摘要：本次選擇AT89C51單片機的主控芯片作為教室LED照明智能控制器，通過熱釋電紅外傳感器感應從而能判斷出教室內有人無人，通過光敏電阻感應教室內的光線強度，實現對教室內燈光的智能控制，避免了教室用電的大量浪費。本文詳細闡述了系統的軟件設計過程，採用模塊化的編程思想，使用C51語言編寫源程序，實現教室的節能照明功能。
該系統具有體積小，控制方便，可靠性高，專用性強，性價比合理等優點，可以滿足各類大、中專院校教室燈光控制的要求，很大程度的達到節能目的。
關鍵詞:教室智能照明；軟件設計；熱釋電紅外傳感器；智能控制
1 研究背景
1.1研究的主要目的和意義
中國經濟在持續多年高速發展後的今天，能源問題日益突出。雖然我國能源總儲量佔據之首，但由於我國人口眾多，所以人均儲量少，單位產值的能耗 是發達國家的3-10倍。能源問題已成為制約我國國民經濟發展的關鍵問題。從環境和自然資源角度出發，能源問題也是我國長期可持續發展 戰略中一個重要關鍵因素。此外，能源問題不僅關係經濟發展和環境生態，在特定情況下還會對社會穩定有很大影響。隨着社會經濟和科學技術的快速發展，人們的生活水平也在不斷提高，導致用電負荷的加劇，又由於世界性的能源危機，能源缺乏以成為世界所面臨的嚴峻問題。中國城市每年用於公共照明的能源支出高達280多億，節能空間巨大。其中路燈照明能耗佔30%以上。發展城市道路照明的同時，路燈以供街道照明以外，還大力興建了很多的景觀照明亮化工程，美化城市的夜景，但同時也帶來了能耗的極大浪費。據統計2010年，我國全社會的總用電量將超過5000 億kWh，新增照明用電2000 億kWh。
對高等院校，據測算，其照明耗電佔本單位所有耗電的40% 左右，可見在對教室燈光進行自動控制，其節能效益和經濟效益都是相當可觀的。由於大學是開放型的管理模式，加上全員節能意識淡薄，教室無人時照明燈一直長明，造成電能的巨大浪費，由此提高教室用電效率實現智能控制就成為首要考慮的問題。
目前對燈光的智能控制，尤其是我國教室燈光的智能控制尤為缺乏和不完善，依然是傳統式的人工管理。（如華東理工大學梅隴校區教室在白天無人時日光燈依舊開啟）各類大、中中專院校不斷擴招，教室不斷擴建，教室用電負荷不斷增加，教室用電管理不善，造成學校電能浪費，經濟損失，這種浪費與當今的節能理念相違背。再者，現代自動化程度不斷提高，計算機技術的普及，燈光的管理也朝着自動化、智能化方向發展。於是，開發簡便、實用的教室燈光自動化控制系統便具有重要的現實意義。
1.2 研究的現狀
目前，國內照明大力採用高效照明產品代替傳統低效率照明產品實現節能，大力推行綠色照明工程，大量運用節能技術，不斷推出綠色光源和節能電器，採用大量的`節能燈具，裝備新技術，尤其以LED綠色照明改造為國家大力推行。
現階段，世界各國都在採取不同的方式來節約能源，節約電能。LUMA公司推出的LEP等離子體燈替換傳統照明，節能效果能達到50%，飛利浦照明公司和OSRAM公司也都在大力研究LED照明，芯片光效由以前的100lm/W提升到150lm/W,丹麥的房屋建設就對節能有很多的要求，並且居民入住有節能裝置放置時，要支付的費用比沒有節能方案房屋高出8%。單純的光源節能加上有效智能照明控制會讓節能的空間大力提升，研究智能照明控制系統是是現在的發展趨勢，綜合了照明、自動化控制、計算機技術、電力電子技術和互聯網+的的結合，通過充分利用自然環光來減少人工照明帶來的能源消耗，真正實現情景化、自動化、人性化的智能照明技術。常見的照明控制系統有飛利浦公司下屬的邦奇Dynalite智能照明控制系統，該系統主要由調光模塊、開關模塊、控制面板、液晶顯示觸摸屏、智能傳感器、編程插口、時鐘管理器、手持式編程器和PC監控機等部件組成。採用DyNet網絡連接，DyNet是一個分佈式智能化網絡，使用RS-485通訊協議。