教室照明设计

沈阳航空航天大学毕业设计（论文）

教室照明节能系统的设计

摘 要

随着我国经济的快速增长，能源需求的大幅增加，能源供需矛盾突出，因此，对教学楼照明节能的研究有很大的潜力和现实意义。既能节约能源，又能节约资本，是本设计的主要目的。本系统以单片机为控制中心，兼用LCD显示教室内人数、系统时间、楼门开启时间和楼门关闭时间。本系统分为自动模式和手动模式，自动模式是通过键盘设定楼门开启和关闭时间，根据作息时间、教室里的人数和光照情况自动控制教室灯的亮灭；手动模式是不考虑光照强度、人数和作息时间，人为地控制教室灯的亮灭。同时，本系统还具有定时报警的功能，可以在楼门关闭时间快要到达时，提醒上自习的人赶快离开，从而符合照明节能这一要求。本系统以89S52单片机为控制核心，由DYP-ME003进行人数统计，光线传感器检测教室内的光照强度，时钟芯片DS1302提供了系统的时钟和日期，键盘由五个按键组成，分别用于选择自动模式或手动模式，也用于校正时钟、日期和调整楼门开启时间、楼门关闭时间。本系统电路结构简单，原理清晰，应用性比较强，性价比高，可扩展性比较强，可以被广泛应用于实际。

关键词：单片机；照明节能；光照强度；人数统计

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Design of classroom lighting energy saving system

Abstract

As China's rapid economic growth, substantial increase in energy demand, energy supply and demand contradiction highlights, so that lighting in the building for research has great potential of energy-saving and practical significance. Both conservation of energy and conservation of capital, is the main purpose of this design. This system by single-chip computer control center, and LCD shows number of classroom, system time, the doors opening time and the doors closing time. The system is divided into automatic mode and manual mode, automatic mode through the keyboard to set the doors opening and closing time, according to schedule, the number of classrooms and lighting control lamp light out of the classroom; manual mode does not take into account light intensity, number and time to relax, to artificially control lamp light out of the classroom. At the same time, this system also features timing alarm function, can the doors when closing time is reached, reminded the people get out of study hall, so as to meet the lighting requirements. 89S52 microcontroller to control the core of the system, statistics by the DYP-ME003, the light sensor to detect light intensity within the classroom, provides the system clock and date clock chip DS1302, keyboard is made up of five keys, to select automatic mode or manual mode, respectively, for correction of clock, date and also adjust the door opening time, the door closing time. Circuits of the system structure is simple, the principle clearly applied strong, cost-effective scalability, strong, can be widely used in actual.

Keywords: Single-chip microcomputer ; lighting energy ; light intensity ; demographics

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目 录

1 绪论 ................................................................................................................................... 1 1.1 研究的意义和目的 ..................................................................................................... 2 1.2 课题的任务和要求 ..................................................................................................... 2 1.3 单片机的简介及在系统中的应用 ............................................................................. 3 1.4 本文的内容安排 ......................................................................................................... 3 2 教室照明节能系统的总体方案设计 ............................................................................... 5 2.1 总体方案设计 ............................................................................................................. 5 2.1.1 人数统计传感器的介绍 ...................................................................................... 5 2.1.2 光线传感器的介绍 .............................................................................................. 5 2.1.3 系统方案 .............................................................................................................. 6 2.2 教室照明节能系统的硬件设计 ................................................................................. 6 2.3 教室照明节能系统的软件设计 ................................................................................. 7 3 教室照明节能系统的硬件设计 ..................................................................................... 10 3.1 单片机电路 ............................................................................................................... 10 3.1.1 AT89S52单片机的简介 ..................................................................................... 10 3.1.2 单片机内部时钟电路 ........................................................................................ 11 3.1.3 单片机复位电路 ................................................................................................ 12 3.2 时钟电路 ................................................................................................................... 12 3.3 传感器电路 ............................................................................................................... 13 3.3.1 人数统计电路 .................................................................................................... 13 3.3.2 光强检测电路 .................................................................................................... 15 3.4 键盘电路 ................................................................................................................... 16 3.5 1602LCD显示电路 ................................................................................................... 17 3.6 报警电路 ................................................................................................................... 19 3.7 灯控制电路 ............................................................................................................... 19 4 教室照明节能系统的软件设计 ..................................................................................... 20 4.1 主程序设计 ............................................................................................................... 20

