自動(dòng)開關(guān)燈照明系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

自動(dòng)開關(guān)燈照明系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)目錄摘 要 錯(cuò)誤!未定義書簽。TOC\o"1-5"\h\z第1章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 3\o"CurrentDocument"1.1系統(tǒng)總體框架 3\o"CurrentDocument"1.2系統(tǒng)工作原理 4\o"CurrentDocument"1.3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 4\o"CurrentDocument"1.4感應(yīng)器的選擇 4第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 6\o"CurrentDocument"2.15V穩(wěn)壓電路 6\o"CurrentDocument"2.2單片機(jī)最小系統(tǒng) 6\o"CurrentDocument"2.3過零檢測電路 7\o"CurrentDocument"2.4人體紅外熱釋傳感器模塊 7\o"CurrentDocument"2.5可見光照度傳感器模塊 8\o"CurrentDocument"2.6照明燈驅(qū)動(dòng)電路 9\o"CurrentDocument"2.7串口調(diào)試模塊 9第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 11\o"CurrentDocument"3.1系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊 12\o"CurrentDocument"3.2系統(tǒng)自檢初始化 12\o"CurrentDocument"3.3定時(shí)中斷處理設(shè)計(jì) 13\o"CurrentDocument"3.4人體紅外傳感器的優(yōu)缺點(diǎn) 13\o"CurrentDocument"3.5數(shù)據(jù)采集軟件的實(shí)現(xiàn) 14\o"CurrentDocument"3.6編程仿真 14結(jié) 論 錯(cuò)誤!未定義書簽。致 謝 錯(cuò)誤!未定義書簽。參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤!未定義書簽。第1章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，各類能源浪費(fèi)問題日趨嚴(yán)峻，尤為顯著的如，大型地下停車場、公共衛(wèi)生間、樓道等場所照明用電。雖然白熾燈擁有許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于其能效過低，已被世界各國相繼宣布淘汰。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶動(dòng)下的物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能家居逐漸開始迅猛發(fā)展。照明作為家庭用電中的重要部分，智能照明也擁有廣闊的發(fā)展前景。而且隨著人們對能源節(jié)約的越來越深入人心的認(rèn)識，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)開關(guān)的照明系統(tǒng)的設(shè)備顯得尤為重要。尤為顯著的如，大型地下停車場、公共衛(wèi)生間、樓道等場所照明用電。雖然白熾燈擁有許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于其能效過低，已被世界各國相繼宣布淘汰。隨著普通白熾燈被淘汰［1］，熒光燈、LED和節(jié)能鹵鎢燈成為目前照明燈具市場的三大主流。熒光燈是當(dāng)前替代普通白熾燈最主要也是數(shù)量最多的照明燈，雖然和普通白熾燈相比能節(jié)約80%的電能，但其價(jià)格昂貴，體積較大，發(fā)光面積較大，不是點(diǎn)光源，光譜不連續(xù)，不能做到100%的顯色性。同時(shí)熒光燈含有汞、熒光粉以及大量的電子元器件，廢棄后給環(huán)境帶來的負(fù)擔(dān)是不可估量的。近年來LED的發(fā)展非常迅速，但成本相對較高，且在技術(shù)上還無法做到如黑體輻射的連續(xù)光譜，在顯色性、顏色一致性方面依然無法和節(jié)能鹵鎢燈媲美，所以離大規(guī)模普及仍有一段距離。