智能灯光控制系统

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测量与控制系统课程设计

题目基于单片机智能灯光控制系统姓名

学号

专业

年级

指导教师

实验教室

机械工程学院

2018年 12 月 20 日

目录

摘要 (2)

................................................... 错误！未定义书签。

1 绪论 (3)

1.2课题现状 (3)

1.3课题意义 (3)

2 总体方案设计 (4)

2.1热释电传感器的简介 (5)

2.1.1信号采集处理模块 (7)

2.2 光检测电路设计 (9)

2.3 单片机部分 (9)

2.3.1STC89C52单片机简介 (9)

2.3.2单片机的引脚功能描述 (10)

2.3.3单片机的时钟电路与复位电路设计 (11)

2.3.4 单片机最小系统 (12)

2.5 电源模块 (13)

3 软件的程序实现 (14)

3.1软件设计语言的选择 (14)

4 硬件调试和遇到的问题以及本人任务分工进行情况 (15)

5 电路的调试 (15)

6 总结评价与心得体会 (16)

参考文献 ........................................... 错误！未定义书签。附件一：总体原理图设计 . (17)

附件二：元器件清单 (17)

附件三：程序源代码 (18)

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摘要

随着现在社会的发展，时代进步，高新技术的快速融入，人们的生活发生了巨大的改变，人们置购了大量高新技术的产品，许多高科技产品的使用越来越成为家庭生活的主旋律。

智能灯光控制系统由单片机最小系统、人体感应模块、关照强度模块、灯光控制模块、电源模块和灯泡组成。本文以STC89C52单片机为核心，通过利用光照度和红外人体感应相结合主动与被动的探测方法，现了室内无人或者关照充足时灯光自动光灯，有人到来且光照不足时自动开启灯光。当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时一分钟后会自动熄灭。在白天，即使有人走过时，灯也不会亮，可以达到节能的目的。

关键词：人体感应、智能灯光控制、光强度检测

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1 绪论

1.1课题研究的目的与意义

能源问题和环境问题一直是人类社会面对的重大问题，特别是到了二十一世纪，对降低能耗和保护环境的要求更成了国家长期发展的重中之重，我国也提出了“节能减排”的号召。而在众多的能源问题中，电能的短缺是束缚经济发展和民生活的重要能源问题之一。

据报道，用于照明的能源消耗占整个办公大楼能源消耗的20％~60％，这部分能耗的多少很程度上取决于照明的控制效果。在现代建筑的楼宇自动化系统中，照明控制也是其中一个重要分支。现代建筑对照明的要求很高，除了应该满足为建筑内人们在工作、学习、生活时对视觉环境的要求以外，还应该利用照明设备的不同类型及光线的变换为人们提供一个舒适、有美感的办公、学习和生活环境，此外，还应该提高能源的利用率，实现节能的目的。而传统的照明系统由于其管理落后、能源浪费、舒适性差、布线复杂以及灯具寿命短的缺点，己不能满足人们的这种需求，所以研究新型照明控制系统，对减少这部分能源消耗、减少环境污染，同时更好的满足人们对照明质量的要求，都有极其重要的意义。

新型的照明控制系统主要指综合了照明、自动化控制、计算机技术、电力电子技术和网络技术等的智能照明控制系统。最根本的是通过充分利用自然光来减少人工照明带来的能源消耗。

1.2 课题现状

公共场所和居民居住区的公共楼道普遍使用机械手动开关,由于各种原因往往出现许多灯泡点亮长明的现象,故使灯泡寿命短,浪费电量,为国家、单位、个人造成经济损失。因此，设计一个基于单片机的智能灯光控制系统，使公共场所和居民居住区的公共楼道灯在白天时不亮，晚上闻声自亮，待人走后，1分钟后自动关闭，既方便，又省电。

