摘 要

随着现代社会的不断发展，人们对于照明系统的要求也越来越高，然而目前国内大多数公共场所的照明系统都是采用手动的控制方式，未及时关灯的现象经常出现，并且由于这些照明设备大多工作时间较长，如果不进行科学的管理，就容易造成严重的浪费现象，在此情况下智能照明系统应运而生。

本文主要运用了电子和单片机技术对智能照明系统的原理与系统的重要模块进行分析，根据设计要求和功能需求进行各个模块的设计和选择,提出了一种智能照明控制系统的设计方案。本系统运用光敏电阻来对环境亮度进行采集，通过模数转换大大减少了系统的结构，以STC89C52系列的单片机为控制核心，可以实现对光照亮度的自动和手动控制，达到改善照明环境的效果，具有节约资源，延长灯具设备的使用寿命等优点。最后对整体性能进行测试和分析，基本实现了课程要求，达到了预期的目标。

关键词：照明系统；单片机；模数转换；控制

Abstract

With the continuous development of modern society, people have higher and higher requirements for lighting systems. However, at present, most of the lighting systems in public places in China adopt manual control mode. The phenomenon of not turning off the lights in time often occurs. Because most of these lighting devices work for a long time, it is easy to cause serious waste if they are not managed scientifically. In this case, intelligent lighting system came into being.

This paper mainly uses electronic and single chip technology to analyze the principle and important modules of intelligent lighting system. According to the design requirements and functional requirements, each module is designed and selected, and a design scheme of intelligent lighting control system is proposed. The system uses photoresistors to collect the brightness of the environment, and greatly reduces the structure of the system by analog-to-digital conversion. With STC89C52 series single-chip computer as the control core, it can realize automatic and manual control of the illumination, achieve the effect of improving the lighting environment, save resources and prolong the service life of lamps and lanterns. Finally, the overall performance of the test and analysis, the basic realization of the curriculum requirements, to achieve the desired objectives.

Key Words: lighting system;microcontroller;analog-to-digital conversion;control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 发展历史与现状 2

1.3发展趋势 2

第2章 系统结构设计 4

2.1 系统设计分析 4

2.2 总体结构设计 4

第3章 智能照明系统的电路设计 7

3.1 控制系统电路设计 7

3.2显示电路设计 13

3.3报警电路设计 14

3.4环境亮度检测电路设计 15

3.5 灯泡控制电路设计 17

3.6整体电路设计 19

第4章 智能照明系统软件设计 21

第5章 电路焊接与系统调试 23

5.1 电路的焊接 23

5.2 系统的调试 23

第6章 小结 26

参考文献 27

附录 28

致谢 36

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

21世纪以来，随着经济和科技的快速发展，人们对生活中的衣食住行等各个方面也有了更高的要求，越来越追求舒适化，智能化以及个性化^[1]。其中就包含着对照明系统智能化的要求，以前的照明系统大多采用手动控制，只有不到三分之之一的能源利用率，数据显示，中国每年的照明用电量约占总用电量的八分之一，而且还在不断的逐年增加，其中商业和办公楼等区域更是占了照明用电量的十分之七，现如今全球人口急剧增加，能源消耗愈加的成为困扰人们的一大问题，能源的总量是有限的，不可能无限开采，而且还会带来环境的恶化。另一方面，以前的照明设备和开关大多固定在墙面上，这样的手动控制系统已经不再满足现代人们舒适化的需求。近些年以来，在国家绿色环保的号召之下，人们的节能和环保的意识也在不断提高，所以以前的照明系统也在不断的朝着这个方向发展，在这种科技浪潮和意识形态下，智能照明系统随即产生了。

智能照明控制系统主要运用了电子技术和单片机相关知识来对灯光亮度进行控制，既降低了电量消耗，也能满足人们生活和工作的需求，具有如下多个方面的优点。

（1）减少灯具使用时间，实现长效节能。智能照明控制系统借助单片机系统实现自动控制方式，这种自动调节照度的方式，可以根据周围的环境亮度自动调节照明设备，到达节能的效果。既可以保证一定的亮度，也充分利用了自然光，在外界自然光能达到照明要求时并不会点亮灯具，只有当环境亮度不断降低不能达到照明要求时才会将灯具点亮。这样既能保证周围环境达到所要求的亮度，也能减少用电和灯具工作时长，在照明要求不高的时候也可以适当降低亮度，达到节能效果，尤其是在照明设备多，时间长的公共场所，节能效果十分显著，甚至可以到达三分之一以上。

