基于單片機(jī)的照明控制系統(tǒng)

1、單片機(jī)原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告1 題目及功能需求分析 題目：基于單片機(jī)的照明控制系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)生活中，存在大量的電力能源在照明應(yīng)用中的無(wú)故消耗，為此創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)易的基于單片機(jī)的照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有以下功能：第一，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人體紅外檢測(cè)電路，有進(jìn)入探測(cè)范圍時(shí)輸出信號(hào)。第二，系統(tǒng)設(shè)計(jì)自然光檢測(cè)電路，對(duì)照明現(xiàn)場(chǎng)的亮度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。雖然現(xiàn)場(chǎng)有人，但如果現(xiàn)場(chǎng)的亮度如果能夠滿足設(shè)定要求時(shí)，系統(tǒng)同樣關(guān)閉照明設(shè)備。第三，設(shè)計(jì)按鍵電路，按鍵按下時(shí)強(qiáng)制關(guān)燈，比如說(shuō)夜間看電視或是其他不需要燈光的時(shí)刻。當(dāng)按鍵彈起時(shí)，仍為自動(dòng)監(jiān)控，控制燈泡的開(kāi)關(guān)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是：第一，以人為本，人使用燈。第二，節(jié)能環(huán)保。該系統(tǒng)可用于

2、普通的家庭照明控制，也可用于公共場(chǎng)所的照明系統(tǒng)控制，既能滿足人們對(duì)照明的需求，又能在很大程度上節(jié)約能源，特別適用于夜間少有人經(jīng)過(guò)的街道，可很大程度上節(jié)約電力能源。2 方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體框圖照明電路繼電器執(zhí)行電路LED指示電路人體紅外檢測(cè)電路 AT89C51 最小系統(tǒng)按 鍵 電 路自然光檢測(cè)電路晶振電路復(fù)位電路圖1系統(tǒng)總體框圖2.2 硬件電路設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)總體框圖可知該系統(tǒng)有復(fù)位電路，晶振電路，人體紅外檢測(cè)電路，可見(jiàn)光檢測(cè)電路，按鍵電路，LED指示電路，繼電器執(zhí)行電路以及照明電路。各個(gè)模塊間協(xié)調(diào)工作才能使系統(tǒng)得以穩(wěn)定運(yùn)行。硬件詳細(xì)電路圖見(jiàn)附錄一圖5。2.2.1 復(fù)位電路 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常狀況時(shí)

3、，可通過(guò)按下復(fù)位鍵來(lái)使系統(tǒng)重新開(kāi)始正常運(yùn)行。2.2.2 人體紅外檢測(cè)電路人體紅外信號(hào)檢測(cè)電路用來(lái)監(jiān)控照明控制單元里是否有人進(jìn)入。通過(guò)檢測(cè)是否有人體紅外信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。人體輻射的紅外線中心波長(zhǎng)為910m測(cè)元件的波長(zhǎng)靈敏度在0.220m范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開(kāi)設(shè)了一個(gè)裝有濾光鏡片的窗口，這個(gè)濾光片可通過(guò)光的波長(zhǎng)范圍為710m，正好適合于人體紅外輻射的探測(cè)，而對(duì)其它波長(zhǎng)的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測(cè)人體輻射的紅外線傳感器。PIR信號(hào)處理電路熱釋電紅外傳感器PIR菲涅爾透鏡圖2 人體紅外檢測(cè)電路框圖如圖2所示，該模塊由三部分組成，包括：菲涅爾透鏡，熱釋電紅外傳感器

4、以及相應(yīng)的傳感器信號(hào)處理電路。人體熱釋紅外信號(hào)通過(guò)菲涅爾透鏡聚焦，傳給熱釋電紅外傳感器PIR，然后PIR將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱電信號(hào)，接著PIR信號(hào)處理電路將微弱電信號(hào)進(jìn)行處理，生產(chǎn)單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。最終有人時(shí)，PIR輸出為高電平；無(wú)人時(shí)PIR輸出為低電平。這就是該電路模塊要實(shí)現(xiàn)的功能。由于在proteus里無(wú)法進(jìn)行人體紅外檢測(cè)，不便進(jìn)行仿真，但檢測(cè)結(jié)果均是輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)檢測(cè)狀態(tài)的高電平或低電平。因此用一個(gè)按鍵電路來(lái)代替人體檢測(cè)模塊進(jìn)行仿真。當(dāng)按鍵按下時(shí)給相應(yīng)的I/O口輸入一個(gè)高電平，表示檢測(cè)到有人進(jìn)入監(jiān)區(qū)域，執(zhí)行相應(yīng)操作；當(dāng)按鍵彈起時(shí)表示沒(méi)有人進(jìn)入監(jiān)測(cè)區(qū)域，不論光照強(qiáng)度如何變化，是否滿足條

