【本科优秀毕业设计】教室灯光自动控制系统设计与实现

本科生毕业设计（论文）教室灯光自动控制系统设计与实现DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFAUTOMATICCONTROLSYSTEMOFCLASSROOMLIGHTS教室灯光自动控制系统设计与实现摘要本设计通过对教室灯光自动控制方法的研究，分析了教室灯光自动控制的原理和实现方法，提出了教室灯光自动控制系统的设计思路，并在此基础上开发了智能控制系统的硬件装置和相应软件。该设计以AT89C51单片机为控制核心，采用光敏三极管作为探头对环境光线强度进行检测，采用热释电红外传感器检测教室有无人进出；根据此控制系统对环境光信号和人体存在信号的智能判断，以及对教室合理开灯的条件，完成对教室照明回路的自动控制，从而达到节约电能的目的。另外，采用液晶显示器显示教室内的人数，还提供超时报警模块电路，方便管理人员对教室进行管理等等。采用模块化结构设计，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，可以满足各类学校教室灯光控制的要求。关键词AT89C51；热释电红外传感器；自动控制；光敏三极管DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFAUTOMATICCONTROLSYSTEMOFCLASSROOMLIGHTSELECTRICALENGINEERINGANDAUTOMATIONSPECIALTYJIAYANFANGABSTRACTTHEDESIGNANALYZESTHEPRINCIPLEANDREALIZATIONMETHODOFTHECLASSROOMLIGHTAUTOMATICCONTROL,ANDPUTSFORWARDTHECLASSROOMLIGHTINGDESIGNIDEAOFAUTOMATICCONTROLSYSTEM,ANDONTHISBASISTODEVELOPTHEINTELLIGENTCONTROLSYSTEMHARDWAREANDCORRESPONDINGSOFTWARETHROUGHRESEARCHINGONAUTOMATICCONTROLMETHODFORCLASSROOMLIGHTINGTHEDESIGNUSESAT89C51SINGLECHIPMICROCOMPUTERASCONTROLCORE,USINGLIGHTACTIVATEDTRIODEASAPROBETOTESTTHEENVIRONMENTLIGHTINTENSITY,USINGPYROELECTRICINFRAREDSENSORTOTESTTHERESULTTHATIFANYONEINTOOROUTOFTHECLASSROOMACCORDINGTOTHECONTROLSYSTEMSINTELLIGENTJUDGMENTOFTHEENVIRONMENTALLIGHTSIGNALANDTHEHUMANEXISTENCESIGNAL,ASWELLASTOTHECLASSROOMREASONABLECONDITIONS,OPENINGTHELAMPTOCOMPLETEAUTOMATICCONTROLOFTHECLASSROOMLIGHTINGCIRCUIT,SOASTOACHIEVETHEPURPOSEOFSAVINGELECTRICITYINADDITION,THEDESIGNUSESLIQUIDCRYSTALDISPLAYTOSHOWTHENUMBEROFTHECLASSROOM,ANDPROVIDESTIMEOUTALARMMODULECIRCUITTOFACILITATEMANAGEMENTTOTHECLASSROOM,ANDSOONTHEDESIGNADOPTSMODULARSTRUCTUREANDHASADVANTAGESOFSMALLVOLUME,CONVENIENTCONTROL,HIGHRELIABILITY,STRONGSPECIFICITY,REASONABLECOSTPERFORMANCE,ITCANMEETTHEREQUIREMENTSOFCLASSROOMLIGHTINGCONTROLABOUTALLKINDSOFSCHOOLKEYWORDSAT89C51