基于单片机的智能LED照明控制新版专业系统设计.doc

基于51单片机智能LED照明控制系统设计
摘 要

伴随社会发展大家对生活质量要求越来越高，照明在能耗中所占百分比日益增加,所以照明节能也日显关键。现在中国外普及使用节能开关基础有声控型、触摸型、感光型等。这多个开关各有自己弊端，如声控型不适合环境嘈杂场所、感光型开关在无人期间不能自动关闭。本设计经过AT89C51单片机结合LED照明技术、红外传感技术、光感技术、延时技术、处理等技术来实现对照明设备智能控制。单片机经过继电器控制照明设备打开或关闭、经过光照检测电路对照明设备周围亮度进行检测，假如亮度不够则单片机同时检测BIS0001芯片是否采集到了人体热释电传感信号，依据有没有些人体热释电传感信号单片机立即控制照明设备打开或关闭。

关键词： 单片机；传感器；BIS0001；照明控制；节能
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Abstract

With the development of society people of the quality of life in demand is higher and higher, lighting in the proportion of energy consumption, thus increasing illumination energy conservation also more and more importantly. Now universal use energy-saving switch at home and abroad have sonic basic type, touch type, photographic type and so on. This several switch have their own disadvantages, such as sonic type is not suitable for environmental noisy places, photographic switch in one period can't shut automatically. This design combined by AT89C51 LED lighting technology, infrared sensing technology, light sensor technology, the delay technique and processing technology to realize the intelligent control of lighting equipment. Microcomputer controls lighting equipment open or closed, by the relay ,through the light detection circuit for lighting equipment testing, if surrounding brightness is not enough then microcomputer detect the BIS0001 chip whether collected to human pyroelectric sensing signals, according to whether have pyroelectric sensing signals microcontroller redirected immediately control lighting equipment open or closed.

Keywords: microcontroller;sensor;BIS0001;lighting control;energy-saving
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目 录

摘 要 I
ABSTRACT II
前 言 1
1 概述 2
1.1 课题研究背景 2
1.2 课题研究目标和意义 2
1.2.1 良好节能效果和延长灯具寿命 2
1.2.2 改善工作环境，提升工作效率 2
1.2.3 提升管理水平 3
1.2.4 很好投资收益效果 3
2 系统设计方案 4
2.1 单片机选择 4
2.2光照检测方法 5
2.3 人体感应方法 5
2.4 延时参数设置电路 6
2.5 照明设备驱动电路 6
3 硬件电路设计和实现 7
3.1 系统硬件总述 7
3.2 CPU性能介绍 7
3.3 主控制机电路设计 7
3.4 菲涅尔透镜 8
3.5 热释电传感器及处理电路 9
3.5.1 热释电红外线传感器 9
3.5.2 信号处理电路 10
3.6 光照检测电路 11
3.7 控制电路 11
3.7.1 延时时间选择电路 11
3.7.2 输出控制电路 12
3.8 时钟电路 12
4 系统软件设计及实现 13
4.1 系统软件步骤图 13
4.2 仿真环境介绍 14
4.2.1 Keil介绍 14
4.2.2 Proteus介绍 14
5 系统可靠性技术 15
5.1干扰产生后果 15
5.2 单片机应用系统硬件抗干扰设计 16
5.3 软件抗干扰技术 17
毕业设计总结 19
参考文件 20
致 谢 21