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4.2 子程序设计 ............................................................................................................... 20 4.2.1 键盘程序 ............................................................................................................ 20 4.2.2 显示程序 ............................................................................................................ 21 4.2.3 人数统计程序 .................................................................................................... 22 4.2.4 报警程序 ............................................................................................................ 22 5 系统调试与分析 ............................................................................................................. 24 5.1 单片机仿真系统介绍及调试 ................................................................................... 24 5.2 教室照明节能系统的硬件调试 ............................................................................... 28 5.3 教室照明节能报警系统的软硬件联调 ................................................................... 29 结论 ..................................................................................................................................... 30 参考文献 ............................................................................................................................. 31 致 谢 ................................................................................................................................. 32 附录Ⅰ 元器件清单 ........................................................................................................... 33 附录Ⅱ 整体电路图 ........................................................................... 错误！未定义书签。 附录Ⅲ 程序清单 ............................................................................... 错误！未定义书签。

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1 绪论

目前，高校教室照明系统存在严重电能资源浪费现象,在这种背景下对高校教室现有的能源资源调配管理系统进行技术升级改造研究就显得非常重要。高校教学楼照明用电的管理一般有三种模式：一是无专人管理，由学生自行控制开启与关闭；二是利用定时开关，根据作息时间开启和关闭整个教学楼的照明电源；三是由专人负责，即管理人员根据作息时间和天气情况分层送电。教室作为高校教学的重要场所，一般采用开放式管理模式为主，学生基本上无固定的班级教室，无固定的座位；而楼宇管理人员仅负责卫生或保卫工作。由于大多数人的节能意识淡薄，并且强光下人的眼睛对弱光不敏感，在自然光照大于灯具光照的情况下，难以察觉到灯光的存在，因此，造成了白天长明灯，晚上无人也开灯，人少灯全开的浪费现象，这在高校司空见惯。一个教室的长明灯，看起来耗能不大，但从整个学校来看，整个社会来看，却是一个不小的数字，这是一种极大的浪费。造成电能浪费的现象除了节能意识薄弱之外，另一个重要的原因就是节能的硬件设施跟不上。

据统计，我国照明用电量已占总用量的10%~12%，因此提高电能利用效率，无疑将较大幅度降低能源消耗，有效缓解目前我国电力供应紧张的局面。按照我国提出的“中国绿色照明工程”，照明节电已成为节能的重要方面。目前的照明节能潜力很大，一般节能方案均能达到节约20%~35%，按保守的数量采取20%的计算，全国节约的电能价值可观，可想而知在国民经济中该有多大的作用。虽然教室的照明负荷在整个学校用电负荷中所占的比重不算太大，但是由于它们的数量众多，使用时间最长，使得它们在整个学校用电量中所占的比重一直居高不下，因而造成的用电浪费也就十分惊人。学校作为育人之地节能之意义并不仅仅局限在节能本身，更重要的在于还能够培养学生的节能意识。教室照明作为大学校园里用电的主要方面，消耗了大量电能。

为此，从学校的实际情况和经济利益两方面的考虑，设计与实施教室照明节能控制系统。在同时满足作息时间内、有人上自习、光照强度低三个条件下，自动开启电灯，如其中有一条件不满足，则不开启电灯。此系统在充分保证教室照度的前提下，达到节能的目的。

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1.1 研究的意义和目的

根据不完全统计：80%的教学楼存在着在白天光照良好的情况下教室灯具开启和在午休时间长明灯的现象。教室照明耗电约占学校所有耗电的40%，由于一些同学缺乏节能意识，教室内经常出现人走不熄灯的情况，另外，教室光线充足时，也可能会出现忘记关灯的情况，这些都会浪费电能。

按照教室等公共区域的照明设计规范可知,教室照明功率密度通常按照10W/m2进行设,也就是说如果一个标准教室按照96㎡进行设计,则按照其照明系统从早晨8点到晚上9点正常运行13个小时,每个教室每个教学年度按160kw·h,整个学校共有210间教室进行计算,如果采用相关先进控制技术手段将其照明系统的节电能力提高30%,则全年大约可以节约电能资源2.28×105kw·h,如果按照单位电能0.5元进行计算,则全年可以节约电费额为12万元左右,而且上述估算分析中还没有考虑教室照明系统的线损、灯具使用寿命等因素，因此，对教室照明系统等进行节能技术升级改造，其所获得的经济效益十分可观，是学校教室建筑节能降耗研究的一个重要内容。

