分 类 号:
单位代码:10452
临沂大学理学院
毕业论文设计
基于单片机控制的红外感应照明系统的设计
姓 名
石 少 帅 学 号 ************ 年 级 2008 专 业
电子信息科学与技术
系 (院)
理学院
指导教师 卢 伟 涛
2012年3月15日
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摘 要
节约用电是生产生活中的重要部分,针对传统的照明技术的缺陷以及公共场所用电浪费现象,提出一种用热释电红外传感器和光照检测相结合的智能照明控制系统,通过对光线的强弱和室内是否有人的判断自动实现开关灯,达到智能控制和节能的目的.
本设计主要包括硬件和软件设计两个部分硬件部分包括单片机控制电路、光照检测电路、红外探头电路、继电器等部分组成.整个系统是在系统软件控制下工作的,软件部分可以划分为以下几个模块:数据采集、数据分析、控制开关等.
关键词:单片机;红外传感器;数据采集;继电器;控制开关
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ABSTRACT
Conservation of electricity is an important part in the production and daily life. For the defects of the traditional lighting control technology and the phenomenon of the electricity wasting, a project of intelligent-illuminating control,which combined pyroelectric infrared transducer with illumination detection, is provided. In this project, an auto-switch light is realized by judging the power of optical line and the existence of human body indoor.It achieves the purpose of intelligent control and energy saving.
This system includes two parts, the hardware design and the software design. The hardware party includes MCU control circuit、light detection circuit、infrared sensor circuit、relay and some partial compositions. The overall system works under the system-software control. This system program divides into following several modules: the data acquisition、data analysis、control-switch and so on.
Key words: MCU; infrared sensor; data acquisition; relay; control-switch
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目 录
1 引言 .................................................................. 1 2 ATC52单片机概述 ..................................................... 1 2.1 ATC52单片机的结构 ................................................. 1 2.2 ATC52主要引脚功能 ................................................. 2 3 热释电红外传感器 ...................................................... 4 3.1 热释电红外线传感器简介 .............................................. 4 3.2 热释电红外线传感器结构特性 .......................................... 5 4 电磁继电器 ............................................................ 6 4.1 电磁继电器介绍 ...................................................... 6 4.2 继电器驱动原理 ...................................................... 6 5 方案设计 .............................................................. 6 5.1 系统概述 ............................................................ 6 5.2 系统硬件设计 ........................................................ 7 5.2.1 中心控制模块 .................................................... 8 5.2.2 光照检测电路 .................................................... 8 5.2.3 热释电传感器及处理电路 .......................................... 8 5.2.4 信号处理电路 .................................................... 9 5.2.5 控制电路 ....................................................... 10 5.3 系统软件设计 ....................................................... 10 6 结论 ................................................................. 11 附 录 ................................................................. 12 参 考 文 献 ............................................................ 15 致 谢 .................................................................. 1
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1 引言
近年来,智能控制系统迅速发展,各式各样的控制产品层出不穷.如一些公共场所的自动门等.本文设计的红外线人体感应单片机控制照明系统与之相似.
单片机又称单片微控制器,通过单片机与其他外围模块的组合可以制作许多自动化或者智能的系统,给我们生活等方面带来诸多方便.单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点,目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的经典系统,而且质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件.现在单片机的使用领域已十分广泛,彩电、冰箱、空调、录像机、遥控器、游戏机等无处不见单片机的影子.这能大大地提高这些产品的智能性,易用性及节能性等主要性能指标,给我们的生活带来舒适和方便.
本系统主要由光照检测电路、热释电红外线传感器及处理电路、单片机系统及控制电路组成.工作时,光照检测电路和热释电红外线传感器采集光照强弱、是否有人等信息送到单片机,单片机根据这些信息通过控制电路对照明设备进行开关操作,从而实现照明控制,以达到节能的目.
