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2023年4月10日发(作者：上海家装)
智能照明控制系统论文
摘要
随着科学技术的不断发展，人类社会迎来了电子信息时代。而智能家居
照明控制技术随着智能化住宅的蓬勃兴起而飞速发展，成为照明控制技术发
展的一个重要方向。因此，针对现有的智能照明控制系统的优缺点，根据人
们的行为模式和住宅的光环境决定照明的控制规律，研究智能家居照明控制
系统对提高人们的生活质量、节约能源和提倡绿色照明等具有十分重要的现
实意义。
本论文主要从智能照明的基本概念、照明质量、家居照度标准、照明方
式和种类、电光源的选择、智能照明控制系统的控制方式、智能家居照明控
制系统设计等方面研究了家居式照明系统的设计的常用的方法，并且给出了
智能化住宅各房间的典型照明技术。同时指出在进行照明系统的设计时，不
仅要根据场合的具体环境使照明系统能够实现视觉需求的光环境，同时要注
意节约能源，实现绿色照明。
本论文分析了现有的智能照明控制方式的控制原理及其优缺点，设计了
基于家居环境的智能照明系统，并介绍了该系统的功能及软、硬件的设计方
法。系统中的控制装置采用AT89S51单片机作为控制器，用C语言编程，采
用光敏二极管检测光照度和PWM方式进行调光，同时设计了正负12伏直流供
电电源。在具体硬件设计中，本文主要设计了光照度检测、显示及补偿部分，
经过调试，该部分完全能够实现设计系统的功能。此外，还设计了灯光调节
部分，根据环境调光或进行手动调节，同时还预留了RS232串行接口，为今
后采用数字网络化调节的应用预留了空间。
关键词：智能家居；照明控制技术；光环境；照明质量；照度检测；照度补偿
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology，humancomeintheeraof
echnologyoftheelectronichomelightingcontrolmakea
esearchonelectronichome
lightingcontrolsystemisofgreatpracticalsignificancetoimprovepeople’slifequality
andtopromotegreenlightingagainstwiththeAdvantagesanddisadvantagesofthe
existingIntelligentLightingControlSystemandaccordingtopeople'sbehaviorpatterns
ofresidentialandlightenvironment.
Thispapermainlydoesresearchinthecommonlyusedmethodofthedesignofthe
home-lightingsystems,accordingtothebasicconceptofsmartlighting,lightingquality,
homeilluminationstandards,methodsandtypesoflighting,thechoiceoflightsource,
thecontroloftheelectronichomeandgivesthetypicalresidentiallightingtechnologyof
ametimethispaperpointedoutthatinthedesignoflighting
systems,notonlyneedaccordingtothespecificoccasiontoachievethedemandlighting
environment,butalsoshouldpayattentiontoenergyconservationandgreenlighting.
Thispapermakesananalysisonthecontroltheoryandtheadvantagesand
gnstheelectronichomelighting
systemsandintroducesthemethodofthesoftwaresystemandhardwaresystemin
trollerofthissystemusesAT89S51andmakesprogramwithC
thephotodiodetodetectlightandmakeadimminginthePWMway.
pecific
designofhardwarethispapermainlydesignsforlightingdetection,displayandsome
ommissioning,thedesigncancompletelyrealizethefunctionof
rmore,itreservestheRS232interface，makethespacefortheusing
digitalnetworksinfuture.
Keywords:intelligenthome;lightingcontroltechnology;lightenvironment;lighting
quality;lightingdetection;lightcompensation
目录
引言·········································································································0
1绪论···································································································1
1.1智能家居的概念····················································································1
1.2智能家居照明的发展概况········································································1
1.3智能照明控制系统的优势········································································1
1.4现有智能照明控制系统的分析··································································4
1.5本课题的研究意义·················································································4
1.6本文的主要研究内容··············································································5
2智能家居的照明设计··········································································6
2.1智能照明的基本概念··············································································6
2.1.1人类的视觉特性·················································································6
2.1.2光照度及其单位·················································································7
2.2照明质量·····························································································8
2.3家居照度标准·······················································································8
2.4照明方式和种类····················································································9
2.4.1照明方式··························································································9
2.4.2照明方式的确定··················································································9
2.4.3照明的种类······················································································10
2.5电光源的选择·····················································································10
2.6智能照明控制系统的控制方式································································12
2.6.1开环控制························································································12
