张森平室内空间灯光控制系统的设计

　　在当今这个电气化的时代，我们无时无处不用电，很难想像没有电这个世界会变成什么样。但是现实的情况确实不容乐观的，尽管资源枯竭的问题越来越严重，但是资源浪费的问题也非常突出，这对于经济的发展是一大障碍，我们应该越来越认识到节约能源的重要性，节约能源，缓解矛盾。那么如何节约电能呢。我们不仅要养成走时随手关灯的好习惯，还要从技术上研究出一个系统，达到人走灯灭的目的。其实随着科学的进步，这样的系统并没有什么设计上的难度，只是由于市场的原因并没有在全社会推广，但是我相信这一切只是时间问题，随着节约电能的紧迫性，我们一定可以在公共场所的各个角落看到这种系统的应用。

　　在现在的各个学校，教室是学生和老师教学的重要场所，但是很多时候教室内一个学生也没有，教室内的灯却亮着或者教室内就一两个学生灯却全亮着，这其实很大程度上浪费了电，因此学校应该制定一个方案改变这种情况，以提高室内照明系统的利用效率，节约电能。

　　本系统就是针对于室内灯光控制系统提出的设计，根据外界自然光照强度和教室内人员的多少来综合控制室内灯具亮的个数，从而达到了节约能源的目的。

　　在当今这个电气化的时代，我们无时无处不用电，很难想像没有电这个世界会变成什么样。但是现实的情况确实不容乐观的，尽管资源枯竭的问题越来越严重，但是资源浪费的问题也非常突出，这对于经济的发展是一大障碍，我们应该越来越认识到节约能源的重要性，节约能源，缓解矛盾。那么如何节约电能呢。我们不仅要养成走时随手关灯的好习惯，还要从技术上研究出一个系统，达到人走灯灭的目的。其实随着科学的进步，这样的系统并没有什么设计上的难度，只是由于市场的原因并没有在全社会推广，但是我相信这一切只是时间问题，随着节约电能的紧迫性，我们一定可以在公共场所的各个角落看到这种系统的应用。

　　在现在的各个学校，教室是学生和老师教学的重要场所，但是很多时候教室内一个学生也没有，教室内的灯却亮着或者教室内就一两个学生灯却全亮着，这其实很大程度上浪费了电，因此学校应该制定一个方案改变这种情况，以提高室内照明系统的利用效率，节约电能。本系统就是针对于室内灯光控制系统提出的设计，根据外界自然光照强度和教室内人员的多少来综合控制室内灯具亮的个数，从而达到了节约能源的目的。

　　在科学越来越发达的今天，世界各国也正在研究各种智能灯光控制系统，并且已经有了很多出色的设计项目。这对于方便人们的生活是一个福音。但是，和室内灯光控制系统相关的研究却比较少，可能是市场还没有过多关注室内方面的灯光控制，这一点是比较遗憾的。固然，由于电子科学技术的普及应用和多类化产品的推广，从而为室内灯光控制系统的设计创造了良好的条件。而今，研究出使室内灯具能够自行控制的系统是很是急需的。我国一直以来就是一个人口大国，每天要消耗的电能是难以估计的，加之我国快速发展的经济对于能源的大量需求，从而导致我国比世界上的很多国家面临着更重要的能源矛盾危机，因此，缓解不断发展的经济需要和能源供应量之间的矛盾，成为了我国要面临的主要问题，这不仅是经济问题，还是社会问题，更是国家的大问题。从2001年到2014年，每年用于照明的电量每年都有增加。而对于全国的各个学校来说，主要的用电量还是在教室这个学生和老师的主要教学场所。教室所用的电量是非常大的。这个数据告诉我们，在充分满足学校教室内的灯光照明度的基础上，对教室内的灯光系统实现智能控制是何其重要。这不仅能节约大量的电能，为构建节约型社会贡献出重要的力量，还能创造巨大的经济效益。