前 言
伴随国民经济快速发展和社会进步，教育在全社会愈加被关注和重视，校园规模也伴随受教育者数量增加而不停扩大，教室数量也大幅度增加。为使师生有舒适教学和学习环境，不管是教室面积、设施和照度，校方在力所能及范围内，全部付出了十分努力。但因为学校开放型管理模式，和全员节能意识淡薄，高校教室在白天室内照度很高情况下，仍然普遍存在开灯作业；即使室内无人或人数极少情况下，也是全部开启室内照明。夜间很多教室，即使仅有多个学生在教室自习，但室内照明全部开启，绝不会有师生因为只有少数人而仅开几盏灯。
LED被认为是二十一世纪照明光源。LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，一样亮度下，LED能耗为白炽灯10％，荧光灯50％。LED寿命可达10万小时，是荧光灯10倍，白炽灯100倍。用LED替换白炽灯或荧光灯，环境保护无污染。使用安全可靠，便于维护。中国照明用电占总发电量12％。现在，公共建筑照明灯具控制大多采取手动开关，常常出现没有立即开关现象，从而造成大量能源浪费和使用上不便。另外，无须要使用，也会缩短灯具使用寿命。本文叙述了一套LED智能照明控制系统设计方案，能够依据工作环境中是否有些人员和环境补光亮度等来自动控制照明开关和亮度。采取本系统含有提升用电效率，节省电能和缓解了用电高峰电力供给压力双重作用。
单片机出现至今已经有30多年历史了。微型计算机快速发展，促进微型计算机测量和控制技术快速发展和广泛应用，单片机（单片微型计算机）应用已经渗透到广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且也深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，并掀起了一场数字化技术革命。单片微型计算机就是将中央处理单元、存放器、定时/计数器和多个接口全部集成到一块集成电路芯片上微型计算机。所以一块芯片就组成了一台计算机。它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用计算机。
本篇论文介绍了就是基于单片机AT89C51室内灯光控制系统研究和开发。本系统是以单片机为控制器关键，本系统关键由光照检测电路、热释电红外线传感器及处理电路、单片机系统及控制电路组成。工作时，光照检测电路和热释电红外线传感器采集光照强弱、室人是否有些人等信息送到单片机，单片机依据这些信息经过控制电路对LED照明设备进行开关操作，从而实现照明控制，以达成节能目标。
1 概述
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1.1 课题研究背景
伴随计算机网络、通信、控制等技术发展,智能建筑发展越来越迅猛。现在，中国大多数智能建筑存在效率低、能耗高现象。就智能建筑照明系统来说，很多地方灯常常是从早到晚开着，不管这些房间或楼道是否有些人，也不管有多少人。或，当自然光照度很好时，灯不能立即关闭；反之，当自然光照度难以满足人需求时，又不能立即打开灯光。这种照明方法，不仅造成能源浪费，而且不能满足人对照明基础需求，同时也给人视力造成了很大影响。现代照明除了满足人基础生活、学习要求之外，将更重视能量节省和使用上便利，和满足人类工程学个性方面要求。尤其是多年来大厦内利用计算机工作人员百分比上升，不一样视觉要求工作数量和复杂程度大大增加。所以要做到合理、经济、节能，首先应采取优异成熟技术和产品，如电光源、灯具、照明控制系统。所以，适应不一样个人和工作需要，结合自动调整和手动调整智能化照明系统已经成为必不可少了。
而在大学校园建设热潮中，各大高校和她们建设者也意识到了智能照明关键性。相对商业楼宇而言，大学校园里大功率动力和制冷设备比重较少，照明灯具则相对比重更多，所以控制教室照明是节能关键。使用照明控制系统，更能表现其在节能和管理方面优势，提升学校科学管理水平，而且还能节省开支。
1.2 课题研究目标和意义
1.2.1 良好节能效果和延长灯具寿命
节能是照明控制系统最大优势。传统楼宇公共区域照明工作模式，只能是白天关灯，晚上开灯。而采取了智能照明控制系统后，能够依据不一样场所、不一样人流量，进行时间段、工作模式细分，把无须要照明关掉，在需要时自动开启。同时，系统还能充足利用自然光，自动调整室内照度。控制系统实现了不一样工作场所多个照明工作模式，在确保必需照明同时，有效降低了灯具工作时间，节省了无须要能源开支，也延长了灯具寿命。
1.2.2 改善工作环境，提升工作效率
良好工作环境是提升工作效率一个必需条件。合理地选择光源、灯具及性能优越照明控制系统，全部能提升照明质量。智能照明控制系统含有开关和调光两种控制方法，能够有效地控制多种照明场所平均照度值，从而提升照度均匀性。同时，系统能依据不一样时间段，大家不一样需要，自动调整照度。
1.2.3 提升管理水平
智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅系统。在通常情况下，不需要有些人参与，照明系统自动实现开关和调光功效，既大大降低了管理人员数量，也排除了因为人为原因而出现不定时开关，影响学校正常教学、生活秩序情况。
1.2.4 很好投资收益效果
智能照明控制系统在节能和节省灯具使用同时，有效节省了电费和管理费用支出。依据通常办公大楼运行经验来看，节能效果能达成40％以上，通常商场、酒店、地铁站等节能效果也能达成25％～30％。