2 ATC52单片机概述 2.1 ATC52单片机的结构
图1 ATC52单片机外部结构图
ATC52是一个低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含8kb的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位处理器和Flash存储单元,功能强大的ATC52单片机可提供许多较复杂系统控制
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应用场合[1].
ATC52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,ATC52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程[2].其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本.
ATC52采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于调整时的功能控制.功能包括对主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,调整控制,测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等[3].主要管脚有:XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口,外接12MHz 晶振.RST/Vpd（9脚）为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路.VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口,分别接+5V电源的正负端.P0~P3 为可编程通用I/O脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0端口（32~39脚）被定义为N1 功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13 脚定义为IR输入端,10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口,分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口,12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口,连接主板CPU的相应功能端,用于当前制式的检测.
2.2 ATC52主要引脚功能
1、P0口
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口, 也即地址/数据总线复用口.作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用.
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻.
在Flash 编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻. 2、P1口
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路.对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口.作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流.
与ATC51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX),参见表1.
Flash 编程和程序校验期间,P1 接收低8 位地址. P1.0的第二功能时钟输出,P1.1第二功能P1.1定时/计数器2.
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表1 P1.0和P1.1的第二功能 引脚号 P1.0 P1.1 3、P2口
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL 逻辑门电路.对端口P2写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流.
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时,P2口送出高8位地址数据.在访问8位地址的外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容.Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号. 4、P3口
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口.P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路.对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口.此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流.
P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能,参见表2. P3口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号. 表2 P3第二功能 端口引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 5、RST
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位.
第二功能 RXD (串行输入口) TXD (串行输出口) INT0 (外中断0) INT1 (外中断1) T0 (定时/计数器0) T1 (定时/计数器1) WR (外部数据存储器写选通) RD (外部数据存储器读选通) 功能特性 T2,时钟输出 T2EX(定时/计数器2) 3
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6、ALE/PROG
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节.一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的.
要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲.对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG).如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH 单元的D0位置位,可禁止ALE 操作.该位置位后,只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE激活.此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE 禁止位无效. 7、PSEN
程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当ATC52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN 有效,即输出两个脉冲.在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号. 8、EA/VPP
外部访问允许.欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH),EA 端必须保持低电平(接地).
需注意的是:如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态.如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器中的指令.Flash存储器编程时,该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp. 9、XTAL1
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端. 10、XTAL2
振荡器反相放大器的输出端.
3 热释电红外传感器 3.1 热释电红外线传感器简介
热释电红外线传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化,并将其转化成电压信号输出[4].将这个电压信号加以放大,便可驱动各种控制电路,如作电源开关控制、防盗防火报警、自动检测等.热释电传感器具有成本低、不需要用红外线或电磁波等发射源、灵敏度高、可流动安装等特点.
为了探测移动人体,通常使用双元件型热释电红外传感器,在这种传感器内部,两个敏感元件反相连接,当人体静止时两元件极化程度相同,互相抵消.但人体移动时,两元件极化程度不同,净输出电压不为0,从而达到了探测移动人体的目的[5].
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热释电红外线传感器在每个探测器内装入一个或两个探测元件,并将两个探测元件以反极性串联,以抑制由于自身温度升高而产生的干扰.由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号,经装在探头内的场效应管放大后向外输出[6].图2双元红外传感器示意图,为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离,一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜,该透镜用透明塑料制成,将透镜的上、下两部分各分成若干等份,制成一种具有特殊光学系统的透镜,它和放大电路相配合,可将信号放大70分贝以上,这样就可以测出10-20米范围内人的行动[7].一旦人进入探测区域内,人体红外辐射通过部分镜面聚焦,并被热释电元接收,但是两片热释电元接收到的热量不同,热释电也不同不能抵消,经信号处理而输出电压信号.
