恒照度光源调节系统的设计
恒照度光源调节系统的设计[20200419160642]
摘 要
随着技术的发展，人们对生活环境的要求越来越高。稳定的照度会给人带来舒适安心，在这样的环境下我们能够进行更好的创造和学习。不仅如此，其还能节约能源、延长灯具寿命、提高照明质量。
基于此背景，本课题提出恒照度光源调节系统的设计。恒照度光源调节系统是由单片机、传感器、控制电路及照明设备组成的，单片机是该控制系统的核心部件。在输入所需要设定的照度值后，系统开始运作，传感器会对外界光照进行采集，通过AD转换传输给单片机并在显示器上显示。采集到的照度值与之前设定的照度值进行比较，如若不一致则通过PID算法运算，驱动控制电路，最终使采集照度与设置照度达到一致，实现自动调节。同时还应用温度传感器采集当前温度输入单片机中，然后通过单片机控制显示器将当前温度显示出来。
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关键字:数据采集PID照度温度单片机
Key words: Data collection; PID; Intensity of illuminance; Temperature; SCM目 录
1. 绪论 1
1.1 选题背景 1
1.2 设计意义 1
1.3 本论文的主要内容 2
2. 系统模块介绍 3
2.1 光敏电阻 3
2.2 温度传感器 4
2.3 A/D转换芯片ADC0832 5
2.4 光电耦合器 6
2.5 可控硅 7
2.6 LCD1602 8
2.7 单片机AT89S52的介绍 9
2.8 本章小结 10
3. 系统硬件设计 11
3.1 总体设计 11
3.2 单片机最小系统 12
3.3 光照采集 12
3.4 温度采集 13
3.5 按键与显示模块 14
3.6 可控硅调光电路 14
3.7 零点检测电路 15
3.8 本章小结 16
4. 系统软件设计 17
4.1 主程序 17
4.2 光照采集AD采样 18
4.3 PID调光控制 18
4.3.1 数字控制器 18
4.3.2 PID控制程序设计 21
4.3.3 控制系统的参数整定 22
4.4 温度采集及显示 23
5. 系统调试及结果分析 25
5.1 硬件焊接及软件调试 25
5.2 调试结果及分析 27
总结 29
参考文献 30
附录 31
附件1： 31
附件2： 32
附件3： 33
致谢 41
1. 绪论
1.1 选题背景
从18世纪中叶第一次工业革命时的蒸汽机到20世纪中期计算机的产生，再到现如今各种智能手机的普遍应用，人类文明的步伐一直在加快从未停止过。为了适应这样的步伐节奏，很多衍生的物品也在期间应运而生。光一直都扮演着很重要的角色，漆黑的环境是既看不到过去，更看不到未来，毫不夸张地说光源是一切创造的源泉。灯与电的出现延续了白天使人们能够进行更好的作业，同时让人类的生活更加舒适。
优越舒适的条件却也给自然带来了一定的负担，照明设备在一切看来理所当然的时候人们就会开始忽略它。现如今的照明设备依旧沿用以前那种全天候全功率连续的开灯方式，它导致了电能的浪费从而增长了经济成本，同时还造成了光污染。鉴于此种现象美国早在20世纪90年代就提出了“绿色照明”的概念。该概念主要是倡导绿色节能、保护环境、提高照明效率，该想法一经提出就得到了很多国家的积极响应。“绿色照明”的理念刚提出，作为社会主义先驱的中国就先后出台了一些政策项目和法律法规来履行。
“绿色照明”该如何诠释呢？纵观我们身边，学校宿舍每天晚上都会熄灯断电，在那时学生并没有意识去关闭电源，等到第二天来电时外界的亮度造成了错觉而忘记灯未关闭，之后学生外出上课，等到天黑回到宿舍才发现灯就这么开了一天。全国众多高校相加，一年所要浪费的能源是一个多么庞大的数据，想想也是令人恐惧的，这完全违背了节能的先决因素。
