叉骨-合计的英文
毕
业
论
文
﹙设
计﹚
题
目
室内灯光自动控制系统的设计及实现
毕
业
论
文
﹙
设
计
﹚
任
务
书
院
(
系
)
物理与电信工程学院
专业班级
通信
1102
学生姓名
付嘉琦
一、毕业论文﹙设计﹚题目
室内灯光自动控制系统的设计及实现
二、毕业论文﹙设计﹚工作自
2014
年
12
月
9
日
起至
2015
年
6
月
20
日止
三、毕业论文﹙设计﹚进行地点
:
物电学院实验室
四、毕业论文﹙设计﹚的内容要求：
1
、本次毕业设计要求如下：
设计一个室内灯光自动控制系统，实现照明控制系统的人性化，要求：
⑴
系统应实现在自然光照强度高时，灯光处于关闭状态；
⑵
系统在自然光照强度弱时，有人体感应时候，灯光自动打开，且 自动打开灯光的数量随人数
增加而增加，以满足室内光照强度的需求；
⑶
在灯光打开后，
若感应到光 照强度变强或无人体感应后，
则在一定的时延后根据情况自动关
闭部分或全部灯光。
2
、毕业设计成果要求：
程序代码、硬件实物和论文，论文要求计算机打印（
A4
纸），论文 有不少于
3000
词的相关英
文中文翻译。
3
、毕业设计时间安排：
1
—
4
周 ：查阅相关资料，熟悉题目内容，掌握设计原理，提交开题报告；
5
—
10
周：根据设计原理，进行相应软、硬件设计；
11
—
12
周：完善设计功能，整理资料并进行结果测试及分析；
13
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14
周：毕业设计验收；
15
—
16
周：撰写、修改、提交毕业论文，毕业答辩。
指
导
教
师
系
(
教
研
室
)
系
(
教研室
)
主任签名
批
准
日
期
接受论文
(
设计
)
任务开始执行日期
学生签名
I
室内灯光自动控制系统的设计及实现
付嘉琦
（陕西理工学院物理与电信工程学院通信工程专业
1102
班，陕西
汉中
723001
）
指导教师：张文丽
[
摘要
]
室内灯光自动控制系统可根据环境光强和室内 人数实现灯光的不同控制，避免不必要的电能浪费和经济损
失，对于建设节能降耗、低碳环保型社会具有 重要意义。本课题以
AT89C52
作为智能控制组件，运用热释红外传感
器检测人数 ，采用光敏模块检测室内光照强度，以
1088BHG LED
点阵模拟室内灯光，设计室内灯 光自动控制系统，
通过对环境光强和人数多少的识别，根据室内合理开灯的条件，完成对室内照明电路的 智能控制。此外，系统还增
加了特殊需要时所必须的手动控制模式与报警电路，增强系统性能。本系统体 积小、成本低、性价比高、控制便捷、
可靠性高、应用范围广，避免了电能的巨大浪费，从而实现了环保 节能的目的，具有较强的应用价值。
[
关键词
]
单片机；光照强度；红外检测；自动控制
II
Design and Realization of the Indoor Lighting
Automatic Control System
Fu Jiaqi
(Grade11,Class 2,Major of Communication Engineering
，
School of Physics and telecommunication
Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723001,China)
Tutor: Zhang Wenli
Abstract:
Indoor Light Automatic Control System can realize the different control of light according to the light intensity
of the environment and the number of indoor,which can avoid unnecessary waste of energy and economy,and it is of great
significance
for
building
energy
saving,low
carbon
and
environment-friendly
subject
uses
AT89C52
as
intelligent
control
components,using
pyroelectric
infrared
sensors
detect
the
number,using
a
photosensitive
module
testing
indoor
illumination
intensity,taking
LED
1088BHG
dot
matrix
as
indoor
light,to
design
indoor
lighting
automatic
control
ing to the light intensity of the environment and the number of indoor,referring to the reasonable indoor light
conditions,the system can realize the intelligent control for indoor lighting addition, the manual control mode and
alarm
circuit
are
also
added
to
enhance
the
system
e
of
it’s
advantages
of
small
size,low
cost,high
performance
ratio,convenient
control,high
reliability
and
wide
application,avoiding
the
waste
of
electricity,the
system
has
realized the goal of environmental protection and energy saving,so it would have great value in application.
Key words:
microcontroller, light intensity,Infrared detection,automatic control
III
目录
引言
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1
1.
课题研究背景
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2
1.1
研究现状
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2
1.2
发展前景
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3
1.3
应用领域
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3
1.4
本文研究内容
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4
2.
方案论证
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5
2.1
设计要求
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5
2.2
方案设计
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2.2.1 CAN
总线方案
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2.2.2 GPRS
方案
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2.2.3
单片机方案
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2.3
方案选择
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8
3.
硬件设计
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3.1
系统组成
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单元电路设计
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3.2.1
单片机控制电路
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3.2.2 LCD
显示电路
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3.2.3
光强检测电路
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4
3.2.4
按键控制电路
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5
3.2.5
报警电路
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6
3.2.6
红外人数检测电路
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1
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3.2.7 LED
灯光驱动电路
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7
IV
4.
软件设计
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20
4.1
主程序设计
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2
0
4.2
部分模块设计
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1
4.2.1
主控模块
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4.2.2
定时中断
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2
4.2.3
数据采集
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3
4.2.4
显示驱动模块
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2
3
4.2.5
系统按键功能
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2
4
5.
系统调试及分析
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26
5.1
软件仿真
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5.1.1
Proteus
简介
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2
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5.1.2
系统仿真
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5.2
硬件调试
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7
5.3
结果分析
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结束语
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29
致谢
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30
参考文献
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31
附录
A
：外文文献原文
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32
附录
B
：外文文献译文
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38
附录
C
：部分程序清单
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43
附录
D
：元器件清单
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47
附录
E
：实物图
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48
V
引言
物换星移，几多腾飞，世界已不再是油灯烛火的时代，射灯、玄关灯、霓虹灯等各种灯
光充斥于 世界的每个角落，
展示着她们妖娆的身姿和炫丽的色彩。
现如今，
虽然低碳生活越来越成为一种时尚，
节约能源也成为一种全球共识，
但是好多地点室内灯火通明，
却空无一
人的现象屡见不鲜，
这不仅造成了严重的资源浪费，
也大大阻碍了低碳环保的 号召。
面对日
益突出的能源问题，
越来越多的学者和研究者从各个方面密切关注着节能 问题，
也做出了不
少的贡献。
现代照明除了满足人们基本的生活、
学习要求之外，
将更注重能源的节省和使用上的便
利，
从而满足人类工程照明学个性方 面的要求。
特别是近年来，
商业大厦内利用计算机工作
的人员比例大幅度上升，不同视 觉要求的复杂程度大大增加。所以，要做到合理、经济、节
能的目标，首先应采用先进成熟的科技和产品 ，如电光源、灯具、材料、照明控制设备等，
此外，还应选择合适的照明控制方式和照明控制系统。
智能家居作为一种新概念已经问世，
它利用先进的计算机科学技术、
嵌入式系统 开发技
术和网络通信技术等，
将家庭生活中的各种家电设备连接到一起，
让用户采用更 方便的方式
[1]
管理家庭中的各种家电设备
。智能家居涵盖了家具生活的各个方面， 包括电视、电脑、电
冰箱、窗帘及灯光等，在工作压力越来越繁重的今天，人们更希望有一个智能化的家 ，在劳
累一天回家之后，
灯光自动打开欢迎主人回家，
家用电器能够自动给的烧水，< br>喜欢的电视节
目也会自己播放，
完全不用自己动手收拾。
伴随着智能化服务体系 的进入，
智能灯光控制研
究的必要性也就不言而喻了。
智能灯光系统是对灯 光进行智能控制与管理的系统，
跟传统照明相比，
它可实现灯光软
启、调光、一键场景 、一对一遥控及分区灯光全开全关等管理，并可用遥控、定时、集中、
远程等多种控制方式，甚至用电脑 来对灯光进行高级智能控制，从而达到智能照明的节能、
[2]
环保、
舒适、
方便的功能
。
总而言之，
照明系统是我们生活中最为常用，
最为基础的系统。
它的智能化无疑会给生活带来深刻的影响。
它不仅大大方便了我们的生活，
也许它还会 从一
定程度上改变人们的生活方式，从而提高人们的生活质量。
基于以上种种原由， 室内灯光自动控制系统的设计无疑就成为其中一项核心研究课题。
因此，
适应不同个人、
不同工作需要，
结合自动调节与手动调节的智能化照明系统已经必不
可少。
而且技术 成熟、
使用方便的智能灯光控制系统的普及也是大势所趋。
本研究就是从节
能、
便捷和个性化的目的出发，
针对解决用电量浪费的现象和室内灯光控制的现状，
在兼容
[3]
传统控制方式的同时，运用单片机控制原理
，将热释红外传感器、光强检测采集的数据 统
[4]
一处理
，根据逻辑算法，决定灯光在什么时候，什么情况下，自动开启那些灯 光场景，研
究该系统的需求应用及控制方式，希望将从各方面达到人性化的控制要求。
1.
