教室燈光智能控制系統(tǒng)

1、武昌理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：教室燈光智能控制系統(tǒng)院：信息工程學(xué)院專業(yè):自動(dòng)化學(xué)號(hào):20114224007學(xué)生姓名：克勤指導(dǎo)教師:-呂曉雁二O四年十月二七日教室燈光智能控制系統(tǒng)馬克勤摘要隨著社會(huì)的快速發(fā)展以及能源的消耗，為了有效利用教室燈光、節(jié)約能源，利用單片機(jī)設(shè)計(jì)作為控制核心的教室燈光智能控制系統(tǒng)，能根據(jù)學(xué)校作息時(shí)間、光照情況自動(dòng)調(diào)節(jié)教室燈光的打開(kāi)或關(guān)閉。該系統(tǒng)要具有很好的人機(jī)交互界面，能對(duì)教室燈光進(jìn)行智能控制。本系統(tǒng)程序部分采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、條理清晰、通用性好，便于改進(jìn)和擴(kuò)充。該系統(tǒng)具有體積小，控制方便，可靠性高，針對(duì)性強(qiáng)，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)能夠滿足各種大、中專院校教室燈

2、光控制的要求，也可以很大程度的達(dá)到節(jié)能目的。關(guān)鍵詞紅外線；傳感器；單片機(jī)TheclassroomlightingintelligentcontrolsystemMakeQinAbstractWiththerapiddevelopmentofsocietyandtheenergyconsumption,inordertoeffectivelyusetheclassroomlighting,savingenergy,usingsingle-chipmicrocomputerasacontrolcoreoftheclassroomlightintelligentcontrolsystem,canac

3、cordingtotheschoolcalendar,illuminationconditionautomaticallyadjuststheclassroomlightsonoroff.Thesystemhasgoodman-machineinterface,cantheclassroomlightintelligentcontrol.ThissystemispartiallywrittenusingClanguage,modularstructuredesign,clear,goodcommonality,isadvantageousfortheimprovementandexpansio

4、n.Thesystemhassmallvolume,convenientcontrol,highreliability,thepertinence,highercostperformancecanmeettherequirementsofclassroomlightingcontrolallkindsoflarge,secondarytechnicalschools,cangreatlytoachieveenergysaving.KeyWords:infrared；Thesensor；Singlechipmicrocomputer目錄第1章緒論1§1.1研究意義1§1.2智

5、能控制系統(tǒng)照明的優(yōu)勢(shì)1§1.3研究的現(xiàn)狀和目的2第2章智能控制器的簡(jiǎn)介和方案分析4§2.1控制器的簡(jiǎn)介4§2.2控制系統(tǒng)方案的分析4第3章智能控制模塊的硬件設(shè)計(jì)6§3.1控制模塊的硬件原理圖6§3.2控制模塊硬件的各個(gè)模塊.6§3.2.1電源模塊7§3.2.2LED驅(qū)動(dòng)模塊7§3.2.3傳感器檢測(cè)模塊7§3.2.4光檢測(cè)模塊.8§3.2.5單片機(jī)模塊.8第4章智能控制模塊的軟件設(shè)計(jì)9§4.1系統(tǒng)監(jiān)控主程序9§4.2數(shù)據(jù)采集9§4.3時(shí)鐘模塊10§4.4系統(tǒng)

6、按鍵功能10第5章總結(jié)11致謝12參考文獻(xiàn)13第1章緒論§11研究意義隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，導(dǎo)致用電量的急劇增加，又因?yàn)槭澜缧缘哪茉次C(jī)，能源缺乏已成為世界所面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)尤為嚴(yán)重。隨著許多大、中專院校的擴(kuò)招，教室的擴(kuò)建，教室照明的用電量也就越來(lái)越多，對(duì)大多高校來(lái)說(shuō)教室照明的管理不到位，往往會(huì)造成電量的巨大浪費(fèi)，因此，提高教室用電效率就成為非常重要的問(wèn)題?，F(xiàn)在對(duì)燈光的智能控制，國(guó)內(nèi)外己經(jīng)開(kāi)始采用，但對(duì)教室燈光的控制，還沒(méi)有普及，由于我國(guó)教室燈光的控制不完善，依然是傳統(tǒng)式的人工管理。教室用電管理不善，會(huì)造成學(xué)校電量浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，這樣的浪費(fèi)與當(dāng)