另外据多次调查我国如今近视的人越来越多并还呈现增长的趋势，数据表明现近视患者已远远超过三亿人，占全世界近视人数的33%，大大超于全世界平均22%的比例。如此惊人的数据让我们不得不追溯缘由，大量研究表明太强抑或太弱的光源会影响人的视力。现如今学生的课业依旧繁重，而长时间在不当的照明条件下学习会损害他们的视力影响他们的健康，这完全违背了提高照明效率的条件。
从而我们了解到可以运用科学的控制方法和照明设计来改善照明设备贯彻“绿色照明”。基于此，本课题提出了恒照度光源调节系统的设计。
1.2 设计意义
随着自动化技术的广泛应用，单片机与各种器件的结合也在日趋成熟。本课题设计了这款恒照度光源调节系统，将传感器、单片机等一系列器件通过设计与照明系统相连便构成光控灯。使用者可以设置自身所需要的光强，然后通过本系统调节最终使得所处环境达到所设的恒定光强。该方法能让灯在适当的环境下亮起并达到所需要的程度，能够更好的减少经济成本，满足人们的生产生活需求。还解决了人们频繁开关灯的不便状况。既达到了节能的目的，同时又有保护视力的效果。
1.3 本论文的主要内容
本课题主要是对恒照度光源调节系统进行设计的，根据分析确定研究方案，并对如何设计进行详细的介绍。第一章通过阐述本课题的背景意义让人知悉恒照度光源调节系统存在的价值。第二章介绍本设计中所要应用到器件的主要功能结构，第三章介绍硬件设计，第四章介绍软件设计，第五章是系统调试的介绍。
2. 系统模块介绍
本课题的设计是一个能够实现当前照度采集、当前环境温度采集、设定预期照度值以及调节光照的的系统。该设计有软件和硬件两部分，硬件部分有：光敏电阻、温度传感器DS18B20、ADC0832、单片机AT89S52、光耦、双向可控硅、LCD1602液晶显示器等。
2.1 光敏电阻
光敏电阻是一种不存在极性的光电元器件，也可以称之为光导管[2]。
由于光敏电阻是不存在于极性问题的，所以在工作电路中不论加直流电压还是交流电压都没有问题。当光敏电阻周围无光照时，光敏电阻的暗电阻很大，这就导致了电路中电流的减小。当光敏电阻接收到特定波长范围的光照时，其阻值减小且电路中电流增大。根据电流值的变化，便可以算出光照值的大小。所以光敏电阻一般是用在光测量、控制和光电转换中的[3]。
光敏电阻自身结构非常简单，图1（a）是光敏电阻的金属封装结构图。由图可以看出，光敏电阻的玻璃底板上涂有一层半导体（光导层），并在半导体两端装有金属电极，金属电极连接的两根线就可以连接进电路中。为了防止空气中的杂质影响到光导层的感光性，光导层上都会涂上一层薄薄的透射率大的漆膜。一般为了提高光敏电阻的敏感性，电极采用梳状图案[4]。如图2-1（b）所示。图2-1（c）为光敏电阻在电路中的连线图。
图 2-1 光敏电阻结构
(a)光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图；
光敏电阻的特点是灵敏度高、光谱响应范围宽，且体积小，性能稳定，因此被广泛应用于测试技术[5]。本征型光敏电阻可用来检测可见光和近红外辐射。非本征型（杂质型）光敏电阻可用来检测红外波段甚至远红外波段辐射。
2.2 温度传感器
本设计采用DS18B20温度传感器测量环境温度。DS18B20可以将温度模拟信号转换成串行数字信号，可直接传输给单片机进行处理。由于此传感器具有体积小、功耗低、精确度高等优点，在各个领域被广泛使用。
1）温度传感器DS18B20引脚介绍
DS18B20的引脚如图2-2所示。由图可以看出DS18B20共有3个引脚。分别为接地脚（GND）、电源（VCC）以及数字信号的输入/输出脚（DQ）[6]。
摘 要
