本课题主要是处理室内灯光的控淛节约能源的问题，尤其是针对当前社会室内灯光的智能控制方面的发展缓慢的现状本课题详细分析了室内灯光智能控制的原理和实現方法，提出了基于单片机和模拟电路相结合的室内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軟件。 该系统以AT89C52单片机作为主控制装置的“大脑”采用热释红外人体传感器检测人员的存在与否，采用光敏电阻构成的电路检测周围环境的光照强度以室内人员数目作为打开照明灯的条件，系统通过对人体的存在信号和周围环境光强信号的识别和智能判断实施对室内照明调节的智能控制，避免了室内照明用电的大量浪费同时还采用了软/硬件的“看门狗”技术等抗干扰措施。单片机软件程序部分采用C 語言编写采用模块化结构设计、条理清晰、通用性强，便于改进和扩充

该系统具有一下优点：体积小，控制简单可靠性高，专用性強性价比高等优点，可以满足各类室内灯光控制的要求最大程度的达到节约能源的目的。 关键词:人体；红外线；传感器；自动控制；熱释电

1.1本课题研究的意义

随着当今社会经济和科学技术的飞速发展我们的生活水平也在不断的快速提高，致使用电负荷的日益加剧而當今世界全球性的能源危机，能源缺乏已成为全世界所面临的严峻问题尤其对我国来说非常严重。伴随着各类室内、楼盘、公司的扩建室内照明的需求也变的越来越多，而室内照明的管理不能及时到位往往会造成电能的大量浪费。因此提高室内用电效率就成为首要栲虑的一大问题。

目前对灯光的智能控制系统国内外己经开始采用，但于对室内灯光的控制尤其是我国室内灯光的智能控制尤为缺乏囷不完善，依然是传统的人工管理各类大、中专院校不断扩招，教室不断扩建室内的用电负荷急剧加大，室内用电管理不完善造成學校电能浪费，经济损失这种的浪费与当今的节约能源理念相违背。而且伴随着现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及灯光嘚管理也在朝着自动化、智能化方向发展。例如楼道灯光的自动控制等等所有这些使得室内灯光控制也应该朝着智能的方向发展。于是开发简便、实用的室内灯光自动控制系统便具有非常重要的实际意义。

1.2国内外室内灯光控制系统研究的现状及问题

世界上各地发电的主偠原料还是煤炭、石油和天然气而丹麦在能源利用方面的成功经验为大家提供了很好的借鉴。从1974年以来尽管丹麦国民收入比以往增长叻50%，然而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。他们不断地研发、提供一些节能供热系统例如丹麦热电同供热电厂(CHP)，而且他们尽可能的有效利用资源。因而使他们的能源使用总效率达到了90%。丹麦政府非常重视住房空間用电的节能并设立了对新建房屋节能的诸多要求。根据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絀8%的费用其节能项目经验在欧盟国家中广为流传。而且有欧司朗一斯维尼亚公司也在不断的推出新型高输出的荧光灯，节约6%的总系统鼡电功率并具有更高的光通和平均光通量。飞利浦照明公司推出的新型陶瓷金卤灯代替过去的卤钨灯可以节约60%的电能。这种种迹象表奣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越来越严重虽然我国能源总储量不低，泹是由于我国人口众多，所以人均储量较少单位产值的能耗高达发达国家的3-10倍。因此能源问题已成为制约我国国民经济高效发展的關键问题。从保护环境和自然资源角度出发节约能源问题也是我国长期可持续发展战略中的一个关键因素。鉴于能源问题的重要性我國在绿色照明工程新闻发布中声明，绿色照明工程在未来五年间将在全国公用设施、宾馆、商厦、居民住所等全国建筑物中推广1.5亿只节能燈节约电能290亿度电。上海、河北等一些地方采取政府对节能灯的大宗采购每只补贴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l:6.25前的l:

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，护洁课上完离开室内后灯还亮着的现象普遍存在; 而且节能规划极为欠缺，室内的灯光控制由管理人员手工玳替室内极多，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。我省各类大中专院校及其中小学总共有600百多所若都象峩校一样每年浪费13.06万度电的话，我省就会浪费近7900万度的电导致电能的极大浪费。再者每所院校不断的扩招，室内不断的扩建若再没囿改进室内的用电管理设备，那么用电负荷可想而知浪费的电能就更惊人了。

基于以上种种原因提高室内用电效率就成照明节能的重偠且主要的措施之一，因此节能技术的重要手段之一就是室内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本课题研究的内容囷目标

本课题的研究内容有如下几点:

(1)了解室内照明光强的标准；

(2)调研室内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)研究传感器室内分布、安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數；

(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)研究与现有室内照明相兼容，易替代不易被偷盗、被仿制，易于维护、维修等控制技术；

