论文详情
电气工程及其自动化-基于单片机的无线照明系统设计
基于单片机的无线照明系统设计
摘 要
在科技发展促进人类文明发展突飞猛进的今天，能源枯竭已经成为前进路上的一块绊脚石，如果人类不想方设法去解决这类问题，那么发展的道路一定会因此受阻。
从一个小的方面入手，改革开放之后，我国经济发展水平突飞猛进，人民群众受教育水平不断提高，促进了我国各行各业吸纳人才，蓬勃发展。随着行业的进步，所需的办公场所越来越多，各式各样写字楼拔地而起，促成了城市一张张亮丽的风景线。但是随之而来的问题就是加速了能源的消耗，往往员工节约用电的意识不够强并且企业并没有相关方面的规定，有时办公室只有一人加班却亮了一楼层的灯光，诸如此类问题屡见不鲜。据可靠统计，一栋20层的现代化写字楼每日照明用电能达到总用电量的百分之六十，所以急需选择一种方法降低照明所需电量。
通过单片机来进行无线控制不失为一种好办法，运用光敏电阻构建光照检测电路，并运用红外传感器检测是否有人存在，以实现人在灯亮，人不在灯灭，自然光强则灯灭，自然光弱则灯开，并且将此时的工作状态、人数、自然光强、照明设备强度等信息通过传输显示在LCD屏幕上，使写字楼物业管理者可以便捷的看到系统运行信息。
关键词：能源枯竭；单片机；无线照明；光敏电阻
ABSTRACT
Today, when the development of science and technology promotes the development of human civilization by leaps and bounds, energy depletion has become a stumbling block on the way forward. If mankind does not try to solve such problems, the road of development will be blocked.
Starting from a small aspect, after the reform and opening up, China's economic development level has advanced by leaps and bounds, and the people's education level has been continuously improved, which has promoted the absorption and vigorous development of talents in all walks of life. With the progress of the industry, more and more office space is needed, and various office buildings have sprung up, contributing to the beautiful scenery of the city. However, the attendant problem is to accelerate the consumption of energy. Often, employees' awareness of saving electricity is not strong enough, and the enterprise has no relevant regulations. Sometimes, only one person in the office works overtime but lights the light on the first floor. Such problems are common. According to reliable statistics, the daily lighting power consumption of a 20 storey modern office building reaches 60% of the total power consumption, so it is urgent to choose a method to reduce the lighting power consumption.
It is a good way to carry out wireless control through single chip microcomputer. The light detection circuit is constructed by using photosensitive resistance, the light is off, when the natural light is weak, the light is on, and the working state, number of people, natural light intensity, lighting equipment intensity and other information are transmitted and displayed on the LCD screen, So that the office property manager can easily see the system operation information.
Key words：energy depletion; MCU; wireless lighting; photoresist
目 录
随着经济的发展和科技的大幅度进步，人民的生活质量不断提高，对生活无线照明系统的需求不断加大。LED灯、冷阴荧光灯和高光氙灯等新型高科技智能照明技术发展迅速，渐渐成熟。所以就对节能、环保和人工照明智能提出了新的要求[1]。另外，传统的照明系统采用的是手动控制模式，使用固定的光开关和可调开关来切换照明灯并控制其照明。这种控制法看起来简单有效，并且是目前最常见的控制法。但是，这种做法过于依赖于人们的行为，控制权的分散和管理效率的低下。显然，这会导致能量损失。目前，市场上无线照明系统的设备落后。他们主要以电缆的形式实现对整体照明系统数据的控制，不仅有反应时间长的致命缺点，而且后期相关硬件设备维护起来难度大；旧照明系统的更新要在原有线路的基础上恢复，施工的难度更大；集中布线也增加了居民生活的风险，影响了楼宇的外观，极不利于新型无线照明系统的发展传播。