随着技术的发展，人们对生活环境的要求越来越高。稳定的照度会给人带来舒适安心，在这样的环境下我们能够进行更好的创造和学习。不仅如此，其还能节约能源、延长灯具寿命、提高照明质量。
基于此背景，本课题提出恒照度光源调节系统的设计。恒照度光源调节系统是由单片机、传感器、控制电路及照明设备组成的，单片机是该控制系统的核心部件。在输入所需要设定的照度值后，系统开始运作，传感器会对外界光照进行采集，通过AD转换传输给单片机并在显示器上显示。采集到的照度值与之前设定的照度值进行比较，如若不一致则通过PID算法运算，驱动控制电路，最终使采集照度与设置照度达到一致，实现自动调节。同时还应用温度传感器采集当前温度输入单片机中，然后通过单片机控制显示器将当前温度显示出来。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:数据采集PID照度温度单片机
Key words: Data collection; PID; Intensity of illuminance; Temperature; SCM目 录
1. 绪论 1
1.1 选题背景 1
1.2 设计意义 1
1.3 本论文的主要内容 2
2. 系统模块介绍 3
2.1 光敏电阻 3
2.2 温度传感器 4
2.3 A/D转换芯片ADC0832 5
2.4 光电耦合器 6
2.5 可控硅 7
2.6 LCD1602 8
2.7 单片机AT89S52的介绍 9
2.8 本章小结 10
3. 系统硬件设计 11
3.1 总体设计 11
3.2 单片机最小系统 12
3.3 光照采集 12
3.4 温度采集 13
3.5 按键与显示模块 14
3.6 可控硅调光电路 14
3.7 零点检测电路 15
3.8 本章小结 16
4. 系统软件设计 17
4.1 主程序 17
4.2 光照采集AD采样 18
4.3 PID调光控制 18
4.3.1 数字控制器 18
4.3.2 PID控制程序设计 21
4.3.3 控制系统的参数整定 22
4.4 温度采集及显示 23
5. 系统调试及结果分析 25
5.1 硬件焊接及软件调试 25
5.2 调试结果及分析 27
总结 29
参考文献 30
附录 31
附件1： 31
附件2： 32
附件3： 33
致谢 41
1. 绪论
1.1 选题背景
从18世纪中叶第一次工业革命时的蒸汽机到20世纪中期计算机的产生，再到现如今各种智能手机的普遍应用，人类文明的步伐一直在加快从未停止过。为了适应这样的步伐节奏，很多衍生的物品也在期间应运而生。光一直都扮演着很重要的角色，漆黑的环境是既看不到过去，更看不到未来，毫不夸张地说光源是一切创造的源泉。灯与电的出现延续了白天使人们能够进行更好的作业，同时让人类的生活更加舒适。
优越舒适的条件却也给自然带来了一定的负担，照明设备在一切看来理所当然的时候人们就会开始忽略它。现如今的照明设备依旧沿用以前那种全天候全功率连续的开灯方式，它导致了电能的浪费从而增长了经济成本，同时还造成了光污染。鉴于此种现象美国早在20世纪90年代就提出了“绿色照明”的概念。该概念主要是倡导绿色节能、保护环境、提高照明效率，该想法一经提出就得到了很多国家的积极响应。“绿色照明”的理念刚提出，作为社会主义先驱的中国就先后出台了一些政策项目和法律法规来履行。
“绿色照明”该如何诠释呢？纵观我们身边，学校宿舍每天晚上都会熄灯断电，在那时学生并没有意识去关闭电源，等到第二天来电时外界的亮度造成了错觉而忘记灯未关闭，之后学生外出上课，等到天黑回到宿舍才发现灯就这么开了一天。全国众多高校相加，一年所要浪费的能源是一个多么庞大的数据，想想也是令人恐惧的，这完全违背了节能的先决因素。
