设计名称:智能照明控制系统组别:第五组
组长:XX
组员:XX
基于单片机的智能照明控制系统设计
随着电子技术的飞速发展,基于单片机的控制系统已广泛应用于工业、农业、电力、电子、智能家居等行业,微型计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心,代替了传统的控制系统的常规电子线路。
本文介绍了基于单片机AT89C51的室内灯光控制系统及其原理,提出了有效的节能控制方法。该系统采用了当今较成熟的传感技术与计算机控制技术,利用多参数来实现对学校教室室内照明的控制。
系统设计包括硬件设计与软件设计两部分。工作时,光信号取样电路采集光照强弱、人体信号采集电路采集室内就是否有人、就是否为工作时间等信息并将信号送到单片机,单片机根据这些信息通过控制电路对照明设备进行开关操作,从而实现照明控制,以达到节能的目的。
目录
1 引言.......................................................................
1、1 研究背景..............................................................
1、2 智能照明控制系统的优点................................................
2 设计部分...................................................................
2、1设计要求..............................................................
2、2系统设计..............................................................
2、3逻辑控制..............................................................
2、4硬件设计..............................................................
2、4、1 系统硬件总述.....................................................
2、4、2 AT89C51单片机介绍...............................................
2、4、3 光照检测电路.....................................................
2、4、4 人体信号采集电路.................................................
2、4、5 比较电路.........................................................
2、4、6 延迟时间选择电路.................................................
2、4、7 输出控制电路.....................................................
3 系统软件设计及实现.........................................................
4 结论......................................................................
5 评价………………………………………………………………………………………………、、
6 组员分工…………………………………………………………………………………………、、
1 引言
1.1研究背景
如今普遍高校都就是开放型的管理模式,高校的教室在白天室内照度很高的情况下,仍然普遍存在开灯作业;即使就是很少的时候也就是整个教室的灯全亮着。甚至教室无人的时候灯仍然亮着。这些现象普遍存在于各大高校,浪费了电力资源。
目前通常使用的节电方式有实行手工控制,声控型,太阳能灯等。但就是它们都存在一定的弊端。手工控制方式操作不便,费时费力,而且需要人工控制。声控型则容易存在判断不准确,当不就是人为需要的时候,其它噪声也可能会让灯亮。太阳能设备投资比较大,且容易受光照强度的影响,不适合用在教室设施场所。因此市场上迫切需要一种操作方便、价格低廉、便于大面积推广的新型节能方案。
1、2 智能照明控制系统的优点
智能照明控制系统就是指用计算机技术并辅助以其它手段,对电力照明实行智能控制,提供合适照明光环境的同时降低照明系统电能消耗与其它使用费用。智能照明控制系统于手动照明控制系统相比有很多优点,包括创造环境气氛,改善工作环境、提高工作效率,良好的节能效果,延长光源寿命,管理维护方便等。
1、3智能照明控制系统的组成
智能照明控制系统主要由输入装置、处理器与执行器三个部分组成。
输入装置可以不断检测周围环境的光照度水平,可以探测到某个区域就是否有人移动,以及输入人们的控制指令,并把相应的信号传送给处理器。输入装置包括传感器、定时装置与控制面板或遥控器。
处理器接受输入装置的信号,经过信息处理、判断、分析,输出控制信号。
执行器与灯具直接连接,控制灯光回路的闭合或断开与调节灯光到相应的水平,包括手动开关。
2 设计部分
2、1 设计要求
