论文总字数：20616字

目 录

1 引言 1

1.1 课题研究的背景和意义 1

1.2 课题研究的现状和发展趋势 2

1.3 本设计的研究内容 3

2 系统总体方案 3

2.1 热释电红外传感器的优劣 3

2.2 设计思路 4

3 系统硬件设计与实现 4

3.1 系统硬件总述 4

3.2 单片机模块 5

3.2.1 STC89C51工作原理 5

3.2.2 单片机最小系统 6

3.3 人体感应模块 7

3.3.1 GRID-EYE简述 7

3.3.2 功能描述 8

3.3.3 使用注意 10

3.3.4 连接方式 11

3.4 温度检测模块 12

3.5 感光模块 13

3.5.1 光敏电阻 13

3.5.2 限位开关LM393 13

3.6 显示模块 14

3.7 电源模块 14

4 系统软件设计及实现 15

4.1 Keil uVision4简述 15

4.2 系统程序 16

4.2.1 Grid-eye模块 16

4.2.2 Temp模块 17

4.2.3 I2C通信模块 18

5 系统工作流程及调试结果 20

5.1 系统工作流程 20

5.2 系统调试 20

5.2.1 原理图设计 20

5.2.2 硬件焊接 22

5.2.3 软件调试 23

5.3 显示效果 23

6 总结与展望 24

参考文献 25

致谢 27

附录 本设计代码 28

基于红外阵列传感装置的智能照明控制系统设计

高艺

，China

Abstract：With the progress of science and technology and advance of the standards of living, people raise higher demands on lighting. Meanwhile, control systems based on SCM is gradually replacing the traditional electronic circuits. This paper designs a intelligent lighting control system based on infrared array sensing device. The system is mainly consisted of STC89C51, the GRID-EYE, DS18B20, photoresistance, etc. Tt can timely detect whether someone is indoor through comparing the unknown testing temperature and the environmental temperature and light intensity so as to solve the problem of automatic control of indoor lighting and meet the demand of the broad masses of users. The system has steady property, low-power dissipation and maintenance charge and strong scalability. It can be widely applied in college classroom, bedroom, office, hospital, housing and other indoor spaces, improving people's living environment.

Key words: Intelligent control; STC89C51; GRID-EYE; Indoors

引言

课题研究的背景和意义

首先，虽然近几年来我国电力技术的发展获得了很大的提高，但因为我国人口基数非常大，人均用电量多，尤其是在夏季用电高峰期，电能的供应明显不足；而且人均浪费的电量也不可小觑，这使得我国长时间电力短缺、能源浪费等问题困扰，正逐渐成为阻碍我国经济水平快速发展的拦路虎。国务院曾经发布过紧急公告，提出要把“节约资源、保护环境、减少能源消耗”放在一个重要位置，每家每户均需合理用电，杜绝任何电能浪费的现象，最终提高能源的综合利用率。因此，节约用电不但是我国发展经济的长久战略方针，更是一项有利于国民百姓的长期事业[^[1]]。

其次，随着现代技术的更新换代，经济条件也越来越好，人们对照明提出了更高的要求。从一开始的灯光亮度的基本功能到现在的光照亮度要适应环境要求；除了简单的提供光明以外，还需考虑到人们在所处环境中的感官、心理、生理等多方面的要求，从而营造出优雅舒适的光环境氛围。由此可见，智能照明控制在人们日常生活中显得举足轻重。人们希望能随心所欲地控制室内灯光的亮与灭，根据光照强度自动地调节光源亮度，同时能够更好地实现对照明系统的操作、管理、维护等。而传统的照明控制系统，无法满足广大用户的要求，也无法很好地解决公众场所尤其是室内照明的问题。例如，在高校、医院、甚至家里，常常会出现白天室内自然光照度非常高，或者晚上室内没有人或者人数甚少的情况下，照明灯具都处于部分开启或者全部开启的状态。而有的时候，室内还有人存在，只是由于静止不动，但这时灯却熄灭了，屋内一片漆黑，引起恐慌，给人们带来了极大的不便。

再次，我们目前所处的时代是一个数字信息的时代。如今物联网企业如雨后春笋，许多人都在研究物联网新兴技术，智能照明控制系统可以当作是一个很好的过渡，它集数字控制技术、计算机技术、无线通信技术、照明控制方式为一体，使得照明和管理更加便捷，也能够使广大用户开始接受和理解“物联网”、“智能家居”等一些概念，用户可以提早体验智能生活所带来的便捷，从而给物联网技术的提高带来了极大的促进作用。

总之，此次智能照明控制系统的设计具备以下几点意义：

①节能效果好：本设计的智能控制照明系统可以对大部分灯具进行智能调光，例如水银灯、霓虹灯、日光灯、LED灯等。当室外光线较强的时候，室内光照强度就会自动调低或者直接关闭，从而达到使用自然光实现节约能源杜绝浪费的目的。

②实现智能化照明控制：本设计可以使照明系统在全自动情况下完成各种控制任务，不需要人工参与，提升智能化管理水平，充分实现“人来灯亮，人走灯灭”的智能效果。

③改善生活环境：该智能照明系统可以人们在进入房间时不必再在黑暗的环境中寻找开关，也省却了离开房间后忘却关灯的烦恼，提高了生活质量、工作效率和幸福感。

④延长灯具寿命：在日常生活中，主要灯具寿命主要受到两种要挟：一是过电冲击，即流经灯具上电流超过了最大额定电流，其中包含过压惹起的过电冲击；另一种就是过热伤害。如果情况严重时甚至可能会出现灯具立刻损坏的情况，大大缩短了灯具的工作寿命。而此系统可以使灯具的平均寿命增长到平时的2~4倍，从而降低了修理和更换成本。