1.3 课题意义

（1）利用单片机作为中央处理器；

（2）实现了室内无人或者关照充足时灯光自动光灯，有人到来且光照不足时自动开启灯光。

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（3）延时关灯；

（5）所设计的开关系统应做到节能、智能、耐用、可靠性高以及维护方便。

2 总体方案设计

智能灯光控制系统由单片机最小系统、人体感应模块、关照强度模块、灯光

控制模块、电源模块和灯泡组成。本系统采用了光敏电阻检测白天黑夜，红外热释电传感器感应人体信号，经过单片机分析处理后判断是否控制灯光亮灭情况，实现了室内无人或者关照充足时灯光自动光灯，有人到来且光照不足时自动开启灯光，如果光照度和人体感应都不满足时，单片机延时1分钟，关掉灯光。实现了一个节能的效果。该系统制作简单、成本低，安装比较方便，而且比较稳定、抗干扰能力强、灵敏度 高、安全可靠。

从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：电路总原理图如图1所示：

图1 总体设计框图

光照控制电路

电源模块电路

STC89

C52

单片机 复位电路

灯泡 继电器

人体感应电路

2.1 热释电传感器的简介

基于红外线技术的自动控制产品, 灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式,广泛应用于各类自动感应电器设备, 尤其是干电池供电的自动控制产品。

实物图片：

电气参数：

电气参数DYP-ME003 人体感应模块

工作电压范围DC 4.5-20V

静态电流<50uA

电平输出高 3.3 V /低 0V

触发方式L 不可重复触发/H 重复触发

延时时间5S(默认)可制作范围零点几秒-几十分钟封锁时间 2.5S(默认)可制作范围零点几秒-几十秒电路板外形尺寸32mm*24mm

感应角度<100 度锥角

感应距离7 米以内

工作温度-15-+70 度

感应透镜尺寸直径:23mm(默认)

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功能特点：

1. 全自动感应:人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。

2. 光敏控制（可选择，出厂时未设）：可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。

3. 温度补偿(可选择，出厂时未设)：在夏天当环境温度升高至 30～32℃，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。

4. 两种触发方式：（可跳线选择）

a.不可重复触发方式:即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变为低电平；

b.可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时

时间的起始点)。

5. 具有感应封锁时间(默认设置:无封锁时间)：感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。(此时间可设置在零点几秒—几十秒钟)。

6. 工作电压范围宽：默认工作电压 DC4.5V-20V。

7. 微功耗:静态电流<50 微安，特别适合干电池供电的自动控制产品。

8.输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接。

感应范围：

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2.1.1 信号采集处理模块

图3-5信号处理模块

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图3-6实物图

本电路是将人体辐射的红外线转变为电信号。热释红外感应2脚输入到前置放大器OP1进行放大，然后由C4耦合给运算放大器OP2进行第二级放大。再经过电压比较器COP1和COP2构成双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延时时间定时器输出信号在经过R3进入单片机部分进行处理。延时周期可通过R12来调节输出，在延时时间内只要Vs发生上跳变，Vo就会从Vs上跳变时刻起继续延长一个周期，而电路中的电容为了能够更好的控制了芯片内的定时器，若Vs一直保持为高电平，这样就可以通过P10传输到单片机内进行下一步处理。而根据不同的距离要求来调节R13，最大可以调节到7米左右。图中BISS0001中1脚用跳线连连接住一个接高电平后，在延时时间段内如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才将高电平变为低电平，本电路设计就是可触发方式。

2.1.2人体感应模块电路设计

人体感应模块采用红外热释电传感器，有三个引脚，一个电源，一个地，一个信号脚，默认为低电平，当检测到人体时，第二脚信号脚为高电平，送到单片机做判断，并设有人体感应信号指示灯D2，当有人体信号时，发光二极管点亮发光，无信号时，熄灭，其中R2为限流电阻，防止信号灯D1烧死。具体电路图如国2所示：

图2 人体感应电路原理图

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2.2 光检测电路设计

智能灯光控制系统除了人体感应以外还有光线强度检测，只有这两种添加同时满足的情况下才能控制灯光的亮。可以实现室内无人或者关照充足时灯光自动光灯，有人到来且光照不足时自动功能，实现了一个节能的效果。这就必须设计一个光控电路，原理图如图3所示。