1.2 课题的任务和要求

研究主要内容：教室照明节能系统是根据作息时间、教室里的人数和光照情况自动控制教室灯的亮灭的系统，可以达到节省能源的目的。

本毕业设计要求设计一个教室照明节能系统。该系统由传感器电路、键盘电路、显示电路、灯控制电路和报警电路组成，其特征为：

1) 以MCS-52单片机为控制核心。 2) 有自动模式和手动模式。

3) 键盘电路用于设定作息时间和系统时间。 4) 传感器电路用于检测教室的光线和教室的人数。

5) 自动模式时教室开放时间光线暗教室有人自动开灯，无人时发出报警信号并自

动关灯。

6) 自动模式时晚上作息时间快到时先报警，延时10分钟后自动关灯，作息时间

可以默认。

7) 显示电路显示时间和教室人数。

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1.3 单片机的简介及在系统中的应用

单片机是一种集成电路芯片，典型的嵌入式微控制器，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中。采用单片机控制使得仪器表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。

硬件特性：

1) 主流单片机包括CPU、4KB容量的ROM、128 B容量的RAM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。

2) 系统结构简单，使用方便，实现模块化；

3) 单片机可靠性高，可工作到10^6 ~10^7小时无故障； 4) 处理功能强，速度快。

5) 低电压，低功耗，便于生产便携式产品 6) 控制功能强 7) 环境适应能力强。

单片机对系统中的传感器电路、键盘电路和时钟电路等输出的信号进行集中地处理和执行，来控制显示电路、灯控制电路和报警电路等有序地运行。

1.4 本文的内容安排

本文共5章，主要内容为教室照明节能系统的设计，各章内容如下：

第1章为绪论，主要介绍了教室照明节能系统的课题意义和目的、任务和要求及单片机的简介和在系统中的应用。

第2章为教室照明节能系统的总体方案设计，主要介绍了本设计的软件和硬件的总体设计。

第3章为教室照明节能系统的硬件设计，本部分详细介绍了各个电路的组成及工

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作过程。

第4章为教室照明节能系统的软件的软件设计，本部分对各个子程序进行了详细介绍。

第5章为系统的调试与分析，本部分主要介绍了软硬件的调试和联调过程。

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2 教室照明节能系统的总体方案设计

本课题是利用单片机的运算和控制功能设计了一个教室照明节能系统，实现了根据作息时间、教室里的人数以及光照情况自动控制教室内电灯的亮灭，达到节省能源的目的。本章主要介绍了教室照明节能系统的方案论证和本系统所采用的软件方案以及硬件方案。

2.1 总体方案设计

2.1.1 人数统计传感器的介绍

人数统计传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2×1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70db以上，这样就可以测出10~20m范围内人的行动。

被动式热释电红外探头的工作原理及特性：人体都有恒定的体温，一般在37°，所以会发出特定波长10μm左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的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。红外感应源通常采用热释电元件，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报警信号。

2.1.2 光线传感器的介绍

光线传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光线传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量

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转换为光信号的变化即可。光线传感器能感应光线的明暗变化，输出微弱的电信号，通过简单电子线路放大处理，可以控制灯具的自动开关。

2.1.3 系统方案

根据设计任务要求，教室照明节能系统的原理框图如图2.1所示。本系统选择单片机AT89S52作为控制核心，硬件部分将由单片机电路、传感器电路、键盘电路、显示电路、灯控制电路、报警电路和时钟电路七部分组成。传感器电路中，人数的统计是通过DYP-ME003人体红外模块检测，室内的光照强度是通过光线传感器检测，检测到的信息转换成数字量传送给单片机电路和显示电路。时钟电路中，由DS1302芯片提供系统所需的时钟和日期。键盘电路中，由五个按键组成，分别用于选择自动/手动模式、调整系统时间和作息时间的累加/累减。显示电路中，显示教室人数、时钟、日期、作息时间和自动/手动模式。灯控制电路中，由电磁继电器和发光二极管组成，当同时符合在作息时间内、教室内有人和光照强度低这三个条件，发光二极管被点亮，否则，发光二极管不被点亮。报警电路中，由蜂鸣器组成，当发光二极管点亮，在楼门关闭时间的提前十分钟时，蜂鸣器开始长达一分钟的连续报警。本系统综合考虑了教室有无人和光照强度以及作息时间等客观因素，对教室的照明系统进行节能控制。