7、今的節(jié)約能源理念相違背。然而，現(xiàn)代自動(dòng)化程度不斷提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，燈光的管理也在朝著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。除了應(yīng)該滿足為人們?cè)诠ぷ?、學(xué)習(xí)、生活時(shí)對(duì)視覺(jué)環(huán)境的要求以外，還應(yīng)該利用照明設(shè)備的不同類型及光線的變換為人們提供一個(gè)舒適的學(xué)習(xí)和生活環(huán)境。所以研究新型智能照明控制系統(tǒng)，對(duì)減少這部分能源消耗，同時(shí)能更好的滿足人們對(duì)照明質(zhì)量的要求，都有極其重要的意義。§12智能控制照明系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)傳統(tǒng)的照明控制系統(tǒng)主要是由照明配電箱通過(guò)手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制照明燈具通斷的目的，或者在照明回路中串入接觸器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。在開(kāi)關(guān)控制上采用手動(dòng)開(kāi)關(guān)，很大程度上要依賴于人的主動(dòng)性。而智能照明控制系統(tǒng)可以根據(jù)某一

8、區(qū)域的功能、每天不同的時(shí)間、室內(nèi)光照強(qiáng)度等來(lái)自動(dòng)控制照明?？偟膩?lái)說(shuō)其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1) 提高照明控制的智能化程度，可以使整個(gè)照明系統(tǒng)可以全自動(dòng)狀態(tài)，然后根據(jù)不同場(chǎng)合在不同時(shí)段的不同需求，預(yù)先設(shè)定合適的照明效果，更加具有智能化和人性化。(2) 降低電能消耗，有著良好的節(jié)電效果，可以充分利用自然光作為光源，以人工光為補(bǔ)充，并結(jié)合室內(nèi)的人員情況，只有在必需時(shí)開(kāi)啟照明燈具，節(jié)能效果非常明顯，一般可以達(dá)到30%左右。(3) 提高教室的照明系統(tǒng)管理水平，將傳統(tǒng)的人為開(kāi)關(guān)控制轉(zhuǎn)換為智能系統(tǒng)控制的管理，將很大減少學(xué)校的運(yùn)行、維護(hù)和管理的費(fèi)用。§1.3研究的現(xiàn)狀和目的主要研究?jī)?nèi)容：(

9、1) 了解教室照明光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)；(2) 研究教室燈光照明開(kāi)、關(guān)燈與環(huán)境光強(qiáng)弱的關(guān)系；(3) 研究傳感器教室分布、安放問(wèn)題；(4) 研究確定人體傳感器的有關(guān)參數(shù)；(5) 研究燈光控制器電源問(wèn)題；(6) 研究控制器參數(shù)值設(shè)定的要求及方案；研究報(bào)警等附加功能問(wèn)題；研究目標(biāo)：研究教室燈光智能控制系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有教室照明系統(tǒng)的改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)的人性化智能管理，提高用電效率；以降低成本，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)燈光控制相兼容;通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和改進(jìn)，達(dá)到可靠性、實(shí)用性、推廣性較好的目標(biāo)。第2章智能控制器的簡(jiǎn)介和方案分析§2.1控制器的簡(jiǎn)介智能控制器可有效的實(shí)現(xiàn)教室燈光智能控制。其輸入?yún)?shù)主要是人體的存在信號(hào)和環(huán)境

10、光信號(hào)等外界因素，環(huán)境光照強(qiáng)度達(dá)到上限值時(shí)不開(kāi)燈，環(huán)境光照強(qiáng)度在一定閥值以下且有人存在時(shí)開(kāi)燈，通過(guò)傳感器檢測(cè)用這種方式來(lái)對(duì)教室燈進(jìn)行智能控制來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。教室智能燈光控制系統(tǒng)能用于現(xiàn)有教室照明的改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)的人性化智能管理，教室燈光控制器一般安裝在教室內(nèi)避開(kāi)電燈直射的位置，且人體傳感器安置時(shí)應(yīng)使人體活動(dòng)方向與人體傳感器中兩個(gè)熱釋電元連線方向垂直，這樣可使人體存在信號(hào)采集更加靈敏、可靠，同時(shí)還要盡可能避免外界風(fēng)直接吹向人體傳感器§2.2控制系統(tǒng)方案的分析控制器是以自然光照強(qiáng)度和人體存在作為控制器的主要輸入?yún)?shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)控制二者相兼容的系統(tǒng)。首先，系統(tǒng)默認(rèn)為自動(dòng)控制狀

