室内灯光控制系统的设计之令狐文艳创作
令狐文艳
室内灯光控制系统的设计
令狐文艳
毕业设计（论文）
摘要
本课题主要研究的是针对室内灯光的自动控制展开研究，提出了室内灯光控制的具体原理以及它的具体设计思路，提出了基于室内灯光控制系统的详细设计详细内容，在研究该课题的途中努力学习了智能室内灯光控制系统的硬件设备以及相应的软件。本研究以STC89C52单片机为主要操作核心，本研究采用了光敏三极管做为对外界自然光线的强度来进行详细检测，采用热红外人体传感器检测教室有没人进出；再根据本控制系统对外界自然光信号与人体存在的红外信号采取的智能判断，以及对室内需要合理打开灯的条件，以完成对室内照明回路智能控制，从而以达到合理节约利用电能的目的。此外，采用了LCD液晶显示器以用来显示室人数。本研究主要采用的结构为模块化设计，具有简单，体积小等很多优点，以用来满足本研究达到室内灯光控制系统的要求。
[关键词] :STC89C52；热红外人体传感器；光敏三极管；自动控制；
Abstract
The design analyzes the principle and realization method of the classroom light automatic control, and puts forward the classroom lighting design idea of automatic control system, and on this basis to develop the intelligent control system hardware and corresponding software through researching on automatic control method for classroom lighting. This study adopted the light activated triode as to outside natural light intensity to a detailed inspection; According to the control system’s intelligent judgment of the environmental light signal and the human existence signal, as well as to the classroom reasonable conditions, opening the lamp to complete automatic control of the classroom lighting circuit, so as to achieve the purpose of saving electricity，to meet the requirements of this study to the indoor lighting control system.
Key words: STC89C52; pyroelectricinfrared sensor; automatic control; light activated triode
目录
第1章绪论 (1)
1.1课题研究的背景及意义 (1)
1.2课题研究的内容 (2)
第2章系统总体分析 (3)
2.1系统整体分析 (3)
2.2设计中遇到的问题 (4)
第3章系统硬件设计 (4)
3.1系统硬件核心 (4)
3.2系统主要电路 (5)
3.2.1系统主控电路 (5)
3.2.2自然光采集电路 (7)
3.2.3热红外人体传感器电路 (8)
3.2.4系统时钟电路 (9)
3.2.5灯控模拟电路 (10)
3.2.6 LCD1显示电路 (11)
第4章系统软件设计 (12)
4.1系统主程序设计 (12)
