教室智能照明系统的设计与实现
毕业设计（论文）说明书
题目：教室智能照明系统的设计与实现
系名信息工程系
专业电子信息工程
学号 6009202330
学生姓名高丹
指导教师赵贵海
2013年6月1 日
摘要
本研究针对教室灯光的控制现状及用电大量浪费的现象，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的设计思路。该系统以AT89C51单片机作为控制装置的智能部件，采用热释红外传感器检测人体的存在，采用光敏三极管构成的电路检测环境光的强度；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。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：教室灯光控制热释红外传感器光敏电阻 AT89C51
ABSTRACT
This study of intelligent control classroom lamplight, analyzes the current situation of the development of the classroom light of intelligent control principle and method, is proposed based on single-chip microcomputer intelligent control of the classroom lamplight design. This system to AT89C51 single chip computer as control device of intelligent parts, adopts heat release infrared sensor detects the release of human existence and adopts photoconductive resistance constitutes circuit testing environment light intensity. According to the classroom light conditions and the measured the signal of human body system and ambient light, the system can make reasonable and intelligent judgment and then controls the work of classroom lighting circuit .It is a effective way to avoid the classroom of waste electricity. Small volume, convenient control, high reliability, high specificity and price reasonable make this system satisfy the advantages of large, secondary technical schools classroom light control requirements and greatly reach energy-saving purpose.
Key words：heat release infrared sensor photoconductive dynatron AT89C51
目录
第一章绪论 (1)
1.1课题研究背景 (1)
1.2 国外发展趋势 (1)
1.3 国内技术现状 (2)
1.4课题研究的目的 (2)
1.5课题研究的内容 (2)
第二章系统总体设计 (3)
2.1 系统总体设计思想 (3)
第三章系统硬件设计 (6)
3.1 系统整体设计方案 (6)
3.2控制系统的主要硬件电路 (6)
3.2.1系统主控电路 (6)
3.2.2在线编程模块电路 (8)
3.2.3系统供电电路 (9)
3.2.4数据采集电路 (9)
3.2.5系统时钟电路 (15)
3.2.6系统看门狗电路 (17)
3.2.7继电器驱动接口电路 (19)
3.2.8超时报警电路 (20)
第四章系统软件设计 (22)
4.1系统监控主程序模块 (22)
4.1.1系统自检初始化 (23)
4.1.2定时中断处理 (23)
4.2多任务操作系统的构建 (24)
4.2数据采集模块程序设计 (25)
4.2.1传感器的优缺点 (25)
4.2.2数据采集软件的实现 (25)
4.3时钟模块 (26)
4.3.1数据的输入输出 (26)
4.3.2时钟内部寄存器的使用 (26)
4.3.3时钟自检初始化 (27)
4.3.4DS1302程序 (29)
4.4显示驱动模块 (30)
4.4.1系统自检ULN2803的运用 (30)
4.4.2显示程序 (31)
4.5系统键功能 (31)
第六章总结 (33)
参考文献 (33)
附录 (35)
第一章绪论
1.1课题研究背景
随着计算机网络、通信、控制等技术的发展,智能建筑的发展越来越迅猛。目前，国内大多数智能建筑存在效率低、能耗高的现象。就智能建筑的照明系统来说，许多地方的灯经常是从早到晚开着的，不管这些房间或楼道是否有人，也不管有多少人。或者，当自然光照度很好时，灯不能及时关闭；反之，当自然光照度难以满足人的需求时，又不能及时打开灯光。这种照明方式，不仅造成能源的浪费，而且不能满足人对照明的基本需求，同时也给人的视力造成了很大的影响。
各类大、中专院校不断扩招，教室不断扩建，教室的用电负荷不断加大，教室用电管理不善，造成学校电能浪费，经济损失，这种的浪费与当今的节约能源理念相违背。再者，现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，灯光的管理也在朝着自动化、智能化方向发展。的自动控制等等。所有这些使得教室灯光控制也应该朝着智能的方向发展。于是，开发简便、实用的教室灯光自动控制系统便具有重要的现实意义。
部分学校也意识到了教室照明中存在的巨大浪费，采取了各种各样的管理方式，企图来杜绝这种浪费。如:费用包干制、任课教师负责制、组织勤工俭学学生或聘用专职人员进行专门管理，拉闸限电等等。许多学校都采取过这些方法，但始终没能长久坚持下去，也就没有取得理想效果。其次，学生对教学楼教室的利用状况的未知往往造成有些教室人满为患，有些教室无人问津的状况。从而由于管理不当而影响教学资源分配等种种问题。
1.2 国外发展趋势
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60%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。