2.6.2闭环控制·························································································13
2.6.3应急照明控制···················································································12
2.7智能家居照明控制系统设计···································································14
2.7.1系统的基本功能················································································14
2.7.2系统的基本结构················································································14
2.7.3各个房间的照明设计及要求································································15
3智能家居照明控制系统硬件电路设计···············································18
3.1主要元器件的选取···············································································18
3.1.1控制器的选择···················································································18
3.1.2显示器件的选择················································································18
3.1.3光照度检测元件的选择·······································································19
3.2电源电路设计······················································································20
3.3主控制电路设计···················································································20
3.4数据采集及处理电路·············································································22
3.4.1数据采集电路···················································································22
3.4.2AD转换电路······················································································23
3.5显示电路设计······················································································25
3.6照度补偿电路设计················································································26
3.7调光电路····························································································26
3.8串行接口电路设计················································································27
4智能家居照明控制系统软件设计·······················································29
4.1结构设计···························································································29
4.2流程图······························································································29
4.2.1主程序····························································································29
4.2.2显示子程序······················································································30
5实验与调试·······················································································31
5.1实验模拟装置的制作············································································31
5.2实验模拟装置的调试·············································································31
6结论与展望························································································32
谢辞···································································································33
参考文献·······························································································34
附录···································································································35
第0页共47页
引言
我国是一个人口众多的、资源相对不足的国家，发展节约型、创新型社会是我国的
一项长期基本国策,在现续代化建设中必须实施可持发展战略。“智能家居照明工程”是
可持续发展战略的一个内容，做好智能照明工程的工作一方面可以大幅度的节约照明用
电，减少发电排污，保护环境；另一方面可以改善照明质量，形成一个优质高效、经济、
舒适、安全可靠、有益人们工作和生活的照明环境。
智能照明工程的内涵是节能、高效、舒适、安全，有益于环保。家居照明设计应坚
持“以人为本”的原则。按照现代绿色照明设计的原则，使照明系统产生综合的效益：
既要降低能耗指标，满足环保的要求，又要创造良好的照明环境，保证人们的身心健康，
促进国民经济的迅速发展。
本文具体对于家居环境的特点,提出了相应的节能措施，设计了相应的智能照明装
置。先介绍了智能家居的的具体含义、存在的背景以及智能照明的现状与发展趋势，然
后重点介绍设计的照明装置各个模块的原理与设计思路，最后叙述了硬件的设计调试过
程和软件的编程。
第1页共47页
1绪论
1.1智能家居的概念
智能家居，或称智能住宅，目前与此含义近似的词汇相当多，诸如:家居智能化电
子家庭（ElectronicHome）、数字家园（DigitalFamily）、家庭自动化（HomeAutomation）、
家庭网络（HomeNet）/网络家居（NetworkHome）、智能家居/建筑（Intelligent
Home/Building）。实际上智能化住宅的发展分为三个层次，首先是家庭电子化（HE，
HomeElectronic），其次是住宅自动化（HA，HomeAutomation），最后是住宅智能化，
美国又称智慧屋（WH，WiseHome），欧洲称为时髦屋（SH，SmartHome）。
尽管名称五花八门，但它们的含义和所要完成的功能大体是相同。曾经有文章这样
描写一种智能家居：当早晨起床时间一到，卧室音响设备就会自动播放主人爱听的“起
床曲”唤醒主人；卧房浴室的电灯也会在主人进入梳洗时自动亮起，这时，厨房的煮咖
啡器也会自动煮水，等主人出来时，就有热腾腾的咖啡等着他；在客厅里，主人只需轻
轻按动综合功能遥控器，就可以十分方便地通过家庭影院系统播放电视节目、CD点播、
DVD播放、上网查询邮件和当天的新闻，以及多媒体游戏。当主人出门后，智能家居系
统就会自动启动安全保卫系统，一旦有人非法进入住宅或发生意外事故（如火灾、煤气
泄漏、老人疾病紧急救助），系统就会自动拨电话通知主人，或向有关部门报警。在外
的主人接到报警后，也可以拨电话回家接上家庭智能化系统，开启家中的数码电话机上
的特别对讲器，听听家里有没有奇怪的声音，甚至质问不速之客“你想干什么”。主人
在下班回家前，可以通过电话遥控家里的空调并调节到舒适的温度上，以及其他的电器
设备，当主人完成操作后，电话里会传来优美的应答声。
1.2智能家居照明的发展概况