11、態(tài)，當(dāng)按鍵模塊感應(yīng)到有鍵按下時(shí)，系統(tǒng)改為強(qiáng)制控制狀態(tài)。然后，在自動(dòng)控制模式下：當(dāng)自然光照強(qiáng)度足夠時(shí)，無(wú)論人是否存在，都會(huì)不開(kāi)燈；在自然光照強(qiáng)度較弱時(shí)，有人存在，控制器自動(dòng)打開(kāi)電燈，直到人離開(kāi)后再延時(shí)一定時(shí)間后關(guān)燈。同時(shí)，還可設(shè)置作息時(shí)間來(lái)控制，如果夜晚超過(guò)10點(diǎn)，還有人存在，則關(guān)閉自動(dòng)控制器的運(yùn)行，改用開(kāi)關(guān)來(lái)手動(dòng)控制，以解決在特殊情況下，自動(dòng)控制器的不人性化運(yùn)行。該教室燈光控制器主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是是整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運(yùn)行的平臺(tái)。而軟件部分，是對(duì)硬件端口所體現(xiàn)的信號(hào)，加以采集、分析、處理，最終實(shí)現(xiàn)控制器所要完成的各項(xiàng)功能,達(dá)到控制器自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合的

12、教室照明智能控制。第3章智能控制模塊的硬件設(shè)計(jì)§3.1控制模塊的硬件原理圖本系統(tǒng)主要以單片機(jī)控制位中心，根據(jù)光照強(qiáng)度、人的存在和按鍵功能等結(jié)合合成一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)原理圖如3-1圖所示：光照強(qiáng)度人體傳感器1人體傳感器2按鍵輸入圖3-1系統(tǒng)原理框圖§3.2控制模塊硬件的各個(gè)模塊系統(tǒng)控制單元是以單片機(jī)主控模塊為核心，其它主要模塊包括：光檢測(cè)模塊、電源模塊、人體傳感器模塊、LED驅(qū)動(dòng)模塊，其結(jié)構(gòu)如3-2圖所示:光檢測(cè)模塊人體傳感器模塊圖3-2智能控制各模塊圖§3.2.1電源模塊電源電路設(shè)計(jì)如3-3所示，包括有整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路，該電路能將220V的交流電轉(zhuǎn)換成1

13、.229.3V的可調(diào)直流電。12VinVout圖3-3供電原理圖§3.2.2LED驅(qū)動(dòng)模塊系統(tǒng)采用LED燈為照明光源，用單片機(jī)調(diào)節(jié)PWM占空比的工作方式進(jìn)行調(diào)光,以PT4115芯片作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)，PWM調(diào)光是通過(guò)改變脈沖寬度進(jìn)行調(diào)光，在單位時(shí)間內(nèi)反復(fù)接通和斷開(kāi)LED電流來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)光亮度。PT4115芯片驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，其DIM端可以外接PWM脈或直流電壓進(jìn)行調(diào)光，也可以接熱敏電阻作為輔助溫度控制和自動(dòng)亮度控制。為了使LED閃爍不易讓人眼察覺(jué)到，開(kāi)關(guān)頻率一般要大于100Hz。通過(guò)PWM調(diào)光，LED的輸出電流可以從0100%變化。LED的亮度是由PWM信號(hào)的占空比決定的。§3