课题研究的现状和发展趋势

近年来，物联网渐渐进入人们的视野，在世界上受到的关注越来越多，可以视为是继互联网以后最重大的技术革新，由于物联网的发展，智能家居不再受到传统家居的束缚，而是被赋予了新的概念，有了更大的上升空间，是物联网领域一个十分重要的应用；而基于物联网的智能家居，能够将生活中的各种物体与互联网连接起来，进行监控、消息管理和通信，从而实现家居智能化[^[2]]。很多国家都紧跟世界潮流，智能家居在美国、德国、日本、法国、韩国等得到了广泛开发和应用，使其正慢慢朝着集成化、规模化、平民化发展。

面对这一发展趋势，智能家居的应用之一——智能照明控制技术也如火如荼开展研究起来，成为一个热门课题。正如英国的格拉斯哥地方报纸指出：“格拉斯哥已经成为开展智能大厦工作组织的神经中枢。集智能照明、暖气、通信及办公设施为一体的智能大厦将全部由电子计算机进行控制与管理。”[^[3]]美国路创电子公司即ALEC是走在全球前列的智能照明控制系统专家，成立公司至今已有四五十年了。它的典型产品有家居智能控制系统HWI、照明控制系统GRAFIK系列等。澳大利亚邦奇智能（Australian Dynatlite Intelligence)是一家研究、设计、制造、销售一体化的现代化创新型企业，正在努力营造一个完美的照明环境，提高建筑照明管理的整体水平，它的控制系统能够对任何光源进行调光或开关控制，也能为客户提供非常友好的人机界面，从而将传统的人工开关转换为现代的智能化管理。它旗下品系有LDS、Smartint智能照明控制系列等。

而中国目前也有一些主流智能照明厂商比如北京星光莱特电子公司。它的前身为北京市电视技术研究所（北控厂），专门研制和生产各种灯光控制器件，技术非常专业。随着现代楼宇智能化管理水平地逐渐提高，此公司在调光控制系统中引进了计算机网络技术，内部开发出了一种基于Lt-net的智能照明系统。该系统是分布式的，控制方式灵活，而且节能效果非常好[^[4]]。

然而目前关于智能照明系统的研究还存在着如下一些不足，值得我们深思。比方国外主要研究办公室照明，把降低功耗视为首要目标，现有国外智能照明系统都非常重视照度这个数量指标，但是从科技最新研究成果来看，我了解到一些非定量指标，例如搭配度和舒适度，对室内照明环境的质量会产生更大的作用；国内部分智能照明控制系统虽然可以具备集中控制和集中显示的功能，有一定的智能性，但是它只可控制室内的一个灯或一组灯的开关，无法进行场景控制，也无法根据环境自动调节灯光的亮暗，无法形成各种各样的灯光效果等[^[5]]。因此，在照明行业继续深入钻研和研制智能照明系统意义深大而任务艰巨。

本设计的研究内容

本设计是基于现有的照明控制系统而开发出的一种新的基于红外阵列传感装置的智能照明控制系统。现有的照明控制系统已经可以解决部分场所的照明问题，比如人来灯不亮，而人走灯还常亮的问题。但是目前只能解决阳台、走廊、机场大厅、公用卫生间等场所的照明问题，而无法解决室内，比如高校教室、卧室、客厅、医院住房、办公室等场所的照明控制问题。因为目前所广泛使用的照明控制技术，如果当被测人体进入检测区之后长时间静止不动，那么传感器就无法检测到温度的变化，从而就不会有输出信号，此时系统就会错误地默认此区域无人存在，然后将灯自动关闭。因此，目前的照明控制系统是存在缺陷的，只适合在检测人体或者动物活动的情况，而无法解决人在但是静止不动时灯熄灭的问题，使用范围非常狭隘。为了解决此类问题，需要开发出一个新的智能照明控制系统，更加完善照明控制。本设计中的基于红外阵列传感装置的智能照明控制系统，可以根据环境光照强度、是否有人等因素，在室内自动关闭没有必要的照明灯具，而在必要的时候自动开启，有效地降低灯具的使用极限，节约了能源，延长了寿命，真正地实现“人来灯亮，人走灯灭”的智能效果，同时也改善了人们的生活环境，提高了其生活质量和工作效率。

系统总体方案

热释电红外传感器的优劣

热释电红外传感器是一种不必通过接触的方式感应外在红外辐射，并将所产生的温度变化转换为电信号的仪器，它的主要部分是探测元、干涉滤光片、菲涅尔透镜和放大器等[^[6]]。在被测人体进入传感探测元的检测范围时，由于被测人体和环境存在温差，被测人体发出的红外线就会经过菲涅耳透镜（透明塑料制成）、干涉滤光（过滤掉灯光、太阳光等辐射，抑制外界干扰）增强后汇集到红外传感探测元上，传感探测元接收到红外辐射之后便会产生电荷不平衡现象，然后释放电子产生温度差，这个温度差向外部输出转变成微弱的电压信号，然后通过场效应管（装在探头内侧）放大后输出，产生报警信号。

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