教室LED日光灯节能控制设计

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教室LED日光灯节能控制设计

摘 要

基于当前对教室灯光控制方法的的了解，尤其是教室灯光的智能控制方面的发展现状，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机的教室灯光智能控制系统的设计思路，并在此基础上设计了智能控制系统的硬件装置和相应软件。

该系统以AT89C52单片机作为控制装置的智能部件，采用热释红外人体传感器检测人体的存在，采用光敏电阻构成的电路检测环境光的强度;根据教室合理开灯的条件，系统通过对人体的存在信号和环境光强弱的识别和智能判断，完成对教室照明回路的智能控制，避免了教室用电的大量浪费。系统还具有报警功能。单片机软件采用C语言编制，采用模块化结构设计、条理清晰、通用性好，便于改进和扩充。

该系统具有体积小，控制方便，可靠性高，专用性强，性价比合理等优点，可以满足各类大、中专院校教室灯光控制的要求，很大程度的达到节能目的。

关 键 词：红外传感器，单片机，热释电

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THE DESIGN OF SCHOOL LED LIGHT

ENERGY SAVING CONTROL

ABSTRACT

Based on the current realize of school lighting control method, especially the classroom light intelligent control development present situation, analyses the classroom light intelligent control theory and implement method, is proposed based on single-chip shool light intelligent control system design, based on the design of intelligent control system hardware and corresponding software.

This system to control device of AT89C2051 single chip microcomputer as intelligent parts, using thermal infrared sensor detect the existence of of human body, using photosensitive resistance of circuit testing environment light intensity, Reasonable according to the shool light conditions, the system through the light intensity signal and the environment for the presence of the human body identification and intelligent judgment, complete the classroom light intelligent control circuit,, to avoid the classroom a large amount of waste of electricity. System also has the alarm function. Single-chip microcomputer software compiled using C language, using modular design, clear structure, good versatility and facilitate improved and expanded.

This system has the advantages of small size, high reliability and easy control, the price is reasonable, strong specificity etc, can satisfy all kinds of big, secondary colleges shool light control requirements, to a great degree of energy-saving objective.

KEY WORDS：infrared sensors，SCM，pyroelectric

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目 录

前 言 ................................................................................................ 1 第1章 概述 ...................................................................................... 2 §1.1课题研究背景 ..................................... 2 §1.2教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题 ........... 2 §1.3课题研究的内容与意义 ............................. 3 §1.3.1研究内容 .................................... 3 §1.3.2研究意义 .................................... 3 §1.4本课题拟解决的关键问题 ........................... 4 第2章教室灯光控制器简介及控制方案的分析 .............................. 5 §2.1 教室灯光控制器简介 ............................. 5 §2.2 系统设计方案选取 ............................... 5 §2.2.1系统主控芯片的选取 .......................... 5 §2.2.2光照检测方式的选择 .......................... 5 §2.2.3人体感应方式的选择 .......................... 5 §2.2.4时钟芯片的选择 .............................. 6 §2.2.5照明设备驱动的选择 .......................... 6 §2.2.6 LED日光灯电压控制的选择 .................... 6 §2.3 系统控制方案的分析 ............................. 7 第3章 系统控制模块的硬件设计 ................................................... 8 §3.1控制模块的硬件构成 .............................. 8 §3.2 控制系统的主要硬件电路 ........................... 9 §3.2.1系统主控电路 ................................ 9 §3.2.2在线编程模块电路 ........................... 11 §3.2.3系统供电电路 ............................... 12 §3.2.4数据采集电路 ............................... 12 §3.2.5 DS1302时钟电路 ............................ 17 §3.2.6 数码管显示时间电路 ......................... 18

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§3.2.7 红外遥控接收电路 ........................... 18 §3.2.8 继电器驱动接口电路 ......................... 19 §3.2.9 超时报警电路 ............................... 19 §3.2.10 日光灯供电电源控制电路 .................... 20 第4章 软件设计与开发 ................................................................. 21 §4.1系统监控主程序模块 .............................. 21 §4.1.1系统初始化 ................................. 22 §4.1.2定时器中断处理 ............................. 22 §4.1.3多任务操作系统的构建 ....................... 23 §4.2数据采集模块 .................................... 23 §4.2.1数据采集软件设计的实现 ..................... 23 §4.3时钟模块 ........................................ 24 §4.3.1数据输入输出 ............................... 25 §4.3.2时钟内部寄存器的使用 ....................... 25 §4.3.3时钟程序设计 ............................... 26 §4.4数码管显示模块 .................................. 26 §4.4.1显示程序设计 ............................... 27 §4.5红外遥控模块 .................................... 27 第5章 系统调试运行及问题分析 ................................................. 28 §5.1单片机系统调试方法及步骤 ........................ 28 §5.1出现的主要问题及分析解决 ........................ 29 结 论 .............................................................................................. 31 致 谢 .............................................................................................. 33 附录一 .............................................................................................. 34 附录二 .............................................................................................. 35 附录三 .............................................................................................. 46