節(jié)能鹵鎢燈本質(zhì)上仍是白熾燈，其結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、對環(huán)境無害，能直接工作于市電電壓，瞬時(shí)啟動(dòng)，瞬間即可達(dá)到最大光輸出，和普通的白熾燈相比能節(jié)約30%的電能［2］，節(jié)能鹵鎢燈由于其近似于點(diǎn)光源的集中發(fā)光體，幾乎黑體輻射的連續(xù)光譜、100%的顯色性，3000K左右色溫的柔和色光，無頻閃，在很多對照明質(zhì)量要求較高的場所，仍然有不可比擬的優(yōu)越性。考慮到以上因素，按照節(jié)能、減排、智能和實(shí)用的要求，筆者針對節(jié)能鹵鎢燈設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)的智能燈控系統(tǒng)［3］，利用人體紅外熱釋傳感器和可見光照度傳感器構(gòu)成環(huán)境檢測系統(tǒng)，大大提高了燈控系統(tǒng)的靈敏度、精確度和實(shí)用性［4］?，F(xiàn)代自動(dòng)化程度不斷提高，技術(shù)的普及，燈光的管理也在朝著自動(dòng)化、智能化方向的發(fā)展。于是，開發(fā)簡便、實(shí)用的室內(nèi)自動(dòng)開關(guān)燈照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.1系統(tǒng)總體框架本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，由5V穩(wěn)壓電路、過零檢測電路、人體紅外熱釋傳感器模塊、可見光照度傳感器模塊、照明燈驅(qū)動(dòng)電路和串口調(diào)試模塊組成。系統(tǒng)框圖圖1.1所示。

過零檢測電路人體紅外熱釋傳感器模塊

可見光照度傳感器欖玦5V穩(wěn)壓電路單片機(jī)帛口調(diào)試欖塊過零檢測電路人體紅外熱釋傳感器模塊

可見光照度傳感器欖玦5V穩(wěn)壓電路單片機(jī)帛口調(diào)試欖塊照明燈驅(qū)動(dòng)電略圖1.1系統(tǒng)框圖1.2系統(tǒng)工作原理利用人體紅外熱釋傳感器探測人體特征，可見光照度傳感器檢測當(dāng)前環(huán)境照度，把傳感器檢測信號送單片機(jī)處理，根據(jù)處理結(jié)果在單片機(jī)每次中斷時(shí)控制照明燈的開關(guān)和亮度。[5]串口調(diào)試模塊作為人機(jī)交互工具，便于觀察系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。[6]1.3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制器主要是以自然光強(qiáng)度和人體存在作為控制器的主要輸入?yún)?shù)?？梢詫?shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)控制相兼容。在自然環(huán)境光較強(qiáng)光線較強(qiáng)時(shí)，無論是否有人體存在，都不開燈；在環(huán)境光較弱時(shí)，有人存在且超過一定時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)控制器自動(dòng)打開電燈，人離開后延時(shí)一定時(shí)間后再自動(dòng)關(guān)燈。系統(tǒng)控制單元是以單片機(jī)主控模塊為核心，其它外圍電路主要包括：系統(tǒng)供電模塊、環(huán)境光采集模塊、熱釋紅外傳感器模塊及繼電器驅(qū)動(dòng)模塊。單片機(jī)作為主控芯片，熱釋紅外傳感模塊識別人體，光敏電阻識別光線，LM393電壓比較器將光敏芯片處理給單片機(jī)，繼電器控制負(fù)載燈。設(shè)計(jì)可以應(yīng)用在教室，圖書館等一些公共場所，當(dāng)光線暗并且有人時(shí)，繼電器會吸合，從而驅(qū)動(dòng)任何負(fù)載，智能延時(shí)，當(dāng)沒有人時(shí)燈不會亮，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能、智能的效果。1.4感應(yīng)器的選擇方案一：感應(yīng)人體采用被動(dòng)式紅外傳感技術(shù)，利用紅外光敏器件將活動(dòng)生物體發(fā)出的微量紅外線轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，并進(jìn)行放大處理。它能可靠的將運(yùn)動(dòng)著的生物體和飄落的物體加以區(qū)別。同時(shí)它還具有監(jiān)控范圍大，隱蔽性好，抗干擾能力強(qiáng)和誤報(bào)率低等特點(diǎn)。被動(dòng)式紅外入侵報(bào)警器又稱熱釋電紅外入侵報(bào)警器，由光學(xué)系統(tǒng)，紅外傳感器和信息處理三部分組成。