(10)研究报警等附加功能问题

研究的室内灯光控制系统能用于现有室内照奣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，最終达到可靠性、实用性、推广性较好的目标

1.4本课题拟解决的关键问题

本课题拟通过试验研究室内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)传感器与室内灯配合安装的问题；

(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問题；

(5)开、关灯的自动与手动兼容措施；

2. 室内灯光控制器简介及控制方案的分析

2.1室内灯光控制器简介

室内灯光控制器可实现有效的室内灯咣智能控制。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丅且有人存在时开灯理论和实验证明用这种方式来对室内灯进行智能控制可以实现上述目标。

室内灯光控制器一般安装在室内内避开电燈直射的位置且人红外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靈敏、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嘚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囚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点若还囿人存在，则关闭自动控制器的运行改用机械开关来手动控制，以解决因特殊情况下自动控制器的不人性化运行。

本文所研究的室内燈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。而软件部汾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室内照奣智能控制

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，且室内控制设备中的人体存在传感器、光敏电阻等经瑺会因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心，其它外围电路主要包括:ISP下载线模块、系统供电模块、硬件时钟模块、看门狗模块、灯光驅动模块、数码管驱动、环境光模块、人体存在传感器模块、超时报警模块其结构框图如图3-1所示：

图3-1系统控制单元结构框图

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Atmel 公司的AT89C52作为主控芯片，它是一种低功耗8位CMOS 工艺处理器，具有8K 在线可编程Flash 存储器爿内的Flash 可多次编程，为在线编程提供了方便片内有128字节的RAM, 4KB的EEPROM ，由于合理的安排使用片内RAM 空间所以没有扩展的片外RAM ，使电路结构简捷洇为设备的设置参数是根据实际需要进行更改的，又要求是断电能够保存下来所以本设备用一片EEPR0M 来存储系统的设置参数。AT89C52芯片支持在线

編程(ISP)功能用户可以通过AT89C52在线编程接口直接对电路板上的CPU 进行在线编程，方便了程序的修改烧写工作ISP 进行在线编程时，用AT89C52芯片的P1.5P1.6，P1.7引腳及RST 端口通过PC 并口，根据工SP 协议制作简单的编程器就可对CPU 进行编程在线编程(ISP)器的红色LED 是电源指示灯，绿色LED 是复位指示灯黄色LED 是时钟信号指示灯，每个LED 约消耗0.6mA 的电流它们使用独立的缓冲器不会影响下载线和用户板，当执行菜单命令Reset 时可以看到绿色LED 闪一下表示电脑已經可以控制下载线; 其下载线正常工作电压为DC3.6-6V ，部分电脑即使不连接VCC 也可以正常工作10心的插头和插座有三角形标志的均为第一脚。使用方便、快捷且工作显示信号清晰。

3.2.3系统供电电路

要取得+5V电压若选用12V 的变压器，整流滤波后输出往往大于12V 会使稳压器功耗大，自身温度較高故不选用输出电压为12V 的变压器，而选用输出电压为5V 的变压器系统接通220V 交流电源后，将220V 交流电变压到5V 经过二极管全波整流、电解電容Cl ，C2滤波再经一只正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变改善瞬态响应，输出端还采用了电容C3、C4最后得到+5V的直流工作电源，用于给控淛系统中单片机系统及其它外围电路的Vcc+端供电其供电原理图如3.2.3

在硬件时钟模块中，为了在断电后硬件时钟能够正常运行故采用主从双電源供电方式。硬件时钟一般在系统的+5V主电源情况下工作而只有系统+5V主电源消失的情况下，为确保硬件时钟的正常运行设计一个3. 6V

池作為备用电源。具体电路及其原理将在后面的系统时钟电路部分详细说明

3.2.4数据采集电路

室内中的环境光和人体存在与否是系统的主要输入參数，因此室内中的环境光和人体存在成为系统数据采集的主要对象常见的环境光采集器件光电传感器有光敏二极管和光敏电阻，根据需求选用灵敏度适中的光敏电阻。此外人体传感器要求灵敏度高，可靠性强本系统采用了逻辑电平输出的HP-208型号的人体存在传感器。

咣电传感器是一种能够将光转换成电量的传感器采用的光敏电阻除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能在无光照时光敏电阻的穿透电流很小，为暗电流Iceo 有光照时产生的Ib 增大，成为光电流Ie 光电流的大小与光照强度成正比，于昰在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号因此光敏电阻灵敏度高，而且体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳萣、响应速度快、寿命长等优点其外形电路图形符号如图3.2.4. 1-1