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前 言

随着国民经济的快速发展和社会进步，校园规模的不断扩大，教室的数量也大幅度增加。为使师生有舒适的教学和学习的环境，无论是教室的面积、设施和照度，校方在力所能及的范围内，都付出了十分的努力。但由于学校开放型的管理模式，以及全员的节能意识的淡薄，高校的教室在白天室内照度很高的情况下，仍然普遍存在开灯作业；即使室内无人或人数很少的情况下，也是全部开启室内照明。夜间许多教室，即使仅有几个学生在教室自习，但室内照明全部开启，绝不会有师生因为只有少数人而仅开几盏灯。

LED被认为是21世纪的照明光源。LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10％，荧光灯的50％。LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。用LED替代白炽灯或荧光灯，环保无污染。使用安全可靠，便于维护。我国照明用电占总发电量的12％。目前，公共建筑的照明灯具控制大多采用手动开关，经常出现没有及时开关的现象，从而造成大量的能源浪费和使用上的不便。另外，不必要的使用，也会缩短灯具的使用寿命。本文阐述了一套LED智能照明控制系统设计方案，可以根据工作环境中是否有人员和环境补光亮度等来自动控制照明的开关和亮度。采用本系统具有提高用电效率，节约电能和缓解了用电高峰的电力供应压力双重作用。 单片机的出现至今已经有30多年的历史了。微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机的应用已经渗透到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，并掀起了一场数字化技术革命。单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口/都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。

本篇论文介绍了就是基于单片机STC89C52的室内灯光控制系统的研究和开发。本系统是以单片机为控制器的核心，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。以此来实现对LED照明设备进行开关操作，从而实现照明控制，以达到节能的目的。

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第1章 概述

§1.1课题研究背景

随着社会的发展,对照明系统的需求激增。就建筑的照明系统来说，许多地方的灯经常是从早到晚开着的，不管这些房间或楼道是否有人，也不管有多少人。或者，当自然光照度很好时，灯不能及时关闭；反之，当自然光照度难以满足人的需求时，又不能及时打开灯光。这种照明方式，不仅造成能源的浪费，而且不能满足人对照明的基本需求，同时也给人的视力造成了很大的影响。现代照明除了满足人的基本生活、学习要求之外，将更注重能量的节省和使用上的便利，以及满足人类工程学的个性方面的要求。所以要做到合理、经济、节能，首先应采用先进成熟的技术和产品，如电光源、灯具、照明控制系统。因此，适应不同个人和工作需要，结合自动调节与手动调节的智能化照明系统已经不可或缺。 而在大学校园的建设热潮中，各大高校的建设者也意识到了智能照明的重要性。相对商业楼宇而言，大学校园里的大功率动力和制冷设备比重较少，照明灯具则相对比重更多，所以控制教室照明是节能的关键。使用照明控制系统，更能体现其在节能与管理方面的优势，而且还能节省开支。

§1.2教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题

目前，我国照明用电约占社会总用电量的12%，采用高效照明产品代替传统的低效照明产品可节电60%到80%。如今，北京正在大力推行绿色照明工程，己推出上百万只绿色照明光源和部分节能电器，据测算年节约用电可达3442万千瓦时，节约电费2519.7万元。政府己经在商厦、学校、医院等更换了24万只节能灯具。在奥运工程的建设上，也大量运用节能技术，北京的奥运厂馆“水立方”，通过采用大量的节能灯具，装备新技术，通过增强透光性白天可节约照明能耗50%。 我们党在2000年10月11日党第十五届中央委员会第五次会议通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划的建议》中明确指出:“加强基础设施建设是今后五年至十年一项十分重要的任务。”其中提到的基础设施建设就

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包括了能源建设。《建议》还强调了能源建设要发挥资源优势，优化能源结构，提高利用效率。面临如此紧迫的能源问题，我们应该把着眼点放在“高效加强环境保”利用“清洁”能源。由此可见，节能照明用电，对节能具有重要的意义。目前国内各类院校中，由于同学们的自觉节能意识薄弱，在光线足够强时也开灯，护洁课上完离开教室后灯还亮着的现象普遍存在;而且，节能规划极为欠缺，教室的灯光控制由管理人员手工代替，教室极多，管理人员忙不过来，这样就造成不必要的电能浪费和经济损失。

基于以上种种原因，提高教室用电效率就成为学校节能的重要且主要的措施之一，因此节能技术的重要手段之一就是教室日光灯自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要课题。

§1.3课题研究的内容与意义

§1.3.1研究内容

本课题的研究内容有如下几点: (1). 了解教室照明光强的标准；

(2). 调研教室灯光照明需求以及环境光强弱与开、关灯的关系； (3). 研究人体存在探测技术，探测角度与范围；

(4). 研究传感器教室分布、安放问题，是否一灯一个传感器或多灯公用传感器等； (5). 研究确定人体传感器的有关参数； (6). 研究灯光控制器电源问题；

(7). 研究控制器参数值设定的要求及方案； (8). 研究人工设置参数、掉电保存参数的问题；

(9). 研究与现有教室照明相兼容，易替代，不易被偷盗、被仿制，易于维护、维修等控制技术；

(10).研究报警等附加功能问题 §1.3.2研究意义

I．良好的节能效果和延长灯具寿命

节能是照明控制系统的最大优势。传统的楼宇公共区域照明工作模式，只能是白天关灯，晚上开灯。而采用了智能照明控制系统后，可以根据不同场合及人

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流量，进行时间段、工作模式的细分，把不必要的照明关掉，在需要时自动开启。同时，系统还能充分利用自然光，自动调节室内照度，在保证必要照明的同时，有效减少了灯具的工作时间，节省了不必要的能源开支，也延长了灯具的寿命。 II. 改善工作环境，提高工作效率