　　我国XX一直以来倡导建立绿色节约型社会，今年来也出台了很多绿色智能化灯光方面的意见和规划。而对于室内灯光控制系统的也是非常重视的，这可以从我国各省市，各地区的很多地方中看到XX所做的的努力。当然，XX的倡导和政策的制定只是第一步，社会各界应该响应XX的号召和政策，做出实际的行动出来，这不仅仅是为了应付，而是为了我国乃至全世界的未来出力。各个学校也正在推广这一节能的计划，通过对学生的宣传教育学生们的节能意识也比以前有所加强。但是由于存在于学生中的浪费意识还是很难在短时间根除，因此就应该在另一个角度去节约电能，减少不必要的电能浪费。设计一个室内灯光控制系统，在光线强的时候灯不亮，光线比较暗的时候，根据室内人数的多少来自动控制灯具亮的个数。这样可以大大地节约电能。

　　课题研究包含五个主要部分，它们分别是信号采集处理部分、单片机控制核心部分、自动报警部分、驱动灯光部分和LCD显示部分。其中单片机使用AT89C51型单片机，AT89C51作为整个室内灯光控制系统的控制核心，承担了“大脑司令部”的作用，其它四个模块都需要通过AT89C51来发挥作用。整个系统的大概工作原理是：通过光线传感器来检测外界自然光强度，将采集到的信号传给AD转换器，AD转换器再将信号传给AT89C51来进行处理。通过人体热红外传感器来检测室内人员的进出情况，把信号传给AT89C51单片机来处理，在LCD显示器中显示室内人数。单片机通过综合分析外界自然光强度和室内人数的多少来决定最终灯具亮的个数。

　　本课题研究主要的技术问题如下。

　　（1）在外界自热光比较强的时候，无论室内有没有人灯都不会亮，在外界自然光比较弱的时候，则是根据室内人员的进出情况（也即室内人员的数量）来决定灯具亮的个数。

　　（2）LCD显示器要显示室内人员的个数。

　　（3）当室内没有人在的时候，报警器将自动报警响会儿后灯全部熄灭。

　　（4）通过光线传感器来检测外界自然光强度，通过AD转换把信号传递给单片机。

　　（5）通过人体热红外线传感器来检测室内人员的进出情况，将信号传给单片机进行处理。由于本系统需要在Proteus中进行仿真，因此只能用开关来模拟，通过按键输入的人的个数来模拟人体热红外传感器检测到的人数。

　　本系统是以AT89C51为控制核心，通过光线传感器来检测外界自然光强度，光线传感器将信号传递给AD转换器，AD转换器通过对将模拟信号转换为数字信号，把它传给单片机进行处理，另一方面热红外人体传感器检测到的室内人员的个数来进一步传给单片机进行分析处理，单片机通过对两者的综合分析将信号传递给驱动动灯光模块和自动报警模块，使整个系统的功能得以实现。

　　本系统的硬件结构示意图如下图2-1所示。

　　图2-1硬件结构图

　　2.2.1单片机控制电路设计

　　在本系统控制电路模块中，使用AT89C51单片机作为系统的核心控制器。AT89C51单片机是现今使用最广泛的单片机之一，它具有很多单片机无法比拟的优点。单片机AT89C51含有内部存储器RAM，它能够充当各种数据区来使用，同时AT89C51单片机还是一种功耗非常低、性能很高的8位的微控制器。AT89C51单片机是由ATMEL公司研发生产的一种在当前来讲最新的8位单片机，更为重要的是它还能完全兼容于MCS-51系列单片机，同时具有良好的加密功能，AT89C51具有如此多的优点，有了它其实很多时候都能用它来代替其它很多类型的单片机。此外，AT89C51的价格还非常的便宜，购买这种单片机是非常值的，因此AT89C51单片机受到了用户的热烈欢迎。

　　在本系统设计中，AT89C51单片机需要和其它外围元件一起构成单片机最小系统。

　　单片机最小系统主要含有这几个模块：AT89C51、晶振电路和复位电路。该系统设计的单片机最小系统如下图2-2所示。

　　2.2.2外界自然光采集电路设计

　　如何通过检测来测出外界自然光的强度，并将外界自然光信号转化为电信号，并通过AD转换器将模拟信号转换为单片机能够识别的数字信号，这一点是完成本系统的关键。那么作为本系统和外界的联系媒介的光线传感器则能够将外界自然光信号转换为电信号。现在简要介绍一一下光线传感器LDR的功能和用途。

