基于单片机的教室节能控制系统设计分析研究 电子信息工程管理专业

基于单片机的教室节能控制系统设计摘要:能源短缺问题仍是现阶段中国和世界面临的问题。节约能源是我们需要解决的紧迫问题。随着国民经济的快速发展和社会的进步，高校的规模也在不断扩大。由于我国高校的大部分节能管理工作仍采用传统方式，能源浪费现象仍然普遍存在。作为能源消耗的主要目标，电能可以形成一种简单有效的节能方案，必将为节能工作带来很大的帮助。本设计以教学楼教学楼照明系统功耗高，易造成浪费为主要研究内容，结合当前国内外成熟的智能照明技术，设计出适合大学教学的一套建筑物的智能照明控制系统。在智能照明控制系统的总体设计中，主要结合我国高校课堂照明控制的现状，形成了设计的整体设计方向，包括智能照明控制器的设计，主机系统的设计，通信系统的设计和LED照明系统的设计决定了可以通过系统实现的功能，使用神经网络算法来模拟最佳的灯具安装。关键词:照明；智能控制，感应DesignofclassroomEnergySavingControlsystembasedonsingleChipMicrocomputerAbstract:EnergyshortageisstillaproblemfacingChinaandtheworldatthisstage.Savingenergyisanurgentproblemweneedtosolve.Withtherapiddevelopmentofnationaleconomyandsocialprogress,thescaleofuniversitiesisalsoexpanding.Becausemostoftheenergy-savingmanagementinCollegesanduniversitiesinourcountrystilladoptsthetraditionalway,thephenomenonofenergywasteisstillwidespread.Asthemaingoalofenergyconsumption,electricenergycanformasimpleandeffectiveenergy-savingscheme,whichwillcertainlybringgreathelptoenergy-savingwork.Themainresearchcontentofthisdesignisthatthelightingsystemofteachingbuildingishighpowerconsumptionandeasytocausewaste.Combiningwiththematureintelligentlightingtechnologyathomeandabroad,anintelligentlightingcontrolsystemsuitableforuniversityteachingisdesigned.Intheoveralldesignoftheintelligentlightingcontrolsystem,theoveralldesigndirectionofthesystemisformedmainlybasedonthecurrentsituationofclassroomlightingcontrolinCollegesanduniversitiesinChina,includingthedesignoftheintelligentlightingcontroller,thedesignofthehostsystem,thedesignofthecommunicationsystemandthedesignoftheLEDlightingsystem,whichdeterminethefunctionsthatcanberealizedthroughthesystem,andusetheneuralnetworkalgorithmtosimulatethebestlightingsafety.Install.keyword:Lighting;IntelligentControl,Induction目录TOC\o"1-3"\h\u第1章引言 11.1本课题的背景及意义 11.2国内外研究现状21.3智能照明控制系统发展概述 31.4本课题主要研究的内容 4第2章智能照明控制系统的总体设计 52.1现阶段高校教室照明控制现状 52.2主要元器件介绍 62.3系统总体设计方案 8第3章智能照明控制系统硬件设计 103.1智能照明控制系统控制器设计 103.1.1AT89S52单片机简介113.1.2引脚功能 113.1.3存储器组织 113.2AT89S52单片机最小系统设计 133.3数据采集单元的设计 143.3.1照度探测模块电路143.3.2人体红外探测模块电路 163.3.3传感器的布置 183.4通信模块的设计 203.4.1电力线载波通信技术203.4.2电力线载波模块的选择203.5继电器模块的设计21第4章下/上位机程序设计 244.1下位机程序设计224.1.1系统工作流程设计224.1.2下位机主程序设计244.2数据采集设计的实现254.2.1逻辑关系254.2.2照度探测模块264.2.3人体红外探测模块284.3上位机管理系统的通讯实现30结论32参考文献34致谢35第1章引言1.1本课题的背景及意义背景：随着计算机网络的发展，控制技术、智能建筑的发展越来越迅速。目前，国内大多数智能建筑存在效率低下的现象，高能源消耗。智能建筑的照明系统，通常许多地方的灯打开是从早到晚的，无论在房间里还是在走廊里有人，无论有多少人。或者，当自然光线很好时，灯不关闭，相反，在自然光线很难满足人们的需求时，又不能及时打开灯。这种照明方式,不仅浪费能源，还不能满足人们对照明的基本要求，也会对人的视力造成很大影响。

如今，各种高校不断扩招学生，扩大教室教室里的电力负荷增加，电源管理不当，造成学校的电力浪费，这种经济损失、浪这笔费用与今天的节能理念背道而驰。此外，现代自动化程度不断提升，计算机技术不断普及，光学管理更加自动化，智能化也在不断发展。所有这些使教室照明控制也朝着智能的方向发展。开发这种简单，方便实用的教室照明自动控制系统具有重要的现实意义。一些学校也意识到教室照明的巨大浪费，采取各种管理方法，试图杜绝这种浪费。如:成本和支出，课堂上教师责任制，组织勤工助学学生或雇用专业人员进行专业管理电力等等。许多学校已经采取这些方法，但始终没能坚持很长一段时间，

