教室照明控制器的设计

目录

第1章 绪论 ................................................................................................................................... 1

1.1 设计意义 ......................................................................................................................... 1 1.2 国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题 ................................................. 1 1.3 本课题设计的内容与目标 ............................................................................................. 3

1.3.1 设计内容 ............................................................................................................. 3 1.3.2 设计目标 ............................................................................................................. 3 1.4 本课题拟解决的关键问题 ............................................................................................. 4 第2章 方案论证 ........................................................................................................................... 5

2.1 教室灯光控制器简介 ..................................................................................................... 5 2.2 系统控制方案论证 ......................................................................................................... 5 第3章 系统控制模块的硬件设计 ............................................................................................... 8

3.1 单片机的选择 ................................................................................................................. 8 3.2 光照检测方式 ................................................................................................................. 9 3.3 人体感应方式 ................................................................................................................. 9 3.4 照明设备驱动电路 ....................................................................................................... 10 3.5 DS1302时钟电路 .......................................................................................................... 10 3.6 控制系统的主要硬件电路 ........................................................................................... 11

3.6.1 系统主控电路 ................................................................................................... 11 3.6.2 日光强度检测模块电路 ................................................................................... 12 3.6.3 热释电红外人体检测模块电路 ..................................................................... 14 3.6.4 系统时钟电路 ................................................................................................... 16 3.6.5 键盘管理模块电路 ......................................................................................... 18 3.6.6 8锁存器74LS573介绍 .................................................................................... 20 3.6.7 超时报警电路 ................................................................................................... 21 3.6.8 系统供电电路 ................................................................................................... 22 3.6.9 照明设备控制电路 ........................................................................................... 23 3.7 智能照明控制系统照明负荷计算 ............................................................................... 25 3.7.1 计算结果分析 ................................................................................................... 26 第4章 控制模块软件设计 ......................................................................................................... 27

4.1系统监控主程序模块 ...................................................................................................... 27

4.1.1 系统自检初始化 ............................................................................................... 28 4.1.2 定时中断处理 ................................................................................................... 28 4.1.3 多任务操作系统的构建 ................................................................................... 29 4.2 数据采集模块 ............................................................................................................... 30

4.2.1 存在传感器的优缺点 ....................................................................................... 30 4.2.2 数据采集软件设计的实现 ............................................................................... 30 4.2.3 人体存在传感器的抗干扰措施 ....................................................................... 31 4.2.4 人体存在传感器的安装要求 ........................................................................... 31 4.3 时钟模块 ......................................................................................................................... 32

4.3.1 数据输入输出 ................................................................................................... 32 4.3.2 时钟内部寄存器的使用 ................................................................................... 32 4.3.3 时钟自检初始化 ............................................................................................... 33

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4.4 显示驱动模块 ............................................................................................................. 34 4.5 系统键功能 ................................................................................................................. 34 第5章 总结 ................................................................................................................................... 35

5.1 出现的问题 ................................................................................................................... 35 5.2 建议 ............................................................................................................................... 35 致谢 ................................................................................................................................................ 37 参考文献......................................................................................................................................... 38

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第1章 绪论

随着科学技术的发展，智能产品深入生产生活各个领域，是生活方式产生巨大的变化。在节能方面，由于智能控制的介入，使得其效率大大的提高，产品应用范围更广，适应环境能力更强。

1.1 设计意义

随着国名经济的快速发展，高等教育越来越被政府关注和重视，校园规模也随着高等教育规模的扩大而扩大，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，在教室的面积、设施和照度方面，学校在力所能及的范围内予以最大的改善。但由于大学开放式的管理模式，以及部分大学生的节能意识的浅薄，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；夜间许多教室，即使有几个学生在教室自习，但室内照明设施全部开启；另外，长眠灯比比皆是，人走不熄灯的现象到处存在。为了绿色节约型社会，本文设计了一种智能照明控制系统，可以合理有效地利用照明灯光，从而大大地减少高校照明能源浪费的现象。

目前对灯光的智能控制，国内外已经开始采用，但对教室灯光的控制，尤其是我国教室灯光的智能控制尤为缺乏和不完善，依然是传统式的人工管理。各类大、中专院校不断扩招，教室不断扩建，教室的用电负荷不断加大，教室用电管理不善，造成学校电能浪费，经济损失，这种的浪费与当今的节约能源理念相违背。再者，现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，灯光的管理也在朝着自动化、智能化方向发展。例如楼道灯光的自动控制等等。所有这些使得教室灯光控制也应该朝着智能的方向发展。

于是，开发简便，实用的教室灯光自动控制系统便具有重要的现实意义。

1.2 国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题

世界各地发电的主要原料是煤炭、石油和天然气，面丹麦在能源利用方面的成功经验提供了很好的借鉴。从1974年以来，尽管丹麦国民收入增长了50%。丹麦总的能源消费量并没有增加。丹麦是OECD成员国中能源消耗量和国民收入

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比值最小的国家。他们不断地提供一些节能供热系统。例如丹麦热电周供热电厂 (CHP)。两且，他们尽可能的有效利用资源。这样，他们的能源使用总效率达到了90%。丹麦政府很重视住房空同用电的节约，并设立了对新建房屋节能的诸多要求。数据显示，居民入住有节能装置的房子时，他们要支付比没有节能方案房屋高出8%的费用。其节能项目经验在欧盟国家中广为流传。还有，欧司朗斯维尼亚公司不断的推出新型高输出的荧光灯，节约6%的总系统功率，并具有更高的光通量和平均光通量。飞利浦照明公司推出的陶瓷金卤灯代替过去的卤钨灯，可节能60%的电能。种种迹象表明世界各国都在采取不同方式来节约能源，节约电能。