良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。合理地选用光源、灯具及性能优越的照明控制系统，都能提高照明质量。智能照明控制系统具有开关和调光两种控制方法，可以有效地控制各种照明场所的平均照度值，从而提高照度均匀性。同时，系统能根据不同的时间段，人们的不同需要，自动调节照度。 III. 提高管理水平

智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。在一般的情况下，不需要有人的参与，照明系统自动实现开关和调光功能，既大大减少了管理人员的数量，也排除了由于人为因素而出现的不定时开关，影响学校的正常教学、生活秩序的情况。 IV. 较好的投资收益效果

智能照明控制系统在节能和节省灯具使用的同时，有效节省了电费与管理费用的支出。根据一般的办公大楼运营的经验来看，节能效果能达到40％以上，一般的商场、酒店、地铁站等节能效果也能达到25％～30％。

§1.4本课题拟解决的关键问题

本课题拟通过试验研究教室灯光的各种控制方案解决如下关键问题: (1). 照明回路的控制回路与控制器本身的节能问题； (2). 传感器与教室灯配合安装的问题； (3). 环境光参数输入采集问题； (4). 人存在传感器参数输入采集问题； (5). 开、关灯的自动与手动兼容措施；

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第2章教室灯光控制器简介及控制方案的分析

§2.1 教室灯光控制器简介

教室灯光控制器可实现有效的教室灯光智能控制。其输入参数主要是人体存在信号和环境光信号等的外界因素，环境光的强度达到一定值时不开灯，环境光强度在一定阀值以下且有人存在时开灯，理论和实验证明用这种方式来对教室灯进行智能控制可以实现上述目标。

教室灯光控制器一般安装在教室内避开电灯直射的位置，且人体传感器安置时应使人体活动方向与人体传感器中两个热释电元连线方向垂直，这样可使人体存在信号采集更加灵敏、可靠，同时还要尽可能避免外界风直接吹向人体传感器。

§2.2 系统设计方案选取

§2.2.1系统主控芯片的选取

由于MCS-51单片机在功能和性价比方面均优于其它芯片，故本设计选用STC89C52 单片机STC89C52来实现。 §2.2.2光照检测方式的选择

方案一：采用光敏二极管或三极管等光传感器件把环境亮度转换成相应的数字电平，然后直接接入单片机I/O引脚。

方案二：采用光敏电阻通过AD把环境亮度转换成相应的具体数值，然后将该数值传给单片机。

由于需要采集环境光的具体数值，所以采用方案二。 §2.2.3人体感应方式的选择

方案一：采用红外对管进行检测。红外发送管和红外接收管分别安装在通道两侧。当某一时刻红外接收管如果接收不到信号表示两者之间有遮挡物通过，可以视为有人体进入。

方案二：采用集成电路HC-SR501，该芯片是一款具有较高性能的传感信号处

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理集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件就可构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、蜂鸣器、自动门、电风扇等装置，特别适用于企业、宾馆、商场的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。

方案分析：由于方案一要求红外发送管和接收管必须相对才行，而且两者距

离有限，实现起来较为不便，所以本设计采用方案二。 §2.2.4时钟芯片的选择

传统的时钟芯片，如MC146818, MC68H68T, LM8365等，这些芯片的引脚太多，体积大，占用的口线多。而现在流行的串行时钟芯片很多，如DS1302，DS1305，DS1307，PCF8485等，这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛的使用。考虑到本系统停电时只需对时钟电路提供电源、且不需要占用太多单片机资源，故本系统采用具有充电能力的低功耗1*8的用于临时性存放数据的RAM寄存器的实时时钟芯片DS1302。 §2.2.5照明设备驱动的选择

方案一、采用可控硅控制。可控硅又称晶闸管，是一种具有三个PN 结的四层结构的大功率半导体器件。其具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。

方案二、采用继电器控制。继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。其具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。根据结构不同，可以将其分为电磁继电器、热敏干簧继电器、固态继电器、磁簧继电器、光继电器等型号。

方案分析：由于电磁继电器简单易用，开关状态极其容易判断，所以本设计采用电磁继电器来控制。 §2.2.6 LED日光灯电压控制的选择

方案一：通过光敏电阻采集到的具体光强数值，来通过pwm调节LED日光灯输入电压的占空比，从而无级调压以达到日光灯亮度等级的控制。

方案二：通过光敏电阻采集到的具体光强数值，分8个等级将LED日光灯输入电压分为8级，从而有级调压以达到日光灯亮度等级的控制。

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方案分析：由于方案一硬件电路不易实现，故采用方案二。

§2.3 系统控制方案的分析

所研制的控制器以自然光强度和人体存在作为控制器的主要输入参数。可以实现自动与手动控制相兼容。在自然环境光较强光线足够时，无论人是否存在，都不开灯;在自然环境光较弱时，有人存在且超过一定时间，控制器自动打开电灯，直到人离开后再延时一定时间后关灯。同时，还要按作息时间来控制，夜晚超过11点，若还有人存在，则警报响起提醒人离开，若有特殊情况则可通过红外遥控关闭自动控制器的运行，改用红外开关来手动控制，以解决因特殊情况下，自动控制器的不人性化运行。

