单片机智能灯光控制系统的设计【字数：10877】
摘 要随着时代的进步，电灯的作用不仅仅是照明，而传统的家居照明系统由于其管理落后，舒适度差和能源浪费而无法满足人们的需求。本设计在传统家庭照明系统的基础上，增加了可用手机App控制的自动节能开关和防盗报警功能，不但满足用户对住宅舒适节能的需求，而且顺应智能家居时代的潮流。智能灯光控制系统以STC89C52单芯片为核心，采用HC-05蓝牙模块与主机通信。通过声光感应和HC-SR501人体红外传感器相结合的探测方法，实现了有人到来且光照不足时自动开启灯光，当人离开时自动关灯的功能。当用户就寝时，利用手机App切换到布防模式，检测到人活动时间超过30s自动开启声光报警。经实际测试感应距离为7m，可应用在用户住宅内，满足任务目标。
Key Words: 51microcomputer; Body induction; Light intensity detection 目 录
1.绪论 1
1.1研究背景和意义 1
1.2研究现状和趋势 1
1.3主要研究内容 2
1.4本章小结 2
2.智能灯光控制系统的方案设计 3
2.1需求分析 3
2.2方案论证 3
2.2.1控制器方案比较 3
2.2.2通讯方案比较 4
2.2.3上位机方案比较 6
2.3总体方案设计 7
2.4本章小结 7
3.智能灯光控制系统的硬件设计 8
3.1硬件设计总体方案 8
3.2电源模块 8
3.3单片机最小系统 9
3.3人体感应模块 10
3.3.1热释电传感器 10
3.3.2信号采集处理模块 10
3.3.3人体感应模块电路设计 11
3.4光敏电路模块 12
3.5声控防盗检测模块 13
3.6防盗报警模块 13
3.7蓝牙通讯模块 14
3.8继电器控制模块 15
3.9本章小结 15
4.智能灯光控制系统的软件设计 16
4.1系统程序设计 16
4.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
下位机软件设计 17
4.2.1定时器检测系统设计 17
4.2.2红外报警系统设计 18
4.2.3蓝牙通讯系统设计 19
4.3上位机软件设计 20
4.3.1上位机前面板设计 20
4.3.2上位机软件设计 20
4.4本章小结 21
5.系统的仿真与测试 22
5.1软件功能仿真测试 22
5.2硬件的焊接 22
5.3性能测试 23
5.3.1外红检测装置测试 23
5.3.2声光检测装置测试 23
5.4上位机测试 24
5.5本章小结 26
6.总结与展望 27
6.1总结 27
6.2展望 27
6.3对环境与社会可持续发展的影响 27
参考文献 29
附录 30
附录1元器件清单 30
附录2硬件原理图 31
附录3单片机模块程序 32
致谢 37
1.绪论
1.1研究背景和意义
随着经济的快速发展，全球的能源问题和环境问题日益加重，为了实现可持续发展，降低能耗和保护环境成为了各个国家长期发展的重要准则。与此同时，我国提出 “节能减排”的号召[1]。电能的短缺在众多能源问题中首当其冲，它是影响经济发展以及人民生活的重要能源问题之一[2]。
在现代化的办公大楼中，20％~60％的能源消耗都提供给了照明功能， 而这一部分的能源消耗量与照明控制系统密切相关[3]。照明控制是现代建筑中楼宇自动化系统的重要分支[4]。由于社会发展的需要和对照明的日益增长的需求，现代建筑中的照明控制系统的功能不断改进。不仅可以针对人们在不同环境中对灯光亮度的要求进行调节，还能够利用功能更全面的照明设备为在不同场合进行相应的灯光变换，以满足人们对特定场合的美感和设计感需要[5]。在“节能减排”的号召下，提高照明系统的能源利用率是当今社会的发展方向和趋势。而传统的照明系统无法提供较高的舒适性，不能实现实时控制的功能，管理滞后，造成能源浪费。为了解决这个问题，研究新的照明控制系统，将计算机网络技术，电力电子技术，自动化控制等技术应用于智能照明控制系统势在必行。这对于节能减排，为人们提供更好的视觉环境具有重要意义[6]。