中国经济持续多年的高速发展让能源问题日益突出。虽然我国能源总储量不低，但由于我国人口众多，所以人均储量少，单位产值的能耗是发达国家的3-10倍。能源问题已成为制约我国国民经济发展的关键问题。从环境和自然资源角度出发，能源问题也是我国长期可持续发展 战略中一个关键因素。此外，能源问题不仅关系经济发展和环境生态，在特定情况下还会对社会稳定有很大影响。鉴于能源问题的重要性，我国在绿色照明工程新闻发布，绿色照明工程未来五年问将在公用设旅、 宾馆、商厦、居民住所等全国建筑物中推广1.5亿只节能灯，节电290亿度电。上海、河北等一些地方采取政府对节能灯大宗采购每只补贴3 至4元的方式进行推广。从普通白炽灯到高效节能灯，使我国的电光源 产品结构逐步向节电型转变，荧光灯与普通白炽灯的比例由1995年的1：6.25上升到目前的1：1.5。

目前，我国照明用电约占社会总用电量12%，采用高效照明产品代替传统的低效照明产品可节电60%-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，据估算年节约用电可达3442万千瓦时，节约电费2519.7万元。政府已经在商厦、学校、医院等更换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，北京的奥运场馆“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

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建设就包括了能源建设。《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，加强环境保护。面临如此紧迫的能源问题，我们应该把着眼点放在“高效”利用“清 洁”能源上。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，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灯关自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要课题。

1.3 本课题设计的内容与目标

1.3.1 设计内容

本课题设计的内容有以下几点： （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） 设计人体存在探测技术，探测角度与范围；

（4） 设计传感器在教室分布，安放问题、是否一灯一个传感器或多灯共用传感器；

（5） 设计确定人体传感器的有关参数； （6） 设计灯光控制器电源问题；

（7） 设计控制器参数值设定的要求及方案； （8） 设计人工设置参数、掉电保存参数的问题； （9） 设计使用遥控器灯光控制技术；

（10）设计与现有教室照明相兼容，以替代，不易被偷盗、被仿制，易于维护维修 等控制技术； 1.3.2 设计目标

设计的教室灯光控制系统能用于现有教室照明系统的人性化智能管理。实现

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自动、手动灯光控制相兼容，以降低成本；通过反复试验和改造，最终达到可靠性、 实用性、推广性较好的目标。

1.4 本课题拟解决的关键问题

本课题拟通过实验设计教室灯光的各种控制方案解决如下关键问题； （1） 传感器与教室灯光配合安装的问题； （2） 环境光参数输入采集问题； （3） 人存在传感器参数输入采集问题； （4） 开关灯的自动与手动兼容措施；

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第2章 方案论证

2.1 教室灯光控制器简介

本课题设计的控制器可有效地实现教室灯光的智能控制。其输入参数主要是人体存在信号和环境光强度信号等外界因素。环境光强度在一定阀值以下且有人存在时开灯，实验证明这种方案可以实现对灯光进行智能控制。

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 系统控制方案论证

1.手动教室照明系统设计

该控制系统采用传统的手动照明设计方法，采用传统的手动(开和关两种)控制方式，使用但是它已经不能解决实际场景对照明效果的不同需求，简单的控制方式更不便于管理和维护。以节约能源为目的，与现代通信技术、计算机技术、控制技术等相结合的智能照明技术，满足了“绿色照明”的设计要求，具有较大的发展空间。

2.基于PLC原理的照明系统设计

该控制系统采用PLC控制，随着我国教育事业的发展，学校照明用电量越来越大，电能损失也随之增加。现在大多数教室的照明控制系统都是采用浪费现象比较严重。教室中的开关虽然能够实现分区控制，但是有人很少去关心哪排灯由哪个开关去控制，因此就出现了所谓的长明灯现象。为了针对这种情况，本文设计出了一种用P L C作为控制器的节能、智能控制系统。使整个系统处于自动的工作状态，实现对教室照明系统的智能控制。一方面减少了人工的参与，更为主要的是实现了人走灯灭，人来灯亮，使长明灯现象得到解决，使教室的照明用电得到合理有效的利用。该系统的工作原理是：当教室无人时所有的灯都自动关闭；当教室有人时，且照度达不到设定的要求时自动打开人所在区域的灯；当教室有人时且照度达到设定的要求时自动关闭人所在区域的灯。对于使用投影仪的多媒体教室，可以实现在投影仪开启后延迟一定的时间，自动关闭讲台区对应的灯以

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达到较佳的视觉效果。其控制系统框图如2-1图所示。

图2-1 PLC系统控制框图

3.基于单片机原理的照明系统设计

该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，能够实现自动与手动控制相兼容。在自然光强度大于300（lx）时，而且有人存在，都不开灯；在自然光强度小于150（lx）时，有人存在且超过一定时间，控制器自动打开电灯，直到人离开时延时一定时间后在关灯。同时，还可设置作息时间来控制，夜晚超过11点时，若还有人存在，则关闭自动控制器的运行，改用开关来手动控制，以解决在特殊情况下，自动控制器的不人性运行。所设计的教室灯光控制器主要有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种功能，达到设计目的。

