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1、泉 州 师 范 学 院毕业论文（设计）题 目 教室照明节能控制 物信 学 院 电子信息科学与技术 专 业 07 级 1 班学生姓名 学 号 070303021 指导教师 职 称 讲师 完成日期 2011年4月15日 教务处 制教 室 照 明 节 能 控 制物理与信息学院 电子信息科学与技术指导老师 摘 要：本设计主要是采用了红外感应来采集信号，进而模拟智能的节能控制。该系统由红外传感器（红外对管TCRT5000），光敏电阻，运放模块（LM324）等相关电子器件所组成。本设计主要采用红外传感器（红外对管）和光敏电阻，通过光敏电阻来判定是否需要打开电灯，然后再通过红外对管将接收到的微弱信号，送往运
2、放模块LM324放大，再送人52单片机，从而控制照明灯的亮灭。该红外对管可以探测来自移动人体的红外辐射，只要人体进入探测区域，开关就会自动开启。该设计既新颖方便，又节约用电。本设计结构简单，本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，价格低廉，隐蔽性好，应用范围广，所以可以通过扩展而达到实际的应用。关键词：红外传感器；LM324；52单片机； 目 录 引言4一、总体方案设计41.1设计方案的原因和目标41.2设计方案的选择4二、元器件的相关介绍以及相关系统硬件电路设计51.1红外传感器的基础知识51.2红外对管TCRT5000的原理和特性51.3 红外对管接收电路的设计62.1运放放大器LM324的
3、基础知识62.2 LM324的原理及特性72.3LM324运放73 光敏电阻的基础知识和特性84.1三极管的基础知识94.2 三极管9012的原理及特性105亮度取样电路设计116 89C52的原理、特性及引脚图117数码管的相关知识.12 8检测电路指示灯电路设计139整体电路原理图，模块PCB及工作流程图13三、电路的安装与调试. .17 1电路的安装172 电路的调试18四、实验结果以及方案的改善18五、结束语18六、致谢18七、参考文献19引言 当今社会是个飞速发展的社会，随着发展所带来的问题越来越多，人们需要越来越多的更加全面的措施来应对。当然所需要的资源的越来越多。资源来源于自然环
4、境，因而自然环境需要人们的维护，因此，人们应该保护自然。虽然可以从自然中获取资源，但我们也应该合理的支配资源，这就需要我们的自我约束。节约能源就是一个表现。 现在在一些大型的场所，经常人不在了，电灯还在一直工作，这是一种很浪费资源的行为。在学校的这一现象比较明显，要嘛经常教室里面的没人，但是教室里的照明灯都一直开着，要嘛就是教室里才一两个人，但是教室里的所有灯都打开，这就造成的电能的浪费。这种现象的耗电占其单位所有耗电的40左右。因此，有必要在保证照明质量的前提下，实施照明节能措施。这不仅可以节约能源，而且会产生明显的经济效益1。一、总体方案设计1.1设计方案的原因和目标 在资源紧张的时代，浪
5、费电能是很不好的行为，但是电灯是死物，不会自己来控制开与关，所以经常产生资源浪费。这种现象的耗电占其单位所有耗电的40左右。为了降低这一现象，必须给照明系统加上一些智能的控制措施，如感光、声控、红外感应控制、或是智能人工远程控制的方法。通过各种各样的方法，使得照明系统能过根据不同的各类信息来自己控制照明灯具的开与关，从而达到节约资源的目的，同时也减少了工作人员的工作负担，也会会产生明显的经济效益。设计的目标：基于室内照明灯具电能浪费的现象设计一个控制系统，根据室内人数对灯具进行自动控制，来实现按需亮的节能效果1.2设计方案的选择设计方案的不同主要是在于所选用的智能控制措施的不同，当然也有的虽然
6、智能控制措施一样，但是措施所采用的元器件不同、排列不同等造成方案的多种多样。方案一：只采用的感光的智能控制措施。这一方案是通过光感原件，判断教室里面的光线的强弱，如果教室里的光线强的话，则通过电路的连接，关闭教室内的照明系统；当室内光线不足时，则通过电路的连接，发出命令，开启教室内的照明系统，即打开电灯。方案二：采用声控和光感的智能控制措施。这一方案是通过光感和声控的双线控制。首先考虑光感措施，情况如方案一，然后考虑声控智能控制措施，在光线强的条件下，声控部分不启动；在光线弱的情况下，声控部分启动，探测设定的测量内的声音，如果有声音，则将室内照明系统启动；如果没声音，则室内照明系统关闭。方案三
7、：采用光感和红外感应的智能控制措施。这一方案采用了光感和红外感应来控制教室的照明系统。首先分析光感部分，分析的情况如方案一，然后再分析红外感应部分。红外感应部分分成两部分，一部分感应进入教室的人的信号，一部分感应离开教室的人的信号。当没有进去的信号，这关闭教室的照明系统；当没有离开的信号，但是有进去的信号，则打开教室内的照明系统。方案一控制不够精确，会造成电能浪费。有时教室里才一两个人，但是教室里的灯都亮了，这就造成浪费了。方案二虽然多加了个声控的智能控制措施，提高了照明系统的一部分工作效率和经济效率，但是因为声音可以通过各种介质进行传播，所以也容易受到其他声源的影响。比如说手机的通话声、回音
8、等等。方案三相比方案一和二控制更加精确，而且比较不容易受其他方面的影响，能够对教室内的照明系统进行科学的管理和控制，提升照明系统的工作效率和经济效率。通过三种方案的比较，选定了方案三。方案三设计的介绍：首先，根据光敏电阻来判断室内是否需要开灯，如果有光，则单片机不工作，如果没光，则单片机启动，然后通过红外光电传感器判断室内人数并结合软件编程和硬件设计减少误判，运用红外传感器做室内感应器件并可作为智能控制，即可在人进入室内就自动亮灯。并将室内的灯进行分组，根据人数并结合光照强度来控制亮多少灯。其中，通过红外传感器判断室内人数需要通过2组红外对管来分别感应进入的和出去的个数，可以通过两个LED灯来