图2 双元红外传感器示意图
3.2 热释电红外线传感器结构特性
图3 双探测元热释电红外传感器
图3是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图.使用时D端接电源正极,G端接电源负极,S端为信号输出.该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起,目的是消除因环境和自身变化引起的干扰.它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿.对于辐射至传感器的红外辐射,
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热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上,从而使传感器输出电压信号.制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料,它的探测波长范围为0.2-20μm.为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度,该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片[8].这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外,还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外.
产品在安装过程中还需要注意安装方向,由于透镜的光学特性决定横切探测区域
比较敏感,所以产品安装时要注意入侵方向与探测器视场的夹角,最好成90°垂直,这样就可以保证有人出现时能最大程度横切探测区域.
4 电磁继电器 4.1 电磁继电器介绍
电磁继电器是在在输入电路内电流的作用下,由机械部件的相对运动产生预定响应的一种继电器.它包括直流电磁继电器、交流电磁继电器、磁保持继电器、极化继电器、舌簧继电器,节能功率继电器[9].
电磁式继电器一般由控制线圈、铁芯、衔铁、触点簧片等组成,控制线圈和接点组之间是相互绝缘的,因此,能够为控制电路起到良好的电气隔离作用.当我们在继电器的线圈两头加上其线圈的额定的电压时,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合.当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置,使动触点与原来的静触点(常闭触点)吸合.这样吸合、释放,从而达到了在电路中的接通、切断的开关目的.
4.2 继电器驱动原理
当ATC52单片机的P2.0引脚输出低电平时,三极管饱和导通,＋12V电源加到继电器线圈两端,继电器吸合,继电器的常开触点闭合,相当于开关闭合.
当ATC52单片机的P2.0引脚输出高电平时,三极管截止,继电器线圈两端没有电位差,继电器衔铁释放,继电器的常开触点释放,相当于开关断开.在三极管截止的瞬间,由于线圈中的电流不能突变为零,继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应电动势,线圈产生的感应电动势则可以通过二极管释放,从而保护了三极管免被击穿,也消除了感应电动势对其他电路的干扰,这就是二极管的保护作用.
5 方案设计 5.1 系统概述
该设计包括硬件和软件设计两个部分.本系统主要由光照检测电路、热释电红外
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线传感器及处理电路、单片机系统及控制电路组成.工作时,光照检测电路和热释电红外线传感器采集光照强弱、是否有人等信息送到单片机,单片机根据这些信息通过控制电路对照明设备进行开关操作,从而实现照明控制.单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段,就本设计来说也包括这些过程[10].它们的进程框图如图4所示:
开始 确定设计方案 硬件设计 联机仿真调试 软件设计 排除故障 系统运行 完成研制
图 4 单片机应用系统研制过程框图
5.2 系统硬件设计
本系统主要由光照检测电路、热释电红外线传感器及处理电路、单片机系统及控制电路组成电路组成.它们之间的构成框图如图5总体设计框图所示,图6为相应系统硬件电路图.
延时选择电路 光照检测电路 热释电传感器 信号处理电路 CPU ATC52 控制电路 灯
图5 总体设计框图
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图6 系统硬件电路图
5.2.1 中心控制模块
目前较为流行的单片机有AVR 和51单片机,从系统设计的功能需求及成本考虑,51单片机性价比更高.ATC52是拥有2个外部中断、2个16位定时器、2个可编程串行UART的单片机[11].中心控制模块采用ATC52单片机已完全满足设计需要,实现整个系统控制. 5.2.2 光照检测电路
如图6所示,当外界环境光照强时,光敏电阻R13阻值较小,则A点电平较低;当外界环境光照弱时,光敏电阻R13阻值较大,则A点电平较高,将此电平送到单片机,由程序控制是否实现照明.