2 系统设计方案
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2.1 单片机选择
方案一、MCS-51单片机
AT89C51是MSC-51单片机中应用最广泛型号， 现在以其为代表介绍其参数。AT89C51单片机是把那些作为控制应用所必需基础内容全部集成在一个尺寸有限集成电路芯片上。假如按功效划分，它由以下功效部件组成，即微处理器、数据存放器、程序存放器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中止系统及特殊功效寄存器。它们全部是经过片内单一总线连接而成，其基础结构依旧是CPU加上外围芯片传统结构模式。但对多种功效部件控制是采取特殊功效寄存器集中控制方法。其内部结构关键有以下几部分：
n 微处理器 该单片机中有一个8位微处理器，和通用微处理器基础相同，一样包含了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制处理功效，不仅可处理数据，还能够进行位变量处理。
n 数据存放器 片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存放程序在运行期间工作变量、运算中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存放器。
n 程序存放器 因为受集成度限制，片内只读存放器通常容量较小，假如片内只读存放器容量不够，则需用扩展片外只读存放器，片外最多可外扩至64k字节。
n 中止系统 含有5个中止源，2级中止优先权。
n 定时器/计数器 片内有2个16位定时器/计数器， 含有四种工作方法。
n 串行口 1个全双工串行口，含有四种工作方法。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至和多个单片机相连组成多机系统，从而使单片机功效更强且应用更广。
n 4个并行8位I/O口 分别为P1口、P2口、P3口、P4口
n 特殊功效寄存器 共有21个，用于对片内个功效部件进行管理、控制、监视。实际上是部分控制寄存器和状态寄存器，是一个含有特殊功效RAM区。
方案二、AVR 单片机
1997年,由ATMEL企业挪威设计中心A先生和V先生利用ATMEL企业Flash新技术, 共同研发出RISC精简指令集高速8位单片机，简称AVR。相对于出现较早也较为成熟51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时因为其价格低等优势，在很多场所能够替换51系列单片机。因为采取了高性能MCU,省掉了大量外围器件,如外扩RAM、ROM存放器等,使硬件结构大大简化,提升了系统可靠性。
n 它和其它结构类型单片机相比，AVR含有以下一系列优点：
n 在相同系统时钟下AVR运行速度最快；
n 芯片内部Flash、EEPROM、SRAM容量较大；
n 全部型号Flash、EEPROM全部能够反复烧写、全部支持在线编程烧写(ISP)；
n 多个频率内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、开启延时等功效，零外围电路也能够工作；
n 每个IO口全部能够以推挽驱动方法输出高、低电平，驱动能力强；
n 内部资源丰富，通常全部集成AD、DA模数器、PWM、SPI、USART、TWI、通信口、丰富中止源等。
方案分析：
除了以上多个单片机，市场上还有好其它结构单片机。假如实现本系统，基础上上述三种类型单片机全部能够实现。考虑到MCS-51单片机含有较强代表性和该系列单片机资料较多，本设计采取AT89C51来实现。
2.2光照检测方法
方案一、采取光敏二极管或三极管等光传感器件把环境亮度转换成对应数字电平，然后直接接入单片机IO引脚。
方案二、采取光敏电阻把环境亮度转换成对应电压值（模拟值），然后经过运放后给单片机输入一个标准数字信号。
因为光敏电阻属于纯阻性器件，所以采取方案一。
2.3 人体感应方法
方案一、采取红外对管进行检测。红外发送管和红外接收管分别安装在通道两侧。当某一时刻红外接收管假如接收不到信号表示二者之间有遮挡物经过，能够视为有些人体进入。
方案二、采取集成电路BIS0001，该芯片是一款含有较高性能传感信号处理集成电路。它配以热释电红外传感器和少许外接元器件就可组成被动式热释电红外开关、报警用人体热释电传感器等。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，尤其适适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域自动灯光、照明和报警系统。
因为方案一要求红外发送管和接收管必需相对才行，而且二者距离有限，实现起来较为不便，所以本设计采取方案二。
2.4 延时参数设置电路
方案一、 采取NE555做延时定时器，单片机以脉冲方法触发该定时器。
方案二、 采取单片机内部定时器定时。经过读取外部参数，单片机实现不一样时间定时。因为此方案简单可靠且节省成本，本系统采取这种方案。
2.5 照明设备驱动电路
方案一、采取可控硅控制。可控硅又称晶闸管，是一个含有三个PN 结四层结构大功率半导体器件。其含有体积小、结构相对简单、功效强等特点，是比较常见半导体器件之一。
方案二、采取继电器控制。继电器是一个当输入量（电、磁、声、光、热）达成一定值时，输出量将发生跳跃式改变自动控制器件。其含有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。依据结构不一样，能够将其分为电磁继电器、热敏干簧继电器、固态继电器、磁簧继电器、光继电器等型号。因为电磁继电器简单易用，开关状态极其轻易判定，所以本设计采取电磁继电器来控制。
3 硬件电路设计和实现
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3.1 系统硬件总述
系统以单片微型计算机为关键外加多个接口电路组成，共有六个关键部分：AT89C51芯片、光信号采集电路、人体信号采集电路、延时选择电路、输出控制电路、时间显示电路，图3-1所表示。

MCU

延时选择电路
光照检测电路
信号处理器
热释电传感器
时间显示电路
控制电路
N
A
B
C
L

图3-1 系统硬件总述图

3.2 CPU性能介绍
本系统采取了ATMEL企业MCS-51系列单片机中AT89C51芯片，它是低压高性能CMOS 8位微处理器，带有4k字节Flash闪速存放器，128字节内部RAM，15个I／O口线，两个16位定时／计数器，—个5向量两级中止结构，一个全双工串行通信口。
3.3 主控制机电路设计
主控制器采取AT89C51单片机作为微处理器，AT89C51是美国ATMEL企业生产低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes可反复擦写Flash只读程序存放器和128 bytes随机存取数据存放器（RAM），器件采取ATMEL企业高密度、非易失性存放技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash 存放单元。
主控制器系统外围接口电路由信号处理电路、LED显示及控制电路、时间显示电路等几部分组成。主控制器系统硬件电路原理图图3-2所表示。