　　光敏电阻LDR是一种通过利用半导体的光电效应制作而成的电阻随着照射在其表面的光的强弱而发生变化的特殊电阻，因而又称为光线传感器或者是光电探测器。光敏电阻遵循着这一规律：当照射在其上的光线增强的时候，电阻值减小；当照射在其上的光线减弱的时候，电阻值增大。此外光敏电阻LDR对光的敏感程度（也即光敏特性）与人的眼睛对外界自然光的敏感程度是非常接近的，这一点非常重要，用它来检测外界自然光的强度是非常合适的，通常情况下光敏电阻器是由半导体材料制作而成的，并且光敏电阻器通常都制成薄片式的结构物，这样一来方便吸收更多的光能，也能够进一步的提高它的灵敏度水平。根据光敏电阻器LDR的以上这些特点再设计自热光采集电路就比较容易了。

　　当然在外界自热光采集电路中除了要使用到光敏电阻器LDR以外，还要使用到AD转换器将光敏电阻器LDR输出的电信号转换为AT89C51能接收的数字信号，因此AD转换器在这里起到了桥梁的承接作用，在这里AD转换器使用ADC0804。ADC0804是一种单片集成类的模数转换器，它的价格非常低廉，具有单一通道、8位。它具有的特点是：A/D转换时间大概在100us左右；具有两个模拟信号输入端，能够接收双极性、单极性和差模输入信号；它含有参考电压输入端；在里面含有时钟发生器；只有单电源工作的时候她的输入电压范围在0-5V之间；并且它不需要调零。ADC0804是一种逐次逼近式的模数转换器，这种模数转换器转换速度非常之快，同时它的分辨率非常高，此外价格非常便宜，因此它的应用非常广泛，在很多要求并不是特别精确的场合得到了很高的青睐。

　　通过对光敏电阻LDR和A/D转换器ADC0804的分析，设计出了外界自然光采集电路如图2-3所示。

　　2.2.3热释红外人体传感器电路

　　热释红外人体传感器其实是一种能够探测出人体的信号，无论人是处于运动状态还是静止状态都能探测出来的一种红外热释探测器，它主要包含这几部分：感光器件、透视镜、感光电路、机械控制部分和机械部分这几部分。它是通过机械和机械控制的相互作用并结合红外感应做出细微的运动，把位置进行移动，这样一来感应器和人体之间就能够出现相对位置的移动，因此无论人是处于运动状态还是静止状态，热释红外人体感应器都能够感测到人体，产生识别人体的信号，进而达到探测人体的目的。热释红外人体感应器好比一只猫的眼睛，无论是白天还是黑夜都能够实时监测动情，只要人体与热释红外人体感应器之间的距离在8米以内，视野角度120度，就能够开启监视器显现出灯光，因此热释红外人体感应器经常用于防盗报警和红外控制方面，如此一来，大大扩大了热释红外人体感应器的应用范围。特别在高层和多层建筑的灯光防盗报警上得到了很多的应用。热释红外人体传感器的工作电压是180-250V；它的频率是50HZ;负载频率是15-200W。

　　在使用热释红外人体传感器的时候应该要注意一些问题，以减少误差。安装热释红外人体感应器的地方应该避免强烈的阳光直接照射在其表面，当然还应尽量远离发热源，比如火炉、空调、暖气片等空气变化明显的地方，这样做可以尽量避免外界自然光强的剧烈变化而造成参数的不准确甚至明显的错误。热红外人体传感器和人体之间不应当有物体遮挡，否则会影响探测结果。此外热释红外人体传感器应该装在离地面高度大约在2米的地方，不应装在有强烈气流的地方。这些问题在设计和安装的过程当中应该特别注意。

　　在本系统的设计当中，由于要在proteus中仿真，而proteus中没有热释红外人体感应器，因此在这里只能用按键模拟，根据按键输入的人的个数来亮灯。设计出的按键电路如图2-4所示