如今，越来越多的照明控制系统被设计为通过增加自然光的利用来显着降低由人工照明引起的能量消耗[7]。，目前常见的实行手工控制，太阳能灯，声控型等均基于此准则[8]。但在实际应用时，由于手工控制便捷性较差，需要人工操作，消耗人工成本。太阳能设备前期投入较高，且光照强度不稳定易导致输出端变化波动，不适合要求严格的公共场所[9]。声控型易受外界噪音干扰，在不必要时引起能源消耗。因此，一种操作便捷、易于大面积推广、价格实惠的新型节能照明控制系统方案急需提出。
1.2研究现状和趋势
目前，国内照明系统主要是DMX512，这是最广泛使用的照明通信协议[10]。主要有黄光华提出的基于DMX512协议的高亮度全彩LED灯具控制系统[11]，使用DMX512信号解码器作为DMX控制数据中继器，实现信号频率调制和信号增强，为舞台灯光控制和室外装饰照明等应用提供良好的解决方案[12]。张玉杰提出的基于DMX512协议的无线通信照明控制系统设计[13]，采用传统双绞线和无线通信相结合的方法，即DMX512总线与无线主控器连接[14]，解决了布线困难的地方控制功能的实现，其采用CC1101主控制器把DMX512总线的数据转为无线信号，再发送至控制器[15]，用控制器进行调光操作[16]。
国外的许多知名企业，诸如西门子、施耐德、飞利浦和欧司朗等[17]。例如ComfyLight AG公司上在Kickstarter上开始了一个众筹项目，发布了自家一款能够抵御不请自来客人的智能LED电灯泡ComfyLight可检测到用户进入和离开房间的动作，并相应地开启和关闭灯光[18]。用户可以使用手机中的应用程序进行手动控制，当用户在家时，ComfyLight会利用自身的动作传感器来了解他们的动作，并在用户外出时进行模拟[19]。它不仅能做到节能省电，实现在用户进门、出门的时候自动开启、关闭灯光，还能做到防盗报警，有不速之客进入屋子的时候及时通知用户来保障家庭财产安全[20]。灯具实现智能化控制是一种发展趋势。结合灯具、传感器、通讯装置并通过蓝牙、WiFi、Zigbee、红外等无线或有线控制系统软硬件组成的能够实现自适应的系统解决方案，来实现灯光的开关及调节，在实现节能的同时，使人也能享受现代科技带来的便捷[21]。
Key Words: 51microcomputer; Body induction; Light intensity detection 目 录
1.绪论 1
1.1研究背景和意义 1
1.2研究现状和趋势 1
1.3主要研究内容 2
1.4本章小结 2
2.智能灯光控制系统的方案设计 3
2.1需求分析 3
2.2方案论证 3
2.2.1控制器方案比较 3
2.2.2通讯方案比较 4
2.2.3上位机方案比较 6
2.3总体方案设计 7
2.4本章小结 7
3.智能灯光控制系统的硬件设计 8
3.1硬件设计总体方案 8
3.2电源模块 8
3.3单片机最小系统 9
3.3人体感应模块 10
3.3.1热释电传感器 10
3.3.2信号采集处理模块 10
3.3.3人体感应模块电路设计 11
3.4光敏电路模块 12
3.5声控防盗检测模块 13
3.6防盗报警模块 13
3.7蓝牙通讯模块 14
3.8继电器控制模块 15
3.9本章小结 15
4.智能灯光控制系统的软件设计 16
4.1系统程序设计 16
4.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
下位机软件设计 17
4.2.1定时器检测系统设计 17
4.2.2红外报警系统设计 18
4.2.3蓝牙通讯系统设计 19
4.3上位机软件设计 20
4.3.1上位机前面板设计 20
4.3.2上位机软件设计 20
4.4本章小结 21
5.系统的仿真与测试 22
5.1软件功能仿真测试 22
5.2硬件的焊接 22
5.3性能测试 23
5.3.1外红检测装置测试 23