1.3 国内技术现状
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2519.7万元。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，通过增强透光性白天可节约照明能耗50%。
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。
1.4课题研究的目的
针对目前学校教学楼用电设备控制和教学管理不足的现状，以提高教室用电设备控制的自动化和教学管理的效率为目的，开发了一套功能较完善的基于总线的智能教室照明控制系统。本系统应用先进的电子技术、网络技术、自动控制技术以及实用的软件平台。
（1）基于AT89C52单片机的教室灯光智能设计；
（2）加强灯光控制智能化理念。
1.5课题研究的内容
本课题的研究内容主要有以下六点：
（1）灯光控制方案的研究；
（2）灯光检测方案的研究；
（3）教室内人数检测方案的研究；
（4）热释电红外传感器的信息处理；
（5）人体与光照环境信号采集与处理；
（6）开发单片机系统。
第二章系统总体设计
2.1 系统总体设计思想
该系统以AT89S51单片机[8]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。整体系统由人体传感器感应信号，再送入单片机进行处理，再由单片机控制控制教室灯光。同时将环境亮度检测、人工控制、报警控制等功能加入到系统中。
系统设计流程图如下：
图2-1 系统总体设计思路图
室内灯光控制系统可以根据作息时间、气候、人体等因素全天候自动模糊控制室内照明电器的开和关。做到光线暗时开灯，雨天阴天时开灯，无人时关灯，光线亮时关灯，晴天时关灯，休息时间关灯。在确保室内正常照明同时，可有效防止无人灯（无人时开灯）﹑无效灯（光线亮时开灯）、无限灯（休息时间开灯），从而达到节电目的。
根据上述要求，可以画出控制系统逻辑功能表，如表2-1所示。
表2-1 系统逻辑关系表
如果假设：室内光线强度为A：光线弱时A=1，光线强时A=0；
人体信号为B：有人时B=1，无人时B=0；
作息时间为C：上课时C=1，休息时C=0；
电灯开关状态为D：合时D=1，断开时D=0。
则表2-1可以转化为表2-2。
由上述的真值表可得出系统逻辑函数表达式为：D=A·B·C
第三章 系统硬件设计
3.1 系统整体设计方案
系统控制单元是以单片[]4
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、超时报警模块，其结构框图如图3-1所示：
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采用Atmel 公司的AT89C52作为主控芯片。 AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，它具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash 片内程序存储器，128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM ），32个外部双向输入/输出（I/O ）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片内时钟振荡器。 主要特性：
? 8031 CPU 与MCS-51 兼容
? 4K 字节可编程FLASH 存储器(寿命：1000写/擦循环) ? 全静态工作：0Hz--24KHz ? 三级程序存储器保密锁定 ? 128*8位内部RAM ? 32条可编程I/O 线
? 两个16位定时器/计数器
图3-1系统控制单元结构框图
? 6个中断源
? 可编程串行通道,
其管脚分布如图3.2所示。
图3.2 AT89S51引脚图
复位电路：
RST引脚对地电阻为40-220千欧姆，因此在RST引脚和电源VCC之间接一容量为10-22微法的电容后，即可构成最简单的RC复位电路。
AT89S52I/0端口与系统其它外围器件接口的分配情况表如表3-1所示。
表3-1外围器件接口的分配
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。
AT89C52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，用AT89C52芯片的P1.5，P1.6，P1.7引脚及RST端口，通过PC并口，根据工SP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DC3.6-6V，部分电脑即使不连接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。其供电原理图如3.2.3
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图3.2.3 供电原理图
在硬件时钟模块中，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的可充电铿电池作为备用电源。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
教室检测控制单元数据采集模块对教室内光照强度、教室的学生人数，教室内的灯状态，主要通过光照传感器、红外传感器来完成，各器件将检测到的非电量转化成各自对应的电量进而传送给单片机进行处理，单片机可实现对各传感器的定时采集并根据设定值进行比较处理。同时通过通讯接口将处理后的数据向上位机控制单元传送。也可通过该通讯接口，上位机单元发出的控制指令，现场控制单元实现相应的控制命令操作。
1.环境光采集电路
（1）光电检测器件选择
目前，在光电检测技术中常用的一些光电检测器件有光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管等，选择光照传感器可根据参考表3.3来进行比较选择。
3.3各种光谱器比较
光敏电阻和其它光电检测器件相比具有以下特点：
a)灵敏度高，光电导增益大于1。
b)工作电流大，可达数毫安。
c)所测光强范围宽度，既可检测强光也可检测弱光。
（2）光敏电阻的工作原理
光敏电阻的工作原理是：在其两极加上一定的电压后，当光照射在光电导体时，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动。在电路中产生电流，达到光电转换的目的。光敏电阻的工作原理如图3.8所示：
光照
图3.8光敏电阻的工作原理