　　2.2.4驱动灯光电路

　　单片机处理自然光采集电路的信号之后，将信号传给驱动灯光电路。在外界自然光比较强的时候灯全都不亮，当外界自然光比较暗的时候则根据人数的多少来决定灯具亮的个数。在这个电路中要使用到ULN2003A来作为单片机AT89C51和灯泡之间的连接器件。ULN2003A其实是一种反向器。具体来讲就是说当其输入端口是低电平的时候那么输出端口就是为高电平，反之，输出端口则为低电平。ULN2003A里面含有7个不同的单元，此外它还具有流通电流大、能耐高电压、能够承受的温度范围比较大、连接负载能力非常强等等众多特点，因此它特别适合有大功率高速要求的电路系统。ULN2003A应用在许多不同的电路当中。比如它在显示、电磁阀、照明灯、各种电机当中都作为驱动使用。在介绍了ULN2003A的特点之后，并且清楚了它的这些特性，就可以设计驱动灯光电路了。在这里我使用6个灯泡和ULN2003A相连，驱动灯光电路如图2-5所示。

　　2.2.5 LCD显示电路

　　在本系统设计的过程中，把LCD显示电路作为了一个比较重要的环节来考虑，LCD显示电路中无疑显示屏的选择是重中之重，经过认真地考虑，准备选择LMO16L作为本次设计的显示屏。LMO16L采用的控制器是HD44780,这种控制器的指令集比较简单并且功能较强，它还具有闪烁、字符可以移动等多种功能。控制器HD44780里面有两个8位的寄存器，它们分别是数据寄存器和指令寄存器。LMO16L在和单片机通讯连接的时候采取的方式是并行传输。在了解了LMO16L的这些特点之后，再设计出LCD显示电路也就比较容易了。LCD显示电路如图2-6所示。

　　2.2.6自动报警电路

　　在本系统的设计当中，加入自动报警系统，在室内人员都走光了的时候，蜂鸣器开始响，灯也随之灭掉。在这里要用到蜂鸣器buzzer，buzzer其实是一种结构非常简单、一体化的电子讯响器，buzzer采用的电压供电方式是直流供电，蜂鸣器主要分为两种类型：压电式和电磁式。压电式蜂鸣器的组成部分有：振荡器、蜂鸣片、外壳和共鸣箱，它的工作原理是当接通电源后（当然要达到它的启动电压，一般buzzer的电压范围在1.5-15V之间），多谐振荡器就会发生起振响应，这样一来就会输出一种音频信号，这种音频信号的频率大概在1.5-2.5KHZ这样一个范围里面，然后阻抗匹配器就会在推动作用下使压电蜂鸣器发出身响。而电磁式蜂鸣器的组成部分是：电磁线圈、能产生振动效应的膜片、磁性铁制物体、振荡器和外壳，它的工作原理是：在接通到有效电源后，振荡器就会产生一种一定频率的音频信号电流，这种电流会通过电磁线圈，在电磁线圈中由于电磁原理产生磁场，振动膜片由于受到了电磁线圈和磁铁的共同影响，而呈现周期性规律地振动发声。在介绍了蜂鸣器buzzer的结构组成和原理之后，下面就要来设计自动报警电路了，在这里用到另外一个器件PN3646来和蜂鸣器buzzer连接，一起构成自动报警电路。设计出的自动报警电路如图2-7所示。

　　在第二章已经对室内灯光控制系统的硬件系统进行了一个较为完整的设计，但是要知道仅仅只有硬件设计是无法完成本系统的设计要求的，就好比一台电脑在生产出来之后还要给它装上系统这样才能工作，否则就只是一个一无是处的破铜烂铁。那么如何设计出本系统的程序出来呢，这是一个厄待解决的问题，经过再三地分析研究试验，最终完成了系统主程序的设定。人时等全亮。当人陆续离开房间时，系统也会根据人数的多少来决定灯具亮的个数。

　　系统程序的主要内容是：首先光电系统进入初始化状态，光线传感器检测外界自然光强度，当外界自然光强度大于20时，无论室内有没有人，灯都不会亮，但是当外界自然光强度小于20时则根据室内人员示off状态。当室内有1-2个人时，亮两个灯，室内有3-4个人时亮4个灯，5个人或者超过的多少来亮灯，室内没有人时，灯不会亮，LCD液晶显示屏上第一行显示0人，第二行显五个后没有人的时候，蜂鸣器会响2秒，LCD液晶显示屏的第二行就会变成off。当室内有人且灯还亮着时，当外界自然光强度大于20时，灯又会全部灭掉。

　　本系统的主程序流程图如图3-1所示，而本系统的C语言程序则在本文的附录2中。

　　