图3-2系统硬件电路图

为了使系统功效愈加完善，在该系统中能够增加时间显示电路，用于显示目前时间。因为该部分硬件和软件均已成熟，在此不做具体介绍。
3.4 菲涅尔透镜
菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，立即热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域移动物体能以温度改变形式在PIR上产生改变热释红外信号。当人进入感应范围，人体释放红外光透过镜片被聚集在远距离A区或中距离B区或近距离C区某个段同心环上，同心环和红外线探头有一个合适焦距，红外光恰好被探头接收，探头将光信号变成电信号送入电子电路驱动负载工作。整个接收人体红外光方法也被称为被动式红外活动目标探测器。
镜片关键有三种颜色：
一、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易变形。
二、白色关键用于适配外壳颜色。
三、黑色用于防强光干扰。镜片还能够结合产品外观注色，使产品整体更美观。
每一个镜片有一型号（以年号+系列号命名），镜片关键参数：
一、外观描述——外观形状（长、方、圆）、尺寸（直径）。以毫米为单位。
二、探测范围——指镜片能探测有效距离（米）和角度。
三、焦距——指镜片和探头窗口距离，正确度以毫米小数点为单位。长形和方形镜片要呈弧形以焦距为单位对准探头窗口。
镜片和探头配合应用——我们常见是双源式探头，揭开滤光玻璃片，其内部有两点对7—14um红外波长尤其敏感TO—5材料连接着场效管。
图3-3 信号产生输出示意图

静态情况下空间存在红外光线，因为双源式探头采取互补技术，不会产生电信号输出。动态情况下，人体经过探头前后被A源或被B源感应，Sa<Sb或Sa>Sb产生差值，双源失去互补平衡作用而很敏感地产生信号输出，见图3-3。当人对着探头呈垂直状态运动，Sa=Sb不产生差值，双源极难产生信号输出。所以，探测器安装位置和人行走方向呈平行为宜。
3.5 热释电传感器及处理电路
3.5.1 热释电红外线传感器
热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射红外线，并将其转变为电压信号。热释电传感器含有成本低、不需要用红外线或电磁波等发射源、灵敏度高、可流动安装等特点。实际使用时，在热释电传感器前需安装菲涅尔透镜，这么可大大提升接收灵敏度，增加检测距离及范围。试验证实，热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜，则其检测距离仅为2 m左右；而配上菲涅尔透镜后，其检测距离可增加到10 m以上。因为热释电传感器输出信号改变缓慢、幅值小(小于1 mV)，不能直接作为照明系统控制信号，所以传感器输出信号必需经过一个专门信号处理电路，使得传感器输出信号不规则波形转变成适合于单片机处理数字信号。依据以上要求，人体热释电检测电路组成框图图3-4所表示。
检测对象
菲涅尔透镜
热释电红外传感器
信号处理电路
Vm

图3-4人体热释电检测电路组成框图
3.5.2 信号处理电路
本设计采取BIS0001来完成对热释电传感器输出信号处理。它配以热释电红外传感器和少许外接元器件就可组成被动式热释电红外开关、报警用人体热释电传感器等。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，尤其适适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域自动灯光、照明和报警系统。 它关键由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器和封锁时间定时器等组成。BIS0001引脚图图

图3-5BIS0001引脚图

由BIS0001组成信号处理电路图3-6所表示。

图3-6 BIS0001热释电红外开关应用电路图
图3-6中，运算放大器OP1将热释电红外传感器输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2组成双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去开启延迟时间定时器，输出信号Vo经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载。R3为光敏电阻，用来检测环境照度。看成为照明控制时，若环境较明亮，R3电阻值会降低，使9脚输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。SW1是工作方法选择开关，当SW1和1端连通时，芯片处于可反复触发工作方法；当SW1和2端连通时，芯片则处于不可反复触发工作方法。输出延迟时间Tx由外部R9和C7大小调整，值为Tx≈24576xR9C7；触发封锁时间Ti由外部R10和C6大小调整，值为Ti≈24xR10C6。
3.6 光照检测电路
图3-2所表示，当外界环境光照强时，光敏电阻R13阻值较小，则A点电平较低；当外界环境光照弱时，光敏电阻R13阻值较大，则A点电平较高，将此电平送到单片机，由程序控制是否实现照明。
3.7 控制电路
3.7.1 延时时间选