以施耐德公司為主的使用的C-Bus智能照明控制系統，C-Bus系統是一個二線制的總線型式的智能控制系統，系統所有的單元器件（除電源外）均內置微處理器和存儲單元，由一對信號線（雙絞線）連接成網絡。每個單元均設置唯一的單元地址並用軟件設定其功能，通過輸出單元格控制各回路負載。輸入單元通過羣組地址和輸出組建立對應連接。當有輸入時，輸入單元格將其轉變為C-Bus信號在C-Bus系統總線上廣播。所有輸出單元接收並做出判斷，控制相應迴路輸出。快思聰為主的是ABB i-Bus EIB智能安裝系統，EIB智能系統由總線、總線電源、智能傳感器（光線傳感器、模糊開關、時間控制器、移動傳感器）、智能開關驅動器和其他智能元件（邏輯模塊總線耦合器）構成。每個元件就是節點，這些節點連接在一根2芯雙絞線介質的總線上，不分主從隸屬關係實現相互之間的通訊從而實現控制和被控制。
2文獻綜述
2.1 系統設計要點
照明作為教室智能控制的子系統之一，它對教室智能控制的舒適性、經濟性、方便性具有重要的意義。利用人體的存在信號和環境光信號的識別和智能判斷，可以有效的對教室照明進行智能控制，避免了教學大樓照明用電的大量浪費。本設計以AT89C51單片機作為控制裝置的智能部件，採用熱釋紅外人體傳感器檢測人體的存在（沒人時教室裏燈全關，有人則進行環境燈光自動感應進行下步行動），採用光敏三極管構成的電路檢測環境光的強度（照度達到時燈全關，照度不夠時燈打開補足光照度）；在特殊環境及要求下（如多媒體教學和電影文學欣賞）可以通過手動來控制燈的開關。一號按鈕控制手動與自動，二號按鈕控制燈的開關盞數（按0次沒燈開，按1次開2盞燈，按2次開4盞燈，按3次開8盞燈，按4次後返回到0）。
在本次系統設計中，設計方法的選用是系統設計能否成功的關鍵所在。硬件電路是採用結構化系統設計方法，該方法保證設計電路的標準化、模塊化。硬件電路的設計最重要的選擇用於控制的單片機，並確定與之配套的外圍芯片，使所設計的系統既經濟又高性能。硬件電路設計還包括輸入輸出接口設計，畫出詳細電路圖，標出芯片的型號、器件參數值，根據電路圖在仿真機上進行調試，發現設計不當及時修改，達到最終的設計目的。軟件設計的方法與開發環境的選取有着直接的關係，本系統由於是採用51系列單片機，因此使用匯編語言進行開發。
2.2系統性能指標及技術要求
首先單片機通過按鈕1判定是自動還是手動，若是自動則人體存在信號採集電路和光敏三極管採光電路先後工作判定室內是否有人，和室內關照度，單片機再決定是否開燈，開幾盞燈。最後通過LCD顯示開了幾盞燈和關閉了幾盞燈。
手動/自動
（1）自動
A 全關
B 開4盞燈
C 開8盞燈
（2）手動
A 全關
B 開2盞燈
C 開4盞燈
D 開8盞燈
2.3本課題的主要內容
①燈光總體控制方案的研究；
②燈光控制檢測方案的研究；
④熱釋電紅外傳感器的信息處理；
⑤人體與自然光照強度信號採集與處理；
⑥開發單片機系統；
⑦實驗測試與數據分析。
2.4擬採用的研究方法或措施
本次課題主要研製的控制器以自然光強度和人體存在作為控制器的主要輸入參數。可以真正的實現自動與手動控制相互兼容。在自然光照度達標時，無論教室是否有人存在，都不開燈;在教室自然光照度達不到要求時候，有人存在時燈光會自動打開而且達到均衡的照度，有人存在時控制器自動打開電燈，直到人離開後再延時120S後關燈。同時，還要改用機械開關來手動控制，以解決因特殊情況下，自動控制器的不人性化運行。
本次課題所研究的教室燈光控制器主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個系統執行的基礎，它主要為軟件提供程序運行的平台。而軟件部分，是對硬件端口所體現的信號，加以採集、分析、處理，最終實現控制器所要實現的各項功能，達到控制器自動與手動相結合的教室照明智能控制。
