1、1 绪论1西安工业大学北方信息工程学院本科毕业设计( 论文)题目：教室节能照明智能控制系统硬件设计系 别： 光电信息系 专 业： 光电信息工程专业 班 级： B 学 生： 刘钊 学 号： B 指导教师： 张雄星 王可宁 2013 年 5 月2毕业设计（论文）任务书系 别 专业 班 姓名 学号 1.毕业设计（论文）题目： 教室节能照明智能控制系统硬件设计2.题目背景和意义：按照国标规定，教室照明的功率密度约为 10W/m2，假设教室的平均面积为 100m2，则照明负荷约为 1kW。如果每天正常使用时间为 15 小时，那么，每天每间教室的用电量为 1kW15h15kWh，学生年在校为 270 天，
2、则每间教室年用电量约为4050kWh。针对目前高校教室照明用电严重浪费的问题，通过红外传感器检测教室是否有人，检测教室内光线照度是否合格，并依靠单片机来智能控制照明灯的亮灭，从而达到有效节约用电、降低学校的经费开支的目的。该项目具有重要的实用价值和意义。 3.设计(论文) 的主要内容（理工科含技术指标）：红外传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。本课题要求学生利用传感器、单片机、可见光探测器件、继电器、开关等器件设计一款教室照明节能系统的硬件电路，利用热释红外探测器来检测教室的光线亮度和是否有学生。若有学生而且室内光线照度不够，则系统自动打开灯；若教室里无学生或光线照度符合要求，则节
3、电装置自动关闭供电电源。通过采用热释红外探测技术、可见光探测技术与单片机技术实现了教室照明的智能控制，在一定程度上节省了大量的人力物力，与传统的声音控制照明相比有很大的优势，不需要人类发出声音，正好与教室安静的环境相符合。该课题的主要任务是：（1）了解并查阅红外传感器的资料并选择合适的传感器；（2）选取所需元件，搭建系统的硬件电路；（3）利用 Protel 软件制作系统的硬件电路原理图；（4）实现教室的节能照明自动控制功能、自动节电。 技术指标：（1）滤光晶片的波长为 7 - 10m ；（2）不同颜色的 LED 灯实现实时指示作用。 4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）： 20
4、12.11.26-2012.12.28： 查阅资料，充分理解课题，开题答辩； 2012.12.282013.3.15： 进行具体设计，搭建系统，撰写中期报告，中期检查； 2013.3.15203.4.7： 进行系统调试，分析结果，完成整个设计； 2013.4.7-2013.4.20：撰写毕业论文，进行论文内容、格式审查； 2013.4.20-20135.12：论文定稿、成果验收，上交论文、答辩 5.毕业设计（论文）的工作量要求 实验（时数） *或实习（天数）： 图纸（幅面和张数） *： 1 张 Protel 电路原理图。 其他要求： 1 篇 3000 字的外文翻译 ；15 篇参考文献，其中至少
5、 1 篇外文参考文献；1 篇不少于 1.5 万字的毕业论文。 指导教师签名： 年 月 日学生签名： 年 月 日系主任审批： 年 月 日说明：1 本表一式二份，一份由学生装订入册，一份教师自留。2 带*项可根据学科特点选填。I教室节能照明智能控制系统硬件设计摘 要日常生活中电能浪费现象比较严重，教室照明浪费现象尤为严重。由于使用学生不固定以及学生的节能意识的淡薄，白天教室照度很高的情况下，仍然普遍存在开灯作业；即使教室无人的情况下，也是全部开启教室照明。长明灯比比皆是，人走不熄灯的现象到处存在给社会造成了巨大的浪费。本文通过热释型红外传感技术，利用人体的红外信号和光照强度作为检测目标。当人进入其
6、探测区域内，红外传感器将人体红外信号传递给信号处理系统，从而实施对控制电路的驱动与否，实现对控制对象的具体控制，最终由单片机对房间内是否有人和光线的综合实时控制。在有人的情况下光照强度达到设定值则灯不亮，光照强度低于设定值则灯亮。根据实际情况自动控制灯的开关，这样就会杜绝严重的浪费现象，并且具有明显的经济价值。关键词：单片机；教室照明节能；热释红外传感器；光敏电阻IIThe Hardware Design of Classroom Energy-efficient Lighting Intelligent Control SystemAbstract In daily life, electr
