教室灯光智能控制系统

本科毕业设计（论文）

题 学 专 学

目：教室灯光智能控制系统 院：信息工 业：自动化 号：20114224007

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学生姓名：马克勤 指导教师：吕晓雁

二O—四年十月二七日

教室灯光智能控制系统

马克勤

摘要

随着社会的快速发展以及能源的消耗，为了有效利用教室灯光、节约能源， 利用单片机设计作为控制核心的教室灯光智能控制系统，能根据学校作息时间、 光照情况自动调节教室灯光的打开或关闭。该系统要具有很好的人机交互界面， 能对教室灯光进行智能控制。本系统程序部分采用C语言编写，模块化结构设计、 条理清晰、通用性好，便于改进和扩充。该系统具有体积小，控制方便，可靠性 高，针对性强，性价比高等优点能够满足各种大、中专院校教室灯光控制的要求， 也可以很大程度的达到节能目的。

关键词：红外线；传感器；单片机

The classroom lighting intelligent control

system

Ma ke Qin

Abstract

With the rapid developme nt of society and the en ergy con sumpti on, in order to effectively use the classroom lighting, saving energy, using single-chip

microcomputer as a control core of the classroom light intelligent control system, can according to the school calendar, illumination condition automatically adjusts the classroom lights on or off.The system has good man-mach ine in terface, can the classroom light in tellige nt con trol. This system is partially written using C Ianguage, modular structure design, clear, good com mon ality, is adva ntageous for the improveme nt and expa nsion. The system has small volume, convenient control, high reliability, the pertinence, higher cost performanee can meet the requirements of classroom lighting con trol all kinds of large, sec on dary tech ni cal schools, can greatly to achieve en ergy sav ing.

Key Words : infrared ； The sensor ； Single chip microcomputer

目录

第1章绪论 ........................................ ...1

§ 1.1研究意义 ...................................... ……1 § 1.2智能控制系统照明的优势 ............................... 1 § 1.3研究的现状和目的 ................................ ..…2

第2章 智能控制器的简介和方案分析 … ................... 4

§ 2.1控制器的简介… .................................................................... 4 § 2.2控制系统方案的分析 … ......................................................... 4

第3章 智能控制模块的硬件设计 … ....................... 6

§ 3.1控制模块的硬件原理图 … ...................................................... 6 § 3.2控制模块硬件的各个模块 … .................................................. 6 § 3.2.1电源模块… ........................................................................ 7 § 3.2.2 LED驱动模块… ................................................................. 7 § 3.2.3传感器检测模块 … ............................................................. 7 § 3.2.4光检测模块… ..................................................................... 8 § 3.2.5单片机模块… ..................................................................... 8

第4章智能控制模块的软件设计 ........................ 9

§ 4.1系统监控主程序 ......................................... 9 § 4.2数据采集............................................... 9 § 4.3时钟模块.............................................. 10

§ 4.4系统按键功能 .......................................... 10

第5章总结 ......................................... 11 致谢 ................................................. 12 参考文献 ............................................. 13

第1章绪论

§ 1.1研究意义

随着社会经济的发展，人民生活水平的不断提高，导致用电量的急剧增加，又 因为世界性的能源危机，能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。 这个问题对我 国来说尤为严重。随着许多大、中专院校的扩招，教室的扩建，教室照明的用电 量也就越来越多，对大多高校来说教室照明的管理不到位， 往往会造成电量的巨 大浪费，因此，提高教室用电效率就成为非常重要的问题。

现在对灯光的智能控制，国内外己经开始采用，但对教室灯光的控制，还没有 普及，由于我国教室灯光的控制不完善， 依然是传统式的人工管理。教室用电管 理不善，会造成学校电量浪费和经济损失，这样的浪费与当今的节约能源理念相 违背。然而，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。除了应该满足为人们在工作、学习、生活时对视觉 环境的要求以外，还应该利用照明设备的不同类型及光线的变换为人们提供一个 舒适的学习和生活环境。所以研究新型智能照明控制系统， 对减少这部分能源消 耗，同时能更好的满足人们对照明质量的要求，都有极其重要的意义。