系统控制单元是以单片机主控模块为核心，其他外围电路包括：系统供电模块、硬件时钟模块、人体存在传感器模块、及超时报警模块，其结构框图如图2-2所示。

根据毕业设计要求本次设计采用基于单片机原理的照明控制系统。

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RST/复位 89C光敏检测电路 2051 热释电红外传感器 DS1302时钟控图2-2 结构框图

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电源 超时报警电路 照明驱动电路 教室1 教室2 MAX485 …….. 教室8

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等经常会因环境情形变化而不稳定，所以设计过程中，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 单片机的选择

1.MCS-51单片机

AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C2051单片机在电子类产品中有广泛的应用。

AT89C2051是一带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）的低电压，高性能8位CMOS微处理器。它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的CPLI和闪速存储器，ATMEL的AT89C2051是一强劲的微型处理器，它对许多嵌入式控制应用提供一定高度灵活和成本低的解决办法。

AT89C2051提供以下标准功能：2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根I/O口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选 的软件节电工作方式。空闲方式停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。

2.AVR 单片机

1997年,由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术, 共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片

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机。由于采用了高性能的MCU,省掉了大量的外围器件,如外扩RAM、ROM存储器等,使硬件结构大大简化,提高了系统的可靠性。

它与其它结构类型单片机相比，AVR具有以下一系列的优点： （1）在相同的系统时钟下AVR运行速度最快； （2）芯片内部的Flash、EEPROM、SRAM容量较大；

（3）所有型号的Flash、EEPROM都可以反复烧写、全部支持在线编程写(ISP)；

（4）多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，零外围电路也可以工作；

每个IO口都可以以推挽驱动的方式输出高、低电平，驱动能力；内部资源

2丰富，一般都集成AD、DA模数器、PWM、SPI、USART、TWI、IC通信口、丰富

的中断源等。

方案分析：

除了以上几种单片机，市场上还有好的其它结构单片机。如果实现本系统，基本上上述三种类型的单片机都可以实现。考虑到MCS-51单片机具有较强的代表性以及该系列单片机资料较多，本设计采用AT89C2051来实现。

3.2 光照检测方式

（1）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IO引脚。

（2）采用光敏电阻把环境亮度转换成相应的电压值（模拟值），然后通过运放后给单片机输入一个标准的数字信号。

由于光敏电阻属于纯阻性器件，所以采用方案一。

3.3 人体感应方式

（1）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。

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（2）采用集成电路BIS0001，该芯片是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。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、报警用人体热释电传感器等。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、 商场、库房及家庭的过道、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。

由于方案1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，所以本设计采用二。

3.4 照明设备驱动电路

1.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。

2.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。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。

3.5 DS1302时钟电路

DS1302 存在时钟精度不高，易受环境影响，出现时钟混乱等缺点。DS1302可以用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此，只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采

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用计数器,占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且，某些测控系统可能不允许。但是，如果在系统中采用时钟芯片DS1302，则能很好地解决这个问题。

3.6 控制系统的主要硬件电路

3.6.1 系统主控电路

本系统的主控模块主要采用ATMAL公司的AT89C2051作为主控芯片，AT89C2051是个低功耗，高性能的COMS8位单片机，片内含2KB的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128KB的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用ATMAL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。AT89C2051只有20个引脚，15个I/O口（其中PI是个完整的8位双向I/O口），2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双向串行通信口，1个模拟比较放大器。指令系统与MCS-51系列完全兼容，除了没有外部数据存储器和外部程序存储器等扩展功能外，它具有80C31单片机的所有功能。

其主要特点位：

（1）MCS-51产品完全兼容； （2）2K字节可编程闪烁内存； （3）编程次数可达1000次； （4）两级程序加密防盗；

（5）15个可编程I/O口、2个16位定时器/计数器、可直接驱动LED显示，5个中断源；

（6）二级中断优Flash存储先级、全双工串行口。正是因为AT89C2051单片机具有上述特点，尤其是自带Flash存储器，并且能够有效擦除1000次，是整个系统的硬件电路变得简单，大大缩短了开发周期。

AT89C2051的CPU有两种节电工作方式既空闲和掉电方式，遥控器采用了空闲节电方式。当CPU执行完IDL=1（PCON.0=1）指令后，系统进入了空闲工作方式，这时内部始终不向CPU提供，而只供给中断、串行口、定时器部分。

AT89C2051的P1是一组8位双向I/O口，P1.2-P1.7提供内部上拉电阻，P1.0

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MA和P1.1内部没有上拉电阻。P1口输出缓冲器可以吸收20mA电流并可以直接驱动LED当P1口引入脚写入“1”时可以做输入端，当引脚P1.2-P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将内部的上拉电阻而输出电流。P3口还用于实现AT89C2051特殊功能，如表3-1所示。

表3-1 P3口特殊功能

口引脚 P3.O P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 功能特性RXD（串行输入口） RXD（串行输入口） TXD(串行输出口) INTO(外中断0) INY1(外中断1) TO(定时/计数0外部输入) T1(定时/计数1外部输入) AT89C2051的P3口只要七个引脚，P3.6没有引出。P3口的P3.0-P3.5，P3.7是带有内部上拉电阻的7个可吸收双向I/O口，P3口缓冲器可以吸收20mA电流，当P3口写入“1”时，它们内部上拉电阻拉高并可作为输入端口，作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。 3.6.2 日光强度检测模块电路

考虑到教室内部距离窗户远近不同，接受日光度不同的特点，为避免光电探测器受光面的缺点，应在教室周围进行合理的分布光电探测器,用于探测自然光的强弱。根据我校主教学楼中日光灯的分布情况如图3-1所示：