图3 光信号判断电

图中GR1为光敏电阻器，光敏电阻器的主要功能是，当没有光照或光线不足时，其阻值较大，达到兆欧级以上，相当于处于短路状态，此时R9上端输出为低电平。而当有光照时，光敏电阻阻值下降，阻值相当小，此时电位器R9的上端输出为高电位。LM393和电位器R5组成一电压比较器，当同相输入端电位高于反相输入端时，LM393输出一高电平，反之，当反相输入端电位高于同相输入端时，LM393输出一低电平，输出信号送到单片机，由单片机进行检测，判断是否有光照。

2.3 单片机部分

2.3.1 STC89C52单片机简介

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内

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晶振及时钟电路。另外，STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。这一模块以单片机为中心把程序代码烧进去然后外围接上复位电路、振荡电路、键盘控制、LED显示电路、报警电路等子模块。

2.3.2 单片机的引脚功能描述

下面对STC89C52各引脚的功能进行较为详细的介绍：

1)电源引脚Vcc和Vss

Vcc(40脚)：电源端为+5V Vss(20脚)：接地端。

2)时钟电路引脚XTAL1和XTAL2

XTAL2(18脚)：接外部晶体和微调电容的一端。在单片机内部它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时针电路时，该引脚输入外时钟脉冲。要检查89C52的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。

XTAL1(19脚)：接外部晶体和微调电容的另一端。在片内，它是振荡电路反向放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。

3)控制信号脚 RST ALE PSEN 和EA。

RST(9脚)：RST是复位信号输入端，高电平有效。在此输入端保持两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，就可以完成复位操作。

ALE/PROG（30引脚）：地址锁存允许信号端。当STC89C52上电正常工作后，ALE 引脚不断向外输出正脉冲信号。此频率为振荡器频率fosc的1/6，当CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。在CPU访问片外数据存储时，每取值一次（一个机器周期）会丢失一个脉冲。平时不访问片外存储时，ALE端也以1/6的振荡频率固定输出正脉冲，因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。如果你想看一下STC89C52芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出，如有脉冲信号输出，则STC89C52基本上是好的。ALE的负载驱动能力为8个LS型TTL（低功耗高速TTL）。

PSEN（29脚）；程序存储允许输出信号引脚，在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。此引脚接ERROM的OE端。PSEN端有效，即允许读出ERROM/ROM中的指令码。CPU在从外部ERROM/ROM取指令期间，每

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个周期PSEN两次有效。不过，在访问片外RAM时，要少产生两次PSEN负脉冲信号。要检查一个STC89C52小系统上电后CPU能否正常到ERROM/ROM中读取指令码，也可用于示波器看PSEN端有无脉冲输出。如有，说明基本上工作正常。

EA/VPP（31脚）：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当EA 引脚接高电平时，CPU只访问片内ERROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令。但在PC（程序计数器）的值超过OFFFH（对8751/8051为4k）时，将自动转向执行片外存储器的程序。当出入信号EA引脚接低电平（接地）时，CPU只访问外部ERROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。对于无芯片内的ROM的8031或8032，须外扩ERROM，此时必须将EA引脚接地。如果使用有片内ROM的STC89C52，外扩ERROM也是可以的，但也要使EA接地。

4)I/O（输入/输出端口，P0，P1，P2，P3）

P0口：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。

P1口：8位准双向I/O端口。

P2口：即可以做地址总线输出地址高8位，也可以做普通I/O用，（此时为准双向口）。

P3口：双功能口，即可以做普通I/O口用（此时为准向口，也可以按每位定义实现第二功能操作）。见表1。

表1 P3口的第二功能表

引脚第二功能

P3.0 RXD （串行输入口）

P3.1 TXD （串行输出口）

P3.2 INT0（外部中断0）

P3.3 INT1（外部中断1）

P3.4 T0（定时器0外部中断）

P3.5 T1（定时器1外部中断）

P3.6 WR（外部存储器写选通）

P3.7 RD（外部存储器读写通）

2.3.3 单片机的时钟电路与复位电路设计

本系统采用AT系统列单片机，相比其他系列单片机具有很多优点。一般AT 单片机资源比其他单片机要多，而且执行速度快；AT系列单片机使用串口对单片机进行烧写，下载程序较为方便；STC89C52单片机内部集成了看门狗电路；且具有很强抗干扰能力。

