摘 要

该课题的研究对象是当前的各大院校对于不合理使用电力资源的现象，综合分析了传统照明系统和智能照明系统对灯光的控制方法，提出了以51单片机为核心的教室智能照明控制方案。在此基础上，将此照明系统分为硬件和软件两个部分，其中硬件部分包括核心控制模块、液晶显示模块、时钟模块、红外检测模块和灯控模块等，STC89C52单片机作为该控制系统的核心元件，处理来自各个模块传输而来的信息，人体的存在通过热释电红外传感器来检测，教室中的光强度则利用光敏电阻设计的电路来检测，分析开灯所需的必要条件，该系统通过对人体是否进入教室里面，和教室中光强的检测以及是否达到设定开关时间段等条件的判断，将这些信息综合处理之后，从而实现对教师灯光智能控制的目的，避免大量浪费电力资源。该系统具有安装方便、工作稳定、实用性强等优点，在很大程度上，能够帮助各高等院校实现对教室灯光的智能控制，从而在一定范围内实现对能源的节约和利用，本系统所采用的编程语言是C语言，采用模块化的设计思想，结构清晰合理，可移植性好，便于改进和扩展。

【关键词】：灯光控制；热释红外传感器；光敏电阻；AT89C52

2 硬件电路设计

2.1 微控制器
STC89C52单片机是STC公司生产的一种微控制器，它的特点是：低功耗、高性能，且具有8K字节的可编程Flash存储器。STC89C52系列单片机使用经典的MCS-51内核，对于目前市场上存在的一系列单片机，大多数都是在原来的基础上做的一些改进，因此，和传统系列的单片机相比较，改进的这些芯片在功能上更加完善。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和可编程Flash，使得众多嵌入式控制应用系统选择STC89C52芯片来工作。STC89C52单片机的标准功能如下： 32 位I/O口线，8k字节Flash，512字节RAM，内置4KB EEPROM，看门狗定时器，复位电路，16 位定时器/计数器3个，全双工串行口，外部中断4个。除此之外，STC89X52有两种省电模式可供选择。在空闲模式下，当cup停止工作时，此时RAM、定时器/计数器、串口、中断等能够继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机停止一切工作，当下一次中断或硬件复位时，单片机再重新开始工作。最高工作频率为35MHz。图3为单片机引脚图：

图3 STC89C52引脚图

2.1.1 核心控制模块
该系统的控制模块是以51单片机为核心的硬件的电路，其组成部分主要由复位电路和晶振电路两部分组成，对于晶振的选择，一般情况下为了方便计算以及电路工作频率不是很大时，选用12MHz的晶振，与晶振相连接的电容通常在皮法量级，如22pF、30pF、47pF等。对于复位电路，其复位的时间可利用公式来计算，对于本系统，所选用的电容和电阻分别是10uF和10k.单片机最小系统如下图所示：

图4 单片机最小系统

2.2 教室人数检测模块
2.2.1 热释电红外传感器的原理
热释电红外传感器的制作原理是基于热电效应。热释电红外内部的热电元由高热电系数的钽酸锂以及铁钛酸铅汞陶瓷、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，它的极化随着温度的变化而发生变化。为了防止因自身的变化而带来的负面效果，这种传感器在工艺上的连接方式为，将两个特征一致的热点元反相串联或连成差动形式，即使不与物体直接接触，对于外部红外线能量的变化，依然能够检测得到，并通过转换将其转换为电信号，随后将其输出。在结构上，热释电红外传感器为了完成阻抗变换，引入了场效应管。由于热电元输出的是电荷信号，因此并不能直接使用，这时为了使输出为电压形式，故需要通过电阻来进行转换，此时，应选择阻值较高的电阻进行转换，因此，引入N沟道结型场效应管接成共漏形式(即源极跟随器)来实现阻抗变换。热释电红外传感器包括三个部分：传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器。设计时，高热电材料被制成一定厚度的薄片，并将金属电极镀在它的正反两面，然后加上电使其极化，了热释电探测元便由此制成。由于加电极化的电压是有正负极性之分的，因此极化后的探测元也分为正负两极。

