教室节能照明智能控制系统硬件设计毕业论文

西安工业大学北方信息工程学院本科毕业设计(论文)

题目：教室节能照明智能控制系统

硬件设计

毕业设计（论文）任务书

系 别 专业 班 姓名 学号

1.毕业设计（论文）题目： 教室节能照明智能控制系统硬件设计

2.题目背景和意义：按照国标规定，教室照明的功率密度约为10W/m 2，假设教室的平均面

积为100m 2，则照明负荷约为1kW 。如果每天正常使用时间为15小时，那么，每天每间教

室的用电量为1kW ×15h ＝15kWh ，学生年在校为270天，则每间教室年用电量约为

4050kWh 。针对目前高校教室照明用电严重浪费的问题，通过红外传感器检测教室是否有人，

检测教室内光线照度是否合格，并依靠单片机来智能控制照明灯的亮灭，从而达到有效节约

用电、降低学校的经费开支的目的。该项目具有重要的实用价值和意义。

3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）： 红外传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。本课题要求学生利用传感

器、单片机、可见光探测器件、继电器、开关等器件设计一款教室照明节能系统的硬件电路，利用热释红外探测器来检测教室的光线亮度和是否有学生。若有学生而且室内光线照度不

够，则系统自动打开灯；若教室里无学生或光线照度符合要求，则节电装置自动关闭供电电源。 通过采用热释红外探测技术、可见光探测技术与单片机技术实现了教室照明的智能控

制，在一定程度上节省了大量的人力物力，与传统的声音控制照明相比有很大的优势，不需

要人类发出声音，正好与教室安静的环境相符合。该课题的主要任务是：（1）了解并查阅红

外传感器的资料并选择合适的传感器；（2）选取所需元件，搭建系统的硬件电路；（3）利用

Protel 软件制作系统的硬件电路原理图；（4）实现教室的节能照明自动控制功能、自动节电。 技术指标：（1）滤光晶片的波长为7 - 10μm ；（2）不同颜色的LED 灯实现实时指示

作用。

4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：

` 2012.11.26--2012.12.28： 查阅资料，充分理解课题，开题答辩；

2012.12.28—2013.3.15： 进行具体设计，搭建系统，撰写中期报告，中期检查； 2013.3.15—203.4.7： 进行系统调试，分析结果，完成整个设计；

2013.4.7-2013.4.20：撰写毕业论文，进行论文内容、格式审查；

2013.4.20-20135.12：论文定稿、成果验收，上交论文、答辩

5.毕业设计（论文）的工作量要求

① 实验（时数）*或实习（天数）：

②图纸（幅面和张数）*

：1张Protel电路原理图。

③其他要求：1篇3000字的外文翻译；

15篇参考文献，其中至少1篇外文参考文献；

1篇不少于1.5万字的毕业论文。

指导教师签名：年月日

学生签名：年月日

系主任审批：年月日说明：1本表一式二份，一份由学生装订入册，一份教师自留。

2 带*项可根据学科特点选填。

教室节能照明智能控制系统硬件设计

摘要

日常生活中电能浪费现象比较严重，教室照明浪费现象尤为严重。由于使用学生不固定以及学生的节能意识的淡薄，白天教室照度很高的情况下，仍然普遍存在开灯作业；即使教室无人的情况下，也是全部开启教室照明。长明灯比比皆是，人走不熄灯的现象到处存在给社会造成了巨大的浪费。

本文通过热释型红外传感技术，利用人体的红外信号和光照强度作为检测目标。当人进入其探测区域内，红外传感器将人体红外信号传递给信号处理系统，从而实施对控制电路的驱动与否，实现对控制对象的具体控制，最终由单片机对房间内是否有人和光线的综合实时控制。在有人的情况下光照强度达到设定值则灯不亮，光照强度低于设定值则灯亮。根据实际情况自动控制灯的开关，这样就会杜绝严重的浪费现象，并且具有明显的经济价值。

关键词：单片机；教室照明节能；热释红外传感器；光敏电阻

The Hardware Design of Classroom Energy-efficient

Lighting Intelligent Control System

Abstract

In daily life, electric energy waste phenomenon is serious waste phenomenon is serious, the classroom lighting. As energy-saving awareness using the student is not fixed and students' lack of classroom illumination, the day is very high, still exists on the job; even the classroom no circumstances, are all open classroom lighting. Pilot lamp meet the eye everywhere, people do not walk out phenomenon exists everywhere caused great waste to society.