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本系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路，如下图3图4所示：

图3 时钟电路图4 复位电路

由于单片机P0口内部不含上拉电阻，为高阻态，不能正常地输出高/低电平，因而该组I/O口在使用时必须外接上拉电阻。

2.3.4 单片机最小系统

要使单片机工作起来最基本的电路构成为单片机最小系统如图5所示。

图5 信号处理模块

单片机最小系统包括单片机、复位电路、时钟电路构成。

STC89C52 单片机的工作电压范围：4V-5.5V,所以通常给单片机外界5V直流电源。连接方式为单片机中的40脚VCC接正极5V，而20脚VSS接电源地端。

复位电路就是确定单片机的工作起始状态，完成单片机的启动过程。单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动确定单片机起始工作状态。当单片机系统在运行中，受到外界环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程

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序自动从头开始执行。一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后，在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。本设计采用的是外部手动按键复位电路，需要接上上拉电阻来提高输出高电平的值。

时钟电路好比单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。时钟电路就是振荡电路，是向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，该反向放大器可以配置为片内振荡器。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us。

2.4 电灯驱动电路

智能灯光控制系统的灯光控制电路是采用继电器控制220v的灯光，当在晚上和有人体感应信号是，单片机驱动PNP型S8550三极。当单片机的K1口输出低电平时，三极管饱和导通，继电器线圈得电吸合，继电器常开触点闭合灯泡发光工作。当单片机K1口输出高电平时，三极管截止，继电器线圈断电灯泡熄灭，继电器的常开触点断开停止工作。电路图如图6

图6 电灯驱动电路

2.5 电源模块

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智能灯光控制系统采用3节1.5 V干电池共4.5V做电源，经过实验验证系统工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，而且电池更换方便。电源接口电路如图11，其中P3为电池接口，SW1为电源开关，R8为二极管的限流电阻，D4为电源指示灯。电路电路图如图7所示。

图7 电源电路

3 软件的程序实现

3.1 软件设计语言的选择

单片机语言的编程一般使用两种语言：C语言和汇编语言。汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器语言的一种语言。其主要的优点是占用资源少，程序执行效率高。但是不同的CPU，其汇编语言可能有所差异,所以不易移植。C语言是一种结构化的高级语言。其优点是可读性好，移植容易，是普遍使用的一种计算机语言。缺点是占资源较多，执行效率没有汇编高。

C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了许多种高级语言的特点，其具备汇编语言的功能。C语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。C语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛用的有顶向下结构化程序设计技术。此外，C语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。因此使用C语言进行程序的设计已经为软件开发的一个主流。综上所述，用C语言进行单片机程序设计是单片机开发和应用的必然趋势。本设计就采用C语言进行编程，明显的增加了软件的可读性。

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4 硬件调试及调试中遇到的问题以及个人任务分工进行情况

本次课程设计，我们小组进行了比较明确的分工，我负责的部分是“检查电路”，具体步骤情况如下：

第一步为目测，单片机应用系统电路全部手工焊接在洞洞板上，因此对每一个焊点都要进行仔细的检查。检查它是否有虚焊、是否有毛剌等。

第二步为万用表测试，先用万用表复核目测中认为可疑的连线或接点，查看它们的通断状态是否与设计规定相符，再检查各种电源线与地线之间是否有短路现象。

第三步为加电检查。当系统加电时，首先检查所有插座或器件引脚的电源端是否有符合要求的电压值，接地端电压值是否接近零，接固定电平的引脚端是否电平正确。

第四步是联机检查。

在对硬件电路调试过程中，还遇到了不少问题，第一次把所有的元件都焊上去后，都准备调试了，才发现正负电源的插针离得太近了，不容易接电源，本不该犯的错误，这些都是由于自己的粗心大意造成的，所以说，做任何事情都必需经过“三思而后行”，来不得半点的马虎，否则既浪费了时间又浪费了精力。