黑板 灯

窗 户 门

分

布 图3-1日光灯的分布图 那么光电探测器在教室中的布局则根据此分布情况进行安置，即在每个远离

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窗户最远的地方安放一个光电探测器。每个区域的日光灯则由安置在教室内的按键或远端的主控上位机来控制。此外相邻两个区域装置的探测范围都有一定的重叠以确保当有人在两个区域中间学习时能够得到足够的光强。这样，当外界环境中的自然光能满足所需的光强度时，不管教室是否有人，教室灯都不亮，控制教室日光灯的自动熄灭。当教室用作特殊使用时如多媒体教室则拉上窗帘，关闭所有灯具或点亮少许微弱的灯具。当教室光强不够教室中有一个同学单独处于某一个区域时，只有他周围的日光灯亮；当在有人来这个教室时他们完全可以选择亮灯的地方坐，若选择其他区域情况相似。这样就完成了教室照明智能控制，起到了节约用电的作用。图3-2则体现了考虑因教室的走向与太阳光的夹角不同而造成亮暗区位置不同对光电探测器装置布局造成的影响。 暗 暗 亮 太阳光 太阳光

区 区 亮

图3-2 教室采光情况

光电传感器是一种能够将光转换成电量的传感器。采用的光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。在无光照时三极管的穿透电流很小，当暗电流Iceo有光照时，产生的Ib增大，成为光电流Ie。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随

图3-3环境光采集电路原理图

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光照强度变化而变化的电信号。因此光敏三极管灵敏度高，而且体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点。 环境光采集电路原理图如图3-3所示。当自然光强大于一定程度时，光敏三极管D6呈现底阻状态<1千欧，三极管Q12的基极电压升高，Q12管饱和导通，集电极输出低电平。当自然光强小于一定程度时，光敏三极管D6呈现高阻状态,100千欧，使三极管Q12截止，集电极输出高电平。其中可变电阻R26可调节，调R26阻值的大小，使Q12三极管受环境光影响在适当的亮度下导通。 3.6.3 热释电红外人体检测模块电路

1．人体存在传感器的工作原理

自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线，利用红外传感器可对其进行检测。根据工作原理，红外传感器分为热型和量子型两类，热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器，与量子型相比，响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可在常温下工作。量子型与热型的特点相反，而且要求冷却条件。本系统采用的是热释电红外传感器，人体存在传感器主要采用了红外传感器的原理，它是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水 龙头、自动电梯、自动照明等场合，及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。

其原因为：

（1）被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；

（2）大气对2-2.61LM、3-51LM、8-1411M三个被称为“大气窗口”的特定光通量的红外线吸收甚少，可非常容易被检测；

（3）中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测； 2.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：

（1） 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10μM左右的红外辐射非常敏感。

（2）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，使环境的干扰受到明显的抑制作用。

（3） 人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作

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用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。

（4）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。

（5）菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。

人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10μM左右的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的10μM左右的红外线而进行工作的。人体发射的 10μM叫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。

有人进入时，移动人体发出的红外线被红外传感器接收，则人体存在被感应，并输出高电平。若人体进入最不敏感移动方向时，则人体传感器所体现的信号就会不理想，有时还会产生误动作，所以要特别注意人体传感器的安装方向。

2．人体存在信号采集电路

人体传感器HP-208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）感应为全自动方式，人进入感应范围时输出高电平(高3.3V），人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平(低0.3V)，其高低电平利于采集；

（2） 采用可重复触发方式。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，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时8秒 -15秒后将高电平变为低电平；

（3） 人体传感器工作电压宽为DC3V-DC24V；

（4） 人体传感器制作成锥面形状，感应范围大，小于140度锥角，感应距离 为7米以内；

（5） 其静态电流小于50微安，功耗低；

（6） 工作温度介于-15°和+700°之间，适应性强； （7）灵敏度高，可靠性强。

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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。在电路设计中，为了使人体传感器的工作更加可靠，介于人体传感器的信号引脚2与地信号引脚3之间加一个6800Pf的电容，另外人体存在传感器的信号引脚2与单片机的P3.3引脚相连，P3.3引脚再接一个100ＫΩ的上拉电阻，增加人体存在传感器输出信号的可靠性。其电路原理图如图3-4。

图3-4 人体传感器电路图

3.6.4 系统时钟电路

根据教室灯光使用特性，该系统还应受到时间的控制，控制系统的时间应符合学校的作息时间。比如晚间休息、假期等时间段应该关掉教室灯光控制系统，以节约能源，因此本设计还加入硬件时钟电路以保证系统的智能化运行。

1.硬件时钟芯片的选取极其接口电路

传统的时钟芯片，如MCL46818、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DSL302、DSL305、DSL307、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，本系统采用美国DALLAS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OS1302的是串行通信方式，还可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。它可以对年、月、日、周日、时、 分、秒，进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V-5V,DL302 的升级产品与DS1202兼容，但增加了主电源／后背电源，双电源引脚，同时还提供了对后背电源进行电流充电的能力。而且本系统采用的DS1302只需三根线即可与单

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片机进行通信，体积小，使用简单，时钟精度较高，满足系统的要求，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能的时钟芯片DS1302的引脚图如图3-5所示。