9、确认是否有信号，然后将所收集到的信号，送入单片机89C52，通过程序编写，来计算室内实实在在的人数，从而来进行智能控制照明，实现所要达到的目的。二、元器件的相关介绍以及相关系统硬件电路设计1.1红外传感器的基础知识利用红外线的物理性质来进行测量的传感器就是红外传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高
10、，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成2。 1.2红外对管TCRT5000的原理和特性红外对管TCRT5000是反射型，是由红外发射管与红外线接收管组成红外线发射管是用来发射的红外线的！红外线接收管只接受红外线,不受可见光的干扰，属于光敏二极管，只对红外线有反应红外发射管 红外接收管红外发射管：红外线发射管也称红外线发射二极管，属于二极管类。它是可以将电能直接转换成近红外光（不可见光）并能辐射出去的发光器件，主要应用于各种光电开关及遥控发射电路中。红外线发射管的结构、原理与普通发光二极
11、管相近，只是使用的半导体材料不同。红外发光二极管通常使用砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。红外接收管：它是一个具有光敏特征的PN结，属于光敏三极管，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。红外接收管的作用是进行光电转换3。TCRT5000红外对管的原理图：1.3 红外对管接收电路的设计这一设计电路是用于感应红外信号，是通过红外对管的工作原理来实现的。红外对管TCRT5000接收电路工作流程:将一组对管接收到的信号设定为进入的个数，另一组接收到的信号设定为离开的个数，红外发射管与330电阻串联，红外接收管与47K串联。红外对管的电路原理图如
12、下图所示:2.1运放放大器LM324的基础知识LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。 LM324实物图：2.2 LM324的原理及特性LM324的特点：1.短路保护输出 2.真差动输入级 3.可单电源工作：3V-32V 4.低偏置电流：最大100naA 5.每封装含四个运算放大器。6.具有内部补偿的功能。7.共模范围扩展到负电源 8.行业标准
13、的引脚排列 9.输入端具有静电保护功能LM324有4组运放电路，每一组运算放大器可用下图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。 LM324的引脚排列2.3LM324运放这一部分是用来辅助检测电路指示灯电路是否有信号从红外对管那边传送过来。LM324运放模块主要是将红外对管所采集的信号与高电平送入LM324的运放放大电路，输出端2脚和6脚，分别与两个LED
14、灯的负极相连接连接，LED灯的正极都接电源。如果红外对管有采集到信号，则通过运放放大电路输出低电平，使得LED发光一下，如果没有采集到信号，则输出端电平是高电平因而LED不亮。LM324运放电路的原理图如下： 3 光敏电阻的基础知识和特性 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。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，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。光敏电阻实物图: 光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的
15、强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达110M,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76）m的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收
16、更多的光。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示4。据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：红外光敏电阻、紫外光敏电阻、可见光光敏电阻。该设计采用的是红外光敏电阻，该光敏电阻主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产
17、中。光敏电阻的主要参数有：光电流、暗电流、灵敏度、光谱响应、光照特性、伏安特性曲线、温度系数、额定功率。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产
18、生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少5。光敏电阻原理图如下：4.1三极管的基础知识半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。它最主要的功能是电流 放大和开关作用
