[基于51单片机的教室智能照明控制系统]教室智能照明控制系统

目 录 绪论 1 教室灯光自动控制整体描述 1.1 灯光控制总体思想 ....................................................................................7 1.2 灯光控制方案分析 ....................................................................................8 1.3本章小结.......................................................................................................................9 2 硬件电路设计 2.1微控制器...................................................................................................................10 2.1.1核心控制模块 ......................................................................................11 2.2 教室人数检测模块 ................................................................................11 2.2.1 热释电红外传感器的原理 ..............................................................11 2.2.2 教室人数检测模块的功能实现 .....................................................12 2.3 教室光照强度检测模块 .......................................................................14 2.3.1 光敏电阻的选择及功能简述 ..................................................14 2.3.2 光敏电阻检测光强原理 ...........................................................16 2.4 按键控制模块 ..........................................................................................17 2.5 液晶显示模块 ..........................................................................................18 2.6 时钟模块...............................................................................................................19 2.7本章小结...................................................................................................................21 3 系统软件设计 3.1系统监控主程序模块........................................................................................21 3.2系统自检及初始化..............................................................................................22 3.3 系统主程序流程图 .................................................................................22 3.4系统子程序流程图 ..................................................................................22 3.4.1按键控制流程图..............................................................................................23 3.4.2液晶显示流程图..............................................................................................24 4 系统仿真 4.1调试方法与步骤..........................................................................................................27 4.2 主要问题分析..............................................................................................................27 5总结与展望 5.1总结.....................................................................................................................................28 5.2展望.....................................................................................................................................28 参考文献 ........................................................................................................................29 致 谢 .............................................................................................................................30 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 The Auto -control System of Classroom Lights Abstract The research object of this topic is the phenomenon of unreasonable use of electric power resources in the major institutions. The paper analyzes the control method of lighting in traditional lighting system and intelligent lighting system, and puts forward the classroom intelligent lighting control scheme with 51 single chip as the core The On this basis, the lighting system is divided into two parts: hardware and software, including hardware control module, liquid crystal display module, clock module, infrared detection module and light control module lamp. AT89C52 microcontroller as the core components of the control system, the existence of the human body with a pyroelectric infrared sensor to detect the classroom light intensity is the use of photosensitive resistor design circuit to detect, according to the necessary conditions for classroom lighting, the system through Whether the human body into the classroom, and the classroom light intensity detection and whether to set the time to switch the conditions of the judge, after the integrated treatment to achieve the purpose of classroom lighting intelligent control, thus avoiding the classroom power resources, a lot of waste. The system has the advantages of small size, high reliability, convenient control, practicality and high cost performance. It can help the colleges and universities to realize the intelligent control of classroom lighting to a large extent, so as to realize the energy saving and Use, the system used by the programming language is C language, the use of modular design ideas, clear and reasonable structure, good portability, easy to improve and expand. 【Key words】 light control；

heat release infrared sensor；

photoconductive dynatron AT89C52 绪论 伴随着现代科技的不断进步和人类文明的发展，资源的合理开发与利用已成为各国竞争的必然要求，但在人类开发和利用资源的同时，不可避免的会产生一些浪费，然而其中摩羯浪费并非不可避免的，我们只需要将这些浪费的资源通过合理有效的手段，就能减少这些不必要的浪费，使资源得到充分的利用。而这对于我国，甚至是全人类来说，无疑是一种行之有效的办法，对于缓解目前世界能源资源短缺的问题，有着突出的意义。人们对于灯光的控制，很早之前就已存在，但均是以人工控制为主，现阶段，我国对于智能照明控制系统的应用，已慢慢开始采用，但对于当前各大院校的教室照明系统来说，处于主导地位的依然是人工控制，然而由于人无法实时控制教室中灯的亮灭，因此，仅仅依靠人工来管理，不仅投入的人力资源非常大，而且取得的效果也不明显。对于目前我国各大院校的不断扩招，教学楼不断的新建，但教室中的照明控制系统依然是传统的人工控制，由于并不能保证教师上完课，教室的学生走完之后会有人立刻关闭教室中的灯，因此这种情况将使得电力资源大量的浪费，显然，这种做法与当前阶段我国可持续发展的理念相违背。