目前與紅外傳感器配套的光學(xué)系統(tǒng)有三種，即反射式、透射式和折射式。其中反射式光學(xué)系統(tǒng)的靈敏度最高，其探測距離可達(dá)25?60m；透射式的靈敏度最低，探測距離為2?10m；折射式居中，兼有反射式和透射式的優(yōu)、缺點(diǎn)。方案二：感應(yīng)人體采用主動(dòng)式紅外探測器，由紅外發(fā)射機(jī)、紅外接收機(jī)組成。分別置于收、發(fā)端的光學(xué)系統(tǒng)一般采用的是光學(xué)透鏡，起到將紅外光束聚焦成較細(xì)的平行光束的作用,以使紅外光的能量能夠集中傳送。紅外光在人眼看不見的光譜范圍，有人經(jīng)過這條無形的封鎖線，必然全部或部分遮擋紅外光束。接收端輸出的電信號的強(qiáng)度會因此產(chǎn)生變化，從而啟動(dòng)信號。第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.15V穩(wěn)壓電路本系統(tǒng)低壓部分電源由220V-9V變壓器引入，經(jīng)過一個(gè)整流橋獲得9V直流電源，然后采用三端線性穩(wěn)壓芯片LM7805得到5V直流電源。5V穩(wěn)壓電路原理圖圖2.1所示。2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)STC12C5A60S2AD系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（IT）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。其最小系統(tǒng)由復(fù)位電路和晶振電路組成，單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖圖2.2所示。VCC5VSTC12C5A6CS2CMrstJi-56761uuO4.44pppppP47654222pppP11P1143斗nlVCC5VSTC12C5A6CS2CMrstJi-56761uuO4.44pppppP47654222pppP11P1143斗nldl_ul33ppGNDdE r i o m jo—rr￥ V- ? ■ h *89-4r_rr—■i_ii—1dddC-F比￡dUd-3*33ppp&77031O i rs) E 寸?■■ + ■■ F■rM f E Z Ed d d d dfri"1",r, Mr—il2MllzGNDoo圖2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖2.3過零檢測電路D2、D3電壓取自220V-9V變壓器次級，經(jīng)全波整流形成脈動(dòng)直流電壓波形，由電阻分壓，再經(jīng)過電容濾波，形成三極管基極電壓波形。當(dāng)基極電壓低于0.7V時(shí)，三極管截止,反之，三極管導(dǎo)通。三極管集電極通過上拉電阻R4形成高電平。通過三極管的反復(fù)導(dǎo)通和截止，在集電極處輸出100Hz脈沖電平，供單片機(jī)下降沿中斷。過零檢測電路原理圖圖2.3所示。7?1 °3|?7?1 °3|?T1X4097^9V/ACD2兇1N4007^112kQVCC5Vnra￥w飆i脈沖GND圖2.3過零檢測電路2.4人體紅外熱釋傳感器模塊人體都有恒定的體溫，一般在37度左右，所以會發(fā)射出特定波長10um左右的紅外線。人體紅外熱釋傳感器能以非接觸形式檢測到人體發(fā)射的紅外線，在其上安裝菲涅耳透鏡，可以將熱釋的紅外信號折射（反射）在紅外熱釋傳感器上，也能將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入警戒區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在紅外熱釋傳感器上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號，這樣紅外熱釋傳感器就能產(chǎn)生變化的電信號。本系統(tǒng)的人體紅外熱釋傳感器元件采用HC-SR501,以BISS0001集成芯片再配以相應(yīng)外接阻容元件構(gòu)成傳感器的信號處理電路。把BISS0001的1腳接高電平，設(shè)置本電路為可重復(fù)觸發(fā)。輸出延遲時(shí)間可以通過改變R11的大小來調(diào)節(jié)。人體紅外熱釋傳感器將感應(yīng)到的紅外輻射能量的變化轉(zhuǎn)換成電信號，通過BISS0001的2腳輸出。當(dāng)有人在警戒區(qū)內(nèi)移動(dòng)時(shí)模塊輸出3.3V電壓，沒人時(shí)模塊輸出低電平。實(shí)驗(yàn)測得該模塊感應(yīng)最遠(yuǎn)距離可達(dá)8m，最大角度為110°。人體紅外熱釋傳感器模塊原理圖圖2.4所示。