19、。 三极管顾名思义具有三个电极。二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极（用字母b表示）。其他的两个电极成为集电极（用字母c表示）和发射极（用字母e表示）。由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP型的三极管。如下图：三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。三极管有一个重要参数就是电流放大系数。当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流倍的电流，即集电极电流。集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流
20、很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。 三极管还可以作电子开关，配合其它元件还可以构成振荡器，也能够做成一些可独立使用的两端或三端器。4.2 三极管9012的原理及特性9012是一种最常用的通俗三极管。它是一种低电压,大电流,小信号的PNP型硅三极管。它的参数有:：集电极IC ：Max-500mA 集电极-基极电压Vcbo：-40V 工作温度：-55 to +155 和9013（NPN）相对9012三极管主要用于射频放大和开关应用，其引脚图、实物图和电路图如下： 5亮度取样电路设计亮度取样电路主要是通过光敏电阻的特性（光敏电阻在光照的时候，光敏电阻阻值变小，而且变化幅
21、度很大）和三极管9012的单向导电性来实现的。主要工作流程：三极管的发射极接一10K的电阻；基极接一100K电阻，集电极则是接光敏电阻与一电容的并联电路，当有光照时，光敏电阻阻值迅速变得很小，使得9012三级管导通，这LD输出的是低电平；当没光照时，光敏电阻阻值很大，远大于10K，这就导致了9012三极管不导通，则LD输出的是高电平。LD是与单片机89C51连接。亮度取样电路原理图如下：6 89C52的原理、特性及引脚图89C52芯片是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它
22、结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，属于80C51增强型单片机版本，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。80C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停
23、止，同时停止芯片内其它功能6。89C52芯片的主要特性有：片内8kROM(可扩充64kB外部存储器)32个双向I/O口3个16位可编程定时/计数器向上或向下定时计数器4层优先级中断结构 兼容TTL和CMOS逻辑电平帧错误侦测自动地址识别 256x8bit内部RAM(可扩充64kB外部存储器) 5.0V工作电压标准 空闲和掉电节省模式 时钟频率3.5-12/24/33MHz 改进型快速编程脉冲算法 MCS-51内核和指令系统 布尔处理器 全双工串行通信口 6个中断源 PDIP(40)和PLCC(44)封装形式89C52的引脚图和实物图如下:7数码管相关知识 数码管是一种半导体发光器件，其基本单元
24、是发光二极管。它可以分成两种数码管：一是共阳极数码管，是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮；另一个共阴极数码管，是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。本次设计中使用的是共阳极数码管，其实物图和引脚图如下： 实物图 引脚图8检测电路指示灯电路设计检测电
25、路指示灯电路该电路可以检测是否有人经过红外对管，是该设计中作为检查电路是否有在工作的判断依据。其主要工作流程：通过将两组红外对管所接收到的信号分别送入运放模块LM324，然后通过其运放电路的输出端与LED灯的负极相连，如果所得信号是低电平这LED灯会闪一下，证明有一个信号经过红外对管，及进去或是出去的人数要增加一。如果不是低电平，则LED灯不亮及没有信号经过红外对管。从而达到我们所要的目的。因有两组红外对管，所以需要2个不同颜色的LED灯来进行判断。检测电路指示灯电路原理图如下：9整体电路原理图，模块PCB及工作流程图 整体电路原理图如下：模块的组成电路1 模块组成图2 89C52芯片引脚图
26、LED灯显示电路 单片机下载电路单片机电源电路数码管显示电路模块电路PCB图如下：工作流程图如下：开始系统初始化是否有光？89C51芯片停止工作Y关闭所有LED灯N89C51芯片开始工作计算教室里的人数数码管的显示数字a0=a1a45a89a15LED亮2盏LED亮4盏LED亮6盏LED亮8盏16a三、电路的安装与调试1电路的安装电路实物图如下：2 电路的调试将模块与单片机按照程序连接好，即LD、jq和cq用跳线分别与89C52芯片的P1.0、P1.1和P1.2连接，接上电源通电，将程序导入芯片。首先按照光敏电阻来判定：当有光照时，即光敏电阻阻值变小，LD输出低电平，最小系统上的8盏LED灯不
