照明智能控制系统.docx
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照明智能控制系统
时间:
周一晚上
组号:
11
创新性实验报告
题目
基于AVR单片机的寝室照明智能节能控制系统
学院
电子信息学院
专业
电子信息工程
班级
08041814
学号
080412130804122308041225
学生姓名
韩泽鋆钱勇楠童祺骅
指导教师
刘公致
完成日期
2010年11月
摘要
该系统以爱特梅尔公司的8位单片机ATMEGA16L为核心,以光敏、红外、无线通信等相应外围模块为主要电路,构成了一个照明智能控制系统。
该系统主要包括主控单片机模块、从控单片机模块、光照测量模块、红外热释电模块和无线通信模块。
光线的测量由光敏电阻分压后由单片机内部的10位A/D直接采样实现。
人体接近的测量主要由热释电红外传感器完成。
传感器接收到运动的人体信号,再由BISS0001芯片处理后输出稳定的高低电平,直接输入到单片机。
无线通信模块由TX-3型发射头和NT-R03C型超再生接收模块组成。
最终由单片机判别外部信号来实现对照明的智能控制。
关键词:
单片机;照明;控制;光照;人体;
1引言
随着社会经济和人民生活水平的不断发展,导致了全世界范围内的能源短缺,这已经成为人类所面临的最为严峻的问题之一。
随着高校招生规模的不断扩大,越来越多的人享受到了平民化的高等教育,而由此导致的学校改扩建造成了用电需求的持续攀升。
目前在国内的高等院校中,由于同学们的节能意识普遍较薄弱,在光线足够强的时候也开着灯,离开寝室却没有关灯的现象普遍存在,因此寝室正在成为学校电能浪费的重点区域。
基于以上种种原因,如何提高寝室的用电效率就成为急需思考并解决的问题,而寝室照明的智能控制系统设计无疑就是其中的一项重要课题。
我们设计的基于AVR单片机的寝室照明节能系统实质上是一种节约能源,符合可持续发展的举措。
目前,国内外都在大力推广照明节能装置,更新发光设备或者在现有的照明系统上加装节电控制设备。
其中照明控制节能装置所占的比例最大。
例如利用电磁转换技术的“电抗式节电设备”,由于其技术成熟,在发达国家以及我国的香港和台湾地区早已得到广泛应用。
近几年,在我国一些沿海东部城市的市政建设中,这种节能设备也得到了越来越多的应用。
这些智能照明控制装置一般采用微处理器控制系统,进行实时数据采集及比较,通过计算并根据用户的实际需求得到最佳的输出效果。
但这些产品功能单一且成本昂贵,不适宜在学生寝室进行大规模的应用。
由于室内照明节能存在巨大的发展空间,因此许多的国内的节能产品也应运而生。
但是现有的节能控制设备主要存在以下几个不足:
检测精度低。
这容易造成灯具的频繁开闭,导致灯具寿命降低。
成本高,价格昂贵。
有些控制器虽然有很高的精度,但却有着不菲的售价,难以达到收回成本的目的。
控制模糊。
不能实现对不同的区域同时控制。
综上所述,就目前的情况而言,照明智能控制系统的产品市场鱼目混杂,难以达到性能和价格的统一。
用于寝室的照明智能控制系统在国内更是极为罕见。
2系统总体设计
本系统的整体框图如图1所示。
它包括主控和从控单片机模块、光照测量模块、红外热释电模块和无线通信模块
图1系统框图
3硬件电路设计
3.1主控单片机模块
该模块的电路如图2所示:
图2主控单片机电路
主控单片机模块使用了ATMEGA16L芯片,使用外部8M晶振,使用LM1117-5V供电,使用ISP烧录接口。
PA0(analogin)为光敏测量值输入口,经过单片机内部AD转换,从PD4(TXD)口输出相应PWM信号。
当光照强度小于预设光照临界值时,PD4口输出频率为1KHz、占空比为50%的PWM信号,否则,输出频率为100Hz、占空比为50%的PWM信号
3.2从控单片机模块
该模块电路如图3所示
图3从控单片机电路
从控单片机模块采用了ATMEGA8芯片,配备外部8M晶振,采用LM1117-5V供电。
PC1(analog2)为人体热释电传感器信号输入口,P2为人体热释电传感器接口。
PD4(RXD)口为无线接收器的数据输入口,在单片机内部进行计数测量,从而得到主控单片机上传来的光敏信号。
PC2(ledtest)为LED照明测试口,当满足光照较暗且前方探测到人体存在的情况下,PC2口置低电平,LED发光管处于发光状态,否则LED发光管熄灭。
3.3光照测量模块
该模块电路如图4所示
图4光照测量模块电路
光照测量模块采用光敏电阻和普通电阻串联分压的方式获取当前环境下的光照强度。
