生产实习报告

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摘要

本研究针对灯光的控制方法，尤其是教室灯光的智能控制方面的发展现状，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机的教室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软件。

该系统以STC89C51单片机作为控制装置的智能部件，采用热释红外人体传感器检测人体的存在，采用光敏三极管构成的电路检测环境光照的强度。根据教室合理开灯的条件，系统通过对人体的存在信号和环境光信号的识别和智能判断，完成对教室照明回路的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。单片机软件采用C语言编制，采用模块化结构设计、条理清晰、通用性好，便于改进和扩充。

该系统具有体积小，控制方便，可靠性高，专用性强，性价比合理等优点，可以满足各类大、中专院校教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能目的。

关键词：智能灯；人体热释传感器；STC89C51单片机

ABSTRACT

In this paper, the development status of lighting control method, especially classroom lighting intelligent control is analyzed. The principle and realization method of the intelligent control system for classroom lighting is analyzed.

STC89C51 microcontroller as the control device of intelligent components, the use of pyroelectric infrared sensors detect the presence of human body, the use of photosensitive transistor circuit to detect the intensity of environmental light. According to the condition of the classroom lights rational system through on the human body signal and ambient light signal recognition and intelligent judgment, complete the intelligent control of lighting circuits in the classroom, to avoid the classroom with a large number of waste of electricity. SCM software using C language, the use of modular structure design, clarity, versatility, easy to improve and expand.

The system has the advantages of small size, convenient control, high reliability, high specificity, and reasonable price ratio. It can meet the requirements of the lighting control in the classroom, and to achieve the purpose of energy saving.

Key words：Intelligent light; human heat release sensor; STC89C51 microcontroller

摘要 ........................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................. II 1 需求分析报告 ......................................................................................................... 1 1.1国内外灯光控制器研究的现状及其存在的问题 .............................................. 1 1.2 本课题研究的内容和目标 ................................................................................. 3 2 概念设计报告 ......................................................................................................... 5 2.1 硬件方案的选择 ................................................................................................. 5 2.2 系统总体方案 ..................................................................................................... 6 3 技术分析报告 ......................................................................................................... 8 3.1 STC89C51单片机系统设计 ............................................................................... 8 3.2 HC-SR501人体热释传感器原理介绍 ............................................................. 13 3.3 光强采集电路设计 ........................................................................................... 15 3.4 继电器驱动电路设计 ....................................................................................... 16 3.5系统硬件测试 .................................................................................................... 17 3.6软件开发环境的介绍 ........................................................................................ 17 3.7 主函数的设计 ................................................................................................... 17 3.8系统软件测试 .................................................................................................... 18 3.9软件运行图 ........................................................................................................ 19 4 操作手册 ............................................................................................................... 21 5 结论 ....................................................................................................................... 22 参考文献 ..................................................................................................................... 23 附录1：系统原理图 .................................................................................................. 24 附录2：系统PCB图 ................................................................................................ 25 附录3：程序清单 ...................................................................................................... 26

基于单片机的照明系统设计

1 需求分析报告

随着社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平也不断提高，导致用电负荷的加剧，又由于世界性的能源危机，能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。而此问题对我国来说尤为严重。随着各类大、中专院校的扩招，教室的扩建，教室照明的需求也越来越多，而教室照明的管理不到位，往往造成电能的巨大浪费，这样，提高教室用电效率就成为首要考虑的问题。

目前对灯光的智能控制，国内外己经开始采用，但对教室灯光的控制，尤其是我国教室灯光的智能控制尤为缺乏和不完善，依然是传统式的人工管理。各类大、中专院校不断扩招，教室不断扩建，教室的用电负荷不断加大，教室用电管理不善，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[1]。再者，现代自动化程度不断提高，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。所有这些使得教室灯光控制也应该朝着智能的方向发展。于是，开发简便、实用的教室灯光自动控制系统便具有重要的现实意义。