5.2.3 热释电传感器及处理电路
热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线,并将其转变为电压信号[12].热释电传感器具有成本低、不需要用红外线或电磁波等发射源、灵敏度高、可流动安装等特点.实际使用时,在热释电传感器前需安装菲涅尔透镜,这样可大大提高接收灵敏度,增加检测距离及范围.实验证明,热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜,则其检测距离仅为2 m左右;而配上菲涅尔透镜后,其检测距离可增加到10 m以上.由
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于热释电传感器输出的信号变化缓慢、幅值小,不能直接作为照明系统的控制信号,因此传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路,使得传感器输出信号的不规则波形转变成适合于单片机处理的数字信号[13].根据以上要求,人体热释电检测电路组成框图如图7所示.
检测对象 菲涅尔透镜 热释电传感器 信号处理电路
图7 热释电检测电路组成框图
5.2.4 信号处理电路
本设计采用BIS0001来完成对热释电传感器输出信号的处理.BIS0001是一款具有较高性能的热释电传感器信号处理集成电路,它主要由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成[14].由BIS0001构成的信号处理电路如图8所示:
图8 热释电传感器信号处理电路图
图8中,热释电传感器S极输出信号送入BIS0001的14脚,经内部第一级运算放大器放大后,由C3耦合从12脚输入至内部第二级运算放大器放大,再经电压比较器构成的鉴幅器处理后,检出有效触发信号去启动延迟时间定时器,最后从12脚输出信号(Vo)送人单片机进行照明控制.
BIS0001的1脚接高电平,使芯片处于可重复触发工作方式.输出Vo(高电平)的延迟时间T由外部R8和C7的大小调整;触发封锁时间Ti由外部R9和C6的大小调整[15].
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5.2.5 控制电路
系统在ATC52的P1中设置了延时时间选择电路,其目的是在环境光照较弱时,照明设备延时一段时间后自动熄灭.电路通过P1.0～P1.3设置4个延时时间,当P1.0～P3.0无开关闭合时,系统按初始值进行延时;当P1.0～P1.3有开关闭合时,程序从P1.3～P1.0进行检测,若检测到某一端口为低电平时,则系统按当前端口设置的值进行延时.设置时间关系值如表3所示:
表3 端口时间设置表
端口 时间／min P1.0 5 P1.1 10 P1.2 15 P1.3 20 单片机对光照检测电路和传感器处理电路输出的信号进行检测,输出控制信号由单片机的P2.0输出.在室内环境光照较强或光较弱但室内又无人时,P2.0输出高电平,此时三极管V1截止,继电器J1不工作,则接在220 V上的照明设备不亮.在室内光照较弱且传感器检测室内有人时,则P2.0输出低电平,此时三极管V1导通,继电器J1工作,则220 V 交流电通过继电器加到照明设备上,照明设备正常点亮.
5.3 系统软件设计
系统软件流程如图9所示：
图9 系统软件流程图
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软件部分的主要任务是完成对光照检测电路和对热释电传感器信号处理电路的输出信号进行处理.在光照较强时,系统继续对光照检测电路的输出状态进行检测;光照较弱时,系统对信号处理电路的输出状态进行检测.若室内有人时为高电平,系统控制照明设备点亮并按设定的时间进行延时.在延时时间内再一次检测到有人时,则系统又按设定的时间进行延时;若在延时时间内检测到室内无人时,则系统控制照明设备熄灭并重新对信号处理电路的输出状态进行检测.
6 结论
本课题研究设计了一种基于单片机技术的红外感应控制照明系统.该设计以ATC52单片机为工作处理器核心,外接热释电红外传感器,以非接触方式探测出人体发出的红外辐射,并将其转化为相应的电信号输出,同时能有效的抑制人体辐射波长以外的红外光线与可见光的干扰.工作时,光照检测电路和热释电红外线传感器采集光照强弱、是否有人等信息送到单片机,单片机根据这些信息通过控制电路对照明设备进行开关操作,从而实现自动照明控制.
本次设计的智能照明控制系统,可以有效地对照明设备进行自动控制,为我们的生活带来方便,能够达到智能控制和节能的目的,尤其适用于学校教室,小区,楼道照明等场所.由于该系统采用了单片机控制,所以具有较高的性能价格比和柔性,即可以根据实际情况进行变更和扩展,提高了系统灵活性和适应性,有利于应用和推广.