7、ic energy waste phenomenon is serious waste phenomenon is serious, the classroom lighting. As energy-saving awareness using the student is not fixed and students lack of classroom illumination, the day is very high, still exists on the job; even the classroom no circumstances, are all open classroom
8、 lighting. Pilot lamp meet the eye everywhere, people do not walk out phenomenon exists everywhere caused great waste to society.The pyroelectric infrared sensor technology, light intensity as targets by the human body infrared signal and light. When people enter the detection area, infrared sensor
9、transmits the human body infrared signals to the signal processing system, thus the implementation of the drive control circuit or not, realize the control of a controlled object, integrated real-time control is ultimately the room if someone and light. In the case of light intensity reaches the set
10、 value does not light, the light intensity is lower than the setting value of light. Automatic control switch lights according to the actual situation, this will put an end to waste phenomenon is serious, and has obvious economic value.Keywords: single chip microcomputer; classroom lighting energy s
11、aving; pyroelectric infrared sensor; photosensitive resistanceIII目 录1 绪论 .11.1 本课题研究的目的和意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 本课题研究的主要内容 .22 系统方案论证 .42.1 节能照明实现方式方案论证 .42.1.1 系统最基本的实现方案 .42.1.2 教室照度可调方案 52.1.3 系统设定调光电路工作的方案 .62.1.4 方案的比较与选择 .72.2 可见光检测电路方案论证 .82.2.1 光敏电阻检测方案 .82.2.2 光敏二极管检测方案 .92.2.3 方案的比较与选择 .93
12、系统硬件核心器件介绍 103.1 AT89C51 单片机器件简介 103.2 人体红外检测器件简介 .133.2.1 热释电红外传感器 .133.2.2 菲涅耳透镜 .153.2.3 热释电传感器信号处理芯片 .183.3 可见光检测器件简介 .223.3.1 光敏电阻 .233.3.2 电压比较器 .244 系统电路设计 .264.1 单片机系统电路设计 .264.1.1 复位电路设计 .264.1.2 时钟电路设计 .264.2 人体红外检测电路设计 .274.3 可见光检测电路设计 .294.4 按键电路设计 .314.5 LED 照明电路设计 31IV4.6 执行模块电路设计 .325