时钟芯片 光线传感器 红外传感器 单 片 机 显示电路 报警电路 电压比较器 灯控制电路 键盘电路 图2.1 系统框图

该方案电路结构简单，原理清晰，应用性比较强，性价比高，可扩展性比较强。检测范围只受传感器的性能影响，可根据实际需要更换传感器型号来实现预期目的，实现了电路测量范围的可变性。

2.2 教室照明节能系统的硬件设计

根据系统原理框图，可知本系统的硬件部分主要是由传感器电路、键盘电路、报

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警电路、时钟电路、灯控制电路、显示电路及单片机电路组成。

1) 传感器电路：包括2个传感器，人数统计传感器和光线传感器。人数统计传感器用来检测进出教室内的人数，并将信息量传送给单片机进行数据统计。光线传感器用来检测教室内的光照强度，传送给单片机，并和系统设置的光照强度进行比较。

2) 键盘电路：包括5个键盘，系统时间设置键、加1键、减1键、作息时间设置键和手动切换键。当系统时间设置键按下时，按步骤进入系统时间的年、月、日、时、分和秒的设定。当加1键按下时，进入系统时间或作息时间的累加。当减1键按下时，进入系统时间或作息时间的累减。当作息时间设置键按下时，按步骤进入楼门开启时间、楼门关闭时间的时、分的设定。当手动切换键按下时，按1下，电灯会开启；再按1下，电灯会关闭。

3) 报警电路：用单片机来控制蜂鸣器。当蜂鸣器报警时，将持续长达一分钟后停止报警。

4) 时钟电路：由时钟芯片DS1302组成，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿的功能。

5) 灯控制电路：人数统计传感器和光线传感器将输出的开关量信号传送给单片机，然后通过三极管控制继电器的吸合，从而来控制的电灯的熄灭。

6) 显示电路:采用1602LCD液晶显示器实现人数和时间显示。1602LCD是指显示的内容为16×2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字），其中第一行用来显示教室的人数，第二行用来显示系统时间或作息时间。

7) 单片机电路：采用AT89S52单片机进行智能控制，是这个系统控制及数据处

理的核心。

2.3 教室照明节能系统的软件设计

硬件是基础，软件是灵魂。通过软件控制单片机的功能是单片机的主要特点和优点，程序的设计要考虑合理性和可读性。程序遵循模块化设计的原则，采用自顶向下的设计方法。模块化设计使程序的可读性好、修改及完善方便。

软件设计语言选择的是C语言编程： C语言是一种计算机程序设计语言，它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。语言一共只有32个关键字，9

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种控制语句，程序书写形式自由，区分大小写。把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。C 语言可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元。由于C语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作，能够像汇编语言一样对位（bit）、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元，可用来写系统软件。C语言描述问题比汇编语言迅速，工作量小、可读性好，易于调试、修改和移植，而代码质量与汇编语言相当。

本系统的程序由主程序和4个子程序组成。其中子程序包括键盘识别程序、人数统计程序、时钟程序和显示程序等。本系统软件总体流程图如图2.2所示。

上电后，系统软件开始运行，首先进入初始化程序，系统先调用显示程序，显示系统时间和作息时间，再调用键盘程序，检查时间是否需要校对；当系统时间在作息时间内，先进行自动/手动模式的选择，如果选择自动模式，则进一步对光照强度和室内人数进行检测，并将人数通过显示屏显示出来；如果光照强度低且室内有人，则自动开启电灯；如果晚上作息时间段内有人上自习，在提前楼门关闭时间的10分钟时，开始长达一分钟的连续报警，并在报警后的10分钟时自动关闭电灯；在手动模式下，可以不考虑光照强度、人数和作息时间，人为地控制电灯的亮灭。

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开始 系统初始化 调用显示程序 显示系统时间 调用键盘程序 Y 手动 Y 模式？ N 关闭电灯 光强检测 到达楼门开启时间？ N N 未到楼门关闭 时间？ Y 人数检测 显示人数 人数大于等 于1人？ N Y N Y 延时10分钟 进行报警 开启电灯 光线暗？ 到达报警时间？ Y N 图2.2 系统软件流程图