4.2系统子程序设计 (13)
4.2.1红外人体传感器模块 (13)
4.2.2自然光采集模块 (14)
4.2.3时钟模块 (15)
4.2.4LCD显示模块 (16)
第5章系统调试与仿真 (17)
5.1仿真软件 (17)
5.2仿真注意事项与方法 (19)
5.3仿真结果 (19)
总结23
参考文献24
附录 (25)
附录一系统硬件仿真电路及原理图如下 (25)
附录二源程序如下 (26)
致谢33
第1章绪论
1.1课题研究的背景及意义
在如今的现实生活中，环境保护和能源的枯竭问题一直困扰着人们。在过去的19世纪乃至追寻到很久之前的时间里，人类为了生存而对大自然做出了掠夺式的抢夺资源，造成了现在世界中能源短缺，上世纪一流的污染问题还没有解决。而我国作为一个在发展中国家的代表人物，经济发展与能源枯竭而引发的矛盾日益增生，而本系统是为了室内灯光控制系统，作为一个能够根据外界光线的强度来控制室内灯光的亮度或者亮灯个数的多少，能够实现人来灯亮人走灯灭，完成自动调节灯光的作用，已完成节能的目的。
在各个高校中，教室是一个很普遍的学生与教师教学的场所，随着各个高校的扩建以及高校的普遍，在高校中，经常会发生教室内一个人都没有，但是教室内的灯还亮着，或者教室内确实有人，但是灯光的强度太强学生们在学习的过程中国也感觉到很不舒服，学习效率下降，没有人的情况下，照明系统还处于工作状态，这种情况就会造成能源的大量流失以及浪费。因此，节能就会显得尤为重要，这样才能提高教室内照明系统的效率。高校在节能的情况下才会有更多的资源去为学生们谋取更多的福利，才能让学生们专心致志的努力学习，为了自身的强大而努力。
目前，对于智能灯光控制，国内外已经在各个地方开始实现这个功能，但是有关于室内灯光控制系统类型的智能控制系统却很少，随着高校的越来越多，规模也越来越大，学生也越来越多，所需要的教室也越来越多，教室内的灯光浪费现象越来越严重，电能也浪费的越来越多，但是，随着现代化与智能化的程度的越来越高，智能家居的普及也越来越高，随着计算机技术的普及，灯光的控制也越来越多资多彩，也在朝着智能化和自动化的方向发展，为室内灯光控制系统的出现创造了便捷的条件，随着能源的日益减少，开发出一款智能化的室内灯光控制系统已经迫在眉睫，是实现现代化智能化的重要的一环，是具有跨时代的重要意义。
由于我国多年来经济的持续发展，能源危机日益剧烈，虽然我国作为一个大国，但是又是人口基数过多，所以人均能源亮很少，平均产值的资源的消耗远远高于发达国家，能源问题对我国的发展至关重要，由于储量人均不足，能源已变成制约我国经济发展的重要问题。从2005年到现在的2015年，新增的照
明用电远远超过预期，而对于各个高校来说，教室的用电量占了很大的一笔重要输出，其照明系统约占到各个高校总用电量的40%左右，由此可见，在保证各个高校内教室灯光的照明质量的前提下，对教室内灯光进行智能控制迫在眉睫，其所能实现的经济效益和应有的节能效果都是相当的可观的，所以努力地开发室内灯光控制系统已经不容懈怠了。
在我国的城市规划中，早已经将智能化灯光和绿色灯光当做重点来规划，本规划的主要选择方向是为了消除环境污染与废旧材料能源的回收等问题，着重强调了绿色灯光的问题，以及节能减排等维护环境的智能化设计，且室内灯光控制系统走在前列，说明我国已经将减少照明消耗绿色照明已经当做头等大事。舍内灯光控制系统的研究已经在逐步的发展。目前我国用在纯照明系统上的电量约占到全世界总量的13%左右，而要使我国采用高效的节能减排的绿色照明系统将比传统照明系统节约60%-80%的电量，如今，首都北京正在努力推广效率照明系统的工程，推出了很多应用于照明系统的节能减排的大部分节能电器已经投入使用。而在我国的各个高校中节能的意识也正在努力地潜移默化的影响着学子，但是由于普宾得学生在高效节能这一方面的意识还是不够强烈，照明系统浪费的现象还是十分的严重，比如在光线足够强的教室内依然坚挺这的室内灯光，上完课了学生们都走了，还在努力工作着的卑微的灯泡。且各个高校节能减排的详细规划依然没有提上文件，室内的灯光依然有着教工手动控制，且因为教室数量巨大，教工也会走神，这样就造成了大批量的照明系统的点亮的浪费。