光敏电阻随光照强度的增加起导电性能变好，既光敏电阻的电导率增加，流过其内的光电流增加，其本身的电阻值减小，随光照强度的增加起导电性能变差，既光敏电阻的电导率减小，流过其内的光电流增加，其本身的电阻值增加。
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，本系统采用了逻辑电平输出的HP-208型号的人体存在传感器。
（3）环境光采集电路原理
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Iceo有光照时，产生的Ib增大，成为光电流Ie。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 1-2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<1千欧，三极管Q12的基极电压升高，Q12管饱和导通，集电极输出低电平。当自然光强小于一定程度时，光敏三极管D6呈现高阻状态,100千欧，使三极管Q12截止，集电极输出高电平。其中可变电阻R26可调节，调R26阻值的大小，使Q12三极管受环境光影响在适当的亮度下导通。
图 3.2.4.1-2环境光采集电路原理图
利用光敏电阻对教室内光照强度进行探测，其工作方法是：
(l)教室无人时，不管照度如何，所有照明灯均熄灭。
(2)当教室有人时，分成三种情况：
a.若室内照度小于设定值时照明灯全部打开。
b.若室内照度介于设定值很小范围时，根据教室人数打开排照明灯。
c.若室内照度大于设定值，则所有照明灯均熄灭
2.红外数据采集与处理
使用红外传感器的作用是通过其内部接收端接收由障碍物反射或发射回来的红外光，来判断是否有障碍物(有障碍物时，检测电路输出高电平，否则，电路输出低电平)。这里使用两组红外传感器(分别安装在教室门内外两侧)用来计数当前教室内的学生人数。两组红外传感器依据接收有障碍物(人体)反射回来的红外光并根据对其接收的先后顺序来判断是否有进入/出去的人(进“+”，出“-”)，进而实现对教室学生人数的记数。
（1）传感器的工作原理
自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线，利用红外传感器可对其进行检测。根据工作原理，红外传感器分为热型和量子型两类，热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器。与量子型相比，响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可在常温下工作。量子型与热型的特点相反，而且要求冷却条件。本系统采用的是热释电红外传感器，人体存在传感器主要采用了红外传感器的原理，它是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、自动照明等场合，及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。其原因为:①被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；②大气对2-2.61Lm,3-51Lm, 8-141Lm三个被称为“大气窗口”的特定光通量的红外线吸收甚少，可非常容易被检测；③中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性如下:人体
μ左右的红外线，被都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10M
μ左右的红外线而进行工作的。人体发射动式红外探头就靠探测人体发射的10M
μ左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应的10M
源采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生由人体存在的信号。
左
1)这种探头是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为10M
右的红外辐射非常敏感。
2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。
3)人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。
4)一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被人体存在传感器的热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而输出有人体存在的信号。
5)菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距(感应距离)，从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。
人体传感器透镜的信号采集敏感区示意图如图4. 2. 2-1
图4. 2. 2-1信号采集敏感区示意图
有人进入时，移动人体发出的红外线被红外传感器接收，则人体存在被感应，并输出高电平。若人体进入最不敏感移动方向时，则人体传感器所体现的信号就会不理想，有时还会产生误动作，所以要特别注意人体传感器的安装方向。
(2)传感器检测原理
a: 热释电效应：当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。图3.10表示了热释电效应形成的原理。
b: 热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；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，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。
c :为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。
d: 菲涅耳透镜（图3.11）把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器(PIR) 灵敏度大大增加。
(3) 人体红外传感器电路
人体红外传感器用于检测人体发出的特定波长的红外线，进行非接触式距离较远的检测，其内部结构与外形如3.12图所示
+U
输出
地
图3.12 红外传感器实物图与原理图
传感器外部有一白色半球形菲涅尔透镜，能有效聚集人体发出的红外线，提高传感器的灵敏度。其工作电压为3~15V。当人体进入传感器感测区域时，传感器接收到频率为0.1~8Hz的人体红外信号，2脚即输出微弱的交流信号，经放大后可由CPU进行处理。
信号处理电路如3.13图所示：