控制器的主要目的就是对灯的开关状态进行控制。工作时根据时间,人工控制及光照等因素综合控制灯的开关状态。光照检测电路与红外线传感器采集光照强弱、室内就是否有人等信息送到单片机,单片机根据这些信息通过控制电路对照明设备进行开关操作,从而实现照明控制,以达到节能的目的。
系统设计主要包括硬件与软件两大部分,依据控制系统的工作原理与技术性能,将硬件与软件分开设计。
硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图,然后对硬件进行调试、测试,以达到设计要求。硬件电路就是采用结构化系统设计方法,该方法保证设计电路的标准化、模块化。硬件电路的设计最重要的选择用于控制的单片机,并确定与之配套的外围芯片,使所设计的系统既经济又高性能。硬件电路设计还包括输入输出接口设计,画出详细电路图,标出芯片的型号、器件参数值,根据电路图在仿真机上进行调试,发现设计不当及时修改,最终达到设计目的。
软件设计部分,首先在总体设计中完成系统总框图与各模块的功能设计,拟定详细的工作计划;然后进行具体设计,包括各模块的流程图,选择合适的编程语言与工具,进行代码设计等;最后就是对软件进行调试、测试,达到所需功能要求。本系统软件设计采用模块化系统设计方法,先编写各个功能模块子程序,然后进行组合与调整,经过调试后,达到设计功能要求。
2、2 系统设计
系统设计可分为硬件设计与软件设计两部分。根据我们需要实现的功能,合理选择元器件进行设计。
软件设计部分,应该结合硬件电路所要实现的功能进行设计。主要针对光电检测电路与热释电红外传感器输出信号进行处理。当光强的时候,系统对光照进行检测,产生信号并处理控制灯的开关状态,科学管理灯光的亮与灭,达到节约用电的目的。
2、3 逻辑控制
教室内灯光控制系统根据天气、时间、等因素自动控制教室内灯光。当教室或者其
它照明场所里面有人时,或者需要进行作业时,如果光线较暗则开灯,光线很亮时则关灯,没有人时,或者不需要进行作业时,则关灯。光线亮时则关灯,晴天时关灯,休息时间关灯。根据上述要求,可以画出控制系统逻辑功能表,如表1-1所示。室内灯光控制系统可以根据气候、人体等因素全天候自动控制室内照明电器的开与关。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。在确保室内正常照明同时,可有效防止无人时开灯﹑光线亮时开灯,从而达到节电目的。根据上述要求,可以画出如表2-1所示控制系统逻辑功能表。
关系如果假设:
室内光线强度为A:光线强时A=1,光线弱时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1-1可以转化为表1-2。
由真值表可得出系统逻辑函数表达式为:D=A·B·C
如下表所示
表1-1 系统逻辑
表1-2 逻辑系统真值表
2、4 硬件设计
2、4、1 系统硬件总述
系统以单片微型计算机AT89C51为核心外加多种接口电路组成,共有四个主要部分:光照检测电路、延时电路、热释电红外线传感器及处理电路、输出控制电路。如图2-1所示
外围接光照检测电路、热释电红外线传感及处理电路、输出控制电路。两个开关实现人工控制。
2、4、2 AT89C51单片机介绍
AT89C51就是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器,俗称单片机。AT89C2051就是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集与输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU与闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51就是一种高效微控制器,AT89C2051就是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示。
2、4、3 光照检测电路
光信号取样电路如图2-2所示,图中主要由光信号采集电路与A/D模数转换电路组成,其中模数转换就是电路的核心。信号经过采集送入A/D转换电路,通过单片机处理后,最终作为系统应用程序进行开关灯判断的依据。
A/D转换器的位数应根据信号的测量范围与精度来选择,使其有足够的数据长度,保证最大量化误差在设计要求的精度范围内。本系统中,信号的测量范围的电压:0、00—9、99V,精度0、01V。
在本次设计中选用了带串行控制的10位模数转换器TLC1549,它采用CMOS工艺,具有自动采样与保持,采用差分基准电压高阻抗输入,抗干扰性能好,可按比例量程校准转换范围,总不可调整误差达到(±)1LSB Max,芯片体积小等特点。同时它采用了Micro wire串行接口方式,故引脚少,接口方便灵活。与传统的并行方式接口A/D转换器(例ADC0809/0808)相比,其单片机的接口电路简单,占用I/O接口资源少。
G ND R ESE T W D O
图2-2 光信号取样电路
2、4、4 人体信号采集电路
1) 热释电效应原理简述
热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标,其工作原理就是利用热释电效应,即在钛酸钡一类晶体的上、下表面设置电极,在上表面覆以黑色膜,若有红外线间歇地照射,其表面温度上升△T,其晶体内部的原子排列将产生变化,引起自发极化电荷,在上下电极之间产生电压△U。常用的热释电红外线光敏元件的材料有陶瓷氧化物与压电晶体,如钛酸钡、钽酸锂、硫酸三甘肽及钛铅酸铅等。
