基于单片机的社区照明控制系统毕业设计方案

毕业设计方案题目基于单片机的社区照明控制系统的设计学院信息科学与工程学院专业通信工程班级通信1103学生徐永芳学号20111221321指导教师袁华二〇一五年三月十日毕业设计方案济南大学-1-学院信息科学与工程学院专业通信工程学生徐永芳学号20111221321设计题目基于单片机的社区照明控制系统的设计一、选题背景与意义1.选题的背景、目的、意义随着社会的快速发展，能源消耗量逐年上升，照明用电水平也逐年提高，对日益增长的用电负荷和电量的需求，如不采取照明节电措施，势必会造成相当大的用电缺口，因此，建筑照明节能势在必行。我们从最初只提供亮度的基本功能到现在产生了多方面的需求：除了提供适宜的环境亮度以外，还要营造优雅舒适的氛围；用户方要求控制方式灵活方便，能实现按需配置，同时实现节能、降低运行费用；施工方面要求安装简单、维护方便；设计方要求系统能提供满足用户多样性要求的各种技术手段。需求的变化导致控制方式的改进；从传统的机械式开关演变为电子技术的智能照明系统。能源短缺一直都是我们所面临的重大问题。在寻找新的能源之外，节约能源，提高效益也就成为了我们研究的方向。所以如何来节省电力能源也成为了一个迫切需要解决的问题。从节约资源、对社会贡献。节省部门经费支出等多方面考虑，办公室、高校等公共场所照明的节电问题不得不提到重要的议事日程上来。目前常用的节电方式为手工控制，声控型，太阳能灯等。手工方式操作起来不灵活，费时费力。声控型往往判断不准确，不需要的时候也会经常亮。太阳能设备投资比较大，且容易受光照强度的影响。因此市场上迫切需要一种造作方便、价格低廉、便于大面积推广的新型节能方案。采用智能照明控制系统后，用户可以根据不同场合、不同的人流量，对时间段和工作模式进行划分，把不必要的照明灯具关掉，在需要时自动开启；同时，系统还能充分利用自然光，在保证必要照明的同时，有效减少了灯具的工作时间，节省了不必要的能源开支，也延长了灯具的寿命。虽然智能照明系统最基本的功能是开关作用，与传统的照明系统似乎并无差异，但前者以自动控制为主、人工控制为辅，在一般的情况下，不需要用户的参与，照明系统自动实现开关功能大大减少了人们的管理工作。智能照明控制系统减少了灯具使用时间，能有效节约能源，由于我国以前的粗放型经济增长方式已经导致资源匮乏，这种一味的靠资源和牺牲环境来换取GDP的增长的外延扩展方式已经走到尽头，所以调整产业结构。在照明行业推广智能照明系统具有重要的意义。2.国内外研究现状、水平及存在的问题智能控制技术发展方向主要有基于人工智能技术的智能控制方向、智能控制的模糊控制毕业设计方案济南大学-2-方向和智能控制的人工神经网络控制方向，在智能控制的人工神经网络控制方向上，基于人工神经网络和模糊逻辑有机结合的神经模糊技术，已成为近年来的一个热门课题。以下是几种新型照明控制系统：（1）基于射频技术的无线网络智能照明控制系统系统采用了分几组网的方式，由有线和无线通信两种网络组成。整个系统由PC、Atmega8单片机、无线射频模块RF905以及照明控制模块组成。使用有线网络来直接连接上位机与下位机。附近的下位机和分机则采用无线信道通信，这样不但可以减少物理线路的连接，而且还可以增加通信的可靠性。（2）基于红外技术的智能照明控制系统系统由AT89S51单片机、热释电红外传感器检测模块、光电检测模块、执行控制模块（继电器、手动开关）等组成。通过光电检测模块和热释电红外传感器检测模块采集室内光照强度、人数分布等信息，并送至单片机，通过单片机来实现智能化。此系统能根据实际需要来控制照明灯的开关，可大幅度降低电能的浪费，而且成本低廉，达到了环保节能的目的。（3）基于CAN总线的智能照明控制系统该系统的上位机采用了工业控制计算机，主要负责接管系统数据、发送控制命令、实时显示系统工作过程等。下位机是各智能节点，微处理器AT89C52单片机，负责每个照明区域的现场数据检测和工作状态控制等。CAN总线设计思路独特、性能优良、可靠性高。（4）基于ZigBee和模糊控制的新型室内照明控制系统整个系统包括ZigBee无线传感器网络、基站和远程监控中心。