The pyroelectric infrared sensor technology, light intensity as targets by the human body infrared signal and light. When people enter the detection area, infrared sensor transmits the human body infrared signals to the signal processing system, thus the implementation of the drive control circuit or not, realize the control of a controlled object, integrated real-time control is ultimately the room if someone and light. In the case of light intensity reaches the set value does not light, the light intensity is lower than the setting value of light. Automatic control switch lights according to the actual situation, this will put an end to waste phenomenon is serious, and has obvious economic value.

Keywords:single chip microcomputer; classroom lighting energy saving;

pyroelectric infrared sensor; photosensitive resistance

目录

1 绪论 (1)

1.1本课题研究的目的和意义 (1)

1.2国内外研究现状 (2)

1.3本课题研究的主要内容 (2)

2 系统方案论证 (4)

2.1节能照明实现方式方案论证 (4)

2.1.1系统最基本的实现方案 (4)

2.1.2 教室照度可调方案 (5)

2.1.3系统设定调光电路工作的方案 (6)

2.1.4方案的比较与选择 (7)

2.2可见光检测电路方案论证 (8)

2.2.1光敏电阻检测方案 (8)

2.2.2光敏二极管检测方案 (9)

2.2.3方案的比较与选择 (9)

3 系统硬件核心器件介绍 (10)

3.1 AT89C51单片机器件简介 (10)

3.2人体红外检测器件简介 (13)

3.2.1热释电红外传感器 (13)

3.2.2菲涅耳透镜 (15)

3.2.3热释电传感器信号处理芯片 (18)

3.3可见光检测器件简介 (22)

3.3.1光敏电阻 (23)

3.3.2电压比较器 (24)

4 系统电路设计 (26)

4.1单片机系统电路设计 (26)

4.1.1复位电路设计 (26)

4.1.2时钟电路设计 (26)

4.2人体红外检测电路设计 (27)

4.3可见光检测电路设计 (29)

4.4按键电路设计 (31)

4.5 LED照明电路设计 (31)

4.6执行模块电路设计 (32)

5系统焊接调试运行及问题分析 (34)

5.1PCB板焊接 (34)

5.2单片机系统调试方法及步骤 (36)

5.3主要问题分析 (36)

6 结论 (38)

参考文献 (39)

致谢 (40)

毕业设计（论文）知识产权声明 (41)

毕业设计（论文）独创性声明 (42)

附录1系统protel电路原理图 (43)

附录2系统主程序 (44)

附录3照明基础知识 (47)

1 绪论

1 绪论

1.1本课题研究的目的和意义

加强高校节电管理，特别是照明节电不仅可以有效地节约用电、降低学校的经费开支，更重要的是通过学校的示范表率作用，提高学生乃至全社会的节电意。

按照国标的规定，教室照明的功率密度约为10W/m2，假设教室的平均面积为100m2，则照明负荷约为1kW。如果每天正常使用时间为15小时，那么，一天每间教室的用电量为1kW×15h＝15kWh，学生年在校为270天，则年用电量约为4050kWh.如果学校按照100m2折合教室数量为200间，则照明用电量为81万度左右。若节电率以平均30%计算，则一年可节电24.3万度，可节约电费15～20万元左右。而且目前国家提倡节约型社会，节约型校园。建设节约型的校园的当务之急该是节省不该用的能源，防止浪费。据报道，很多高校的自习室等场所用电浪费现象严重。大家都已经习惯让教室成为长明场所。专家们为此算了一笔账：教室无人后如果不关闭电源开关，初步估算全国各高校每年将因此浪费20亿度电以上。20亿度电意味着什么呢？如果按平均每度电0.7元计算就意味着会损失十几亿元。节约用电，本人们应该从身边做起。为此本人们在教室的用电上开动脑筋想办法，做试验，提建议，为节能校园的建设贡献一份力量

现代化家居照明系统要适应网络时代的发展，应引入智能化的概念。在传统的家居照明系统中，一般都是综合布线，使用刀开关来控制，灯具的寿命短，较费电。但近年来，随着经济的发展和科技的进步，人们对照明灯具节能和科学管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化领域的地位越来越重要。而在商品房的建设热潮中，各大楼盘和房地产商也意识到了智能照明的重要性。使用智能照明控制系统，更能体现其在节能与管理方面的优势。红外智能节电开关由于触发的时候不需要人发出任何声音，而是人走过时身体向外界散发红外热量最终控制灯具的开启，当人离开后，经过一定时间的延时，自动熄灭。因为不同于声光控灯，不需要声音和开关控制，从而避免了声控噪音的侵扰，同时因为它是感应人体热量控制开关，所以避免了无效电能的损耗，达到节能效果。