本文所研究的教室灯光控制器主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动与手动相结合的教室照明智能控制。

本系统的整体设计思路如下图2.3-1所示：

AC 220V开关量调压变压器AC 100V~260VLED日光灯继电器驱动模块环境光光敏电阻A/D光敏分等级控制开关量红外遥控模块继电器驱动模块存在人体红外信号弱环境光信号6:00--23:00数码管显示时间DS1302时钟模块其它时间图2.3-1 整体思路图

灯亮超时警报

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第3章 系统控制模块的硬件设计

考虑到本系统所安装的环境影响因素比较多，且教室控制设备中的人体存在传感器、光敏三极管等经常会因环境情形变化而不稳定，所以在设计过程中，电子元器件的选用、线路布置和设备的安放要充分考虑到抗干扰问题。

§3.1控制模块的硬件构成

系统控制单元是以单片机主控模块为核心，其它外围电路主要包括:ISP下载线模块、系统供电模块、DS1302时钟模块、灯光继电器驱动模块、数码管显示模块、A/D采集环境光模块、人体存在红外传感器模块、超时报警模块、IR红外遥控模块，其结构框图如图3.1-1所示：

ISP下载模块DS1302时钟模块电源模块IR红外遥控模块人体存在红外模块89C52系统模块A/D采集环境光继电器驱动模块数码管显示模块灯光供电电压模块超时警报模块

图3.1-1系统控制单元结构框图

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§3.2 控制系统的主要硬件电路

§3.2.1系统主控电路

本系统的主控模块主要采用STC公司的STC89C52作为主控芯片，它是一种低功耗，8位CMOS工艺处理器，具有8K在线可编程Flash存储器，片内的Flash可多次编程，为在线编程提供了方便。片内有128字节的RAM, 8KB的EEPROM，由于合理的安排使用片内RAM空间，所以没有扩展的片外RAM，使电路结构简捷。由于电路控制的复杂性，故采用两个STC89C52芯片（下面用STC89C52-1、STC89C52-2来表示）来实现对LED光灯的控制。STC89C52-1主要用来控制时钟模块、人体红外信号采集、继电器输出驱动日光灯、超市警报模块；STC89C52-2主要用来控制A/D环境光采集、红外遥控、日光灯供电电压控制模块。

STC89C52-1的I/0端口与系统其它外围器件接口的分配情况图如下图3.2.1-1所示：

图3.2.1-1 STC89C52-1

STC89C52-1的I/0端口与系统其它外围器件接口的分配情况表如下表3.2.1-2所示：

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表3.2.1-2

STC89C52-1引脚

P0.0~P0.7 P1.0、P1.1 P1.2 P1.3 P1.5~P.17 P2.0~P2.3 P2.4~P2.7 P3.3 P3.6 P3.7

说明 数码管传送数据端 数码管位选、段选 光敏控制灯光亮灭位

显示日期位

DS1302时钟引脚

人体热释电信号位 灯光驱动-继电器输出位

红外控制警报位

红外启动位/手自动控制切换位

超时警报位

STC89C52-2的I/0端口与系统其它外围器件接口的分配情况图如下图3.2.1-3所示：

图3.2.1-3 STC89C52-2

STC89C52-2的I/0端口与系统其它外围器件接口的分配情况表如下表3.2.1-4所示：

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表3.2.1-4

STC89C52-1引脚

P0.0~P0.7 P1.0/P1.1 P1.2 P1.3 P2.4~P2.7 P3.2 P3.6 P3.7

说明

日光灯供电电压模块控制位

A/D采集i2c总线位 光敏控制灯光亮灭位 （红外控制）显示日期位 灯光驱动-继电器输出位

红外接收位

红外启动位/手自动控制切换位

红外控制警报位

§3.2.2在线编程模块电路

以往单片机的实验往往依赖于仿真机和单片机学习系统，价格昂贵，近年来，随着FLASH型单片机的广泛应用，采用软件模拟结合写片验证成为一种经济实用的实验方法，尤其是随着单片机技术的发展，很多单片机都具有了ISP功能，不再需要仿真机，将单片机的易用性推向一个新的高度。 STC89C52芯片就是这样的芯片。其原理图如下图3.2.2-1所示。

图3.2.2-1 程序下载模块原理图

STC89C52芯片支持在线编程(ISP)功能，用户可以通过STC89C52在线编程接口直接对电路板上的CPU进行在线编程，方便了程序的修改烧写工作。ISP进行在线编程时，用AT89C52芯片的P3.0、P3.1引脚，通过PC并口，根据ISP协议制作简单的编程器就可对CPU进行编程。使用方便、快捷，且工作显示信号清晰。

