1、本科毕业设计（论文）诚信承诺书本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：基于 51 单片机的大学教室智能照明系统设计）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。作者签名：年月日（学号）：毕业设计（论文）报告纸I基于 51 单片机大学教室智能照明系统设计摘要本智能照明系统的设计是针于对当今大学教室内照明控制的发展情况，对智能照明系统的原理与实现方法做了相应的分析，并在此基础上提出了大学教室智能照明系统的设计思路，设计了室智能照明系统
2、的相应硬件模块和软件模块。该照明系统基于单片机而设计，以 AT89C51 单片机作为核心的主控制模块，模块中传感器部分采用光敏电阻并搭建相应的电路检测环境光的强度，采用 HR-SR501人体存在传感器来检测人体的存在信号；根据教室平时日常作息时间对系统设置相应的照明条件，智能照明系统通过对光强于人体信号的判断与该条件做出对比，进而实现智能控制，由此可以避免电能的浪费。本系统软件编程部分采用 C 语言编写，编程采用模块化结构设计，通俗易懂，条理清晰，也便于日后的改进和扩展。该系统体积小，针对性强，性价比高，可靠性强，易于控制，可以满足各个单位对于教室照明的需求，在很大程度能够达到节能的效果。关键
3、词：关键词：人体，传感器，热释电，单片机，红外线毕业设计（论文）报告纸IIDesign of university classroom intelligent lightingsystem based on 51 single chip microcomputerAbstractThe design for the development of university classroom intelligent lightingcontrol system,to analyzes the classroom control principle and realization method oft
4、he intelligent lighting system.In order to improve the lighting system,developingintelligent classroom light control system anddeveloped the hardware and softwaresystem.Avoid the use of unnecessary waste of electricity.The system uses theAT89C51 microcontroller as the core control module，The sensor
5、using the humanbody infrared sensor to detect the existence of a human body.The Photosensitiveresistance and an thecorresponding circuit are used to test the strength ofenvironment lighting.Set reasonable light conditions according to the usual dailyroutine.By identifying and judging presence signal
6、s and ambient light signal on thehuman body,to realize the intelligent control system for classroom lighting.The partoftheprogram partof the system is is written by C language.Designedwitha modular structure,clarity,good versatility.Be convenient to improvement andexpansion.The system has the advant
7、ages of small volume,convenient control,highreliability,strong pertinence,high performance price ratio，They Can meet all kinds ofinstitutions for classroom lighting control requirements and realize the purpose ofenergy-saving in the very great degree.Key words：Single chip microcomputer；Human body；se
8、nsor；heat to release theelectricity；infrared ray毕业设计（论文）报告纸III目录摘要.ABSTRACT.第一章 大学教室智能照明系统概述.-1-1.1 智能照明系统研究的意义及简介.-1-1.2 智能照明系统的功能概述.-2-第二章 智能照明系统硬件电路设计.-3-2.1 系统总体设计方案.42.2 单片机模块.52.3 显示模块.72.4 时钟模块.92.5 按键控制模块.-9-2.6 传感器模块.-10-第三章 系统软件设计.-13-3.1 主程序流程图.-13-3.2 按键程序设计.-14-3.3 时钟段程序设计.-16-3.4 显示段程序
