第1章緒論課題的研究背景及意義當前，伴隨著經濟的飛速發展，資源越發緊張，各種能源問題嚴重限制經濟發展，發展低碳環保節能經濟成為了當前的主流。同時，電力能源在國防安全、工業生產、居民生活、社會正常運行等領域的應用越來越廣泛，電力能源供應的壓力正在逐漸增大，人們對節能產品的關注度越來越高。據統計，目前高校用電耗電量中教室照明用電占比甚高，而現實狀況是晚上自習人員數量不定，有多有少，空閑的教室也依舊燈火通明，這種“長明燈”現象造成了極大的資源浪費，針對上述實際問題，本課題便設計一款教室照明節能控制系統，該控制系統不僅可以根據光強來控制照明系統的開啟或者關閉，還可以自動識別教室的使用人數，根據使用人數的多少控制照明強度。不僅避免了人工按壓開關帶來的不便，而且可以減少電能的損失，帶來可觀的經濟效益和環保節能效益。因此，本系統具有重要的應用價值[1]。課題的發展現狀傳統的教室照明系統是用開關的方式控制的[2]，教室的照明系統由墻壁上的開關控制，通過人工按壓開關實現電燈的開啟和關閉，達到控制照明系統工作的目的。后來隨著傳感器在照明系統的應用，教室照明控制系統可以用聲音控制，但是這種控制系統無法區別控制信號和噪聲，一旦環境中有噪聲干擾，聲控系統無法識別。得益于物聯網技術的大力發展，現在少部分高校教室實現了照明的智能化，利用了物聯網技術、無線通信、電力載波通信、嵌入式計算機來保持對教室照明設備的智能化操縱和設定[3]。文獻[4]提出一種基于攝像頭的方法進行教室照明系統的控制，利用攝像頭進行教室內的圖像識別，根據識別得到的教室內的光照強度，調整電燈的亮度。但其成本較為昂貴，技術還不成熟，不適用于大量應用。最近幾年，傳感器技術受到重視，各種傳感器應用在工業生產、居民生活、醫院學校、國防安全、化工電力、建筑汽車等多個領域，基于聲音、電流、壓力、熱輻射、光譜、紅外、磁場甚至生物特征的新型傳感器也不斷出現，將這些傳感器應用于教室照明系統正被許多人研究。課題設計目標通過對當前教室照明現狀的調研，本文所設計的控制系統要實現的目標如下：教室照明有兩種控制形態：自動控制模式和手動控制模式，兩者可以通過開關進行切換，且可以進行人工調整自動控制模式的工作時間范圍。能通過傳感器獲取教室的光照強度來進行判斷教室是否需要進行開燈操作。能統計并顯示教室現場人數，來控制教室開燈的數目，從而達到節能的目的。第2章系統總體設計方案2.1系統邏輯設計（1）在系統上電復位后，將處于自動控制狀態，可以通過按下手動/自動模式切換按鍵進行切換，外加時鐘電路去設置自動控制模式運行時間段，用程序讀取時間段控制其自動控制模式是否運行。（2）利用光敏電阻來采集外界的光照強度信號。在此之前先設定一個光照強度閾值，通過軟件編程把獲得的信號與閾值對比，低于閾值執行開燈操作并根據教室人數選擇開啟燈光數量。（3）利用熱釋紅外傳感器，去檢測進出教室的人數，通過程序編寫完成教室人數統計，并把統計結果輸出到單片機控制開燈數目并同步輸出到液晶顯示屏，以便觀察，體現系統的智能化和人性化。本文設計的控制系統先判定是否在設定的燈光自動控制時段內，然后以光敏電阻檢測周圍的環境光強，用紅外傳感器來統計進出教室人數。如果教室環境光照強度較大，沒有達到燈光開啟的閾值時，單片機的輸出信號為燈光的關閉信號，此時燈光關閉；如果教室的光照強度較小，達到了燈光開啟的閾值，此時根據人體數量的輸入信號判斷人體的數量，單片機綜合考慮兩個輸入信號的大小，發出輸出信號自動控制照明系統開啟并且調整至合適的亮度；當所有人都離開教室時，單片機會根據人體不存在的輸入信號，在延時之后控制照明系統關閉[5]。