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人数统计传感器与单片机的连接图如图3.5所示，DYP-ME003人体红外模块的OUT引脚与单片机的P3.2和P3.3引脚连接。工作时，人数统计传感器将采集到的信息处理后，先于单片机P3.3口，向P3.2口输入一个高电平脉冲，单片机的计数功能进行加1的操作；人数统计传感器将采集到的信息处理后，先于单片机P3.2口，向P3.3口输入一个高电平脉冲，单片机的计数功能进行减1的操作。利用单片机的计数功能，实现教室内人数的检测。

AT89S52 +5v P3.2 P3.3 DYP-ME003 VCC OUT GND +5v DYP-ME003 VCC OUT GND 图3.5 人数统计传感器与单片机连接图

3.3.2 光强检测电路

本部分采用光线传感模块，此模块采用灵敏型光敏电阻传感器，比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA。配可调电位器可调节检测光线亮度，工作电压范围在3.3V~5V之间，输出形式为数字开关量输出0和1，设有固定螺栓孔，方便安装，且使用宽电压LM393比较器。

光线传感模块引脚图如图3.6。使用注意：

1) 光敏电阻模块对环境光线最敏感，一般用来检测周围环境的光线的亮度，触发单片机或继电器模块等；

2) 模块在环境光线亮度达不到设定阈值时，DO端输出高电平，当外界环境光线亮度超过设定阈值时，DO端输出低电平；

3) DO输出端可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环境的光线亮度改变。

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VCC DO GND 图3.6 光线传感器的引脚图

在本系统中，光线传感器与单片机的连接电路如图3.7。工作时光线传感模块检测光强，如果光线亮度达不到设定的阈值，光线传感模块的开关显示灯不亮，则向单片机P3.4口传送一个高电平；如果光线亮度超过设定阈值，光线传感模块的开关显示灯亮了，则向单片机P3.4口传送一个低电平。

+5v

AT89S52 P3.4 VCC DO GND 图3.7 光线传感器与单片机的连接电路

3.4 键盘电路

在本设计中，利用键盘进行各个功能的选择，它是系统进行人机对话的重要部件。由于系统需要的按键较少，因此只采用了独立式键盘。此种键盘各键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态可以很容易的判断哪个按键被按下。

独立式键盘电路的连线图如图3.8所示。键盘电路是用来设定系统时间、作息时间和自动/手动模式的。独立式键盘各测试线相互独立，采用查询方式，可以通过判断单片机与之接口的高低电平变化来识别键盘上是哪个功能键闭合。共有5个键组成，k0键为系统时间设置键，k1键为时间加1键，k2键为是时间减1键，k3键为作息时间设置键，k4键为自动/手动模式切换键。5个键分别与单片机的P2.2、P2.4~P2.7口相连接。当K0按下一次时，进入系统时间年份的校对，可通过按K1、K2键来进行加、减的操作；重复 K0按下的操作，依次进入系统时间月、日、时、分、秒的校对，依旧通过按K1、K2键来进行加、减的操作；校对完后，再按一下K0键，退出

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系统时间的校对。当K3按下一次、两次时，进入楼门开启时间的小时位、分钟位的校对，也是通过K1、K2键来进行加、减的操作；当K3按下三次、四次时，进入楼门关闭时间的小时位、分钟位的校对，依旧是通过K1、K2键来进行加、减的操作；校对完后，再按一下K3键，退出作息时间的校对。当K4键按下一次时，进入手动模式的开灯操作；再按一下K4键，进入手动模式的关灯操作，恢复到自动模式。

3.9kΩ×4 +5v AT89S52 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 P2.2 K0 K1 K2 K3 K4

图3.8 键盘连线图

3.5 1602LCD显示电路

1602液晶也叫1602工业字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。1602LCD引脚图如图3.9所示。

VSS VDD VEE RS RW E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 图3.9 1602LCD引脚图

如果写指令，设定1602LCD的工作方式，要把RS和 R/W都置为低电平，然后

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把数据送到双向数据口D0~D7，最后E口一个高脉冲将数据写入；如果写数据字，在1602LCD上显示时，仍要把RS和R/W都置为低电平，然后把数据送到双向数据口D0~D7，最后E口一个高脉冲将数据写入，1602LCD液晶屏的读写操作时序如表3.3所示。

