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1、基于单片机控制的教室灯光自动控制器的研究摘要本研究针对教室灯光的控制方法，尤其是教室灯光的智能控制方 面的发展现状，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，提出了 基于单片机的教室灯光智能控制系统的设计思路，并在此基础上开 发了智能控制系统的硬件装置和相应软件。该系统以AT89C2051单片机作为控制装置的智能部件，采用热释 红外人体传感器检测人体的存在，采用TLC549构成的电路检测环境 光的强度；根据教室合理开灯的条件，系统通过对人体的存在信号和 环境光信号的识别和智能判断，完成对教室照明回路的智能控制，避 免了教室用电的大量浪费。系统还具有多种报警功能；同时还采用了 软/硬件的“看门狗”
2、技术等抗干扰措旅。单片机软件采用汇编语言 编制，采用模块化结构设计、条理清晰、通用性好，便于改进和扩充。 该系统具有体积小，控制方便，可靠性高，专用性强，性价比合理等 优点，可以满足各类大、中专院校教室灯光控制的要求，很大程度的 达到节能目的。关键词红外传感器单片机热释电目录摘要1ABSTRACT错误！未定义书签。1引言11. 1本课题研究的意义11. 2国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题11. 3本课题研究的内容和目标41.3. 1研究内容41. 3. 2 研究目标51.4本课题拟解决的关键问题52. 教室灯光控制器简介及控制方案的分析62. 1教室灯光控制器简介62.2系统控制方
3、案的分析63. 系统控制模块的硬件设计73. 1控制模块的硬件构成73.2控制系统的主要硬件电路83. 2. 1系统主控电路83.2.2日光强度检测模块电路103.2.3热释电红外人体检测模块电路123.2.4系统时钟电路163.2.5系统看门狗电路203.2.6遥控键盘管理模块电路223.2.7超时报警电路253. 2. 8系统供电电路264控制模块软件设计与开发274.1系统监控主程序模块284. 1. 1系统自检初始化294. 1.2定时中断处理304.2数据采集模块314.2.1数据采集软件设计的实现314.2.2人体存在传感器的安装要求334.3时钟模块334. 3. 1时钟程序设计
4、334.4系统键功能364.4. 1遥控键盘364. 4.2键功能处理程序395结论与建议405. 1结论405. 2建议41致 谢42参考文献43附录361引言1.1本课题研究的意义随着社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平也不断提高， 导致用电负荷的加剧，又由于世界性的能源危机，能源缺乏已成为世 界所面临的严峻问题。而此问题对我国来说尤为严重。随着各类大、 中专院校的扩招，教室的扩建，教室照明的需求也越来越多，而教室 照明的管理不到位，往往造成电能的巨大浪费，这样，提高教室用电 效率就成为首要考虑的问题。目前对灯光的智能控制，国内外已经开始采用，但对教室灯光的 控制，尤其是我国教室灯光的
5、智能控制尤为缺乏和不完善，依然是传 统式的人工管理。各类大、中专院校不断扩招，教室不断扩建，教室 的用电负荷不断加大，教室用电管理不善，造成学校电能浪费，经 济损失，这种的浪费与当今的节约能源理念楣违背。再者，现代自动 化程度不断提高，计算机技术的普及，灯光的管理也在朝着自动化、 智能化方向发展。例如搂道灯光的自动控制等等。所有这些使得教室 灯光控制也应该朝着智能的方向发展。于是，开发简便，实用的教室灯光自动控制系统便具有重要的现 实意义。1.2国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题世界各地发电的主要原料是煤炭、石油和天然气，面丹麦在能源 利用方面的成功经验提供了很好的借鉴。从1974年