光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。
光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。
无光照时,光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流(暗电流)很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值(亮电阻)急剧减少,电路中电流迅速增大。
一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。
经过搜寻,硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域,,因此,我们采用它作为光照测量的探头。
经过我们的实际测量,实际光敏电阻的暗电阻值一般在几十千欧级,亮电阻在几千欧以下,因此,串联电阻我们选择了11千欧,这样分压后得到的电压值能够比较好的反应当前环境的光照情况。
3.4红外热释电模块
该模块电路如5所示
图5红外热释电模块电路
该模块由一个热释电红外双元探头、BISS0001芯片及相关的配套电路构成。
自然界温度高于绝对零度的物体,所发出的红外辐射光,照射到铁电体敏感材料上,引起敏感材料温度的变化。
热释电效应同压电效应类似,是指由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象。
热释电传感器是对温度敏感的传感器。
它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成,在元件两个表面做成电极,在传感器监测范围内温度有ΔT的变化时,热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ,即在两电极之间产生一微弱的电压ΔV。
由于它的输出阻抗极高,在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。
热释电效应所产生的电荷ΔQ会被空气中的离子所结合而消失,即当环境温度稳定不变时,ΔT=0,则传感器无输出。
热释电输出信号的大小取决于铁电体材料温度变化的快慢,从而反映入射的红外辐射光的强弱。
当人体进入检测区,因人体温度与环境温度有差别,产生ΔT,则有ΔT输出;若人体进入检测区后不动,则温度没有变化,传感器也没有输出了。
所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感。
经测量得到,传感器不加光学透镜(也称菲涅尔透镜),其检测距离小于2m,而加上光学透镜后,其检测距离可大于7m。
模块接口1脚为电源正极,DC5V,2脚为信号输出,高电平有效,3脚为电源负极。
W1为灵敏度调整,顺时针调节W1,可以增加检测灵敏度增加感应距离;逆时针调节,降低感应距离。
W2为输出延时调整,顺时针调节W2,延长工作时间;逆时针调节,缩短工作时间。
若要求更长或更短的工作时间,调整W2也不能满足,将W2更换成更大容量的电容或者更小容量的电容。
3.5无线通信模块
该模块电路如图6所示
图6无线通信模块电路
本模块的发射部分采用GDKJTX-3发射头,工作频率为315MHz,采用ASK调制方式,TTL电平。
调制速率小于3KHz。
接收部分采用NT-R03C型超再生接收模块,采用OOK/ASK调制方式,频率范围为250MHz~450MHz,带宽为2MHz,输出信号为TTL电平透明传输。
4软件设计
软件总体设计
主控单片机部分从控单片机部分
流程图说明:
主控单片机部分:
程序不断地读取PA0口的值,通过AD转换和预先设定的光照强度值作比较,若大于,则在PD4口输出频率为100Hz、占空比为50%的PWM波,否则,就在PD4口输出频率为1KHz、占空比为50%的PWM波。
通过TX-3无线发射模块发送给从控单片机。
从控单片机部分:
无线接收模块NT-R03C收到从主控单片机中传来的数据,送入T0口进行脉冲计数,每经过40ms时进入中断,先读取PC1
口来判定是否有人,若无人,则PC2
口输出高电平,LED灯灭,计数器T0清零,
退出中断程序;若有人,则继续读取计数器中的值,来判定环境中的光照情况,如环境光较强,则PC2口输出高电平,LED灯灭,计数器T0清零,退出中断程序;若光照较弱,则PC2口输出低电平,LED灯亮,计数器T0清零,退出中断程序,等待下一个中断。