5、件，均不開(kāi)啟燈光，保持關(guān)閉。雖然不能具體仿真紅外檢測(cè)電路，但其輸出結(jié)果是一樣的，對(duì)仿真結(jié)果并無(wú)影響。2.2.3 晶振電路AT89C51雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2MHz到12MHz之間選擇。電容值無(wú)嚴(yán)格要求，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)中，振蕩晶體選擇12MHz,電容選擇65pf。2.2.4 可見(jiàn)光檢測(cè)電路光敏二極管使用

6、時(shí)要反向接入電路中，即正極接電源負(fù)極，負(fù)極接電源正極。光敏二極管在反向工作電壓下工作：無(wú)光照時(shí)向電阻很大，通過(guò)管子的電流較小，約為0.1微安；有光照時(shí)反向電阻顯著減小，反向電流顯著增加，光電流的大小與光的強(qiáng)度，波長(zhǎng)有關(guān)。電壓比較器LM339：該器件包含一個(gè)同相輸入端與一個(gè)反相輸入端，當(dāng)同相輸入端電壓高時(shí)輸出高電平信號(hào)，反之，反相輸入端電壓高時(shí)輸出低電平信號(hào)。在本系統(tǒng)中，LM339同相輸入端接光敏電阻LDR所分電壓，反相輸入端接滑動(dòng)變阻器所調(diào)節(jié)好的參考電壓。因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的分壓大小來(lái)設(shè)立需要點(diǎn)亮燈泡時(shí)的光照強(qiáng)度，做到燈光開(kāi)啟條件的可調(diào)，這也是系統(tǒng)的一個(gè)亮點(diǎn)。但是LM339輸出的信號(hào)

7、太弱，不足以引起響應(yīng)，因此在輸出端后面加一個(gè)PNP三極管進(jìn)行信號(hào)放大，滿足單片機(jī)工作的電平要求。2.2.5 LED指示模塊任何儀器設(shè)備，如果有實(shí)時(shí)的信號(hào)指示，不僅能夠幫助人們分析該系統(tǒng)是否在正常工作。而且具有一種心理暗示，能夠讓人覺(jué)得踏實(shí)愉悅。該照明系統(tǒng)設(shè)置了兩個(gè)LED燈作指示燈，黃色LED亮?xí)r，表示系統(tǒng)監(jiān)測(cè)區(qū)域有人；紅色色LED燈亮?xí)r，表示系統(tǒng)控制的燈泡處于點(diǎn)亮狀態(tài)，同時(shí)，該LED也作為繼電器電路的一個(gè)保護(hù)二極管，起續(xù)流作用，不能忽略。2.2.6 繼電器執(zhí)行照明電路電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜

8、鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開(kāi)觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來(lái)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）釋放。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對(duì)于繼電器的“常開(kāi)、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來(lái)區(qū)分：繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開(kāi)觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”。繼電器一般有兩股電路，為低壓控制電路和高壓工作電路。繼電器驅(qū)動(dòng)接口電路如圖3所示，這里繼電器由相應(yīng)的PNP型號(hào)的三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)，繼電器吸合，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載，點(diǎn)亮相應(yīng)電燈。設(shè)計(jì)中負(fù)載沒(méi)有接，當(dāng)

9、繼電器吸合時(shí)，燈泡也會(huì)得電，達(dá)到指示的作用。圖3 繼電器驅(qū)動(dòng)電路2.3 軟件設(shè)計(jì)在對(duì)我們所要設(shè)計(jì)的課題有了整體的了解之后，需要先建立程序框架的流程圖，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)劃分模塊，逐個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)其功能，最終把各個(gè)子模塊合理的連接起來(lái)，構(gòu)成總的程序。本章的軟件設(shè)計(jì)根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，以系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，采用模塊化的程序設(shè)計(jì)思想，確保完成系統(tǒng)功能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。軟件設(shè)計(jì)的目的就是讓單片機(jī)加載程序并運(yùn)行，對(duì)時(shí)間、光照強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果控制繼電器的輸出。系統(tǒng)的軟件總流程圖如圖4所示。按照流程圖編寫(xiě)出正確的代碼，并進(jìn)行編譯，代碼內(nèi)容詳見(jiàn)附錄二。3 系統(tǒng)仿真與調(diào)試本次設(shè)計(jì)是在Keil C環(huán)境下