2.2系統硬件方案設計本文設計的教室智能照明控制系統由兩部分組成，一方面，硬件部分以單片機為核心，由人數統計模塊，光強檢測電路，時鐘電路，電源電路，按鍵電路和顯示電路構成，是整個系統的骨骼框架，是系統正常運行的執行機構。如果教室環境光照強度較大，沒有達到電燈開啟的閾值時，單片機的輸出信號為電燈的關閉信號，此時電燈關閉；如果教室的光照強度較小，達到了電燈開啟的閾值，此時根據人體數量的輸入信號判斷人體的數量，單片機綜合考慮兩個輸入信號的大小，發出輸出信號自動控制電燈開啟的數量。另一方面，軟件部分由C語言編寫，首先對傳感器采集的輸入信號進行數據類型轉換，將采集的數字信號轉換成變量，接下來對變量分析，根據設定的邏輯對輸入變量進行計算，得到輸出變量，最后將輸出變量轉換成輸出信號。系統框圖如下：圖2.2系統結構框圖第3章硬件電路設計3.1單片機最小系統3.1.1單片機介紹本系統使用的單片機型號為STC89C52，它的優點[6]是電路原理圖結構簡單，成本低廉，容易獲取，輸入輸出端口較多，使用方便，抗干擾能力強。圖3.1為單片機引腳圖。圖3.1單片機引腳圖這款單片機共有40個引腳，其中P0，P1，P2，P34組輸入輸出口，共32個I/O接口，20腳接地，40腳接電源，9腳為復位引腳，18，19腳為振蕩器反向輸入端，29腳為外部存儲器選通信號，30腳為地址鎖存控制信號，31腳訪問外部存儲器控制信號。3.1.2電源電路單片機外接的電源電路如圖3.2所示：圖3.2電源電路原理圖電源通過兩組單刀雙擲開關與后面的電路相連，每組開關閉合時分別將2-3，和5-4接通。C6是一個貼片電容，用來濾除電路中的高頻干擾；C7是一個電解電容，用來濾除低頻干擾，同時穩定電壓。D1是一個發光二極管，用來顯示電源電路是否工作正常。電路的輸出電壓為5V。3.1.3晶振電路單片機最小系統的晶振電路示意圖如圖3.3所示：圖3.3晶振電路原理圖圖中，Z1為晶振，其主要作用是提供振蕩信號給單片機。3.1.4復位電路單片機最小系統的復位電路如圖3.4所示： 圖3.4復位電路原理圖圖中，RST為復位按鍵，用來對程序進行重啟。3.1.5單片機最小控制系統單片機最小系統由晶振電路，復位電路，電源電路組成。圖3.5為單片機最小系統原理圖。為了增加單片機端口的驅動電流，外接電源和電阻[7]。圖3.5單片機最小系統原理圖3.2教室人數統計模塊設計3.2.1熱釋紅外傳感器原理與電路設計熱電型紅外傳感器主要包括熱釋電紅外傳感器[8]和熱電偶兩種，二者的相同點都是基于熱電效應，二者的不同點是前者的熱電系數遠大于后者。因此，溫度對前者的影響更大。器件在工作過程中會發熱導致自身溫度升高，為了避免對器件正常工作的影響，通常會將兩個具有相同熱電特征的元件反向串聯。這樣無需接觸就可以識別出紅外線的光譜信號，然后通過變換將其由光信號轉變為電信號。熱電元的輸出信號幅值很小的電流，利用104兆歐姆的大電阻將小電流轉換為電壓信號，便于后續的測量，其中電阻不能是普通的電阻，要采用共漏極N型MOSFET[9]。本文采用的熱釋電紅外傳感器的結構示意圖如圖3.3所示[10]，這個傳感器有兩個探測元，這兩個探測元有著相同的特性，但是極性不同。