教室自动感应照明控制系统的设计Word格式.docx
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如今，各种高校不断扩招学生，扩大教室,教室里的电力负荷增加，电源管理不当，造成学校的电力浪费，这种经济损失、浪费及今天节能的理念背道而驰。
此外，现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，光管理的自动化、智能化方向发展。
所有这些使教室照明控制也应该向智能方向发展。
如此简单、方便、实用的教室灯光自动控制系统的发展，具有重要的现实意义。
一些学校也意识到教室照明的巨大浪费，采取各种管理方法，试图杜绝这种浪费。
如：
成本和支出，课堂上教师责任制，组织勤工助学学生或雇用专业人员进行专业管理电力等等。
许多学校已经采取这些方法，但始终没能坚持很长一段时间，没有达到理想的效果。
由于管理不善等问题就会影响教学资源的配置和合理利用等等[1-3]。
1.2设计主要目的
针对目前学校教学楼照明设备控制的现状，为使教室照明设备控制趋于自动化、智能化，提高教学管理的效率，开发了一套功能更完美的基于STC89C52的教室自动感应照明控制系统。
这个系统应用先进的电子技术、自动控制技术和实用的软件平台，通过传感器采集室内光线，人数分布等信息，利用控制电路调节照明强度，实现节能控制，智能控制系统通过单片机实现对教室光照、自习学生人数等的数据采集，由LCD1602显示，对教室内部用电设备进行合理的控制，达到教学楼教室照明控制的智能化和节约化的目标。
2.系统设计概述
2.1设计任务指标要求
设计并制作一个教室智能照明控制系统，通过传感器采集室内光线，人数分布等信息，利用控制电路调节照明强度，实现节能控制。
系统应包括1.自然光检测电路，对照明现场的亮度进行检测，如果现场亮度符合照明要求，系统应关闭照明设备；
2.人体红外检测电路，当照明现场亮度不符合照明要求且有人进过时，系统启动照明设备；
3.强制开灯和关灯按键。
2.2设计方案
教室自动感应照明控制系统是基于单片机对学校教室照明设备进行控制和管理，教室亮度的检测、教室学生人数的统计、自动及手动状态的切换。
整个系统由时钟电路、红外对管电路、光线检测电路、显示模块电路、独立按键操作电路、LED灯控制电路组成。
单片机可以实现对教室内的教室检测控制元件所采集到的信息的接收、处理，从而可以很轻松的对教室光照强度、自习学生人数等进行实时统计。
检测控制单元：
照明强度采集是采用ADC0804及单片机构建的数据采集网络，显示使用LCD1602，教室是否有人和人数是用红外对管电路通过检测电路及单片机相连进行数据采集。
系统总体框图如图2.1所示。
图2.1系统总体框图
系统实现的主要功能有：
1.时钟电路可以记录正常的实时时间，还可以设置定时时间，让系统在我们设定的时间范围内自动工作，减少因不在学习时间范围内，对电能造成的浪费。
2.红外对管电路，也是人数检测电路，可以对进入教室的人数进行统计，然后在光线黑暗的条件下，根据教室的人数决定打开照明灯的多少。
3.光线检测电路可以对教室的光照强度进行检测。
当光照强度高于一定值时，不管统计到教室的人数是多少，照明灯都不打开；
当光照强度低于一定值时，打开照明灯的多少根据统计到的人数而定。
4.显示电路可以显示实时时间的年、月、日、时、分、秒和星期，还可以显示统计到进入教室的人数。
5.独立按键操作电路，可以对实时时间和定时时间进行设置，还可以切换自动状态和手动状态。
手动状态就是可以手动控制教室的照明灯。
6.LED灯控制电路，符合光线黑暗、统计到人数的条件下，会打开。
3.主要元器件介绍
3.1单片机STC89C52
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口[5]。
除了STC89X52静态逻辑运算可以减少到0赫兹,支持两种类型的软件可以选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机停止所有工作，直到下一个中断或硬件复位。
最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
其管脚分布如图3.1所示。
图3.1TC89C52引脚图
VCC（40）：
＋5V。
GND（20）：
接地。
P0口（39－32）：
P0口是八位漏极开路双向输入输出口，每个引脚可以接收8个TTL门电流
P1口（1－8）：
P1口是8位双向输入输出口，它的功能是可以单片机里面提供上拉电阻，P1口的缓冲器能够接收和输出四个TTL门电流。
P2口（21－28）：