9、设计.-17-第四章 系统调试运行及问题分析.-19-4.1 系统调试过程及方法.-19-4.2 出现的主要问题分析及解决.-20-第五章 总结与展望.-21-5.1 总结.-21-5.2 展望.-21-参考文献.错误！未定义书签。错误！未定义书签。致谢.-23-附录.-24-毕业设计（论文）报告纸-1-第一章 大学教室智能照明系统概述1.1智能照明系统研究的意义及简介现如今的二十一世纪，能源短缺问题在世界各国都是普遍的现象，我国当今社会经济技术不断发展，科学技术日益提高，而人们的日常生活习惯于生活水平也在不断的改变，随着生活水平的提高，日常用电也出现与日俱增的状况，而这一严峻的问题对我国来说
10、更为严重。我国作为世界人口第一的大国，人口基数很大，随着如今素质教育在我国不断的普及，教育体系及其相应配套设施的不断完善，学校以及教室的数量也在不断增加，因此，教室照明的需求量也越来越多，而教室照明的管理不到位，往往造成大量的电能浪费，因此，提高教室照明用电效率具有十分重要的意义。目前国外开发、应用智能照明控制系统的技术已经具有一定的规模，但我国对教室照明的控制尤为缺乏和不完善，依然是传统式的人工手动管理模式。在我国各个地区，随着学教学配套场所的扩建，用电量与日俱增，而多地的教室教学用电管理并不完善，从而会造成电能的不必要浪费带来巨大的经济损失，现今社会我们提倡节约能源，此现象正与之相违背。建
11、立该智能照明系统可以从用电管理等方面改变当今学校教室用电管理不完善的现象，与当今社会各界所呼吁的节约保护能源的理念相一致，更是今后智能照明系统发展的大势所趋。该大学教室智能照明系统的核心控制芯片为 AT89C51 单片机，并在此基础上扩展时钟、显示、传感器等模块，实现完整的控制系统（自动控制模式与手动控制模式），并采用 12864LCD 液晶显示屏来显示整个系统的工作状态，加入DS1302 时钟模块，实现寒暑假以及夜间 22：0006：00 关闭所有日光灯，实现了对教室灯光的自动开灯、关灯控制，从而提高用电效率，避免了不必要的浪费，最终实现节约能源的目的。该智能照明系统可以对教室照明情况做出有
12、效地控制，其中时钟模块中设定寒暑假以及每天的 22：00 到早上 6：00 电灯处于关闭状态，毕业设计（论文）报告纸-2-所设定的时间可以根据实际需要自行改变；其中传感器模块为单片机提供输入信号，信号的来源主要是 HR-SR501 提供的人体存在信号和光敏电阻检测的环境光强度信号，当环境光的强度在一定值时以内并且有人经过时才打开照明设备。智能照明系统中传感器应该有选择的安装在有人体经常活动的位置，且应当注意避开光源位置，从而才能够使传感器在应用时更加的精准、灵敏、可靠。在该系统的实际应用中还需要考虑到，若教室面积过大而超过了人体存在传感器的感应范围，可能会导致信号的收集不够精准而影响控制设备做
13、出准确的判断。为了保证系统的正常运行，使其能够检测到教室内各个地方的人体存在信号，人体存在传感器可以在教室内的多个地方进行安装，人体传存在感器所收集的信号是人体活动时产生的信号，若人体静止不动，这时人体传感器将不会有信号输出，因而在系统编程时软件方面应该考虑到这一点，到检测到信号时加一个延时程序，从而保证正常的照明。1.2智能照明系统的功能概述该智能照明控制系统中单片机的主要输入信号为人体存在信号和自然光强度信号，系统有两种控制模式即自动控制模式与手动控制模式。当传感器所检测自然环境光强度信号达到设定值时无论是否有人体信号存在，照明设备都将自动关闭；当自然环境光强度信号低于设定值并且传感器检测
14、到有人存在信号时，系统将自动打开照明设备，直到人离开以后关闭照明设备。同样的还可以在系统中预设相应的作息时间，预设时间之外若仍有人体存在则关闭自动控模式的运行，改用按钮开关来手动控制，以解决相应时段的特殊情况。本课题所研究的教室智能照明系统由硬件 PCB 板电路和软件编程两大部分所组成。软件程序是对硬件电路的补充，其程序对单片机中各个端口的输入信号进行分析与处理，并输出相应的预设控制信号从而最终实现智能照明系统的各项功能。毕业设计（论文）报告纸-3-1.2.1 自动控制模式系统接通电源初始化以后，通过相应的按键能够切换到自动控制模式，当传感器检测到教室内自然光强度低于设定值，则会把感应到的光强
15、度值传送至单片机，单片机对光信号进行处理与分析，而后会输出相应照明的指令来决定是否打开照明设备。系统中有相应的预设照明时间，其时间短于学校的日常作息时间段是相一致的，因此不在正常的教学时间内照明系统会自动关闭照明设备，由此可以减少不必要的电能浪费现象。1.2.2 手动控制模式系统复位以后默认工作在手动控制模式，通过按下相应按钮，就能对灯进行手动开关的控制。本系统最终可实现自动模式与手动模式的切换，手动控制模式下通过按下相应按钮，对灯进行手动开关的控制，自动模式下根据光敏电阻返回的判断环境光强度以控制灯光亮灭情况并在 LCD12864 液晶屏上上显示各个区域的照明情况。系统时间由 DS1302
16、时钟芯片提供实时时钟信号，并通过备用电源保证 DS1302 不断电。人体热释电模块用来检测教室内的人体存在情况，并反映给单片机已作出相应的照明控制判断。按键模块可以修改系统预设时间以及自动控制模式与手动控制模式功能的切换等。第二章智能照明系统硬件电路设计2.1系统总体设计方案该智能照明控制系统是以 AT89C51 单片机控模块作为其核心的控制模块，并在此基础上扩展其它外围电路，外围的电路组成主要包括:12864LCD 液晶显示模块、DS1302 时钟模块、HR-SR501 人体存在传感器检测模块、环境光信号采集模块以及按键模块，其结构框图如图 2.1 所示：毕业设计（论文）报告纸-4-图 2.