没有达到理想的效果。由于管理不善等问题就会影响教学资源的配置和合理利用等等。意义：能量是我们人类生存的基础。目前，能源短缺仍是中国和世界最头疼的问题。除了寻找新的能源，节约能源和提高能源效率已成为我们正在努力解决的任务。近年来,中国的经济实力得到了明显提升，社会文明程度也在日益提高。这与教育的发展密不可分，教育在全社会的关注度达到了前所未有的地位。随之而来的是教育规模的扩大和受过教育的人数，特别是在高等教育机构中，承担着为祖国培养栋梁之才、孕育科研成果的重任,全社会都在关注。高校不仅规模大，而且人口众多，人员分布相对分散。由于中国大多数大学仍然采用传统的管理方法，能源浪费仍然很普遍。据分析，中国一年大多数大学的水电费用可以达到学校全部支出的百分之二十左右,特别是电能消耗，总能源消耗比例不断增加，照明系统可占总电能消耗的50％以上。与中小学不同，教学时间和日程相对不规律，并有大量的自习室。基本上，每个教室都不能保证人们整天都在里面。教室的照明在一天中的任何时候都是不同的，所以灯具不能及时关掉导致的能量浪费现象，甚至“长光”现象仍然大面积存在。如今，大多数高校都采用了多媒体教学方法。他们使用投影仪来播放幻灯片而不是传统的黑板教学。这时，他们需要拉起窗帘才能打开灯具。大多数学院和大学是第一批上午上课的学生。打开后，没人想到下课后关灯，直到大楼的关闭被值班人员关闭。这种能源浪费不仅给高等学校的办学带来了沉重的负荷，而且对全社会“节能减排”公益活动的发展产生了不利影响。因此，如何有效节约能源已成为高校努力解决的问题。作为能源消耗的主要目标，电能直接浪费。如果能够设计出简单有效的照明节能方案，必将为节能工作带来很大帮助。目前，人们节约用电的手段比较简单，主要是通过人们手动控制，增加语音控制，光感控制和更换新能源设备（如太阳能）。手动控制方法更耗时，劳动强度大，增加了人员费用，节能的经济效益也相对较低。声控和光控灯具的错误率相对来说比较高，这极大地影响了用户的舒适度。新能源设备的前期投资相对较大，还会受环境和气候的影响。因此，有必要设计一种满足用户舒适度要求，经济实用的智能照明节能系统，以便在高校中得到广泛推广。1.2国内外研究现状。1.2国内外研究现状目前，国内照明大力采用高效照明产品代替传统低效率照明产品实现节能，大力推行绿色照明工程，大量运用节能技术，不断推出绿色光源和节能电器，采用大量的节能灯具，装备新技术，尤其以LED绿色照明的转型得到了国家的大力推动。

在这个阶段，世界各国正在采用不同的方式来节约能源和节约能源。LUMA

公司推出的LEP等离子体灯替换传统照明，节能效果能达到50%，一

利浦照明公司和0SRAM公司也都在大力研究LED照明，芯片光效由以前的1001m/W提升到1501m/W,

丹麦住房建设对节能有很高要求，支付节能设备的居民比没有节能住房的居民高出8％。简单的光源节能加有效的智能照明控制会让节能的空间大力提升，研究智能照明控制系统是是现在的发展趋势，综合了照明、自动化、计算机、电力电子化和互联网+的结合等，通过充分利用自然环光来减少人工照明带来的能源消耗，真正实现情景化、自动化、人性化的智能照明技术。常见的照明控制系统包括飞利浦下的BonziDynalite智能照明控制系统，主要由调光模块，开关模块，控制面板，液晶显示触摸屏，智能传感器，编程插座，时钟管理器，手持编程器和PC监控组成。使用DyNet网络连接，DyNet

是一种使用RS-485通信协议的分布式智能网络。C-Bus智能照明控制系统主要由施耐德使用。C-Bus系统是一种双线总线型智能控制系统。所有单元设备（电源除外）都有内置微处理器和存储器。该单元通过一对信号线（双绞线）连接到网络。每个单元设置有唯一的单元地址，其功能由软件设置，每个环路负载由输出单元控制。输入单元通过群组地址就可以和输出组建立相对应的连接。当有输入时，输入单元将其转换为在C-Bus系统总线上广播的C-Bus信号。所有输出单元接收并决定控制相应的环路输出。快思聪基于ABB

i-Bus

EIB

智能安装系统，EIB智能系统由总线、总线电源、智能传感器(光线传感器、模糊开关、时间控制器、可移动性传感器)等组成。每个组件都是一个节点，连接到2芯双绞线介质的总线，无论主从关系如何，都能实现控制和控制。1.3智能照明控制系统发展概述智能照明控制系统于20世纪90年代引入中国。一开始，由于人们的消费意识和价格因素的影响，发展速度缓慢。直到21世纪，随着中国经济的快速发展和“节能减排”工作的紧急需要，智能照明控制系统的研究和利用开始增长。2015年3月8日，中国住房和城乡建设部发布了新修订的“智能建筑设计标准”（GB50314-2015）[1]，再次定义了智能建筑，并明确了智能建筑设计高校的标准和要求。智能照明控制系统是组成智能建筑的重要要素。随着智能建筑的快速发展，照明系统不再仅仅为人们带来光明，而是朝着舒适和节能的方向发展。特别是节能，是智能照明控制系统的最为突出的一点，肩负着建设节约型社会的重任，为国家可持续发展做出表率。目前，中国的主要发电形式仍然是火力发电，尤其是在北方。如果我们能够大力发展智能照明控制系统，降低能耗，从而减少煤耗，那么改善空气质量和减少烟雾也是不寻常的意义。这几年，随着计算机技术和自动控制技术、网络通信技术和微电子技术的不断进步，智能照明控制系统的发展也在不断深化。随着不同的环境，用户可以使用智能照明控制系统根据实际情况做出不同的设定。将会自动采集系统收集环境信息，并通过系统逻辑分析和推断信息，形成一种信号去反馈处理，从而实现最佳的照明控制效果。

