基于单片机的智能教室照明系统_毕业设计论文

taoyulon

摘要
4 H- N8 J! v7 m. C* u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
- S! _, ~. Z% F" a  P3 R1 {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
8 J" k6 h  ]6 G1 M! T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
* ~' g$ {2 H5 D% d$ R+ f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
8 F5 [1 n' @  B6 l7 z; Z# R7 `( q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
  ]# A- L! M- r" \  A; h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
3 ~+ ^5 X% ~" s, f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
2 [( Y0 ^: d) Q1 l警功能；同时还采用了软／硬件的“看门狗”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。
( y9 k$ ]/ H3 y1 e6 c' A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。
7 m% A, Y/ R+ R* G" ~( U, Y
1 引言
1 o' Y3 f2 D7 B) `! y1.1 本课题研究的意义
2 C4 N! o( G- P6 U& i7 ]4 ~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
% }" J/ D( y1 E, v5 d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
6 R% z  {! K: k5 ^% M4 J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
! ]! o9 n. n- p6 J6 e8 r: j2 P" c5 ?是我国教室灯光的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
) Y6 y- H3 u0 }- a9 `  u) x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
8 G7 C1 l8 e6 _, ~) w/ |: D9 I5 Q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
9 ~$ m# q( I( a  G1 G$ i& V) o" c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
# f- y- I- x! J) t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 年以来，尽管丹麦国民收入增长了50%。
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
( l  i4 o& T1 x% j$ ~. v. s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) 。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
% J1 Q$ f$ D7 n2 _& t( s到了90%。丹麦政府很重视住房空同用电的节簏， 并设立了对新建房屋节能的诸
! ]& B- Y8 f; B: k; q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
- N1 C3 _+ q6 P+ {7 c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
) ^3 E9 I/ Q: N- K& m) Y$ x2 C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的陶瓷金卤灯代替过去的卤钨
4 y' f2 Y0 h. u7 }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
! z% y4 ]$ y& W1 k6 l6 J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
! M# e0 n+ a0 P2 j# p1 V$ J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
) s. F& |" a8 r1 y2 F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。
! i6 H+ K5 i+ T8 n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
! f& W! [4 x4 z+ M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1.5 亿只节能
3 @2 P, d' K- v/ p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1：1.5。
' V) G. u/ N" J9 v! Z) D+ S  v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
! p9 ~" W( Z$ W- m  r0 z5 T8 Z9 Y的低效照明产品可节电60%-80%。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
9 u) n( Q4 @9 {+ t( T灯具。在奥运工程的建设上、也大量运用节能技术，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%。
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
3 @+ ^+ B0 K9 s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
) e$ @3 x: x7 A. J0 L% {0 Y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
% \, s; k: ?( B0 v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
+ k4 i& Q8 Q! q( M1 i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。
. [8 E  N1 x$ x5 x- C$ z! T目前国内各类院校中， 由于同学们的自觉节能意识薄弱， 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，
! `7 S0 i8 r0 L; c3 f6 J. b3 l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
3 n% I$ E6 s3 m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
  a# a1 N& U" J& x本课题的研究内容有如下几点：
- @- f6 v" `8 V9 d(1) 了解教室照明光强的标准 ;
* X0 R0 T' _) ^' i7 G: }(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；
, F! b  g2 c0 q- U% R" l) L5 N, w(4) 研究传感器在教室分布、安放问题，是否一灯一个传感器或多灯公用
传感器等；
' ^. G! t# c% n& P+ y(5) 研究确定人体传感器的有关参数；
9 u9 G( |% h+ J( _, f9 ^) w(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；
/ I0 @) T  D1 t& s% t(9) 研究使用遥控器控制灯光控制器技术；
& B0 n/ E  v+ q. _$ ]7 g0 u% m. L* W/ V(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
: x( g/ S' L1 \3 }! G; G! a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
( w7 ~, C8 n3 j! D6 e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
$ ^* E  c& }9 t4 J: K$ }: j) Y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
/ P' h& g5 \% c4 }3 Y+ }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。
1.4 本课题拟解决的关键问题
9 k, k9 f8 i, p9 b5 O8 S- |3 S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：
$ B: C) e; w7 m& ]7 j(1) 照明回路的控制回路与控制器本身的节能问题；
" A2 x; C' ~; v" n! J(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
+ l: N6 F8 I' s* M2.1 教室灯光控制器简介
' v& q3 H- @0 I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
. Q- J! U8 d0 r8 Q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
* L/ P9 h' p) T/ a) J. P! K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
4 i7 I9 H! I( }% q3 @( J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，
8 l" }& G1 G  a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
2 G! ~7 e! i3 g5 u0 ~6 B8 X% A关来手动控制，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
  n$ {1 \* J* x4 J" E! s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。

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