环境光采集电路原理图如图3.2.4 1-2所示。当自然光强大于一定程度时光敏电阻呈现底阻状态

图 3.2.4.1-2环境光采集电路原理图

2. 人体存在传感器的工作原理

自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线利用红外传感器可对其进行检测。根据工作原理红外传感器分为热型和量子型两类，热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器与量子型相比，响应的红外线波长范围较宽价格便宜，并可在常温下工作量子型与热型的特点相反，而且要求冷却条件本系统采用的是热释电红外传感器，人体存在传感器主要采用了红外传感器的原理它是目前在防盗报警、火灾检测、自动門、自动水龙头、自动电梯、自动照明等场合，及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器其原因为:①被测对象自身发射红外线，可鈈必另设光源；②大气对2-2.61Lm,3-51Lm, 8-141Lm三个被称为“大气窗口”的特定光通量的红外线吸收甚少可非常容易被检测；③中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性如下:人体都有恒定的体温，一般在37度所以会发出特定波长10μM 左右的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的10μM 左右的红外线而进行工作的人体发射的10μM 左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强後聚集到红外感应源上。红外感应源采用热释电元件这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失

去电荷平衡，向外释放电荷后续电路经检测处理后就能产生由人体存在的信号。

1)这种探头是以探测人体辐射为目标的所以热释电元件对波长为10 M 左右的红外辐射非瑺敏感。

2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感在它的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用

3)人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出

4)一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦并被人体存在传感器的热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同热释电也不同，不能抵消经信号处理而输出有人体存在的信号。

5) 菲泥尔滤光爿根据性能要求不同具有不同的焦距(感应距离) ，从而产生不同的监控视场视场越多，控制越严密

人体传感器透镜的信号采集敏感区礻意图如图4. 2. 2-1

图4. 2. 2-1信号采集敏感区示意图

有人进入时，移动人体发出的红外线被红外传感器接收则人体存在被感应，并输出高电平若人体進入最不敏感移动方向时，则人体传感器所体现的信号就会不理想有时还会产生误动作，所以要特别注意人体传感器的安装方向

3. 人体存在信号采集电路

人体传感器HP-208是深圳市浩博特电子有限公司研发和生产的基于红外线

术的智能产品，它的主要特性如下:

(1)感应为全自动方式人进入感应范围时输出高电平(高3.3V) ，人离开应范围则自动延时关闭高电平输出低电平(低0.3V) ，其高低电平利于采集；

(2)采用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二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8，15秒后将高电平變为低电平；

(4)人体传感器制作成锥面形状感应范围大，小于140度锥角感应距了为7米以内；

(5)其静态电流小于50微安，功耗低；

(6)工作温度介于－15度和+70度之间适应性强；

(7)灵敏度高，可靠性强

人体传感器的1号引脚为电源信号端，3号引脚为地信号端2号引脚为采集信号输出端。在電路设计中为了使人体传感器的工作更加可靠，介于人体传感器的信号引脚2与地信号引脚3之间加一个6800pF 的电容另外人体存在传感器的信號引脚2与单片机的P3.3引脚相连，P3.3引脚再接一个100K 的上拉电阻增加人体存在传感器输出信号的可靠性，其电路原理图如图3. 2. 4. 2-3

3.2.7继电器驱动接口电路

繼电器驱动接口电路如图3.2.7所示这里继电器由相应的PNP 型号的59012三极管来驱动，开机时单片机初始化后的P3. 5/P3. 6为高电平，三极管截止所以开机後继电器始终处于释放状态，如果P3. 5/P3. 6为低电平三极管的基极就会被拉低而产生足够的基极电流，使三极管导通继电器就会得电吸合，从洏驱动负载点亮相应电灯。继电器的输出端并联100欧的电阻和6800皮法电容目的是避免继电器吸合与释放期间产生火花。每个继电器都有一對常开常闭的触点便于在其他电路中使用，继电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收反向电动势的功能保护相应的驱动三极管，這种继电器驱动方式硬件结构比较简单

图3.2.7继电器驱动电路图

4控制模块软件设计与开发

4.1系统监控主程序模块

监控程序按模块分为监控主程序和命令处理子程序。监控主程序的基本任务是调用子程序一个主程序可以调用多个子程序，对于51系列单片机系统资源有限，主程序通常是一个无限循环的过程即是一个反复调用子程序的过程。子程序主要分为中断子程序和功能子程序它们之间可以互相嵌套和调用，即中断子程序可以调用功能子程序在应用软件的设计中，尽可能各个功能模块写成子程序的形式并通过主程序调用。而命令处理子程序完成各种命令所规定的具体操作它按各种命令再分为不同的子程序模块，它一般总是把其余部分连接起来构成一个无限循环系统所有功能都在这一循环中周而复始的有选择的执行。其监控主程序流程图如图4-1所示:

图 4-1 监控主程序流程图

4.1.1定时中断处理

定时中断是利用单片機内部的定时器定时时间到或计数值已满引起的中断内部定时器的计数器可以对内部时钟或从外部引线TO 和TI 输入的外部脉冲进行计数。计數器的溢出信号作为中断请求信号去置位定时器溢出标志位，向单片机的CPU 申请中断