§ 1.2智能控制照明系统的优势

传统的照明控制系统主要是由照明配电箱通过手动开关控制照明灯具通断的 目的，或者在照明回路中串入接触器，实现远距离控制。在开关控制上采用手动 开关，很大程度上要依赖于人的主动性。而智能照明控制系统可以根据某一区域 的功能、每天不同的时间、室内光照强度等来自动控制照明。 总的来说其优越性 主要表现在以下几个方面：

(1) 提高照明控制的智能化程度，可以使整个照明系统可以全自动状态，然后根 据

不同场合在不同时段的不同需求， 预先设定合适的照明效果，更加具有智能化 和人性化。

⑵ 降低电能消耗，有着良好的节电效果，可以充分利用自然光作为光源，以人 工光

为补充，并结合室内的人员情况，只有在必需时开启照明灯具，节能效果非 常明显，一般可以达到30%左右。

(3)提高教室的照明系统管理水平，将传统的人为开关控制转换为智能系统控制 的管理，将很大减少学校的运行、维护和管理的费用。

§ 1.3研究的现状和目的

主要研究内容：

(1) 了解教室照明光强的标准；

(2) 研究教室灯光照明开、关灯与环境光强弱的关系； (3) 研究传感器教室分布、安放问题； (4) 研究确定人体传感器的有关参数； (5) 研究灯光控制器电源问题；

(6) 研究控制器参数值设定的要求及方案；

⑺研究报警等附加功能问题；

研究目标：研究教室灯光智能控制系统对现有教室照明系统的改造， 实现对照明 系统的人性化智能管理，提高用电效率；以降低成本，实现自动、手动灯光控制 相兼容；通过反复试验和改进，达到可靠性、实用性、推广性较好的目标。

第2章智能控制器的简介和方案分析

§ 2.1控制器的简介

智能控制器可有效的实现教室灯光智能控制。 其输入参数主要是人体的存在信 号和环境光信号等外界因素，环境光照强度达到上限值时不开灯， 环境光照强度 在一定阀值以下且有人存在时开灯，通过传感器检测用这种方式来对教室灯进行 智能控制来实现上述目标。

教室智能灯光控制系统能用于现有教室照明的改造，实现对照明系统的人性化 智能管理，教室灯光控制器一般安装在教室内避开电灯直射的位置，

且人体传感

这样可

器安置时应使人体活动方向与人体传感器中两个热释电元连线方向垂直，

使人体存在信号采集更加灵敏、可靠，同时还要尽可能避免外界风直接吹向人体 传感器

§ 2.2控制系统方案的分析

控制器是以自然光照强度和人体存在作为控制器的主要输入参数，能够实现 自动与手动控制二者相兼容的系统。 首先，系统默认为自动控制状态，当按键模 块感应到有键按下时，系统改为强制控制状态。然后，在自动控制模式下：当自 然光照强度足够时，无论人是否存在，都会不开灯；在自然光照强度较弱时，有 人存在，控制器自动打开电灯，直到人离开后再延时一定时间后关灯。同时，还 可设置作息时间来控制，如果夜晚超过 10点，还有人存在，则关闭自动控制器 的运行，改用开关来手动控制，以解决在特殊情况下，自动控制器的不人性化运 行。该教室灯光控制器主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是是整个 系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。 而软件部分，是对硬件端 口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要完成的各项功能，

达到控制器自动与手动相结合的教室照明智能控制

第3章智能控制模块的硬件设计

§ 3.1控制模块的硬件原理图

本系统主要以单片机控制位中心，根据光照强度、人的存在和按键功能等结合 合成一个系统，该系统原理图如 3-1图所示：

光照强度

51单片机

1教室电灯

时钟电路

人体传感器2

按键输入

图3-1系统原理框图

§ 3.2控制模块硬件的各个模块

系统控制单元是以单片机主控模块为核心，其它主要模块包括：光检测模块、 电源模块、人体传感器模块、LED驱动模块，其结构如3-2图所示：

Z 光检测模块

图3-2智能控制各模块图

§ 3.2.1电源模块

电源电路设计如3-3所示，包括有整流电路、滤波电路和稳压电路，该电路能 将220V的交流电转换成1. 22〜9. 3 V的可调直流电。

§ 3.2.2 LED驱动模块

系统采用LED灯为照明光源，用单片机调节 PWM占空比的工作方式进行调光， 以PT4115芯片作为LED驱动，PW调光是通过改变脉冲宽度进行调光，在单位 时间内反复接通和断开LED电流来调节发光亮度。PT4115芯片驱动电路如图2 所示，其DIM端可以外接PWh脉或直流电压进行调光，也可以接热敏电阻作为辅 助温度控制和自动亮度控制。为了使LED闪烁不易让人眼察觉到，开关频率一般 要大于100 Hz。通过PW碉光，LED的输出电流可以从0〜100%变化。LED的亮 度是由PWMI号的占空比决定的。