13、 系统焊接调试运行及问题分析 345.1PCB 板焊接 .345.2 单片机系统调试方法及步骤 .365.3 主要问题分析 .366 结论 .38参考文献 .39致谢 40毕业设计（论文）知识产权声明 41毕业设计（论文）独创性声明 .42附录 1 系统 protel 电路原理图 .43附录 2 系统主程序 44附录 3 照明基础知识 .47V1 绪论11 绪论1.1 本课题研究的目的和意义加强高校节电管理，特别是照明节电不仅可以有效地节约用电、降低学校的经费开支，更重要的是通过学校的示范表率作用，提高学生乃至全社会的节电意。按照国标的规定，教室照明的功率密度约为 10W/m2，假设教室的平均
14、面积为 100m2，则照明负荷约为 1kW。如果每天正常使用时间为 15 小时，那么，一天每间教室的用电量为 1kW15h15kWh，学生年在校为 270 天，则年用电量约为 4050kWh.如果学校按照 100m2 折合教室数量为 200 间，则照明用电量为81 万度左右。若节电率以平均 30%计算，则一年可节电 24.3 万度，可节约电费1520 万元左右。而且目前国家提倡节约型社会，节约型校园。建设节约型的校园的当务之急该是节省不该用的能源，防止浪费。据报道，很多高校的自习室等场所用电浪费现象严重。大家都已经习惯让教室成为长明场所。专家们为此算了一笔账：教室无人后如果不关闭电源开关，初步
15、估算全国各高校每年将因此浪费 20 亿度电以上。20 亿度电意味着什么呢？如果按平均每度电 0.7 元计算就意味着会损失十几亿元。节约用电，本人们应该从身边做起。为此本人们在教室的用电上开动脑筋想办法，做试验，提建议，为节能校园的建设贡献一份力量现代化家居照明系统要适应网络时代的发展，应引入智能化的概念。在传统的家居照明系统中，一般都是综合布线，使用刀开关来控制，灯具的寿命短，较费电。但近年来，随着经济的发展和科技的进步，人们对照明灯具节能和科学管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化领域的地位越来越重要。而在商品房的建设热潮中，各大楼盘和房地产商也意识到了智能照明的重要性。使用智能照明控制
16、系统，更能体现其在节能与管理方面的优势。红外智能节电开关由于触发的时候不需要人发出任何声音，而是人走过时身体向外界散发红外热量最终控制灯具的开启，当人离开后，经过一定时间的延时，自动熄灭。因为不同于声光控灯，不需要声音和开关控制，从而避免了声控噪音的侵扰，同时因为它是感应人体热量控制开关，所以避免了无效电能的损耗，达到节能效果。21.2 国内外研究现状目前国内外同领域大多都研究到智能自动控制在照明中的应用，以热释红外为基础来检测是否有人，靠单片机来实行自动控制，但是大多数只是停留在理论阶段，并未在实际生活中像声控那样广泛应用，而高校中用电量 30%-40%都用在照明上，在这部分中浪费极为严重。
17、因此，必须有一套节能设施，本作品正好可以解决出现的这些问题。现在的公共场所照明（比如公共走廊及楼梯间）应用最多的还是几年前出现的声光控延时灯具和开关。这种灯具和开关的出现，实现了人来灯亮，人走灯灭，目前已成为公共场所照明开关的主流产品。当然，这种产品在某种程度上说确实实现了节能的目的，但同时也给人们的生存环境造成了一定的破坏。由于产品本身性能的限制，这种声光控灯具和开关自动控制的实现需要（超过 60 分贝）声音的配合，这就给大众需要的安静环境造成一定的噪声污染。1.3 本课题研究的主要内容作为一名即将毕业的学生，在校期间，对学校的教室以及图书馆的照明设计不太满意。本人认为有很多可以改进的地方。
18、试举一下几种不太好的现象：一是在不需要开灯的情况下，灯长亮；二是人走灯长明，以至于管理员很辛苦的一个教室挨一个教室的去关灯。因为这些情况都造成了很多不必要的浪费。这样下来，无形中所浪费的电能是非常惊人的。据测算，这种现象的耗电占其单位所有耗电的40% 左右。因此，有必要在保证照明质量的前提下，实施照明节能措施。这不仅可以节约能源，而且会产生明显的经济效益。当然说经过教导，相信肯定可以减少这些浪费能源的情况发生，但从技术上完全可以解决这个问题。廉价实用的单片机就是为此而生的。单片机是在一块芯片上集成了计算机各基本功能部件的计算机系统，包括CPU、 ROM、RAM、I/O口、定时器与计数器以及中断