（2）改善环境气氛，提高工作效率。本文所提出的智能照明系统合理的将节能和舒适度结合，可以满足人们工作和生活中的不同需求。比如当你工作和阅读的时候就会需要一个较高的亮度，而在某些特定的场合则不需要太强的亮度；比如晚上起床开灯的时候，突然的打开强光会格外的刺眼，让人感到不适，这时你可以预设一个较弱的亮度，这些都可以通过不同的单片机程序实现。

（3）延长光源寿命。智能照明控制系统慢慢地把灯光调亮到一个设定的水平，这有利与保护光源，另外在能达到照明要求的前提下适当的降低灯泡的亮度也能起到延长灯具寿命的作用，亮度降低越多，灯具寿命越长，当把亮度分别降低十分之一和一半时，可以相应延长1到20倍的使用寿命。当切环境亮度变化时，灯光的亮度是慢慢发生变化的，不会突然改变而使人感到不适^[2]。

1.2 发展历史与现状

人们从古时候起就有了照明的需求，起初都是以火焰照明为主，青铜油灯，蜡烛等等皆是如此，直到19世纪白炽灯的出现，标志着人类从此进入了电气照明时代。伴随着时间不断向前推移，照明方式方式和所用的器件也在不断的发生变化，最初的是以传统硬件器件为主的传统手动控制方式^[3],到现在利用各种芯片和传感器技术的自动控制方式，将来会更多的利用可控硅和晶体管，不断的向智能控制的方式转变。这些不断变化着的照明方式也正在潜移默化的改变着人们的生活，不断的改变着人们对照明的认知和要求，带给人们方便和体验。而且它还能节约我们赖以生存的资源，提升家庭中各种灯具的使用寿命，给我们带来了最大程度上的经济效益^[4]。

上世纪九十年代初，国外就已经开始了智能照明产品的研究，并且已经在产品开发和应用方面取得了突破性的进展，目前为止已经推出了很多智能照明设备，这些设备一经推出就得到大家的喜爱，迅速在照明领域占据了大量的市场，这也给很多国内企业带来了不小的挑战。国内的企业受很多方面的制约而导致其发展状况不是很理想，比如消费者的思想意识、市场总的环境等，现阶段无法与国外相比^[5]。

但是近些年以来，一些国内的企业也相继推出了具有自己特色的智能照明系统设备。这不仅标志着相关的技术有了很大的发展，还是市场和人们双重需求的体现，但是与国外相比，因为我们的智能照明行业发展起步较晚，发展时间较短，所以在技术方面的能力还是存在着一定的差距，这也是可以理解的。其次就是受到现在市场情况的约束，所以导致我们国家在这方面的能力与当今国外普遍水平有一定的差距^[6]。对于国内智能照明市场呈现比较低迷状态的原因，业内人士普遍认为是由于消费者认识的不足，最新的使用率调查显示，欧洲和美国分别占约45%和70%，而这个数据在亚洲仅为10％～15％，而这个数据在中国仅为1％，从这个数据上我们可以得出结论，美国家庭已经普遍使用了智能照明系统，但是在我国这还只是个例，这在一定程度上也制约了我国这个行业的发展^[7]。

1.3发展趋势

智能照明系统正在不断带给人们方便和新的体验，人们既可自己进行灯光调节，也可以根据硬件设备的感应结果自动的做出相应的变化。这让人们的日常生活变得更加方便和环保智能。

智能照明系统的主要发展趋势有这几个方面。集成化：各种不同品牌的产品会进行集成，这样有利于将各种不同的优点集中到一起，更好的为人们提供温馨和舒适的服务；拓展话：可根据用户的实际需求不断的进行系统的完善和拓展，不断的与各种新兴技术融合为人们提供更佳的体验；人性化：会更加方便人们的需求，并且不需要做出指令需求，只需要发送请求即可，更加是贴近人们的生活；低成本：只有找到更低廉的实现方式才能更好的将产品市场化，才能实现大众化推广，为更多人所接纳，从而带动行业的发展，促进国家繁荣昌盛。