课题研究背景
在智能化的
2 1
世纪潮流中，各国经济持续高速发展，人类社会的进步越来越依赖于资
源的开发与利用，然而 与日俱增的能源需求和有限的资源数量之间形成了巨大的矛盾
,
能源
短缺问题日益研严 峻，
成为制约一个国家经济发展的
“瓶颈”
。
我国的能源总储量虽然不低，< br>但是人口众多，
再加上单位产值的能耗是发达国家的
3
至
10
倍，
所以人均储量就少得可怜。
世界各地发电的主要原料是煤炭、
石油和天然气，而能源之间的战争也越演越激烈。
从生态
环境和自然资源角度出发，
能源问题也是 制约我国长期可持续发展战略中的一个关键性因素
[5]
。此外，能源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产生很大
影响，
许多小的斗争都是由此而发的，
譬如例如美国和伊拉克之间的石油争夺战，
我国和日
本之间的钓鱼岛之争等。
在寻找 替代品、
提高能源利用率和节约能源等几种缓解能源危机的
途径中，节能无疑是最符合可持续发 展要求的。
目前智能控制室内灯光，在国内外己经开始采用，但仍受环境、产品成本、发展状 况及
经济条件的限制，
室内灯光的智能控制尤为缺乏和不完善，
绝大部分依然是传统的 人工管理
方式。各类高校不断地扩招，教室不断地扩建，用电负荷不断加大，加之用电管理不善，同学们自觉节能意识薄弱，电能浪费现象随处可见
[6]
。同时，许多智能建筑的房间或楼道 不管
是否有人，
也不管有多少人，
灯光经常是从早到开到晚，
这在很大程度上 白白浪费诸多电能。
其次，自动化程度也在不断提高，由于计算机技术的普及，灯光管理也应朝着自动化 、智能
化的方向发展。于是，开发简便、实用的室内灯光自动控制系统便具有重要的现实意义。
1.1
研究现状
从
20
世纪
60
年代白 炽灯的问世，再到
20
世纪
90
年代国外新型照明控制系统的出现，
使得建筑照明由传统手的动控制走向计算机控制或无人控制的新世界。自美国
1984
年建成< br>第一座智能建筑以来，
智能化在世界范围内以一种崭新的姿态和技术迅速展开，
尤其是在 日
本、新加坡、中国台湾等国家地区。但是，智能灯光控制系统受到技术水平、产品价格、消
费 意识、市场环境等因素的影响，其发展一直处于原地踏步或起色不大的状态
[7]
。在国外，< br>智能灯光控制系统只是作为智能产品的子系统来开发，
由于定位过高，
使广大普通消费者 可
望而不可及。在国内，智能灯光系统与其他生活智能产品一样，推广力度往往不够，而人们
的 消费观念又比较传统，
所以大部分科研单位及商家都不敢投注过多的精力和财力
[8]
。
目前，
在市场上出现的几种智能灯光控制系统，
主要将研究的重点放在控制手法上，
譬如，
如何实
现灯光设备的无线连接，
如何实现控制协议的最优化，
如何实现预定方案的全面化和智能化。
故而造成了对照明效果的忽视。
我国在
1989
年着手编制的《民用建筑电气设计规范》中，开始涉及智能建筑的概念
,
并 提及了自动化控制
,
直到
90
年代初，智能建筑这一概念才广泛被人们所认识 ，特别在
1993-1995
年期间
,
举国上下许多房地产商都以“智能建筑”、
“全智慧型建筑”、
“
3A
型
智能建筑”和“
5A
型智能建筑”等为建筑标
,
兴建了 许多智能化的建筑
[2]
。近几年，高层建
筑飞速发展，
这种智能型照明控制 系统已悄然无声的进入了我国建筑行业。
目前，
上海金茂
大厦，山东世界贸易中心等建 筑已使用了这种灯光控制系统。
在无电不能正常生活的今日，
自然资源环境形势又是 那么的严峻，
世界各国都在采取不
同的方式方法来研究灯光系统的智能控制，旨在降低能耗，节 约能源。比如，澳大利亚奇胜
场景灯光控制系统，其可对同一场所中最多
18
个分区供 电和调节亮度，用户可调节和预设
每个灯区亮度最多五种场景，你只需按下按键就可以为活动选择满意的 灯光环境；美国
LC&D
智能灯光控制系统是由一套低压继电器配电盘构成的，
可按客 户需求独立设置每一个
回照的时间、地点、方式，也可直接手动控制系统。在我们国内，同样也付诸了这 一方面的
实践，
像研究设计的真善美智能灯光控制系统，
集多点操作、
停电自 锁、
免打扰、
集中控制、
集中显示等智能功能为一体，使家居生活愈加舒适。
陪伴着电子信息技术的发展和人们生活习惯的改观，
室内灯光 自动控制系统将在更广阔
的空间中发挥更大的作用。它会越来越先进，越来越低成本，低功耗，科技含量 也会越来越
多，应用范围势必愈来愈广阔，也许会覆盖于所有有灯光的地方，无论政府，企业，人民都< br>会因为其无法媲美的优势首先选择它，它也将带领智能灯光系统走进另一个崭新的时代。
1.2
发展前景
智能灯光控制系统是信息时代的产物，
它以科学计 算机和网络技术为核心，
并且与现代
建筑相结合，希望的曙光即将显现。其发展前景主要有：< br>
（
1
）标准化。必须要统一接口标准，来实现多设备无障碍连接；
（
2
）人性化。以人体行为、视觉效果为研究基础，开发更具科技含量、高效、舒适、
健康的智能化照明是人们所喜闻乐见的。
（
3
）网络化。智能灯光 控制系统必然伴随着网络，一起给人们生活带来更多的便利；
（
4
）嵌入式 。其功能强大、体积小、应用灵活被越来越多的人所关注，现已是多种智
能设备的核心元件；
（
5
）可扩展性。智能灯光控制系统与其他外设的联动是大势所趋，因此，要预留扩展
端口给将来。
（
6
）品牌化。集众品牌之长于统一的控制平台，则 能很好地兼顾各方利益，同时客户
在预算上也会有很大的主动性。
在未来 的照明工程中，
照明系统必然与新光源、
智能技术、
电子镇流器等新照明光源和
照明技术相结合，
将构筑新兴照明技术平台。
它的应用领域也将从智能家居照明到智能化的< br>城市照明，
前景一片广阔，
继而也给灯具市场带来更多的热议和期待，
其同时也 正创造着一
种高技术，高科学思想含量的照明文化。
1.3
应用领域
在交流和沟通越来越频繁的现代信息社会，
会议室 、
多媒体教室等已不再是昔日仅有的
讲台和椅子了，取而代之的是各种先进的科技设备。如：电 脑、投影仪、视频展示台、电动
屏幕，一些大型会议室还配备了同声传译系统、电子表决系统、大屏幕投 影、多画面切换系
统等。这些设备使用过程中必定带来繁冗的各项操作，像灯光不时的开关，音视频信号 、投
影画面的频频切换，
这种情况下，
自动控制系统根据室内环境情景，
选择 适合目前场景的灯
光亮度，让操作瞬间方便简单。所以，灯光自动控制系统将运用于下面几大领域。
（
1
）家居领域
快节奏的现代生活将逼迫传统一关一开的手 动灯光控制模式淘汰，
人们对家庭的照明工
程提出了新的要求，不仅要控制光源的发光时间、亮 度，还应与家居子系统配合，对不同场
景营造不同的灯光亮度，
更要考虑管理智能化、
简单化以及灵活性方面的控制方式和变更要
求等。
一个优秀的室内灯光控制系统可以提升家庭环 境的品质，
保证家庭生活的舒服和健康。
在家居生活中，
智能化灯光设备可通过预设，
储存不同的灯光场景，
根据主人的不同需求来
自动调节房间内的灯光亮度。当客人探访 、聚会时，灯光就调节的较明亮；而在欣赏音乐和
品茶时，柔和的灯光刚好应景；在观看精彩影片时，客 厅转身为家庭影院，暗淡的灯光最合