6、以来，尽管丹麦 国民收入增长了 50%o丹麦总的能源消费量并没有增加。丹麦是 OECD成员国中能源消耗量和国民收入比值最小的国家。他们不断地 提供一些节能供热系统。例如丹麦热电周供热电厂(CHP)o两且，他 们尽可能的有效利用资源。这样，他们的能源使用总效率达到了 90%o 丹麦政府很重视住房空同用电的节箧，并设立了对新建房屋节能的诸 多要求。数据显示，居民入住有节能装置的房子时，他们要支付比没 有节能方案房屋高出8%的费用。其节能项目经验在欧盟国家中广为 流传。还有，欧司朗一斯维尼亚公司不断的推出新型高输出的荧光灯, 节约6%的总系统功率，并具有更高的光通量和平均光通量。飞利浦 照明公司推出
7、的陶瓷金卤灯代替过去的卤鹄灯，可节能60%的电能。 种种迹象表明世界各国都在采取不同方式 来节约能源，节约电能。中国经济持续多年的高速发展让能源问题日益突出-虽然我国能 源总储量不低，但由于我国人口众多，所以人均储量少，单位产值的 能耗 是发达国家的3-10倍。能源问题已成为制约我国国民经济发展 的关键问题。从环境和自然资源角度出发，能源问题也是我国长期 可持续发展战略中一个关键因素。此外，能源问题不仅关系经济发 展和环境生态，在特定情况下还会对社会稳定有很大影响。鉴于能源 问题的重要性，我 国在绿色照明工程新闻发布，绿色照明工程未来 五年问将在公用设旅、宾馆、商厦、居民住所等全国建筑物中推广
8、 1.5亿只节能灯，节电290亿度电。上海、河北等一些地方采取政府 对节能灯大宗采购每只补贴3至4元的方式进行推广。从普通白炽 灯到高效节能灯，使我国的电光源产品结构逐步向节电型转变，荧 光灯与普通白炽灯的比例由1995年的1： 6.25上升到目前的1： 1.5o目前，我国照明用电约占社会总用电量12%,采用高效照明产 品代替传统的低效照明产品可节电60%-80%o如今，北京正在大力 推行绿色照明工程，己推出上百万只绿色照明光源和部分节能电器， 据估算年节约用电可达3442万千瓦时，节约电费2519.7万元。政府 已经在商厦、学校、医院等更换24万只节能灯具。在奥运工程的建 设上、也大量运用节
9、能技术，北京的奥运厂馆“水立方”，通过采用 大量的节能灯具，装备新技术，通过增强透光性白天可节约照明能耗 50%o我们党在2000年10月11日党第十五届中央委员会第五次会议 通过的中共中央关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划的 建议中明确指出：加强基础设施建设是今后五年至十年一项十 分重要的任 务。”其中提到的基础设施建设就包括了能源建设。建 议还强调了能源建设要发挥资源优势，优化能源结构，提高利用效 率，加强环境保护。面临如此紧迫的能源问题，我们应该把着眼点 放在“高效”利用“清洁”能源上。由此可见，节能照明用电，对 节能具有重要的意义。目前国内各类院校中，由于同学们的自觉节能意识薄弱
10、，在光线 足够强时也开灯，课上完离开教室后灯还亮着的现象普遍存在；而且, 节能规划极为欠缺，教室的灯光控制由管理人员手工代替，教室极 多，管理人员忙不过来，这样就造成不必要的电能浪费和经济损失。基于以上种种原因，提高教室用电效率就成为学校节能的重要且主要 的措施之一，因此节能技术的重要手段之一就是教室灯关自动控制系 统的设计无疑就成为其中一项重要课题。1.3本课题研究的内容和目标1.3. 1研究内容本课题的研究内容有如下几点：(1) 了解教室照明光强的标准；(2) 调研教室灯光照明需求以及环境光强弱与开、关灯的关系;(3) 研究人体存在探测技术，探测角度与范围；(4) 研究传感器在教室分布、安
11、放问题，是否一灯一个传感器 或多灯公用传感器等；(5) 研究确定人体传感器的有关参数；(6) 研究灯光控制器电源问题；(7) 研究控制器参数值设定的要求及方案；(8) 研究人工设置参数、掉电保存参数的问题；(9) 研究使用遥控器控制灯光控制器技术；(10) 研究与现有教室照明相兼容，易替代，不易被偷盗、被仿 制，易于维护、维修等控制技术；(11) 研究报警等附加功能问题1.3.2研究目标研究的教室灯光控制系统能用于现有教室照明系统的改造，实现 对照明系统的人性化智能管理，提高用电效率；实现自动、手动灯光 控制相兼容，以降低成本；通过反复试验和改进，最终达到可靠性、 实用性、推广性较好的目标。1