现阶段，我国大多数高校教室照明系统采用的依然是传统的照明系统：多个支路由一个主电源经过配电箱分出来，教学楼内的其它灯具则由这些支路来供电，灯具的连接方式一般为串联或并联，然后通过人工对开关的控制，进而来控制这些灯具的开和关，此系统的主要缺点是人工对开关的控制，但有些情况下人无法实时这些灯具，因此，该系统无法实现人性化、特定情形下功能化的系统管理。虽然现在有一些通过其他方式来控制灯的亮灭，如声控开关，它通过声音的强弱来确定灯的亮灭，但一旦外界条件非一般情况，如声控开关周围有噪声或下雨天打雷的特殊情况时，仍会造成电能的浪费。并且就声控电路来说，它所能实现的功能非常有限，即在有声音的情况下灯才会亮，声控系统的结构虽然简单，但是功能却非常单一，并且无法实现人性化控制。随着社会不断的向前发展，机械自动化的应用不断提高，生活中大量地应用计算机技术，教室照明系统也应朝着人性化和智能化的方向发展。本系统主要通过热释电红外传感器感知人的存在以及通过光敏电阻检测教室内的光强，通过对这些信息的采集，经由单片机处理，从而来控制教室中灯的亮灭，实现教室灯光的智能控制，达到节约能源的目的。

研究的目的以及主要内容：
目的 1.设计可行性的教室智能灯光控制系统。

2.使系统人性化和智能化 3.节约能源 主要研究内容：
（1）智能灯光的构想；

（2）检测方案的设计；

（3）教室人数的统计；

（4）热释电红外传感器的原理；

（5）人体信息和教室光强信息的采集与处理；

（6）单片机控制系统的应用；

（7）软件的仿真；

（7）硬件的调试与分析；

1. 教室灯光自动控制系统整体概括 1.1 灯光控制总体构想 该智能照明控制系统所采用的核心元件是STC89C52单片机，在单它的外部连接着其它电路，其外围电路包括：人体信息采集电路、光强采集电路、液晶显示电路、时钟电路、开关控制电路等。对于人体信息的采集，所采用的是热释电红外传感器，通过红外发射管和红外接收管，将采集到的信息传递给单片机，单片机再进一步处理这些信息。而环境中的光强则通过光敏电阻来采集，光强强，则流过光敏电阻的电流小，光敏电阻上分得的电压低，经比较器之后将标准信号传入单片机进行处理。考虑在正常条件下教室灯光亮灭的条件，整个系统首先通过热释电红外传感器对人体信息的采集和光线检测电路对光强信息的采集，以及软件对开关灯时间的设定，单片机将这些信息进行综合处理判断，进而智能控制教室中的灯光。

方案设计流程图如下：
图1 系统设计流程图 1.2 灯光控制方案的研究 该套教室灯光智能控制系统，具有对教室中人数统计和在正常环境下教室内光强度检测的功能，在现实生活中，对灯光控制的情况下，教室的灯光在该系统的智能控制下，能够实现易于管理和节约能源的目标，该智能控制系统包括两种控制模式：1.自动控制模式。2.强制执行模式。

自动控制模式：在将编写好的程序烧录进单片机后，将电源接入该系统，按下硬件电路上的复位按钮，使系统处于自动控制状态，当教室中的光强较大时，流过光敏电阻的电流小，此时光敏电阻上的电压就小，在这种情况下，不管教室内有没有人，灯都不会亮，即光强强，则灯不亮，作为系统开关灯的判据之一。而当教室光照强度较小时，此时光敏电阻上所分到的电压就会较大，若此时并未到开灯所设定的时间，则教室的灯依然不会亮，而当时间处于开灯所设定的时间段时，系统通过对进入教室中人数的统计，以此来确定所开灯具的数量和位置。当有人从室外进入室内时，位于教室门口的红外对管开始工作，此时人体信号转换为电压脉冲信号，将此脉冲信号经过隔离缓冲送到CPU，信号被处理后，CPU会发送指令使液晶显示器上显示当前教室内的人数，反过来，当有人从教室出来时，液晶显示器上人数将自动减1，而当教室人数减为零时，此时的条件已不满足开灯所设定的条件，则不管教室里面的光强有多低，系统均关闭灯光，因此教室中是否有人也是作为开关灯的条件之一。

强制执行模式：电路工作在正常环境下时，无论教室里面的光强是强或者是弱，也不管时间是否达到系统所设定的开启时间，只要人为按下强制转换按钮，则该系统立刻变换为手动控制电路，即通过人工对开关的操作，来控制教室灯的亮灭。当需要再次启动智能照明控制系统时，通过复位按钮或者再次按下转换按钮，则系统将再次工作在自动控制模式下。

系统结构图如下：
图2 系统方框设计图 1.3 本章小结 本章介绍了教室智能照明系统的设计方案以及如何实现该方案所需要的条件，通过分析可知对灯光的智能控制条件主要分为三个：一是光强是否足够弱，二是是否达到了教室灯光开的时间，三是是否教室里面是否有人，对于这三个条件，缺少其中任何一个条件，灯就不会亮。