实质上热释电传感器就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。在环境温度有ΔT的变化时,由于有热释电效应,在两个电极上会产生电荷△Q,即在两电极之间产生一微弱的电压△V。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△Q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,△T=0,则传感器无输出。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△T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。所以这种传感器也称为人体运动传感器。由实验证明,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,其检测距离可增加到10m左右。
2) 人体红外探头介绍
热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线,并将其转变为电压信号。热释电传感器具有成本低、不需要用红外线或电磁波等发射源、灵敏度高、可流动安装等特点。实际使用时,在热释电传感器前需安装菲涅尔透镜,这样可大大提高接收灵敏度,增加检测距离及范围。实验证明,热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜,则其检测距离仅为2m 左右;而配上菲涅尔透镜后,其检测距离可增加到10 m以上。
3) 热释电红外传感器介绍
热释电红外传感器主要就是由一种高热电系数的材料,如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件,并将两个探测元件以反极性串联,以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号,经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离,一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜,该透镜用透明塑料制成,将透镜的上、下两部分各分成若干等份,制成一种具有特殊光学系统的透镜,它与放大电路相配合,可将信号放大70分贝以上,这样就可以测出10~20m范围内人的行动。
菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理,在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”与“高灵敏区”,以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时,人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”,这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入,从而增强其能量幅度。
人体辐射的红外线中心波长为9~10 um,而探测元件的波长灵敏度在0、2~20 um 范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口,这个滤光片
可通过光的波长范围为7~10 um,正好适合于人体红外辐射的探测,而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收,这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
4) 菲涅尔透镜介绍
菲涅尔透镜多就是由聚烯烃材料注压而成的薄片,也有玻璃制作的,镜片表面一面为光面,另一面刻录了由小到大的同心圆,它的纹理就是利用光的干涉及扰射与根据相对灵敏度与接收角度要求设计的,透镜的要求很高。菲涅尔透镜在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜,效果好。多用于精度要求不就是很高的场合。
菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理,在探测前方产生一个交替变化的“盲区”与“高灵敏区”,以提高它的探测接收灵敏度。当有人从镜前走过时,人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”,这样就使接收到红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入,从而强化能量幅度。
菲涅尔透镜有两个作用:一就是聚集作用,即将热释红外信号折射(反射)在PIR上,第二个作用就是将探测区域内分为若干个明区与暗区,使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。
由于热释电传感器输出的信号变化缓慢、幅值小(小于1 mV) ,不能直接作为照明系统的控制信号,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。根据以上要求,人体热释电检测电路组成框图如图2-3所示。