时宜。这一切，系统都可自动控制，真是一键在手，梦幻灯光随心调 ，岂不美哉？
（
2
）办公领域
现代化的办公室不仅仅只 是做为办公场所，
它也是公司形象的代名词，
更应符合时代发
展的潮流。在诸多办公因 素当中，光环境有着不言而喻的重要性。当你走进会议室时，称心
的灯光通过预先编程的照明系统自动开 启，
将室内光照亮度调整到最合适的开会状态；
在会
议结束人员离开房间后，
灯光自动关闭；
室内的灯光随窗外的自然光线的变化而变化，
自觉
地节约电能??在快 节奏的今天，办公人员几乎忙于繁忙的工作，而干净、灵活、舒适的办
公环境，会给他们愉悦的享受，工 作效率也就有效地提高了。总之，舒适的灯光恰若美妙的
音符，
于潜移默 化中影响着人们的工作状态。
高品质的自动灯光控制系统进驻办公室，
乃大
势所趋。< br>
（
3
）公共设施领域
在商场、道路和展厅等公共区域，光 临的第一感觉，与灯光的效果密不可分，照明氛围
与建筑装潢的协调，会让顾客产生一种美的领略。根据 不同的时间段、人流量、节日需要，
自动控制灯光自动调节光效果，
力求最大限度地为顾客提供 一个舒适、
优雅、
端庄的光环境。
不仅节约了电能，还能达到人为至上效果，是个不错 的选择。
1.4
本文研究内容
室内灯光控制系统是一项以节能环 保，
人性化控制为目的，
为人们生活带来诸多便利的
一个系统。在日常生活中，它可以 实时监控室内的人数，检测眼下室内光线参数，能够对灯
光进行不同场景下的现场控制。
本研究通过硬件实体，
预设不同的灯光场景，
随意地改变各区域的灯光亮度，
来适 应不
同的室内主题和主人需求。
灯光自动控制系统可以更好地利用自然光照明，
而与室 内面积无
关，根据光线强弱和人体数量而变化，以此调整光照亮度到最舒适的状态
[9]
。鉴于该系统所
安装的室内环境比较复杂，
影响因素也比较多，
而且控制设备中的人 体红外传感器、
光强检
测模块等会因环境情形的变化有时会出现不稳定的状况。
所以在 硬件设计过程中，
电子元器
件的选择、线路的布控和设备的安装位置要充分考虑到抗干扰问题< br>[10]
。
鉴于上述研究背景，
本系统将利用光电传感器，
统计室内的光线和人数，
再根据人数和
光照强度变化，实时地调整室内灯光来适应人们的视觉。 针对本课题，计划采取如下图
1.1
所示的设计思路。
系统方案分析
电子元器件
分析选择
软件分析
硬件设计
软件仿真
系统调试
系统整合
图
1.1
系统整体设计思路
系统整体设计首 先是从方案着手处理的，
分析其具有何种功能，
需要哪些模块，
然后根
据功能 模块再决定选择什么样的元器件可达到系统的设计目标。
随后需要从软件和硬件这两
部分来实现 ，
软件主要用来控制硬件的运行，
最后需要对系统联调，
保证它稳定可靠地工作，让系统总体上完成一个整合，实现方案构思中的所有功能需求。
2.
方案论证
方案论证是对室内灯光自动控制系统的构思，分析用何种方法可以实现，
该方法有哪些
好处及局限性，并根据功能要求，性价比，实现难 易程度等作以综合比较，选择一个最优的
解决方案。
2.1
设计要求
从任务书角度出发，
本课题拟通过试验研究室内灯 光的各种控制方案解，
设计一个室内
灯光自动控制系统，实现照明控制系统的人性化，主要解决 如下关键问题
:
⑴
系统应实现在自然光照强度很高时，灯光处于关闭状态；
⑵
系统 在自然光照强度较弱，并且有人体感应时，灯光自动打开，且自动打开灯光的
数量随人数的增加而增加， 以满足室内光照强度的需求；
⑶
在灯光打开后，若感应到光照强度变强或 无人体感应后，则在一定的时延后根据情
况自动关闭部分或全部灯光。
由上可知，< br>本系统研究的主控器把自然光照强度和人体存在状况作为控制器的两大主要
输入参数。在自然环境 光线比较强时，不管人体是否存在，灯光都处于关闭状态；在自然环
境光线较弱时，
且当有人体 存在时，
经过一定时延，
灯光由控制器自动打开，
等到人体离开，
延时一定时 间后灯光自动关闭。
然而在现实生活中，
意外之事十有八九，
因此还需要按照作
息时间实现手动控制，超过午夜
12
点，即使还有人体存在，自动控制器也会关闭，换用手< br>动控制模式，以解决特殊环境下，自动控制系统的不人性化的一面。
另外，
室 内用电或多或少的存在着安全隐患，
像大功率电器的接入会造成跳闸；
用久了
的电路会 老化；
长时间工作的电器有时会冒火花等等，
这会给人们的生活带来危害，
也造成心理上的困扰。所以必须设计报警电路，在室内用电出现故障时，及时的提醒用户，以保证
生命财产 的安全。
为了人们更为方便的了解系统每时每刻的运作状况，
此研究还应该具有显示 模块。
对于
人们来说，
不愿看见像黑匣子一样的系统，
一点反应也没有，而是希望它能够给予足够多的
信息。所以显示模块可以及时显示室内更新的人数，当前环境中的光强 值，以及控制方式，
更会赢得大家的喜欢。
2.2
方案设计
2.2.1 CAN
总线方案
CAN
总线室内灯光自动控制系统其 实就是通过计算机监控和跟踪各个照明回路，使控
制器能够自动地调节电压，
电流幅度及电路开 关，
以此来改善照明电路中不必要的电能浪费，
并且能够通过场景控制器选择所需的灯光效果，
达到最优化供电和最自如控制的目的。
该方
案需要完成下面几个要求：
（
1)
可随意控制任任何回路的开关，
监控各个回路工作状态，
并实现某 回路灯光的连续
调试；
（
2)
可预设场景控制器中的内容，
存储不同效果的灯光类型，
满足不同环境对灯光效果
的要求；
（
3)
可方便的接入各种先进的传感装置，拓展其功能，更好的对灯光进行自动控制；
（
4)
时钟控制器可根据时间对照明系统进行监控，
分时段控制灯光状态，
避 免长明灯现
象，节省了电能的浪费；
（
5)
可通过
Ethenet
搭建组网，其结构简单而且还能与其他
BA
系统互联控 制，易于系
统的扩展和移植。
实现上述系统的自动控制效果，
必须选择合适 的通讯方式和控制方式，
这样整个系统方
可长时间稳定地运行。
本方案把各种现场总线 和计算机网络拓的扑结构进行比较，
设计了一
种超具有优越性的合理化控制方式，即采用计算机 远程网络控制与
CAN
总线现场控制相结
合的控制方式。此控制方式既能体现网络远程 控制的优势，又能轻松展现
CAN
总线系统分
布控制、节约资源、集中管理、易于维护 的特点。
此系统结合了这两种控制方式的优点，
在稳定性、
经济性、
易操控性等方面具有较大的
优势。与此同时，多网络互联方式可以根据现场环境灵活搭建，适用于多种 复杂环境。灯光
控制系统的方案构思如图
2.1
所示。
1
路
CAN
输
入
输
出
调
光
传
感器
2
路
CAN
输
入
输
出
调
光
传
感
器
●●●
N
路
CAN
输< br>入
输
出
调
光
传
感
器
●●●
●●●
最多接
110
个节点
CAN
现场总线是由 计算机控制
N
路
CAN
总线，可对任一个回路进行控制，但是每路
总 线最多接入
110
个节点，故而同一路节点的状态相同。
2.2.2 GPRS
方案
GPRS
即通用无线分组业务，是一种基于
GSM< br>系统的无线分组交换技术，可以提供端
到端的、广域的无线
IP
连接。通俗地讲 ，
GPRS
是一项远距离的高速数据处理技术
[9]
。它是