　　3.2.2热释红外人体传感器电路

　　在本系统的设计中由于考虑到要在proteus系统中进行仿真（而proteus中没有红外人体传感器），因此只能用两个按键开关来替代红外人体传感器，当人数为0时，灯一个也不亮，当人数为1-2个人时亮2个灯，3-4个人时亮4个灯，5个人以上时6个灯全亮。该分程序的流程图如图3-2所示。

　　3.2.3 LCD显示电路

　　在系统设计的最后一个环节,也就是最终实现系统功能的重要一步，需要用到两个重要的软件：proteus软件和keil软件。

　　Proteus软件是在全世界范围来讲都比较著名的一款EDA软件。这款软件拥有其它EDA工具软件所无法比拟的功能，就是它能仿真单片机还有与其连接的外围元件。另外Proteus虽然在国内还没有全范围的推广，但是已经为广大从事单片机研究的科研人员、爱好者和在大学教授单片机课的老师提供了技术上的巨大支持。

　　Keil软件是由由Xkeil公司开发的一款用于单片机C语言编程的开发软件系统。很明显C语言在很多方面都有汇编无法比拟的优势，因而简单易学，现在很多为单片机编程的时候都选择C语言。Keil软件为给单片机编写程序提供了一个操作环境，使编程得以进行。

　　首先要在proteus中画出系统的硬件图，并仔细检查它们之间的连线是否正确，确定无误之后，再在keil软件中编写相应的C语言程序，完成程序的编写之后，再创建hex文件，然后把hex文件加载到单片机AT89C51中，最后开始仿真本系统。通过调节光敏电阻LDR光敏电阻的光强值和点击两个按键来查看仿真结果的变化，看仿真结果是不是符合预期。

　　当首次仿真时仿真结果没有实现系统需要的功能的时候，则需要仔细检查，从硬件连接图和C语言程序两方面找出问题的错误所在进行修改，直到仿真结果达到了设计要求就成功了。

　　当光敏电阻检测到的光强大于20时，无论室内有无人，灯都不会亮。仿真结果如图4-1所示。

　　功夫不负有心人，经过我长达3个月的努力，我终于完成了我的这门毕业设计。在刚开始做毕业设计的时候我有点无从下手，不知道从哪里寻找突破点，加上自己在专业学习上的不足，我产生了不自信的心理状态，我不甘心就这样下去，于是我开始查询与本次毕业设计相关的各种书籍，从这些书籍当中我收获了很多，学习到了很多以前我不知道的内容，弥补了我在专业知识上的漏洞，这样一来我开始找到了本次毕业设计的思路，于是我沿着绪论，硬件设计，软件设计，仿真这几大块进行了逐一地探索，首先绪论这一章主要讲了本课题的研究背景及意义和研究的主要内容，这是整个毕业设计的起点，在做这一章的时候，我翻阅了大量的资料。第二章是硬件设计，在做这一章的时候我认识了proteus软件中大量的电子元器件，通过对这些电子元件的了解，我对如何构建系统的硬件部分更加清楚明白了，我还从网上找了很多资料，终于完成了系统的硬件部分。在做第三章软件设计的时候，我查阅了大量的书籍对keil软件和C语言有了一个更加深层次的了解，在编程的时候，我反复地修改和认证，最后终于把软件部分完成了。最后一章是仿真，由于已经完成了系统的硬件和软件部分，因此我在仿真的时候倒是比较轻松，这也得益于我对本次设计涉及的专业知识有了一个比较深的了解。

　　我的毕业设计肯定还存在不完美的地方，我会在毕业答辩的时候，虚心接受老师们的意见，认识到自己设计上的不足，这也是我大学即将结束时所上的最后一课。

　　[1]张文祥.单片机系统设计与开发教程[M]，北京：电子工业出版社，2011

　　[2]刘宏.Protel电路设计实用指南[M].西安：西安电子科技大学出版，2004

　　[3]百度文库.单片机灯光设置[Z].http://wenku.baidu.com

　　[4]陈明荧.《8051单片机课程设计实训教材》[M].北京：清华大学出版社

　　[5]孟祥莲.单片机原理及应用:基于Proteus与Keil C[M].北京:哈尔滨工业大学出版社，2010

　　[6]周润景.PROTEUS入门实用教程[M].北京:机械工业出版社.2007