1.2课题研究的内容
本设计主要要求的主要内容包括控制模块和显示模块以及收集模块，本设计使用了光敏三极管作为本设计与外界的联系探头，以对外界自然光显得强弱来进行数据收集，然后将在外界收集到的光强的光信号本设计要求包括收集数据模块、显示模块、控制模块。本设计采用光敏三极管做为探头，以对自然光线的强弱进行收集。将收集到的自然光强度输送给控制核心STC89C52单片机来进行处理；用热红外人体传感器检测室内有没有人进出，通过程序的的设定，在LCD1显示器上显示室内的人数，再根据室内人数来决定需要灯的数量。
本设计的主要技术有以下：
（1）在正常自然环境下打开数据收集仪器，假如外界自然光线比较强，无论有无人进入室内，都不会打开灯；要是外界自然光线较弱，那就根据进入室内的人数来选择需要打开灯的数量。
（2）在自动控制的时候在正常的工作状态下，在室内的前后门各需放置一个热红外人体传感器模块，以检测有没人进出室内。
（3）需要能够控制显示器LCD1的显示人数。
（4）在手动控制能够通过按键开光控制室内进出的人数。
（5）室内灯光控制系统一样平常需要安置在室内没有被电灯直接照耀的位置而且热红外人体传感器安置时需要一人体与热感应电源标的目的感应器相互垂直如许才可以使人难以解决的存在的灯光信号收集才会加倍活络而且靠得住，另外还要尽量避免因外界热风直接吹向传感器而产生的干扰。
第2章系统总体分析
2.1系统整体分析
本设计所研究的室内灯光控制系统的设计，以外界自然光线强度与教室人数作为基本输入参数，同时结合对STC89C52所设计单片机的硬件进行控制，以用来实现室内灯光的自由控制。
但是当外界的自然光光强度较强，外界环境光线很好的时候，无论室内有无人，有多少人，教室内的灯光都不会亮，不然就会造成资源的浪费，而当外界自然光线的强度较弱的时候，才会根据进入教室内部的人数来确认到底需要打开多少灯光，需要打开哪部分的灯光。
本设计利用开关K4模拟光敏三极管采集到的自然光强度对控制系统进行控制，当K4按下表示外界光很强，灯都不亮，相反就根据室内人数来开灯；使用按键开关K1与K2来模拟热红外人体传感器所检测到的室内人数，即K1按键表示有人进入，K2按键表示有人出去，通过控制K1和K2以及对单片机上的软件代码来实现进出室内的人数，并在液晶显示器LCD1上显示室内已有人数，通过之前对单片机的代码设定来决定开灯的数量，当室内没有时所有灯全灭。
本计划的室灯光控制系统首要分为硬件与软件两部分。硬件设计是本系统的的条件，是本计划履行的根本，并且为软件部分提供了代码与法式运行的根本骨架。软件设计以对硬件部分为基础，加以采集、编程、模拟，以实现设计之前所希望系统能达到预期。经由过程对硬件和软件共同，而且对外界大概呈现的滋扰举行消倪或替代，以实现本设计的终极目的为方针。
此外，为了预防室内学生因学习时间较长而休息时间不足的问题，本设计附加设计了时钟电路以及超时报警电路，在液晶显示器LCD1上会显示当前的当地时间，当时间为22点整时本设计会报警，提醒已经很晚了，要注意休
息，报警系统在20S之后自动关闭。
2.2设计中遇到的问题
在本研究中所遇到的问题如下：
(1) 怎么将自然光线的光信号转换为电信号的收集题目；
(2) 液晶显示器LCD1上的表现人数的表现问题；
(3) 怎么用热红外人体传感器来转换外单片机可用参数；
(4) 怎么用按键取代感应器或者取代光敏电阻。
第3章系统硬件设计
3.1系统硬件核心
在本设计中，设计的主要控制模块的重要核心是以STC89C52单片机为主控核心然后再由按钮代替的光敏三极管组成的外界自然光光强采集电路与热红外人体传感器所组成的室内人数的采集电路作为主要的信息收集模块，再由液晶显示器LCD1所构成的显示区域。