17、1 整体结构框图本智能照明控制系统共包括以下 5 个部分：1.核心控制部分：P89C51 单片机及晶振组成的单片机最小系统，接收分析与输出信号，以控制整个系统的稳定有效运行。2.显示部分：LCD12864 及相应滑动变阻器，负责显示整个系统的运行状态（时间日期及各个教室的亮灯情况）由单片机提供显示信号。3.时钟部分：DS1302 时钟芯片及备用电源，为系统提供实时时间数据，备用电源以保证 DS1302 内时间数据不会因为主电源断开而丢失。4.传感器部分：光敏电阻及 HC-SR501 人体红外感应模块，光敏电阻检测环境光强度，HC-SR501 模块检测是否有人在教室，其共同为单片机提供是否亮灯的
18、信号。5.按键部分：两组共 3+4 共 7 个按键及电阻，第一组按键可以手动控制灯的亮灭，第二组按键用来切换界面及修改时间等。AT89C51单片机最小系统人体存在传感器模块DS1302 时钟模块LCD12864 液晶驱动显示模块按键模块环 境 光 信 号 采集模块毕业设计（论文）报告纸-5-2.2单片机模块本智能照明系统的核心控制模块采用的是 AT89C51 系列单片机。该芯片具有 128 字节的内部随机存取存储器，4K 字节 Flash 闪速存储器，低电压、高性能的 CMOS 8 位微处理器，单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。32个 I/O 口线，两个 16 位定时器/计数
19、器，两个数据指针，一个全双工串行通信口，一个 5 向量两级中断结构，以及片内振荡器和时钟。同时,AT89C51 可降至 0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式时停止 CPU的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式是在 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到一个硬件复位。同时该芯片还具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。由于将多功能 8位 CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的 AT89C51 是一种高效微控制器。(百度文库)在 AT89C51 单片机应用于具体电
20、路中时需要构建单片机最小系统方能使单片机正常运行，最小系统的组成为单片机加晶振电路加复位电路。单片机最小系统如下图 2.2.1 所示：图 2.2.1 单片机最小系统毕业设计（论文）报告纸-6-单片机最小系统是本体统的核心控制模块，其接收来自按键和各个传感器的输入信号，经过处理分析后输出给 LED 灯和 12864LCD 液晶显示屏相应的控制信号，单片机最小系统可实现功能如下：1.可以上电复位、可以手动复位。2.单片机的内部自带有程序存储器。3.具有基本的人机交互接口，按键输入及 LED 显示功能。4.单片机具有良好的可扩展性，其 I/O 口与其他电路板连接也很方便。2.3显示模块本智能照明系统
21、的显示模块采用的是 12864LCD 液晶。12864LCD 液晶显示屏是 128*64 点阵液晶模块的点阵数简称，其显示分辨率为 12864。该液晶显示屏种类繁多，制造成本较低，在多个方面均有不同种类的应用。12864LCD 可以分为带中文字库与不带中文字库两大类。其中带中文字库的 LCD 每屏可显示 4行 8 列共 32 个 1616 点阵的汉字，具有 2 线或 3 线串行多种接口方式，内置8192 个 16*16 点汉字，和 128 个 16*8 点 ASCII 字符集.可以显示 84 行 1616点阵的汉字.该液晶显示屏所组成的显示电路具有编程简便，易操作，硬件模块搭建简洁，价格低廉，