14、.2.3傳感器檢測(cè)模塊傳感器模塊工作原理是利用熱釋電元件的熱釋電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。當(dāng)人體體溫為37°C時(shí)，發(fā)出10um波長(zhǎng)的紅外線，當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)，紅外感應(yīng)源上的溫度發(fā)生變化，會(huì)產(chǎn)生電壓信號(hào)輸出口。本系統(tǒng)利用人體紅外檢測(cè)傳感器產(chǎn)生人存在信號(hào)，為單片機(jī)輸入提供一個(gè)脈沖中斷信號(hào)。有人進(jìn)入教室時(shí)，人體紅外檢測(cè)傳感器產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖，單片機(jī)產(chǎn)生中斷，經(jīng)過(guò)軟件設(shè)置標(biāo)志值等處理，可進(jìn)行下一步工作；若沒(méi)有人進(jìn)入教室，人體紅外檢測(cè)傳感器處于低電平狀態(tài)，單片機(jī)處于等待狀態(tài)。§324光檢測(cè)模塊光檢測(cè)模塊核心器件是光敏電阻，其工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在具有光電導(dǎo)效應(yīng)的均勻半導(dǎo)體材料兩端加

15、上電極，便構(gòu)成光敏電阻。當(dāng)光敏電阻的兩端加上適當(dāng)?shù)钠秒妷簳r(shí)，便有電流流過(guò)。改變照射到光敏電阻上的光度量，流過(guò)光敏電阻的電流將會(huì)發(fā)生變化，說(shuō)明光敏電阻的阻值隨入射光輻射照度變化而變化。§3.2.5單片機(jī)模塊系統(tǒng)硬件控制核心是51單片機(jī)，該芯片功能強(qiáng)大，資源豐富，編寫(xiě)程序調(diào)試方便。51單片機(jī)中央處理器是單片機(jī)內(nèi)部的核心部件，它決定了單片機(jī)的主要功能特性.中央處理器主要由運(yùn)算部件和控制部件組成.中央處理器功能模塊運(yùn)算部件：它包括算術(shù)，邏輯部件ALU,布爾處理器，累加器ACC,寄存器B,暫存器TMP1和TMP2,程序狀態(tài)字寄存器PSW以及十進(jìn)制調(diào)整電路等.運(yùn)算部件的功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯

16、運(yùn)算，位變址處理和數(shù)據(jù)傳送操作。第4章智能控制模塊的軟件設(shè)計(jì)§4.1系統(tǒng)監(jiān)控主程序監(jiān)控程序按模塊可分為監(jiān)控主程序和命令處理子程序。監(jiān)控主程序的基本任務(wù)是調(diào)用子程序，一個(gè)主程序就可以調(diào)用多個(gè)子程序，對(duì)于51單片機(jī)，系統(tǒng)資源有限，主程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)的過(guò)程，即是一個(gè)反復(fù)調(diào)用子程序的過(guò)程。子程序主要分為中斷子程序和功能子程序，它們之間可以互相嵌套和調(diào)用，即中斷子程序可以調(diào)用功能子程序。在應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)中，盡可能各個(gè)功能模塊寫(xiě)成子程序的形式，并通過(guò)主程序調(diào)用。而命令處理予程序完成各種命令所規(guī)定的具體操作，它按各種命令再分為不同的子程序模塊，它的編程方法與功能要求及系統(tǒng)應(yīng)用密切相關(guān)。§

17、;4.2數(shù)據(jù)采集本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集對(duì)象為環(huán)境光信號(hào)及人體存在信號(hào)，在對(duì)程序設(shè)計(jì)中這兩個(gè)數(shù)據(jù)的采集，需要放置多任務(wù)模塊中去實(shí)施定時(shí)采集。人體傳感器既有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)便是本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好，價(jià)格低廉。其缺點(diǎn)是容易受各種熱源、光源干擾；由于紅外穿透力差，且人體的紅外輻射也容易被遮擋，不易被探頭接收；易受射頻輻射的干擾;環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度明顯下降，有時(shí)還會(huì)造成短時(shí)失靈。試驗(yàn)檢測(cè)也證明了這點(diǎn)，只要人體存在卻有巧秒左右沒(méi)有活動(dòng)，人體傳感器則認(rèn)為沒(méi)有人體存在。為避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，本系統(tǒng)軟件程序中設(shè)計(jì)為有人體存在狀態(tài)后間隔2分鐘或更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)對(duì)人體存