智能家居是综合计算机、信息通信等方面最先进的技术，使住宅内的电力、空调、
照明、防灾、防盗、运输设备等，实现住宅综合管理自动化、远程通信和办公事自动化
的有效运作，并使这三种功能结合起来的家居环境。
随着智能建筑，特别是智能家居式建筑的出现，使建筑要求和设计方法跟传统的住
宅比，大为不同。照明作为建筑不可缺少的部分，随着国际上智能家居的大量出现，与
之配套的智能照明技术也迅速发展，并成为21世纪的照明技术发展的一个重要方向。
预计在本世纪，人工智能技术在建筑和照明中的应用趋势将会进一步扩大。面对这
一发展趋势，开发了不少智能照明设计，如智能灯具、智能照明控制与管理系统，包括
在照明方面的计算机硬件和软件。此外计算机在照明设计和测试方面也得到广泛地应
用。澳大利亚邦奇公司开发的Dynalie智能照明控制系统，日本的智能照明建筑，特别
是现代化办公室的智能照明技术等都值得我们研究与借鉴。
1.3智能照明控制系统的优势
第2页共47页
智能照明控制系统是指用计算机技术并辅助其他手段，对电力照明实行自动控制，
提供合适照明环境的同时降低照明系统的电能消耗和其他使用费用。智能照明控制系统
于手动照明控制系统相比有很多优点，包括创造环境气氛，改善工作环境、提高工作效
率，良好的节能效果，延长光源寿命，管理维护方便等。
⑴创造环境气氛
使用智能照明系统，可以根据使用情况和住宅内的日光亮度来预设回路。可在回路
中实现灯具的单独控制或成组控制，每个回路或灯具都可以设置为不同的亮度级别，这
些级别存储为“场景”，可以理解为一个房间或某一区的完整面貌。设置场景后，即可
方便地使用墙上的控制面板或遥控器手动调用。可以根据定时器、日光传感器和使用情
况自动调用这些场景，使其达到丰富的艺术效果。
⑵改善工作环境，提高工作效率
智能照明控制系统以调光模块控制面板代替传统的平开关控制灯具，可以有效地
控制各房间内整体的照度值，从而提高照度均匀性。同时，这种控制方式有效地解决了
频闪效应，不会使人产生不舒适、头晕脑胀、眼睛疲劳的感觉。
⑶良好的节能效果
智能照明控制系统借助各种不同的“预设置”控制方式和控制组件，对不同时间
不同环境的光照度进行精确设置和合理管理，实现节能。这种自动调节照度的方式，充
分利用室外的自然光，只有当必需时才把灯点亮或点亮到要求的亮度，利用最少的能源
保证所要求的照度水平，节电效果十分明显，一般可达30%以上。
⑷延长光源寿命
智能照明控制系统能成功地抑制电网的浪涌电压，同时还具备了电压限定和WE流
滤波等功能，避免过电压和欠电压对光源的损害。智能调光器慢慢地把灯光调亮到一个
设定的水平。刚打开灯时，这是相当重要的。在这一点上，白炽灯由于灯丝的热冲击易
于失败。通过把灯慢慢地调亮到设定的水平，也被称为“软启动”，避免了冲击电流对
光源的损害，可以相当多的延长灯泡的寿命。降低灯泡的亮度也可以延长灯泡的寿命。
减低10%的亮度，灯泡可以延长一倍的寿命，而减少50%,可以延长到20倍以上。还
可以实现“软关断”，灯光慢慢地熄灭。当切换场景时，灯光的变化是渐变的，使人们
不会有突然变化的感觉，充分考虑到人眼对灯光的亮度的适应性。延长光源寿命不仅可
以节省大量资金，而且大大减少更换灯管的工作量，可以降低照明控制系统的运行费用，
管理维护也变得简单。
⑸管理维护方便
智能照明控制系统对照明的控制是以模块式的自动控制为主，手动控制为辅，照
明预置场景的信息存储在内存中，这些信息的设置和更换十分方便，使建筑物的照明管
理和设备维护变得更加简单。例如在客厅中，可根据时间设定晚上11点后，场景照明
自动切换到睡前场景照明。睡觉前还可以从集中显示器中查看各房间的灯是否关闭。
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1.4现有智能照明控制系统的分析
澳大利亚奇胜场景照明控制系统，可以对同一个场所中最多18个灯区(照明回路)
供电和调节亮度。用户可以调节和预设每个灯区的亮度以适应最多5种场景，只需按
一下按键就可以为你的活动选择满意的照明环境。
美国LC&D智能照明控制系统是一套由计算机微处理器控制的低压继电器配电盘
组成，按照客户对室内外照明的具体要求，设定照明控制的时间、区域、方法来控制每
一个独立的回路，也有手动开关直接控制。
国内生产的真善美智能照明系统具有集中控制、多点操作、集中显示、停电自锁、
免打扰、遥控功能等智能功能，使家居生活更加方便与舒适。
但是，国内外智能照明系统的研究存在着一下几个问题：
⑴现有国外的智能照明系统主要控制照度这个指标，他们的研究主要集中于办公
室照明，以节能为主要目的，但是根据最新研究成果表明，非定量指标如舒适性和艺术
性等对室内照明光环境的影响更大。
⑵国内的一些智能照明控制系统能够实现集中控制和集中显示，具有一定的智能
性，但只能控制房间中的一个或一组灯的开、关，不能实现场景控制，也不能实现对灯
光的亮度调节，不能产生多种照明效果。
⑶针对家居照明光环境的智能照明控制系统的研究产品较少。
1.5本课题的研究意义
智能家居照明控制系统的研究不仅可为目前国际上前沿研究课题——智能照明控
制系统研究积累有益的经验，而且还提高了住宅照明光环境质量和住宅价值。再者随着
社会和科技进步，人们居住条件，生活的自动化水平也在不断地提高，这对能源消耗提
出了更高要求，发展节约型、创新型社会今后是我国的一项长期基本国策。照明系统是
一个重要能源消耗对象，目前存在较严重的浪费现象，设计出高效节能的照明装置是当
今迫切需要的，这也是实现家居环境可持续发展的关键技术之一，并且具有极为广阔的
发展前景。
具体研究意义如下：
⑴提高住宅照明光环境质量。在住宅的照明光环境设计中除充分考虑到视觉作业、
合适的照度、亮度分布、视觉舒适性、眩光控制、显色性、照明装置的外观以及使用者
或参观者的主观感觉等八个因素外，还需要考虑到人体因受到季节光照减少而产生的
“季节性情感紊乱”因素和根据含不同光谱成分光源对褪黑素分泌的抑制能力强弱不
同，视具体情况采用不同的光源。
⑵体现以人为本的照明控制思想，根据人们的行为模式和住宅的光环境决定照明
的控制规律，创造一个个性化、艺术化、舒适、高雅的家庭光环境。好的照明光环境使
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人心情愉快，工作效率提高:而好的照明控制系统不仅能实现好的照明光环境，而且节
能、维护管理方便，真正实现绿色照明。
⑶构成智能家居系统的一部分。智能照明控制系统可以独立运行，实现对光环境
的合理控制:同时，其具有通信功能以及可扩展性，可把智能家居照明系统作为智能家
居的子系统，并与家居自动化控制系统、电视、多媒体系统、探测、共同构成家居智能
化网络系统。
1.6本文的主要研究内容
第一章主要介绍了智能家居的概念以及智能家居照明的发展概况，并总结了智能照
明控制系统的优点，同时对现有智能照明系统作了简要的分析，提出来发展智能照明的
重要意义。
第二章主要从智能照明的基本概念、照明质量、家居照度标准、照明方式和种类、
电光源的选择、智能照明控制系统的控制方式、智能家居照明控制系统设计等方面研究
了家居式照明系统的设计的常用的方法，并且给出了智能化住宅各房间的典型照明技
术。
第三章主要阐述了智能家居照明控制系统的硬件电路设计，从主要元器件的选取，
到各个功能模块电路的设计都做了详细的分析与介绍。
第四章主要介绍了系统的软件设计，并给出了主程序和数码管显示子程序的流程
图。
第五章主要阐述了系统的调试方法及在调试过程中出现的各种问题及相应的解决
方案。
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2智能家居的照明设计
智能家居是由建设部在各大城市指导建设的面向21世纪的豪华住宅，其定位标准
是“科技先导、适度超前”，专家称这将是我国住宅产业未来发展的方向。而现代智
能家居的电气照明设计与装饰工程有着非常密切的联系，只有相互结合，才能真正做到
安全，实用，经济，美观，满意的视觉条件。下面将电气照明设计的一般原则与要求列
表如下，见表2-1所示:
表2-1电气照明设计的一般原则与要求
序号设计原则设计要求
1遵照规范规定应遵照有关设计规范,包括国家标准的有关规定
2符合照度要求应符合视觉作业和视觉卫生对照度值的规定,并满足
显色性的要求
3力求视觉舒适应注意灯具的合理布置,限制眩光,保证合理的均匀
度,力求视觉舒适
4安全可靠维修方
便
照明装置应工作安全可靠,维护检修方便
5技术先进经济合
理
照明装置既要技术先进,又要尽可能经济合理地使用
资金和节约能源
6与建筑相协调照明装置应与建筑及周围环境协调统一
2.1智能照明的基本概念
人类在长期的进化过程中，形成了特有的视觉特性。因此，有必要先介绍一下人类
的一般视觉特性。
2.1.1人类的视觉特性
⑴暗视觉、明视觉和中介视觉
视网膜是人眼感受光的部分，网膜上分布两种不同的细胞。边缘部位杆状细胞占多
数，中央部位锥状细胞占多数。这两种细胞对光的感受性是不同的。杆状体对光的感受
性很高，而锥状体对光的感受性很低。因此，在微弱的照度下（视觉亮度在610～210
cd/2m），只有杆状体工作，这种视觉状态成为暗视觉。当亮度达到10cd/2m时锥状体
的工作起主要作用，这种视觉状态称为明视觉。当视觉亮度在210～10cd/2m时，杆状
体和锥状体同时起作用，这种视觉状态称为中介视觉。杆状体对光的感受性很高，但它
却不能分辨颜色。只有锥状体在感受光刺激时，才有颜色感。因此，只有在照度较高显
得明亮的条件下，才有良好的颜色感。
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⑵视觉适应
在现在和过去呈现的各种亮度、光谱分布、视角的刺激下，视觉系统状态的变化过
程称之为视觉适应（visualadaptation）。它可分为明适应和暗适应。
视觉系统适应高于几个坎德拉每平方米亮度的变化过程及终极状态称为明适应。视
觉系统适应低于百分之几坎德拉每平方米亮度的变化过程及终极状态称为暗适应。