进入21世纪以后，科学技术在不断发展的同时也给这个系统带来了机遇和发展，带给整个行业的经济发展也是不容忽视的，系统所占据的市场份额也在逐年增加，因此智能照明系统的前景被人们普遍看好^[8]，相信智能照明也会慢慢的被大众熟知和接纳，并最终走进人们的生活。

第2章 系统结构设计

2.1 系统设计分析

想要设计一个好的系统，就得做好充足的前期准备。首先，要清楚的了解系统的整体框架及系统的组成部分。其次你要清楚地知道这个系统想要实现的功能，这样你才会有思考和设计的方向^[9]。还要注意怎样才能被大家所接受，多站在用户的角度去考虑而不仅仅是作为设计者。除此之外，你还还应当考虑它在市场中现在的应用情况以及将来是应用前景，所设计和实现的功能在现实中是否有实在的意义，还有参照当今社会的主流技术，看看设计是否符合技术的发展方向，当然，还有考虑自身的技术水平，在能力范围之内去做一些有意义的设计。

除了以上设计的要求之外，还应当注意设计的稳定性，要对硬件设施的检测工作高度重视，因为一旦出现一点小小的故障就有可能会导致整个系统的崩溃必须要保证系统能稳定的运行，不会出错，确保在工作时段内能稳定的带给用户良好的体验，所以在设计时务必要小心谨慎。还要注意安全性问题，系统的安全一直以来都是一个不容忽视的问题，软件上可以设置一些身份确认程序，以防止其它无关人员的操作，在硬件上可以分别为各个模块设计保护电路以避免发生危险，保证其能正常工作。设计电路和程序的时候还要注意简化，不仅可以节约资源还减少了响应时间，降低设计的成本，利于生产推广。初此之外，适用性等问题也是要考虑的因素。

2.2 总体结构设计

传统的照明系统已很难满足人们现代化的需求，针对这一问题本文设计了一种智能照明系统，系统的整体结构框图如图2. 1所示，其中STC89C52系列的单片机为核心控制模块，由光敏电阻和模数转换部分组成实时光信号采集模块，用四位共阳数码管作为显示模块来显示环境亮度及其他信息，按键则用来完成用户控制功能，LDE作为指示灯，蜂鸣器用作报警系统。　

图2. 1 系统整体结构图

本系统采用STC89C52系列的单片机为核心，利用光敏电阻来感知环境亮度,并将所得的模拟信号转化成数字信号。其特点是有两种模式，手动和自动两种模式。在自动模式下，单片机1将所采集到的光照强度数据进行分析处理^[10]，传送给单片机2，自动调节灯泡的亮暗强度；在手动模式下，可通多按键直接控制灯泡亮暗程度。实现多功能智能系统。给系统上电以后，光信息模块会进行环境亮度采集，并将采集结果传至主机，主机根据亮度信息和按键信息控制数码管完成显示并将灯泡控制信息传给从机，由从机控制灯泡完成最终的结果显示。详细功能如下：

（1）系统设有7个按键，分别为模式键，显示键，设置键，加键，减键，置零键和复位键。

（2）系统设有3个信号指示灯，分别为“设置”指示灯，“模式”指示灯和“电源”指示灯，同时还有报警系统；

（3）系统由主机根据测得的光照强度，通过单片机串口，实现两个单片机的数据传输，再由从机根据主机传输的数据，控制小电灯亮度。

照明设备工作模式有5种，每种的亮暗程度不一样；

（4）系统根据光照强度，划分了5个档次：

0lt;光照强度≤4档上限，为4档；

4档上限lt;光照强度≤3档上限，为3档；

3档上限lt;光照强度≤2档上限，为2档；

2档上限lt;光照强度≤1档上限，为1档；

1档上限lt;光照强度，为0档；

系统默认：4档上限=100；3档上限=200；2档上限=300；1档上限=400；

（5）通电后，电源指示灯亮，主机系统开始初始化，初始化完后显示光敏电阻和ADC0832测得的实时光照强度，并根据测得的光照强度，发送数据给从机，由从机控制小灯泡亮暗程度；