P2口是8位双向输入输出口，它的功能是可以单片机里面提供上拉电阻，P2口的缓冲器能够接收和输出四个TTL门电流。
P3口（10－17）：
P3口是8个带有单片机里面上拉电阻器的双向输入输出口，可接收和输出4个TTL门电流，P3口亦可以作为STC89C52的特殊功能接口。
RST（9）：
复位我输入。
如果振荡器处于复位状态，这个口就得保持RST引脚2个机器周期有所需要的高电平保持时间。
ALE/PROG（30）：
如果在访问单片机外部存储器的时候，那么地址锁存器这个时候所允许的输出电平就会用在锁存地址其中的低位字节，在FLASH编程的这段时间里，这个引脚就会被用来输入编程所需脉冲。
在大多数时间里，ALE端就会输出正脉冲信号（这里的信号是恒定的频率周期），这个频率是振荡器频率的六分之一，我们可以用它来定时或者对外部输出脉冲，这里需要注意的就是，每次在访问单片机外部数据存储器的时候，就会跳过一个ALE脉冲。
PSEN（29）：
这个管脚是单片机外部程序的存储器的选通信号。
如果取指的工作是由外部程序存储器来完成的时候，那么每个机器周期里面的两次PSEN是有效的，但是如果是在访问单片机外部数据存储器的时候，就不会出现前面我们所讲的两个PSEN信号。
EA/VPP（31）：
当EA一直处于低电平状态下时，单片机外部的程序存储器的地址会变成（0000H－FFFFH）不管这个时候有没有内部程序的存储器。
在FLASH编程的这段时间里，施加12V编程电源（VPP）的工作也是由这个引脚完成的。
XTAL1（19）：
单片机内部反向振荡放大器的输入以及单片机内部时钟电路的输入。
XTAL2（18）：
来自反向振荡器的输出[6]。
3.2时钟芯片DS1302
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口及CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。
DS1302内部有一个31×
8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
实时时钟可提供年月日、秒分时和星期，一个月小于31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。
工作电压为2.5～5.5V。
DS1302是DS1202的升级产品，及DS1202兼容，采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据及出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中[8]。
如图3.2所示。
图3.2DS1302引脚图
各引脚的功能为：
Vcc1：
主电源；
Vcc2：
备份电源。
当Vcc2>
Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2<
Vcc1时，由Vcc1向DS1302供电。
SCLK：
串行时钟，输入，控制数据的输入及输出；
I/O：
三线接口时的双向数据线；
CE：
读或者写数据的时候，输入信号一定要为高电平。
这个引脚有两个功能：
第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；
第二，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。
3.3液晶显示器LCD1602
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。
下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。
一般1602字符型液晶显示器实物如图3.3所示。
图3.3液晶显示器实物
1602LCD主要参数：
显示容量:
16×
2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×
4.35（W×
H）mm
引脚功能说明：
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚功能说明如表3.1所示。
表3.1引脚功能说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
4
RS
数据/命令选择
12
D5
5
R/W
读/写选择
13
D6
6
E
使能信号
14
D7
7
D0
15
BLA
背光源正极
8
D1
16
BLK
背光源负极
3.4模数转换器件ADC0804
集成A/D转换器品种比较多，选用时应综合考虑各种因素来选取集成芯片。