以“分组 ”的形式将资料传送到用户手上，能让用户使用一部手机就能行遍全球。光远程控
制系统就是利用
GPRS
进行数据传输，
并且其月费用的数据流量包相对低廉，
从而赢得更多
客户的青睐，是当前照明系统最佳的小数据远传通讯方式
[11]
。
首先 测控部分对灯光的电量参数进行实时采样，
这需要通过电压传感器和电流传感器来
实现的，然后 将采集到的数据进行处理、转化、分析、存储和显示，并且能够执行灯光的控
制。监控中心使用固定IP
连接的方式接入
Intenet
网络，通过网关
GGSN
接 入
GPRS
网络。
最后按照预定的软硬件流程进行工作，
在节点系统运行的整 个过程中，
始终保持连接不断开，
●●●
最多接
110
个节点
最多接
110
个节点
图
2.1
智能照明系统总体框图
一旦断开必须立即重 新开始连接，必须保证
GPRS
模块“永远在线”。从而对整个系统的运
行状况做到全 方位的监控。系统的总体方案如图
2.2
所示。
图
2.2
系统总体方案图
通过方案图，
可明显的看出GPRS
系统是用计算机作为监控中心，
以网络作为数据通信
的媒介来控制各个测 控节点，从而控制灯光的开关状态。
2.2.3
单片机方案
单 片机采用超大规模集成电路技术把中央处理器
CPU
、随机存储器
RAM
、只 读存储器
ROM
、多种
I/O
接口、中断系统、定时器
/
计 时器等功能集成到一块硅片上，构成了一个小
而完善的计算机系统，在工业控制领域内得到了广泛的应用
[12]
。
在单片机方案构想中，
该系统硬件设计的控制单元是以 单片机主控为核心，
其它主要外
围电路有
:
系统供电模块、硬件时钟模块、看 门狗模块、定时器模块、灯光驱动模块、
LCD
液晶显示模块、环境光检测模块、
EE PROM
存储模块、人体红外检测模块、报警模块。这
些硬件模块受命于单片机主控中心，通过 其命令执行该有的各项操作。
在软件设计过程中，
总体设计采用自顶而下的设计思想 ，
先对系统运行的大体步骤有一
个定义，便于主程序编写，同时在编程的过程中又用到了结构化 程序设计思路。
系统中的信号检测主要分为两路，一路是光敏传感器，用来检测室内的光线强 弱
[12]
；
一路是红外传感，探测进入室内的人数。两路信号同时检测，送给单片机 集中处理，再将处
理结果通过
LCD
显示器和室内灯光展现出来，
其设计方案 的系统结构框图如下图
2.3
所示。
红外人
体检测
报警
模块
环境
光检测
看门狗
主控系统
灯光< br>驱动
硬件时
钟模块
ERPROM
存储器模块
LCD
液 晶
显示模块
定时
器模块
图
2.3
系统控制单元结构框图
各个模块应该完成以下功能：
人红外人体 检测模块：
主要是探测室内到底是否有人体存在，
需要通过人体存在信号采
集电路来完 成；
电源模块：为整个系统提供电源；
报警模块：检测提示用户系统是否正常工作；
看门狗模块：
外界无时无刻的 会干扰系统，
所以有时会出现程序跑飞、
死机甚至造成整
机瘫痪等情况，
为了 能够恢复单片机的正常工作，
只能采用重新复位的方式。
因此还应该在
硬件设计中使用 看门狗电路，能够产生复位信号给单片机，使系统复位重新执行程序；
主控系统模块：是系统 的
CPU
，控制系统各个命令的执行，对外界的要求作出判决和
仲裁；
环境光检测模块：
感受自然光的强度，
采集光信息，
以便于系统及时控制灯光系统 的关
闭与否；
灯光驱动模块：在检测到外界光强很弱时，又有人体存在，需要自动打 开灯光系统，就
需要有驱动灯光启动的模块；
硬件时钟模块：
根据室内灯光 使用特性，
该系统还应受到时间的限制，
控制系统的时间
应和人们作息时间行对应，还 应具有掉电保护电路，保证系统的智能化运行。
EEPROM
存储器模块：设备的设 置参数既可根据实际需要人性化更改，又要断电能够
保存下来，所以其设置参数需存储于一片
E EPR0M
中。
2.3
方案选择
CAN
现场总 线它能够通过网络，实时的监控设备的运行状态，其优势在于数据通信具
有突出的可靠性、
实时 性和灵活性，
主要表现在
CAN
为多主方式工作；
CAN
总线将节点 划
分成不同的优先级；使用非破坏仲裁技术；报文采用短帧形式结构，所以数据出错率极低；
节 点可在错误严重的情况下能够自动关闭输出。但是，它也有不好的一面。
CAN
现场总线
作不能同
Internet
互连，不能共享远程信息。再者，它不易与上位机直接相连，现有 的
CAN
总线接口卡较之以太网网卡相比大都价格昂贵。还有，
CAN
现场总 线无论是在通信距离还
是通信速率方面都无法和以太网相媲美。
GPRS
显 而易见的优点在于它可以充分利用现有资源，方便、快速、低建设成本地为用
户数据终端提供远程接入网 络的部署传输速率高，
接入时间短；
并且提供实时在线功能。
可
是，任何事物都具有两面性，
GPRS
的应用也会冲击现有的网络容量，实际传输速度 比理论
低得多；
GPRS
标准涵盖了无线封包技术，并采用数据整合和再传方法，传输 延迟大；而且
没有储存和转发功能。
单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，< br>集成度很高，
体积自然也是最小的；
指令
系统均有极丰富的条件
:分支转移能力，
I/O
口的逻辑操作及位处理能力，
非常适用于专门的
控 制功能；机内的工作电压仅为
1.8V
～
3.6V
工作电流仅为数百微安；易 扩展构成各种规模
的计算机应用系统
[12]
；由于单片机的应用十分广泛，渗透于我 们生活的多个领域，几乎难
以找到哪个领域范围没有单片机的踪迹。
譬如导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，
计
算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程中的实时控制和数 据处理，各种智能
IC
卡的
广泛使用，全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物 等等，这些都离不开单片机，因
而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极 高。但是，它小巧
玲珑的同时注定存在一定的局限性，
单片机目前还没有通用的系统管理软件或 监控程序，
而
且还必须十分了解所用单片机的硬件结构，程序编写困难，代码难以理解，不易于 识读，难
于移植，排错困难，编写程序花的时间相当多，调试不便等等，
通过上述比 较，可以看到
GPRS
和
CAN
总线方案的通用性很强，但都需要在应用网络
下才能实现，数据传输势必会受其影响；而单片机程序虽然编写困难，不易移植，但对于本
系统 已经足够了，而且它的性价比较高，简洁携带，灵活又方便，外围电路结构简单，价格
实惠，控制简单方 便，频率要求不高，并且不需要网络服务，所以也就不会产生网络那样大
的时延，在没有网络或网络不稳 定的情况下，系统都不会受到大的影响，符合用户的需求，
也能更有效地减少资源浪费。对于自身的学习 来说，
GPRS
和
CAN
总线方面知识存在一定
的欠缺，
没 有单片机那样的熟练。
基于上述种种原因，
本研究选用单片机方案来实现室内灯
光自动 控制系统的设计及实现。
3.