1.4本课题主要研究的内容本设计以教学楼的教学照明系统功耗高，易造成浪费为主要研究内容。在总结中国高校照明系统现状的前提下，研究了国内外现如今存在的智能照明技术。并相关材料表示，力争设计一套适合我国高校教室的智能照明控制系统，通过该系统可以有效实现智能化管理和节能的目的。本设计主要包括以下几个方面：（1）教室智能照明控制系统的总体设计。通过查阅相关数据，结合我国高校课堂照明系统的现状，总结了节能措施的不足和短处，提出了该设计的总体设计方案，包括设计和组成。通过用LED灯替换原来的荧光灯，主计算机系统的设计和通信模块的设计进一步提高了节能效果。以此为基础，写出了本设计中要实现的功能以及智能控制过程。神经网络算法用于模拟和仿真。不仅满足照明要求，还能计算出最佳灯具照明方案。（2）室内智能照明控制系统的硬件设计为了达到本设计的目的和实际需要，应该选择系统所需的硬件设备，主要包含智能照明控制系统控制器、数据采集单元的选择、复位电路和时钟电路和最小系统的设计，单片机的选择。照度探测模块和人体红外探测模块，以及通信模块的选择和设计、继电器模块的设计也是具备的。（3）课堂智能照明控制系统的程序设计。为了确保下位机的硬件部分能够完全发挥其作用和功能，应根据设计要求进行相应的控制程序设计。系统工作流程设计和智能控制器的主程序设计，数据采集设计包括逻辑关系设计，照度检测模块编程和人体红外检测模块编程，都是下位机程序设计组成成分。（4）PC系统管理系统设计。对于管理员最终需要在上位机进行智能控制，需要随时了解课堂的实际情况，结合智能控制系统的总体设计思路，由管理员设计的系统发布上位机上的命令，包括管理系统通信实现，管理系统接口设计和通信程序设计。第2章智能照明控制系统的总体设计2.1现阶段高校教室照明控制现状现阶段多数高校都已经意识到了照明节能的重要性，在照明系统上也都采取了一定的节能措施，主要包含以下几种：传统的人工控制方式。仍有不少高校仍在采用手动控制照明。节约能源只能通过组织一些勤工俭学的学生定期检查和关闭不必要的灯光来实现。一般来说，直到教学楼关闭，值班人员才能关闭电源。这种最原始的节能方式，效果不明显，使用的人力也比较大。（2）根据时间段进行控制。通过学生作息时间表的内容，时间开关可以预设自动切换灯的时间，可以大大减少长亮光的现象。但是，这种方法无法判断房间内是否有人和光照效果，即需要在白天照明时手动开灯，室内无人灯在夜间仍然亮，节能效果显然是不够完善。（3）根据教室内人数自动控制。通过这种方式，在教室的入口处安装了许多交通计数器，并且人数根据房间中的人数自动打开和关闭。这样，理论上可以自动关闭房屋内的灯，但稳定性需要增强，例如大量人员进出会计数不准确，灯泡意外打开和关闭。虽然上述方法可以有效节省能源，但都有各自的弊端，节能效果并不十分显著，所以，高校非常需要这样一种安装成本上、节能效果和稳定性上都好的智能照明控制系统。2.2主要元器件介绍光敏电阻

(1)光电检测器件的选择当前，光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电池等器件在光电检测技术中常用到，选择光照传感器可根据表①来比较选择。

表①光电器件特性比较器件光谱响应灵敏度线性度伏安特性电特性输出电流噪声特性光敏电阻可见光至红外高差电阻型大低光电池可见光至红外低一般光伏型最大低光电二极管可见光至红外一般好光伏型和饱和型小高光电三极管可见光至近红外高差饱和型大高与其他光电检测装置相比，光敏电阻具有以下特性:

a)高灵敏度和大于1的光电导增益。b)很大的工作电流，能够达到数毫安。

c)测量的光强度范围的宽度，其可以检测强光和弱光。选择光敏电阻是最好的。（2）工作原理—光敏电阻光敏电阻的工作原理:在对两极施加一定电压后，光照射在光电导体上时候，由照射产生的光生载流子在施加的电场作用下沿一定方向移动。在电路中产生电流以实现光电转换的目的。光敏电阻器是使用内部光电效应从半导体材料操作的光电器件。在光的效果下，它的阻力通常很小。这种状况被称为光导效应。即光敏电阻也称为光管。单片机AT89S52微处理器（运算部件）微处理器（运算部件）控制部件B数据存储器RAMP0口P2口程序存储器特殊功能寄存器（SFR）P1口串行口定时/计数器P3口中断系统EAALEPSENXTAL1PSENXTAL1EPROM/ROMVccVss88882.3系统总体设计方案由于高校教室的使用和使用在一天中的任何时候都不确定，并且照明需要相对恒定，因此设计的照明系统应具有自动工作功能并尽可能无人值守。设计出的系统不仅要能够适用于大多数的高校而且还需便于使用。管理者可以根据系统设置的不同工作状态根据不同的工作周期进行切换。每种工作模式都充分考虑了自然光系数，并使照度值尽可能保持恒定。使用自然光来节省能源。广义智能照明控制系统可分为两部分：上位机系统和下位机系统。这两部分根据特定的通信协议来通信和控制灯。在该设计中，下位机主要由单片机和多个检测模块组成。下位机根据设计位置布置在每个教室中，可以实时检测和监控教室人员的情况和照度。管理员可以随时了解教室中的情况，因为电力线载波模块可以将下位机检测到的数据实时上传到上位机。在全自动模式下，系统将根据设定的临界值判断是否开灯。管理员需要执行上位机来执行命令。上位机也是整个智能控制系统的核心。由于大学的教学具有相对规律性，可以根据工作时间设计几种固定的工作模式。管理员可以根据实际情况释放机器工作指令，下位机会通过指令进入对应的工作模式，从而实现智能控制过程。在这种智能控制中，上位机是通过电力线载波模块与下位机通信，显示每个教室的人员情况和照度，控制下位机的工作模式和手动更改教室中的照明状态来实现需要实现的主要功能的。除此之外，以下功能是下位机还应实现的：一是通过人体红外探测模块检测课堂人员的情况;另一种是通过照度检测模块检测教室的光照强度;三是通过电力线载波模块实现上位机与下位机通信并执行上位机发出的指令。给上位机，在全自动模式下，系统会按照设定好的临界值来判断是否系统总体结构图如图②所示。N个下机位N个下机位电力线载波模块单片机下机位1电力线载波模块单片机下机位2电力线载波模块单片机下机位n电力线载波模块上机位电力线电力线系统总体结构图②智能照明控制系统有三种控制模式：班级模式，自动模式和强制模式，三种模式可以随时切换。在强制模式的时候，每个教室的照明系统管理员可以手动控制，并选择强制打开或强制关闭教室照明。即使面对突发情况，该模式也能满足用户和管理者的特殊要求;在白天，自然照度充足，教室的利用率相对较高。在这种模式下，每个教室的灯将首先处于关闭状态。在下位机照度检测模块检测到室内照度显示不足时，人体红外线检测模块才会检测到房间内有人，教室里的灯会亮;自学模式大多应用于晚上，此时，课堂的主要目的是供学生自学，如果学生不能集中，课堂的能源就会使用率低，导致浪费能源。在这种模式下，系统将从楼梯打开每层楼下一个教室的灯具，剩下的将被关闭。教室将根据优先级设置，优先级高有人在教室的情况下，才能打开下一级教室的探测器，如果检测到人，则打开灯。往后以此类推。第3章智能照明控制系统硬件设计3.1智能照明控制系统控制器设计3.1.1AT89S52单片机简介AT89S52MCU是一种功耗低，性能强的8位MCU。芯片中的ROM采用FLASHROM技术。闪存的大小为8K，可以编程。AT89S52MCU采用Atmel公司在制造业中的高密度和非易失性存储技术。它在兼容性方面与MCS-51系列MCU的引脚和指令兼容。在单芯片方面，AT89S52微控制器具有灵活的8位CPU和可在系统中编程的闪存，可用于各种嵌入式控制系统。AT89S52MCU可以选择进入省电模式。该软件可以将频率降低到0Hz。在空闲模式下，CPU可以停止，但RAM，计数器，定时器和串行端口可以继续运行。当处于掉电保护模式的时候，RAM内部数据将被密封，振荡器将冻结，微控制器将暂停所有操作，除非接收到下一个中断或者硬件复位信号才结束。AT89S52单片机实物图如图3-1所示。3.1.2引脚功能AT89S52单片机具有4个8位并行的I/O口，总共32根I/O线，每条线I/O线都可用作输出或输入。RST复位输入端、ALE/PROG地址锁存允许信号、PSEN程序存储器允许信号、EA/VPP外部存取允许信号、XTAL1振荡器的反相放大器输入以及XTAL2振荡器的反相放大器输出都属于单片机的引脚。AT89S52单片机引脚图如图3-2所示，引脚功能说明如表3-1所示，P3口的第二功能如表3-2所示。表3-1AT89S52单片机引脚功能说明表3-2AT89S52单片机P3端口的第二功能3.1.3存储器组织AtmelFlash单片机都将数据存储器和程序存储器分别设置了存储位置并设置不同的逻辑空间，这样不仅可以使用8位地址访问数据存储器，还可以使用8位CPU的处理速度和存储速度]。但是，数据指针（DPTR）寄存器可用于生成16位数据存储器地址。89系列微控制器可以处理总共64KB的程序存储器，物理和逻辑上分为两个地址空间，一个内部数据和外部数据存储空间。（1）单片机（程序存储器89系列），可寻址的内部、外部程序存储器总空间为64KB，每个外部程序和数据存储器的可寻址范围高达64KB，它不使用程序存储器分区的方法，64KB的地址空间是统一，当EA引脚接低电平时，单片机将会在外部程序存储器中取指。（2）单片机（数据存储器89系列）的指令系统包括了许多位操作指令，这些位操作指令可直接寻址128位。