一共有三個輸入輸出接口，D口和G口表示電源端口，分別接入電源的正負極，S口表示信號端口，用來輸出信號。當器件受到噪聲干擾時，干擾信號會在器件內部生成兩個幅值相等但是方向相反的信號，這兩個信號相遇時便會同時抵消，因此，可以利用這一點對噪聲進行濾波。當有紅外線照射到傳感器上時，會經過前端的濾光片，傳遞到后面的探測元上，探測元可以將光信號轉換為電信號，通過S端口輸出。圖3.3雙探測熱釋電紅外傳感器結構示意圖紅外傳感器產生的信號是模擬波形信號，而單片機的輸入信號是高低電平，因此需要將波形信號轉換為電平信號，本文用BISS0001芯片作為信號調節電路，其電路原理圖如3.4所示，各管腳的結構示意圖如圖3.5所示。圖3.4紅外信號調節電路圖3.5BISS0001引腳圖其中，VDD和VSS分別表示電源正負極，正極電壓范圍為3-5V，負極電壓為0V。端口10用來輸入偏置電流，經過一個阻值約為1兆歐姆的電阻與電源負端VSS連接。端口14和15分別表示一級運放的正反相輸入端，端口13表示二級運放的反相輸入，端口16和端口12分別表示一級和二級運放的輸出。端口9為觸發控制，當VC<VR時禁止觸發，當VC>VR時允許觸發，VR約等于正極電壓的0.2倍。端口8表示復位輸入端，與電源正極相連，當參考電壓的值為零時，定時器復位。端口1可以控制芯片能否被重復觸發。端口2表示信號輸出端。這款芯片具有以下幾個特點：(1)CMOS數模混合專用芯片，當傳感器結構比較復雜時，產生的模擬信號可以用這款芯片轉換為數字信號。(2)由多個運放構成，這些運放的特點是輸入阻抗比較高并且相互獨立，能夠跟其他類型的傳感器配合，共同進行信號采集與處理。(3)內部有雙向鑒幅器結構，具有較強的抗干擾性能。(4)有定時器，可以進行延時操作，也可以進行時間封鎖，使得芯片在工作時更加穩定，提高了可靠性。(5)內置參考電壓，可以在較寬的電壓范圍內調節。3.2.2人數統計模塊設計首先，熱釋電紅外傳感器將采集到的模擬信號輸出給BISS0001芯片，模擬信號先后經過芯片的一級運放和二級運放，經過一系列處理，最后轉換成數字信號輸出，這個過程設置為不可重復觸發，即將端口1置零。接下來，將轉換后的數字信號輸出到單片機，由單片機對數字信號進行讀取計算，根據設定好的軟件程序計算出教室內的人數。本文分別在教室的前后門安裝兩個紅外傳感器，前者用來檢測進入教室的人數，后者用來檢測離開教室的人數。圖3.6紅外檢測模塊電路圖圖3.6中的LM339運放為電壓比較器，它的內部有4個運放，其中端口5、7、9、11分別為4個運放的正相輸入，端口4、6、8、10分別表示4個運放的反相輸入，端口2、1、14、13分別表示4個運放的輸出。本文只用到了其中兩個，工作原理是當正相輸入端的電壓高于反相輸入端的電壓時，輸出信號為高電平，否則，輸出信號為低電平。圖中的4個LED二極管構成兩組紅外發射和接收裝置，其中LED7與LED9為第一組，LED6和LED8為第二組。為了保護二極管，需要在二極管所在的支路串聯一個阻值比較大的電阻，電阻的阻值為100歐姆。為了獲得到高電平，在兩組紅外二極管的支路分別串聯一個上拉電阻，阻值為10k歐姆。當紅外發射管發出的紅外線照射到物體的時候，紅外線會被反射，這時紅外接收管可以接收，相當于在二極管的正向輸入一個電壓比較高的電信號，使得這條支路導通。