另外据多次调查我国如今近视的人越来越多并还呈现增长的趋势，数据表明现近视患者已远远超过三亿人，占全世界近视人数的33%，大大超于全世界平均22%的比例。如此惊人的数据让我们不得不追溯缘由，大量研究表明太强抑或太弱的光源会影响人的视力。现如今学生的课业依旧繁重，而长时间在不当的照明条件下学习会损害他们的视力影响他们的健康，这完全违背了提高照明效率的条件。
从而我们了解到可以运用科学的控制方法和照明设计来改善照明设备贯彻“绿色照明”。基于此，本课题提出了恒照度光源调节系统的设计。
1.2 设计意义
随着自动化技术的广泛应用，单片机与各种器件的结合也在日趋成熟。本课题设计了这款恒照度光源调节系统，将传感器、单片机等一系列器件通过设计与照明系统相连便构成光控灯。使用者可以设置自身所需要的光强，然后通过本系统调节最终使得所处环境达到所设的恒定光强。该方法能让灯在适当的环境下亮起并达到所需要的程度，能够更好的减少经济成本，满足人们的生产生活需求。还解决了人们频繁开关灯的不便状况。既达到了节能的目的，同时又有保护视力的效果。
1.3 本论文的主要内容
本课题主要是对恒照度光源调节系统进行设计的，根据分析确定研究方案，并对如何设计进行详细的介绍。第一章通过阐述本课题的背景意义让人知悉恒照度光源调节系统存在的价值。第二章介绍本设计中所要应用到器件的主要功能结构，第三章介绍硬件设计，第四章介绍软件设计，第五章是系统调试的介绍。
2. 系统模块介绍
本课题的设计是一个能够实现当前照度采集、当前环境温度采集、设定预期照度值以及调节光照的的系统。该设计有软件和硬件两部分，硬件部分有：光敏电阻、温度传感器DS18B20、ADC0832、单片机AT89S52、光耦、双向可控硅、LCD1602液晶显示器等。
2.1 光敏电阻
光敏电阻是一种不存在极性的光电元器件，也可以称之为光导管[2]。
由于光敏电阻是不存在于极性问题的，所以在工作电路中不论加直流电压还是交流电压都没有问题。当光敏电阻周围无光照时，光敏电阻的暗电阻很大，这就导致了电路中电流的减小。当光敏电阻接收到特定波长范围的光照时，其阻值减小且电路中电流增大。根据电流值的变化，便可以算出光照值的大小。所以光敏电阻一般是用在光测量、控制和光电转换中的[3]。
光敏电阻自身结构非常简单，图1（a）是光敏电阻的金属封装结构图。由图可以看出，光敏电阻的玻璃底板上涂有一层半导体（光导层），并在半导体两端装有金属电极，金属电极连接的两根线就可以连接进电路中。为了防止空气中的杂质影响到光导层的感光性，光导层上都会涂上一层薄薄的透射率大的漆膜。一般为了提高光敏电阻的敏感性，电极采用梳状图案[4]。如图2-1（b）所示。图2-1（c）为光敏电阻在电路中的连线图。
图 2-1 光敏电阻结构
(a)光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图；
光敏电阻的特点是灵敏度高、光谱响应范围宽，且体积小，性能稳定，因此被广泛应用于测试技术[5]。本征型光敏电阻可用来检测可见光和近红外辐射。非本征型（杂质型）光敏电阻可用来检测红外波段甚至远红外波段辐射。
2.2 温度传感器
本设计采用DS18B20温度传感器测量环境温度。DS18B20可以将温度模拟信号转换成串行数字信号，可直接传输给单片机进行处理。由于此传感器具有体积小、功耗低、精确度高等优点，在各个领域被广泛使用。
1）温度传感器DS18B20引脚介绍
DS18B20的引脚如图2-2所示。由图可以看出DS18B20共有3个引脚。分别为接地脚（GND）、电源（VCC）以及数字信号的输入/输出脚（DQ）[6]。
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