可通过直接寻址方式访问或者通过间接寻址方式访问低128字节区中的所有单元，但是只能通过间接寻址方式来访问高128字节区。高128字节区只能在具有256字节RAM的单片机中才有。特殊功能寄存器(SFR)区包括端口锁存器（P0/P1/P2/P3）、程序状态字（PSW）、定时/计数器方式控制（TMOD）、定时/计数器控制（TCON）、定时/计数器（THx/TLx）、累加器（ACC/B）、栈指针（SP），和其他控制寄存器等，特殊寄存器只能通过直接寻址方式访问。AT89S52单片机内部结构如图3-3所示。微处理器（运算部件）控制部件微处理器（运算部件）控制部件B数据存储器RAMP0口P2口程序存储器特殊功能寄存器（SFR）P1口串行口定时/计数器P3口中断系统EAALEPSENXTAL1PSENXTAL1EPROM/ROMVccVss88883.2AT89S52单片机最小系统的设计单片机最小系统是指允许单片机以最少的器件使之运行的电路系统。通常，它应包括单片机的主芯片、电源电路、时钟电路、复位电路和I/0端口的负载电路等。不同型号的单片机，它供电范围也是不同的。两种最常用的电源电压是5V和3.3V。因为AT89S52单片机的供电范围是4V至5.5V，因此该设计电源采用直流5V的供电方式。稳压芯片选用更受欢迎的7805三端式稳压器，只需要一个简单的电路即可提供一个5V的直流稳压电源。将VCC（40脚）连接到+5V的电源端，使用VSS(20脚）与地端相连，并使用EA/VP（31脚）接+5V。AT89S52单片机的最小系统如图3-4所示，单片机复位电路原理图如图3-5所示，单片机时钟电路原理图如图3-6所示。图3-5单片机复位电路原理图图3-6单片机时钟电路原理图图3-5单片机复位电路原理图图3-6单片机时钟电路原理图3.3数据采集单元的设计3.3.1照度探测模块电路（1）光照度的定义及影响光照度，指在单位时间内经过单位面积的光通量，其反映物体表面被照射的程度。光通量是指在单位时间里经过单位面积的可见光的数量，光通量的单位是流明（lm），如果发光物体的光通量越大，照射物体发出的光就越强。光照度就是物体表面上的点处的光通量除以面积的比率。光照度符号是E(Ev)，单位是勒克斯(lx,即lm/m2)。数学表达式为E=φ/A，其中φ是光通量，A是照射区域。随着人类生活质量的提高，对光的需求不再“光明”，而是努力实现舒适的照明和健康的照明。照明对人们的学习和生活有着非常重要的影响，特别是在人口较稠密的地方，如学校教室。没有适当的照度，学生不仅会使用眼睛疲劳，影响视力，甚至会影响学生情绪降低了学习效率。智能照明控制系统的研究和设计的基本目标是合理地节省能源。因此，在保证照度的前提下，应通过智能控制最大化自然光源，以确保照明系统的能耗。本设计中的照度值设置应严格参照新修订的国家建筑照明标准（GB50034-2013），该标准对学校建筑照明具有以下要求：（2）光照度传感器的选用TSL256x是美国光学传感技术制造商TexasAdvancedOptoelectronicSolutions（TAOS）生产的光传感器芯片。它具有低功耗，高速度，宽检测范围，灵活的编程和配置以及可变的照明条件。该芯片可广泛用于各种类型的光照度监控，使光源尽可能地降低输出最佳亮度。在此次设计中选择的是TSL256x系列中的TSL2561芯片。该芯片仅为1.25mm×1.75mm，它具有I2C接口的光数字转换器能够将光照强度转换为数字信号后输出它符合标准I2C，总线协议自动抑制照明波动，在低功耗模式下仅为0.75mW。TSL2561物理图如图3-7所示，内部结构图如图3-8所示。TSL256x有两种封装，CHIPSCALE和TMB封装。不同封装芯片的光照度计算公式也不同。TSL256x引脚图如图3-9所示。TSL256x引脚的功能如下:引脚1和引脚3的功能分别是电源引脚和接地引脚，芯片的工作电压范围处于2.7V至3.5V。引脚2具有器件访问地址的选择的功能，对应不同引脚电平的访问地址也不同，对应关系如下图所示。引脚4和6的功能是连接I2C或总线的时钟信号线和数据线。针对引脚5的功能是中断信号输出。本设计选择TSL2561芯片作为控制芯片，因为它具有良好的兼容性，可以直接访问,而硬件接口电路就简单多了。照度检测硬件电路如图3-10所示。3.3.2人体红外探测模块电路（1）人体红外探测原理美国萨特勒利用电子设备测量人体的电磁辐射谱，证明人体的电磁辐射能量大致在红外波段。人体温度基本恒定，通常在37度左右，因此它发射的红外线具有约10MW的特定波长。被动红外探头通过检测人体发射的约10UM的红外线来工作。为了提高红外探测模块的灵敏度和探测距离，菲涅耳透镜通常安装在红外探测器前面，菲涅耳滤光片增强了人体发出的约10um红外线，并聚集在红外探测器上的感应源上。使用红外感应源，通常使用热释电元件。当人体接收的红外辐射温度改变时，电荷平衡丧失并且电荷向外排出。后续电路可在检测和处理后产生报警信号。（2）红外热释电处理芯片的选择BISS0001是一款稳定、可靠、抗干扰能力强的传感器信号处理集成电路。它可以与其他传感器一起用于信号处理。其工作电压为2V~6V，有16个引脚并使用DIP和SOP封装。通过BISS0001，可以快速自动地打开各种类型的设备。例如，我们更常用的照明灯具，自动开关门，浴室干衣机和自动水龙头等现在广泛用于办公楼，学校，商场和住宅楼。BISS0001物理图如图3-11所示，引脚图如图3-12所示，引脚功能说明如表所示。图3-11图3-12引脚功能说明图表3.3.3传感器的布置（一）照度探测模块教室中的照度检测系统由TSL2561组成的照度检测模块组成。在该系统中，根据照度检测模块的功能特性和房屋内人员的流动，照度检测模块的数量应该大于4，以便提高检测精度。在这种情况下，照度检测模块应安装在室内至少安装三个模块，至少一个安装在室外。室内安装的照度检测模块应在可以遮挡窗帘的范围内，以便更准确地判断房间的实际情况。