智能照明系统的广泛应用已经成为了照明系统的发展趋势,这种技术不仅可以实现灯自动照明,而且还可以根据不同的场合进行相应的设计等优势,是一种值得推广的新技术.
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附 录
程序1:
#include init();//初始化子程序 while(1) { if(guang=1)//光照弱 flag=0; { if(ren=1)//有人 { flag=1；//灯亮 if(wu==0) { delay（20）； if(wu==0) { num++; if(num==3000)//延时五分 num=0; } } if(shi==0) { delay（20）； 12 临沂大学理学院2012届本科毕业设计 if(shi==0) { num++; if(num==6000)//延时十分 num=0; } } if(shiw==0) { delay（20）； if(shiw==0) { num++; if(num==15000)//延时十五分 num=0; } } if(ersh==0) { delay（20）； if(ersh==0) { num++; if(num==20000)//延时二十分 num=0; } } } flag=0; } } void delay(uint z) { uint x,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--); } flag=0; 13 临沂大学理学院2012届本科毕业设计 } void init() { TMOD=0x01; TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; EA=1;//开总中断 ET0=1;//开定时器0中断 TR0=1;//启动定时器0 } void timer0() interrupt 1 { TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; num++; } 14 临沂大学理学院2012届本科毕业设计 参 考 文 献 [1]薛均义.单片微型计算机及其应用[M].西安:西安交通大学出版社,2005. [2]元增民.单片机原理与应用[M].长沙:国防科学大学出版社,2006. [3]刘仁宇.单片微型计算机原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003. [4]李建.热释电传感器原理与应用[J].传感器世界,2005. [5]赵玉安.人体热释电红外传感器介绍[J].中国电子制作,2OO6. [6]李光飞.传感器技术与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006. [7]王海伦,叶冬芬.单片机控制照明智能控制系统[J].电气时代,2005. [8]Danny H,Li W,Joseph C.An analysis of lighting energy savings and switching frequency for a daylight corridor under various indoor design luminance levels.ELSEVIER Applied Energy[J],2003. [9]吴永桥.基于ATC52的日光灯照明节电控制系统[J].微型机与应用,2004. [10]Street.The microelectronics and computer systems laboratory[J].Micro electronics Journal,1993. [11]楼然苗.51系列单片机设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版,2006. [12]Moran R A,Galashiels A D.Energy performance of daylight linked automatic lighting control systems in large atrium spaces: report on two field—monitored case studies.ELSEVIER Energy and Buildings[J],2003. [13]黄智伟.传感器应用设计实例制作.北京:电子工业出版社,2006.4. [14]李冰,姜波,汪滨琦.BISS000在热释电红外开关上的应用[J].应用科技,2006. [15]裘有斌.基于ISD4O04的家庭语音报警服务系统的设计[J].电子制作,2008. 15 临沂大学理学院2012届本科毕业设计 致 谢 大学四年的学习生活即将结束,也迎来了我们的毕业设计,经过几周的努力终于完成了这篇论文.在此要非常感谢我的指导老师卢伟涛老师对我的悉心指导,感谢老师的帮助.在设计过程中,我通过查阅大量有关资料,与同学交流和自学并向老师请教等方式,使自己学到了不少知识. 在论文设计过程中学到了很多东西,也有很大的感触.虽然只是十几页的文章,不到一万字的篇幅,却让我多少次感受到了困难.最后的毕业论文也是对自己四年所学的一个简单总结,通过这次毕业设计使我明白了自己的知识还比较欠缺,自己要学习的东西还很多.学习知识应该要精益求精,才能很好地应用到实践中.步入社会,在以后的工作、生活中都应该不断的学习,努力提高自己知识和综合素质. 2012年3月15日 16
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