圖2.4人體紅外熱釋傳感器模塊原理圖2.5可見光照度傳感器模塊可見光照度傳感器采用ON9658，它是一個(gè)光電集成傳感器，典型入射波長為520nm，可見光范圍內(nèi)高度敏感，內(nèi)置雙敏感元接收器、微信號CMOS放大器、高精度電壓源和修正電路，輸出電流隨照度呈線性變化。溫度穩(wěn)定性好。由于該傳感器輸出信號是峰值隨照度變化的正弦波。因此采用肖特基二極管加阻容元件構(gòu)成的硬件檢波電路來獲取傳感器輸出電壓的峰值，最后輸出幅值為正弦波峰值的直流電壓信號。可見光照度傳感器模塊原理圖圖2.5所示。0N9658R]{lk￡2VCC5V0N9658R]{lk￡2ADC1rD4ADC1r—TSS34SS341pF■不1)5 05士SS341pF■GND圖2.5可見光照度傳感器模塊原理圖2.6照明燈驅(qū)動(dòng)電路照明燈驅(qū)動(dòng)電路主要由250V雙向光電耦合器MOC3O21和雙向晶閘管BT136構(gòu)成，其中R7和R8串聯(lián)構(gòu)成雙向晶閘管的門極電阻，當(dāng)雙向晶閘管靈敏度較高時(shí)，門極阻抗也很高，并上這兩個(gè)電阻可提高抗干擾能力。R8和C6組成浪涌吸收電路,防止浪涌電壓損壞雙向晶閘管。單片機(jī)的一個(gè)I/O口輸出照明控制信號，觸發(fā)光電耦合器M0C3021來控制雙向晶閘管BT136的通斷，這樣便能控制照明燈的開關(guān)和亮度。照明燈驅(qū)動(dòng)電路圖2.6所示。圖2.6圖2.6照明燈驅(qū)動(dòng)電路2.7串口調(diào)試模塊本系統(tǒng)的串口調(diào)試模塊采用RS-232串口通信，其最遠(yuǎn)傳輸距離是50英尺，最高傳輸速率是20kbps。能做到雙向傳輸，全雙工通信。因?yàn)镽S-232上傳輸?shù)臄?shù)字量采用負(fù)邏輯，只與地對稱，所以與單片機(jī)連接時(shí)需要加入電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232。串口調(diào)試模塊原理圖圖2.7所示VCC5VQ匚1叮-qCiC~lpF^13ZJ51Tpm.iioZUP3,o9C1+VCCC1-V+C2+V-C2-GNDT1INT10UTT2INT2OUTR10UTR1R20UTR21NMAX232JAJ_Lg"2T1PFi 4—J—1F+15

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TFRS-232圖2.7串口調(diào)試模塊原理圖第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件程序使用C語言編程，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以主程序?yàn)楹诵脑O(shè)置了A/D轉(zhuǎn)換程序、I/O口輸出照明控制程序、串口發(fā)送程序及中斷函數(shù)4個(gè)模塊。［7］主程序流程圖圖3.1和中斷函數(shù)流程圖圖3.2所示。*，，I ?f;統(tǒng)初始北二$二［開中is丨$人體纟皿卜熱甯傳感器檢測冋圖3.1主程序流程圖圖3.1主程序流程圖<1可X.巴財(cái)度傳感囂檢測-4_給走一個(gè)周期內(nèi)燈的關(guān)斷時(shí)阿：計(jì)#一個(gè)冏期內(nèi)廠靳關(guān)斷Et同：］（）TS/2002utrs延時(shí)廠發(fā)點(diǎn)亮燈信號I短廷時(shí)—

fT發(fā)關(guān)閉燈信尋「返回）圖3.2中斷函數(shù)流程圖3.1系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊系統(tǒng)的監(jiān)控觀測程序按模塊可分成中斷子程序和監(jiān)控觀測主程序。照明燈光自動(dòng)控制的整個(gè)系統(tǒng)的核心就是監(jiān)控觀測主程序，通過人體紅外傳感器反饋給單片機(jī)的信息由用戶編寫好的程序進(jìn)行判斷，最終將顯示的結(jié)果在LCD1602液晶顯示屏中顯示出來。3.2系統(tǒng)自檢初始化為了保證整個(gè)控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，系統(tǒng)的自檢初始化是很必要的條件。系統(tǒng)在加電復(fù)位以后，就進(jìn)入了自檢初始化程序，從而系統(tǒng)的自檢初始化被完成。初始化主要對一些數(shù)據(jù)區(qū)、控制寄存器和外部芯片進(jìn)行初始的參數(shù)設(shè)置以及定義。在本系統(tǒng)中主要指的是系統(tǒng)內(nèi)部寄存器的初始化、各接口芯片的檢測及芯片內(nèi)部設(shè)定參數(shù)的初始化。檢測各接口芯片主要是對各芯片是否已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的檢測，在無硬件方面是否存在故障等。