照度检测模块安装在室外，以更好地确定室内和室外条件，因为即使在黑暗中，当灯具打开时，模块将检测到更高的照度值，系统将判断灯具不需要打开，灯具关闭后系统关闭。由于检测到的照度值不足，灯具再次打开，导致灯具反复开启和关闭，因此需要在室外安装照度检测模块。（二）人体红外探测模块由于人体红外探测模块主要是由热释电红外传感器组成，因此需要满足热释电红外传感器的布局要求。关于相关要求，人体红外探测模块一般只放在屋内。如果要降低检测错误的概率，在安排时应满足以下条件：（1）远离敏感场所，如空调，冰箱和炉灶；（2）不得在检测范围的区域内放置能够阻挡信号的间隔物和大而重的物体；（3）不要直接面对门窗，因为这个区域的气流很大，很容易造成检测错误；（4）请勿放置在有强风量的地方，如电风扇和空调。以14m×9m的教室为参照，照度探测模块布置图如图3-13所示，人体红外探测模块布置图如图3-14所示。图3-15照度探测模块布置图图3-16人体红外探测模块布置图3.4通信模块的设计3.4.1电力线载波通信技术电力线载波通信技术（PowerLineCarrierCommunication）是一种使用电力线作为载体，通过载波传输数字信号或模拟信号的技术。一般过程是传输高频信号。信号被加载到电力线上，经过电力线传输，最后高频信号通过电力线调制解调器与电力线分离并传输到终端设备。因为技术的不断发展，如今电力线载波技术不仅应用于远程抄表系统，远程路灯监控系统和远程网络监控系统，还广泛应用于智能家居的新兴领域，通过电力线路的使用作为载体传播媒介。实现智能设备之间的相互通信和控制可以为人们带来高品质的生活体验。因为电力线载波技术不需要重新建立网络，所有只要有线传输数据，就会受到开发商和制造商的极大关注。电力线载波通信技术在不同领域有其独特的通信协议。常见的如下：1.Lontalk通信协议是传输速率为1.2Mbps的一种不依赖传输介质的通信协议，支持通信介质，如电力线和双绞线；2.X-10通信协议是传输速率为60bps的一种通过利用电力线的通讯传输实现对相关设备进行控制的通信协议；3.家庭插电联盟的Homeplug协议属于宽带通信协议。3.4.2电力线载波模块的选择此次设计中，电力线载波模块选用深圳市比威尔科技有限公司生产的BWP31系列载波模块。它具有通信速度快，抗干扰能力强，信号传输质量可靠，通信距离长等特点。同时也是一个特别适用于中国电力线系统的电力线载波通信产品。BPW31系列载波模块它的四种型号（BWP31A，BWP31B，BWP31C和BWP31D）分别对应四种不同的载波频率，可以直接应用于220V电力线上。BWP31系列电力载波模块主要特点如下：工作电源：＋12VDC+5V串口（UART）速率：9600bps，可定制。载波（单片机）速率：180bps、360bps、2400bps、5400bps。用户可配置传输模式。传输模式：固定帧长度传输（帧模式）与固定字节长度传输（固定长度模式）。工作环境：交流220VAC/110VAC，50/60Hz，直流300VDC或更低，无电导体。通讯距离：500m以上（轻载或直流线下通讯距离大于1000m）。电力线载波频率：132KHz，264KHz，312KHz，416KHz四频选项。调制解调方式：BPSK+DSSS（直接序列扩频）。工作温度：－40℃～＋80℃BWP31。该系列电源载模块采用+12V和+5V电源，通讯波特率为180bps-5400bps。它可以直接与单片机的RXD和TXD连接，其串口波特率为9600bps。该系列电源载体模块还具有半双工通信功能，可直接在220V或110V和50Hz或60Hz电力线上通信。该模块还可以在没有电导体的DC环境中工作。用户可以根据自己的意愿调整电力线上的数据通信模式和通信长度等参数。数据传输通道相对简单。用户通过串口将数据发送给载波模块，并通过电力线将数据发送给其他载波模块。两次转换后数据可以保持一致。传输过程具有很强的抗干扰能力，数据相对安全稳定。只要保证在同一个变压器中，就可以将多个模块连接到一条电源线，模块之间的通信可以实现不相互干扰。3.5继电器模块的设计继电器模块可以看作是基于继电器的电子控制电路，以控制低压高压设备。在该设计中，继电器模块可以是电磁继电器，其可以由PNP型号的三极管S9012来驱动。当下位机开始正常运行时，这时的单片机的默认输出电平为高电平。此时，S9012处于关闭状态，因此继电器将在系统开始运行时继续释放。当单片机的输出电平变为低电平时，S9012开始导通，继电器即将进入吸合状态，驱动负载的灯将亮起。为了避免在继电器吸合和断开期间可能发生的火花和故障，可以将6800pf电容器和100Ω电阻器与继电器的输出并联连接，以避免这两种现象。继电器模块电路图如图3-17所示。图3-17下/上位机程序设计4.1下位机程序设计大家都知道，硬件和相应的执行程序是计算机功能实现的重要组成部分。完整的智能控制系统也是必不可少的。系统根据程序的设计要求发出相应的指令。硬件接受到指令后，系统就会开始运作并完成。操作上，两者是互补的。对于智能控制系统，如果没有好的程序来调节和控制，无论硬件有多好都无法发挥其功能，用户无法达到智能控制的目的。通用智能照明控制系统通过设计程序定义硬件设备。系统的编程结构大致可分为两部分：上位机和下位机。下位机主要包括智能控制模块编程、照度检测模块编程和人体红外检测模块编程。4.1.1系统工作流程设计系统的工作流程决定了系统的工作状态和可以实现的目的。正确设计和合理的系统工作流程对于系统的正常和稳定运行也非常重要。工作流程图清楚地反映了设计人员对整个系统的操作和预期目的的设计思路。系统软件的工作方法和过程也根据系统流程图的顺序确定。本设计对系统的硬件设备进行了详细的探索和选择，可以最大限度地发挥这些硬件的功能，保证硬件的平稳运行，进而实现照明系统的智能控制要求。工作流程图的设计应尽可能完成，要准确合理。通过模块的相关概念发现，系统的监控程序一般包括两种类型：命令处理子程序和监控主程序。