PYROELECTRICINFRAREDSENSORAUTOMATICCONTROLLIGHTACTIVATEDTRIODE目录1引言111本课题研究的目的及意义112本课题研究的内容及技术要求22系统总体设计221系统整体分析222应解决的主要问题33系统硬件设计331系统硬件组成332系统主要硬件电路4321系统主控电路4322系统供电电路6323环境光采集电路6324人体热释电红外传感器电路7325系统时钟电路8326超时报警电路10327系统看门狗电路11328灯控区模拟电路12329LCD显示电路134系统软件设计1341系统主程序设计1342系统子程序设计14421环境光采集模块14422热释电红外传感器模块15423时钟模块15424LCD显示模块16425超时报警模块175系统仿真与调试1751仿真调试方法及注意事项1752系统仿真结果18结束语20参考文献21附录22致谢291引言11本课题研究的目的及意义随着社会进步和科学技术的不断发展，人们的生活水平也在不断提高，导致用电负荷的加剧，人类社会的进步越来越依赖于资源的开发和利用。又由于近几年世界出现的能源危机，以及与日俱增的能源需求，因此，能源缺乏成为世界面临的严重问题，尤其对于我国这样的人口大国来说尤为重要。在寻找替代品、提高能源利用率和节约能源等几种缓解能源危机的途径中，节能无疑是符合可持续发展的要求。教室是高等院校学习和交流的场所，随着教室的扩建，对教室照明的需求也越来越多。同时，高等院校为了便于学生之间进行相互动态的交流，通常都采用分时段开放式自由管理模式，这样对教室照明系统的管理就加大了难度。由于缺乏对应的高效调配管理自动化系统以及有些学生节能观念淡薄，很多教室能源浪费十分严重，通常出现教室只有几个人，甚至无人时灯光还全部亮着，或者在光照强度满足学习要求时，照明系统还处于工作状态，造成了电能的大量浪费。因此，提高教室照明系统效率显得至关重要。目前，对于灯光的智能控制，国内外已经开始使用，但对教室灯光的自动控制却很少采用。随着各类高等院校教学楼的扩建，教室灯光的使用越来越多，同时电能的浪费也越来越多。同时，随着现代自动化程度的不断提高，计算机技术的普及，灯光的控制管理也在朝着自动化、智能化方向发展。因此，开发简便且实用的教室灯光自动控制系统具有非常重要的现实意义1。由于我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，但人均量少，单位产值的能耗是发达国家的310倍，能源问题已成为制约我国经济发展的关键问题。在寻找替代品、提高能源利用率和节约能源等几种缓解能源危机的途径中，节能无疑是符合可持续发展要求且符合可以从身边做起的选择。据统计2005年，我国全社会的总用电量约为24000亿KWH，照明用电量约为3000亿KWH，且每年以13到14的速度递增，预计到2010年，照明用电量将超过5000亿KWH，新增照明用电2000亿KWH。对于高等院校，据测算，其照明耗电占本单位所有耗电的40左右，可见，在保证照明质量的前提下，对教室灯光进行自动控制，其节能效益和经济效益都是相当可观的。中国十二五规划已经将城市绿色照明规划纳入重点，该规划除了强调控制污染和产品回收的问题，还着重强调节能降耗，节能新产品的设计等内容，说明我国已经对照明系统方面的节能十分重视，教室照明系统的研究正逐步发展。目前，我国的照明用电约占世界总用电量的13左右，采用高效照明产品代替传统的低效产品可节电6080。如今，北京正大力推行绿色照明工程，已推出上百万只绿色照明光源和部分节能电器。另外，我国各类院校中，由于同学们的自觉节能意识薄弱，在光线足够强时也开着灯，上完课教室空无一人时灯还亮着的现象普遍存在，而且节能规划极为欠缺，教室的灯光控制完全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。对于国外关于教室灯光的自动控制设计，也有一定的发展和研究。例如，丹麦在能源利用方面很成功，他们不断提供一些节能供热系统，尽可能有效的利用资源，给世界各地对能源的高效利用提供了很好的借鉴；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。种种迹象表明世界各国都在采取不同的方式来节约能源、节约电能。