图3-5时钟芯片DS1302的引脚图

DS1302与单片机接口电路连接原理图如图3-6，其中Vcc2：外接3.6V可充电的锂电池，为DS1302的备用电源。Vcc1外接系统供电模块的输出稳定电压+5V，为DS1302 的主电源。DS1302由Vcc1和Vcc2两者中较大者供电。系统正常运行时，Vcc1大于Vcc2， 因此由Vcc1给DS1302供电，在主电源关闭的情况下，则由Vcc2给DS1302供电，保持时钟的连续运行。X和X2是振荡源，外接32.768KHz晶振。RST是复位/片选线，通 过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送，与单片机的复位信号相连。时钟 输入端ＳＣＬＫ接单片机P1.5引脚，进行时钟控制。数据输入/输出端I/O接单片机P1.6 引脚，进行数据传输。

图 3-6 DS1302与单片机接口电路连接原理图

2.硬件时钟芯片的引脚功能极其工作原理

RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，

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所有的数据传送被初始化，允许对DS1302迸行操作．如果在传送过程中RST置为低电平，就会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上位电运行时，在Vcc≥205V之前，RST 必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端（双向），后面有详细说明。SCLK始终是输入端。

硬件时钟芯片DS1302与微处理器进行数据交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高位MSB(D7)必须为逻辑1，如果D7=0，则禁止写DS1302，即写保护；D6=0，指定时钟数据，D6=1,指定RAM数据；D5-D1指定输入或输出的特定寄存器；最低位LSB(D0)为逻辑0，指定写操作（输入），D0=1，指定读操作(输出)。 在DS1302的时钟日历或RAM进行数据传送时，DS1032必须首先发送命令字节。 若进行单字节传送，8位命令字节传送结束之后，在下2个SCLK周期的上升沿输入数据字节，或在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为COH～FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM寄存器，在此方式下可一次性读、写所有的 RAM的31个字节。 要特别说明的是备用电源，可以用电池或者超级电容器(0.1F以上)。虽然DS1302 在主电源掉电后的耗电很小，但是，如果要长时间保证时钟正常，最好选用小型充电电池，以用老式电脑主板上的3.6V充电电池。如果断电时间较短（几小时或几天），就可以用漏电较小的普通电解电容器代替。100μF就可以保证1小时的正常走 时。DS1302在第一次加电后，必须进行初始化操作。初始化后就可以按正常方法调整时间。 3.6.5 键盘管理模块电路

红外遥控键盘是目前使用最广泛的一种遥控手段。由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空调机以及玩具等其他小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。

工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅可靠而且能有效地隔离电气干扰。我们采用市场上很容易就能买到，且信号较稳定的JVC：RM-C457型号遥控器作为灯光控制的键盘。

1.红外遥控数据流的编码结构

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为了使系统具有较强的抗干扰能力，信号的码流绝大多数采用“重复”发送方式，但其重复规则有所不同，可概括为以下几种：

（1）简单重复方式，即将数码进行简单重复发送；

（2）有引导码的数据重复方式，引导码主要是为了保证接收同步； （3）重复码方式，为了降低功耗，第一组数据发送出去后，每隔一定时间仅发出一个窄脉冲，称为重复码；

2.红外遥控数据流的识别

选用遥控器键盘的时候，原本我们并不知道其具体的编码规则及数据码流。本人采用顾伟电子实业有限公司生产的GDS-815/820/840系列的数字储存示波器，来采集遥控器发出的键码信号并总结码流方式，以备遥控器的软件设计使用。

每个键的信号测量数据如表3-2，X1表示引导码的宽度，X2表示识别码和数据码的总宽度，其宽度单位为 ms。由表中数据可以计算出X1的平均值为16.3ms。

表3-2 每个键的信号测量数据单位：ms

X1值 X2值 16.3 23.3 14.9 24.2 16.7 22.3 16.3 25.3 16.2 23.3 16.5 23.8 16.4 23.6 16.5 22.4 17.0 22.2 由此可知当一个键被按下延迟40ms时，这40ms发射代码由一个起始码（16.3ms）和一个16位数据码（23.35ms）组成。如果按键下超过40ms仍不松开，接下来发射重复代码，仍为一个起始码（16.3ms）和一个16位数据码（23.35ms）组成。

采用脉宽制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms，周期为2.25ms的组合表示二进制“1”。解码的关键是如何识别“0”和“1”，由示波器采集的信号及位的定义我们可以发现“0”、“1”均以0.56ms的低电平开始，不同的高电平的宽度不同，“0”为0.56ms，“1”为1.68ms，所以必须根据高电平的宽度区别“0”和“1”。如果从0.56ms低电平过后，早开始延时0.56ms，诺读到电平为低、说明该位为“0”，反之则为“1”。

遥控器的数据流识别后，就为遥控器的软件设计提供了依据。本系统采用微机一体化红外接头，适合各种红外线遥控和红外线数据传输的红外线接收器其红外线接收器如图3-7。

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图3-7 红外接收器

此红外线接收器是一种集红外线接收和放大于一体，不需要任何外接元件，只是焊上一个10mf的滤波电容，可以使接收器工作更可靠。遥控器信号的接收模块与单片机的连接如图3-8，ceiptl有三个引脚，为接收器的引脚。接收器输出端外接单片机的P3.2端口，便于遥控信号采集。

图3-8 遥控器信号的接收模块与单片机的连接

3.6.6 8锁存器74LS573介绍

三态总线驱动输出 （1）置数全并行存取 （2）缓冲控制输入

（3）使能输入有改善抗扰度的滞后作用

原理：74LS573 的八个锁存器都是透明的D 型锁存器，当使能（G）为高时，Q 出将随数据（D）输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与

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系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O 通道，双向总线驱动器和工作寄存器。