5制作与调试
5.1硬件电路的布线与焊接
主控单片机电路板从控单片机电路板
5.2调试及误差分析
经过严谨的调试,系统可以按照既定要求稳定工作,但还存在以下不足:
1.人体热释电传感器信号不稳定。
因为其本质是被动式红外传感器,依靠人体的发射的红外辐射触发,从而易被外界因素干扰,如强光、热源及诸多不可预料的情况。
2.由于制作时间的限制,系统没有设定延时触发,一有人体靠近传感器即被触发,如用于实际生活中,会被旁边走过的人所误触发,导致能源的浪费。
3.此电路制版后由于设计方案略有变更,部分电路没有使用,而又增添了一些器件,这些器件的电路没有经过特别设计,只从原有电路中进行了更改,部分器件只能用杜邦线连接,对其传输的信号有干扰,特别是高频的信号。
6结论及建议
本实验研究并制作了一套基于Atmega16L的照明智能控制系统,实现了对照明设备的节能控制。
本项目用相对较简单的结构实现更多的功能以降低成本,通过反复试验和改进,最终达到可靠性、实用性、高效性、推广性较好的目标。
通过这次创新性实验,让我们增强了创新能力、动手能力和独立思考的能力。
在完成作品的途中,我们也遇到了许多坎坷和不顺利,有些模块一直工作在不正常的状态,我们但是我们并没有遇难而退,反而越战越勇,最终实现了既定的目标。
这一切,无论是成功、失败抑或是挫折,都将会是我们在学习电子的旅途中所收获的宝贵的财富。
参考文献
[1]周兴华,手把手教你学AVR单片机C语言程序设计[M].北京:
北京航空航天大学出版社.20093:
138-140.
[2]戴杰.基于单片机的节能调光控制器[J].电脑知识与技术,2008,35:
2258-2259,2267.
[3]王秀锦,马剑.智能化照明[J].照明工程学报,2003,14
(2):
52-55.
附录
附录1:
实物照片
附录2:
原理图
附录3:
源程序
1.Atmega16L源程序
#include
#include
voiddelay_ms(unsignedinti)
{
unsignedinta,b;
for(a=1;a
{for(b=1;b<=250;b++)
{;}
}
}
unsignedintget_ad(void)
{
unsignedinti;
DDRA&=~BIT(PA0);
ADMUX=0x40;
ADCSRA=0x80;
ADCSRA|=BIT(ADSC);
while(!
(ADCSRA&(1< i=ADCL; i+=256*ADCH; ADCSRA&=~(1< ADCSRA&=~(1< returni; } voidpwm(unsignedinta) { DDRD|=0X30; TCCR1A=0X50; TCCR1B=0X09; OCR1A=504000/a-1; } voidmain() { unsignedchari; unsignedintvalue; DDRC|=BIT(PC0); PORTC=0x00; while (1) { value=get_ad(); if(value>=512) pwm(100); else pwm(1000); delay_ms(1000); } } 2.Atmega8源程序 #include #pragmainterrupt_handlertimer1: 9 //unsignedcharp; voidtimer0_init(void) { TCCR0=0x07; TCNT0=0x00; } voidtimer1_init(void) { TCNT1=0x5535;//记数初值 TCCR1A=0x00; TCCR1B=0x01; TIMSK|=(1< SREG=0X80;//开中断; } voidtimer1() { unsignedinti; unsignedcharj; j=PINC; j/=2; if(j%2==1) //if(p=1) { i=TCNT0; if(i>22) {PORTC&=~(1< else {PORTC|=1< } else PORTC|=1< TCNT0=0X00; } voidmain() { DDRC|=1< DDRC&=~(1< DDRD&=~(1< PORTC|=1< timer0_init(); timer1_init(); while (1); }
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