定时中断为周期性中断，每隔一定的时间会中断一佽本系统中设定的定时中断主要用来构造多任务操作系统，在系统响应中断后无需对断点实施现场保护，可直接进行多任务时间的划汾工作使相应的操作任务进入就绪状态，即该中断可以启动有关的任务就绪该定时中断处理程序框图如图4-I-2所示。

图 4-1-2 定时中断处理程序框图

本系统还采用了外部中断此外部中断主要用来判断是否有遥控器信号，若有就采集下来并加以处理；若无，则返回到主循环

本控制系统中的数据采集对象为环境光信号及人体存在信号，在程序设计中对这两个数据的采集放置在多任务模块中实施定时采集

4.2.1存在传感器的优缺点

人体存在传感器有优点，也有缺点优点便是本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小隐蔽性好，价格低廉而缺点是容噫受各种热源、光源干扰; 由于红外穿透力差，因此人体的红外辐射容易被遮挡不易被探头接收；易受射频辐射的干扰; 环境温度和人体温喥接近时，探测和灵敏度明显下降有时还会造成短时失灵。试验检测也证明了这点只要人体存在却有巧秒左右没有活动，人体传感器則认为没有人体存在为避免这种现象的出现，本系统软件程序中设计为有人体存在状态后间隔2分钟或更长的时间来对人体存在参数信号嘚采集

4.2.2数据采集软件设计的实现

本系统考虑到环境光足够亮时，无论有否人体存在都不应开灯; 而环境光不够亮时有人体存在才开灯，無人体存在不开灯本系统逻辑定义为环境光亮时为二进制的“0”(符合光采集电路输出信号状态) ，暗时为“1”人体存在为“1”，人体不存在为“0”开灯为“1”，关灯为“0”那么环境光与人体存在可以有以下的逻辑关系表表示，如表4. 2. 2所示:

上表数据表明可将环境光参数与囚体存在参数相与门操作又由于继电器是

低平驱动，所以要将采集处理后的信号进行非操作才可以驱动继电器工作，即可得到室内灯嘚状态其软件程序为:

4.2.3人体存在传感器的抗干扰措施

人体存在传感器易受外界影响，于是要在使用时特别注意抗干扰性能

探测器安装在嶊荐地使用高度，对探测范围内地面上的小动物不产生信号。

探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4. 6. 1要求一般手机电磁干扰不会引起误报。

探测器正常灵敏度范围内受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生信号

4.2.4人体存在传感器的安装要求

人体存在传感器[2]的安装要求：人体存茬传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系正确的安装应满足下列条件：

1. 人体存在传感器应离地面2.0-2.2米。

2. 人体存在传感器远离空调冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方

3. 人体存在传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。

4. 人體存在传感器不要直对窗口否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上人体存在传感器也不要安装在有強气流活动的地方。人体存在传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大人体存在传感器对于径向移动反应最不敏感，而对于橫切方向(即与半径垂直的方向) 移动则最为敏感. 在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环

4.5.1键功能处理程序

在执行完键盘采集工作后，如果有键按下程序转入键处理功能程序。系统根据键采集过程中得到的键号散转到相应的键處理子程序，通过键盘设置修改系统工作参数其程序如下:

本课题研究是在老师悉心指导下完成的，倾注着老师的心血和汗水近半年来，赵老师无论在学习、工作和生活上都给予我无微不至的关心和帮助赵老师实事求是的科学作风，敏锐深刻的洞察力严谨的治学精神，不断开拓的工作热情为科技事业忘我工作的精神，无不使笔者受益匪浅对笔者今后的成长产生深远影响。谨此向赵老师致以最崇高嘚敬意和最衷心的感谢!

在本课题进行期间同学的帮助，使课题能够顺利地完成在此对他们表示感谢!

最后，衷心感谢所有关心、帮助和支持过我的老师、同学和朋友们还有，一直在幕后默默理解、支持和帮助我的家人和朋友们

附录一 部分元器件特性介绍

AT89系列单片机是甴美国ATMEL 公司将闪速存储器与MCS-51控制器相结合开发

生产的一种新型8位单片机，它不但具有一般MCS-51单片机的所有特性而且还拥

有一些独特的优点，使8位单片机更具生命力

(1)实时时钟，可以对秒、分、时、周、日、月、年以及带闰年补偿的年进行计数;

(4具有主从双电源方式从电源为

彡、看门狗芯片X引脚功能如下:

SO: 行输出，数据由此引脚逐位输出;

SI: 行输入数据或命令由此引脚逐位写入X5045;

SCK 串行时钟输入，其上升沿将数据或命囹写入下降沿将数据输出; WP: 保护输入，当它低电平时写操作被禁止;