19、系统等等。单片机在现代生活和工业生产中得到了广泛的应用。单片机应用所受到的主要限制不是技术问题，而是创造力和技巧上的问题。针对生活中这种照明中电能浪费的现象设计一套使用单片机控制的智能照明系统。本设计的主要应用范围也是教室、图书馆和办公室等公共场所。该系统应用了两种传感器，人体红外传感器和自然光线传感器，对现场的自然照明情况和人员情况，实现实时自动检测与控制的功能，从而实现节能降西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）3耗的目的。具体功能如下：第一，系统设计人体红外检测电路，有进入探测范围时输出信号。第二，系统设计自然光检测电路，对照明现场的亮度进行自动检测。虽在工作时间，但现场的亮度如果
20、能够满足设定要求时，系统同样关闭照明设备。第三，设计按键电路，设定强制开灯和强制关灯按键。如有需要人为开灯或灭灯，可按相应键。比如在教室内，晚上要演示幻灯片，现实条件是室内有人，自然照度不满足工作要求，按照系统的自动控制程序，是不会灭灯的，但本人们确实需要灯灭，这时就可以按下强制关灯按键 8。设计该系统的理念是：第一，“以人为本，人使用灯” ；第二，“节能环保”。42 系统方案论证2.1 节能照明实现方式方案论证在设计最初需要一个整体的思路来确定设计的框架。首先根据设计任务来确定所需的功能模块；然后按照一定的作用顺序把各个功能模块连接起来。本系统需要两个传感器来分别检测人体红外信号和自然光强信
21、号，需要按键电路来强制灯的开关，还需要指示电路来指示系统的工作状态，等等 7。如图2.1，为该照明系统总体框图。照明电路继电器执行电路LED 指示电路人体红外检测电路 AT89C51 单片机按 键 电 路自然光检测电路晶振电路 复位电路图2.1 系统总体框图该照明系统总体框图，包括：系统核心 AT89C51 单片机，输入为两个传感器电路即人体红外检测电路和自然光检测电路，强制开关的按键电路。输出是LED 指示电路以及继电器执行电路。最后由继电器电路来控制照明电路的通断，从而实现照明的自动控制。这里的流程图是方案流程图，是提出来的思路流程图。可以提出好几种方案，来进行比较，评价，最终确定一种比较
22、合理的方案，如下是本人提出的三种方案。2.1.1 系统最基本的实现方案西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）5如图 2.2 是一种系统最基本的实现方案的流程图。控制方案的流程图，流程经过初始化以后，先判断有无按键按下，如果有则执行相应按键处理程序。如果没有，继续判断红外检测电路有无探测到有人，无人时，灭灯并返回继续判断有无按键按下。如果探测到有人，就接着判断当前照度是否满足设定要求。若照度满足要求，继续返回灭灯程序；若不满足，就给继电器一个动作信号，使其动作，从而开启照明电路 9。开始按键处理程序有无按键？初始化开灯灭灯NNYYNY有人？光照满足？图2.2系统最基本的实现方案流程图在设计
23、系统流程时，是先判断光照还是先检测是否有人是，本人遵循的原则是“以人为本，人使用灯” 。如果没有人，开关灯就无意义，所以应先判断是否有人，而不是先判断光照情况。本方案是智能照明系统的一种最简单的流程图，表现在什么地方呢，就是它只控制灯的亮与灭，没有调光功能。后面的方案将体现方案一的这点不足。2.1.2 教室照度可调方案如图 2.3 为照明系统调节照度方案的流程图。6开始初始化有无按键? 按键处理程序?灭灯开一半 全开YNYYNNN有人否？照度X2?照度X1?图2.3教室照度可调方案流程图如果设计的照明控制系统能够调节照度，那么照明效果和节能效果将会更好。如图 2.3 具有两个照明调节等级的方案
24、。按键判断与有没有人的判断与方案一相同，可见光照度判断与方案一不同，其工作方式为：设照度 X2X10,当环境照度 EX2 时，不需要人工照明：当 X1X10,当环境照度 EX2 时，不需要人工照明：当 X1VR 时允许触发(VR0.2V DD)10 IB - 运算放大器偏置电流设置端11 VDD - 工作电源正端12 2OUT O 第二级运算放大器的输出端13 2IN- I 第二级运算放大器的反相输入端14 1IN+ I 第一级运算放大器的同相输入端15 1IN- I 第一级运算放大器的反相输入端16 1OUT O 第一级运算放大器的输出端参数值符号 参数 测试条件最小 最大单位VDD 工作电压范围 3 6 VVDD =3V 50IDD 工作电流输出空载 100AVOS 输入失调电压 50 mV