3-3真值表 Latch 输出 ENABLE启enable 用 L L L H H H L X H L X X D 输出 O H L QO Z H=高电平 L=低电平 ×=不定 Z=高阻态 QO=建立稳态输入条件前Q的电平

图3-9 74LS的引脚图

3-4引脚功能表 管脚号 D0–D7 LE OE O0–O7 数据输入 锁存使能输入（高电平有效） 3态输出使能输入（低电平有效） 3态锁存输出 功能 3.6.7 超时报警电路

在教室中，若采用手动方式控制时，一方面由于学生及管理人员的疏忽，教室里没人而灯还亮着，导致教室日光灯工作超时，能源浪费，于是本系统采用超时报警电路，以声音的方式来提醒管理人员是否关闭电源，另一方面由于学生学

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习紧张，在夜里忘了时间点，学习期间开灯时间过长，致使教室灯工作超时于是本系统超时报警电路就会发出声音，提醒学生该休息或必须改用遥控器手动方式来控制灯了。

本系统采用超时报警的电路如图3-10所示。单片机的P3.4端口外加一个10K的上拉电阻，再经过限流电阻100欧与三极管C945的基极相连。当P3.4端口为低电平，即基极为低电平时，三极管导通，驱动蜂鸣发出声音以示教室灯工作超时，若P3.4端口为高电平时，即基极为高电平时，三极管截止，蜂鸣器不工作，教室 灯工作正常。

图3-10 超时报警的电路

3.6.8 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C1、C2滤波，在经一只正在正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用了电容C3、C4，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，其供电原理图如图3-11。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的备用电源。

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图3-11 供电原理图

3.6.9 照明设备控制电路

本模块功能是根据单片机输出信号控制照明设备的工作。此模块使用弱电控制强电，故需要电路电压的隔离，避免强电窜入弱电，损坏单片机。继电器具有动作块，工作可靠安全性高，使用寿命长，体积小等优点， 使用历史悠久。在工业中，他广泛适用与电力保护，开关控制等场合。继电器可以直接隔离强电与弱电，无须另外附加光耦合隔离电路。单片机输出无法直接驱动继电器，可以对单片机输出信号进行简单的放大，然后驱动继电器，控制照明设备工作。

当单片机输出低电平时Q2截止，继电器两端电压为5V开关闭合，灯具发光；当单片机输出高电平时Q2导通，继电器两端电压为0V，开关断开，灯具不发光。具体电路如图3-12所示。

图3-12继电器驱动电路

1.max485的介绍

MAX485、MAX487-MAX491以及MAX1487是用于RS-485与RS-422通信的低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。MAX483、

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MAX487、MAX488以及MAX489具有限摆率驱动器，可以减小EMI，并降低由不恰当的终端匹配电缆引起的反射，实现最高250kbps的无差错数据传输。MAX481、MAX485、MAX490、MAX491、MAX1487的驱动器摆率不受限制，可以实现最高2.5Mbps的传输速率。

采用单一电源+5 V工作，额定电流为300μA，采用半双工通讯方式。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100Ω的电阻。

引脚图如3-13所示：

RE 4 MAX1487 5 DE R3 MAX487 6 DI VCC 2 MAX485 7 GND A 1 MAX483 MAX481 8 A 图3-13 max485的引脚图 基本参数: 半双工； 速率：2.5Mbps； 限摆率：NO； 24

低电流关断模式：NO； 接收允许控制：YES； 静态电流300； 负载个数：32； 引脚数：8; 作用：

MAX485是用于RS-485与RS-422通信的低功耗收发器。MAX485的驱动器摆率不受限制, 可以实现最高2.5Mbps的传输速率。这些收发器在驱动器禁用的空载或满载状态下，吸取的电源电流在120μA至500μA之间。所有器件都工作在5V单电源下。驱动器具有短路电流限制，并可以通过开关电路将驱动器输出置为高阻状态。接收器输入具有失效保护特性，当输入开路时，可以确保逻辑高电平输出。具有较高的抗干扰性能。MAX485是市面上最为常见的RS422芯片，亦是用量最大的RS422芯片，性价比高，优质，供货稳定是大部分厂家采用它的主要原因。

3.7 智能照明控制系统照明负荷计算

根据需要系数法计算照明负荷，得到有功计算负荷为： Pjs=Kz.Ps=0.72×25(盏) ×40w=700w

采用智能照明控制方式，则全天的照明消耗可以估算如下：

(1)上午：由于上午的8:00-9:30室内光线较弱，可以点亮室内50%的灯，如果每盏灯的照度均达到最大，则耗电量为：12盏×40×1.5(h)=0.720(kwh),从9:30-12:00期间通常光线较强，无需点亮光源。

(2)上午：在14：30-16:30期间，可以不用点亮光源。从16:30到17:30室内距离窗户较远的位置需要增加光源的照度，至多点亮30%的光源，假设每盏灯的照度均达到最大，则耗电量为：8(盏) ×40W×1(h)=0.320(kwh)。

(3)晚上：通常19:30-23:00期间光线将越来越弱，因此需要点亮的光源数量也逐渐增加，照度也将达到最大则耗电量为25盏×40W×3h=3(kwh)

全天消耗功率可达：0.720 kwh+0.320(kwh)+ 3(kwh)=4.040(kwh) 全年用电量为：4.040(kwh) ×365=1474.6(kwh)