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 图5是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。在使用的时候，D 端接电源正极，G端接电源负极，信号则从S端输出，为了消除因环境和自身变化所引起的干扰，两个极性相反、但特性一致的探测元串联在一起组成该传感器。为了让传感器得到补偿，它利用两个极性相反，但大小相等的干扰信号在内部互相抵消。对于外界红外辐射辐射到传感器上，热释电传感器则通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜在其聚焦后加到两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。

2.2.2 教室人数检测模块 热释电红外传感器采集到的信号首先经比较器LM339缓冲，通过比较之后将此信号接到单片机上的I/O口上，在软件设计上，通过对此I/O口的不断扫描，将此信号与基准信号进行对比，从而来统计进入教室的总的人数。对此，另外一种方法就是通过该引脚和中断引脚相连，利用外部中断的方法，使教室中的人数通过电信号来进行转换。本系统所采用的是普通引脚信号检测的方法，将两对红外对管放置在教室的进门处，其中一个发射红外线，另一个则用来接收，之所以放置两对红外对管是为了使判断结果更准确。当有人经过教室门口时，红外发射管发射红外线，经人体反射之后，红外接收管将反射回的光线进行接收，与此同时，位于门口的指示灯被点亮，随后传感器将采集到的信号传输给单片机，单片机经处理之后在液晶屏上显示人数加1，每当有人从门口进入教室时，液晶显示屏上的人数不断增加，直至软件设定的最大值，当有人从门口走出时，门口此时的红外对管和进入时的顺序刚好相反，此时经比较器LM339之后传入单片机的信号与进入时的信号也相反，单片机将信号处理之后使液晶显示屏上的人数减1。

图6 红外对管检测电路 LED7和LED6这两个二极管为红外接收管，LED8和LED9这两个二极管为红外发射管，这两对二极管组成红外对管，电阻R21和R22的目的是为了限流，避免因电流过大而导致元件损坏，R12和R13是位于接收端的上拉电阻，为了使输出得到高电平。当红外对管前有人经过时，接收管收到人体反射回来的红外线，此时接收管导通接地，电压低于输入端的2.5V，V+<V-，比较器输出低电平，LED指示灯亮；
当无人从门口经过时，此时接收管断开，电压大于2.5V，所以V+>V-，输出高电平，LED指示灯灭，单片机通过对传输来的高低电平进行判断，以此来确定是否有人进入教室中。

LM339内部有四个独立的电压比较器，电压比较器的工作原理是：当正极输入电压大于负极输入电压（V+>V-）时，输出高电平。当负极输入电压大于正极输入电压（V->V+）时，输出低电平。这里单片机通过接收LM339输入的电平高低，对硬件电路作出相应的操作。

LM339芯片的引脚图如图7所示，各引脚的定义和功能如下：
图7 LM339芯片引脚图 1、2、13、14脚均为比较器的输出端。

3脚接电源正极。

12脚接地。

4-11脚均为比较器的输入端。

其功能特点是：
1. 电压失调小，一般是2mv。

2. 共模范围大，为0V到电源电压减1.5V。

3. 对比较信号的内阻限制很宽。

4. LM339 Vcc电压范围宽，单电源为2-36V，双电源为+-1V到+-18V。

5. 输出端电位可灵活方便地选用。

6. 差动输入电压范围很大，甚至能等于Vcc。

2.3 教室光照强度检测模块 2.3.1 光敏电阻的功能简述 内光电效应是光敏电阻工作的基本原理。电极引线被封装在半导体材料的两端，在透明窗的管壳里封装着电极引线，光敏电阻因此而形成，通常将两个电极做成梳状用来增加光敏电阻的灵敏度。用于制造光敏电阻的材料主要包括：金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法，在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体，为了避免因受潮影响灵敏度，将引线封装在具有透光镜的密封壳体内。当有入射光照射并消失时，由光子激发产生的电子、空穴将发生复合，而这时，由于半导体中的载流子数目的减少，光敏电阻也将恢复到原来的阻值。将电压加在光敏电阻两端的金属电极上，就会有电流流过电阻，当受到一定波长的光线照射时，电路中的载流子就会变多，此时电流就会变大，电阻值将会变小，因此，光信号就转变为电信号。和普通电阻一样，光敏电阻没有极性，在使用的时候，不管是直流电压还是交流电压，二者均可。对于半导体器件，半导体的导电能力的强弱主要由半导体导带内载流子数目的多少来衡量，载流子多，则导电能力强，载流子少，则导电能力弱。光敏电阻随光强的变化如图所示：
图8 光敏电阻值与光强的关系 光敏电阻主要参数：
（1）光电流、亮电阻。外加电压加在光敏电阻的两端，当外界光照射光敏电阻时，流经光敏电阻的电流称为光电流，外加电压与电流的比值即为亮电阻。