22、适用性广泛等等特点。其基本指令如清除显示、地址归位显示、状态开/关、游标或显示移位控制、写数据到 RAM 和读出 RAM 的值等。12864LCD 在系统中被用于显示各个区域的照明状况，也可以加入时间显示让管理者对整个区域的情况一目了然从而进行更加有效的管理。本系统使用 12864 控制器 8133，并口，使用握手协议，控制线只有 2 根，接口功能强大，使用简单。其用来显示各个教室的照明情况及系统时间，照明情况用灯的亮灭表示在屏幕上，并给每个灯表示相应的序号，系统设置的亮灯时间段显示在屏幕上可以使人一目了然。通过按键修改的时间段可及时刷新反映在显示屏上。15 和 16 号引脚连接单片机作为控制
23、线、3 和 18 号引脚间接滑动变阻器来调节 12864LCD 的显示亮度以达到最佳的显示效果，其在系统中的电路图如图 2.3.1 所示、各个引脚功能如表 2.3.2：毕业设计（论文）报告纸-7-图 2.3.1 12864LCD 模块表2.3.2 12864LCD管脚及功能管脚名称功能描述PSB串口方式选择H：8 位或 4 位并口方式，L：串口方式（见注释 1）DB0-DB7数据总线三态数据线，用于数据传输CS数据指令选择RS=“H”,显示数据 RS=“L”,显示指令E使能信号E 下降沿数据锁存；E 高电平读出数据RESET复位信号使液晶显示屏复位，低电平有效R/W读写信号R/W=“H”,E=
24、“H”,数据被读到 DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”,DB7DB0 的数据被写到 IR 或 DR毕业设计（论文）报告纸-8-2.4时钟模块按照智能照明系统的控制要求，该系统的运行时间应该符合学校的正常作息时间，所以该系统中应该加入相应的时钟模块以适应学校的照明需求。当夜间无课程安排时间与寒暑假等假期时间则不应运行教室的照明设备控，由此可以达到节约能源的目的，由此判定本智能照明系统还应该加入相应的硬件时钟电路以保证该系统的智能化运作。时钟芯片 DS1302 的引脚图如图 2.4.1 所示。图 2.4.1 DS1302 引脚其芯片的各引脚的功能为：Vcc1 为主电源，Vcc2 为备用电源（
25、3.6v）。当 Vcc2 的电压高于 Vcc1 的电压 0.2 时，则由 Vcc2 向 DS1302 供电，当 Vcc2 小于 Vcc1 的电压时系统改为 Vcc1向 DS1302 供电。SCLK 为串行时钟接口，控制数据的输入与输出，I/O 口为三线接口的双向数据线，RST 为复位信号，在读、写数据期间要求必须为高电平。DS1302 时钟芯片可以对年、月、周、日、时、分、秒进行计时，并具有闰年补偿功能。此时钟芯片采用串行通信方式，并且只需要三根数据线便可以与单片机进行数据通信，本智能照明系统中只用到 DS1302 的周时分秒等计时功能，来反映学校的日常作息时间。在系统中 DS1302 与单片
26、机需要配合使用，其接口电路连接原理图如图 2.4.2所示，DS1302 由 Vcc1 和 Vcc2 两者中电压较大者供电。其中 Vcc2 外接 3.6V 可充电的锂电池，作为 DS1302 的备用电源，用于断电时时钟数据的保存。本系统中 VCC1 外接 5v 的电源为整个系统供电。正常工作情况下系统由 VCC1 供电，当断开电源时改为 VCC2 备用电源进行供电。RST 口为复位/片选线，当 RST 口毕业设计（论文）报告纸-9-的输入为高电平时复位此接接与单片机的复位信号端口连接。时钟信号输入端SCLK 接单片机的 P3.3 引脚进行进行时钟控制。数据输入与输出端 I/0 口接单片机的 P3
27、.4 引脚，进行数据传输。图 2.4.2DS1302 与单片机接口电路连接原理图在本智能照明系统中，DS1302 时钟芯片起到了至关重要的作用。第一，其为单片机提供准确的实时时间，显示在 LCD 液晶上，以便工作人员能够一目了然的看到当前时间从而对教室的照明情况进行手动控制操作。第二，系统需要设置相应的亮灯时间段以以符合学校的日常教学安排，DS1302 提供时钟信号以和所设置的时间进行比较，进行自动控制。2.5按键控制模块本系统中搭建电路时所使用的按键型号为 JH-026，按键控制电路如图 2.5.1毕业设计（论文）报告纸-10-所示。按键的输入信号分别接到 P3.0，P3.1，P3.2，P3