如果時(shí)鐘芯片正處于啟動(dòng)的狀態(tài)，就需要對時(shí)鐘芯片進(jìn)行初始化并且啟動(dòng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。系統(tǒng)內(nèi)部寄存器初始化一般指的是在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)之內(nèi)，部分特殊功能寄存器SFR的復(fù)位初始化和各用戶定義的數(shù)據(jù)變量的初始化賦值，當(dāng)單片機(jī)復(fù)位之后，計(jì)數(shù)器PC就會指向程序存儲器的入口地址，程序狀態(tài)字寄存器PSW被清零，片內(nèi)存儲器選擇工作寄存器，用戶的標(biāo)志位F0是0狀態(tài)，堆棧指針SP指向07H,其它中斷允許寄存器IE、定時(shí)器,累加器ACC等等都是00H。3.3定時(shí)中斷處理設(shè)計(jì)定時(shí)中斷是在用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)，計(jì)數(shù)值已滿或是時(shí)間到而引起的中斷，內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)數(shù)器可以對從外部引線T0和T1輸入的外部脈沖或內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的溢出的信號就會引起中斷，去置位定時(shí)器溢出的標(biāo)志位，向單片機(jī)CPU申請中斷。[8]定時(shí)中斷是周期性的中斷，每過一定的時(shí)間要中斷一次。這個(gè)系統(tǒng)里設(shè)定的定時(shí)中斷主要是用來構(gòu)造多任務(wù)的操作系統(tǒng)，響應(yīng)中斷之后，無必要對斷點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場的保護(hù)，可以直接進(jìn)入多任務(wù)時(shí)間劃分的工作，使得相應(yīng)的操作任務(wù)準(zhǔn)備就緒。該定時(shí)中斷處理程序框圖如圖17所示：圖3.3定時(shí)中斷處理程序框圖系統(tǒng)還采用了外部中斷，主要用來判斷是否有外來信號的輸入，如果有，就采集下來然后處理；如果無，就返回到主循環(huán)。3.4人體紅外傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)人體紅外傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)，如其耗電量較小，價(jià)格方面相對于其他產(chǎn)品比較實(shí)在、最重要的是它不會對人體產(chǎn)生輻射。缺點(diǎn)就是容易被各類光源、熱源干擾。當(dāng)有人體存在時(shí)卻一定時(shí)間內(nèi)沒有任何的活動(dòng)，人體紅外傳感器就會認(rèn)為沒有人體的存在。為了避免該現(xiàn)象出現(xiàn)，系統(tǒng)軟件程序中設(shè)計(jì)為有人體存在狀態(tài)之后間隔1分鐘或是更長時(shí)間來對人體存在參數(shù)信號進(jìn)行米集。[9]人體存在傳感器容易受到外界干擾，因此我們要在使用的時(shí)后就要特別注意如何消除外界帶來的干擾。（1）小動(dòng)物干擾探測器安裝在特定的使用高度，對探測范圍里地面上的小動(dòng)物，就不會產(chǎn)生信號。（2）電磁干擾探測器抗電磁干擾性能符合GB1040要求，一般手機(jī)電磁不會引起干擾。（3）燈光干擾探測器在正常靈敏度的范圍之內(nèi)，受到3米以外H4鹵素?zé)敉高^玻璃照射，不會產(chǎn)生信號。3.5數(shù)據(jù)采集軟件的實(shí)現(xiàn)環(huán)境光足夠強(qiáng)時(shí)，無論是否有人存在都不會開燈；當(dāng)環(huán)境光不夠強(qiáng)時(shí)，當(dāng)有人存在才會開燈，沒有人存在就不會開燈。故邏輯關(guān)系表可如表1表示：表1環(huán)境光與人體存在邏輯關(guān)系環(huán)境光參數(shù)人體存在參數(shù)教室照明燈狀態(tài)0001000101113.6編程仿真本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用KeilC51軟件進(jìn)行編程。KeilC51軟件是眾多單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)的優(yōu)秀軟件之一，KeilC51集成開發(fā)環(huán)境是一個(gè)基于Windows的軟件開發(fā)平臺，它包含了源