1.1 国内外灯光控制器研究的现状及其存在的问题

世界各地发电的主要原料是煤炭、石油和天然气，而丹麦在能源利用方面的成功经验提供了很好的借鉴。从1974年以来，尽管丹麦国民收入增长了50%，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。这样，他们的能源使用总效率达到了90%。丹麦政府很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。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出8%的费用。其节能项目经验在欧盟国家中广为流传。还有，欧司朗一斯维尼亚公司不断的推出新型高输出的荧光灯，节约6%的总系统功率，并具有更高的光通和平均光通量。飞利浦照明公司推出的陶瓷金卤灯代替过去的卤钨灯，可节能60%的电能。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日益突出。虽然我国能源总储量不低，但由于我国人口众多，所以人均储量少，单位产值的能耗是发达国家的3-10倍。能源问题已成为制约我国国民经济发展的关键问题[2]。从环境和自然资源角度出发，能源问题也是我国长期可持续发展战略中一个关键因素。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有很大影响。鉴于能源问题的重要性，我国在绿色照明工程新闻发布，绿色照明工程未来五年间将在公用设施、宾馆、商厦、居民住所等全国建筑物中推广1.5亿只节能灯，节电290亿度电。上海、河北等一些地方采取政府对节能灯大宗采购每只补贴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:1. 5。

目前，我国照明用电约占社会总用电量的12%，采用高效照明产品代替传统的低效照明产品可节电60%到80%。如今，北京正在大力推行绿色照明工程，己推出上百万只绿色照明光源和部分节能电器，据测算年节约用电可达3442万千瓦时，节约电费2519.7万元。政府己经在商厦、学校、医院等更换了24万只节能灯具。在奥运工程的建设上，也大量运用节能技术，北京的奥运厂馆“水立方”，通过采用大量的节能灯具，装备新技术，通过增强透光性白天可节约照明能耗50%。

我们党在2000年10月11日党第十五届中央委员会第五次会议通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划的建议》中明确指出：“加强基础设施建设是今后五年至十年一项十分重要的任务。”其中提到的基础设施建设就包括了能源建设。《建议》还强调了能源建设要发挥资源优势，优化能源结构，提高利用效率。面临如此紧迫的能源问题，我们应该把着眼点放在“高效加强环境保”利用“清洁”能源上。由此可见，节能照明用电，对节能具有重要的意义。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，护洁课上完离开教室后灯还亮着的现象普遍存在;而且，节能规划极为欠缺，教室的灯光控制由管理人员手工代替，教室极多，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。就我校为例，初步统计大小教室大约

3 技术分析报告

本章节主要介绍本设计中各个部分电路的设计原理。通过各个模块的功能描述了解其工作原理以及在设计的中作用。

3.1 STC89C51单片机系统设计

3.1.1 STC89C51的概述

STC89C51是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C51使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、非常有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口[6]。另外STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

3.1.2 STC89C51的引脚说明

STC89C51有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。在本设计中采用直插式的DIP40的封装，该封装在焊接的时候可以采用一个IC插座进行先焊接然后焊接完成后再将芯片插到IC插座上这样做方便更换芯片，也避免了芯片在高温焊接的时候损坏。STC89C51一共具有40只引脚，其中可以用来控制的引脚有32个分别是P0、P1、P2、P3。这些引脚可以单独位控制也可以对某一位的IO口同时进行控制[7]。在控制的时候非常方便无需定义输入输出，在给IO赋值的时候IO口会自动转变为输出，给读取IO口时IO口会自动转变成输入。STC89C51单片机所以引脚的作用如下表3-1所示。

表3-1 STC89C51单片机引脚功能对照表

引脚引脚名称对应功能与作用 1~8引脚 P1.0~P1.7（P1） P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 9引脚 RST 复位输入引脚，在振荡器复位是需保持两个机器周期的高电平。 10-17引脚 P3.0~P3.7（P3） P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口作为51单片机的一些特殊功能口，管脚备选功能 18引脚 XTAL2 内部时钟电路的输入、反向振荡放大器的输入口 19引脚 XTAL1 反向振荡器的输出 20引脚 GND 单片机电源地 9