12本课题研究的内容及技术要求本课题包括数据收集模块、显示模块、主控模块。该设计选用光敏三极管作为探头，来对环境光线强弱进行检测。将检测到的光线强度传送给控制核心AT89C51单片机进行处理；用热释电红外传感器来检测教室内有无人进出，通过事前的设定，在显示器上显示教室内的人数，根据教室内的人数决定打开灯的数量。本课题的主要技术要求包括（1）在正常环境下开启检测仪器，若外界光线较强，不管有无人进入教室，都不打开灯光；若外界光线较弱，就根据进入教室人数来选择打开灯的个数。（2）在正常工作状态下，在教室的前门与后门各放置一个热释电红外传感器模块，检测有无人进出教室。（3）能够控制时钟芯片显示系统时间。（4）能够对人数实现加减计数。（5）在LCD显示器上能够显示系统时间和室内人数。（6）教室灯光控制系统一般安装在教室内避开电灯直射的位置，且热释电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系统总体设计21系统整体分析本课题所研究的教室灯光自动控制系统，以环境光线强度和人体存在作为主要输入参数，同时结合对AT89C51单片机的软硬件进行控制，可以实现自动控制室内灯光的开与关。当环境光线充足时，无论有无人，教室灯光均不亮；当环境光线较弱时，根据教室内人数决定打开灯的数量。本课题利用开关K2模拟光敏三极管所采集的光照强度对系统进行控制，当K2按下表示外界环境光很强，灯均不亮，反之就根据人数来开灯；利用按键开关JIN与CHU来模拟热释电红外人体传感器所检测的教室内人数，即JIN按键表示有人进入，CHU按键表示有人出去，通过对进出按键的控制及对单片机的软件编程实现加减计数，并在LCD液晶显示器上显示教室内实有人数，通过事前对单片机的设定来决定自动开灯的数量，当教室内人数为零时自动关灯2。另外，为了防止学生学习时间过长而作息不规律的问题，还设置了时钟电路和超时报警电路，在LCD显示器上显示当前时间，当22点时会报警一次，提醒该休息了，延时20秒后蜂鸣器会自动关闭。本课题研究的教室灯光自动控制系统主要由硬件和软件两部分组成。硬件部分是设计的前提，是整个系统执行的基础，为软件部分提供程序运行的平台。软件部分是对硬件部分所体现的信号加以采集、分析、处理，是实现所希望系统达到预期效果必不可少的一部分。通过硬件与软件配合使用，并结合相应外界可能出现的干扰对其进行消除和改进，最终实现控制系统所希望实现的各项功能的智能照明系统。22应解决的主要问题为实现教室灯光的自动控制需要解决如下关键问题1环境光参数输入采集问题；2热释电红外传感器参数输入采集问题；3LCD显示器的显示问题；4按键模拟问题。3系统硬件设计31系统硬件组成此系统控制单元主要以AT89C51单片机主控模块为核心，其次为由光敏三极管组成的环境光采集电路和由热释电红外传感器组成的人体存在采集电路为数据收集模块，以及由显示器构成的显示模块。还有系统供电电源模块、看门狗模块、I2C总线读写EEPROM存储器模块、时钟电路模块、超时报警模块、灯控区模拟模块等。此系统硬件结构框图如图1所示。此硬件结构电路原理图见附录一所示。AT89C51单片机模块环境光采集模块电源模块热释电红外传感器模块看门狗模块时钟模块EEPROM存储器模块超时报警模块灯控区模拟模块显示模块图1系统硬件结构框图32系统主要硬件电路321系统主控电路此系统主控单元是AT89C51单片机，如图2是其最小单元。图2单片机最小系统模块AT89C51单片机是ATMEL公司的一种曾在我国非常流行的一类单片机3。具有与MCS51产品完全兼容，具有4KB可在系统编程的FLASH内部程序存储器，可擦/写1000次，128KB内部RAM,32根可编程I/O口线，2个16位定时器/计数器，6个中断源，可编程串行UART通道，低功耗空闲模式和掉电模式，有片内振荡器和时钟电路等特点；另外，其指令简单，外围电路及I/O口操作简单，易学易懂，还具有价格便宜，容易购买等优点4。如上图2所示，AT89C51共有40个引脚，其中接5V电源正端的40引脚UCC和接5V电源地端的20引脚USS未显示。单片机P1口是一个内部有上拉的8位准双向I/O口；P2口除了是一个内部有上拉的8位准双向I/O口，当CPU以总线方式访问外部存储器时，P2口输出高8位地址；P3口除了是一个内部有上拉的8位准双向I/O口，还具有第二功能。