对眼睛来说适应过程是一个生理光学过程。开始是瞳孔大小的变化，继之是视网膜
上的光化学反应过程。一般来说，暗适应所需要的过渡时间较长，而明适应是眼睛从暗
到亮的适应过程，这一过程较短，约2-3分钟。
⑶后像
视觉不会瞬时产生，也不会瞬时消失，特别是在高亮度的闪光之后往往还可感到有
一连串的影像，以不规则的强度和不断降低的频率正负交替出现，这种现象称为后像。
强烈的后像对视力工作特别有害，例如偶然看到极亮的发光体后，在一定时间内，我们
总被一个黑影（极亮发光体的负后像）所困扰。
⑷眩光
若视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比，则可引起不舒适或造成视觉降低的
现象称为眩光。眩光按其评价的方法可分为失能眩光与不舒适眩光。不舒适眩光使人产
生不舒适感或烦恼等心理感觉。不舒适眩光的产生主要与以下4个因素相关[6]眩光源的
亮度L
s
，眩光源的表现立体角
。眩光源离开视线的仰角和眩光源所处的背景亮度L
f
。
不舒适眩光的程度只能通过主观评价来估计。失能眩光会导致视疲劳增加，工作效率降
低，眩光严重时会造成观察者短暂致盲，此时称为失明眩光。
⑸光源的色温与显色性
①色温
光源的发光颜色是与温度有关的,当温度不同时,光源发出光的颜色是不同的.如白
炽灯,当灯丝温度低时,发出的光以红色为主;当灯丝温度高时,灯丝发白,发出的光由红
变白。
②显色性
当某种光源照射到物体上时,该物体的色彩与阳光照射时的色彩是不完全一样的,
有一定的失真度.所谓光源的显色性,就是指不同光谱的光源分别照射在同一颜色的物
体上时,所呈现出不同颜色的特性,通常用显色指数来表示光源的显色性.
2.1.2光照度及其单位
⑴光通量
按人眼对光的感觉量为基准来衡量光源在单位时间内向周围空间辐射引起光感的
能量大小，称为光通量。光通量用符号表示，单位为流量（lm）。
⑵照度
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通常把物体表面得到的光通量与这个物体表面积的比值叫做照度，由E表示。
/A
（2-1）式中
—光通量（lm）；
A—面积（㎡）；
E—照度（lx）。
下面举几种常见的照度情况:
①在40W的白炽灯下1m远处的照度约为30lx，加搪瓷伞形后增加为73lx。
②晴朗的白天室内为100～500lx。
③照度为1lx，仅能辨别物体的轮廓，阅览室的照度要求不低于50lx。
2.2照明质量
良好的照明质量，对提高学习和工作效率及减少视觉疲劳和创造一个舒适的生活环
境等都具有重要的作用。此外，随着生活水平的提高，人们对照明质量的要求也越来越
高。影响照明质量的因素主要有下面两点：
⑴照度的均匀性
在视野内，照度的不均匀很容易引起视力疲劳。为了使照明场所的照度比较均匀，
要求房间由最大、最小照度分别与平均照度之差不大于或不小于平均照度的六分之一。
可以从灯具的布置来解决。只要实际布灯的距离比（d/h），小于各种灯具最有利的距离
比（d/h），照度的均匀度便能满足要求。
⑵照度稳定性
为了保证照度在使用过程中不低于标准值，即应考虑光源老化，灯具污染等不利因
素，在设计时可适当增加光源的功率。
其次防止因电压下降而引起照度降低，以及电压变化而引起的照度波动。特别是每
秒20次下的严重波动，对眼睛危害很大，更应该避免。这种电压波动是在网络内大功
率设备频繁启动所致。解决方法是动力和照明电源分开，以及照明变压器增设调压器等。
2.3家居照度标准
照度标准是关于照明质量和数量的规定。即工作面上的亮度或照度。因此在照度标
准中主要是规定工作面的照度。在确定照度标准时，应根据建筑规模、空间大小、服务
对象，设计标准等条件，在推荐照度范围内选择最适当的设计照度值。
对于各类建筑的一般照明推荐照度值，《建筑电气设计技术规程》有明确的规定，
下面仅将家居住宅的照明推荐照度列于表2-2中，如下所示：
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表2-2家居住宅的照明推荐照度表
房间名称推荐照度/lx
厕所、洗浴室5～15
起居室、餐厅、厨房15～30
卧室、婴儿哺乳室20～50
单宿、活动室30～50
2.4照明方式和种类
2.4.1照明方式
照明方式是照明设备按照其安装部位或使用功能而构成的基本制式。它分为一般照
明、分区一般照明、局部照明和混合照明四种。
⑴一般照明
为照亮整个场地而设置的均匀照明称为一般照明。对于工作位置密度很大而对光照
方向无特殊要求的场所，或受生产技术条件限制不适合装设局部照明或采用混合照明不
合理时，则可单独装设一般照明。
⑵分区一般照明
对某一特定区域，如进行工作的地点，设计成不同的照度来照亮该区域的一般照明
称为分区一般照明，可以有效地节约能源。
⑶局部照明
特定视觉工作用的、为照亮某个局部而设置的照明称为局部照明。局部照明只能照
射有限面积，对于局部地点需要高度并对照射方向有要求时，可以装设局部照明。对于
因一般照明受到遮挡或需要克服工作区及其附近的光幕反射时，也宜采用局部照明。当
有气体放电光源所产生的频闪效应的影响时，使用白炽灯光源的局部照明是有益的。
⑷混合照明
由一般照明和局部照明组成的照明称为混合照明。对于工作位置视觉要求比较高，
且对照射方向有特殊要求的场合，往往采用混合照明方式。
2.4.2照明方式的确定
要在满足照明舒适性的前提下节约能源，住宅中必须根据照明的功能目的采取合理
的照明方式，一般照明结合局部照明便可获得良好的照明光环境。例如卧室，卧室主要
是休息场所，当进行一般的活动(整理床铺、折迭衣服、交谈)时，可只打开一般照明，
照度为50lx左右。但当坐在梳妆台前化妆时，如只打开卧室中央的吸顶灯，灯光可能
从背后或侧面射来，脸上不能获得应有的照度，显得脸色晦暗。如果在梳妆台上方可设
置局部照度(300lx)，并控制眩光的角度，不让光线直射入眼，就可以达到很好的效果，
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不用时可以关闭，灵活、方便。一般人睡觉前会有床上阅读的习惯，可在床两侧的床头
柜上设置台灯，或在床的上方设置壁灯，并可单独控制。
总之，在需要高照度的场所，尽量采用局部照明。尤其住宅中是以环境照明为主，
如果都以高照度的标准设置室内的平均照度，不仅浪费有限的资源，而且达不到应有的
照明要求。
2.4.3照明的种类
一般包括正常照明、应急照明、值班照明、警卫照明和障碍照明这五种。在本设计
中主要采用正常照明，各种照明的具体定义及适应范围这里不在详细的介绍。
2.5电光源的选择
选择光源以优先选用光效高、寿命长、节约电能的光源为原则，结合环境特点及工
艺要求综合考虑。下面介绍几个选择光源的角度：
⑴光源的发光效率角度
光源发出的光通量是以流量(lm)来度量的，而每瓦电能所能发出的光通量就是光
源的发光效率，简称光放。因为普通白炽灯、普通荧光灯的光效可以大大低子高效节能
电光源(节能白炽灯、紧凑型荧光灯、高效直管荧光灯)，为节约能源，应尽量采用节
能电光源。
⑵光源的色温角度
光源的色温:与所研究的光源色品度相同或最接近完全辐射体的温度，用绝对温度
K表示，是将一标准黑体加热，温度升高至某一程度时颜色开始由红～浅红～橙黄～白～
蓝白～蓝，逐渐改变，利用光色的这种变化特性，某光源的光色黑体在某一温度下呈现
的光色相同时，将黑体的绝对温度称为该光源的色温。在照明中，不同的光源具有不同
的色温，它们引起不同的外观效果。表2-3给出不同色温的光源所具有的外观效果阁。
在照明设计中，应考虑季节变化，夏季宜采用高色温光源，冬季宜采用低色温光源。
表2-3光源的颜色外观效果
色温颜色外观效果
>5000K冷
3300～5000K中间
<3300K暖
不同色温不但给人们以不同的外观效果，而且要求的照度也不同。表2-4给出在不同照
度下，对光的不同颜色外观效果的总印象。
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表2-4不同照度下不同光色的外观总效果
照度光色外观效果
暖中间冷
500
舒适
刺激
不自然
中等
舒适
刺激
冷
中等
舒适
500～1000
1000～2000
2000～3000
3000
⑶光源的显色性角度
光源显现被照物体颜色的性能称为显色性，也就是颜色逼真的程度。光源的显色性
是由光源的光谱功率分布所决定的，光谱连续的光源显色性好，物体在该光源下，所
呈现的颜色就比较逼真。显色性用显色指数定量地表示。
CIE显色指数是指14种特殊规定的颜色中的任一色样，在待测光源下的颜色与在
参照光源下的颜色一致的程度的度量。用特殊显色指数R;表示有关单个色样在被测光
源下的显色程度，前8个色样的显色指数(R1-R8)的平均值称为CIE的一般显色指数，
用Ra表示，是0-100的数值。一般人工光源用Ra作为评价显色性的指针。光源的显
色指数愈高，其显色性愈好。显色性与参照光源完全相同时Ra为100。一般认为
Ra=80-100显色性优良，Ra=50-79显色性一般，Ra<50显色性较差。实验结果表明:在
相同的照度下，采用显色性好的光源，视亮度(主观亮度)较高，采用显色差的光源，
视亮度(主观亮度)较低。若采用显色性差的光源，应相应地提高照度值，以提高色度。
表2-5说明人工光源对不同颜色所产生的影响。
表2-5人工光源对不同颜色所产生的影响
光源暖色（红、黄、橙）冷色（蓝、绿、黄绿）
冷光荧光灯
能把暖色冲淡或使之带
灰
能使冷色中所有黄色及
绿色成分加重
3500K白光荧光灯
能使暖色暗淡，对一般浅
绿的色彩及淡黄色捎带
黄绿
能使冷色带灰，但能使其
中的绿色成分加重
柔白光荧光灯
能使任何鲜艳的冷、暖色
看去都更有力
能使浅淡的色彩和浅蓝、
淡绿等冲淡，使蓝色及紫
色罩上一层粉红
白炽灯
能加重所有暖色，使之看
去鲜艳
能使一切淡色、冷色暗淡
及淡灰
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2.6智能照明控制系统的控制方式