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§3.2.3系统供电电路

要取得+5V电压，若选用12V的变压器，整流滤波后输出往往大于12V，会使稳压器功耗大，自身温度较高。故不选用输出电压为12V的变压器，而选用输出电压为9V的变压器。系统接通220V交流电源后，将220V交流电变压到9V，经过二极管全波整流、电解电容C23，C24滤波，再经一只正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用了电容C25、C26，最后得到+5V的直流工作电源，用于给控制系统中单片机系统及其它外围电路的Vcc+端供电。其供电原理图如3.2.3-1所示。

图3.2.3-1 供电原理图

在硬件时钟模块中，为了在断电后硬件时钟能够正常运行，故采用主从双电源供电方式。硬件时钟一般在系统的+5V主电源情况下工作，而只有系统+5V主电源消失的情况下，为确保硬件时钟的正常运行，设计一个3.6V的可充电铿电池作为备用电源。具体电路及其原理将在后面的系统时钟电路部分详细说明。 §3.2.4数据采集电路

教室中的环境光和人体存在与否是系统的主要输入参数，因此教室中的环境光和人体存在成为系统数据采集的主要对象。常见的环境光采集器件光电传感器有光敏电阻。此外，人体传感器要求灵敏度高，可靠性强，本系统采用了逻辑电平输出的HC-SR501型号的人体存在传感器。 I.环境光A/D采集电路

光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。还有另一种入射光弱，电阻减小，入射光强，电阻增大。

光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）uM的

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响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。其外形电路图形符号如图3.2.4-1所示：

图3.2.4-1 光敏电阻

光敏电阻电路如下图3.2.4-2所示：

图3.2.4-2 光敏电阻电路原理图

其输出随着光敏电阻的阻值变化为不同的电压值，其中AIN0引脚接A/D的AIN0

引脚。

在这里选用的AD为PCF8591--8位A/D和D/A转换器，通过该型号的A/D将

光敏电阻输出的电压值（模拟量）转换成数字量。来供后续电路、单片机的控制运算处理。下面介绍一下PCF8591--8位A/D和D/A转换器,由于本芯片我们只使用的是A/D转换部分，故仅对A/D部分稍作介绍。其引脚如图3.2.4-3所示：

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图3.2.4-3 PCF8591引脚图

PCF8591是单片、单电源低功耗8位CMOS 数据采集器件，具有4个模拟输入、一个输出和一个串行I2C总线接口。3个地址引脚A0、A1和A2用于编程硬件地址，允许将最多8个器件连接至I2C总线而不需要额外硬件。器件的地址、控制和数据通过两线双向I2C总线传输。

器件功能包括多路复用模拟输入、片上跟踪和保持功能、8位模数转换和8 位数模拟转换。最大转换速率取决于I2C总线的最高速率。

A/D部分的电路连线如下图3.2.4-4所示：

图3.2.4-4 A/D模块电路图

由于I2C总线系统中的每一片PCF8591通过发送有效地址到该器件来激活。该地址包括固定部分和可编程部分。可编程部分必须根据地址引脚A0、A1和A2来设置。上图中A0~A2均与地线连接，所以PCF8591的编程地址后三位为000B。电路中A/D通道AIN0与图3.2.4-2中的标号AIN0相连。电路中的串行数据线SDA和串行时钟

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线SCL必须通过上拉电路连接至正电源。数据传输只能在总线不忙时启动。其中SCL连接至单片机STC89C52-2的P1.0引脚，SDA连接至单片机STC89C52-2的P1.1引脚。 II．人体存在信号采集电路

人体热释电红外传感器HC-SR501是深圳市浩博特电子有限公司研发和生产的基于红外线技术的智能产品，它的主要特性如下:

（1）全自动感应：人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。

（2）温度补偿：在夏天当环境温度升高至30～32℃，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。

（3）两种触发方式：（可跳线选择）

a、不可重复触发方式:即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变成低电平；

b、可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将保持高电平，直到人离开后才将高电平变为低电平。 （4）具有感应封锁时间：感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。 （5）工作电压范围宽：默认工作电压DC4.5V-20V。

人体传感器HC-SR501的视图如图3.2.4-5所示:

图3.2.4-5

人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性如下:人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10uM左右的红外线，被动式红外探头就

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靠探测人体发射的10uM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10uM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生由人体存在的信号。

这种探头是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为10uM左右的红外辐射非常敏感。为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤光片（菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距，从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密），使环境的干扰受到明显的抑制作用。人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元，构成差分电路，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被人体存在传感器的热释电元接收，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，经信号处理而输出有人体存在的信号。

人体传感器透镜的信号采集敏感区示意图如图3.2.4-6所示

图3.2.4-6 信号采集敏感区示意图

人体存在传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系，正确的安装应满足的条件有：应离地面2.0-2.2米；远离空调，冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方；在探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物；不要直对窗口；不要安装在有强气流活动的地方。人体存在传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。

人体传感器HC-SR501模块的外接连线：人体传感器的1号引脚为电源信号端，3号引脚为地信号端，2号引脚为采集信号输出端。本系统使用4个HC-SR501模块来控制路LED日光灯，故其2号引脚分别连接单片机STC89C52-1的P2.0~P2.4