（6）系统设有两种工作模式：分别是手动模式和自动模式，模式的切换由“模式”键来控制，系统初始化后默认初始模式是自动模式；

（7）自动模式：在自动模式下，模式指示灯不亮，系统是根据测得的光照强度来控制灯泡的亮暗程度，在自动模式下，数码管显示的是测得的光照强度，按“显示”键，切换到显示当前的灯泡的亮度档数，显示一段时间后，自动跳回显示测得的光照强度；

（8）手动模式：在手动模式下，模式指示灯点亮，可以通过按键“加”或“减”来控制灯泡的亮暗程度，在手动模式下，数码管显示当前的灯泡的亮度档数，按“显示”键，切换到显示测得的光照强度，显示一段时间后，自动跳回显示当前的灯泡的亮度档数；

（9）在两种模式下按下“设置”键，进入设置模式，设置指示灯亮，按“加”或“减”可以调整4档上限的值，其他3个档限也依此自加或自减，在任意模式下，按下“置零”，档限都恢复初始值，再次按下“设置”将退出设置模式；

（10）当检测到的光照强度大于1000时，蜂鸣器报警提示；

第3章 智能照明系统的电路设计

3.1 控制系统电路设计

本次控制电路的设计用到了单片机最小系统。它由单片机和其所需的必要的电源模块、时钟振荡模块、复位电路模块等部件组成，是一个单片机系统可以完成一定功能的必须部分。时钟模块电路提供需要的输入脉冲，复位电路模块完成回到初始状态的功能，它们组合在一起是使单片机可以运行的必备条件，由于52单片机片自身带有程序存储器，所以只需要给它外接复位和时钟电路即可。

单片机是集CPU、RAM、ROM、定时/计数器和I/O接口于一身的大规模集成芯片电路，，经常在嵌入式的系统用于控制核心，单片机大致包含以下几个部件：

一个8位的核心处理器（CPU）；

3个16位的可编程定时计数器；

2个可以进行编程的全双工类型的串行端口；

4个8位并行的I/O端口；

容量大小为8KBFllash EPROM；

储存大小为256字节的内部数据存储器RAM；

6个中断源；

单片机的引脚图如图3.1所示。

图3. 1 STC89C52单片机引脚图

单片机的引脚说明：

VCC（40脚）：接供电电压，一般为 5V。

VSS（20脚）：接地端。

XTAL1（19脚）：用来接外部晶体，当单片机需要采用外部的时钟信号时可以用来接入时钟信号。

XTAL2（18脚）：用来接外部晶体，当单片机需要采用外部的时钟信号时可以用来引入所需要的外部时钟信号。

RST（9脚）：复位信号。当外部电源停止供电时，在低消耗的情况下可以保存内部RAM中的数据。

ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许功能，此引脚的输出信号ALE可以在单片机需要对外部的储存器进行访问时，用于锁存P0端口的低8位的地址，该引脚的输出频率为单片机振荡器频率的六分之一，该引脚还可以在对8751单片机内EOROM编程时引入编程脉冲。

/PSEN（29脚）：程序储存器允许，输出读取外部程序存储器的选通信号，在进行取指令期间，此引脚的频率为单片机振荡器频率的六分之一；若此期间有访问外部存储器的操作，则有一个机器周期中的/PSEN信号将不会出现

EA（31脚）：当EA为1和0时，分别对应单片机对内部程序储存器和外部程序储存器，但要注意的是如果地址超出了内部储存器的范围，则单片机会自动的访问外部的程序储存器[11]。

P0端口（32~39脚）：P0端口可以作为输入与输出端口，通常在实际运用中用作数据或地址的总线口；用作I/O口时，在P0口引脚上需要外接10千欧的上拉电阻，否则无法工作；当作为输入接口使用时，应当先写入“1”，再进行读入操作，以防止场效应管处于导通状态，使引脚钳拉到零而引起误读。

P1端口（1~8脚）：P1端口是一个可编程的输入和输出的端口，P1端口的内部的输出驱动部分自己接有驱动的模块，因此可以不用在外部接上拉电阻，当作为输入的端口使用时，也需要将P1端口置1。

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