5.3.2声光检测装置测试 23
5.4上位机测试 24
5.5本章小结 26
6.总结与展望 27
6.1总结 27
6.2展望 27
6.3对环境与社会可持续发展的影响 27
参考文献 29
附录 30
附录1元器件清单 30
附录2硬件原理图 31
附录3单片机模块程序 32
致谢 37
1.绪论
1.1研究背景和意义
随着经济的快速发展，全球的能源问题和环境问题日益加重，为了实现可持续发展，降低能耗和保护环境成为了各个国家长期发展的重要准则。与此同时，我国提出 “节能减排”的号召[1]。电能的短缺在众多能源问题中首当其冲，它是影响经济发展以及人民生活的重要能源问题之一[2]。
在现代化的办公大楼中，20％~60％的能源消耗都提供给了照明功能， 而这一部分的能源消耗量与照明控制系统密切相关[3]。照明控制是现代建筑中楼宇自动化系统的重要分支[4]。由于社会发展的需要和对照明的日益增长的需求，现代建筑中的照明控制系统的功能不断改进。不仅可以针对人们在不同环境中对灯光亮度的要求进行调节，还能够利用功能更全面的照明设备为在不同场合进行相应的灯光变换，以满足人们对特定场合的美感和设计感需要[5]。在“节能减排”的号召下，提高照明系统的能源利用率是当今社会的发展方向和趋势。而传统的照明系统无法提供较高的舒适性，不能实现实时控制的功能，管理滞后，造成能源浪费。为了解决这个问题，研究新的照明控制系统，将计算机网络技术，电力电子技术，自动化控制等技术应用于智能照明控制系统势在必行。这对于节能减排，为人们提供更好的视觉环境具有重要意义[6]。
如今，越来越多的照明控制系统被设计为通过增加自然光的利用来显着降低由人工照明引起的能量消耗[7]。，目前常见的实行手工控制，太阳能灯，声控型等均基于此准则[8]。但在实际应用时，由于手工控制便捷性较差，需要人工操作，消耗人工成本。太阳能设备前期投入较高，且光照强度不稳定易导致输出端变化波动，不适合要求严格的公共场所[9]。声控型易受外界噪音干扰，在不必要时引起能源消耗。因此，一种操作便捷、易于大面积推广、价格实惠的新型节能照明控制系统方案急需提出。
1.2研究现状和趋势
目前，国内照明系统主要是DMX512，这是最广泛使用的照明通信协议[10]。主要有黄光华提出的基于DMX512协议的高亮度全彩LED灯具控制系统[11]，使用DMX512信号解码器作为DMX控制数据中继器，实现信号频率调制和信号增强，为舞台灯光控制和室外装饰照明等应用提供良好的解决方案[12]。张玉杰提出的基于DMX512协议的无线通信照明控制系统设计[13]，采用传统双绞线和无线通信相结合的方法，即DMX512总线与无线主控器连接[14]，解决了布线困难的地方控制功能的实现，其采用CC1101主控制器把DMX512总线的数据转为无线信号，再发送至控制器[15]，用控制器进行调光操作[16]。
国外的许多知名企业，诸如西门子、施耐德、飞利浦和欧司朗等[17]。例如ComfyLight AG公司上在Kickstarter上开始了一个众筹项目，发布了自家一款能够抵御不请自来客人的智能LED电灯泡ComfyLight可检测到用户进入和离开房间的动作，并相应地开启和关闭灯光[18]。用户可以使用手机中的应用程序进行手动控制，当用户在家时，ComfyLight会利用自身的动作传感器来了解他们的动作，并在用户外出时进行模拟[19]。它不仅能做到节能省电，实现在用户进门、出门的时候自动开启、关闭灯光，还能做到防盗报警，有不速之客进入屋子的时候及时通知用户来保障家庭财产安全[20]。灯具实现智能化控制是一种发展趋势。结合灯具、传感器、通讯装置并通过蓝牙、WiFi、Zigbee、红外等无线或有线控制系统软硬件组成的能够实现自适应的系统解决方案，来实现灯光的开关及调节，在实现节能的同时，使人也能享受现代科技带来的便捷[21]。
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