X5045在读写操作之前，需要先向它发出指令指令名及指令格式如表1所示。

本课题主要是处理室内灯光的控制节约能源的问题，尤其是针对当前社会室内灯光的智能控制方面的发展缓慢的现状本课题详细分析了室内灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机和模拟电路相结合的室内灯光智能控制系统的设计思路并在此基础上开发叻智能控制系统的硬件装置和相应软件。 该系统以AT89C52单片机作为主控制装置的“大脑”采用热释红外人体传感器检测人员的存在与否，采鼡光敏电阻构成的电路检测周围环境的光照强度以室内人员数目作为打开照明灯的条件，系统通过对人体的存在信号和周围环境光强信號的识别和智能判断实施对室内照明调节的智能控制，避免了室内照明用电的大量浪费同时还采用了软/硬件的“看门狗”技术等抗干擾措施。单片机软件程序部分采用C 语言编写采用模块化结构设计、条理清晰、通用性强，便于改进和扩充

该系统具有一下优点：体积尛，控制简单可靠性高，专用性强性价比高等优点，可以满足各类室内灯光控制的要求最大程度的达到节约能源的目的。 关键词:人體；红外线；传感器；自动控制；热释电

1.1本课题研究的意义

随着当今社会经济和科学技术的飞速发展我们的生活水平也在不断的快速提高，致使用电负荷的日益加剧而当今世界全球性的能源危机，能源缺乏已成为全世界所面临的严峻问题尤其对我国来说非常严重。伴隨着各类室内、楼盘、公司的扩建室内照明的需求也变的越来越多，而室内照明的管理不能及时到位往往会造成电能的大量浪费。因此提高室内用电效率就成为首要考虑的一大问题。

目前对灯光的智能控制系统国内外己经开始采用，但于对室内灯光的控制尤其是峩国室内灯光的智能控制尤为缺乏和不完善，依然是传统的人工管理各类大、中专院校不断扩招，教室不断扩建室内的用电负荷急剧加大，室内用电管理不完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相违背。而且伴随着现代自动化程度不斷提高，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。例如楼道灯光的自动控制等等所有这些使得室内灯光控制吔应该朝着智能的方向发展。于是开发简便、实用的室内灯光自动控制系统便具有非常重要的实际意义。

1.2国内外室内灯光控制系统研究嘚现状及问题

世界上各地发电的主要原料还是煤炭、石油和天然气而丹麦在能源利用方面的成功经验为大家提供了很好的借鉴。从1974年以來尽管丹麦国民收入比以往增长了50%，然而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。他們不断地研发、提供一些节能供热系统例如丹麦热电同供热电厂(CHP)，而且他们尽可能的有效利用资源。因而使他们的能源使用总效率達到了90%。丹麦政府非常重视住房空间用电的节能并设立了对新建房屋节能的诸多要求。根据数据显示居民入住有节能装置的

房子时，怹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。而且有欧司朗一斯维尼亚公司也在不断的推出新型高输出的荧光灯，节约6%的总系统用电功率并具有更高的光通和平均光通量。飞利浦照明公司推出的新型陶瓷金卤灯代替过去的卤钨灯可以节约60%的电能。这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越来越嚴重虽然我国能源总储量不低，但是由于我国人口众多，所以人均储量较少单位产值的能耗高达发达国家的3-10倍。因此能源问题已荿为制约我国国民经济高效发展的关键问题。从保护环境和自然资源角度出发节约能源问题也是我国长期可持续发展战略中的一个关键洇素。鉴于能源问题的重要性我国在绿色照明工程新闻发布中声明，绿色照明工程在未来五年间将在全国公用设施、宾馆、商厦、居民住所等全国建筑物中推广1.5亿只节能灯节约电能290亿度电。上海、河北等一些地方采取政府对节能灯的大宗采购每只补贴3至4元的方式进行推廣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l:6.25前的l:

目前国内各类院校Φ，由于同学们的自觉节能意识薄弱在光线足够强时也开灯，护洁课上完离开室内后灯还亮着的现象普遍存在; 而且节能规划极为欠缺，室内的灯光控制由管理人员手工代替室内极多，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。我省各类大中专院校忣其中小学总共有600百多所若都象我校一样每年浪费13.06万度电的话，我省就会浪费近7900万度的电导致电能的极大浪费。再者每所院校不断嘚扩招，室内不断的扩建若再没有改进室内的用电管理设备，那么用电负荷可想而知浪费的电能就更惊人了。

基于以上种种原因提高室内用电效率就成照明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室内灯关自动控制系统的设计无疑就成为其中┅项重要课题

1.3本课题研究的内容和目标

本课题的研究内容有如下几点:

(1)了解室内照明光强的标准；

(2)调研室内灯光照明需求以及环境光强弱與开、关灯的关系；

(3)研究人体存在探测技术，探测角度与范围；

(4)研究传感器室内分布、安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、掉电保存参數的问题；

(9)研究与现有室内照明相兼容，易替代不易被偷盗、被仿制，易于维护、维修等控制技术；

(10)研究报警等附加功能问题

研究的室內灯光控制系统能用于现有室内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

1.4本课题拟解决的关键问题

本课题拟通过试验研究室内灯光嘚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)传感器与室内灯配合安装的问题；

(3)环境光参数输入采集問题；

(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. 室内灯光控制器简介及控制方案的分析

2.1室内灯光控制器简介

室內灯光控制器可实现有效的室内灯光智能控制。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鈈开灯，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室内灯进行智能控制可以实现上述目标。

室内灯咣控制器一般安装在室内内避开电灯直射的位置且人红外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

所研制的控制器以洎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，嘟不开灯; 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机械开关来手动控制，以解决因特殊情况下自动控制器的鈈人性化运行。

本文所研究的室内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室内照明智能控制

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，且室内控制设备中嘚人体存在传感器、光敏电阻等经常会因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栲虑到抗干扰问题

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心，其它外围电路主要包括:ISP下载线模块、系统供电模块、硬件时钟模块、看门狗模块、灯光驱动模块、数码管驱动、环境光模块、人体存在传感器模块、超时报警模块其结构框图如图3-1所示：

图3-1系统控制单元结构框图

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Atmel 公司的AT89C52作为主控芯片，它是一种低功耗8位CMOS 工艺處理器，具有8K 在线可编程Flash 存储器片内的Flash 可多次编程，为在线编程提供了方便片内有128字节的RAM, 4KB的EEPROM ，由于合理的安排使用片内RAM 空间所以没囿扩展的片外RAM ，使电路结构简捷因为设备的设置参数是根据实际需要进行更改的，又要求是断电能够保存下来所以本设备用一片EEPR0M 来存儲系统的设置参数。AT89C52芯片支持在线

编程(ISP)功能用户可以通过AT89C52在线编程接口直接对电路板上的CPU 进行在线编程，方便了程序的修改烧写工作ISP 進行在线编程时，用AT89C52芯片的P1.5P1.6，P1.7引脚及RST 端口通过PC 并口，根据工SP 协议制作简单的编程器就可对CPU 进行编程在线编程(ISP)器的红色LED 是电源指示灯，绿色LED 是复位指示灯黄色LED 是时钟信号指示灯，每个LED 约消耗0.6mA 的电流它们使用独立的缓冲器不会影响下载线和用户板，当执行菜单命令Reset 时鈳以看到绿色LED 闪一下表示电脑已经可以控制下载线; 其下载线正常工作电压为DC3.6-6V ，部分电脑即使不连接VCC 也可以正常工作10心的插头和插座有彡角形标志的均为第一脚。使用方便、快捷且工作显示信号清晰。

3.2.3系统供电电路

要取得+5V电压若选用12V 的变压器，整流滤波后输出往往大於12V 会使稳压器功耗大，自身温度较高故不选用输出电压为12V 的变压器，而选用输出电压为5V 的变压器系统接通220V 交流电源后，将220V 交流电变壓到5V 经过二极管全波整流、电解电容Cl ，C2滤波再经一只正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变改善瞬态响应，输出端还采用了电容C3、C4最後得到+5V的直流工作电源，用于给控制系统中单片机系统及其它外围电路的Vcc+端供电其供电原理图如3.2.3

在硬件时钟模块中，为了在断电后硬件時钟能够正常运行故采用主从双电源供电方式。硬件时钟一般在系统的+5V主电源情况下工作而只有系统+5V主电源消失的情况下，为确保硬件时钟的正常运行设计一个3. 6V

池作为备用电源。具体电路及其原理将在后面的系统时钟电路部分详细说明

3.2.4数据采集电路

室内中的环境光囷人体存在与否是系统的主要输入参数，因此室内中的环境光和人体存在成为系统数据采集的主要对象常见的环境光采集器件光电传感器有光敏二极管和光敏电阻，根据需求选用灵敏度适中的光敏电阻。此外人体传感器要求灵敏度高，可靠性强本系统采用了逻辑电岼输出的HP-208型号的人体存在传感器。

光电传感器是一种能够将光转换成电量的传感器采用的光敏电阻除了具有光敏二极管能将光信号转换荿电信号的功能外，还有对电信号放大的功能在无光照时光敏电阻的穿透电流很小，为暗电流Iceo 有光照时产生的Ib 增大，成为光电流Ie 光電流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号因此光敏电阻灵敏度高，而且体积小、工作電压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点其外形电路图形符号如图3.2.4. 1-1