本设计主要分为四大控制核心，主要的内容有：灯控制区、显示区、存储区、以及最重要的芯片等。
本课题的主要研究硬件结构图如下图1所示。
。
图1 硬件图
3.2系统主要电路
3.2.1系统主控电路
在本设计中STC89C52型单片机作为设计的主控单元，如下图3-1为最小单元模块。
图3-1 单片机最小系统模块
STC公司出品的STC89C52是一种高能低耗的CMOS8位的微型控制器，在其内部有着系统在道可编程的Flash存储器，存储器是为8K字节的，该芯片使用的是MCS-51内核经典内核，相比老式的传统单片机51类型的做出了很大的改进，加入了很多51单片的所没有的很多功能。
单片机详细分配情况如下表1所示。
表1 接口分配
3.2.2自然光采集电路
自然光的采集作为本设计的主要参数之一，其主要的思想就是要将在外界采集到的自然光信号转变为能被单片机识别的电信号。
光敏电阻是一种能够实现将光信号变为电信号的电阻，而且光敏三极管对光信号的灵敏度要远远高于光敏二极管，因此，采用光敏三极管采集自然光比较好。光敏三极管采用半导体的工艺制作成的半导体管。当有较强的光照射在基区时，产生的I增大，成为光电流，而光电流的大小随着外界光照强度的增强而增强，于是在相对应的负载电阻上就会采集到随着外界光照强度变化而随之变化的电信号。
由于本系统是在proteus 7.4a中仿真，在仿真的时候用按键开关K4来控制显示中的外界自然光的强度，或者说来控制是白天还是晚上。当外界光强时，相当于K4闭合时；当外界光弱时，开关K4打开。
图3-3环境光采集模拟电路
3.2.3热红外人体传感器电路
热红外人体感应器是一种即使人体在静止的状态下依然会被它探测出来的一种红外探测感应器，主要的组成单位主要有感光电子元件与透镜之类的，应为无论不管室内存在的是人体在移动还是在或者不动的情况下，都会在感光元件之间产生一定量的极化压差，感光电路会发出有人走过来的识别信号的东西，以达到可以探测人体的目的。此热红外人体感应器可应到感应人体的控制范围之内，实现红外控制与防盗于一体化。
使用热红外人体感应器时，一定要注意要尽量避免强烈灯光的直面照射，也不能直接对着暖气片或者其他的发热源以免破坏热红外感应器的参数以及其他的内容，避免因外界环境温度的强烈的变化而造成的参数误报或者一些不必要的数据或者参数的错误，而且传感器的表面也不要用手摸，因为手有温度，是热源，会影响数据的参数，还要避免尘土之类的灵敏度，还要特别注意热红
外传感器所对的方向，要避免人来人往的外部地方。
本计划考虑到尝试前提，只是在仿真软件中的仿真，是用按键开关来控制进出教室内的人数。其模块电路如图3-4所示。
图3-4 按键电路
3.2.4系统时钟电路
因考虑到具体的实际需要，本系统还增加了对时间上的控制，以能合理的控制或安排学生在室内的的作息时间，预防学生因学习忘记了回宿舍的时间，当时间超过了晚上22点时，缴入教室还有人就应提醒学生或者老师要注意休息，为此，本系统设计了时钟电路用来显示时间并报警提示到了休息时间了。
本系统采用的时钟控制芯片为DS1302。
图3-5 DS1302的详细引脚图
表2DS1302的引脚功能
对I/O口而言，再节制输入下一个时钟的上升指令的时辰，将上升的数据输入到DS1302中，输入的数据将会被输入到低位，将会从初始的位置起头。同理，在紧随其后的8位的控制指令的字节的下一个脉冲指令的下降数据就会读出DS1302中的刚才所输入的数据，但是的输出的数据依然将会从低位依次到高位依次输出。
图3-6 系统时钟电路
3.2.5灯控模拟电路
本系统因不是实际的操作，因此，采用两个红色LED指示灯D2和D3模拟。当外界环境自然光的强度很大时，D2和D3均不亮；当外界自然光光强
弱时，人数在10个或以下时只有D2灯亮，要是在教室内不得人数超过了10个人D2、D3全亮。在灯控区的模拟电路如下图3-7所示。