此時電壓比較器的反相輸入端的電壓為0，而正相輸入端為2.5V，正相輸入端的電壓高于反相輸入端的電壓，比較器的輸出為低電平，使得D2/D3二極管導通，照明系統開啟；如果紅外線沒有被物體發射，那么紅外接收管就不會導通，此時的電壓比較器輸出高電平，導致D2/D3二極管無法導通，照明系統關閉。通過設置單片機程序來檢測紅外接收管的導通次數，并根據已經編寫的計數程序去統計人數的多少。同時，為了更精確的表示教室內人數的動態變化，本文在教室內外安裝兩個紅外傳感器。當教室外面的傳感器與教室里面的傳感器先后檢測到有人經過，說明有人正在進入教室，則將教室內的人數加一。如果教室里面和教室外面先后檢測到有人經過時，說明有人離開教室，則將教室內的人數減一。如果只有教室外面檢測到有人存在，則說明有人在門口觀望，保持教室內的人數不變。本文將檢測到的人數分成若干個區間，并根據人數的區間段來控制教室電燈的光照強度。3.3光強檢測模塊設計3.3.1感光器件原理光敏電阻是一種常用的將光信號轉換為電信號的電子器件，它的優點是靈敏度高，價格便宜，沒有正負極的限制，使用方便，缺點是穩定性較差。在強光照射下，光能與電能的轉化效率較低。所以建議在不同區域的教室可以使用不同的感光器件。光敏電阻的實物圖如圖3.7所示：圖3.7光敏電阻實物圖光敏電阻的最外面是一層保護膜，不僅可以透射光線和加固器件，而且可以防止內部元件受潮。它的工作原理為，在光敏電阻的兩端施加固定的電壓，當光敏電阻受到光線的照射時，其內部原子被激發，原本原子核周圍緊密的電子變成自由電子，同時出現空穴。在電場的作用下，自由電子與空穴一起改變位置，因此電阻的電導率發生了變化。當光照強度越大時，光敏電阻內部的電子移動的越快，電導率越高；光照強度越小，電阻內部的電子移動速度越慢，電導率越小。3.3.2光線檢測電路原理與分析圖3.8光線檢測電路原理圖圖3.8中的LM339運放為電壓比較器，它的內部有4個運放，其中端口5、7、9、11分別為4個運放的正相輸入，端口4、6、8、10分別表示4個運放的反相輸入，端口2、1、14、13分別表示4個運放的輸出。本文只用到了其中兩個，工作原理是當正相輸入端的電壓高于反相輸入端的電壓時，輸出信號為高電平，當正相輸入端的電壓低于反相輸入端的電壓時，輸出信號為低電平[11]。我們設計了一個閾值，我們假定教室光強在這個閾值之上為，教室光線充足無需開燈，在這個閾值之下為教室光線昏暗，需要開燈，假定這個光線昏暗狀態為“黑暗”，LIGHT1（5539）為光敏電阻，與R10形成分壓輸入電壓到第4腳。當環境的光照強度較高時，光敏電阻的阻值減小，電阻兩端的電壓較低，與端口4相連的電壓值減小，電壓比較器的正相輸入電壓大于反相輸入電壓，輸出的電平為高。當光照強度減小時，光敏電阻的阻值增加，電阻兩端的電壓增加，高于反相輸入端的2.5V電壓，所以輸出低電平，此時D4二極管導通。單片機通過測量電壓比較器輸出的高低電平，計算出光照強度的大小。3.4時鐘電路設計本文設計的時鐘電路如圖3.9所示圖3.9時鐘電路圖中的U1為DS1302芯片，1、4、8管腳為電源端口，1與外部的電源相連，8外接一個應急的紐扣電池電源，4管腳接地。2、3管腳與晶振相連，晶振頻率是32kHz，用于統計時間。余下的5、6、7號管腳與單片機相連[12]，主要功能是芯片重置和輸出，用于單片機對芯片的控制，以及獲取時間。