图5双探测元热释电红外传感器

3. 系统软件设计

3.1 系统监控主程序模块
系统程序按模块分为两个部分，包括监控主程序和命令处理子程序。监控主程序的作用是对子程序的调用，多个子程序可以在主程序内被调用，由于51系列的单片机系统资源有限，因此，主程序会不断的调用子程序，形成一个无限循环的过程。对于子程序，其包括中断子程序和功能子程序，二者之间可以互相嵌套和调用，即中断子程序能够调用功能子程序，功能子程序也能调用中断子程序。在应用程序的编写中，为了方便主程序对子程序的调用，通常会将子程序尽可能写成模块化的形式。对于具体操作的执行，则需要命令子程序来执行，不同的子程序模块包含着不同的命令，对于子程序的编写方法，与实际要求的功能紧密相关。
控制系统的核心部分是监控主程序，对于其它外围模块，为实现其在控制系统中的应用，一般都需要经过监控模块。监控主程序接受来自其它模块的指令，将其处理之后转到给相应的子程序，子程序再执行相应的功能。
本照明系统的监控主程序主要是外围功能模块的调用，其中包括人体信息的采集、时钟设定、按键扫描、液晶显示、中断处理等。除初始化和自检外，其余部分由监控主程序连接起来形成一个大循环，所以指令的执行均在这个大循环中不断的被执行。
3.2 系统自检初始化
为了保证系统能够正常的运行，自检初始化是必不可少的必要条件，在给系统上电复位后，自检初始化程序便启动，完成对系统的自检和初始化。初始化过程主要是对一些外围器件的初始参数设置和定义。本系统的初始化主要是对液晶显示器、ds1302芯片以及内部寄存器的初始化。
为了确认准备工作的是否就绪，需要对各芯片的接口进行检测，例如检测液晶1602显示是否正常以及对比度是否合适。时钟芯片DS1302是否为初次使用状态，抑或是处于备用电源供电振荡状态，以此来检测系统中时间控制的准确性。
3.3 系统主程序流程图

图14 主程序流程图

4 系统仿真

初始状态人数设为0，光强则通过P2.0口来控制，当按下开关时，模拟的则是黑暗环境下，此时电路板上的黑暗指示灯则会被点亮，每当按下“内”或“外”这两个开关时，模拟的则是有人进入教室或者有人从教室里面出去，对应的液晶显示屏上则会显示出教室此刻剩余的人数。同时，当在黑暗环境和教室有人两个条件均满足的情况下，照明灯也会根据实际情况而发光。如图为系统仿真图：

图17 系统仿真图

4.1 单片机调试方法与步骤
对单片机系统的调试包括两个部分，硬件和软件，通过对硬件和软件的调试，发现系统在运行时存在的问题，根据运行的结果来判断设计是否合理。
在对系统调试的时候，首先是对硬件部分进行调试，对于软件部分，在PC上对程序进行调试修改，直至没有错误，然后再对硬件和软件进行动态调试，当二者均没有问题之后，系统才能正常工作。
(1)静态调试：为了减少硬件明显的故障。在将各种电子元件焊接在电路板伤后，首先要保证各电子元件引脚所连接的电源正负极是正确的，防止因极性接反而导致芯片或传感器的损坏。另外，必须在断电的情况下插入芯片，且需注意不能将芯片的方向插反。
(2)软件调试：软件调试是利用相应的仿真软件，将硬件原理图画出来，并附上相应的程序代码，通过仿真来观察实验结果。在调试过程中，可以通过相应的窗口显示运行状态、寄存器数据的变化、以及端口的状态等，通过对这些结果的分析，以确保程序能够正确的运行。
(3)动态调试：硬件电路和软件紧密相关，由于软件仿真无法与实际的硬件电路相结合，因此，在动态调试的过程中仍然会出现一些问题，这时我们需要将硬件电路和软件结合起来，进行在线调试。
4.2 主要问题分析
该系统只是针对教室的照明系统提出了一个理论上可行的办法，但在实际应用中还需考虑一些其它相关的问题。如： （1）光强在忽明忽暗时，光敏电阻对光强的检测会摇摆不定，系统会出现灯光不停闪烁的情况，对于这一问题，可以用光敏三级管来替代光敏电阻。 （2）当人快速通过放置红外对管的门口时，系统有时无法精确检测出是否有人进出，解决办法是用灵敏度更高的红外设备来检测。 （3）对于系统中采用的电池作为备用电源用来计时，可能由于时间长而点亮用尽的问题，可以用类似应急照明灯那样的备用电源来供电。

5 总结与展望

5.1 总结
本系统通过对现阶段我国各大院校教室照明系统的分析，提出了通过以STC89C52单片机为核心模块的智能照明控制系统，该系统相对于传统的照明系统来说，有着更加人性化和智能化的管理理念，首先在于该系统使用模块化的程序设计，将硬件电路分成几个部分，其中包括时钟电路模块、液晶显示模块、灯控模块、人数检测模块、光强检测模块等，这几个模块既能独立工作，又能形成统一整体。该系统将正常条件下开灯所需要的条件均考虑在内，如教室的亮度降到一定范围内且教室里有人时才会自动启动控制程序来打开灯，又如设定在某一个时间段内才能开灯，在其它时间情况下，如夜间时，灯则不会亮。同时，该系统也考虑了在特殊条件下对教室灯光的控制，此时只需将系统的工作模式切换为强制模式，就能实现人为控制灯的亮灭。该系统具有体积小、成本不高易于安装等优点。该系统不仅适用于对高校教室中灯的控制，同时，该系统也能应用于一些公司的办公室，大型的会议室等等。
5.2 展望
由于教室有不同的面积，教室灯光的数量也不一样，因此教室内部所安装的智能设备数量也不一样，特别是对环境中光强的检测，对于在教室中不同的地方，其光强度肯定是不一样的，若只安装一个光强检测设备，其对于光强数据的采集可能会不准确，进而影响照明控制系统的运行，为了避免这种现象的发生，可以安装多个光强检测器件，使系统更加可靠。
实验初步表明，本系统实用性好，可应用于教室、公司、大型会议室等。

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