（2）暗电流、暗电阻。电阻两端加上一定电压，无光照射的时候，流过得电流为暗电流。电压与电流之比为暗电阻。

（3）灵敏度。光敏电阻的灵敏度是指在无光照射时的暗电流与有光照射时的光电流的比值。

（4）光谱响应。又称光谱灵敏度，是指用不同波长的单色光照射光敏电阻时的灵敏度。将不同光波长照射下所得到的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。

（5）光照特性。穗光强变化得特性称为光照特性。从光敏电阻的阻值与光照强度的关系图可以看出，光照强度的增加会使光敏电阻的阻值迅速下降，其中存在一个拐点，随着刚找强度的逐渐增大光敏电阻的阻值不断变小，最后变得平缓。可以看出，曲线一般为非线性。

（6）伏安特性曲线。用加在光敏电阻两端的电压和流过光敏电阻电流来表示，对于光敏器件来说，当光照强度一定时，其光电流随外加电压的增大而增大。

（7）温度系数。温度对半导体材料的影响不可忽略，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。

（8）额定功率。指电路中所允许消耗的功率，对于光敏电阻来说，温度降低，消耗的功率就高。

2.3.2 光敏电阻检测光强原理 如下图所示，为光敏电阻测量光强示意图，其中LIGHT1为光敏电阻，当外界光照射在光敏电阻上时，光强强的时候，导带内载流子多，导电能力强，光敏电阻阻值较小，被分到的电压低，此时LM339的5脚电压大于4脚电压，V+>V-，比较器2脚输出高电平；
天黑的时候，光强较弱，此时导带内载流子少，光敏电阻阻值较大，4脚分到的电压高，由图可以看出，此时4脚电压是大于2.5V的，所以V+<V-，2脚输出低电平，光强指示灯点亮，因此，单片机可依靠光敏电阻输出电压高低来判断当前环境是否处于昏暗，继而根据高低电平来控制教室灯光的亮灭。图9为光强检测电路图：
图9光强检测原理图 2.4 按键控制模块 本控制系统共有七个开关按钮，其中包括复位按钮、选择按钮、确认、加、减、切换以及手动控制按钮，复位按钮，顾名思义，当按下复位按钮时，系统所有数据清零，重新工作在软件设定初始状态下。选择、确认、加、减等四个按钮则是系统对时间的设定按钮，对时间的设定包括对当前使劲按的设置以及对灯光开启的时间段的设置，切换按钮则是对强制状态和智能模式的切换，手动开关则是在强制状态下对灯光的亮灭控制。在智能控制模式下，灯光在设定的开放时间段到达之后，通过光敏电阻对教室内光强的测量，以及通过红外对管对人体信息的测量，单片机通过将这些信息综合处理之后，判断这些条件是否同时满足，若这些条件同时满足，则教室中的灯光自动点亮，否则，教室的灯光依旧保持黑暗。同时，在教室中有人的状态下，即在教室灯光电亮的情况下，系统通过对进入教室中人数的统计，根据程序所设定的人数范围，智能控制教室中部分灯的点亮，从而避免过多使用灯具而导致浪费电量的情况。

如图为灯控开关及转换模拟：
图10按键模块图 2.5 液晶显示模块 本设计使用的LCD1602液晶模块采用HD44780控制器。控制器HD44780具有实用且功能较强的指令集，具有让字符移动、跳动的功能。LCD1602与单片机MUC的通信有两种传输方式，其中包括8位或4位并行传输。HD44780控制器由两个8位寄存器、指令寄存器（IR）和数据寄存器(DR)、忙标志显示数据(BF)、字符发生器(ROM)、显示数据（RAM）、地址计数器等组成。IR用于寄存器指令码，只能写入不能读出；
DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM，或者暂存从DDRAM和CGRAM读出数据。BF为1时，液晶模块处于内部处理模式，不响应外部操作指令和接受数据。DDRAM用来存储显示字符，能存储80个字符码。CGRAM由8位字符码生成5*7点阵字符160种和5*10点阵字符32种。AC可以存储DDRAM和CGRAM的地址，如果地址码随指令写入IR，则IR自动把地址码装入AC，同时选择DDRAM或者CGRAM单元。

LCD1602液晶模块的引脚功能如下：
第1脚：GND接地。

第2脚：VCC接电源+5V. 第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，通常此脚会接一个10K的电位器进行对比度的调节。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据存储器，低电平0时选择指令存储器。