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3.7.1 计算结果分析

针对相同面积的教室，选定了相同照度标准，光源类型以及相同的灯具布局方案，如果采用传统的照明方式，通常光源只能全部点亮而且照度一定是达到最大，因此耗电量也较大，全年的耗电量为：1788.5（kwh）2299.5（kwh）;而采用智能照明控制方案，可以根据室外自然光线的变化对室内的照度进行动态的调节，光源点亮后不会总保持在最大照度，同时也避免了点亮过多光源而造成浪费，其全年的耗电量最多达到1474.6（kwh），可以节约313.9（kwh）。从计算结果可以看出：统一标准的照明设计，采用智能照明设计，采用智能照明控制系统能够更有效的节约电能。

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第4章 控制模块软件设计

在单片机硬件系统的基础上，再配上相应的软件，才能构成一个完整的系统。用户软件的开发与系统硬件有着密切的关系。在系统的硬件及输入输出方法确定后，程序软件就可以完全独立的进行设计、开发。在程序设计过程中，采用合理的程序设计结构是一项关键技术。在本系统的设计过程中，总体设计采用自上至下的设计思想将主程序设计好，而在各个部分展开成从属程序或子程序时，是将各个小模块分别进行设计和编程，同时在编程的过程中又用到了结构程序设计的思想。

本控制系统软件模块主要包括:系统监控主程序模块、数据采集模块、时钟模块、显示驱动模块及系统键功能和存储模块。

4.1系统监控主程序模块

图 4-1 监控主程序流程图 看门狗激活 系统初始化 上电 Reset 设定定时器，允许定时中断 人体传感器处理任务环境光处理任务定时时钟管理显示刷新任务

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监控程序按模块分为监控主程序和命令处理子程序。监控主程序的基本任务是调用子程序，一个主程序可以调用多个子程序，对于51系列单片机，系统资源有限，主程序通常是一个无限循环的过程，即是一个反复调用子程序的过程。子程序主要分为中断子程序和功能子程序，它们之间可以互相嵌套和调用，即中断子程序可以调用功能子程序。在应用软件的设计中，尽可能各个功能模块写成子程序的形式，并通过主程序调用。而命令处理子程序完成各种命令所规定的具体操作，它按各种命令再分为不同的子程序模块，它一般总是把其余部分连接起来构成一个无限循环，系统所有功能都在这一循环中周而复始的有选择的执行。其监控主程序流程图如图4-1所示。 4.1.1 系统自检初始化

系统自检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，直接进入自检初始化程序，完成系统的自检及初始化。初始化过程主要是对一些控制寄存器(如中断控制)、数据区和外部芯片(如时钟芯片DS1302等)进行初始参数设置和定义。本系统中的自检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已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。若时钟芯片处于启动状态，系统控制时间表无效，则需要对其进行初始化并启动实时时钟。

4.1.2 定时中断处理

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

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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4-2所示。

下一步 N 定时中断到？ Y 多任务启动时间划分 开始 图4-2 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，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

就绪 图4-3 任务状态图

等待 休眠 运行 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

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致能最大限度地提高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，但在宏观上可以认为是同时执行的。因此，各任务在实时系统中的就会处于四种状态中的某种状态之下，这四种状态如图4-3所示。

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。休眠状态是任务已执行完的状态。

4.2 数据采集模块

本控制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在多任务模块中实施定时采集。 4.2.1 存在传感器的优缺点

人体存在传感器有优点，也有缺点。优点便是本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。而缺点是容易受各种热源、光源干扰;由于红外穿透力差，因此人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；易受射频辐射的干扰;环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时还会造成短时失灵。试验检测也证明了这点，只要人体存在却有几米左右没有活动，人体传感器则认为没有人体存在。为避免这种现象的出现，本系统软件程序中设计为有人体存在状态后间隔2分钟或更长的时间来对人体存在参数信号的采集。 4.2.2 数据采集软件设计的实现

本系统考虑到环境光足够亮时，无论有否人体存在都不应开灯;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”(符合光采集电路输出信号状态)，暗时为“1”，人体存在为“1”，人体不存在为“0”，开灯为“1”，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4-1所示。

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表4-1 环境光与人体存在的逻辑关系表

环境光参数 0 0 1 1 人体存在参数 1 0 1 0 教室灯状态 0 0 1 0 上表数据表明可将环境光参数与人体存在参数进行与门操作，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.

4.2.3 人体存在传感器的抗干扰措施

人体存在传感器易受外界影响，于是要在使用时特别注意抗干扰性能。 1.防小动物干扰

探测器安装在推荐使用高度，对探测范围内地面上的小动物，不产生信号。 2.抗电磁干扰

探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。

3.抗灯光干扰

探测器正常灵敏度范围内，接受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生信号。

4.2.4 人体存在传感器的安装要求

人体存在传感器??的安装要求：人体存在传感器只能安装在室内，其误报率

2与安装的位置和方式有极大的关系，正确的安装应满足下列条件：

1.人体存在传感器应离地面2.0-2.2米。

2.人体存在传感器远离空调，冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。 3.人体存在传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。 4.人体存在传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。人体存在传感器也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。人体存在

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传感器对于径向移动反应最不敏感，而对于横切方向(即与半径垂直的方向)移动则最为敏感.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。

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钟?7?。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。 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。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4-2所示。