单片机P0口作为通用I/O口时，由于其内部没有上拉电阻，因此通常要在其外部加一个上拉电阻来提高电流驱动能力，本设计用一个排阻RP1来接单片机所有的P0口。单片机内部有产生振荡信号的放大电路，通过外接晶振等器件构成稳定的自激振荡电路属于内部方式产生的时钟电路，图中电容C5、C6通常取33PF，可稳定频率并对频率有微调作用。AT89C51单片机在启动工作时要先进行复位，其有一复位引脚RST，高电平有效，此处用的是手动复位电路。单片机I/O口与其外围电路接口的分配情况如表1所示。表1I/O口与外围电路的接口分配单片机I/O口引脚外围电路引脚说明P00P07D0D7LCD数据口P10JIN进入教室内人数按钮P11CHU走出教室人数按钮P12D1LED指示灯P13D2LED指示灯P20RSLCD数据/命令选择端P21RWLCD读写选择端P22ELCD读写信号P25RST时钟芯片复位端P26I/O时钟芯片数据端P27SCLK时钟芯片时钟线P32光敏三极管输入端P35超时报警信号输入端322系统供电电路由于单片机的供电电压通常为DC5V,而市电电压为AC220V，因此，要得到直流5V电压，必须进行变压。变压器若选用输出电压为12V的变压器时，整流滤波后输出电压往往大于12V，因此，应选输出电压为9V的变压器。当系统接通220V交流电源后，变压器就将220V交流电变压到9V；再经二极管整流桥进行全波整流，电解电容C1、C2滤波；再经一个三端稳压集成电路LM7805；另外，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，最后得到直流5V电源，用于给主控单元单片机系统及其他外围电路的VCC端供电。其供电电路原理图如图3所示。图3系统供电电路图323环境光采集电路环境光的采集是本设计输入参数之一，基本思想就是将采集到的光信号转换成单片机能够识别的电信号。光敏电阻能够实现将光信号转变成电信号，而光敏三极管还具有放大信号电流的作用，比光敏电阻对光线的检测要高得多；并且光敏三极管的灵敏度要高于光敏二极管，因此，选用光敏三极管来采集环境光。光敏三极管实物图如图4所示。图4光敏三极管光敏三极管与普通半导体三极管一样，是采用半导体制作工艺制成的具有NPN或PNP结构的半导体管。在结构上，它的引出电极通常只有两个，也有三个的。当无光照时，流过光敏三极管的电流就是正常情况下光敏三极管集电极与发射极之间的穿透电流ICEO,它很小，是光敏三极管的暗电流；当有光照射基区时，产生的IB增大，成为光电流IE，而IE的大小随光照强度的增强而增强，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号5。由于本设计是在PROTEUS中仿真，故用按键开关K2模拟光敏三极管。环境光采集模拟电路如图5所示，当环境光强大于一定程度，即相当于按键开关K2闭合时，三极管2N3416基极电压升高，使其饱和导通，其集电极输出低电平；当自然光强小于一定程度，即按键开关K2打开时，三极管2N3416截止，其集电极输出高电平6。图5环境光采集模拟电路324人体热释电红外传感器电路自然界中的物体都会发射红外线，但波长各有不同。热释电红外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。人体辐射的红外线中心波长为910微米，而探测元件的波长灵敏度在0220微米范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为710微米，正好适合于人体红外辐射的探测，同时将灯光、阳光及其他红外辐射滤除，因此热释电红外传感器只对运动的人体敏感。热释电红外传感器有许多优点，例如其本身不发射任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉；夜间也可工作；可以防小动物干扰、抗电磁干扰、抗灯光干扰等。但容易受各种热源、光源干扰；当环境温度和人体温度接近时，探测灵敏度下降，有时会造成短时失灵。目前，人体热释电红外传感器广泛应用于楼道自动开关、防盗报警、自动门、自动水龙头等领域中。