第5脚：RW为读写信号线，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作。

第6脚：E（或EN）为使能端，高电平1时读取信息，负跳变时执行指令。

第7—14脚：D0~D7为8位双向数据端。

第15脚：背光正极。

第16脚：背光负极。

如图所示为液晶1602与单片机连接图：
图11液晶1602连接示意图 2.6 时钟模块 根据教室灯光所使用的环境，时间因素应作为该系统的一个判断依据，因此为了使系统更加智能化的运行，本课题中在硬件电路中还加入了时钟电路。

考虑到时钟电路在掉电情况下依然需要工作，且单片机的资源有限，于是采用具有充电能力的实时时钟芯片DS1302，作为临时性存放数据的RAM寄存器。该模块的作用是使系统即使在掉电的情况下，依然能够准确的走时，避免了系统因特殊原因导致断电出现走时不准确的情况。时钟模块所采用的芯片是DS1302，DS1302是一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与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。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年的记录，对于小于31天的月份，可进行自动调整，对于闰年，其具有补偿的功能。工作电压范围为2.5～5.5V。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，提供了对备用电源进行涓细电流充电的能力。

DS1302的引脚如图所示：
图12 DS1302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，控制数据的输入与输出。        I/O：三线接口时的双向数据线。  CE：输入信号，在读、写数据期间，必须为高电平。该引脚有两个功能：第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；
其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。

X1、X2为晶振接口。

图13时钟模块连接图 U1为时钟芯片DS1302，通过第5、6、7脚与单片机相连，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，因为时间不会停止，即使外界电源未关闭时，这里的纽扣电池依然向时钟芯片供电，防止时间停止或走时异常。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。RST是复位/片选线，此引脚与单片机的复位信号相连，通过RST输入驱动，置高电平来启动所有的数据传送，单片机P2.6引脚与时钟输入端SCLK连接，并对时钟进行控制。

2.7 本章小结 本章讲述了该系统的组成部分，其中包括：核心控制模块、教室人数检测模块、光照强度检测模块、按键控制模块、液晶显示模块、时钟模块。每一个模块作为系统的一个部分，都发挥着重要的作用，各自独立而又相互联系，形成统一的整体。

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 该流程图描述的是整个系统对教室灯光的控制情况。首先，让器件和端口初始化，系统上电复位之后处于自动控制模式。液晶1602显示器会根据进出教室的人数实时显示在教室内的人的数量，此时系统根据人数的多少与光强的大小，以及是否到达系统设定的开关时间段来控制教室里灯的亮灭。当按下转换按钮后，教师中的灯光通过人工来控制。

主程序设计如下：
void main() { AUTO_LED=0; //默认自动模式 init(); //液晶初始化 T0_init(); //定时器初始化 while(1) { if(Adjust==0) //非调节模式下显示时间 { Time_Display(); //显示时间 Open(); //动作判断,根据光线和人数开关 Count_Value(); } Keyscan(); //扫描键盘 } } 3.4 系统子程序流程图 3.4.1 按键控制流程图 此流程图描述的是通过按键来模拟人进出教室的情形，光强变化的情况用滑动变阻器来模拟。在智能控制模式，当按下jin按键时，液晶显示屏上的人数加1，按下chu按键时，液晶显示屏上的人数减1。当进入的人数大于10，且光强没有超过上限值的时候，模拟的灯全亮，而当人数小于10时，则灯亮一半。而当系统处于强制控制状态时，灯的亮灭则由人工来控制，按下切换按钮，转换为人工控制模式，此时通过手动开关按钮来控制教室中所有灯的亮灭，下图位模拟人进出教室时的流程图：
图15 按键模拟图 3.4.2液晶显示控制流程图 此流程图是将处理后的信息显示在液晶显示屏上，首先将液晶初始化，具体初始化方式参考LCD1602技术手册，其次设置液晶的读写指令以及相关数据所显示的位置。当系统开始工作时，通过软件程序的设定，单片机将传输的信号进行处理，随后通过液晶显示屏将对应的数据实时显示出来。

图16 液晶显示 液晶显示程序如下：
void LCD_Display_String(unsigned char line,unsigned char *string) { //液晶屏显示内容，把要显示的内容写到对应的位置 unsigned char i; unsigned char address=0; if(line==1) { address=0x80; //0X80是第1行的第1个位置 ,0x81第2位 } else if(line==2) { address=0x80+0x40; //0X80+0x40是第2行的第1个位置,0X80+0x40+1是第2行第2位 } for(i=0;i<16;i++) { write_com(address); write_date(string[i]); address++; } } 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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