21~28引脚 P2.0~P2.7（P2） P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 29引脚 PSEN 改引脚为外部程序存储器的一个选通信号口。平时一般没有使用到。 30引脚 ALE 本设计没有使用到不做解释 31引脚 EA/VPP 我们设计中直接该引脚截至VCC让其处于一直高电平的状态。让其工作在内部程序存储器。 32~39引脚 P0.7~0.0（P0） P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。当P0口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。 40引脚 VCC 单片机电源4.5~5.5V正极 STC89C51单片机P3口第二功能对照表如下表3-2所示。

表3-2 STC89C51单片机P3口第二功能对照表

引脚引脚名称对应的功能作用 10

10 RXD 该引脚的特殊功能为串行输入口，在单片机下载程序时需要使用到。 11 TXD 该引脚的特殊功能为串行输出口，同样单片机下载程序时需要使用到。 12 INT0 该引脚作为单片机外部中断0触发引脚，触发方式可以进行配置相对应的寄存器来实现。 13 INT1 该引脚作为单片机外部中断1触发引脚，触发方式可以进行配置相对应的寄存器来实现。 14 T0 该引脚可作为单片机外部计数器0触发引脚。 15 T1 该引脚可作为单片机外部计数器1触发引脚。 16 WR 该引脚可作为单片机外部数据写选通口。 17 RD 该引脚可作为单片机外部数据读选通口。 3.1.3 STC89C51单片机的最小系统

单片机最小系统说的通熟易懂的话就是以最少的元器件组成能让单片机工作起来的系统，接下来开始介绍51单片机最小系统必备的器件及其作用。

首先电源这对于一个电子产品的话是必不可少，它提供能源给系统运作，在本设计中由于51单片机的工作电压在4.5~5.5V之间都可以正常工作所以我们采用了USB电源线连接手机充电器插头或者5V的移动电源给系统进行供电。

其次晶振电路，XTAL1和XTAL2 是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。图3-1中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2 的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。一般来说晶振可以在1.2~12MHz 之间任选，甚至可以达到24MHz 或者更高，但是频率越高功耗也就越大。在本实验套件中采用的12M 的石英晶振。和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。当采用石英晶振时，电容可以在20 ~40pF 之间选择（本设计使用30pF）；当采用陶瓷谐振器件时，电容要适当地增大一些，在30~50pF 之间。通常选取30pF 的陶瓷电容就可以了。

图3-1 晶振电路

再来就是复位电路，复位电路分为：上电自动复位和开关复位。图3-2 中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET 相连，电压全部加在了电阻上，RESET 的输入为高，芯片被复位。随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。一般来说，只要RST 管脚上保持10ms 以上的高电平，就能使单片机有效的复位。图中所示的复位电阻和电容为经典值，实际制作是可以用同一数量级的电阻和电容代替，读者也可自行计算RC 充电时间或在工作环境实际测量，以确保单片机的复位电路可靠。

图3-2 复位电路

完整的STC89C51单片机最小系统电路图如图3-3所示。

图3-3 STC89C51单片机最小系统

3.2 HC-SR501人体热释传感器原理介绍

热释电红外传感器，可以检测到由人或动物发射出的红外线，当检测到红外线时输出端输出一个电平信号。HC-SR501是一种基于红外线技术的自动控制模块，采用先进的LHI778探头，HC-SR501具有高灵敏度、低工作电压的特点，可靠性强，基于这些特性，在很多自动感应设备中，尤其是通过干电池作为电源的设备中，HC-SR501被广泛的应用[8]。

在模块通电后会有一分钟的初始化时间，在这段时间内模块会间隔的输出0-3次然后进入待机的状态。在使用上应尽可能的避免灯光直接照射在模块上，而却应放置在风流比较少的地方以免模块产生误判断的情况。

