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目录

第一章绪论5

1.1研究的背景5

1.2研究的意义5

1.3研究内容与目标7

1.3.1研究内容7

1.3.2研究目标7

第二章系统总体方案设计8

2.1系统总体框图8

2.2方案的选择8

2.2.1单片机的选择8

2.2.2感应器的选择9

第三章系统硬件电路设计11

3.1系统硬件概述11

3.2主控模块设计12

3.2.1系统主控电路12

3.2.2单片机的引脚功能12

3.2.3单片机的主要特性12

3.2.4单片机最小系统14

3.2人体感应模块设计15

3.3光敏模块设计17

3.3.1光敏电阻介绍17

3.3.2LM393电压比较器介绍18

3.4继电器驱动模块设计19

第四章系统软件的设计21

第五章系统分析与调试22

第六章结论及展望24

参考文献25

附录A26

致谢27

第一章绪论

1.1研究的背景

社会在不断进步，人类在不断追求，市场在不断变化，高科技应用含量决定着产品发展的新趋势和前景，智能化技术在电子产品领域的应用意义深远。

随着电子产品的快速发展，家用电器也越来越偏向智能化，已经应用于实际中的有智能洗衣机，智能电饭锅，智能电磁炉等，而所用的智能化家用电器都用一个共同的特点，都是利用单片机作为中央控制单元。

结合了单片机的智能家用电器和普通家用电器相比，功能上更强，使用更方便，安全可靠性也更高，最重要的是更节省电能。

社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平也不断提高，导致用电负荷的加剧，又由于世界性的能源危机，能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。

而此问题对我国来说尤为严重。

随着各类大、中专院校的扩招，教室的扩建，教室照明的需求也越来越多，而教室照明的管理不到位，往往造成电能的巨大浪费，这样，提高教室用电效率就成为首要考虑的问题。

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楣违背。

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。

例如搂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。

所以说，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研究的意义

我国政府非常重视节能和节约。

1997年11月1日我国颁布了《中华人民共和国节约能源法》，节能已经是法律上的规定，是我国重要国策之一。

北京2008年奥运场馆建设，在“科技奥运，人文奥运，绿色奥运”三大理念的基础上，又提出“勤俭办奥运”的方针，充分体现政府节能，节约的决心！

国家发改委提出了“电机系统节能工程”、“建筑节能工程”、“绿色照明工程”等十大重点节能工程，通过这十大工程，“十一五”期间将实现节约2.4亿吨标准煤的目标。

2006年1月将实行国家建设部颁布的“民用建筑节能管理规定”，2005年7月1日开始实施的“公共建筑节能设计标准”GB50189—2005要求全年的总能耗（采暖，通风，空气调节和照明）减少50%。

广大电气技术工作者只有认认真真研究节约电能的理论和技术，开发出优良的节电产品并应用于实际，才能从根本上贯彻国家规定的各项节能法规，造福于社会。

照明节能意义重大，我国照明耗电大体占全国总发电量10%～12%，据资料报道，目前城市照明（指景观照明和功能照明的统称），年用电量约占全国总发电量的4%～5%。

照明节能主要从三个方面入手：

选用高效节能的电光源和灯具；

选用高品质电子镇流器或节能型电感镇流器；

配置适宜，先进照明控制装置。

目前我国城市公共照明每年开支达数百亿元。

应积极推广采用国际上流行的全数字智能路灯节能控制技术：

即智能光源降压——稳压——调光技术。

它的技术思想为：

在繁忙时段，控制路灯保持较强的照度，午夜时分，自动调光；

后半夜车稀人少时，控制路灯保持较低的照度的照明。

在美国、德国此类技术得到了政府大力扶持和推广，节电率高于30%。

我国已有独立自主知识产权的这方面技术产品如哈工大楼宇自动化研究所研制的“金卤灯调压调光系统”，在城市道路照明应用中运行效果优良。

今后尚需政府的行政支持。

当前，随着经济的飞速发展，能源短缺问题日益突出，成为一个国家经济发展的“瓶颈”。

作为工业生产和人民生活不可或缺的电力能源更是如此。

尤其现今越来越提倡低碳生活，节约能源已经成为一种全球共识，而作为培养社会精英的高校更应该起到榜样的作用。

但是目前在校园内，教室灯火通明，却空无一人的现象屡见不鲜，这不仅造成了严重的资源浪费，也对高校的形象造成了很坏的影响。

本文所研究的教室灯光控制系统就可以很好地实现节约能源的作用。

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。

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自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要课题。