硬件设计
一 个完整系统的运作，
首先必须建立在硬件基础之上，
硬件设计要充分考虑到系统所应
用 的环境状况，影响系统稳定运行的温湿度，电磁干扰等，再据其功能选择性能可靠，性价
比高，抗干扰强 且精度较高的元器件。
3.1
系统组成
基于设计方案的选定，该 系统现以
AT89C52
单片机作为控制装置的智能组件，其它外
围电路主要包括：< br>LCD
液晶显示电路、灯光驱动电路、红外线人体探测电路、环境光强检
测电路、按键控 制电路、报警电路，其硬件电路组成框图如图
3.1
所示
。
LCD
液晶显示
52
系
统
电源模块
灯光驱动
定时器
红外人体检测
键控模块
模
块
报警模块
环境光强检测
图3.1
系统硬件电路组成
通过产品性价比，功能需求，抗干扰等多方位综合考 虑：
LCD
液晶显示选择大家常用
的
1602
型号；灯光驱动芯片选 择
74HC595
；红外人体检测选择航抗干扰较好的
NPN
常开
型 光电对管；
环境光强检测选用光敏模块；
其他电路都是最常见的器件。
根据室内开灯的 合
理条件，
系统就可以对人体的存在信号和环境光信号进行识别和智能判断，
送入单片 机控制
中心处理，再由单片机控制室内灯光状态。同时定时器、人工控制、报警控制等功能据人性
化需求都要加入到系统中。
3.2
单元电路设计
3.2.1
单片机控制电路
本系统选用的
AT89C52
主控芯片，
是由
ATMEL
公司生产的低功耗，
8
位高性能
CMOS
单片机。它片内具有
4K
可重复擦写的只读程序存储器（
PEROM
）和
8KB
的随机存取数据
存储器（
RAM
）。由于器件采用ATMEL
公司高密度、非易失性的存储技术生产，且与标
准
MCS-51
指令系统及
8052
产品引脚相兼容，并且芯片内置有通用的
8
位中央处理器
（
CPU
）和
FLASH
存储单元
[13]
，可实现多次编程，为在线编程提 供了方便，适用多种较
为复杂控制应用场合。而且通过合理安排使用片内
RAM
空间， 就不需要扩展片外
RAM
，
这样不仅电路结构简单，还降低了系统的成本。
AT89C52
可降至
0 HZ
进行静态逻辑操作，
并支持两种可选 软件的节电操作模式。
空闲
方式下
CPU
停止工作，但允许
RAM< br>、定时／计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉
电方式下可以保存
RAM
中的内容，但振荡器停止工作，也会禁止其它所有部件工作，直到
下一个硬件复位。在
AT89 C52
的片内存储器中，将
80H-FFH
共
128
个单元作为特殊 功能寄
存器（
SFE ) ,
但并非所有的地址空间都被定义，从
0H-FFH
共
128
个字节 里，实际上只有
一部分被定义，
还有相当一部分字节没有定义。
对于没有定义的单元进 行读写动作将是无效
的，读出的数位也将不确定，而写入的数据也有可能丢失
[4]
。 不应将数据“
1
”写入未定义
的地址单元，
由于这些地 址单元可能在将来的产品中会被赋予新的功能，
在此种情况下，
复
位后这些单元数值总 是“
0
”。其具体功能引脚说明如下表
3.1
所示。
表
3.1
A
T89C52
的引脚功能
引脚
/
接口
VCC
GND
功能
电源电压
接地线
P0
口是一组
8
位漏极开路型双向
1/O
口，也即地址< br>/
数据总线复用口。作为输出口用时．每
位能吸收电流的方式驱动
8
个
TTL
逻辑门电路，对端口
P0
写“
1
”时，可作为高阻抗输入端
P0
口
用。在 访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低
8
位）和数据总线
复 用，
在访问期间激活内部
上拉电阻。
在
FLASH
编程时 ，
P0
口接收指令字节，
而在程序校验
时，输出指令字
节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1
是一个带内部上拉电阻的
8
位双向
I/O
口，
Pl
的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4
P1
口
个
TTL
逻辑门电路。对端口写“
1
”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入
口。
作输入口使用时，< br>因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流
IIL
。
P2
是一个带有内部上拉电阻的
8
位双向
I/O
口，P2
的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）
4
个
TTL
逻辑电 路。对端口
P2
写“
l
，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输
P2
口
入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信 号拉低时会输出一个电
流
IIL
。在访问外部程序存储器或
16
位地 址的外部数据存储器时，
P2
送出高
8
位地址数据。
在访问
8
位地址的外部数据存储器时，
P2
口输出
P2
锁存器的内容。< br>FLASH
编程或校验时，
P2
亦接收高位地址和一些控制信号。
< br>P3
口是一组带有内部上拉电阻的
8
位双向
I/O
口。
P3
口输出缓冲级可驱动
(
吸收或输出电流）
P3
口
< br>4
个
TTL
逻辑门电路。对
P3
口写入“
1
”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此
时，
被外部拉低的
P3
口将用上拉电阻输出电流
（
IIL)
。
P3
口还接收一些用于
FLASH
闪速存储
器编程和程序校验的控制信号，并且拥有第二功能。
RST
复位输入，当振荡器工作时，
RST
引脚出现两个机器周期以上高电 平将使单片机复位。
程序储存允许
PSEN
输出是外部程序存储器的读选通 信号，
当
AT89C52
由外部程序存储器读取
PSEN
指令（或 数据）时，每个机器周期只有两次
PSEN
有效，即输出两个脉冲信号。在此期间，当
访问外部数据存储器时，会跳过两次
PSEN
信号。
当访问外部程序存储器 或数据存储器时，
ALE
即地址锁存允许信号，
输出的脉冲用于锁存地址
AL E/PROG
的低
8
位字节．
一般，
ALE
仍输出为时钟 振荡频率
1/6
的固定脉冲信号，
因此它可用于定时目
的或对外输出时钟。需 要注意的是，访问外部数据存储器时将会跳过一个
ALE
脉冲。
外部访问允许。欲使
CPU
仅访问外部程序存储器
(
地址为
0000H-FFFFH ) , EA端必须保持低
电平
(
接地）．需注意的是：如果加密位
LBI
被 编程，复位时内部会锁存
EA
端状态。
XTAL1
晶体振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
EA/VPP
XTAL2
晶体振荡器反相放大器的输出端。
通过 以上单片机主要功能介绍，
以及本系统所要实现的目标要求，
首先设计出单片机控
制的 最小系统如下图
3.2
所示。
图
3.2
单片机最小系统
单片机最小系统中含有复位电路，系统在 运行时，由于各类原因会出现不稳定的现象，
不管会不会出现系统紊乱现象，为了安全起见，都应该存在 。在本系统中，复位时光强重新
检测，人数显示为
0
，控制方式为自控控制。
3.2.2 LCD
显示电路
液晶显示是利用液晶的物理特性，
通 过控制电压显示区域，
有电就可以显示出图形。
液
晶显示器厚度较薄，直接驱动，适用 于大规模集成电路，目前已经被广泛应用在个人电脑、
数字摄像机、
PDA
移动通信工 具等众多领域。
LCD 1602
液晶也叫
1602
字符型液晶，
它是一种专门用来显示数字、
字母及符号等的点
阵型液晶显示模块。
它由若干 个
5X7
或者
5X11
等点阵字符位构成，
显示每个字符也只需要< br>一个点阵字符位，
每位点阵字符之间有一个点距的间隔，
且每行之间也有间隔，
起到了字符
间距和行间距的作用。
1602LCD
显示的内容为
16X2，即可以显示两行，每行
16
个字符。
它的优势主要在于：
（
1
）质量高：液晶显示器每点在收到信号后就一直保持特定色彩和亮度，恒定发光；
（
2
）数字式接口：数字式的接口和单片机系统连接更加简单可靠，操作愈加方便；< br>
（
3)
功耗低：
只有内部的电极和驱动
IC
主要消 耗能源，
耗电量比其它显示器要少得多；
（
4)
体积小
/
重量轻：通过电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比同显
示面积的传统显示器要 小巧好多。
LCD1602
采用标准的
16
脚接口，其引脚功能如下表
3.2
所示。
表
3.2 LCD1602
的引脚功能
引脚序号
1
2
3
4
功能特性
VSS
为地电源
VDD
接
5V
正电源
V0
为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，
对 比度过高时会产生“鬼影”，使用时可接一个
10K
的电位器对对比度进行调整。
RS