5 电路的调试

首先烧入光照度检测程序，看光线的强暗单片机检测的信号是否正常。在调试程序时，发现有的指令用的不正确，导致电路功能不能完全实现，另外软件程序中的延时有的过长、有的过短。类似的现象还有很多就不一一列举了。

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6 总结评价及心得体会

通过这一次课程设计自己不但对以往有关的知识进行了一次全面的总结和复习，更为重要的是锻炼了解决问题的能力。从开始对课题任务进行初步了解，进而开始查找资料，聆听指导老师的教诲，一步一步不断完善课程设计中的每一细节，总结设计的方法，最后完成设计任务。

在这次灯光设计中使我认识到自己的专业知识还远远不够，开始设计的时候根本不知道如何下手。尤其对单片机都还了解不够，查看了相关灯光设计相关设计有关的书籍后，对许于如何设计和写入系统毫无头绪，只好从最基本的知识着手，同时与同学交流学习，后来渐渐有了头绪，再加上老师的不懈指点，设计的思路、轮廓渐渐清晰。

虽然设计已经完成了，但我还是要感谢我的组员，让我体会到了合作的快乐，也让我知道了坚持的可贵。在我想放弃的时候，是我的组员不断的给与我鼓励，让我依然有信心，让我在设计过程中学习到更多整个设计过程虽说不易，但我们组还是艰难的完成了任务。这次设计时间紧，大家都很刻苦，特别是我们的组员们，从早到晚不断的查阅资料，废寝忘食，才使我们这次得以设计成功。

总的来说，这次设计作业不但巩固了我的专业知识、增长了见识、增加能力，而且也磨练了自己的性子，我觉的自己收获很多，也告诉自己再接再厉。

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17 附件一：总体原理图设计

附件二：元器件清单 Comment Designator LibRef Quantity 电解电容 C1 10uF 1 瓷片电容 C2, C3 30pF 2 发光二极管 D1,D2, D3,D4 3mm 4 光敏电阻 GR1 光敏电阻 1 排针 J1,P1,P3 Header 4 9P 继电器 K1 SRD-05VDC 1 接线柱 P2 Header 2 1 三极管 Q1 S8550 1 电阻 R1,R2, R4,R6,R8 2K 5 电阻 R3,R7 10K 2 电位器 R5 10K 1 触点开关 S1 SW-PB 1 自锁开关 SW1 sw-灰色 1 单片机 U1 STC89C52 1

单片机座U1 DIP40 1 比较器U2 lm393 1 晶振Y1 12M 1

附件三：程序源代码

#include "std_for_wym.h"

sbit Ji_D_Qi = P1^0; //继电器接口

sbit Rsd = P1^1; //红外热释电接口

sbit Led = P1^2; //红外热释电信号指示接口

sbit Light = P1^3; //光敏电阻接口

#define TIMEMIN 2 //检测到一次吸合2分钟

void DelayMs(unsigned int z)

{

unsigned int x;

for(;z>0;z--)

for(x=110;x>0;x--);

}

void main(void)

{

int i,j;

while(1)

{

if(Rsd == 1)Led = 0; //热释电指示灯

else Led = 1;

if(Rsd == 1 && Light == 0)

{

Ji_D_Qi = 0;

// Led = 0;

for(i=0;i

{

for(j=0;j<60;j++) //执行完一次一分钟

{

DelayMs(1000);

if(Rsd == 1)Led = 0;

else Led = 1;

}

}

// Led = 1;

}

else Ji_D_Qi = 1; //关闭继电器

}

}

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