ADC0804是一种单片集成模数转换器，它是逐次比较性的，一般这种模数转换器会被用的多一些。
ADC0804有着可以满足差分电压输入、内含时钟发生器、方便TTL或CMOS标准接口、模数转换时间大约为100us、不需要调零、单电源工作时0V～5V输入电压范围是0V～5V等等的特点，它在要求不高的地方被广泛的应用，是一款早期的8位、低价格、单通道的模数转换器而且价格低廉[7]。
如图3.3所示
图3.3ADC0804引脚图
3.5光敏电阻
（1）光电检测器件的选择
目前，在光电检测技术中常用的光电检测器件有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电池等，选择光照传感器可根据表3.2来比较选择。
表3.2光电器件特性比较
器件
光谱响应
灵敏度
线性度
伏安特性
电特性输出电流
噪声特性
光敏电阻
可见光至红外
高
差
电阻型
大
低
光电池
一般
光伏型
最大
光电二极管
好
光伏型和饱和型
小
光电三极管
可见光至近红外
饱和型
光敏电阻及其它的光电检测器件比较，特点有以下几点：
a）灵敏度高，光电导增益大于1。
b）工作电流大，可以达到数毫安。
c）所测光强范围宽度，既可检测强光也可检测弱光。
所以选择光敏电阻[4]。
（2）光敏电阻的工作原理
光敏电阻的工作原理是：
在其两极加上一定的电压后，当光照射在光电导体时，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动。
在电路中产生电流，实现光电转换的目的。
光敏电阻是利用内光电效应工作，由半导体材料制成的光电设备。
在光的作用下，其阻值往往是变小的，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。
光敏电阻工作原理如图3.4所示。
图3.4光敏电阻的工作原理
光敏电阻的导电性能会随着光照强度的增加而变好，也就是说如果光敏电阻的电导率出现增加的情况，那么流过它里面的光电流也会增加，那么也就意味着它的电阻值会降低；
它的导电性能会随着光照强度的减少而变差，也就是说光敏电阻的电导率会相对减小，流过它里面的光电流会减少，这种情况下，它的电阻值就会增加。
利用光敏电阻对教室内光照强度进行探测，其工作方法是：
（1）当教室无人时，不管照度如何，所有照明灯均熄灭。
（2）当教室有人时，分成四种情况：
a.若教室人数少于10个人，则亮一个灯。
b.若教室人数在10-20人之间，则亮两个灯。
c.若教室人数在20-30人之间，则亮三个灯。
d.若教室人数大于30人，则亮全部的四个灯。
3.6红外对管
红外对管是红外线发射管及光敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头配合在一起使用时候的总称。
红外线接收管是在LED行业中命名的，是专门用来接收和感应红外线发射管发出的红外线光线的。
一般情况下都是及红外线发射管成套运用在产品设备当中。
红外线接收管有两种，一种是光电二极管，另一种是光电三极管。
光电二极管就是将光信号转化为电信号，光电三极管在将光信号转化为电信号的同时，也把电流放大了。
因此，光电三极管也分为两种，分别是NPN型和PNP型。
红外线发射管在LED封装行业中主要有三个常用的波段，如下850NM、875NM、940NM。
根据波长的特性运用的产品也有很大的差异，850NM波长的主要用于红外线监控设备、875NM主要用于医疗设备、940NM波段的主要用于红外线控制设备。
EG：
红外线遥控器、光电开关、光电记数设备等。
红外线接收管如图3.5所示，红外线发射管如图3.6所示。
图3.5红外线接收管图3.6红外线发射管
4.系统硬件设计
4.1单片机最小系统
单片机最小系统包括了单片机以及复位电路、晶振电路、排阻等，如图4.1所示。
图4.1单片机最小系统
单片机：
跟AT89C51/AT89S51功能完全一样，52比51大4kb而已。
复位电路：
S6为按键，按下手动复位，复位即让程序重新运行，相当于重新启动。
晶振电路：
Z1为晶振，提供振荡信号给单片机，单片机才成运行程序，类似人心脏。
排阻：
液晶屏的上拉电阻，没接的话呈高阻态，无法得到高电平，液晶显示异常。
4.2光线检测电路
LM339是运算放大器，这里的作用的作为电压比较器用，电压比较器是一种常用的集成电路。
它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。
电压比较器的主要原理是当输入电压V+>
V-时，输出高电平，当输入电压V+<
V-时，输出低电平（这里第4脚是V-，第5脚是V+，第2脚是输出）。
LIGHT1为光敏电阻，光亮的时候，光敏电阻阻值较小，分到的电压低，此时4脚电压低于5脚电压的2.5V，+>