根据现有的智能照明控制系统的控制方式，分为开环控制、闭环控制和应急照明控
制。
2.6.1开环控制
（1）定时控制
定时控制是一种常用的控制方式，分为计时器和实时时钟两种。计时器由手动操作，
一旦被驱动，打开灯光并保持一段时间，时间的长短是预设的。计数时间到就关闭灯光，
如要打开灯光需重新驱动定时器。一般的计时器可定时5分钟到两个小时。人离开后可
自动关闭灯光，可节约能源，但如人停留的时间超过定时时间，需再次驱动，可能会造
成灯光频繁的开关。计时器大多用在人只作短暂停留的场合或者正常工作时间以外偶尔
有人逗留的区域。
实时时钟控制是根据预先的时间设定来进行控制，根据时间打开、关闭灯光或调节
灯光到某一设定的水平。有机械实时时钟和电子可编程实时时钟两类。机械实时时钟简
单易用，价格相对便宜，但只可设定一个时间。电子可编程实时时钟则可设定很多不同
的灯光区域和时间。采用实时时钟管理灯光方便，可节约能源，但有时需要设置手动开
关。
（2）手动遥控器控制
通过遥控器，实现在正常状态下对各区域内用于正常工作状态的照明灯具的手动控
制和区域场景控制。
开关控制是灯具最简单、最根本的控制方式。采用这种方式可以根据灯具的使用情
况以及不同的功能需求，方便地开灯或关灯。这是目前最为常见、使用最普遍的照明控
制方式。开关控制可分为跷板开关控制、断路器控制、红外传感器控制等。其中，红外
传感器与调光技术的并用，不仅可以控制灯的开关状态，而且还可以控制空间的照度水
平，这将使一个人走人完全黑暗空间时的不舒适感大为减少。目前又发展了定时控制、
光电感应开关控制、声控开关控制等。
就目前现有技术而言，遥控开关大多采用可控硅或继电器作为开关器件。可控硅的
抗干扰和抗过载能力很差，不适宜控制感性和容性负载，可靠性差，长时间工作容易损
坏。而继电器工作时线圈有一定功耗，易发热不适宜长时间工作，继电器的触点也不能
长期工作在过载状态。同时这些采用可控硅或继电器的电子开关，一旦出现故障将使受
控电器不再受。电器处于长期通电或断电状态很不安全。安全性、可靠性、稳定性这些
问题成为各种电子化开关成为各厂家努力寻找解决的目标。
大约80%的家庭拥有三个以上遥控器，过多的遥控器使人产生不方便感，而多种功
能合一的遥控开关集多种遥控功能于一身。首先它是无线遥控开关，可以控制家中的照
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明，窗帘，空调等系统;同时它也是红外遥控开关，内置了许多品牌的电视，音响，VCD
等红外控制指令集。还可以学习两种红外线遥控器的控制功能，用于客厅或高级家庭影
院。将计算机、电话、视听设备、安全监控设备、厨房设备、电灯、窗帘等受控设备的
红外遥控码进行学习和对所有设备模拟控制，然后集中在一个无线液晶屏上，通过液晶
屏上的中文菜单选择点击，只要拿着这只全能遥控器，就可以遥控家里的任何一个角落
的设备。
（3）区域场景控制
智能照明系统中，回路级别是根据使用要求和其它因素预先编程好的。照明设备可
以独立控制，或者在回路中成组控制。每个回路或者设备可设置成不同的亮度水平。这
些亮度水平可以储存为一个“场景”，其可以看作为一个房间或区域的一个完美外观。
场景一旦设计完成，场景可以很容易地通过操作墙上的控制面板或遥控器实现，也可以
通过定时器，光传感器或者根据活动区域探测器自动地实现场景照明。一旦新的场景被
选中，照明设备将以预先设定的速率转换到新的设置水平。区域场景控制可以实现多种
照明效果，创造视觉上的美感。但其也有不足，就是在修改场景时必须通过编程。
2.6.2闭环控制
⑴照度检测控制
为了充分利用日光，节约能源，通过照度检测器检测窗户外边的自然光照度，根据
日光系数计算出室内某一点的水平照度，由计算得出的水平照度开启相应的灯光并调节
到相应的亮度，使该区域内的照度不会随日照等外界因素的变化而改变，始终维持在照
度预设值左右。这种控制方式是照度检测控制。但是这种控制方式利用昼间照明，故存
在两个方面的问题：1)建筑设计者需要确定一年中哪些时期日光在室内产生的照度超过
日常工作所需的照度；2)工程师安装由日光控制的人工照明系统时需要有一个准确的控
制参数以保证有一个舒适的视觉环境。
⑵照明与窗帘的联动控制
电动窗帘控制系统是整个居室照明系统的一个重要功能部分，它把家中的窗帘系统
纳入整个智能照明中。而电动窗帘控制系统的核心就是窗帘电机控制器，利用它就可以
对窗帘进行控制。
2.6.3应急照明控制
应急照明控制是指智能照明控制系统对特殊区域内的应急照明所执行的控制。在正
常状态下，它能够自动调节照度和区域场景控制同调节正常工作照明灯具的控制方式相
同。在应急状态下，它能够对各区域内用于应急工作状态的照明灯具放弃调光，实现自
动解除调光控制，使处于事故状态的应急照明达到100％。
以上分析了智能照明控制系统中通常采取的几种照明控制方式，并不是一个照明控
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制系统必须包含上述所有控制方式，而是根据需要，以及可行性，确定采用其中的一种
或几种的组合控制方式。
2.7智能家居照明控制系统设计
2.7.1系统的基本功能
（1）调光功能，即可对荧光灯、白炽灯等光源进行调光，可记忆多个场景以满足会客，
家庭聚会、休闲娱乐、文化学习等多种场景的光环境的需求。
（2）编程功能，能够方便的修改灯光的场景。
（3）软启动和软关断功能，避免冲击电流对光源的损害，延长光源的寿命。
（4）显示功能，包括时间显示、场景显示、季节显示等。
（5）手动调光功能，当手动调光器在最大或最小值输出时，处于自动调光状态；当其
处于最大和最小值之间时，可根据需要进行手动调光。
（6）休假模式功能，当主人外出休假时，按下休假模式按键，系统即可进入休假模式，
根据程序设定，就可模拟主人在家时最常用的灯光模式。
（7）不仅可以独立运行，实现对光环境的合理控制，而且具有通信和可扩展性功能。
2.7.2系统的基本结构
根据系统功能，系统主要由控制面板的输入电路、光照度检测电路、输出电路、调
光电路和显示电路组成。
光照度检测模块由光敏二极管和运算放大器组成，当把光敏二极管的两端连接起来
的时候，就会产生与光照度成正比的电流，这就是短路电流，由于电流很小，所以经过
运算放大器的放大作用同时转换成电压送入A/D转换输入单片机去处理。模数转换芯片
采用ADC0831，接收经过运算放大器处理后的光照度的检测值，经过ADC0831处理后送
单片机进行数据处理。处理后的信息将通过单片机控制，在LED显示管上显示出光照度
所对应的电压，并且控制八个发光二极管的亮灭。输入回路由控制面板组成，输入人们
的控制指令，比如场景切换，进入休假模式等。电源电路主要把交流电源转换为控制器、
各芯片的工作电源及参考电压。显示电路完成时间显示、场景显示、季节显示等功能。
输出电路由固态继电器或调光器、灯光回路组成，完成对荧光灯、白炽灯的调光。目前，
采用可调光电子镇流器((PWM调光技术)的方式来实现荧光灯的调光。近年来，出现了
一种先进的电脑调光控制技术—智能调光系统(系统中采用微处理器，可据不同要求对
光环境进行智能地调节)。整个系统的原理框图如下图2－1所示。
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图2-1系统框图
2.7.3各个房间的照明设计及要求
客厅、厨房、餐厅、卧室、书房、卫生间，为现代家居照明设计的六个
节点，构成了智能家居生活的六面魔方。别小看空间中的灯光，这些看不见摸不
到的设计元素的确影响着你精心布置的家居。热烈或宁静，沉稳或活波，浪漫或温馨，
同样的结构形式，装饰风格，不同的灯光却塑造出截然不同的气质。
⑴客厅形式大于功能
客厅，家居空间中使用频率最高的区域，也是最能体现家居气质的中心地带。这里
的照明其装饰性往往大于功能性的要求。所以，我们尽可以挑选自己喜欢的灯具造型，
让灯具的外观也成为空间中独特的装饰品。值得注意的是，客厅通常属于公共空间，这
里需要相对柔和均匀的光线环境。所以，要记得将灯具的光源向上安装，并利用顶面对
整个空间进行漫反射照明。不同于直射照明，经过反射的光线总能触及到空间的每一个
角落，不至于让空间有明显的黑暗死角。同时，根据需要可以适当在角落布置一些筒灯，
这样既能够弥补艺术灯具照度不足的尴尬，又能让光线更均匀，增加空间的视觉通透感。
见图2-2所示。
⑵书房功能至上主义
书房空间有明显的功能倾向，一般以雅致、宁静的气氛为佳。于是，在这种功能至
上的环境中，灯具的形式一定不能成为空间的主角，也就是说，书房的照明布置的原则
是以满足照度要求为准。需要注意是不要在书房里装射灯，由于其光线的刺激、突兀，
有可能会造成眩光。其次为了满足不同的使用需求，除了在顶部安装整体照明的吊灯之
外，还需要在空间的局部位置安装点光源。如书架的顶部层板、沙发的背后、书桌上分
别布置筒灯、落地灯、和台灯，这样既能照亮整个空间，又可以让点光源将空间的焦点
集中落在需要照亮的地方。于是，一个没有任何外界干扰的读书空间就因灯光而形成了。
见图2-3所示。
控制
输入
光敏二放大A/D
AT89S
LED
灯光
PC机
光照
固态继电调光
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图2-2客厅空间设计
图2-3书房空间设计
⑶卧室温情的漫反射
几乎每个人都希望自己的卧室能够尽可能得温馨、雅致。那么，除了改变墙面的色
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彩，我们当然还能利用照明给空间来一番改头换面。尽量利用漫反射的方式照明整个卧
室空间。在顶角或踢脚的位置设计一些灯槽，让灯光向顶面或地面照射，然后通过这些
部位的反射光完成空间照明。同时，光照的强度不必很高，目的是让均匀且微弱的漫反
射为卧室创造一种宁静、安逸、舒适的氛围，见图2-4所示。
图2-4卧室空间设计
⑷餐厅明亮宽敞为主