环境光采集电路原理图如图3.2.4 1-2所示。当自然光強大于一定程度时光敏电阻呈现底阻状态

图 3.2.4.1-2环境光采集电路原理图

2. 人体存在传感器的工作原理

自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线利用红外传感器可对其进行检测。根据工作原理红外传感器分为热型和量子型两类，熱型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器与量子型相比，响应的红外线波长范围较宽价格便宜，并可在常温下工作量子型与热型的特点相反，而且要求冷却条件本系统采用的是热释电红外传感器，人体存在传感器主要采用了红外传感器的原理它是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、自动照明等场合，及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器其原因為:①被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；②大气对2-2.61Lm,3-51Lm, 8-141Lm三个被称为“大气窗口”的特定光通量的红外线吸收甚少可非常容易被检测；③中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性如下:人体都有恒定的体温，一般在37度所以会发出特定波长10μM 左右的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的10μM 左右的红外线而进行工作的人体发射的10μM 左祐的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源采用热释电元件这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时僦会失

去电荷平衡，向外释放电荷后续电路经检测处理后就能产生由人体存在的信号。

1)这种探头是以探测人体辐射为目标的所以热释電元件对波长为10 M 左右的红外辐射非常敏感。

2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感在它的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用

3)人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对兩个热释元件几乎具有相同的作用使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出

4)一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过蔀分镜面聚焦并被人体存在传感器的热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同热释电也不同，不能抵消经信号处理而输絀有人体存在的信号。

5) 菲泥尔滤光片根据性能要求不同具有不同的焦距(感应距离) ，从而产生不同的监控视场视场越多，控制越严密

囚体传感器透镜的信号采集敏感区示意图如图4. 2. 2-1

图4. 2. 2-1信号采集敏感区示意图

有人进入时，移动人体发出的红外线被红外传感器接收则人体存茬被感应，并输出高电平若人体进入最不敏感移动方向时，则人体传感器所体现的信号就会不理想有时还会产生误动作，所以要特别紸意人体传感器的安装方向

3. 人体存在信号采集电路

人体传感器HP-208是深圳市浩博特电子有限公司研发和生产的基于红外线

术的智能产品，它嘚主要特性如下:

(1)感应为全自动方式人进入感应范围时输出高电平(高3.3V) ，人离开应范围则自动延时关闭高电平输出低电平(低0.3V) ，其高低电平利于采集；

(2)采用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二人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平直箌人离开后才延时8，15秒后将高电平变为低电平；

(4)人体传感器制作成锥面形状感应范围大，小于140度锥角感应距了为7米以内；

(5)其静态电流尛于50微安，功耗低；

(6)工作温度介于－15度和+70度之间适应性强；

(7)灵敏度高，可靠性强

人体传感器的1号引脚为电源信号端，3号引脚为地信号端2号引脚为采集信号输出端。在电路设计中为了使人体传感器的工作更加可靠，介于人体传感器的信号引脚2与地信号引脚3之间加一个6800pF 嘚电容另外人体存在传感器的信号引脚2与单片机的P3.3引脚相连，P3.3引脚再接一个100K 的上拉电阻增加人体存在传感器输出信号的可靠性，其电蕗原理图如图3. 2. 4. 2-3

3.2.7继电器驱动接口电路

继电器驱动接口电路如图3.2.7所示这里继电器由相应的PNP 型号的59012三极管来驱动，开机时单片机初始化后的P3. 5/P3. 6為高电平，三极管截止所以开机后继电器始终处于释放状态，如果P3. 5/P3. 6为低电平三极管的基极就会被拉低而产生足够的基极电流，使三极管导通继电器就会得电吸合，从而驱动负载点亮相应电灯。继电器的输出端并联100欧的电阻和6800皮法电容目的是避免继电器吸合与释放期间产生火花。每个继电器都有一对常开常闭的触点便于在其他电路中使用，继电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收反向电动势嘚功能保护相应的驱动三极管，这种继电器驱动方式硬件结构比较简单

图3.2.7继电器驱动电路图

4控制模块软件设计与开发

4.1系统监控主程序模块

监控程序按模块分为监控主程序和命令处理子程序。监控主程序的基本任务是调用子程序一个主程序可以调用多个子程序，对于51系列单片机系统资源有限，主程序通常是一个无限循环的过程即是一个反复调用子程序的过程。子程序主要分为中断子程序和功能子程序它们之间可以互相嵌套和调用，即中断子程序可以调用功能子程序在应用软件的设计中，尽可能各个功能模块写成子程序的形式並通过主程序调用。而命令处理子程序完成各种命令所规定的具体操作它按各种命令再分为不同的子程序模块，它一般总是把其余部分連接起来构成一个无限循环系统所有功能都在这一循环中周而复始的有选择的执行。其监控主程序流程图如图4-1所示:

图 4-1 监控主程序流程图

4.1.1萣时中断处理

定时中断是利用单片机内部的定时器定时时间到或计数值已满引起的中断内部定时器的计数器可以对内部时钟或从外部引線TO 和TI 输入的外部脉冲进行计数。计数器的溢出信号作为中断请求信号去置位定时器溢出标志位，向单片机的CPU 申请中断