§ 3.2.3传感器检测模块

传感器模块工作原理是利用热释电元件的热释电效应来实现检测功能。 当人体 体温为37C时，发出10um波长的红外线，当人体进入检测区，红外感应源上的 温度发生变化，会产生电压信号输出口。本系统利用人体红外检测传感器产生人 存在信号，为单片机输入提供一个脉冲中断信号。 有人进入教室时，人体红外检 测传感器产生一个高电平脉冲，单片机产生中断，经过软件设置标志值等处理， 可进行下一步工作；若没有人进入教室，人体红外检测传感器处于低电平状态， 单片机处于等待状态。 § 3.2.4光检测模块

光检测模块核心器件是光敏电阻，其工作原理是基于内光电效应。在具有光电 导效应的均匀半导体材料两端加上电极，便构成光敏电阻。当光敏电阻的两端加 上适当的偏置电压时，便有电流流过。改变照射到光敏电阻上的光度量， 流过光 敏电阻的电流将会发生变化，说明光敏电阻的阻值随入射光辐射照度变化而变 化。 § 3.2.5单片机模块

系统硬件控制核心是51单片机，该芯片功能强大，资源丰富，编写程序调试 方便。51单片机中央处理器是单片机内部的核心部件， 它决定了单片机的主要 功能特性.中央处理器主要由运算部件和控制部件组成.

中央处理器功能模块

运算部件：它包括算术，逻辑部件 ALU,布尔处理器，累加器ACC寄存器B，暂 存器TMP1和TMP2程序状态字寄存器PSW以及十进制调整电路等.运算部件的 功能是实现 数据的算术逻辑运算，位变址处理和数据传送操作。

第4章智能控制模块的软件设计

§ 4.1系统监控主程序

监控程序按模块可分为监控主程序和命令处理子程序。监控主程序的基本任 务是调用子程序，一个主程序就可以调用多个子程序，对于

51单片机，系统资

源有限，主程序是一个无限循环的过程， 即是一个反复调用子程序的过程。 子程 序主要分为中断子程序和功能子程序， 它们之间可以互相嵌套和调用，即中断子 程序可以调用功能子程序。在应用软件的设计中，尽可能各个功能模块写成子程 序的形式，并通过主程序调用。而命令处理予程序完成各种命令所规定的具体操 作，它按各种命令再分为不同的子程序模块， 它的编程方法与功能要求及系统应 用密切相关。

§ 4.2数据采集

本系统中的数据采集对象为环境光信号及人体存在信号， 在对程序设计中这两 个数据的采集，需要放置多任务模块中去实施定时采集。

人体传感器既有优点，也有缺点。它的优点便是本身不发任何类型的辐射， 器 件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。其缺点是容易受各种热源、光源干扰

；由于

红外穿透力差，且人体的红外辐射也容易被遮挡， 不易被探头接收；易受射频辐 射的干扰；环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时还会造成 短时失灵。试验检测也证明了这点，只要人体存在却有巧秒左右没有活动， 人体 传感器则认为没有人体存在。为避免这种现象的出现，本系统软件程序中设计为 有人体存在状态后间隔2分钟或更长的时间来对人体存在参数信号的采集。

本系统考虑到环境光足够亮时，无论有否人体存在都不应开灯；而环境光不够

亮时，有人体存在才开灯，无人体存在不开灯。本系统逻辑定义为环境光亮时为 二进制的“0” （符合光采集电路输出信号状态），暗时为“T，人体存在为“ 1” 人体不存在为“ 0”，开灯为“ 1”，关灯为“ 0”，那么环境光与人体存在可以 有以下的逻辑关系表表示，如表 4-1所示：