大多数写字楼的工作、生活人数比较多，导致用电量大幅上升，据统计，超过50%的写字楼用电是在照明用途。近年来，就业率亦随人口文化普及率的提高而大幅上升，令写字楼等楼宇数目急速增加。在中国，绝大多数公司、单位都采用了开放式的工作场所管理模式，而员工节约用电的意识却比较寡淡：在一个好天气里，房间里有足够的光线，但还是打开所有的室内灯；员工全部离开工作岗位但灯没有被关闭。每幢楼宇的耗电每天约为1万至2万千瓦，约占公司用电费的40%[2]。比较老旧一点的写字楼办公室照明系统主要由照明开关控制，通常分为靠员工自觉、雇人专门操作两种，而照明灯则由不同的开关组成，以控制办公室的照明情况。还有一种方法是利用传感器对照明设备的开关进行自动监视和控制，这是近年来发展起来的一种智能照明技术，旨在通过人工智能更大程度地改进传统的照明设备控制方法，只有在房间内的阳光照明明显低于规定值的情况下，同时，只有在检测区内有人员工作的情况下，才能打开照明设备。针对目前办公用电设备管理不理想的情况，为了提高办公用电设备自动化和办公管理的效率，研制了一种更为先进的基于单片机的无线照明控制系统。系统采用先进的电子技术、自控技术和应用软件平台。
本章主要介绍由所选单片机和终端计算机组成的无线照明系统的设计方案。实现对办公室照明设备的无线控制和管理，完成办公室灯光亮度的监控、办公室员工总数的统计、办公室各部门使用情况的统计。整个系统包括三个部分：办公室照明安全检测、灯具控制和无线通信。
办公室无线照明控制系统根据办公室的光照强度和员工所处的位置来控制办公室的照明设备。这里选用单片机作为核心设备，对自然光信号和员工所处位置信号做出相应的检测和处理，进而控制办公室照明设备的开关。具体工作流程分为两种情况：第一，在办公室正常工作时间，不需要检测员工位置，只需要检测办公室的自然光强度。如果办公室的自然光能满足工作要求，无需打开办公室的照明设备；当办公室的自然光不满足工作要求时，打开办公室的所有照明设备。第二，在办公室非工作时间，应对办公室的自然光和员工位置进行测试。如果办公室的自然光强度不符合工作要求，且相应位置有人员办公，则打开相应位置的照明设备；如果办公室的自然光不满足工作要求，但该位置没有人员办公，则关闭相应位置的灯；如果办公室的光照强度满足工作要求，且办公室内没有人体，则关闭办公室内的所有照明设备。在检测职员办公位置时，有必要在一定延迟后重新判断人体位置，以避免因员工暂时经过而导致误操作。考虑到以人为本的管理模式，在办公楼规定的熄灯时间到后会发出警告，并在足够长的延迟时间后关闭办公室内的所有照明设备。为了增强系统可靠性，完成所需的功能，设计了相应的单片机外围电路。
无线照明系统包括：办公室内部环境数据采集、单片机分析与处理、自然光探测、红外内外检测电路、办公室控制模块和液晶显示器。基于ATS8951单片机为核心，根据外部自然光检测办公室光强。LCD用于显示数据，红外控制电路用于确定室内是否需要开关照明设备，LCD用于观察室内自然光和切换照明设备。系统框图如图2.1所示。
 |
图2.1 系统框图
单片机是信息时代的高新技术产物，目前常用系列的设备已经有100多种，仪器型号也有很多。未来单片机将朝着CMOS进一步集成的方向发展，使单片机在非常小的尺寸下具有更大的储存量。与其他类型的元件相比，MOS器件的功耗更小，并且控制能耗效率更高。单片机将外部电路集成到内部的电路中同样具有很强的发展前途。单片机在电路板上集成了各种模块，因此具有很强的控制功能，许多数据接口可以很好地拓展到外部设备中，适用于各种领域的研发。结合单片机单体小、封闭可靠等特点，在家电、汽车制造、航天制造、特种装备等方面有着广泛的应用。在各种型号的设备里面，MCS-51系列的单片机，凭借其强大的机器性能和合理的性价比，很快占据了相应设备应用的核心市场。总体来说，单片机作为主控芯片相当于中央控制区的作用，依据中央控制区的指令，各模块分工明确，实现各部分的作用。一方面，单片机需要解码和分析各部分的数据信号，另外一方面，输出相应数据信号作为后续照明电路的控制指令。所以选择一种可靠稳定，功能较强并且经济安全的单片机实现整个系统的中控作用非常重要，本设计中采用AT89S51作为照明设备的控制核心。AT89S51是一款功能损耗小且使用效率高的CMOS 8位单片机，主要特性见表2.1所示:
表2.1 AT89S51单片机主要特性
兼容性 | 8031 CPU与MCS-51 兼容 |
编程类型 | 4K字节可编程FLASH存储器（寿命：1000写/擦循环） |
工作频率 | 全静态工作：0Hz--24KHz |
锁定方法 | 三级程序存储器保密锁定 |
存储器类型 | 128*8位内部RAM |
线路 | 32条可编程I/O线 |
定时器/计数器类型 | 两个16位定时器/计数器 |
中断源数目 | 6个中断源 |
通道类型 | 可编程串行通道 |
其引脚分布如图2.2所示：
 |
图2.2 AT89S51单片机引脚图
其实物图见图2.3所示：
图2.3 AT89S51实物图
所有89系列单片机的总可寻址程序存储空间为64KB，一般从逻辑上分为两个空间地址，一个是内部数据存储空间，另一个为外部数据存储的空间。存储器类型见表2.2所示：
表2.2 AT89S51存储器类型
程序存储器 | 89系列的单片机的可寻址内外程序存储空间为64KB，可寻址外部程序和数据存储器的范围为64KB，由于没有程序内存分区的方法，所以64 kB的地址空间是一致的[7]。EA的电源越少，MCU通常指向外部程序存储器。 |
数据存储器 | 89系列单片机的指令系统还包括多种多样的位操作指令，可直接寻址128位。128字节区域低区中的所有单元都可以通过直接寻址和间接寻址两种方式进行访问。128字节区域高区只能通过间接寻址一种方法进行访问。特殊寄存器，一种特殊功能寄存器（SFR）区域，其中包含端口锁存器（P0/P1/P2/P3）、定时/计数器（thx/TLX）、累加器（ACC/b）、堆栈指针（SP）和其他控制寄存器。特殊寄存器则只可以通过直接寻址一种方式进行访问。 |
ADC0809单片机系统中包含8路模拟门开关，分时采集则采用了8路模拟信号法，A/D转换时间为90-100μs。ADC0809的运行流程如下：首先输入3位地址，并将ALE设置为1，以指定要放入地址锁的地址。该地址在比较器中解码通道8路模拟输入中指定。然后开始上升沿逐渐接近的寄存器的复位。A/D转换过程开始后，出现下降沿，并且EOC的输出信号逐渐降低，进行转换。在完成A/D转换之前，提升了EOC电平等级，指示完成A/D转换，并将数据存储在可用于申请中断的锁存器中。当OE引入高电平时，输出由三个输入门打开，将数字输出结果转换为数字数据总线[8]。A/D数据转换产生的某种数据应及时传输给匹配的单片机来进行处理。怎样确定A/D完成转换是传输有关数据的关键一步，完成确认是进行传输的关键前提，所以系统必须在完成确认的前提下才可以正常工作。
ADC0809引脚图如图2.4所示：
↓点击下方附件，下载后阅读全文↓