1.2国内外研究现状

目前国内外同领域大多都研究到智能自动控制在照明中的应用，以热释红外为基础来检测是否有人，靠单片机来实行自动控制，但是大多数只是停留在理论阶段，并未在实际生活中像声控那样广泛应用，而高校中用电量30%-40%都用在照明上，在这部分中浪费极为严重。因此，必须有一套节能设施，本作品正好可以解决出现的这些问题。现在的公共场所照明（比如公共走廊及楼梯间）应用最多的还是几年前出现的声光控延时灯具和开关。这种灯具和开关的出现，实现了人来灯亮，人走灯灭，目前已成为公共场所照明开关的主流产品。当然，这种产品在某种程度上说确实实现了节能的目的，但同时也给人们的生存环境造成了一定的破坏。由于产品本身性能的限制，这种声光控灯具和开关自动控制的实现需要（超过60分贝）声音的配合，这就给大众需要的安静环境造成一定的噪声污染。

1.3本课题研究的主要内容

作为一名即将毕业的学生，在校期间，对学校的教室以及图书馆的照明设计不太满意。本人认为有很多可以改进的地方。试举一下几种不太好的现象：一是在不需要开灯的情况下，灯长亮；

二是人走灯长明，以至于管理员很辛苦的一个教室挨一个教室的去关灯。

因为这些情况都造成了很多不必要的浪费。这样下来，无形中所浪费的电能是非常惊人的。据测算，这种现象的耗电占其单位所有耗电的40% 左右。因此，有必要在保证照明质量的前提下，实施照明节能措施。这不仅可以节约能源，而且会产生明显的经济效益。

当然说经过教导，相信肯定可以减少这些浪费能源的情况发生，但从技术上完全可以解决这个问题。廉价实用的单片机就是为此而生的。单片机是在一块芯片上集成了计算机各基本功能部件的计算机系统，包括CPU、ROM、RAM、I/O口、定时器与计数器以及中断系统等等。单片机在现代生活和工业生产中得到了广泛的应用。单片机应用所受到的主要限制不是技术问题，而是创造力和技巧上的问题。

针对生活中这种照明中电能浪费的现象设计一套使用单片机控制的智能照明系统。本设计的主要应用范围也是教室、图书馆和办公室等公共场所。

该系统应用了两种传感器，人体红外传感器和自然光线传感器，对现场的自然照明情况和人员情况，实现实时自动检测与控制的功能，从而实现节能降

耗的目的。具体功能如下：

第一，系统设计人体红外检测电路，有进入探测范围时输出信号。

第二，系统设计自然光检测电路，对照明现场的亮度进行自动检测。虽在工作时间，但现场的亮度如果能够满足设定要求时，系统同样关闭照明设备。

第三，设计按键电路，设定强制开灯和强制关灯按键。如有需要人为开灯或灭灯，可按相应键。比如在教室内，晚上要演示幻灯片，现实条件是室内有人，自然照度不满足工作要求，按照系统的自动控制程序，是不会灭灯的，但本人们确实需要灯灭，这时就可以按下强制关灯按键[8]。

设计该系统的理念是：第一，“以人为本，人使用灯”；第二，“节能环保”。

2 系统方案论证

2 系统方案论证

2.1节能照明实现方式方案论证

在设计最初需要一个整体的思路来确定设计的框架。首先根据设计任务来确定所需的功能模块；然后按照一定的作用顺序把各个功能模块连接起来。

本系统需要两个传感器来分别检测人体红外信号和自然光强信号，需要按键电路来强制灯的开关，还需要指示电路来指示系统的工作状态，等等[7]。

如图2.1，为该照明系统总体框图。

图2.1 系统总体框图

该照明系统总体框图，包括：系统核心AT89C51单片机，输入为两个传感器电路即人体红外检测电路和自然光检测电路，强制开关的按键电路。输出是LED指示电路以及继电器执行电路。最后由继电器电路来控制照明电路的通断，从而实现照明的自动控制。

这里的流程图是方案流程图，是提出来的思路流程图。可以提出好几种方案，来进行比较，评价，最终确定一种比较合理的方案，如下是本人提出的三种方案。

2.1.1系统最基本的实现方案

如图2.2是一种系统最基本的实现方案的流程图。

控制方案的流程图，流程经过初始化以后，先判断有无按键按下，如果有则执行相应按键处理程序。如果没有，继续判断红外检测电路有无探测到有人，无人时，灭灯并返回继续判断有无按键按下。如果探测到有人，就接着判断当前照度是否满足设定要求。若照度满足要求，继续返回灭灯程序；若不满足，就给继电器一个动作信号，使其动作，从而开启照明电路[9]。

图2.2系统最基本的实现方案流程图

在设计系统流程时，是先判断光照还是先检测是否有人是，本人遵循的原则是“以人为本，人使用灯”。如果没有人，开关灯就无意义，所以应先判断是否有人，而不是先判断光照情况。