表3.3 1602LCD液晶屏的读写操作时序

RS 0 1 0 1 R/W 1 1 0 0 E 高电平 高电平 低电平 低电平 功能 读忙标志或地址AC 读数据 写指令 写数据 在本系统中，显示电路由1602LCD液晶显示器组成，第一行显示教室内的人数，第二行显示系统时间或作息时间。在硬件设计中，其电路图如图3.10所示。显示电路采用动态显示，工作时AT89S52单片机的P1.0~P1.7引脚控制显示器的8位双向数据段。P2.3口控制显示器的使能端，高电平时读取信息，负跳变时执行指令。P3.0口控制显示器的读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。P3.1口控制显示器的寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

VSS VDD VEE RS RW E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 +5v AT89S52 1kΩ P3.0 P3.1 P2.3 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 图3.10 显示电路图

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3.6 报警电路

在本系统中，报警电路是由一个蜂鸣器组成。工作时，单片机P2.1口控制蜂鸣器发出长达一分钟的连续报警声。报警电路如图3.11。

P2.1 +5v 、、 3.9kΩ AT89S52

3.9kΩ 图3.11报警电路图

3.7 灯控制电路

在本系统中，灯控制电路是由一个继电器和一个发光二极管组成。工作时，单片机P2.0口控制继电器的吸合，从而来控制发光二极管的亮灭。灯控制电路如图3.12所示。

+5v

AT89S52 P2.0 +220v L2

Q1 K RL1 D1

图3.12 灯控制电路图

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4 教室照明节能系统的软件设计

软件的设计应遵循结构化设计原则，在总体概况设计的基础上进行具体的详细设计、功能分解、模块划分、细化软件层次、优化软件结构，以达到模块功能的独立性，执行的高效性。该系统的软件程序由主程序和数个子程序模块组成，其中子程序包括键盘程序、显示程序、人数统计程序和报警程序等。

4.1 主程序设计

系统软件开始运行，首先进入初始化程序，系统先调用显示程序，显示系统时间和作息时间，再调用键盘程序，检查时间是否需要校对；当系统时间在作息时间内，先进行自动/手动模式的选择，如果选择自动模式，则进一步对光照强度和室内人数进行检测，并将人数通过显示屏显示出来；如果光照强度低且室内有人，则自动开启电灯；如果晚上作息时间段内有人上自习，在提前楼门关闭时间的10分钟时，开始长达一分钟的连续报警，并在报警后的10分钟时自动关闭电灯；在手动模式下，人可以自主选择开关电灯。此程序，如此循环。其主程序流程图如图2.2所示。

4.2 子程序设计

4.2.1 键盘程序

本系统中，键盘采用查询的工作方式。按键识别程序由三个部分组成。 (1)判断有无键闭合。

(2)去除键的机械抖动。其方法为，判别出键盘上有键闭合后，延迟一段时间后再判别键盘的工作状态，若仍有键闭合，则认为键盘上有一个键处于稳定的闭合期，否则认为是键的抖动。

(3)判别是哪个键按下，再转入相应的模块程序中。 该程序流程图如图4.1所示。

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开始 N Y 调用延时程序消抖 有键按下？

N 有键按下？ Y 确定按键位置 调用相应模块 返回 图4.1 键盘程序流程图

4.2.2 显示程序

在本系统中，显示程序用于实时显示教室人数、系统时间、楼门开启时间和楼门关闭时间。该程序的流程图如图4.2所示。

LCD工作忙？ N 写显示RAM Y 清屏RAM 开始 延时 返回 图4.2 显示程序流程图

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教室照明节能系统的设计

4.2.3 人数统计程序

在本系统中，首先将人数统计传感器初始化，被测信息由单片机的P3.2、P3.3引脚输入。当P3.2引脚先于P3.3引脚为高电平以后，启动单片机内部计数器加一次，当P3.3引脚先于P3.2引脚为高电平以后，启动单片机内部计数器减一次。当单片机内部计数器有数值存在时，继续相应模块的操作。该程序流程图如图4.3所示。

开始

传送数据

人数加1 N Y 输出检测人数信号？ Y N P3.2口先于P3.3口输入 高电平？ P3.3口先于P3.2口输入高电平？ N Y 人数减1 显示人数 返回 图4.3 人数统计程序流程图