利用传感器来采集亮度、人员位置信息，并利用ZigBee无线传感器网络输入到基站PC机。基站PC机自动分析处理相关信息，计算所需引入的自然光量以及补充的人工照明量，从而确定照明模式，并通过ZigBee输出结果，从而实现室内照明的自动控制。二、设计内容1.设计要求本设计的内容是利用单片机微型电脑的智能控制，通过多个电路模块与单片机结合，实现对路灯的实时控制。本系统设计包括硬件电路设计与软件设计两大部分。在硬件模块电路设计中，应该包括单片机控制部分、时钟电路模块、复位电路、按键输入模块、显示电路模块等。软件程序是该系统中对功能实现起着非常重要作用的部分。应该包括每个功能模块的子程序实现，包括时钟显示程序，设定开灯和关灯时间程序，动态扫描程序，调时程序等。2.设计构思该智能照明控制系统由光照强度检测组件、热释电红外线传感器、单片机控制电路及输出控制部分组成。在信号输入部分，利用光敏电阻感应到得自然光的强度的信号，再利用热释电红外线传感器的热释电效应，感应是否有人体信号，在确定有人的情况下，再将这些信毕业设计方案济南大学-3-息经数模转换传送到控制单片机中心，通过设定的控制程序，对照明线路的用电器进行智能控制。系统只有在光线暗，同时又有人体存在条件下才启动照明系统。当检测到两边都无人活动时或者自然光照强度大时，就切断照明电路，到达节能的目的。系统总体结构原理如图1所示：图1系统总体结构原理3.预期研究结果（1）通过计时系统对时间进行有效控制（2）单片机对路灯信号能够实时控制（3）输入开关按钮，进行时间控制（4）显示采用数码管和LED二极管（5）实现时间设置路灯的开关，对小时和分钟可以进行调整（6）启动后进入计时显示，每天循环控制。三、设计方案本控制系统，利用热释电红外线传感器，当检测到有人，用热释电红外线传感器的信号处理器芯片，转换传至单片机；同时，触发光敏传感器检测当前室内光照强度，通过转换芯片转换传至单片机，判断光照强度的强弱，若光照强度低于初始设定值，此时使其单片机给照明控制电路发出控制信号，打开照明灯。系统设计可分为硬件设计和软件设计两部分。根据我们需要实现的功能，合理选择元器件进行设计。硬件设计部分，主要涉及到构造原理图，并对原理图用keil软件进行仿真。然后一旦仿真测试出我们想要的结果，就可以进行下一步原理图的绘制，利用prote99se软件进行原理图的绘制，对各个元器件进行封装，并根据原理图画PCB图，进行调整，最后制作实物电路板。软件设计部分，应该结合硬件电路所要实现的功能进行设计。主要针对光电检测电路和毕业设计方案济南大学-4-热释电传感器输出信号进行处理。当光强的时候，系统对光照进行检测，产生信号并处理控制灯的开关状态，科学管理灯光的亮与灭，达到节约用电的目的。三、设计方案1、硬件系统设计系统以单片微型计算机AT89C51为核心外加多种接口电路组成，共有四个主要部分：环境亮度检测电路、延时电路、热释电红外传感器及处理电路、输出控制电路。如图2所示：图2系统硬件原理图（1）环境亮度传感模块光信号取样电路图如图3所示，主要由光信号采集电路和A/D模数转换电路组成，其中模数转换是电路的核心。信号经过采集送入A/D转换电路，通过单片机处理后，最终作为系统应用程序进行开关灯的判断依据。图3光信号取样电路图3光信号取样电路毕业设计方案济南大学-5-A/D转换器的位数应根据信号的测量范围和精度来选择，使其有足够的数据长度，保证最大量化误差在设计要求的精度范围内。本系统信号的测量电压范围：0.00-9.99V，精度0.01V。在本次设计中拟采用了带串行控制的10位模数转换器TLC1549，它是由德州仪器（TexasInstruments简写为TI）公司生产的，它采用CMOS工艺，具有自动采样和保持，采用差分基准电压高阻抗输入，抗干扰性能好，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到(±)1LSBMax，芯片体积小等特点。同时它采用了Microwire串行接口方式，故引脚少，接口方便灵活。