为寄存器选择，低电平时选择指令寄存器，高电平时选择数据寄存器。
R/W
为读写信号线，低电平时进行写操作，高电平时进行读操作。当
RS
和
RW
共同为
低电平时可以显示地址或者写入指令，
如果
RW
为高电平
RS
为低电平时可以读忙信号，
当
RW
为低电平
RS
为高电平时可以写入数据。
E
端为芯片使能端，当
E
端从高电平 跳变为低电平时，液晶模块将执行命令。
D0
～
D7
是
8
位双向数据线。
背光电源正极
背光电源负极
5
6
7
—
14
15
16
根据电路功能需求，它需要显示当 前光照强度，室内人体数目，以及系统的控制模式，
LCD
硬件电路连接如图
3.3< br>所示。
LCD1
LM016L
V
S
S
V< br>D
D
V
E
E
R
S
R
W
E< br>4
5
6
R
S
W
R
L
C
D< br>E
N
1
2
3
RV1
1k
RP1
+5 V
RESPACK-8
+5V
1
P0.0
P0.1
P0.2
P0.3
P0.4
P0.5
P0.6
P0.7
2
3
4
5
6
7
8
9
7
8
9
1
0
1
1
1
2
1
3
1
4
D
0
D
1
D
2
D
3
D
4
D
5
D
6
D
7
图
3.3
LCD
液晶显示电路图
LCD 1 602
的
3
脚可以接电位器用来调节显示器频幕的亮度，
D0-D7
这
8
条数据线可以
直接和单片机的
P0
口相连，通过读写端口来显 示所需要的内容。
3.2.3
光强检测电路
光强检测电路是本系 统中比较重要的一项，
在自动控制模式中，
光强度决定着灯光的开
闭与否。当光强足够 强时，灯光处于关闭状态，当光强度较弱且有人时，灯光就会打开。硬
件仿真电路如图
3.4< br>所示。
RV2
+5V
3
9
%
U3(CLO CK)
U3
2k
426.1
26
27
28
1
2
3
4
5
25
24
23
22
12
16
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
I N6
IN7
ADD A
ADD B
ADD C
ALE
VRE F(+)
VREF(-)
ADC0808
CLOCK
START
EO C
OUT1
OUT2
OUT3
OUT4
OUT5
OUT6< br>OUT7
OUT8
10
6
7
21
20
19< br>18
8
15
14
17
START
EOC
P1 .7
P1.6
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0
LDR1
LDR
+5V
ALE
OE
9OE
图
3.4
光强检测电路
由于在仿真中，光线 无法采集，所以就采用上述电路模拟实现。但在实际硬件中，数字
光强度检测采用型号为
GY- 302
的光敏模块，使用的是
ROHM
原装
BH1750FVI
芯片 ，数据
范围在
0-65535
内，传感器内置
16bitAD
转换器 ，直接数字输出，不需要
ADC0808
进行数
模转换，省略复了杂的计算和标定[14]
。并且此模块不区分环境光源，接近于视觉灵敏度的
分光特性。
解析度即对环境光亮的测量精度，
若解析度设置为
4
，
则
BH17 50
不能分辨环境光亮度
在相差
4
个
Lux
值（例如
450
和
453
）时所存在的亮度差异，也就是从芯片寄存器中所读
取的值与真实值之间差异的最大值为
4
。
透光率设置当
Light
sensor
在机构设计时没有完全裸露在外面或是上面盖有不完全透
明的遮挡物时 ，可进行透光率设置，使
Light sensor
测得的光亮度值不受其位置或上面遮挡
物的影响。此时，从
BH1750
内部寄存器读取的光亮度值为：读取值
=
实际值
×
透光 率。
设置透光率还可以改变光亮度的测量精度，例如，若将透光率设为
50%
，则其测 量精度实
际上也会相应提高一倍，
对于较低亮度环境下的测量将更为准确 有效。
透光率设置方法是若
想把透光率设为
X
，则在寄存器
Chan ge
Measurement
time
中写入的值应为：
X
乘以
100%
透光率的基准值。一组透光率参考值如下表
3.3
所示。
表
3.3
透光率的参考基准值
BH1750FVI
透光率范围
最小值
222.50%
0001_1111b 1111_1110
最大值
27.20%
0001_1111b 1111_1110
寄存器高
8
位值
0x42
0x44
0x42
0x41
0x41
0x41
寄存器低
8
位值
0x65
0x6a
0x76
0x7a
0x7e
0x73
基准值
100%
50%
80%
120%
150%
200%
10
进制值
69
138
86
58
46
35
2
进制值
010_00101
100_01010
010_10110
001_11010
001_01110
001_00011
3.2.4
按键控制电路
在实际生活中，面 对一些特殊情况，我们需要手动控制室内灯光，已达到用户的需求，
故而需要按键开关来控制系统的运行 ，电路图如下图
3.5
所示。
FORCE
P2.5
MODE
P2.6
图
3.5
按键控制电路
按键开关中，
FROCE
表示特殊情况手动强制控制 ，
MODE
表示控制模式，有自动模式
和手动模式两种，两种调节方式共同控制系统的 合理化运行。
3.2.5
报警电路
室内电 路或多或少的存在安全隐患，
有些是电器设备原因，
有些是人为操作的缘故，
所
以就需要报警电路警示用户用电安全。电路设计如图
3.6
所示。
图
3.6
报警电路
报警电路主要由由放大器和蜂鸣器构成，单片机直接输出的报警信号比较微弱，
必须通
过放大器放大，才能驱动蜂鸣器发出警报。< br>
3.2.6
红外人数检测电路
红外人数检测电路主要检测室内的人 体数量，
此系统需使用两对红外对管，
分别安装在
闷的内外两侧，
当外边一对 先接收到有人体经过的信号时，
说明有人进来，
则人数计数器会
加
1
；当里面的红外对管先接收到信号时，证明出去了一个人，人数减
1
，以此来达到检测
人数的目的
[15]
。
本电路采用
HD-DS25CM-5MM< br>的红外对管来实现硬件功能，它的感应距离是
25cm
，
感应方式为对射型（非 透明物），最大工作电流可达
10MA
，输出电流是
100mA
，并且可直接驱动继电器。其发射角度为直线红外光，接收角度一般小于
10
度，响应时间短，最长
只需
2ms
，工作温度范围在零下
25
度
到
60
度之间，满足实际需求，性价比较高
[14]
。
影响红外检测的关键包括发射角度和发射强度两方面的内容：
（
1
）发射角度：在发射强度分布图形中，发射强度大于最大强度一半构成的角度为接
收角度。其中晶片相同 的一对发射管
,
发射角度愈大则
Iv
愈小。影响发射管角度的还有支
架碗杯大小深浅，模条的
R
角大小及晶片的大小高低等。
（
2
）发射强度：红外发射管的发射强度用
mW/sr
表示。一般来说，其红外辐射强度与
正向工作电流成正比，
但在接近最大额定值的正向电流时，
器件的温度会随着电流的热 耗而
上升，致使光发射功率下降。红外发射管电流比较小，将影响其辐射功率的发挥，但工作电
流过大会影响红外发射管寿命，
甚至使其烧毁。
发射强度与温度也有一定的关系：
在温 度上
升的情况，发射强度同样也会有所下降的。
所以在完成硬件时，必需注意：允许 的最大功耗
Pm
，最大瞬间电流
IFP
，最大正向电
流
IF M
，最大反向电压
VRm
，工作温度
topm
等。为避免损坏，焊点 应当远离引脚的根部，
焊接温度也不能太高，焊接时间不宜过长，最好用金属镊子夹住引脚的根部，以帮 助散热。
另外引脚弯折定型应当在焊接之前完成，
焊接期间管体与引脚均 不得受力。
由功能要求，
硬
件电路设计如图
3.7
所示。
+5V
+5V
R4
1k
1k
R6
10k
R 5
1k
1
R20
1k
1
U4
U10
6R7
10k
6
2
4
MOC3021
2
MOC3 021
4
P2.1
P2.0
Front
Back
图
3.7
人数检测电路
人数检测主要器件为光电对管，它的的电 压值大小是检测人数的关键。当有人通过时，
接收端收不到发射端产生的信号，
电压为
0V
；
没有人时，
接收端可以收到信号，
电压为
5V
，以此来识别是否有人进出。
3.2.7 LED
灯光驱动电路
未来灯光将是比较节能环保的
LED
灯，
所以本系统使用
8×
8< br>的
LED
点阵来模拟室内灯
光，达到系统的设计目标。
LD-1088 BHG
型号的
8X8
点阵共由
64
个发光二极管组成，且每
个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，
当对应的某一行置
1
电平，
某 一列置
0
电平，
则相应的二极管就点亮了。并且该点阵是红黄绿双色的，当有一行接高 电平，第
24
、
21
、
18
、
15
、1
、
4
、
7
、
10
脚接高电平时，绿灯就会变 亮；当第
23
、
20
、
17
、
14
、2
、
5
、
8
、
11
接低电平时，红灯就会变亮 。具体引脚接线如图
3.8
所示。
图
3.8
红绿双色点阵引脚图
如要将第一个灯光点亮，
只需将
22
脚接高电平而
21
脚接低电平，
第一个点就亮了；
如
果要将第一行点亮，则第
22
脚要接高电平，
24
、
2 1
、
18