2-3 热释电检测电路组成框图
1) 热释电传感器处理电路
本设计采用BIS0001 来完成对热释电传感器输出信号的处理。BIS0001 就是一款具有较高性能的热释电传感器信号处理集成电路,它主要由运算放大器、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。
图2-4 中,热释电传感器S 极输出信号送入BIS0001的14脚,经内部第一级运算放大器放大后,由C3 耦合从12 脚输入至内部第二级运算放大器放大,再经电压比较器构
成的鉴幅器处理后,检出有效触发信号去启动延迟时间定时器,最后从12 脚输出信号Vo 送入单片机进行照明控制。实验所得,当传感器检测室内有人时,Vo为4 V ;无人时Vo 为0、4 V。
BIS0001 的1脚接高电平,使芯片处于可重复触发工作方式。输出Vo的延迟时间Tx 由外部R8与C7 的大小调整;触发封锁时间Ti 由外部R9 与C6 的大小调整。
图2-4 热释电传感器信号处理电路图
2、4、5 比较电路
比较电路如图2-5所示,由两个运算放大器组成,输入信号来自于红外人体探头输出。比较电路中的基准电压分别由两个独立的分压电路得到,供电路比较所用。即运算放大器D1的6脚与D2的1脚电压分别为0、45V与2、0V。
图2-5 人体信号比较电路
通过比较电路将相应的电压比较结果以数字信号输出。当被动红外探头在有效范围内感应到人体信号后,运算放大器的“2脚”或“5脚”的电压降为3、0V;当被动红外探头在有效范围内没有感应人体红外信号时,“2脚”或“5脚”的电压降为1、0V 。探头故障断路时,则“2脚”或“5脚”的电压降为0V 。 1) 红外探头工作正常
“1脚”的电压恒定为2、0V,“2脚”的电压有1V 或就是3、0V 两种状态, “6脚”的电压恒定为0、45V,“5脚”的电压与“2脚”的电压保持一致。 探头将会根据有无人体信号在“2脚”产生1、0V 或3、0V 两种电压信号。 2) 红外探头不正常工作
“1脚”的电压恒定为2、0V,“2脚”的电压为0V, “6脚”的电压恒定为0、45V,“5
脚”的电压为0V 。 探头将只会产生一种电压信号0V 。 具体的比较结果如下表1-3所示。
表1-3 探头采集信号输出状态表
通过比较电路,不仅解决了不同工作状态时被动红外探头的对外界人体红外信号的采集,而且也实现了仅通过被动红外探头的两根电源线同时也传输了所采集的周围环境的红外信号,一举两得。
2、4、6 延迟时间选择电路
系统在AT89C51 的P1 中设置了延时时间选择电路,其目的就是在环境光照较弱时,照明设备延时一段时间后自动熄灭。电路通过P1、0～ P1、3 设置4 个延时时间,当P1、0～ P3、0 无开关闭合时,系统按初始值进行延时;当P1、 0～P1、3 有开关闭合时,程序从P1、3～P1、0 进行检测,若检测到某一端口为低电平时,则系统按当前端口设置的值进行延时。设置时间关系值如表1-4所示。
表1-4 端口时间设置表
2、4、7 输出控制电路
1) 继电器
继电器就是一种根据电量(电压、电流等)或者根据非电量(温度、时间、转速、压力)等信号的变化带动触点动作,来接通或者断开所控制的电路或者电器,以实现自动控制与保护电路或者电器设备的电器。
继电器一般由感测机构、中间机构与执行机构三个基本部分组成。可分为电磁式继电器与非电磁式继电器两大类。
电磁式继电器就是在输入至电磁线圈中的电流的作用下,由其机械部件的相对运动而产生预定响应动作的一种电器。
主要有:交流电磁继电器、直流电磁继电器、磁保持继电器、舌簧继电器等。
(1) 交流电磁继电器:输入电路中的控制电流为交流的电磁继电器。
(2) 直流电磁继电器:输入电路中的控制电流为直流的电磁继电器。
(3) 磁保持继电器:利用永久磁铁或具有很高剩磁特性的铁芯,使电磁继电器的铁
芯,使电磁继电器的衔铁在其线圈断电后仍能保持在线圈通电的位置上的继电器。
磁保持继电器具有两个稳定状态。
(4) 舌簧继电器:利用密封在管形外壳内并具有触点簧片与衔铁磁路双重作用的舌
簧的动作来开、闭或转换线路的继电器。
工作原理:
(1) 电磁式电压继电器
电磁式电压继电器就是根据两端电压大小而接通或断开控制电路的继电器。这种继电线圈的导线细、匝数多、阻抗大,并联在电路中。
(2) 电磁式电流继电器
电磁式电流继电器串接在电路中以反映电路中的变化。为了不影响电路的正常工作。电流继电器线圈匝数少、导线粗、线圈阻抗小。除了有用于一般控制的电流继电器外,还有作为保护用的过电流继电器与欠电流继电器。
2) 输出控制电路
单片机输出控制信号电路如图2-8所示,由P2、0、P2、3与P2、7口输出的控制信号来实现室内灯光的控制功能。
用P2、0与P2、3两个输出来实现手动开关控制,用P2、7口来实现智能控制,输出的就是“0”电平时,则由Q1三极管组成的信号放大电路就被截止,则继电器回路中无电流,所以,继电器线圈无法工作,使得继电器开关触点断开,电灯回路不通,电灯不亮,反之,当P2、7口输出的就是“0”信号时,则由Q1三极管组成的信号放大电路
就导通了,则继电器线圈工作,使得继电器触点闭合,电灯回路导通,电灯亮。
A
1
V O
2
R R1
3
R C1
4
R C2
5
R R2
6
V SS
7
V RF
8
V C
9
IB
10
V DD
11
2O U T
12
2IN
13
1IN+
14
1IN-
15
1O U T
16
JP?