4.2.4 报警程序

在本系统中，报警子程序是控制P2.1口输出一个方波信号，使蜂鸣器发出一分钟持续的报警声。该程序的流程图如图4.4所示。

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电平持续时 N 间到？ 开始 设置定时时间 设置电平持续时间 置P2.1口为高电平

N Y P2.1口电平取反

定时时间到？ Y 返回

图4.5 报警子程序流程图

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5 系统调试与分析

教室照明节能系统的调试分为系统的硬件、软件单独调试和软硬件联调。调试是系统最后的步骤也是系统特别重要的环节，因为设计和开发出的系统是否成功，功能是否完善，通过调试才得以检验。所以为了保证设计系统能够正常工作，必须认真对软件以及硬件电路的每一个部分进行调试和分析。

5.1 单片机仿真系统介绍及调试

本次采用的仿真系统是由英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件Proteus进行软件调试的，其从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。它是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。它是目前最好最著名的仿真单片机及外围器件的工具。

用编译器Keil进行C语言编译，对传感器显示程序、键盘显示程序和时钟显示程序进行单个调试后，再将整个程序进行联合调试，观察程序是否能实现全部功能。如果不能实现，检查I/O口的定义是否发生冲突，调用子程序时指令是否有误，并进行改正。将编译器Keil生成的.hex文件烧入进Proteus仿真软件的连接电路图中的单片机里，运行后再检查是否达到设计要求。

本系统仿真调试结果如下：

1) 自动模式下，同时符合在作息时间内、光照强度低和室内有人这三个条件，电灯自动开启。该功能实现如图5.1所示。

2) 自动模式下，符合在作息时间内和室内有人这两个条件，不符合光照强度低这一条件，电灯不开启。该功能实现如图5.2所示。

3) 自动模式下，符合在作息时间内和光照强度低这两个条件，不符合室内有人这一条件，电灯不开启。该功能实现如图5.3所示。

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4) 自动模式下，符合在作息时间内和光照强度低这两个条件，不符合室内有人这一条件，电灯不开启。该功能实现如图5.4所示。

5) 自动模式下，符合在室内有人和光照强度低这两个条件，不符合在作息时间内这一条件，电灯不开启。该功能实现如图5.5所示。

6) 在手动模式下，不考虑作息时间、光照强度和人数，人为地打开电灯。该功能实现如图5.6所示。

7) 在手动模式下，不考虑作息时间、光照强度和人数，人为地关闭电灯。该功能实现如图5.7所示。

图5.1 自动模式下开灯

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图5.2 自动模式下不符合光照条件未开灯

图5.3 自动模式下不符合人数条件未开灯

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图5.4 自动模式下不符合作息时间条件未开灯

图5.5 手动模式下开灯

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图5.6 手动模式下关灯

5.2 教室照明节能系统的硬件调试

硬件调试工作的主要任务是完成硬件组成单元的逻辑测试，测试基本功能能否实现，排除故障，主要包括完善设计方案和焊接工艺上的工艺性故障（例如虚焊，短路等）。在焊接硬件电路之前，先在理论上确定方案的硬件电路是可行的，才进行焊接。在焊接电路以前，对一些拿不准的电路在面包板上做些简单的连接实验，确定无误后，进行焊接工作。在焊接硬件前，首先做布局工作，防止在焊接电路时出现电路板不够用或不宜走线的情况。如果布局不合理，很容易造成干扰，还容易出现虚焊等问题。当这种情况发生时，就得重新焊接。

硬件调试有以下的步骤：

(1) 对照系统电路图，仔细检查焊接好的电路连线是否和电路图一致。 (2) 用实验室的万用表按照设计的电路图检查所焊接的各个部件的电源、接地及各个引脚的连接线是否正确、电路是否导通，是否有虚焊，短路等情况发生。在焊接完成后，要给电路板接通电源，检测每个底座的电流有多大，如若检测后，所有部件都为正常，方可插入芯片做以后的调试工作。

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(3) 在保证电路芯片没有插错，电路连接全部正常时，接到仿真器件上进行调试，通过观察各个部件输出和响应，结果表明所设计的电路满足设计要求。