餐厅的光照需要明亮，但要注意避免选择色温低的灯具，只有偏冷色调的灯光才会
让原本并不宽敞的空间显得清爽、通透。餐桌上方可以选择一些显色度高的灯具，同时
注意灯罩朝下布置在餐桌上方，目的是让你的丰盛佳肴更加诱人。
⑸卫生间于细节处见真谛
卫生间的空间一般不会很大，所以能够增加空间感的偏冷色调的灯具应该是最佳选
择。另外，不必吝啬使用射灯或筒灯，安装在洁具正上方的射灯能够最大限度地表现其
光滑亮泽的表面质感，但要记得在这些灯具上安装相应的防雾罩，避免水蒸气进入而损
坏灯具。
⑹厨房生活奏鸣
厨房在生活的比喻中，一直有“锅碗瓢盆”奏鸣曲的美名。而如何让这首
曲子奏得欢畅，第一要保证有足够的亮度，尤其是在操作区不能有阴影和眩
光，这关系到您在挥洒刀功的同时，不会伤害到手指。同时，厨房里经常需
要煎炸烹煮，油烟等物自然是少不了的，所以在选择灯具的时候，也要选择
密封性好、易于清洁且耐腐蚀的灯具。
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3智能家居照明控制系统硬件电路设计
家居照明控制系统的智能化主要体现在两大功能模块上，一个是智能调
光装置，另一个就是光照度的检测、显示及补偿装置。下面主要就这两方面
来介绍智能照明系统的硬件设计，但这里要特殊申明的是，由于各种原因在
硬件的具体制作与实验方面，本人只制作了照度检测、显示及补偿的演示装
置。
3.1主要元器件的选取
3.1.1控制器的选择
硬件设计过程中控制器是系统的核心部分，它能够控制系统的信号的采集及处理功
能，它的性能的好坏决定着系统设计的成败与否，因此，必须对主控制器从功能和应用
性能进行选择。可选用控制器主要有可编程控制器(PLC)、单片机两类，它们各有自己
的有缺点。
可编程控制器（PLC)是专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储
器，、用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向
用户的指令，并通过数字或模拟式输入、输出控制各种类型的机械或生产过程。它的主
要功能是逻辑控制、定时控制、计数控制、步进控制、PID控制、数据控制、通信和联
网等。因此它的抗干扰能力强，工作可靠，但其无法读取外部存储器的数据。而本文智
能家居照明控制系统要实现对照明的人性化管理，也就是根据人的控制输入出现相应的
照明场景和自动执行相应控制输出相结合，具备很大的灵活性。方便修改相应的场景参
数，易于功能扩展，还可以与PC机以及与其它单片机进行通信。
由于单片机技术在各个领域得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家
相继推出了各种类型的单片机。而单片机的设计在满足大多数测控参数对数据处理速度
和数据容量相对要求不高的前提下，大力发展了其控制功能和控制运行的可靠性，因而
更适合于检测、控制型应用场合。本系统并不需要进行复杂数学模型的计算工作，数据
容量也不多，非常适合使用单片机作为本系统的微处理器。
而在单片机家族的众多成员中，AT89系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及
高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国
内单片机应用领域中的主流。目前，可用于AT89系列单片机开发的硬件越来越多，与
其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因此，可以极方便地利用现有资源，开
发出用于不同目的的各类应用系统。由于AT89S51单片机是在8031的基础上推出的增
强型产品，并提高了芯片的集成度，因此在性能上大为提高，增加了多种片内硬件功能，
并扩展了功能单元的种类和数量。通过以上分析，最终选择AT89S51作为本系统的主控
器。
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3.1.2显示器件的选择
显示主要有LCD显示和LED显示两种。液晶显示器(LCD)是一种低功耗的显
示器件，在袖珍式仪表或低功耗应用系统中有广泛的应用。液晶显示器有标准段式液晶
显示器、字符点阵液晶显示器和全点阵图形液晶显示器三种。液晶本身并不发光，而是
借助自然光或外来光源显示数码，它的优点是工作电压低，耗电极省、成本低。LED
显示器是由发光二极管显示字段组成的显示器，有7段和“米”字段之分。这种显示器
有共阴极和共阳极两种。显示器有静态显示和动态显示两种。静态显示是使需要显示的
字符的各字段连续通以电流，因而所显示的字段连续发光。动态显示是使所需要显示的
各字段断续通以电流，因而其发光是不连续的。对于本系统考虑成本及需求等方面，选
择LED数码管显示。
3.1.3光照度检测元件的选择
光照度检测元件有光敏电阻、光敏三极管、光敏二极管等三种光敏元件。
使用光敏电阻作为光照度的检测元件，光敏电阻器由能透光的半导体光电晶体构
成，因半导体光电晶体成分不同，又分为可见光光敏电阻、红外光光敏电阻、和紫外
光光敏电阻。当敏感波长的光照半导体光电晶体表面，晶体内载流子增加，使其电导率
增加（即电阻减小）。值得注意的是，光敏电阻的光照特性（随光照强度变化的特性）、
温度系数（随温度变化的特性）、伏安特性线性度不好，所以选择光敏电阻作为本次实
验的光照度检测元件不是很适合。
使用光敏三极管作为光照度的检测元件，光敏三极管和普通三极管的结构相类似。
不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受
光结，因此，光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普
通三极管。当人射光子在基区及集电区被吸收而产生电子一空穴对时，便形成光生电压。
由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了β倍的信
号电流。因此，光敏三极管是一种相当干将基极、集电极光敏二极管的电流加以放大的
普通晶体管放大。但结构原因使结电容加大，响应特性变坏。所以选择光敏电阻作为本
次实验的光照度检测元件也不合适。
使用光敏二极管作为光照度的检测元件，光敏二极管是利用半导体材料的光特性实
现二极管的开关功能，光敏二极管和普通二极管相比虽然都属于单向导电的非线性半导
体器件，但在结构上有其特殊的地方。光敏二极管使用时要反向接入电路中，即正极接
电源负极，负极接电源正极。根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向
电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子-空穴
对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结
时，结内将产生附加的大量电子空穴对（称之为光生载流子），使流过PN结的电流随着
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光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。不同波长的光（蓝光、红光、红
外光）在光敏二极管不同区域被吸收形成光电流。光敏二极管和光敏三极管是光电转换
半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用
方便等优点。正因为这些特点本系统主要选择光敏二极管作为光照度检测元件。
3.2电源电路设计
本系统主要采用＋-12V电源和+5V电源，电路图如图3-1所示：
图3-1电源电路
3.3主控制电路设计
AT89S51的RST引脚为复位引脚，只要在RST引脚上出现两个机器周期以上的高
电平，即可实现复位。本设计采用的是按键复位，如图3-2所示，当按下按键后，电容
被短路，RST引脚就处于高电平，就可以达到复位的目的。
图3-2复位电路
AT89S51单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡
方式。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振
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荡器(简称晶振)，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，
当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如
下图3-3所示。图中，两个电容起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在
20-30pF。晶振频率的典型值为6MHz或12MHz，设计中电容取30pF，晶振为12MHz。
图3-3晶振电路
本设计中单片机的各管脚的控制功能阐述如下：
⑴P0口是一组双向I/O端口，它分时提供低8位地址和8位双向数据。在设计
中P0.0～P0.7接上发光二极管后与八个上拉电阻相连，用于模拟照度补偿。
⑵P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。本设计中P1口与两个LED
数码管相接，构成光照度显示部分。
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图3-4主控制电路
⑶P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。设计中，P2.2-P2.4用于外接A/D
转换芯片,P2.0和P2.1用于三极管的驱动，P2.5用于采用PWM方式调光，P2.6和P2.7