10、開(kāi)發(fā)的，Keil C軟件支持C語(yǔ)言的編程及調(diào)試，運(yùn)用方便，是做C語(yǔ)言畢業(yè)設(shè)計(jì)者的首選。設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是安裝和學(xué)習(xí)使用這個(gè)軟件，在簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)和了解Keil C后，在編譯完Keil C后，要產(chǎn)生和輸出一個(gè).hex文件，這是單片機(jī)能夠識(shí)別的二進(jìn)制碼的文件。打開(kāi)proteus，雙擊AT89C51芯片，將產(chǎn)生的.hex文件燒錄到芯片中，點(diǎn)擊確定，開(kāi)始仿真。調(diào)節(jié)光敏電阻的滑動(dòng)觸頭，可以調(diào)節(jié)其對(duì)應(yīng)的電阻分壓的大小。當(dāng)光敏電阻所分電壓小于滑動(dòng)變阻器RV1的電壓時(shí)，電壓比較器輸出低電平，即進(jìn)入弱光時(shí)期，再進(jìn)行人體及按鍵判斷即可執(zhí)行相應(yīng)的操作。反之，當(dāng)光敏電阻所分電壓大于滑動(dòng)變阻器RV1的電壓時(shí)，電壓比較器輸出高

11、電平，即進(jìn)入強(qiáng)光時(shí)期，再進(jìn)行人體及按鍵判斷即可執(zhí)行相應(yīng)的燈泡控制操作。在按鍵電路中，當(dāng)將按鍵按下時(shí)，表示此時(shí)不需要開(kāi)燈，強(qiáng)制關(guān)燈，當(dāng)按鍵彈起時(shí)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)。開(kāi)始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化是否檢測(cè)到人體光線是否過(guò)弱延時(shí)5秒是否檢測(cè)到人體系統(tǒng)初始化NYY NN Y圖4系統(tǒng)軟件總流程圖4. 總結(jié) 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了功能需求分析里的所有功能，包括人體紅外檢測(cè)、可見(jiàn)光強(qiáng)度檢測(cè)以及按鍵控制功能。系統(tǒng)功能雖然不太多，但是體現(xiàn)了單片機(jī)控制照明的理念，以后可以進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展。比如說(shuō)，可以加入聲控開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行更綜合的控制等。2014年的諾貝爾物理獎(jiǎng)發(fā)給了發(fā)明藍(lán)光LED的三名工程師，再加上早已發(fā)明的紅光和綠光LED，就可以實(shí)現(xiàn)用L

12、ED實(shí)現(xiàn)白光照明。如果再運(yùn)用上PWM技術(shù)對(duì)照明亮度進(jìn)行控制，就可以實(shí)現(xiàn)一種更節(jié)能，更多樣化的照明。可以結(jié)合適合人的各個(gè)狀態(tài)需要光照所對(duì)應(yīng)的光譜來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)LED照明系統(tǒng)的光照 ，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜，更加人性化的照明控制，讓人們的生活更加美好！12附錄一 圖5 照明系統(tǒng)仿真電路附錄二#include<reg51.h>#include<intrins.h>#include<absacc.h>/頭文件sbit QK = P00;/人為控制按鍵sbit GM = P10;/光敏電阻信號(hào)輸出sbit RT = P15;/人體紅外，按鍵按下為高，表示有人sbit KZ = P3

13、5;/繼電器控制燈#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/宏定義void init(); /初始化函數(shù)void delay(uint x); /延時(shí)函數(shù)void work(); /燈泡控制函數(shù)/*主函數(shù)*/void main()init();/系統(tǒng)初始化while(1)/主循環(huán)work();/調(diào)用工作函數(shù) void init()/系統(tǒng)初始化GM=0;/光敏輸出置低RT=0;/人體紅外輸出置低/*工作函數(shù)*/void work()if(QK=1)/按鍵彈起,自動(dòng)監(jiān)測(cè)if(GM=1)/光敏判斷是否為黑天delay(20);/延時(shí)20msif(GM=1)/確定是否為黑天 /如果為黑天if(RT=1)/檢測(cè)人體 /如果檢測(cè)到人體KZ = 0;/繼電器吸合elseif(RT=0)/如果沒(méi)有感應(yīng)到人體KZ = 1;/繼電器斷開(kāi)else/否則KZ = 0;/繼電器吸合delay(5000);/延時(shí)5秒else/如果光敏檢測(cè)的為白天delay(20);/延時(shí)20msif(GM=0)/確定是否為白天 /如果為白天KZ = 1;/繼電器斷開(kāi)elseKZ = 1;/按鍵按下，強(qiáng)制關(guān)閉燈泡/*延時(shí)函數(shù)*/void delay(uint x)uint i;uchar j;for(i=0;i<x;i