-，比较器2脚输出高电平；
黑暗的时候，光敏电阻阻值较大，分到的电压高，电压是大于2.5V的，所以+<
-，输出低电平，LED灯D4点亮，单片机靠判断低电平来知道是黑暗状态。
如图4.2所示。
图4.2光线检测电路
4.3红外对管检测电路
使用红外传感器的作用是通过其内部接收端接收由障碍物反射或发射回来的红外光，来判断是否有障碍物（有障碍物时，检测电路输出高电平，否则，电路输出低电平）。
这里使用两组红外传感器（分别安装在教室门内外两侧）用来计数当前教室内的学生人数。
两组红外传感器依据接收有障碍物（人体）反射回来的红外光并根据对其接收的先后顺序来判断是否有进入/出去的人（进“+”，出“-”），进而实现对教室学生人数的记数。
LED7和LED6为红外接收管，LED8和LED9为红外发射管，R21和R22限流保护发射管，R12和R13是接收端的上拉电阻，为了能够得到高电平。
有遮挡的时候，红外光通过遮挡物发射被接收管接收到，接收管导通接地，此时电压低于-输入端的2.5V，+<
-，比较器输出低电平，LED指示灯亮；
没有东西遮挡，这个时候接收管不会导通，电压是大于2.5V的，所以+>
-，输出高电平，LED指示灯灭。
单片机靠判断低电平来知道有东西遮挡或经过。
如图4.3所示。
图4.3红外对管检测电路
4.4时钟电路
U1为时钟芯片DS1302，通过第5.6.7脚及单片机相连，通过程序读取时钟芯片发过来的时间再显示。
J1为纽扣电池，即备用电池，因为时间一直需要走，当外界电源没有关闭时，这里的纽扣电池就直接向时钟芯片供电，防止时间停止或异常。
R2.R3.R4为上拉电阻，这里的主要作用是提高抗干扰能力。
Y1是晶振，原理同单片机的晶振一样，都是提供振荡信号给芯片，芯片才能正常运行，这里芯片规定的晶振大小为32768Hz。
如图4.4所示。
图4.4时钟电路
4.5独立按键操作电路
按键电路，按键按下接地，单片机通过判断端口为低电平来知道按键按下。
独立按键操作电路如图4.5所示。
图4.5独立按键操作电路
4.6显示屏电路
LCD1为液晶屏LCD1602，R1可以调节液晶屏的对比度。
如图4.6所示。
图4.6显示屏电路
4.7LED灯控制电路
自动/手动模式指示灯，低电平有效，如图4.7所示。
4个照明灯，低电平有效。
如图4.8所示。
图4.7指示灯图4.8照明灯
5.系统软件设计
5.1人数统计子程序流程图
统计人数的多少，直接影响教室里照明灯打开的多少，因此实际如下，程序开始执行以后，如果“内”红外管检测到有人，然后判断“外”红外管是否检测到有人，检测到则表示是由外入内，教室的人数加一，否则将“内”标志位置位，然后继续扫描程序、检测。
相反，如果“外”红外管检测到有人，然后判断“内”红外管是否也检测到有人，检测到则表示是由内出外，教室人数减一，如此循环检测，实现对教室人数的统计。
流程图如图5.1所示。
图5.1人数统计流程图
5.2光照强度采样及模数转换子程序
A/D转换器是采集教室光照强度的一个重要器件。
A/D转换器应能够确保模拟信号在数字位流中被准确地表示，并提供一个具有任何必需的数字信号处理功能的平滑接口。
A/D转换器将光敏电阻采集的光照强度的模拟信号变换成数字位流以进行处理、传输及其他操作，并根据人数执行继电器吸、合动作。
单片机把它实时检测采集的数据及设定值进行比较，然后根据比较结果和教室的人数启动继电器。
流程图如图5.2所示。
图5.2光照强度采样及模数转换流程图
5.3LCD1602显示子程序流程图
本设计主要实现的功能是显示系统时间和室内人数。
时间主要通过时钟芯片DS1302来控制，本设计显示得是时、分、秒、星期和统计的人数，人数主要通过模拟传感器的按钮来实现加减人数。
LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器以及存储了160个不同的点阵字符图形，LCD1602总共有两行16个字符的位置可供显示，首行首字符地址为0x80，第二行首字符地址是0x80+0x40，比如要在第二行第二个位置显示，则可将写指令地址设为0x80+0x40+1即可。
LCD显示模块程序流程图如图5.3所示。
图5.3LCD显示模块流程图
5.4主程序设计
本设计是在设定时间范围内并且处于黑暗环境下，统计到人数之后会将照明灯打开，打开照明灯的多少根据教室人数而定。
程序开始执行以后，器件和端口初始化。
首先是设置时间，此时系统会向时钟芯片DS1302发送请求，如果有回复数据，则准备更新时间数据，然后判断按键是否被按下，如果有按键按下，还要判断设置
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