监控主程序可以随时调用子程序，通常，当系统运行时，同一主程序可以同时调用多个内部子程序，但由于设计考虑了低成本要求，所选AT89S52单片机可能存在主程序现象在操作期间连续调用子程序甚至无限循环。为了防止无限循环现象的发生，我们可以根据一定的逻辑关系将下位机的主程序与大型可循环过程相匹配。下位计算机可以通过在循环中调用每个子程序来完成该过程中的功能实现。在设计下位机程序的过程中，我们必须关注简化主程序。系统中的相关功能模块要看作是主程序下的子程序，根据设计要求，调用子程序来实现系统必须实现的功能。所以，用这种思路设计下位机软件会更加清晰，即使在调试过程中遇到任何问题，也可以在第一时间找到原因并解决。下位机的主程序主要包括初始化系统，调用相关子程序，定义输入和输出引脚，以及即时开关。除了系统的初始化和引脚定义之外，系统的其他功能子程序根据系统工作流程重复执行，子程序不会相互干扰。由于单片机程序的操作可以被视为以特定顺序执行命令的过程，因此在操作期间一些延迟是不可避免的，然而实际上，环境变化和教室中人员的流速相对较慢，并且单片机的延迟可以忽略不计。可以满足系统的正常运行。下位机主程序流程图如图4-1所示。开、关灯具发送数据开、关灯具发送数据系统初始化开始设置定时器、中断光照强度检测红外探测器接受到强制开关命令接受到强制开关命令YNYN4.1.2下位机主程序设计下位机是整个智能照明控制系统的核心部分。它必须进行实时监控，收集教室的照明情况和人员情况，并通过电力线载波模块与上位机建立通信通信，并及时将数据上传到上位机，接收上位机进一步的指令，执行相应的操作。可见，整个系统中下位机的任务比较繁重，这意味着我们在设计下位机程序时不会犯任何错误。一旦出现错误就有可能造成系统的错误运行甚至崩溃，因此，我们必须在下位机程序的设计和调试中更加小心谨慎。下位机主程序的工作过程是一个周而复始的循环。在设计过程中，细节错误可能导致程序运行中断或进入故障循环，因此在设计过程中不能忽略任何细节，尽量考虑各种特殊情况。下位机主程序的操作首先通过电力线载波模块接收上位机的指令，然后根据收到的指令进入对应的工作状态。下位机具有多种工作模式，每种工作模式可视为单独的子功能程序，每个子程序根据不同的设计要求由单片机控制相应的检测模块，检测模块连续采集教室的照明情况和人员情况，并将采集的数据转换为参数，控制照明系统，同时将检测到的数据通过电力线载波模块上传到上位机，供管理者掌握教室的实时情况。4.2数据采集设计的实现4.2.1逻辑关系智能照明控制系统大致可分为三种工作模式：班级模式，自学习模式和强制模式。对应于不同模式的逻辑关系也是不同的。使用班级模式时，课堂有两种状态，有人和无人状态。在这种情况下，有必要查看教室中的光强度。当室内光线强度足够的时候，无论室内是否有人，都应关闭灯具;当室内光线强度不足的时候，应该将有人的教室照明，关闭没有人的教室灯具。在设计二进制逻辑关系时，它应与照明采集模块的输出信号一致。当光强度足够时，它可以将光强度设置为“0”，并且当光强度不足时将其设置为“1”。在室内有人活动时设置为“1”，则房间内没有人活动设置为“0”;室内灯光开启设置为"1",室内照明关闭设为“0”。根据设计要求，形成的逻辑关系如表4-1所示。表4-1上课模式逻辑关系使用自学习模式时，为了节省能源，学习室可以设置为一定的优先级。如果具有最高优先级的教室光照不足，并且在室内被检测到，则灯将打开。下一阶级的教室只有当上一级灯打开时，智能控制系统才会被激活，人体检测模块会确定房间内是否有人，然后判断灯是打开还是关闭。在设计二进制逻辑关系时，如果具有高优先级的教室有人可以设置为“1”，则房间中没有人被设置为“0”;具有较高优先级的室内灯开启设置为“1”，关闭为“0”。下级室内照明开启设置为”1“，照明关闭为”0“。设计要求的逻辑关系如表4-2所示。使用强制模式时，系统会通过强制打开或关闭选定的教室照明，来解决各种特殊情况的发生。这种控制模式只是打开和关闭，没有逻辑关系，所以这里不要做太多介绍。表4-2自习模式逻辑关系4.2.2照度探测模块中国住房和城乡建设部在2013年颁布的“建筑照明设计标准”（GB50034-2013）中明确了学校建筑照明的照明标准值，其中教室的平均光照强度要求超过300lx，我们可以将照度标准值用作照度检测模块的开关基础。当检测到的光强度高于300lx时，关闭灯具，反之则打开灯具。由于为了考虑到节能，在班级模式下，灯具将根据照明条件分批开启。教室里的以三盏灯分成几组，而且这几组按照教室的大小均匀分布，因为每组有三个灯具，三分之一的灯具开时可以设置为检测到的照度小于200lx时。检测到的照度小于300lx，另外三分之一的灯具设置为打开，当检测到的照度小于100lx时，最后三分之一灯设置为打开，这基本上确保了教室中的照度值相对恒定，并且由于室内照度值太高而不会引起能量照度。因为TSL2561模块和单片机之间能够完成数据传输,有必要建立类似于I2C总线协议的通信机制，并将TSL2561模块收集和转换的数字信号存储到自己的存储器中，单片机可以将控制代码编程到模块中以建立通信连接。然后单片机将延迟5us，并从TSL2561模块寄存器读取采集的照度数据，把该数字信号转换为实际照度值，并把这个照度值作为标准来控制继电器模块。对灯具执行开启或者关闭操作。以下为照度采集程序部分程序，照度采集流程如图4-2所示。