12、.4本课题拟解决的关键问题本课题拟通过试验研究教室灯光的各种控制方案解决如下关键 问题：(1) 照明回路的控制回路与控制器本身的节能问题；(2) 传感器与教室灯配合安装的问题；(3) 环境光参数输入采集问题(4) 人存在传感器参数输入采集问题：(5) 开、关灯的自动与手动兼容措施；2.教室灯光控制器简介及控制方案的分析2. 1教室灯光控制器简介教室灯光控制器可实现有效的教室灯光智能控制。其输入参数主 要是人体存在信号和环境光信号等的外界因素，环境光的强度达到一 定值时不开灯，环境光强度在一定阀值以下且有人存在时开灯，理论 和实验证明用这种方式来对教室灯进行智能控制可以实现上述目 标。教室灯光控
13、制器一般安装在教室内避开电灯直射的位置，且人体 传感器安置时应使人体活动方向与人体传感器中两个热释电元连线 方向垂直，这样可使人体存在信号采集更加灵敏、可靠，同时还要尽 可能避免外界风直接吹向人体传感器。2.2系统控制方案的分析所研制的控制器以自然光强度和人体存在作为控制器的主要输 入参数。可以实现自动与手动控制相兼容。在自然环境光较强光线足 够时，无论人是否存在，都不开灯;在自然环境光较弱时，有人存在 且超过一定时间，控制器自动打开电灯，直到人离开 后再延时一定 时间后关灯。同时，还要按作息时间来控制，夜晚超过12点，若还 有人存在，则关闭自动控制器的运行，改用遥控器或机械开关来手动 控制，
14、以解决因特殊情况下，自动控制器的不人性化运行。本文所研究的教室灯光控制器主要是由硬件和软件两大部分组 成。硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序 运行的平台。而软件部分，是对 硬件端口所体现的信号，加以采集、 分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自 动与手动相结合的教室照明智能控制。3.系统控制模块的硬件设计考虑到本系统所安装的环境影响因素比较多，且教室控制设备中 的人体存在传感器等经常会园环境情形变化而不稳定，所以在设计过 程中，电子元器件的选用、线路布置和设备的安放要充分考虑到抗 干扰问题。3. 1控制模块的硬件构成系统控制单元是以单片机主控模块为核
15、心，其它外围电路主要包 括：系统供电模块、硬件时钟模块、看门狗模块、环境光模块、人体存在传感器模块、遥控器模块、遥控器接收模块及超时报警模块，其结构框图如图3-1所示，图3-1结构框框图3.2控制系统的主要硬件电路3.2. 1系统主控电路本系统的主控模块主要采用ATMAL公司的AT89C2051作为主 控芯片，AT89C2051是个低功耗，高性能的CM0S8位单片机，片内 含2KB的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128KB的随机存取数 据存储器（RAM）,器件采用ATMAL公司的高密度、非易失性存储 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 和Flash存储单元。AT89C2051只有20个引脚，15个I/O 口(其中 P1是个完整的8位双向I/O D , 2个外中断口，2个16位可编程定 时计数器，2个全双向串行通信口，1个模拟比较放大器。指令系统 与MCS-51系列完全兼容，除了没有外部数据存储器和外部程序存储 器等扩展功能外，他具有80C31片机所有的功能。其主要特点为：(1) MCS-51产品完全兼容；(2) 2K字节可编程闪烁内存；(3)编程次数 可达1000次(4)两级程序加密防盗；(5) 15个可编程I/O 口、2 个16位定时器/计