使用热释电红外传感器时，应注意避开日光、汽车头灯、白炽灯直接照射，也不能对着如暖气片、加热器等热源或空调，以避免环境温度较大的变化而造成误报；检测器安放必须要牢固，避免因风吹晃动而造成误报；传感器表面不允许用手摸；光学透镜外表面要定期用湿软步或棉花擦净，避免尘土影响灵敏度；安装高度约2M。另外，要特别注意红外人体传感器的安放方向7。本设计考虑到实验条件，只在仿真软件中仿真，所以用按键开关模拟进出教室内的人数。其模块电路如图6所示。图6按键电路325系统时钟电路考虑到实际需要，本设计还应增加对时间的控制，合理安排学生的作息时间，防止学生学习忘记时间，当过了夜间22点时，如果教室还有人就应该提醒相关人员注意休息，因此，设置时钟电路显示时间并设报警电路提醒是有必要的。现在流行的串行时钟芯片很多，如DS1302、DS1307、PCF8485等，这些电路具有接口简单、价格低廉、使用方便而被广泛采用，考虑到多方面因素，还是决定采用目前应用最广泛的DS1302时钟芯片。该芯片是DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的具有涓细电流充电能力的实时时钟电路，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，也可以关闭充电功能8。DS1302可以计时年、月、日、时、分、秒，具有闰年补偿等多种功能，在测量控制系统，特别是长时间无人职守的测控系统中，经常需要记录某些特殊数据及其出现的时间，而传统的数据记录方式是实时采样，只能记录数据而无法准确记录其出现的时间，而采用DS1302能很好的解决这个问题。DS1302的工作电压为25V55V，采用3线接口与CPU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或RAM数据。其内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。其外部引脚定义如图7所示。引脚功能如表2所示。图7DS1302引脚图表2DS1302引脚功能引脚编号引脚名称功能1VCC2主电源2、3X1、X2振荡源，外接32768KHZ4GND地线5RST复位/片选线6I/O串行数据输入/输出端7SCLK串行数据输入端8VCC1后备电源对于复位引脚，通过把RST输入驱动置高电平启动所有数据传送，RST输入RST有两种功能，一是接通控制逻辑允许地址/命令序列送入移位寄存器；二是RST提供了终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许操作DS1302；如果在传送过程中置RST为低电平，那么终止此次数据并且I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在VCC25V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。对于数据I/O端，在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时数据被写入DS1302，数据输入从低位，即0位开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0至高位7。DS1302共有12个寄存器，其中有7个与日历、时钟相关，存放的数据为BCD码。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,其中奇数为读操作，偶数为写操作；另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RAM的31个字节9。DS1302与单片机接口电路如图8所示。如上表所述，VCC2外接系统供电模块的输出稳定电压5V，为DS1302的主要供电电源；VCC1可接36V可充电锂电池，作为DS1302的备用电源，DS1302由VCC1或VCC2两者中较大者供电。当系统正常运行时，VCC2大于VCC1，因此由VCC2给DS1302供电；在主电源关闭的情况下，则由VCC1给DS1302供电，保持时钟的连续运行。本设计主要利用此时钟电路设置系统时间。图8系统时钟电路326超时报警电路为了保证学校学生正常作息，防止教室灯光工作超时，特采用超时报警模块，此模块与时钟模块结合来提醒相关人员注意时间。