18、在參數(shù)信號(hào)的采集。本系統(tǒng)考慮到環(huán)境光足夠亮?xí)r，無(wú)論有否人體存在都不應(yīng)開(kāi)燈;而環(huán)境光不夠亮?xí)r，有人體存在才開(kāi)燈，無(wú)人體存在不開(kāi)燈。本系統(tǒng)邏輯定義為環(huán)境光亮?xí)r為二進(jìn)制的“0”（符合光采集電路輸出信號(hào)狀態(tài)），暗時(shí)為“I”，人體存在為“I”，人體不存在為“0”，開(kāi)燈為“1”，關(guān)燈為“0”，那么環(huán)境光與人體存在可以有以下的邏輯關(guān)系表表示，如表4-1所示：環(huán)境光參數(shù)人體存在參數(shù)教室燈狀態(tài)010000111100圖4-1§4.3時(shí)鐘模塊在系統(tǒng)開(kāi)始自檢初始化時(shí)，首先會(huì)對(duì)時(shí)鐘芯片的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)檢測(cè)到芯片處于啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)才對(duì)其進(jìn)行初始化啟動(dòng)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的初始化極其讀寫(xiě)程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要遵循其時(shí)序

19、要求。對(duì)芯片進(jìn)行讀寫(xiě)的程序流程圖如圖4-2所示圖4-2§4.4系統(tǒng)按鍵功能鍵盤(pán)是系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)設(shè)備應(yīng)用最廣泛的一種，也是人機(jī)交互對(duì)話、系統(tǒng)進(jìn)行操作的重要通道，操作者是通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)輸入。本系統(tǒng)鍵盤(pán)一般情況下采用中斷方式，把鍵盤(pán)信號(hào)采集放在中斷程序中除了，鍵盤(pán)的功能放在任務(wù)操作模式中完成。在執(zhí)行完鍵盤(pán)采集工作后，如果有鍵按下，程序轉(zhuǎn)入鍵處理功能程序。系統(tǒng)根據(jù)采集過(guò)程中得到的鍵號(hào)，散轉(zhuǎn)到相應(yīng)的鍵處理子程序，通過(guò)鍵盤(pán)修改系統(tǒng)工作參數(shù)。第5章總結(jié)本次設(shè)計(jì)對(duì)適合應(yīng)用于教室燈光智能控制系統(tǒng)的控制進(jìn)行了研究。主要以環(huán)境光、人體存在狀況等外界因素為控制器的輸入?yún)?shù)，比單純的人員管理教室燈光更合理，更有效的

20、降低了教室燈光的資源費(fèi)用；同時(shí)還加入了時(shí)間控制參數(shù)，使教室燈光的控制更加符合學(xué)校的作息時(shí)間。本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)針對(duì)于各類大、中各院校的教室燈光管理具有非常重要的意義，也適用于各類辦公室的燈光控制。本教室智能控制系統(tǒng)的控制主要是以51單片機(jī)主控單元為核心，通過(guò)相關(guān)電路的驅(qū)動(dòng)，完成對(duì)教室燈光的控制，采用一個(gè)二極管閃爍顯示整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)教室燈光的自動(dòng)開(kāi)燈、關(guān)燈控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)智能化控制的同時(shí)，還設(shè)置了手動(dòng)，這樣在智能控制系統(tǒng)偶爾出現(xiàn)故障時(shí)，還可以采用手動(dòng)操縱，不至于影響教室燈光的正常應(yīng)用。系統(tǒng)控制單元的硬件電路中多采用簡(jiǎn)易芯片，不僅簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，同時(shí)還節(jié)省了單片機(jī)I/O口資源，為系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展留下了空間。系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)通過(guò)采用多任務(wù)模塊編寫(xiě)，省去了一些不必要的延時(shí)程序，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)初步證實(shí)了系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，提高了電能資源的利用率。本系統(tǒng)在保證裝置能穩(wěn)定可靠工作的前提下，硬件設(shè)計(jì)上盡量采用性價(jià)比高的元器件，以降低成本。軟件設(shè)計(jì)上采用多任務(wù)形式對(duì)信號(hào)的采集、處理，達(dá)到最終控制燈光的目的。致謝本論文的研究是在呂老師的悉心指導(dǎo)