為了提高芯片的穩定性，在與單片機連接的端口加入上拉電阻。3.5按鍵電路與顯示電路本文設計的按鍵電路與顯示電路分別如圖3.10與圖3.11所示：圖3.10按鍵電路圖3.11顯示電路第4章系統軟件設計一個完整的控制系統除了必要的硬件部分，還需要有軟件。軟件設計主要在單片機里完成，通過單片機控制其他硬件模塊。傳感器將采集到的信號發送給單片機，單片機通過程序[13]對這些數據進行分析，預先設定好的程序會包括所有已知的情況，單片機根據不同的情況發出不同的輸出信號，作為指令發送給后面的電燈等執行模塊。此外，單片機還要根據DS1302芯片發出的時間信號、按鍵電路的開關狀態信號、計數電路的人數和顯示模塊等的信號，做出綜合的判斷和分析。4.1KeilC平臺介紹大多數單片機所運行的程序都是由C語言編寫的，這種程序語言是機器無法直接讀取，需要用到相應的編譯器，把寫好的程序翻譯成機器可以讀出的代碼，而Keil軟件就是一種編譯器，而且是目前51系列單片機中應用最為廣泛的一款軟件，該軟件易學易用[14]，界面友好，可讀性強，集編輯、編譯，仿真為一體，是單片機初學愛好者和開發單片機工程師強力的助手之一。圖4.1為其軟件界面。圖4.1keil軟件界面4.2主程序設計控制系統的主程序流程圖如圖4.2所示。首先，對系統的各個模塊進行初始化，然后從時鐘模塊獲取當前時間，并通過顯示電路顯示出來，看是否在亮燈控制時段。然后在自動模式下，利用紅外傳感器和計數器模塊統計教室內的人數。根據光敏傳感器的反饋信號獲取光暗條件，進行教室燈光亮滅與否與所要亮燈的強度。通過顯示模塊顯示時間與人數統計，更能讓我們對其系統運行情況有所了解，反饋是否有誤。圖4.2主程序流程圖4.3液晶顯示子程序設計顯示模塊的子程序如圖4.3所示。首先對顯示模塊初始化，設置光標的位置與輸入方式，將數據處理成可顯示的類型，最后顯示出相應的信息。因為顯示電路模塊會調用多個子程序模塊，所以進行多次采集和顯示的信息。本文中所設置的信息有：當前時間，教室人數等，可以需要通過算法進行添加。開始開始設置光標位置調用顯示子程序？初始化顯示位置和內容否是Y設置輸入方式復位清屏結束數據處理參數顯示的地址顯示處理后的數據源圖4.3液晶顯示程序流程圖4.4人數統計子程序設計完成本次課題設計最重要的一個部分就是能夠實時的進行教室人數的統計去實現自動控制教室燈光，首先對紅外對管探測到的信號進行掃描，若是先由外紅外傳感器探測到有人且延時后再由內紅外探測信號探測有人，則判斷為有人進入，反之，若先由內檢測到有人且延時后再由外檢測到有人，則判斷為有人出去。人數統計主要是對程序掃描到的紅外檢測傳來的信號進行處理，計數，將其反饋給單片機。流程圖如圖4.4所示：圖4.4人數統計程序流程圖4.5自動控制子程序設計與人數統計所密切關聯的為自動控制部分，人數統計的結果反饋給了自動控制程序后，自動控制同步進行判斷亮燈條件，滿足亮燈時間區域，教室“黑暗”且有人存在此三者條件缺一不可。自動控制流程圖如圖4.5所示：圖4.5自動控制流程圖第5章系統調試與仿真分析設計完成后需要進行調試，最后進行仿真驗證，本智能照明控制系統需分兩部分進行調試，即硬件部分和軟件程序部分。硬件調試的目的是發現電路設計的漏洞、電子元件參數選擇是否合理、各電路模塊之間是否有時序上的沖突或者電路焊接過程出現的虛焊短路問題[15]。軟件調試的目的是及時的發現軟件程序的邏輯錯誤或者語法漏洞，以便及時的修改完善。