一般情况下，为保证充分的休息，在夜间22点之前应该关灯，因此，通过对单片机的软件编程及硬件时钟电路的结合，当达到夜间22点时，若教室还有人蜂鸣器就报警提醒。超时报警模块仿真电路如图9所示。图9超时报警电路本设计中单片机P35引脚端口外接一个10K上拉电阻，再经一个100限流电阻与三极管基极相连，若P35为低电平，即系统达到22点时，三极管导通，蜂鸣器响，图中LED指示灯是为了仿真时检测蜂鸣器是否工作；当P35为高电平时，三极管截止，蜂鸣器不工作，教室灯光控制系统正常工作。327系统看门狗电路由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场等因素的干扰，造成程序的跑飞而陷入死循环，使程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法正常继续工作，会造成整个系统陷入停滞状态，发生不可预料的后果，所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，应引入一种专门用于监测单片机程序运行状态的看门狗电路。看门狗电路就是一个定时计数器，如果程序由于外界干扰等原因而进入死循环，定时计数值达最大时就会把单片机复位。X5045是在单片机系统中应用最广泛的一种看门狗芯片，他把上电复位、看门狗定时器、电压监控和EEPROM四种常用功能集成在单个芯片里，以降低系统成本、节约电路空间。其看门狗定时器和电源电压监控功能可对系统起到保护作用；EEPROM是电可擦可编程只读存储器，即一种掉电后数据不丢失的存储芯片，可存储单片机系统的重要数据。X5045引脚图如图10所示。图10X5045引脚图X5045状态寄存器位如表3所示。表3X5045状态寄存器位D7D6D5D4D3D2D1D0XXWD1WD0BL1BL0WELWIP其中低2位的WEL,WIP表示芯片锁存器和写数据的忙闲状态；块保护BL1,BL0表示内部数据存储器的保护范围，一旦设置了保护位，则被保护的数据段只允许读不允许写；本设计用到的是看门狗定时器周期设置位WD1，WD0可以由用户通过编程自行设定看门狗的溢出时间，其设置如表4所示。看门狗定时时间可根据具体应用程序的循环而定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间稍长。表4看门狗超时周期WD1WD0看门狗超时时间0014S01600MS10200MS11禁止本设计看门狗电路与单片机硬件连接图如图11所示。图11看门狗电路328灯控区模拟电路本设计由于不是实际操作，因此，采用两个LED指示灯D1和D2模拟。当环境光强度很大时，D1和D2均不亮；当环境光强弱时，人数少时只有D1灯亮，人数多到一定程度时D1、D2全亮。灯控区模拟电路如图12所示。图12灯控区模拟电路329LCD显示电路本设计采用LCD液晶显示器显示所需数据，其电路图模块如图13所示。LCD显示器所采用的是LM016L是PROTEUS中的一个2行16列字符液晶显示器件。单片机的P0口接LCD的数据口D0D7，并且单片机的P0口需外接上拉电阻以增加P0口的驱动能力，如果去掉上拉电阻，LM016L将不显示；P20P22分别接LCD的控制端RS、RW和E。D0D7既传送数据又传送命令，当传送命令时，应同时使RS为0；当传送数据时，应同时使RS为1。RW是读写控制端，当RW0时，由单片机向LM016L发送命令或数据；当RW1时，由单片机从LM016L读取命令或数据。E为LM016L工作的使能端10。图13显示电路模块电路图4系统软件设计41系统主程序设计此系统的软件设计主要包括环境光采集模块设计、红外传感器模块设计、时钟模块设计以及LCD显示模块设计，而环境光采集模块和红外模块是通过键盘来模拟的。液晶显示屏上会显示系统时间TIM和教室内人数NUM,教室灯光就根据环境光强弱和教室内人数来自动开闭。当环境光线强时，灯均不亮；当环境光线弱且教室内人数小于10时，亮一半灯；当环境光线弱且教室内人数大于10时，灯全部亮。另外，当系统显示时间到22点整时，蜂鸣器就会报警一次，延时20S后自动关闭。系统主程序流程图如图14所示。系统软件C语言程序见附录11。