、
15
、
1
、
4
、7
、
10
接地，该行全
部绿灯就会变亮，或者将
23
、
20
、
17
、
14
、
2
、
5、
8
、
11
接低电平，该行红灯就会全部变亮。
驱动 该点阵选用的芯片型号是是
74HC595
，它是一种串入并出的芯片，具有高阻、关、
断三种状态。
74HC595
引脚功能如图
3.9
所示。
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
GND
595
VCC
Q0
DS
OE
ST-CP
SH- CP
MR
Q7'
图
3.9 74HC595
引脚图
595
是具有
8
位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。
移位寄存器和存储器是分
别的时钟。
SCH_cp
的上升沿进行数据输入，
从
ST_cp
的上升沿方可进入到存储寄存器中去。
如果将两个时钟连在一块，则移 位寄存器比存储寄存器总是要早一个脉冲。
移位寄存器中
有一个串行移位输入（Ds
），一个串行数据输出（
Q7
’）和一个异步的低电平复位，存储
寄 存器总线输出是一个并行
8
位的，并具备三态结构，当
OE
使能时（为低电平 ），存储寄
存器的数据会输出到总线。它还兼容低电压的
TTL
电路，遵守
J EDEC
标准，在电子显示屏
制作当中有广泛的应用。根据具体功能要求，硬件电路仿真如图< br>3.10
所示。
U5
P2.2
P2. 3
P2.4
+5V
10
13
MR
OE
74HC59 5
11
14
12
SH_CP
DS
ST_CP
Q0< br>Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q7'15
1
2
3
4
5
6
7
9
U6
+5V
11
14
12
SH_CP
DS
ST_CP< br>Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q7'
15
1
2
3
4
5
6
7
9
10
13
MR
OE
74HC595
X
图
3.10
室内灯光模拟电路
在芯片
74HC595的驱动下，
LED
点阵可根据实际灯光需求，通过程序控制，可呈现其
该有的灯光 场景效果。两片
74HC595
分别驱动
LED
点阵的行（
X
）和列
(Y)
，行的级联信号
送给列芯片的
9
脚，并引出三路信号 交由单片机控制。
4.
软件设计
软件设计 是完成整个系统的关键，
相当于一个部门的主心骨，
没有软件的硬件等于没有
了灵魂，
因此，
软件设计必须建立在了解整个系统运作的基础之上。
本课题采用模块化的设计思路，
先调试每个模块，
确认无误后再将其添加到主程序，
完成软件整体设计的 控制流程。
4.1
主程序设计
软件仿真过程中，
要尽可 能的接近实际要求，
还应该与电子元器件相结合，
根据接线状
态，
重新定义各 个引脚的功能。
因此软件的设计思路必须掌控系统整体的工作过程，
分清楚
优先级，中 断，执行顺序。整个系统软件设计流程图如图
4.1
所示。
< br>启动
系统初始化
系统处于手动控
制状态
mode
加一
No
mode=0
No
No
Yes
No
手动按
钮按 下？
系统处于自
动控制状态
Yes
No
Yes
No
有人出去？
Yes
人数减
1
有人进入？
Yes
人数加
1
Flag=1
mode=1
No
Yes
mode=3
…
mode=7
显示人数
Yes
室内光强很
强？
No
亮灯
Yes
灭灯
Yes
人数
>0
？
No
Flag=1
？
Yes
结束
报警
图
4.1
软件设计流程图
整个系统的运作是按上述流程来实现的，
其中手动控制模式 下有
8
种场景模式，
自动控
制模式下系统根据室内的人数和自然光强，自行决 定启用适合当前环境的场景模型。
4.2
部分模块设计
4.2.1
主控模块
主程序控制分为监控主程序、
定时器程序及命 令处理子程序。
监控主程序的基本任务是
控制系统的稳定的运行和调用子程序。
一个主 程序可以调用多个子程序，
主程序一般是一个
无限循环的过程，
即它将会反复调用子程 序。
子程序主要分为功能子程序与中断子程序，
它
们之间可以互相嵌套，也可以互相调 用。
在应用软件的程序设计中，
要尽可能将各个功能模块编写 为子程序的格式，
可通过主程
序来调用。
命令处理子程序只需完成各命令所规定的具体 操作步骤，
它按各命令再分为不同
的子程序模块，
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。
在本系统中就使 用了这种模块化的的设计思路，
将程序分成
不同的模块，便于调试和纠错。其监控主程序流程如 图
4.2
所示。
上电
系统初始化
定时器设置
允许 初始化
人
体
传
感
器
处
理
任
务环
境
光
强
检
测
任
务
定
时器
管
理
任
务
L
C
D
显
示刷
新
任
务
图
4.2
监控主程序流程图
系统的多任务处理是由主程序控制执行的，
它由人体传感 器处理任务，
环境光强检测任
务，定时器管理任务，
LCD
显示刷新任务四个 部分组成，各个任务相互协调，相辅相成。
4.2.2
定时中断
定时中断是利用单片机内部的定时器定引起的中断，
当时间已到或计数值已满，
则根据
具体程序编程产生中断。内部计数器可对内部时钟或者从外部引线
TO
和
TI
输入的外部脉
冲进行计数，
可以在上升沿或者下降沿计数，
中断请求信号是根据计数器 的溢出信号来判断
的。标志位定时器的溢出标志位，可向单片机
CPU
发出中断申请。
定时中断一般为周期性中断，
间接性的会引发中断。
本系统中设定的定时中 断主要用来
延时消抖和构造多模块任务的操作系统，
系统响应中断后，
不必要对断点采 取现场保护，
可
直接执行多任务时间区域划分，
使中断可以启动有关就绪任务。
该定时中断处理子程序框图
如图
4.3
所示。
开始
No
定是中断
按键开关
子程序启动
Yes< br>No
继续执行主程序
图
4.3
定时中断程序框图
本系统还采用了外部中断，
该外部中断主要用来判断是否有人体进入室内，
若有，
则采
集信号，并计数处理；若无，则返回到主循环，继续检测各个传感器的信息采集状况。
4.2.3
数据采集
本控制系统中的数据采集对象为环境光强信号及人体存 在信号，
在程序设计中对这两个
数据的采集通过传感器传递给单片机，进行处理。
< br>根据设计要求，
在环境光线足够亮时，
无论是否有人体存灯光都不打开；
而在环 境光线
不够亮，有人体存在时才开灯，无人体存在也不开灯。本系统采用正向逻辑，定义为环境光
线亮时为二进制的
“
0
”
，
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如下表
4.1
所示。< br>
表
4.1
环境光与人体存在逻辑关系表
环境光参数
0
0
1
1
人体存在参数
0
0
0
1
室内灯光状态
0
0
0
1
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，才可以驱动继电器工作，即可得到室内灯光状态。
4.2.4
显示驱动模块
系统运行过程中的数据显示是人机交互对话的一个 重要通道。
通过系统数据的显示，
我
们才可以更好的了解系统运行的状态，
从 而便于对整个系统进行必要的操作。
本系统中采用
LCD1602
液晶显示器，用来 显示当前光照强度，室内人数以及系统的控制模式。软件结构
流程如图
4.4
所示。< br>
液晶
初始化
No检测启动
Yes
光强、人数、
控制方式显示
信息获取
显示
图
4.4 LCD
显示流程图
液晶显示是主控单元对光强和人数不断重 复扫描结果的展现，
在检测到系统启动后，
它
会自动执行显示程序，将所需要的信息显 示给用户。
4.2.5
系统按键功能
系统在执行按键采集工作时 ，
如果有键按下，
程序转入键处理功能程序。
系统根据按键
采集过程中得到的 信号，
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。
流
程图 是描述用按键模拟红外检测人数变化和用滑动变阻器模拟光敏三极管检测光强变化的
情况。
< br>在自动控制状态时，先按下
Front
按键再按下
Back
按键，则液 晶屏显示人数加
1
；先按
下
Back
按键再按下
Front
按键，
则液晶屏显示人数减
1
。
随着人数的增多，
打开的灯 光越来
越多，
当人数大于
8
且光强没有超过上限值
850
时 灯全亮，
无人时自动关闭。
在手动控制模
式下，人工随意选择灯光的场景模式。其程序 流程图如图
4.5
所示。
开始
初始化
Y
MODE
键是否按下
Front
按下
Y
Back
按下
Y人数加
1
Back
按下
Y
Front
按下
Y< br>人数减
1
光线比较亮
N
灯亮数目
依次增加
N
N
人数
>8
灯全亮
N
Hum=1
Y
灯不亮
结束
Y
Y
Hum=0
N
N
Y
液晶显示
图
4.5
按键控制流程图
按键是用来选择系统控制方 式的，
当检测到
MODE
开关按下，
会切换系统的控制方式；
在手动 控制模式下，不停地按
Froce
按键，灯光场景会不断地进行切换。软件仿真中，
F ront
和
Back
按键是有先后顺序的，以此来模拟室内人数的增减。
5.