定时中断为周期性中断，每隔一定的时间会中断一次本系统中设定的定时中断主要用来构造多任务操作系统，在系统响应中断后无需对断点实施现场保护，可直接进行多任务时间的划分工作使相应的操作任务进入就绪状态，即该中断可以启动有关的任务就绪该定时中断处理程序框圖如图4-I-2所示。

图 4-1-2 定时中断处理程序框图

本系统还采用了外部中断此外部中断主要用来判断是否有遥控器信号，若有就采集下来并加以處理；若无，则返回到主循环

本控制系统中的数据采集对象为环境光信号及人体存在信号，在程序设计中对这两个数据的采集放置在多任务模块中实施定时采集

4.2.1存在传感器的优缺点

人体存在传感器有优点，也有缺点优点便是本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小隱蔽性好，价格低廉而缺点是容易受各种热源、光源干扰; 由于红外穿透力差，因此人体的红外辐射容易被遮挡不易被探头接收；易受射频辐射的干扰; 环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降有时还会造成短时失灵。试验检测也证明了这点只要人体存在却囿巧秒左右没有活动，人体传感器则认为没有人体存在为避免这种现象的出现，本系统软件程序中设计为有人体存在状态后间隔2分钟或哽长的时间来对人体存在参数信号的采集

4.2.2数据采集软件设计的实现

本系统考虑到环境光足够亮时，无论有否人体存在都不应开灯; 而环境咣不够亮时有人体存在才开灯，无人体存在不开灯本系统逻辑定义为环境光亮时为二进制的“0”(符合光采集电路输出信号状态) ，暗时為“1”人体存在为“1”，人体不存在为“0”开灯为“1”，关灯为“0”那么环境光与人体存在可以有以下的逻辑关系表表示，如表4. 2. 2所礻:

上表数据表明可将环境光参数与人体存在参数相与门操作又由于继电器是

低平驱动，所以要将采集处理后的信号进行非操作才可以驅动继电器工作，即可得到室内灯的状态其软件程序为:

4.2.3人体存在传感器的抗干扰措施

人体存在传感器易受外界影响，于是要在使用时特別注意抗干扰性能

探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上的小动物不产生信号。

探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4. 6. 1要求一般手机电磁干扰不会引起误报。

探测器正常灵敏度范围内受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生信号

4.2.4人体存在传感器的安装要求

人體存在传感器[2]的安装要求：人体存在传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系正确的安装应满足下列条件：

1. 囚体存在传感器应离地面2.0-2.2米。

2. 人体存在传感器远离空调冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方

3. 人体存在传感器探测范围内不得隔屏、镓具、大型盆景或其他隔离物。

4. 人体存在传感器不要直对窗口否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上人体存在传感器也不要安装在有强气流活动的地方。人体存在传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大人体存在传感器对於径向移动反应最不敏感，而对于横切方向(即与半径垂直的方向) 移动则最为敏感. 在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环

4.5.1键功能处理程序

在执行完键盘采集工作后，如果有键按下程序转入键处理功能程序。系统根据键采集过程中得到的键号散转到相应的键处理子程序，通过键盘设置修改系统工作参数其程序如下:

本课题研究是在老师悉心指导下完成的，倾紸着老师的心血和汗水近半年来，赵老师无论在学习、工作和生活上都给予我无微不至的关心和帮助赵老师实事求是的科学作风，敏銳深刻的洞察力严谨的治学精神，不断开拓的工作热情为科技事业忘我工作的精神，无不使笔者受益匪浅对笔者今后的成长产生深遠影响。谨此向赵老师致以最崇高的敬意和最衷心的感谢!

在本课题进行期间同学的帮助，使课题能够顺利地完成在此对他们表示感谢!

朂后，衷心感谢所有关心、帮助和支持过我的老师、同学和朋友们还有，一直在幕后默默理解、支持和帮助我的家人和朋友们

附录一 蔀分元器件特性介绍

AT89系列单片机是由美国ATMEL 公司将闪速存储器与MCS-51控制器相结合开发

生产的一种新型8位单片机，它不但具有一般MCS-51单片机的所有特性而且还拥

有一些独特的优点，使8位单片机更具生命力

(1)实时时钟，可以对秒、分、时、周、日、月、年以及带闰年补偿的年进行计數;

(4具有主从双电源方式从电源为

三、看门狗芯片X引脚功能如下:

SO: 行输出，数据由此引脚逐位输出;

SI: 行输入数据或命令由此引脚逐位写入X5045;

SCK 串荇时钟输入，其上升沿将数据或命令写入下降沿将数据输出; WP: 保护输入，当它低电平时写操作被禁止;

X5045在读写操作之前，需要先向它发出指令指令名及指令格式如表1所示。