5.1軟件仿真及分析本文采用的軟件調試方法是Proteus軟件，通過在軟件平臺上搭建電路模型，進行仿真，可以直觀的看到系統中各個節點的電流電壓，顯示模塊的輸出結果，照明系統的亮滅狀態，以及其他模塊的工作情況，一旦有模塊出現問題，可以迅速的找到問題的原因。圖5.1系統仿真圖在仿真圖上可知，滿足亮燈條件得有：有人，定時時間內，黑暗，三者缺一不可。按鍵電路用于更改定時時間等初始化操作，手動和自動開關的切換更有利于進行人性化管理。設置定時時間段為19點到23點，由于液晶屏上顯示教室有12人，當前時間為22時48分滿足在定時條件內，光線黑暗（按下即表示黑暗），根據顯示結果為兩盞燈亮，判定為該系統軟件設計符合預期要求。5.2硬件調試經過軟件調試，若沒有發現問題，下一步就是進行硬件調試，硬件調試的內容主要是檢查電路焊接過程是否存在虛焊或者短路，檢測元件的參數選擇是否正確。本文所用的三種硬件調試方法分別為：目測法、萬用表檢查電路法及上電觀察法目測法。首先用肉眼來觀察所焊接的焊點位置是否有虛焊、漏焊等現象。并且需要注意觀察元器件之間的連接點是否焊接好，二級管的正負極是否接錯，電容的極性是否正確等，注意電源是否接錯，是否有元器件或電源出現短路現象，以免燒壞電路。萬用表檢查電路。將萬用表旋轉到需要測試信息所相對應的檔位，此時根據電路原理和元器件參數規格選擇相應量程，從電源電路先開始進行測試。需要注意檢查的是有沒有出現連接錯誤。3.上電觀察。如果經過1和2過程，還沒有發現明顯的問題，可以對電路通電，檢測各模塊是否正常工作，如果顯示模塊沒有按照設計的邏輯顯示結果，那么需要立刻切斷電源并檢查問題所在。等這些全部調整完畢后就可以進行單片機程序的燒錄，使程序完整的在單片機上體現出來。5.3實物功能展示在程序燒錄之后，就可以給單片機上電觀察各個部件是否正常工作。教室智能照明控制系統實物圖如圖5.2所示。圖5.2教室智能照明控制系統實物圖當所有的顯示都正常時可以開始對各個模塊功能進行檢測，可以看出當剛上電時，系統處于自控控制模式，可以通過開關進行模式切換，通過設置去完成自動控制模式的工作時間。圖5.3為設置自動控制模式工作時間范圍為19時-23時的設置界面。圖5.3設置自動控制模式工作時間對光線探測模塊進行監測，當前測試時間剛好處于夜間，光線強度很明顯的低于設定的閾值，所以黑暗指示燈亮起，如圖5.4所示：圖5.4光線探測模塊測試圖通過實物圖可以看出，計數模塊初始化為0，通過手指模擬人們進出教室，測試紅外對管性能，并通過顯示屏觀察人數統計是否有誤。圖5.5為進行15次進入教室及3次走出教室后的測試圖。圖5.5人數統計及紅外對管檢測圖對各個模塊功能進行測試完畢后，對整個自動系統完整的進行一遍完整測試，結合上述三種情況，當自動控制系統工作時間為19-23時，光強低于閾值且此時教室內有12人，通過圖5.6可以發現有兩盞燈亮起，符合程序設定，實現了設計目標。圖5.6系統功能測試第6章總結與展望本文通過對傳統教室照明控制系統背景的介紹,指出了當前控制方法存在的一些問題，提出了一種基于單片機的教室智能照明系統控制方法。其優點是控制原理簡單，電路組成模塊化，成本低廉。充分考慮多種實際情況，實現了進出人數的計數顯示，定時控制，手動與自動控制相結合等功能，基本完成了教室智能照明系統控制的目的，且本系統可以與傳統的照明電路系統配套使