图3-7 灯控区模拟电路
3.2.6 LCD1显示电路
本系统采用液晶显示器LCD显示所需要数据，其电路图模块如图3-8所示。
图3-8 显示电路模块电路图
第4章系统软件设计
4.1系统主程序设计
本计划中的软件设计的主要内容主要有四部分组成：环境光采集模块、LCD1液晶显示器模块、外界环境光光强的采集模块与时钟控制电路模块这四部分组成。在这四部分中外界环境光的采集与外界模块是通过按钮来在仿真图上面实现模拟的。
主要的内容有以下：液晶显示屏LCD1上面会显示系统时间TIM与室内人数NUM,而室内灯光的控制就会根据外界自然光强度的光强大小与进入室内的人数来控制灯光的自由关闭。但外界的自然光强度较强时，所有的灯都不会亮，以免造成电量的浪费，但外界的自然光强度光强较弱时，并且进入室内的人数没有超过10人或者只有10人时，教室会亮一半灯，当外界自然光强度光强较弱并且进入室内的人数大于10人时，教室内的所有灯全部会打开。
本计划中的主程序的流程图如下图4-1所示。有关系统软件的C语言程序见附录。
图4-1主程序的流程图
4.2系统子程序设计
4.2.1红外人体传感器模块
在本系统中，本系统会利用按钮开关K1、K2来模拟红外人体传感器以用来采集室内人数，当外界自然光的光强度较弱的时候，而且在当室内的人数在十人以下或着只有十人时系统只会亮一个灯，而当室内的人数在十人以上时系统中的两灯全亮。它的主要的程序的流程图如下图4-2所示。
图4-2 红外传感器检测模块流程图
4.2.2自然光采集模块
本计划利用按钮开关K4模拟光敏三极管，当K4按下，外界自然光的强度较强，表示外界环境光较强，所有灯都不会亮；当K4松开，表示外界环境光较弱，此时灯按需求亮。外界自然光模块的流程图如图4-3所示。
图4-3自然光采集模块流程图
4.2.3时钟模块
在本系统中，本计划采用的是DS1302芯片以用来控制时钟电路模块，其主要的内容是按照编写程序的要求来显示时分秒。但是一定要注意在读取DS1302时，读取出的数据同样要为BCD码，因此，在进行给DS1320芯片中进行书写操作时，写入芯片的数据也必须要为BCD码，因此，在数据的写入和读出的时候一定要进行非常必要的数据之间的和进制之间的必要转换，以方便系统能够在与其他的外部数据进行相连接的时候相对应，在本系统中液晶显示器LCD1的显示是十进制的数字，所以一定要奖惩学设计时的十六进制或者二进制的数据转变为十进制。时钟模块程序的流程图如下图4-4所示。
图4-4 时钟模块流程图
4.2.4LCD显示模块
本计划首要实现的功效是按要求显示进入教室内的人数。时间TIM首要经由过程时钟芯片DS1302来控制，本计划主要显示时分秒；人数NUM首要经由过程模拟传感器的按钮K1 K2来实现加减人数。LCD1表现模块法式的流程图如下图4-5所示。
图4-5LCD显示模块流程图
第5章系统调试与仿真
5.1仿真软件
本设计仿真主要用到有以下两个软件：Proteus软件以及Keil uVision4软件。
Proteus软件为EDA工具软件，他是目前市面上最好的能够仿真单片机模拟图以及所有外围器材的一款好用的工具。虽然EDA工具目前在国内市场的推广刚刚起步，但因为简单易操作的原因已受到了单片机的爱好者和从事单片机的各位教师以及奋斗在第一线的制作单片机开发和应用的使用者的高度重视。
Proteus软件作为世界上都著名的仿真软件，它作目前世界上的唯一的比较全面的虚拟设计平台包括仿真软件、设计软件和电路仿真软件三种，他的处理器支持的模型有很多比如ARM\MSP4300等等很多很多，在2010年不仅增加了DSP和Cortex等系列的处理器，而且持续的增加了其他的处理器类型。并且在编译方面，Proteus软件支持IAR、MPLAB和Keil等很多种编译器，而且具有很多其他的EDA工具所没有的功能，如下：
SPICE电路的仿真