单片机给TSL2561写控制字开始单片机给TSL2561写控制字开始单片机延时单片机从TSL2561读光照值高字节与低字节单片机将高字节与低字节合成真实光照值返回照度采集部分程序段：voidTsl_Init(){Register_W_Tsl2561(0x01);//启动TLS2561Register_W_Tsl2561(0x42);Register_W_Tsl2561(0x65);}voidMulti_R_Tsl2561(){unsignedcharj;Tsl2561_Begin();//I2C发送开始信号Tsl2561_Send_Byte(Slave_Addr+1);//送出从器件读信号for(j=0;j<3;j++)//读取地址数据并将其存入Buffer{Buffer[j]=Tsl2561_Recv_Byte();//Buffer接受数据if(j=3){Tsl2561_Send_NoAck();//接收最后一个字节后发送NOACK信号}else{Tsl2561_Send_Ack();//若非最后字节则回应ACK}}Tsl2561_Stop();//I2C发送停止信号Delay_ms(10);//延迟10ms}floatCalculateLux(){unsignedinti;intData_H_L;floatTemporary;Register_W_Tsl2561(0x01);//启动TLS2561Register_W_Tsl2561(0x10);//开启高精度模式for(j=0;j<5000;j++);//延迟Multi_R_Tsl2561();//连续读入数据，存储在Buffer中Data_H_L=Buffer[0];Data_H_L=(Data_H_L<<8)+Buffer[1];//合并高低字节Temporary=(float)Data_H_L/1.2;returnTemporary;}4.2.3人体红外探测模块人体红外线检测模块在系统运行时检测教室中人体的存在，并通过高低电平来反映房间内是否有人。人体红外探测模块的工作流程主要分为以下几个步骤：首先，对单片机的int0端口和定时器1进行初始化，并将定时器的计数设置为0;第二种是人体的红外检测中断和定时器延迟中断。为了定义，其目的是实现检测有人立即打开灯具的功能，并且只要有人能够持续打开灯具;第三种是系统正常运行后，当单片机接收到人体红外检测中断信号时，教室灯会亮。并且在延迟结束并开始延迟时，如果检测到教室中有人，则单片机继续执行人体的红外检测中断，并且灯保持打开状态。如果室内未检测到任何人，则计时器的计数值将返回0，教室灯进入关闭状态。人体红外检测程序流程如图4-3所示。中断0（int0）初始化开始中断0（int0）初始化开始定时器1（timer1）初始化设置count为0返回哪种中断类型定时器1装初值Count++Count=0，开灯Count=0，关灯Count==1000外部中断0定时器中断NOYES人体红外采集程序：voidint0_init(){EA=1;EX0=1;IT0=1;}Voidtimer1_init(){TMOD=0x11;EA=1;ET1=1;TR1=1;TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256;}voidint0_interrupt0{Light=0;//亮灯count=0;}voidtimer1_interrupt3{TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256;count++;if(count==1000)//延时时间到{count=0;Light=1;//熄灯}}4.3上位机管理系统的通讯实现在多数情况下，主要是以串口控件Mscomm和WindowsCommunicationAPI函数是实现VisualBasic开发串行通信程序的两种方法。相比之下，通过串口控制的通信可以用更少的代码实现API功能的相同功能，因此更方便快捷，大大提高了编程效率。Mscomm控件可以使用计算机串口来接收和发送数据，有两种方法可以处理它。第一种是通过查询检验CommEvent属性值来确定事件和错误。另一种是通过事件驱动模式通过控件的OnComm解决事件和通信错误。Mscomm控件通过调用API函数来实现通信功能，因此VB程序开发人员可以通过阐明Mscomm控件的属性和事件的用法来完成串行端口的操作。Mscomm控件的主要属性以及方法如下所示。在通信期间发生事件或错误后，将触发OnComm事件并更改属性值。CommEvent属性代码可以指示哪种类型的错误。在设计通信程序的过程当中，可以根据属性值执行相应的操作。下图显示了部分属性常数值及其含义。CommEvent属性代码常数值及其含义MSComm串口控件的初始化PrivateSubForm5_Load()MsCommunication1.CommPortOpen=1‘打开串口1MsCommunication1.Setting=“9600,N,8,1”‘设置通信参数，波特率:9600bps；校验位：8停止位：1MsCommunication1.InputLen=0‘读取接收缓冲区的所有字符MsCommunication1.InputMode=1‘以二进制方式读取数据EndSub结论本文以节能为出发点，针对一批分布广，能耗大的高校。它主要用于大学建筑的教室照明系统，通过它的耗电量大，极易浪费研究对象开展研究，提出了一种适用于现代大学教学楼的智能照明控制系统。本文主要完成了以下几方面工作：（一）在系统总体设计方面，通过咨询相关资料，掌握了智能控制技术的发展现状以及智能照明系统的优势，组成和发展。根据国内外现有智能照明控制系统的分析，结合我国高校课堂照明的现状，设计出了本文的总体设计思路和方案。为了达到好的节能效果，用LED灯替换了原有的荧光灯，采用神经网络算法对最佳灯具安装方案进行了模拟。（二）在硬件设计方面,该结构可分为两部分：上位机系统和下位机系统。下位机采用AT89S52单片机作为主控芯片，驱动继电器智能控制灯具。数据采集系统由照度检测模块以及人体红外检测模块组成。它根据设计的布局安装在每个教室中，用于实时检测教室中的光亮情况和人员流动。数据通信采用电力线载波技术，下位机可以通过电力线载波模块将检测到的相关信息传输到上位机，并将其显示在上位机，上位机可以安排教室的作息。提前预设教学楼的每个教室，工作状态命令发送到下位机后，下位机根据指令进入相应的工作状态，实现对教室照明系统的智能控制。（三）在程序设计方面，下位机的主程序和数据采集程序是分