302复位线P1.5-P1.7工SP在线编程端P3.0一P3.1数据采集输入端P3.2遥控器接收信号端P3.3人体存在传感器输出信号端P3.4超时报警信号输入端P3.5一P3.6灯光驱动输入端P3.7光敏三极管输入信号端单片机最小系
16、统如图3-2所示：图3-2 单片机最小系统(1) 40（Vcc）、20（GND）脚间的电压应有5V 。(2) 18、19脚分别与20脚间有1.72.5V电压 (3) 9（RST）脚与GND间电压基本为0 。(4) 31脚 （EA）与20引脚（GND）间电压为5V 。3. 2. 2在线编程模块电路 以往单片机的实验往往依赖于仿真机和单片机学习系统，价格昂贵，近年来，随着FLASH型单片机的广泛应用，采用软件模拟结合写片验证成为一种经济实用的实验方法，尤其是随着单片机技术的发展，很多单片机都具有了ISP功能，不再需要仿真机，将单片机的易用性推向一个新的高度。AT89C52芯片就是这样的芯片。 AT
17、89C52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，使用AT89C52芯片的P1.5，P1.6，P1.7引脚及RST端口，通过PC并口，根据ISP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DC3.66V，部分
18、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9V的变压器。系统接通220V交流电源后，将220V交流电变压到9V，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
19、电原理图如图3.2.3图3.2.3 供电原理图 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的可充电锂电池作为备用电源。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 教室中的环境光和人体存在与否是系统的主要输入参数，因此教室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三极管，根据需求，选用灵敏度较高的光敏三极管。此外，人体传感器要求灵敏度高，可靠性强，本系
20、统采用了逻辑电平输出的HP-208型号的人体存在传感器。3.2.4.1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。采用的光敏三极管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。在无光照时三极管的穿透电流很小，为暗电流。有光照时，产生的增大，成为光电流。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。因此光敏三极管灵敏度高，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-
21、2所示。当自然光强大于一定程度时，光敏三极管D6呈现底阻状态2. 5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/0为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK始终是输入端。 硬件时钟芯片DS1302与微处理器进行数据交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高位MSB (D7)必须为逻辑1，如果D7=0，则禁止写DS1302，即写保护：D6=0，指定时钟数据，D6=1，指定RAM数据；D5D1指定输入或输出的特定寄存器;最低位LSB (DO)为逻辑0，指定写操作(输入)，DO=1，指定读操作(输出)。 在DS1302的时钟日历或RAM进行数据传送时，DS1302必须首先发送命令字节。若进行单字节传送，8位命令字节传送结束之后，在下2个SCLK周期的上升沿输入数据字节，或在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。 DS1302与RAM相关的寄存器分为两类:一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为COHFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作;再一类为突发方式下的RAM寄存器，在此方式下可一次性读、写所有的RAM的31个字节。要特别说明的是备用电源，可以用电池或者超级电容器(0.1F以上)