在人体从模块的左到右或右到左走动时，红外光谱达到双元的时间、距离有差值，差值越大感应越灵敏，而人体从上到下或从下到上走动时双元检测不到红外光谱距离的变化，没有差值，因此模块检测不到。所以在安装模块的时候应该尽可能的将探头双元的方向安装到人体流动最多的方向并平行，这样对检测会比较灵敏。当人体或动物进入到检测区，人体温度会和周围的环境温度产生一个温度差，会产生一个输出；当人体进入到检测区后保持不动，因为此时没有温度的变化，传感器也没有输出。因此这种传感器检测的是人体或动物的运动。人体热释传感器使用简单直接高低电平的输出不需要任何的外围电路即可和单片机进行直接对接。人体热释感应实物图如图3-4 所示。

图3-4 热释传感器实物图

人体热释传感器还具有感应的范围，所以在安装的时候应尽可能的将感应头朝着人流的方向而不应背离。感应范围如图3-5所示。

图3-5 热释传感器感应范围

3.3 光强采集电路设计

光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些材料在特定波长的光照射下，产生载流子参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。根据这一特性将光敏电阻与一个10K的电阻进行串联进电源接入LM393比较器反向输入端，正向输入端接入可调电压。

当光强过强时阻值下降，反输入端电压下降，低于正向输入端时，LM393输入高电平；当光强降低时阻值上升，反输入端电压上降，高正向输入端时，LM393输入低电平，单片机通过检测I/O口上的电平局可以判断光强是否过低。原理图如图3-6所示。

图3-6 光强检测电路

3.4 继电器驱动电路设计

继电器是一个由电控制的元器件。通常，被用在需要自动控制的电路中。简单的说，继电器就是一个通过输入的小电流来控制大电流的输出的一个“自动开关”。因此在电路中继电器起着自动调节电路、转换电路、保护电路等作用。

当使用51单片机进行控制继电器时候由于单片机IO口输出电流在4~20mA之间，而继电器工作吸合电流大约在40mA，所以采用直接控制是无法驱动的。需要添加一个电流放大电路。

三极管的选择应该符合：

(1)功率PCM：大于5V*继电器电流 (5*40 mA = 0.2W)的两倍； (2)最大集电极电流（ICM）：大于继电器吸合电流40mA的两倍以上； (3)耐压BV（CEO）：大于继电器工作电压5V，可选10V以上； (4)直流放大倍数：取100。

图3-7 继电器驱动电路

本设计中采用S8550三极管进行放大，驱动电路图如图3-7所示。当单片机

IO口输出高电平时，三极管截止，继电器断开；当单片机IO口输出低电平时，三极管导通，继电器吸合。

3.5系统硬件测试

系统硬件电路的测试主要是检测电路是否出现漏焊、短路、断路、虚焊、一些具有方向的元件是否方向弄错、电路设计错误等情况。

对于漏焊、元件方向弄错的检测方法是将实物电路板对照着PCB图的线路，检查每一个元件和导线在实物上是否有出现。如果发现没有或者对不上的情况下需及时的重新对照确定漏焊时及时的补焊。

对于短路、断路、虚焊这些情况采用数字万用表。将数字万用表打到二极管档位，然后通过红表笔和黑表笔碰一起，万用表会发出鸣叫警示。根据这个原理就可以用来检测短路、断路、虚焊。在需要检测的元件或导线的两端用两根表笔检测，如果导通蜂鸣器会鸣叫，如果断开蜂鸣器不叫。这样根据我们所需要检测的情况，在结合检测的现象就可以测出线路是否有问题。

3.6软件开发环境的介绍

本设计采用 Keil μVision4进行编程实现。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

3.7 主函数的设计

主函数void main()是程序的入口函数，一个完整的程序必须要包含该函数。在该函数的开头一般都是先对单片机和一些外围器件需要进行初始化才能正常

参考文献

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