开始系统初始化环境光强度人数检测显示器NUM减1显示器NUM加1时钟显示TIM220000蜂鸣器报警20SNUM0有人出有人进全不亮NUM10一半亮全亮强弱YYYYYNNNN图14系统主程序流程图42系统子程序设计421环境光采集模块本设计利用按钮开关K2模拟光敏三极管，当K2按下，P32被拉为低电平，表示环境光很强，此时灯都不亮；当K2松开，表示环境光变弱，此时灯亮。环境光模块流程图如图15所示。开始系统初始化环境光强度强弱灯均不亮亮灯图15环境光采集模块流程图422热释电红外传感器模块本设计利用按钮开关JIN、CHU模拟红外传感器检测室内人数，外界环境光较弱时，当人数在十人以下时亮一个灯，人数在十人以上时亮两个灯。其程序流程图如图16所示。开始系统初始化人数NUM0全不亮一半亮全亮YYNN人数NUM10图16红外传感器检测模块流程图423时钟模块本设计采用DS1302芯片控制，主要实现时分秒的显示。注意在读DS1302时，读出的数据为BCD码，同样，在进行写操作时，写入的数据也必须为BCD码，因此，在数据写入之前、读出之后要进行必要的数据进制之间的转换，以便与系统其他数据比较时相对应。本设计中因显示的数据为十进制，故在程序设计时要将十六进制转换为十进制数12。时钟模块程序流程图如图17所示13。开始系统初始化写DS1302地址数据数据暂存待显示读DS1302地址数据图17时钟模块流程图424LCD显示模块本设计主要实现的功能是显示系统时间TIM和室内人数NUM。时间TIM主要通过时钟芯片DS1302来控制，本设计主要显示时分秒；人数NUM主要通过模拟传感器的按钮来实现加减人数。LCD显示模块程序流程图如图18所示。开始系统初始化启动检测YN显示时间TIM和人数NUM图18LCD显示模块流程图425超时报警模块本设计为了更好地实现自动控制，特设超时报警电路，当系统达到夜间休息时间220000时，蜂鸣器自动报警，延时20S后自动关闭。超时报警模块程序流程图如图19所示。开始系统初始化TIM220000YN蜂鸣器响20S蜂鸣器不响图19超时报警模块流程图5系统仿真与调试51仿真调试方法及注意事项当系统硬件与软件设计完成后，要检验此设计的正确性以及所存在的问题，就需要对系统进行仿真与调试。由于此系统是模拟系统，所以，只需在PROTEUS软件中进行仿真。首先在PROTEUS软件中调出所搭建的硬件电路图，再次检查电路连接是否合理，然后在KEIL软件中编写实现系统所需功能的C语言程序，并创建“HEX”文件，将其下载至AT89C51单片机中，运行此系统，检查是否达到了所希望的目的14。经过多次尝试与修改硬件和软件部分，最终实现设计的要求。在使用此系统仿真时，注意应少用分立的元器件；尽量把电阻设置成数字模式，而不是模拟模式占用CPU资源；单片机的5V电源可以直接从库里调用，而不用独自创建电源模块；另外，在选取仿真元件时要选取具有仿真模型的元件。当系统首次调试达不到预期效果时，需耐心、仔细检查所有可能出问题的地方，查找故障源，反复修改软硬件，找出所有问题并全部解决之后才能保证整个系统的正常运行。52系统仿真结果本设计主要实现时分秒的显示、室内人数的统计并显示、超时报警以及结合人数和环境光强来亮灯的目标。当环境光强时，即按键K2按下时，无论室内人数为多少，灯均不亮，在PROTEUS中仿真结果如图20所示。图20环境光强时当环境光弱时，即按键K2未按下时，室内人数在10人以下时有一半灯亮，即只有D2灯亮，在PROTEUS中仿真结果如图21所示。图21环境光弱且人数在10人以下时当环境光弱时，即按键K2未按下时，室内人数在10人以上时灯全亮，即D1和D2灯都亮，在PROTEUS中仿真结果如图22所示。图22环境光弱且人数在10人以上时当系统时间达到220000时，蜂鸣器报警，20S后自动关闭，仿真时用D3测试蜂鸣器是否工作，在PROTEUS中仿真结果如图23所示。图23系统达到22点时结束语本设计通过对教室灯光自动控制系统的研究，以环境光信号和人体存在信号为主要输入参数，并与单片机结合，达到自动控制教室灯光的效果，此外，系统还设有看门狗模块和EEPROM模块，可以实现对单片机的保护和防止数据的丢失；电源模块给系统提供了稳定的5V电压，保证此系统安全可靠地工作；设置时钟模块与显示模块是为了清晰的显示时间与教室内实际人数，报警模块的设置是为了提醒相关人员注意时间，从而保证系统的自动控制符合学校的正常作息。