系統設計主要包括硬件和軟件兩大部分，依據控制系統的工作原理和技術性能，將硬件和軟件分開設計。
硬件設計部分包括電路原理圖、合理選擇元器件、繪製線路圖，然後對硬件進行調試、測試，以達到設計要求。硬件電路是採用結構化系統設計方法，該方法保證設計電路的標準化、模塊化。硬件電路的設計最重要的選擇用於控制的單片機，並確定與之配套的外圍芯片，使本次設計的系統既經濟又高性能。硬件電路設計還包括輸入輸出接口設計，畫出詳細電路圖，標出芯片的型號、器件參數值，根據電路圖在仿真機上進行調試，發現設計不當能及時修改，達到最終的設計目的。
軟件設計部分，首先在總體設計中完成系統總框圖和各模塊的功能設計，擬定詳細的工作計劃；然後進行具體設計，包括各模塊的流程圖，選擇合適的編程語言和工具，進行代碼設計等；最後是對軟件進行調試、測試，達到所需功能要求。軟件設計的方法與開發環境的選取有着直接的關係，本系統由於是採用51系列單片機。本系統軟件設計採用模塊化系統設計方法，先編寫各個功能模塊子程序，然後進行組合與調整，經過調試後，達到最終的設計功能要求。
2.5 系統硬件總述
為了使該模塊化LED顯示屏控制照明系統更加方便且靈活性高，我對本次系統的硬件做了精心設計。硬件電路包括LED燈電路、顯示電路、開關控制電路等三大模塊。整個照明系統有人為控制部分和自動控制部分，人為控制是靠一個開關來實現操作的，通過重複按壓可以點亮更多的LED燈，而自動控制是靠單片機控制的，我們把程序寫入單片機後，單片機的系統時間通過顯示器顯示出來，並且利用時間來控制燈的亮與滅，用單片機的P0口做燈光輸出，P1口做顯示輸出，P2口做開關輸入，即可完成硬件部分。在含有控制器的電路系統中，都必須要有相應的復位電路，這樣能夠使系統在上電後，很好地復位系統並使系統處於穩定的運行狀態。一般簡單的復位電路可以採用RC復位，這種電路的穩定性一般、可靠性較高。
2.6單片機的應用技術
電子技術和微型計算機的迅速發展，促進微型計算機測量和控制技術的迅速發展和廣泛應用，單片機（單片微型計算機）的應用已經滲透到國民經濟的各個部門和領域，它起到了越來越重要的作用。
單片微型計算機就是將中央處理單元、存儲器、定時/計數器和多種接口都集成到一塊集成電路芯片上的微型計算機。因此一塊芯片就構成了一台計算機。它已成為工業控制領域、智能儀器儀表、尖端武器、日常生活中最廣泛使用的計算機。
單片機由硬件系統與軟件系統組成。硬件系統是指構成微機系統的實體與裝置，通常由運算器、控制器、存儲器、輸入接口電路和輸入設備、輸出接口電路和輸出設備等組成。其中運算器和控制器一般做在一個集成芯片上，統稱中央處理單元（Central Processing Unit），簡稱CPU，是微機的核心部件。CPU配上存放程序和數據的存儲器[2]、輸入/輸出（Input/Output，簡稱I/O）接口電路以及外部設備即構成單片機的硬件系統。軟件系統是微機系統所使用的各種程序的總稱，人們通過它對微機進行控制並與微機系統進行信息交換，使微機按照人的意圖完成預定的任務。軟件系統與硬件系統共同構成完整的單片微型計算機系統，兩者相輔相成，缺一不可。
2.7 CPU性能介紹
本系統採用了ATMEL公司MCS-51系列單片機中的AT89C51芯片，它是低壓高性能CMOS 8位微處理器，帶有4k字節Flash閃速存儲器，128字節內部RAM，15個I／O口線，兩個16位定時／計數器，—個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口。
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