27、亮。当没有光照时，光敏电阻阻值很大，LD输出高电平， 89C52启动，然后先用不可透光的物品挡在H1红外对管的两灯之间，看看模块上的绿灯是否会闪，重复几次，看看最小系统上的8盏LED会与设定的一样亮几盏,再同样用那物品挡在H2红外对管的两灯之间，看看小模块上面的红灯会不会亮，然后再看看最小系统上面的LED灯的变化，看看变化是否与设定的一样。挡H1和挡H2的次序很次数可以随意，但是要先挡H1，才能换成H2。四、实验结果以及方案的改善通过电路调试后，得到了方案原先设想的实验结果即可以通过光感和红外感应两种控制措施，实现将教室内的照明电路进行智能的控制，使得照明电路的科学化，资源的节能化。方案的改善
28、：在原设计中采用了光敏电阻来实现光感控制，然而光敏电阻所感应的光线强度只有个模糊的定义，即无法精确到光线的具体强度，只能大概的分成两类；一类是有光，一类是没光。但是人的眼睛所最适光照强度。因此，对于教室照明系统的控制应该用更精确的、功能更齐全的光感器件来组成感光部件，它可以依据光照强度的不同，使得感光部分的输出电平各不相同，从而使得照明系统可以根据室内光照强度的多少和人的眼睛的最适光照强度的比较所得，智能的调节教室照明各各电路的开与关，使之达到我们的目标。五、结束语本次设计的教室照明节能控制系统设计方案，提出了一种室内大面积照明节能控制装置的设计方案，可以有效地对照明设备进行自动控制，有效节约
29、电能资源，降低灯具和开关的维修量，增加其使用寿命，达到科学管理与节能的目的7。本设计运用了红外对管搜索红外线信号，来判断教室里面是否有人，然后运用单片机的计数、计时功能和控制功能来控制电灯的开和关。该装置的计时时长可以根据需求进行更改8。若在该系统中增加报警装置，也可实现自动报警功能。六、致谢 非常感谢我的导师朱成全老师在毕业设计这一期间对我们的毕业设计的悉心指导和督促，同时也感谢他的谅解与包容。从论文选题到搜集资料，从写稿到反复修改，到最后论文的完成，他都给予了我们耐心的指导和无私的帮助。同时也感谢大学四年的各位老师以及同学和朋友的关心。七、参考文献1张艳雯教室照明的经济分析及节能措施岳阳师
30、范学院学报(自然科学版),20012松井邦彦传感器实用电路设计与制作M北京：科学出版社，20053熊涛，丁辛芳，陈德英一种新颖的照明控制电路J传感器技术，1999184吴 琼半导体光敏器件应用广泛N中国电子报，20005乔建良智能光敏电阻检测装置研究与设计D南京理工大学，20066AT89系类单片机原理与应用北京：北京航空大学出版社，20047陈九江教室照明系统的智能控制J黑龙江大学自然科学学报，200638工 力单片机原理与应用技术M北京：清华大学出版社，2006Classroom light energy controlCollege of Content letter Electroni
31、c information science and technology 070303021 XuJinJieInstructor Zhu chengquan LecturerAbstractThis design is mainly used to collect an infrared signal, and then simulate intelligence saving energy control. This system consists of infrared sensor (infrared TCRT5000) to tube, photoconductive resista
32、nce, op-amp module (LM324) and related electronic components together. This design mainly adopts thermal infrared sensor (released to tube) and infrared light sensitive resistance to determine, through photoconductive resistance whether you need to turn on the light, then through infrared to tube wi
33、ll receive a weak signal amp modules, sent to LM324 amplification, and then sent people to 52 single-chip microcomputer control, the bright lights destroyer. The infrared to tube can detect the infrared radiation from mobile human body, as long as the human body into detection area, switch can autom
34、atically open. This design is novel and convenient, and save the electricity consumption. This design is simple in structure, itself does not send any type of radiation, the device power consumption is small, cheap, easy to conceal, application range, so can be extended to the actual application. Key wordsinfrared pickoff；LM324; 52 SCM