此教室灯光自动控制系统具有硬件电路简单、工作安全可靠且稳定、成本相对较低，非常适合各类大中型高校，具有很广泛的应用前景。当然，对于此系统还有很大的空间待研究，同时，对此系统稍加改动也可应用到许多其他的领域，其市场潜力还是无穷的。本设计中也存在着一些问题需要考虑，例如，人体热释电红外传感器受面积的影响很大，当教室面积很大时就应该考虑多安装几个这样的传感器，并且安装位置也要综合考虑多方面外界因素，防止受外界影响造成采集的信号不准确；另外，热释电红外传感器只对运动的人体采集信号，当人处于静止时不输出信号，也会造成误动作，因此，热释电人体存在传感器装置应安装成在系统运行过程中能自由摆动为宜；本设计还未设置强制关灯按钮，当教室符合自动开灯条件时，而希望关灯却无法实现，因此，还应设置一个强制关灯按钮。此设计还没考虑当几人并排进出时的因素，这样会造成人数显示失误，使此系统自动控制出错。当然还有许多因素没有考虑完整，需要进一步研究与改善。参考文献1周燕,覃如贤教室灯光智能控制系统J西南科技大学学报,2005,1045562桂要生基于红外技术的智能照明控制系统设计J计算机与数学工程,2009,202334673彭江单片机原理及接口技术的开发J软件导刊,2011,12866704HANJIANGUOFOUNDATIONANDAPPLICATIONOFMICROCONTROLLERMBEIJINGHIGHEREDUCATIONPRESS,200450555林洪春硅基大倍数红外光敏三极管的研制D辽宁大学硕士论文,20116华成英,童诗白模拟电子技术基础M北京高等教育出版社,20017李健热释电红外传感器原理及应用J传感器世界,2005,152452698宋戈51单片机应用开发范例大全M北京人民邮电出版社,20102092239朱清慧PROTEUS显示控制系统设计与实例M北京清华大学出版社,201110612310ZHOUYIHENG,YANJIAMINGPRINCIPLEANDPROJECTOFLIQUIDCRYSTALDISPLAYBASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTERJMECHANICAL/UCHARMIAO,FEN,SHIUCHARNUMBERSBITS1P10SBITS2P11SBITS3P12SBITRSP20SBITRWP21SBITENP22SBITRSTP25SBITCLKP27SBITIOP26SBITRINGP35SBITLED0P12SBITLED1P13SBITACC0ACC0SBITACC7ACC7VOIDDELAYUINTKUINTI,JFORIKI0IFORJ110J0JVOIDDELAY1/液晶显示/VOIDWRITE_1602DATEUCHARDATERS1DELAY5RW0DELAY5EN1P0DATEDELAY5EN0VOIDWRITE_1602COMUCHARADDRS0DELAY5RW0DELAY5EN1P0ADDDELAY5EN0VOIDINIT_1602WRITE_1602COM0X38WRITE_1602COM0X0C/开显示，不显示光标，光标不闪烁WRITE_1602COM0X04/读或写一个字符地址指针不加一，不移屏WRITE_1602COM0X01/清屏WRITE_1602COM0X80/WRITE_1602COM0X85/WRITE_1602DATE0X2D/WRITE_1602COM0X88/WRITE_1602DATE0X2DWRITE_1602COM0X801WRITE_1602DATETWRITE_1602COM0X802WRITE_1602DATEIWRITE_1602COM0X803WRITE_1602DATEMWRITE_1602COM0X807WRITE_1602DATE0X3AWRITE_1602COM0X8010WRITE_1602DATE0X3AWRITE_1602COM0X800X401WRITE_1602DATENWRITE_1602DATEUWRITE_1602DATEM/1302程序/DS1302写入程序/VOIDWRITE_1302UCHARADDR,UCHARDATUCHARIRST0CLK0RST1/发送地址FORI0I1CLK1/发数据FORI0I1CLK1RST0/DS1302读出