本方案是智能照明系统的一种最简单的流程图，表现在什么地方呢，就是它只控制灯的亮与灭，没有调光功能。后面的方案将体现方案一的这点不足。

2.1.2 教室照度可调方案

如图2.3为照明系统调节照度方案的流程图。

图2.3教室照度可调方案流程图

如果设计的照明控制系统能够调节照度，那么照明效果和节能效果将会更好。

如图2.3具有两个照明调节等级的方案。按键判断与有没有人的判断与方案一相同，可见光照度判断与方案一不同，其工作方式为：设照度X2>X1>0,当环境照度E>X2时，不需要人工照明：当X1

2.1.3系统设定调光电路工作的方案

如图2.4为照明控制系统设定调光电路工作方案的流程图。

图2.4 调光电路流程图

此方案的特别之处也在于它的可见光检测电路和调光电路。它能够监测当前照度值E1，与设定值E0作比较，当E1

这种方案对于教室，图书馆等场所，这种需要一个恒定照度的场合是非常合适的，如果希望荧光灯能实现照度调节，需要配合数字整流器。

2.1.4方案的比较与选择

对于方案一流程经过初始化以后，先判断有无按键按下，如果有则执行相应按键处理程序。如果没有，继续判断红外检测电路有无探测到有人，无人时，灭灯并返回继续判断有无按键按下。如果探测到有人，就接着判断当前照度是否满足设定要求。若照度满足要求，继续返回灭灯程序；若不满足，就给继电器一个动作信号，使其动作，从而开启照明电路。

方案二按键判断与有没有人的判断与方案一相同，可见光照度判断与方案一不同，其工作方式为：设照度X2>X1>0,当环境照度E>X2时，不需要人工照明：当X1

第三种方案它够监测当前照度值E1，与设定值E0作比较，当E1

尽管方案一是最简单，最基本的方案，却也体现了智能照明的基本思路。方案二实现两种等级的控制，方案三实现一种连续的控制是比较难的。这次设计本人就以第一种方案来设计该照明系统。

2.2可见光检测电路方案论证

可见光检测电路中的感光器件有两种：一种为光敏电阻，另一种为光敏二极管。

2.2.1光敏电阻检测方案

如图2.5光敏电阻电路图，该方案的感光器件为光敏电阻R25，R19-为精密电阻。光敏电阻R25一端接+5V电源，另一端与R19电阻分压。

图2.5 光敏电阻电路图

该方案的感光器件为光敏电阻R25，R19为精密电阻。光敏电阻R25一端接+5V电源，另一端与R19的电阻分压。当有光照射时，光敏电阻阻值下降，三级管VT进入饱和状态，输出为低电平；当无光照时，三极管VT截止，输出为高电平。经电压比较器与反向器整形后直接与单片机I/O口连接。

2.2.2光敏二极管检测方案

如图2.6光电二极管电路图。

图2.6 光电二极管电路图

使用一个光敏二极管D2，电压比较器U3为电压比较器集成芯片LM339的一个单元，电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。

2.2.3方案的比较与选择

方案一使用一个光敏电阻作为光线传感器检测环境的光照度,光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。同时利用相反器和电压比较器作为放大倍数接近“无穷大”的运算放大器，利用可调电阻用来设定与所要设定照度值对应的比较电位。方案二使用一个光敏二极管D2作为光线传感器检测环境的光照度，方案一和方案二相比较，方案一在应用中更加灵敏，效果更好，因此在本次设计中选则方案一来实现可见光检测。

3 系统硬件核心器件介绍

3.1 AT89C51单片机器件简介

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4KB闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）和128B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域[1]。如图3.1为AT89C51外形图。

图3.1 AT89C51外形图

a. AT89C51主要性能参数：

与MCS-51产品指令系统完全兼容；4K字节可重擦写Flash闪速存储器1000写周期；全静态操作：0Hz～24MHz；128×8字节内部RAM；32个可编程I/O 口线；2个16位定时/计数器；6个中断源；可编程串行UART通道；低功率空闲和掉电模式。[6]

（1）AT89C51结构框图于引脚说明[10]。

图3.2 AT89C51结构框图

AT89C51结构框图如图3.2所示。

b. 引脚功能说明

Vcc：电源电压;

西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）

GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻[11]。

P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉倒高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（I IL）。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（I IL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOV A，@A+DPTR指令）时。P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX @Ri，A指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区总R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。

P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（I IL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号[2]。

表3.1 P3口第二功能

P3端口第二功能第二功能说明

P3.0 RXD 串行口输入端

P3.1 TXD 串行口输出端

————外部中断0输入端

P3.2 INT0

————外部中断1输入端

P3.3 INT1

P3.4 T0 定时器/计数器0外部信号输入端