环境光参数 人体存在参数 1 0 1 0 图4-1 教室灯状态 0 0 1 0 0 0 1 1

§ 4.3时钟模块

在系统开始自检初始化时，首先会对时钟芯片的运行状态进行判断，

当检测到

芯片处于启动状态时才对其进行初始化启动。实时时钟芯片的初始化极其读写程 序设计的关键是要遵循其时序要求。对芯片进行读写的程序流程图如图 4-2所示

图4-2

§ 4.4系统按键功能

键盘是系统输入数据设备应用最广泛的一种，

也是人机交互对话、系统进行操作的重要通

把键盘信号采集放在

道，操作者是通过键盘来输入。 本系统键盘一般情况下采用中断方式， 中断程序中除了，键盘的功能放在任务操作模式中完成。

在执行完键盘采集工作后， 如果有

散转到相应的键处理

键按下，程序转入键处理功能程序。系统根据采集过程中得到的键号， 子程序，通过键盘修改系统工作参数。

第5章总结

本次设计对适合应用于教室灯光智能控制系统的控制进行了研究。 主要以环境

光、人体存在状况等外界因素为控制器的输入参数，比单纯的人员管理教室灯光 更合理，更有效的降低了教室灯光的资源费用；同时还加入了时间控制参数，使 教室灯光的控制更加符合学校的作息时间。本控制系统的设计针对于各类大、中 各院校的教室灯光管理具有非常重要的意义，也适用于各类办公室的灯光控制。 本教室智能控制系统的控制主要是以 51单片机主控单元为核心，通过相关电 路的驱动，完成对教室灯光的控制，采用一个二极管闪烁显示整个系统的工作状 态，实现了对教室灯光的自动开灯、 关灯控制。系统设计在实现智能化控制的同 时，还设置了手动，这样在智能控制系统偶尔出现故障时， 还可以采用手动操纵， 不至于影响教室灯光的正常应用。系统控制单元的硬件电路中多采用简易芯片， 不仅简化了电路设计，同时还节省了单片机1/0 口资源，为系统进一步扩展留下 了空间。系统功能的实现通过采用多任务模块编写，省去了一些不必要的延时程 序，提高了系统的运行效率。系统的硬件及软件设计，经实验初步证实了系统具 有很好的稳定性，提高了电能资源的利用率。

本系统在保证装置能稳定可靠工作的前提下，硬件设计上尽量采用性价比高的 元器件，以降低成本。软件设计上采用多任务形式对信号的采集、处理，达到最 终控制灯光的目的。

致谢

本论文的研究是在吕老师的悉心指导下完成的，吕老师严谨的教学态度和科学 的工作方法给了我极大的感染和影响，使我受益匪浅，吕老师给我的设计工作和 论文都提出了许多的宝贵意见，在电路制图上给了我很多帮助，通过上网查阅资 料并在吕老师和同学们耐心帮助下，我不但完成了这次毕业设计而且使我在模拟 电子电路和数字电子电路、单片机等知识方面有了很大的提高，在此表示衷心的 感谢。

感谢母校一武昌理工学院的辛勤培育之恩！ 感谢信息工程学院给我提供的良好 学习及实践环境，使我学到了许多新的知识，掌握了一定的操作技巧，以后能够 适应社会发展的需要。

在撰写论文这段期间，同学们对我论文的设计工作给予了热情帮助， 在此我向 他们表达感激之情。

最后，非常荣幸能在母校四年的学习， 使我增长了知识和开阔了眼界，最重要是认识了我的良师益友，感谢这一切的一切。

的参考文献

1. 靳达•单片机应用系统开发实例导航[M] •北京：人民邮电出版社.2003. 2. 孟立凡、蓝金辉. 传感器原理及应用[M].电子工业出版社.2007. 3. 周明珠.无触点开关在控制中的应用[M].现代电子技术.2002. 4•谭浩强.C程序设计[M].北京：清华大学出版社.M 1999.

5.潘新民、王燕芳.微型计算机控制技术[M].北京：电子工业出版社.2002. 6. 张达敏.教室照明智能控制器[M].贵州工业大学学报（自然科学版）.2003. 7. 李念强、魏长智.数据采集技术与系统设计[M].北京：机械出版社.2009. 8. 李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社.2003. 9. 张友德.单片机原理应用与实验[M].上海：复旦大学出版社.1992.

10.曹巧媛.单片机原理及应用[M].北京：北电子工业出版社.1997.