5.3 教室照明节能报警系统的软硬件联调

本系统的联调采用先分块联调，再总体联调的方法。本系统的联合调试是将编译器Keil生成的.hex文件烧入进实物电路的单片机里，检查每个模块是否正常工作。

下面介绍本设计的软硬件联调的过程。 联调过程主要是对以下几个部分的调试： 1) 键盘和显示的调试过程

在这部分调试中，用预先编好的键盘程序，对独立式键盘进行了检测，观察1602LCD是否显示按键的功能，看每一个键是否能够被正确识别。

2) 时钟和显示的调试过程

在这部分调试中，将预先编好的时钟程序烧入单片机，运行后，观察1602LCD是否显示时间。

3) 传感器和显示的调试过程

在这部分调试中，观察1602LCD是否显示教室内的人数。 4) 整体调试过程

进行整体的联调，用焊接好的电路板，烧入程序，看整体运行是否正确。在联调时，起初程序运行的不是很正确，程序总是在某一行来回跳转，经过排查、修改后，程序可正常运行了。经过联调后，程序能够完成系统要求的功能。

系统调试成功后，这样该教室照明节能系统就成为一个独立的系统了，而且可以投入运行了。

在软硬件联调时，出现了一些问题，经过仔细的排查，这些问题都得到了解决。 （1）在作息时间内，光照强度低，当教室内没有人时，电灯也会开启。 解决方案：经排查，发现软件编程设置有漏缺。

（2）在灯控制模块中，开始达到最大作息时间系统也不自动关灯。 解决方案：经排查，发现设置中有系统延时，未考虑。

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结论

能源短缺是21世纪国际面临的新课题。在寻找新的能源之外，节约能源，提高效益也就成为了我们研究的课题。随着国民经济的快速发展和社会进步，教育在全社会愈加被关注和重视，校园规模也随着受教育者的数量增加而不断扩大，教室的数量也大幅度增加。为使师生有舒适的教学和学习环境，无论是教室的设施和照度，校方在力所能及的范围内，都付出了十分的努力。如果能够设计一个根据作息时间、照度和人数而受控制的照明系统，则不仅能够解决能源短缺的问题，还能够提高教室的设施利用率。

当系统在强制模式下，首先要检测系统时间是否在作息时间段内，如果在作息时间内，检测出教室内有人且光照强度低于阈值时，系统将自动开启电灯，待教室内无人或光照强度高于阈值时，系统将自动关闭电灯；如果晚上作息时间段内有人上自习，在提前楼门关闭时间的10分钟时，开始长达一分钟的连续报警，并在报警后的10分钟时自动关闭电灯。当系统在手动模式下，人可以自主选择开关电灯。

本系统优点是电路结构简单，原理清晰，应用性比较强，性价比高，可扩展性比较强。同时，本系统还存在着一些不足，以下是可以改进的地方：

1) 本系统没有充分考虑人数统计传感器的温度补偿和光敏控制功能，以后可以进一步完善系统。

2) 本系统对于光线强度只做一个阈值的比较，以后可以用1602LCD液晶屏显示出实时的光照强度。

3) 由于经费和时间等因素，本系统无法达到根据人坐的位置来开启相应的电灯，以后可以在每个位置上安装传感器，通过单片机控制上方相对应的电灯。

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参考文献

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致 谢

本次毕业设计中，历经了三个月时间的课题分析与深入，硬件焊接，软件编程还是软硬件联调的过程中，自己遇到了一系列的困难，但最终还是比较圆满的完成了此次毕设任务。本次毕设的完成，除了自己的努力外，更与老师的指导和同组同学的帮助密切相关。在此，我非常感谢在实验室一起奋战的队友，和她们的共同学习、讨论中我获得了大量的信息和宝贵的经验。

感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。

本次毕业设计的主要研究及学位论文是在我的导师王艳辉老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。在这次的毕业设计中学到很多的东西，不仅在知识储备上有所增加，更锻炼了自己的动手操作能力。本次设计不仅是我这几个月的劳动成果，也是我这四年来所学到的专业知识的一个系统完善的体现。我了解了,每一次的学习实践环节都是起到台阶的作用,然我们一步一步地走上知识之塔。老师们的谆谆教导使我们随着年龄的增长不断地扩充自己的知识的领域,逐渐有自己独特成熟的想法。

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附录Ⅰ 元器件清单

元器件 单片机 继电器 LCD 电 容 电 阻 型号 AT89S52 1602 30pF 33pF 1uF 22pF 10kΩ 1 kΩ 晶 振 发光二极管 12MHz LED 数量（个） 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 三极管 PNP 1 蜂鸣器 1 独立按键 5 二极管 1 33

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