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§4.1.1系统初始化

系统初始化是保证整个控制系统能够正常运行的重要条件。系统加电复位后，直接进入初始化程序完成系统的初始化。初始化过程主要是对一些控制寄存器、数据区和外部芯片进行初始参数设置和定义。本系统中的初始化主要指各接口芯片的检测、芯片内部设定参数的初始化及系统内部寄存器的初始化。

各接口芯片的检测主要检测各芯片是否己处于准备工作的就绪状态，有无硬件故障等，如检测各位LED是否正常显示系统设置开机时的界面，检测硬件时钟DS1302是处于更换芯片后初次使用为起振状态，还是处于备用电源供电振荡保持状态，即检测系统中控制时间表的有效性，检测人体传感器输出信号是否正常体现人体存在的信息，检测环境光是如何影响光采集电路输出的信号等。

系统内部寄存器初始化主要是指在数据缓冲区内，各用户定义的数据变量的初始化赋值及部分特殊功能寄存器SFR的复位初始化。 §4.1.2定时器中断处理

定时中断是利用单片机内部的定时器定时时间到或计数值已满引起的中断，内部定时器的计数器可以对内部时钟或从外部引线TO和TI输入的外部脉冲进行计数。计数器的溢出信号作为中断请求信号，去置位定时器溢出标志位，向单片机的CPU申请中断。

定时中断为周期性中断，每隔一定的时间会中断一次。本系统中设定的定时中断主要用来构造多任务操作系统，在系统响应中断后，无需对断点实施现场保护，可直接进行多任务时间的划分工作，使相应的操作任务进入就绪状态，即该中断可以启动有关的任务就绪。该定时中断处理程序框图如图4.1.2-1所示:

程序开始定时器中断Ｙ中断任务启动Ｎ主程序下一步

图 4.1.2-1 定时中断处理程序框图

本系统还采用了外部中断，此外部中断主要用来判断是否有遥控器信号(或警

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报信号)，若有，就采集下来并加以处理；若无，则返回到主循环。 §4.1.3多任务操作系统的构建

多任务操作是将用户应用程序分成多个任务，在操作系统的管理下，以某种准则调度并分配任务由处理器去执行。多任务运行实现一般是靠CPU运行实时内核，对多任务进行分配和调度，使CPU不停地执行这些任务中的某一个任务，以至能最大限度地提高CPU的利用率，加快运行速度，各任务(程序)不被耽误运行。 本系统多任务的执行是对定时中断中设置的实时标志进行检测，通过标志位的状态决定各任务的调用。任务的执行在微观上是分时顺序进行的，但在宏观上认为是同时执行的。因此各任务在实时系统中的就会处于如下四种状态之一，这四种状态如图4.1.3-1所示：

运行等待休眠就绪

图 4.1.3-1

当某个任务获得CPU的执行权时，CPU执行该任务，此时任务处于运行状态。等待状态是指任务的执行需要等待某一事件发生，则由运行状态退出，进入等待状态。就绪状态是任务满足所有启动条件后所进入的状态。休眠状态是任务己执行完的状态。

§4.2数据采集模块

本系统中的数据采集对象为环境光信号及人体存在信号，在程序设计中对这两个数据的采集放置多任务模块中实施定时采集。 §4.2.1数据采集软件设计的实现

本系统考虑到环境观足够亮时，无论有否人体存在都不应该开灯：而环境光不够亮时，有人体存在才开灯,无人体存在不开灯。本系统逻辑定义为环境光亮时为二进制的“0”，暗时为“1”，人体存在为“1”，人体不存在为“0”，开灯为“1”，

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关灯为“0”，那么环境光与人体存在可以有以下的逻辑关系表表示，如表4.2.1-1所列：

表4.2.1-1

环境光参数

0 0 1 1

人体存在参数

1 0 1 0

灯光状态

0 0 1 0

上表数据表明可将环境光参数与人体存在参数相与门操作，又由于继电器是低平驱动，所以要将采集处理后的信号进行非操作，才可以驱动继电器工作，即可得到教室灯的状态，其软件子程序为： hr_test()，具体内容会在附录中给出。

其流程图4.2.1-2如下所示：

开始系统初始化光照检测弱是否有人熄灭LED日光灯Y点亮LED日光灯N时间到否YN

图4.2.1-2 数据采集流程图

§4.3时钟模块

在系统启动自检初始化时，首先会对时钟芯片DS1302的运行状态进行判断，当检测到DS1302处于启动状态时才对其进行初始化启动时。实时时钟芯片DS1302的初始化及其读写程序设计的关键是要遵循其时序要求。

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§4.3.1数据输入输出

在对DS1302进行的各种操作之前，必须先对其初始化，即需要把复位输入RST端置为高电平，如果RST输入为低电平，那么所有的数据传送中止，且I/0引脚变为高阻抗状态。在数据读/写完后，RST端应置成低电平，以防止外部干扰对DS1302内部时钟的影响。

同时，为了防止复位输入端受到外部的干扰，要求上电时，在主电源引脚 Vcc2>2.5V之前，RST必须为逻辑0。无论是读操作还是写操作，都必须在开头的8个时钟周期把提供地址和命令信息的8位数据装入到DS1302的移位寄存器。地址/命令子节用于指明40个寄存器中的哪个进行何种操作。数据在SCLK的上升沿串行输入，在开始的8个时钟周期把命令字装入移位寄存器之后，若跟随的是写命令字节，则在下8个SCLK周期的上升沿输入数据字节，若跟随在读命令字节的8个SCLK周期之后，在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。 §4.3.2时钟内部寄存器的使用