28、.3，P3.4，P3.5，P3.6。P3口在按键控制电路中作为单片机的按键输入信号端。系统中按键工作方式采用中断扫描方式，当系统为检测到按键按下时，根据设计 P3.0P3.6 端口的电压接近于电源电压，当系统检测到某一按键按下，相应的端口则被按键所短接置为低电平。7 个端口电平的变化情况可以反映给单片机相应的信号，单片机由此判定是哪个键被按下继而执行相应的按键功能。图 2.5.1 按键控制电路在本系统中，按键控制电路共分为两组，其中第一组 K3 K4 K5 三个按键电路用于系统的手动照明控制，当按键被按下时，单片机得到相应的信号从而强行打开相应的 LED 灯。第二组的四个按键用来切换界面与修改
29、系统时间，按下 K7，各个界面之间相互切换，按下 K1，光标在年月日时分秒之间相互切换，按下 K2时间加一，按下 K3 时间减一。毕业设计（论文）报告纸-11-2.6传感器模块该智能照明系统的输入参数主要为环境光强度信号和人体存在信号，所以这两个信号为该系统的采集器收集的目标。本智能照明系统中使用了光敏电阻和人体存在传感器。光敏电阻在相应的光照下改变阻值，将电流值反馈给单片机，单片机根据电流值对光强度信号做出判断。人体存在传感器模块用来检测人体的存在信号，若有人经过，则传感器传输信号给主控制器。在本设计中，人体存在传感器被用来安装在各个教室内，监测除了寒暑假及夜间等相应时段外是否有人进入教室的
30、情况，继而将所得到的信号传送给单片机，对相应区域的照明情况作出响应。2.6.1 环境光信号检测在该智能照明系统中，当环境光强度低于设定值且有人体存在时打开照明设备，当环境光强度高于设定值时，无论是否有人存在都不开启照明设备。本系统逻辑定义为环境光强度大于设定值时状态为“0”，低于设定值时状态为“1”，检测到有人存在时为“1”，为检测到有人存在时为“0”，开启照明设备时为“1”，未开启照明设备为“0”，那么环境光强信号与人体存在信号的逻辑关系表表示如下，如图 2.6.1 所示:图 2.6.1本系统中环境光检测电路主要用到光敏电阻如图 2.6.2 所示，其工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料
31、两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电毕业设计（论文）报告纸-12-阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。图 2.6.2 光敏电阻2.6.2 人体存在信号检测本系统中人体存在传感器模块选用
32、的是 HR-SR501 如图 2.6.3 所示如图 2.6.3 人体存在传感器在本系统中，环境光检测模块和人体存在检测模块 HR-SR501 结合使用，共同控制教室灯光的照明情况。光敏电阻的阻值变化引起电流电压变化，给单片机一个信号来表示环境光的强度值，当环境光强度的设定值低于 200 时方可满足亮灯条件。与此同时，人体存在检测模块可以检测是否有人经过，若当环境光条件满足所设定的条件时有人经过，单片机便输出亮灯信号，系统自动打开教室的照毕业设计（论文）报告纸-13-明设备，若其中任一条件不满足则不亮灯。第三章系统软件设计在单片机电路中，硬件电路是基础，软件电路是灵魂，硬件电路的基础上加上相应的
33、软件程序才能构成一个完整的系统。系统的软件程序部分与硬件电路部分是紧密相连分不开的，硬件电路的设计可以根据软件程序的运行流程来搭建，软件编程也可以根据硬件材料的不同而做出相应的改变。本智能照明系统的软件部分则是从按键程序部分开始进行判断，初始化以后判断按键并选择执行哪一部分的子程序，整个程序部分采用总分的结构，总体思路确定设计完成以后再对各个小部分的子程序模块进行详细的设计与修改，并最终实现预设的功能。本智能照明系统中软件部分的组成以如下四个模块为核心：1.系统主程序模块 2.按键功能模块 3.12864LCD 液晶显示模块 4.DS1302 时钟模块。3.1 主程序流程图该智能照明系统以 AT89C51 单片机为主要控制核心芯片，因此只有赋予其相应的完善的软件程序系统才能正常工作。本系统中 AT89C51 单片机主要完成接收外部数据、处理数据、输出控制数据。单片机所接受的输入信号经过软件