用于实现手动与自动切换及手动调光功能。
⑷P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。在整个系统中，这8个引脚
还具有专门的第二功能。本设计中用到P3.0和P3.1作为串口输出，RXD与TXD与电
平转换芯片MAX232相连，信号经过电平转换后在PC机连接，通过光照度监控系统
对光照度进行计算机监控。具体见上图3-4所示。
3.4数据采集及处理电路
3.4.1数据采集电路
本设计中选择光敏二极管作为光照检测元件，具体电路如图3-5所示：
由图可知，为了将电流信号转换成电压信号，这里采用了反相比例运算。即
outinF
VIR•或out
in
F
V
I
R
(3-1)
其中：
out
V——输出电压；
in
I——光敏二极管的光电流；
F
R——反馈电阻，这里(
23F
RRR)。
若标定好光敏二极管的输出电流是每一百勒克斯为0.55μA，此时若运算放大器（OP07）
的反馈电阻
F
R取为180kΩ，那么就可以得到1mA/lx的灵敏度，对于灵敏度的分散
性，可以用电位器R3进行调整。图中的电容的作用是将电灯光的明暗闪烁进行平均，
使得输出不产生闪烁的现象，每lx的光产生的输入电流为：
（3-2）
此时：
（3-3）
即每lx的光就可以得到1mV的输出电压。
0.55
100
uA
I
lx
0.55
1801.0
100outF
uA
VIRKmV
lx
••
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图3-5数据采集电路
3.4.2AD转换电路
模数转换芯片采用ADC0832，接收经过运算放大器处理后的光照度的检测值，经过
ADC0832处理后送单片机进行数据处理。ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8
位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，目前已经有很高的普及率。
ADC0832具有一下特点：
•8位分辨率；
•双通道A/D转换；
•输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；
•5V电源供电时输入电压在0～5V之间；
•工作频率为250KHZ，转换时间为32uS；
•一般功耗仅为15mV；
•8P、14P—DIP(双列直插)、PICC多种封装；
•商用级芯片温宽为0oc～+70oc，工业级芯片温宽为-40oc～+85oc。
其封装图如下图3-6所示:
CS()
REF
VCCV
0CH
CLK
1CH
0D
GND
1D
图3-6ADC0832封装图
芯片接口说明：
•CS
片选使能，低电平芯片使能；
•CH0输入通道0，或作为IN+/-使用；
•CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用；
•GND芯片参考0电位；
•DI数据信号输入，选择通道控制；
•DO数据信号输出，转换数据输出；
1
8
2ADC0832
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•CLK芯片时钟输入；
•VCC电源输入及参考电压输入（复用）。
芯片时序说明：如下图3-7所示：
图3-7ADC0832芯片时序图
ADC0832与单片机的接口电路及原理：
ADC0832的2脚与光照度传感器的输出电压
out
V相接，采用0通道输入，
CS
口与
P2.4口相连，用于控制ADC0831的片选信号，低电平有效，7脚的CLK接在P2.3口，
通过单片机为ADC0831输入时钟信号，5脚的DI选择通道控制与P2.5相连，6脚的串
行口输出与P2.2相连，经A/D转换后的数字信号通过P2.2口输入单片机，由单片机进
行处理。如图3-8所示：
图3-8ADC0832与单片机的接口电路
当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI
的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持电平到转
第24页共47页
换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由单片机向芯片时钟输入端CLK输入时钟
脉冲，使用DI端输入通道功能选择数据信号。在第一个脉冲的下降沿之前DI端必须
是高电平，表示启动信号。在第2、3个脉冲下降沿之前DI端输入2位数据用于选择通
道功能，其功能项见表3.1所示：
表3.1通道选择表
MUXAddressChannel
#SGL/DIFODD/SIGN01
10+
11+
本设计中只需要对CH0进行单通道转换，如上表所示需要将2位数据置为“1”、
“0”即可。到第3个脉冲的下降沿之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DI端
则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下降沿开始DO端输出转
换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下降沿DO端输出下一位数据。直到第11个脉
冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结
束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。
3.5显示电路设计
本设计采用LED动态显示方式，使用两个LED数码管进行显示，数码管是共阳极
接法，分别显示个位和十位数据。a～h分别与P1口的八根I/O线相连，低电平有效，
形成段选线多路复用，它们的公共端则由PNP型三极管8550控制。
如果8550导通，则相应的数码管就可以亮，而如果8550截止，则对应的数码管就不能
亮，8550是由P2.0，P2.1控制的,这样我们就可以通过控制P2.0、P2.1达到控制某个数
码管亮或灭的目的。此外三极管还具有驱动作用，能够使数码管亮度加强。如图3-9所
示：
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图3-9数码管显示电路
3.6照度补偿电路设计
通过数码管显示的电压值，能够反应出光照度的大小，因而就可以根据数码管的显
示来进行照度补偿。本设计中利用8个发光二极管作为照度补偿的演示，通过制作表格，
建立起电压值和发光二极管点亮的个数两者之间的关系，如下表3.2所示：
表3.2电压值与二极管的对应表
电压
范围
0.00.0～
0.5
0.5～
1.1
1.1～
1.7
1.7～
2.3
2.3～
2.9
2.9～
3.5
3.5～
4.1
4.2～
5.0
点亮
个数
876543210
具体电路如图3-10所示：
图3-10照度补偿电路
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3.7调光电路
本设计中采用PWM方式进行灯光调节，主要采用软件来实现。调光分智能调光和
手动调光，通过P2.6和P2.7端口来控制。如图3-11所示：
图3-11调光电路
3.8串行接口电路设计
为了使设计的电路更加智能化，能够与当今社会接轨，能够使人们随时地对光照度
进行监控，本设计还设置了单片机与PC机的串行通信接口电路，为今后的网络化控制
预留了空间。设计中采用单片机作为下位机，PC机作为上位机，利用MAX232作为电
平转换来进行串行通讯。
MAX232是MAXIM公司生产的低功耗、单电源双RS232发送/接收器,MAX232
芯片内部含有一个电容性电压发生器,可把输入的+5V电源变换成为RS232所需的±
10V电压,所以采用此芯片接口的串行通讯系统只要单一的+5V电源即可。该芯片取用
了16引脚的双列直插式封装，引脚图如图3-12所示：
图3-12MAX232封装引脚图图3-13串口引脚图
MAX232主要由三部分组成:电压倍增器、RS-232接收器、RS-232发送器。RS-232C
1
2
3
4
8
7
6
5
9
10
11
12
13
14
15
16
MAX232
MAXIM
Vcc
GND
T1OUT
R1IN
R1OUT
T1IN
T2IN
R2OUT
C1+
V+
C1-
C2+
V-
T2OUT
C2-
R2IN
第27页共47页
标准总线为25根，但这个25针的串口一般为打印机使用，所以本设计使用目前PC机
较为常见的9针串口(DB9)如上图3-13所示。
表3.3引脚功能说明表
针号功能简称
1数据载波检测DCD
2接收数据端RXD
3发送数据端TXD
4数据终端设备DTR
5地GND
6数据设备准备好DSR
7请求发送RTS
8清除发送CTS
9振铃指示DELL
硬件接口电路如图3-14所示：
图3-14串行接口电路
第28页共47页
4智能家居照明控制系统软件设计
本设计选用C语言作为编程工具，它目前使用最广泛的一种程序设计语言，它具
有丰富的数据类型，它所提供的数据结构和控制结构适合于进行结构化程序，并且，利
用C语言可以实现汇编语言的大部分功能，使用灵活，可移植性好。因此，用C语言
来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和
扩充。
4.1结构设计
本设计软件部分应包括：光照度检测程序、显示程序和光照度补偿程序。单片机初
始化后，接着启动A/D转换，根据电压值查表，把转换到的光照度值发送至PC机，最
后将测量值与设定值比较，控制发光二极管的亮灭。程序中设计了循环程序，可以不断
地测量光照度。
4.2流程图
4.2.1主程序
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图4-1主程序流程图
4.2.2显示子程序
开
动态显示初
选位选字到