DS1302有控制寄存器和年、月、日、周、时、分、秒等工作寄存器组成。本系统中只用到工作寄存器中的时分秒及控制寄存器，所应用的各寄存器地址(命令)及数据寄存器分配情况如表4.3.2-1所示:

表4.3.2-1 DS1302内部寄存器

寄存器名 命令字 取值写操作 SEC MIN HR CONTROL CHARGER CLOCK BURST 80H 82H 84H 8EH 90H BEH 读操范围 作 81H 83H 85H 8FH 91H BFH 00~59 00~59 CH 0 0 0 TCS 0 TCS 10SEC 10MIN 10 A/P 0 TCS 0 DS 0 DS SEC MIN HR 0 RS 0 RS 7 6 5 4 3 2 1 0 各位内容 01~02 或 12/24 00~23 WP TCS

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说明：

(1) 上表中，时钟寄存器内的数据是以BCD码的形式存在的。其中秒寄存器的位7定义为时钟暂停位，当此位设置为逻辑1时，时钟振荡器停止，DS1302进入低功耗的备份状态;当把此位置为0时，时钟将启动。

(2) 小时寄存器的位7定义为12或24小时方式选择位。当为低电平时，选择24小时方式，本系统在设计中采用的就为24小时方式。

(3) 写保护寄存器的位7是写保护位，在对时钟进行些操作之前，位7应先置为0,当它是高电平时，写保护防止对任何其它寄存器进行写操作。 §4.3.3时钟程序设计

对DS1302进行读写的程序流程图如图4.3.3-1所示：

开始将DS1302写保护参数初始化RST一端送高电平去除写保护写入DS1302读地址RST一端送高电平将该地址数据读出写DS1302地址完成读数据写数据暂存读出数据并显示完成数据写入结束 图4.3.3-1 DS1302操作流程图

针对DS1302时钟芯片的操作，在程序中我们单独以头文件的方式给出，其头文名称件程序为ds1302.h，具体内容会在附录中给出。

§4.4数码管显示模块

系统运行过程中的数据显示是人机交互对话的一个重要通道。通过系统数据的显示，我们才可以更好的了解系统运行的状态，从而便于对整个系统进行必要的操作。

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§4.4.1显示程序设计

其显示子程序流程图4.4.1-1如下所示：

程序开始位选信号YP0口输出为位选数据段选信号YP0口输出为段选数据数码管显示数据信息

图4.4.1-1

其显示子程序名称为：display()，具体内容会在附录中给出。

每次先送一位要显示的数据位地址字节，然后再送该位LED的显示数据字节，直到8位显示完全。正常工作中8位数码管显示实时时钟，时间显示小时、分钟和秒钟，其中有两位用来显示“--”，用以分隔小时、分钟和秒钟，这样显示更加清晰。

§4.5红外遥控模块

按键是系统输入数据设备应用最广泛的一种，它也是人机交互对话。本系统在按键不多的情况下采用中断方式，把按键信号采集放在中断程序中，按键的功能放在任务操作模式中完成。

本系统通过红外遥控器来作为按键使用。首先通过红外线遥控器解码程序来获得红外按键的编码值。再通过相应码值来设置对应的按键操作。其对红外遥控程序的操作，我们单独以头文件的方式给出，其头文名称件程序为IR .h，具体内容会在附录中给出。

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第5章 系统调试运行及问题分析

整个系统设计完成后，要进行运行调试，排除软件和硬件的故障，同时验证系统的可靠性及稳定性，使系统符合设计要求。本系统的调试主要分两个步骤:单片机系统调试(硬件调试和软件调试)及整个控制系统试运行调试。

§5.1单片机系统调试方法及步骤

单片机系统的调试应包括硬件及软件两部分，主要是通过调试发现硬件及软件中存在的问题，查看其运行结果是否符合设计要求。

系统硬件和软件的研制可以相互独立的平行进行，软件调试可以在硬件完成之前，硬件也可以在无完整应用软件的情况下进行调试，但它们需要借助另外的工具提供调试环境。硬件和软件分调完成之后，还要再进行软件和硬件的联调，在调试中找出问题，判断故障源，修改软硬件。

在对系统进行实际调试时，首先应对硬件进行静态调试，同时对系统软件进行初步调试，此后再对软件和硬件进行动态调试，最后才能使系统进入正常工作。

1. 静态调试:静态调试主要是排除明显的硬件故障。在电路搭建好后，对其进行仔细检查，查看端口是否正确连接，连接是否可靠。同时还应当用万用表检查电路，看应当开路的地方是否开路，应当短路的地方是否短路，电源地线连接是否可靠。在焊接后，查看焊接是否牢固，有无虚焊或短路等。在将芯片、传感器等元件插到电路板上时，要保证各处电源极性、电压正确，以防止因电源极性接反或电压过高损坏芯片或传感器。此外，插入芯片必须在断电的情况下进行，特别注意芯片的方向不要插反。