与传统的并行方式接口A/D转换器（例ADC0809/0808）相比，其单片机的接口电路简单，占用I/O口资源少。（2）被动式热释电传感器模块热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标，其工作原理是利用热释电效应，即若有红外线间歇的照射，其表面温度上升△T，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷，在上下级之间产生△U。实质上热释电传感器是对温度敏感的传感器，在环境温度有△T的变化时，由于有热释电效应，在两个电极上会产生电荷△Q，即在两电极之间产生微弱的电压△V。由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应产生的电荷△Q会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，△T=0，则传感器无输出。图4信号处理电路BIS00019101112131415123456782MR40.01uFC210KR5R6C410uFC3DSGPIR1MR247KR747uFC51KR347KR10.01uFC11MR8200KR91KR100.47nFC647nFC7Vo+5V毕业设计方案济南大学-6-本设计采用BIS0001来完成对热释电传感器信号的处理。BIS0001是一款具有较高性能的热释电传感器信号处理集成电路，它主要由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成。由BIS0001构成的信号处理电路如图4所示。（3）延时电路系统在AT89C51的P1中设置了延时选择电路，其目的是在环境光照较弱是，照明设备延时一段时间后自动熄灭。电路通过P1.0——P1.3设置4个延时时间，当P1.0——P1.3无开关闭合时，系统按初始值进行时延；当P1.0——P1.3有开关闭合时，程序从P1.3——P1.0进行检测，若检测到某一端口为低电平时，则系统按当前端口设置的值进行时延。设置时间关系值如下表所示：表1端口时间设置表端口P1.0P1.1P1.2P1.3时间/min15202530（4）输出控制电路输出控制电路主要由继电器、照明设备、时间显示电路三部分组成。继电器是一种根据电量（电压、电流等）或者非电量（温度、时间、转速、压力等）信号的变化带动触点工作，来接通或者断开所控制的电路或者电器，以实现自动控制和保护电路或者电器设备的电器。2软件设计电路板要实现它的功能，还要必不可少的软件程序对它控制。软件设计分主程序设计、子程序设计、中断程序设计三大块。软件时计算机系统的灵魂，没有软件计算机就不能发挥其功能。在计算机控制系统中，软件也是非常重要的。在照明控制系统中，硬件设备的功能是通过软件来实现的。本系统程序包括：照明启停控制程序、照明亮度控制程序、照明定时控制程序等。首先，对各芯片初始化；其次，光敏元件采集光照参数与给定的数值比较：如果光照参数大于设定参数，则返回重新采集；如果小于则等待红外检测是否有人，有人则发出中断，打开社区灯和时间显示窗口。系统控制过程程序流程图如图4所示。四、结语单片机性能全面而且通用性强，可履盖多种实际要求，应用在非常广泛的领域。基于单片机的路灯控制系统就是目前使用广泛的智能控制系统。本设计利用了单片机技术，具有数字化，功能强，成本低等特点。本课题正是利用单片机的这种易用性和通用性来实现路灯控制系统的功能，是单片机的多种具体应用和实现之一，有着很广泛的社会市场和较强的实际应用价值。毕业设计方案济南大学-7-图4程序流程图毕业设计方案济南大学-8-四、参考文献[1]马淑华王凤文张美金编著单片机原理与接口技术［M］.北京.北京邮电大学出版社2007[2]贾正松基于单片机实现智能照明控制系统设计［J］现代电子技术2009（17）:P105——107[3]孙涵芳、徐爱卿.单片机原理及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社.1996[4]陈新忠.基于RS485总线的单片机多机通信软件设计