查段选
段选码送
指向下一个
启动AD
初始化
检测光
控制二极
是否显
结
Y
N
开
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N
Y
图4-2显示程序流程图
5实验与调试
5.1实验模拟装置的制作
本次设计主要就光照度检测、处理、显示及补偿这几个方面做了一套实验模拟装置。
该套模拟装置主要有四大部分，即光照度检测模块、光照度显示模块、主控模块和设计
智能控制装置的硬件电路及相关接口。光照度检测模块主要由光敏传感器组成，它是整
个系统中的关键元件。主控模块由单片机及其相关软件组成，由程序对单片机进行控制。
显示模块主要由一个两位的LED数码管实现电压的显示，通过查表即可知道当前的照度
值。同时实现了单片机与微机的接口，具有微机显示功能。模拟装置的设计需要单片机、
传感器、模电、数电及C语言等课程的相关知识，需要认真去学习和研究。
制作原理：由光敏二极管和运算放大器组成光照度检测模块，当把光敏二极管的两
端连接起来的时候，就会产生与光照度成正比的电流，这就是短路电流，由于电流很小，
所以经过运算放大器的放大作用同时转换成电压送入A/D转换。AD转换芯片采用
ADC0832，经过ADC0832处理后送单片机进行数据处理。处理后的信息将通过单片机控
第31页共47页
制，在LED显示管上显示出光照度所对应的电压，并且控制八个发光二极管的亮灭。
5.2实验模拟装置的调试
•检查电路板的印制线是否有断路、有毛刺、与其它线或焊盘粘在一起，焊盘是否有
脱落，过孔是否有未金属化现象等。
•先用万用表复核目测中认为可疑的连接或是接点，检查它们的通断状态是否正确。
再检查各种电源线与地线之间是否有短路现象，若有要认真排查并解决之。
•检查元件的安装是否正确，对于那些有极性的元器件一定要确保连接正确。
•电路接通电源后，用手摸一下芯片是否发热，如果发热，立即关掉电源，稍后再进
行再次检测；如果没有发热，再测试芯片的VCC端电压是否达到设计要求，接地端是
否都接地。
本次调试过程中，电源部分出现了问题，接通电源后有一个电解电容会迅速发热，
导线也会变软，经多方面核查，最终发现是该电容的正负极接反。之后随即将该错误纠
正，再次通电后，一切正常了。制作电路板是一个比较繁琐的过程，它需要我们时刻都
要用心去做，每个环节都不能忽视，只有这样才能达到锻炼的目的。
6结论与展望
一个好的照明环境能使人们愉快而高效地完成所要做的工作。这概括了照明设计的
真正目标是为居住人们提供一个舒适、愉悦、趣味、功能性的环境。本次设计完成的主
要工作是完成单片机控制系统、光照度测检测系统、光照度显示及补偿系统的制作。本
次设计通过查阅传感器、智能照明控制、单片机接口及应用等相关资料，设计出了针对
家居式环境的一套智能照明控制装置，在设计方案中，结合单片机的功能特点及其控制
特性，利用简便的单片机AT89S51_C语言和其内部时钟，以单片机作为检测和控制的
核心。根据设计方案，详细地阐述了单片机的控制原理、PCB板的制作，设计了相应
的硬件电路和系统软件，制作了实验模拟装置并进行调试。结果表明，所设计的电路和
软件能完成基本的预定功能。
由于自己时间和经验的不足，本文研究还有很多待完善和扩充的地方：
①照度变化较大时，灯光的调节线性不够，且因条件的限制，光照度标定的精度不
是很高；
第32页共47页
②应该使整个装置更加智能化，减少元器件的浪费，使系统更加可靠稳定。
③应该利用相关语言，在PC机上实现工程界面，更加方便进行照度的检测与监控。
随着科学技术的不断发展，我们相信在不久的将来智能家居照明技术将发展成熟，
智能照明将融入每一个家庭，在节约能源及绿色照明上为我国做出重要的贡献。
谢辞
本次设计是在我的指导老师罗奕老师的悉心指导下完成的。从论文选题、设计方案
的选择、系统设计与实现乃至论文撰写过程，罗老师都给予我很多切实的帮助。罗奕老
师有着严谨的治学态度、开拓的思维方式、以及指导学生的无限耐心，让我受益匪浅，
并将继续激励我在今后的人生之路上不断进取、勇攀高峰。在此谨向罗奕老师表示衷心
的感谢。
同时我要感谢在我周围热心帮助我的同学，他们总是在我遇到困难的时候伸出友谊
之手，在我的毕设制作过程中、在论文的写作及校正过程中，他们更是给了我大量的建
议和帮助，在此向他们表示衷心感谢。
第33页共47页
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第35页共47页
附录
附录A
程序
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**文件名:lei.h
**创建人:lei
**描述:定义一个二进制转化为十六进制的头文件
**-----------------------------------------------------------------------*/
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#defineB111111010xFD
#defineB111111100xFE
#defineB111111110xFF
#include
#include
#include
#include
#definev_th00xd8;
#definev_tl00xf0;
第43页共47页
Unsignedcharcode
dispcode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00};
unsignedcharcodelight_swith[9]={25,50,75,100,125,150,175,200,255};
unsignedcharcode
light_which[9]={B11111111,B11111110,B11101110,B01101101,B10101010,B10010010,B
00010001,B00000001,B00000000};
unsignedchardispbuf[2]={2,1};//显示数码管的存储区
sbittenbit=P2^1;
sbitonebit=P2^0;
sbitDO=P2^2;
sbitCLK=P2^3;
sbitCS=P2^4;
sbitDI=P2^5;
bitflagbit;//显示标志十位和个位的
unsignedcharcurrent_light_num;
unsignedcharcurrent_light_intension;
unsignedinttscnt;//达到200的计数器
voidinitial(void)
{//开定时器0中断
TMOD=0x21;
TH0=v_th0;
TL0=v_tl0;
TR0=1;
ET0=1;
}
unsignedcharadpr()/*A/D转换程序*/
{
unsignedchardat=0,i;/*cs=0,clk输出一个脉冲，启动AD*/
CLK=0;//芯片复位
CS=1;
_nop_();
CS=0;
_nop_();
DI=1;//启动位
CLK=1;
第44页共47页
_nop_();
CLK=0;
DI=1;//配置位1
CLK=1;
_nop_();
CLK=0;
DI=0;//配置位2
CLK=1;
_nop_();
CLK=0;//空闲位
_nop_();
for(i=0;i<=8;i++)//读出8字节数据
{CLK=1;
_nop_();
CLK=0;
if(DO)
dat++;
_nop_();
CLK=0;
if(i<7)
dat=dat<<1;
}
CS=1;//关闭芯片
returndat;//返回数据
}/*结束时,cs=1,clk=0*/
//
voidsetdisp()
{unsignedinttemp2;
unsignedchartemp;
temp2=(50*current_light_intension);
temp2=temp2/255;//读进数字量转换为电压显示
temp=(unsignedchar)temp2;
dispbuf[1]=(temp/10);
第45页共47页
dispbuf[0]=(temp%10);
}
voiddelay10ms(void)
{unsignedchari,j;
for(i=248;i>0;i--)
for(j=20;j>0;j--);
}
voidt0(void)interrupt1using1
{TH0=v_th0;
TL0=v_tl0;
if(flagbit==0)//轮流输送数据到数码管
{
onebit=0;tenbit=1;
P1=dispcode[dispbuf[0]];
}
else
{onebit=1;tenbit=0;
P1=dispcode[dispbuf[1]]&0x7f;
}
flagbit=~flagbit;
if(tscnt==200)//每隔两秒检测光照度的变化
{unsignedchartemp;
inti;
tscnt=0;
temp=adpr();
if(current_light_intension!=temp)
{current_light_intension=temp;
setdisp();
while(TI==0);TI=0;
for(i=0;i<9;i++)//根据当前的电压值设置亮灯的数目
{if(current_light_intension<=light_swith[i])//检测光强度范围
{if(current_light_num!=(8-i))//当前亮灯的数目是否可以
{current_light_num=8-i;
P0=light_which[current_light_num];
}
第46页共47页
break;
}
}
}
}
tscnt++;
}
附录B
试验板原理图：
第47页共47页
附录C
试验板PCB图：
第48页共47页
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