系统调试及分析
任何一个系统在设计完成后，< br>都要进行软硬件调试，
这也是一个发现问题和解决问题的
过程。
在经过反复修改 和优化后，
系统的各个功能才能达到要求，
抗环境干扰强且能够稳定
运行。
5.1
软件仿真
5.1.1
Proteus
简介
Proteus
软件不仅具有其它
EDA工具软件的仿真功能，还能仿真电路及外围器件，是由
英国
Lab
Center
Electronics
公司出版的一种
EDA
软件工具。它是目前比较好的 单片机仿真
及外围器件的工具。目前，虽然在国内的推广刚刚起步，但已受到好多单片机爱好者、从事< br>单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的广大欢迎。
Proteus
是世界上有名的
EDA
工具，
从布置原理图、
调试代码到外围电路和 单片机协同
仿真，切换到
PCB
设计只要一键便可，真正落实了从概念到产品的整体设 计，是目前世界
上唯一将
PCB
设计软件、电路仿真软件和虚拟模型仿真软件三体合一 的设计平台，其处理
器模型支持
PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33
、
HC11
、
AVR
、
ARM
、
8051
、
8086
和
MSP430
等，
2010
年又增加 了
Cortex
和
DSP
系列处理器，并继续增加其他系列的处理器模型。在 编
译方面，
它也支持
Keil
、
IAR
和
MATL AB
等多种编译器。
它可以实时采用诸如
RAM
，
ROM
，
键盘，马达，
LED
，
LCD
，
AD/DA
，部分
SPI
器件，部分
IIC
器件，能仿真
51
系列、
ARM
、
AVR
、
PIC
等通用主流单片机，
还可以在基于 原理图的虚拟原型上直接编程，再配合显示和
输出，
就能看到运行后的输入输出结果。
配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、
示波器等，
Proteus
建立了完备的电子设计开 发环境。
将虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，
可用
Proteus
软件进行单片机
系统仿真设计，
这有利于培养学生设计电路能力及操作仿真软件的能力；在全国大学生电子
设计竞赛和单片机课程设计中，
我们可在不需要投入硬件的条件下，使用
Proteus
开发环境
对学生进行训练。学生大多反映，对学 习单片机比单纯学习书本知识更加容易接受和提高。
实践证明，
先使用
Proteus
进行系统仿真开发，
且调试成功之后再进行实物制作，
能大 大提
升单片机系统设计效率。因此，
Proteus
的推广利用价值是比较高的。
5.1.2
系统仿真
< br>经过上述模块化的软硬件设计，
现将它们整合起来，
在加之程序调试，
对系统整 个功能
进行仿真。
在仿真过程中，
最开始灯光的随着人数的增多是一行一行开启的，< br>后来在指导老
师的建议下，将灯光分成了
4
个区域，实现区域化控制，这样有的 地方就不需要开启灯光，
电能也就不必白白浪费了。
最后由于人性化的需求，还将光 线强度分为三个等级，即特别暗、一般暗、比较亮。当
有人体存在时，
光线比较暗就会只开启中 间的灯光；
特变暗的时候，
周围四个角落灯光也会
亮起来；光线较强时，系统自动关闭 灯光。
同样，
在仿真调试中也遇到了不少的问题，
如光敏电阻在仿真中无法 加减光强；
人数检
测怎么增减；
将点阵分为四个区域控制的时候，
第三象限的 灯光会闪烁。
对于问题就得寻找
根源并解决，
上述问题的解决办法是：
在光敏 电阻前加一个手动调节光强的可调电阻；
在人
体红外检测电路中，外加两个开关，手动控制人数 的加减。先按
Front
开关，再按
Back
表
示进去一个人；先按
Back
键，再按
Front
表示出来一个人，以此来实现人数的变动；由于
其他象限是直接给予信号的，第三象限的
LED
灯是通过对称性来点亮的，存在闪烁不 定的
问题，故而在电源之前多加了一级的滤波电路，使点阵稳定发光。
通过从各个方 面优化、
调试，
使电路设计达到目标任务要求。
此电路整体仿真结果如下
图
5.1
所示。
图
5.1
软件整体仿真图
由上软件调试结果可知，
此系 统的软件结果已经实现了各个功能要求，
在光线比一般弱，
且室内有人时，灯光自动打开，打开 灯的数量在一定范围内和人数成正比；当光线很较弱、
且室内有人时，每个区域边缘的灯光也会打开，以 适应不同的环境需求；当光线较强，不管
有人否，灯光都会关闭。
5.2
硬件调试
单片机系统开发过程中，必须使用在线开发系统对应用系统 的软硬件进行检测和调试，
保证应用系统脱离开发系统后能准确无误地工作。
硬件调试还应和软 件结合互调，
寻找出现
的错误是软件还是硬件，
方可解决问题。
该系统在硬件 测试过程中出现了好多的问题，
其实
现实和理论之间还是有一定差距的。
硬 件测试出现也出现了一些问题，例如
LD-1088BHG
有
24
个管脚，并 且查不到外部引
脚资料，用加电方法逐一测试每个引脚，结果其中一个灯被烧坏了；光敏电阻稳定性太差 ，
精度不高，达不到系统延时的要求。其解决方法分别是：重新更换
LED
点阵，在每 行灯之
前都加了一个
100
?
的限流电阻，为了保护其他有的器件不被烧坏， 在蜂鸣器、光电对管和
光敏模块前都加了限流电阻；
光敏方面直接换用型号为
GY-3 02 BH1750FVI
的光敏模块，
数
据采集更快更精准。
实 践出新知，在硬件中出现的为问题与软件不同，软件仿真是在理想化情况中运行的，
而硬件却包括细小的 焊接节点问题，
更应与程序结合，
延时也不能太大，
所以调试难度较之
仿真大 一些要更加的仔细认真。
叉骨-合计的英文
叉骨-合计的英文
叉骨-合计的英文
叉骨-合计的英文
叉骨-合计的英文
叉骨-合计的英文
叉骨-合计的英文
叉骨-合计的英文
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