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表4-2内部寄存器

寄存器名 命令字 取值写操作 SEC MIN 80H 82H 读操范围 作 81H 83H 00~59 CH 00~59 0 01~02 HR 84H 85H 或 00~23 CONTROL CHARGER CLOCK BEH BURST BFH 8EH 90H 8FH 91H WP TCS 0 TCS 12/24 0 A/P 0 TCS 0 TCS 0 DS 0 DS 0 RS 0 RS 10SEC 10MIN 10 HR SEC MIN 7 6 5 4 3 2 1 0 各位内容 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。此外，充电寄存器各位的作用及工作原理等在本论文前半部分DS1302的硬件设计中己作过介绍，此处不再详述。 4.3.3 时钟自检初始化

考虑刚买来的时钟芯片处于一切未知状态，于是必须对DS1302进行自检初始化。DS1302的自检初始化程序设计流程图如图4-4所示。

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开始 读取DS1302秒钟时间 秒钟大于60H？ 延时1.5秒 再次读取秒钟数据 两次读取的秒钟数据是否相同 DS1302正常工作 返回主程序 设置DS1302初始时间 图4-4 DS1302的自检初始化程序设计流程图

4.4 显示驱动模块

系统运行过程中的数据显示是人机相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。本系统中采用共阳极的数码管，采用简单又便宜的A1015三极管来驱动数码管的位选，节约成本，程序编写简单。

4.5 系统键功能

在执行完键盘采集工作后，如果有键按下，程序转入键处理功能程序。系统根据键采集过程中得到的键号，散转到相应的键处理子程序，通过键盘设置修改系统工作参数。

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第5章 总结

5.1 出现的问题

本课题对适合应用于教室灯光控制系统的控制部分进行了设计。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;同时还加入了时间控制参数，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、中专院校的教室灯光管理具有重要的意义，也适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，通过相关电路的驱动，完成对系统设备(电灯)的控制，采用一个二极管闪烁显示整个系统的工作状态，实现了对教室灯光的自动开灯、关灯控制。系统设计在实现智能化控制的同时，还设置了手动，这样在系统智能控制偶尔出现故障时，可采用手动操纵，不至于影响教室灯光的正常应用。系统控制单元的硬件电路中多采用简易芯片(ULN2803, DS1302, X5045等)，简化了电路设计，同时节省了单片机I/0口资源，为系统进一步扩展留下了空间。系统功能的实现通过采用多任务模块编写，省去了一些不必要的延时程序，提高了系统的运行效率。系统的硬件及软件设计，经实验初步证实了系统具有很好的稳定性，提高了电能资源的利用率。

在保证装置能稳定可靠工作的前提下，硬件设计上尽量采用性价比高的元器件，以降低成本。软件设计上采用多任务形式对信号的采集、处理，达到最终控制灯光的目的。

本控制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，以降低成本实现了教室灯光的智能控制。

5.2 建议

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装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更大，一套教室灯光控制系统的应用也只是在有限的范围内。若教室面积很大，超过人体传感器辐射范围，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

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防止这种现象发生，使系统更加可靠，最好采用多个人体传感器。

人体传感器一般采集的是有活动的人体，若人体静止时，如坐着看书没有活动，这时人体传感器是不会有信号输出的，故而最好将人体传感器装置制作成在系统运行过程中能摆动为宜。

本系统中，人体传感器采集的信号与环境光采集的信号相互间有制约关系，有着密切联系。最好能将人体传感器与环境光采集电路集成到一起，简化电路，简化软件程序。本系统适用性较好，可以应用于教室、楼道和办公室中。

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致谢

本课题研究是在李建明老师悉心指导下完成的，倾注着老师的心血和汗水。近半学期来，李老师无论在学习、工作和生活上都给予我无微不至的关心和帮助，李老师实事求是的科学作风，敏锐深刻的洞察力，严谨的治学精神，不断开拓的工作热情，为科技事业忘我工作的精神，无不使笔者受益匪浅，对笔者今后的成长产生深远影响。谨此向李老师致以最崇高的敬意和最衷心的感谢!

在本课题进行期间，在仇康成、崔星星、冯小平等同学的帮助下，使课题能够顺利地完成，在此对他们表示感谢!

最后，衷心感谢所有关心、帮助和支持过我的老师、同学和朋友们。

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参考文献

[1] 江珊. 2005 照明电器新进展（电光源）.中国照明电器.2005，9 [2]赵玉安，人体热释电红外线传感器介绍，中国电子制作，2006.9 [3]人体红外感应模块，深圳市浩博特电子有限公司.

[4]赵海兰，毛玉良，赵洋.实时时钟电路DS1302的原理及应用.电子元件应用，2005，12. [5]UWB,时钟芯片的低功耗设计方案，2006，11. [6]林军、谢晓锰，用8031控制时钟.

[7]胡又农等，可编程看门狗监控EEPROM-X5045及其8051系统中的应用，电子技术应用.1998，NO.7，18-19.

[8]李冬梅等.通用学习式红外遥控器中数据压缩与识别算法.清华大学学报，2009，VOL.NO.7,85-88

[9]刘大茂，严飞.单片机应用系统监控主程序的设计方法.福州大学学报（自然科学版），1998，2（1）.

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毕业设计（论文）评语

题 目： 教室照明控制器的设计

专 业： 电气自动化 班 级： 电自09-2班 姓 名：

指导者评语：（根据完成“毕业设计（论文）任务书”规定工作的情况：创新性评价、写作地规范化程度、存在的问题、是否可以提交答辩。） 指导者（签字）： 年 月 日 答辩委员会（小组）评语：（根据学生答辩回答问题时知识面掌握、逻辑思维能力、口头表达能力、回答问题的正确性等以及各成员投票的综合结果填写） 答辩委员会（小组）负责人（签字）： 年 月 日

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