2. 软件调试:系统软件程序在编制好以后，可通过汇编软件对源程序进行汇编，变为可执行的目标代码，在汇编过程中出现的错误，要及时纠正。在软件调试时采用软件模拟开发系统对程序进行调试，这种模拟开发系统是在计算机上利用模拟软件实现对单片机的硬件模拟、指令模拟及运行状态模拟，从而完成应用软件开发的全过程。调试过程中的运行状态、各寄存器状态、端口状态等都可以在指定的窗口区域显示出来，通过这些显示结果随时跟踪程序运行状态，以确定程序

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运行无错误。

3. 动态调试:控制系统的软件和硬件是密切相关的，软件模拟开发系统不能对硬件部分进行诊断，同时也不能实时在线仿真，所以用户程序还需跟硬件连接起来进行联调，同时对软件和硬件进行检查和诊断。整个单片机系统进行在线调试时，需借助仿真开发工具来对用户软件及硬件电路进行诊断、调试。在应用系统各电路板调试成功后，将用户程序加载到在线仿真器上，这时就能单步、多步或连续地执行目标程序，同时也可以根据需要分段设置断点执行用户程序。系统中的硬件故障(如各个部件内部存在的故障和部件之间连接的逻辑错误)主要是靠联机仿真来排除的。对于与硬件无联系的用户程序，例如定时标志等，虽然已经没有语法错误，但可能存在逻辑错误，这时，就借助于动态在线调试手段发现逻辑错误，直至逻辑错误纠正为止。而对于一些与硬件相关的用户程序，如接口驱动程序等，则需要配合硬件，进行在线调试，如果有逻辑错误，也要及时纠正修改。程序调试完毕后，利用在线编程器将程序固化到单片机中，使整个系统运行起来。

§5.1出现的主要问题及分析解决

系统调试一般来讲是一种复杂，而仔细的工作，所以在调试过程中需要有耐心，仔细检查、解决出现的一切问题。只有所有问题都得到解决后，才能保证整个系统的正常运行。在本系统的调试过程中遇到的主要问题及分析解决:

问题1: 电源供电电路中集成稳压器温度过高。分析解决:稳压器温度过高的原因之一是:12V变压器整流滤波后加到集成稳压器输入端的电压较高，使7805上的压降过大。此问题可通过使用9V变压器，在集成稳压器前串入两只二极管降压，同时增大散热片来解决。

问题2: 人体存在传感器有人存在时输出高电平的电压偏低分析解决:人体存在传感器输出高电平的电压偏低，单片机会产生误判，或采集不到正确的信号，于是在人体存在传感器的输出端加一个100千欧的上拉电阻。

问题3: 有人存在的教室中，若人体超过十秒没有活动，人体传感器是不会有信号输出的，那么如何判定教室此时有人的问题。

分析解决: 有人存在的教室中，若人体超过十秒没有活动，人体传感器是不会有信号输出的问题。此问题在系统软件设计时，将有人体存在的状态保持二至五分钟再继续采集信号，并加以处理。

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问题4: 单片机控制信号输出后，继电器没按预定设计产生动作。

分析解决: 单片机输出控制信号，在控制继电器时，必须加驱动模块，否则信号电流过小将不能使继电器产生吸合动作，在本电路中我们加入的驱动模块是芯片ULN2003来驱动继电器使其能正常运行，最终带动负载。

问题5: 每次开机插上电源后，硬件时钟显示的时间都从所设初始值开始计时。 分析解决: 硬件时钟显示的时间不正常。解决办法一方面是充电电池没有充电功能;另一方面是应对硬件时钟先进行自检。

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结 论

本课题对适合应用于教室灯光控制系统部分进行了研究。以环境光、人体存在状况等外界环境为控制器的输入参数，比单纯的人员管理教室灯光更合理更有效的降低教室灯光的资源费用，同时还加入时间控制参数，使教室灯光的控制更加符合学校的作息时间。本控制系统的设计对于各类大、中专院校的教师灯光管理具有重要的意义，也使用于各类办公室的灯光控制。

该教室灯光系统的控制是以AT89C2051单片机主控单元为核心，通过相关电脑的驱动，完成对系统设备（灯光）的控制，采用一个二极管闪烁显示整个系统的工作状态，实现对教室灯光的自动开灯、关灯控制。系统设计智能化控制的同时还设置了手动和遥控器控制，这样在系统偶尔出现故障时，可采用手动操纵，不至于影响教室灯光的正常使用。

在保证系统与已有的教室灯光配套使用时，不需要对原有设备电路进行大的改动，以降低成本实现教室灯光的智能控制。

由于教室大小面积各不相同教室灯光数量不一教室内部安装智能控制设备的数量也会有所不同，特别是人体传感器使用的数量受面积的影响很大，一套教室灯光控制系统也只是在有限的范围内。若教室面积很大，超过传感器的辐射范围，这样采集的信号可能会不够准确，进而影响控制设备的运行。为防止这种现象的发生，使系统更加的可靠，最好采用多个传感器。

初步试验表明，基于C51单片机的教学楼智能照明系统，能完成对教学楼内各种教室及楼道照明的智能控制，精度在要求指标范围内。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cwb.html