B IS S0001
C?
103
C?
C AP
C?
47UF
C?103
R?
47K
R?
1M
V CC
R?
R ES4
R?
R ES2
R?
10K
R?
1M
R?2M
R?
47K
R
R
R
R
图2-8 输出控制电路
3 系统软件设计及实现
电路板要实现它的功能,还要必不可以的软件程序对它进行控制。软件设计分主程序设计、子程序设计、中断程序设计三大块。软件就是计算机系统的灵魂,没有软件计算机不能充分发挥其功能,这就是软件在计算机中的地位,而在计算机控制系统中,软件也就是非常重要的。在照明控制系统中,硬件设备的功能就是由软件来定义的,如系统要控制分布的照明灯具,通过编程完成对输出电路的控制等等,由此可见,软件就是控制系统中的一个重要组成部分。
该照明控制系统的软件程序包括:照明启停控制程序、照明亮度控制程序、照明定时控制程序等。本着软件设计的基本方法,照明控制程序的软件设计方法就是利用传统的结构化分析与设计方法来完成的。结构化程序设计方法虽然就是早期的程序设计方法,但该方法还一直被广泛地使用。结构化系统分析与设计贯穿整个软件设计过程,遵循“自顶向下,逐步求精”的基本原则。本照明控制系统软件程序总体结构如图3－1所示。
图 3－1 照明控制系统软件程序总体结构图
当电源接通后,开始初始化,程序调用键盘,扫描程序。判断有无热键按下,如果有,则为人手工控制:如果没有,则根据外界条件控制。当有人时,如果光线很强,系统认为就是白天,或者不需要开灯。当光线弱时,系统判断就是晚上,则控制灯亮。当没有人时,系统判断室内无人,则使输出电路控制灯不会亮。
4结论
通过本次的设计提高了我们分析问题、解决问题的能力,提高了理论联系实际的能力,提高了动手能力,提高了团队协作能力。我的单片机应用水平迈上了一个新台阶。我认识到有很多技能如果不去动手实践永远也不会掌握,只有在实践中学习,在学习中实践,才能更好的提升能力。
我们小组做的智能电灯具有很强的实用性,也就是未来智能家居的发展方向。随着生产力水平的不断提高,人们的生活方式也会发生深刻变革,智能家居必将走进千家万户。本次课程设计我感到最大的收获就是我的科学素养得到了很大提高,认识到解决实际问题最重要的就是有思路,有了思路之后才能拿出解决方案并进行设计。
我们将在今后的学习生活中更加努力学习专业知识,不断实践。培养创新精神与钻研精神,为将来成为国家与社会的栋梁之才打下坚实基础。
5 评价(全员)
智能照明控制系统就是通过使用计算机技术并辅助以其它手段,对电力照明实行智能控制,智能照明控制系统于手动照明控制系统相比有很多优点:
(1)实现照明控制人性化,通过控制调解,来实现场景控制、定时控制、多点控制等多种控制方案,以保证照明质量。
(2)改善工作环境,提高了工作效率,延长了灯具的使用寿命。
(3)节约能源,智能照明管理系统采用设置照明工作状态的方式,通过智能化管理使系统能最大限度地节约能源。
(4)提高管理水平:将大大减少使用者的运行维护次数。
然而,科技就是把双刃剑。不得不说,智能照明系统仍然存在缺陷与不足:
(1)与传统照明系统相比,价格较昂贵。
(2)使用场景存在局限性,目前只适用于家居方面。
(3)系统结构复杂,维修费用较高。
（4）电子设备回收费用较高,且难度较大
6组员分工
XX:编写策划以及逻辑控制设计
XX:产品评估与软件结构图设计
XX:硬件电路设计与查询
XX:研究背景与市场调查