1.3研究内容与目标

1.3.1研究内容

随着智能化技术的飞速发展，智能化家用电器的日益普及，教师灯光控制是利用单片机作为控制芯片。

将硬件设计分为传感器及信号处理部分、以单片机组成的中央处理单元、智能的控制教室灯。

对各部分功能作用予以详细说明。

软件设计采用模块化结构，将各模块设计完成后进行总调。

首先要了解教室照明光强的标准，其次调研教室灯光照明需求以及环境光强弱与开、关灯的关系，再次研究灯光控制器电源问题，最后确定研究控制器参数值设定的要求及方案。

1.3.2研究目标

论文针对教室灯光的控制，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机设计教室灯光智能控制系统的思路，并在此基础上开发了智能控制系统的硬件模块和相应软件部分。

研究的教室灯光控制系统能用于现有教室照明系统的改造，实现对照明系统的人性化智能管理，提高用电效率；

实现自动、手动灯光控制相兼容，以降低成本；

通过反复试验和改进，最终达到可靠性、实用性、推广性较好的目标。

第二章系统总体方案设计

2.1系统总体框图

系统控制单元是以单片机主控模块为核心，其它外围电路主要包括：

系统供电模块、硬件时钟模块、看门狗模块、环境光模块、人体存在传感器模块、遥控器模块、遥控器接收模块及超时报警模块，设计的系统总框图如图2-1所示。

图2-1　系统总体框图

教室灯光控制可实现有效的教室灯光智能控制。

其输入参数主要是人体存在信号和环境光信号等的外界因素，环境光的强度达到一定值时不开灯,环境光强度在一定阀值以下且有人存在时开灯，理论和实验证明用这种方式来对教室灯进行智能控制可以实现上述目标。

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方案的选择

2.2.1单片机的选择

方案一：

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS型8位单片机，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（CPU）和Flash存储单元，功能强大。

其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。

写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护我们的劳动成果。

再者，AT89C52目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。

AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。

只要程序长度小于8K，四个I/O口全部提供给用户。

可用5V电压编程，而且擦写时间仅需lOms。

AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。

PO口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。

方案二：

STC89C51系列单片机的指令系统和AT89C51系列的完全兼容，但实际操作起来却存在很多问题：

（1）AT89C51不带ISP下载，要用下载器才行，STC89C51可以用你的USB转串口下载，下载软件可以到STC厂家网上去下。

（2）STC单片机执行指令的速度很快，大约是AT的3-30倍，尽管快是好事，但这样一来，你在AT上好使的程序在STC上不一定好用，最典型的例子就是那些对时序有严格要求的模块，用STC时注意得加长延时，大约是AT的10—30倍就差不多，这一点自己调试就知道了。

（3）STC单片机对工作环境的要求比较低，电压低于5伏时仍然正常工作，甚至3伏到4伏之间都还可以工作，然而这样的环境下AT肯定不行了，所以当一个系统用STC单片机好用，但用AT的单片机不工作时，直接查最小系统，看单片机的供电是否正常。

比较这两种方案，由于在学校期间学过数字电路、单片机原理、C语言程序设计，综合考虑单片机的各部分资源和作为学生能够获得的资源，经过对比此次设计要求，我选择用STC系列芯片完成。

而且学校也提供了相应的硬件操作平台，实际操作起来比较方便，故STC为更合理的选择。

本系统选择STC89C51单片机作为主控芯片。

足够本设计运行，且价格便宜，下载程序方便。

2.2.2感应器的选择

感应人体采用被动式红外传感技术，是利用红外光敏器件将活动生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号,并进行放大,处理,它能可靠的将运动着的生物体（人）和飘落的物体加以区别。

同时它还具有监控范围大，隐蔽性好，抗干扰能力强和误报率低等特点。

被动式红外入侵报警器又称热释电红外入侵报警器，由光学系统，红外传感器和信息处理三部分组成。

目前与红外传感器配套的光学系统有三种，即反射式、透射式和折射式。

其中反射式光学系统的灵敏度最高，其探测距离可达25～60m；

透射式的灵敏度最低，探测距离为2～10m；

折射式居中，兼有反射式和透射式的优、缺点。

感应人体采用主动式红外探测器，由红外发射机、红外接收机组成。

分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。

红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束。

接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动信号。

比较这两种方案，主动式红外探测器由于光束较窄，收发端安装要牢固可靠，不应受地面震动影响，而发生位移引起错误，光学系统要保持清洁，注意维护保养。

因为主动式探测器所探测的是点到点，而不是一个面的范围。

其特点是探测可靠性非常高。

但若对一个空间进行检测，则需有多个主动式探测器，价格昂贵。

主动式探测器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。

本设计适合采用被动式红外传感器，经过多方面考虑，本设计采用红外人体感应器模块。

第三章系统硬件电路设计

3.1系统硬件概述

本系统考虑到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园环境情形变化而不稳定，所以在设计过程中，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。

所研制的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。

可以实现自动与手动控制相兼容。

在自然环境光较强光线足够时，无论人是否存在，都不开灯;

在自然环境光较弱时，有人存在且超过一定时间，控制器自动打开电灯，直到人离开后再延时一定时间后关灯。

本文所研究的教室灯光控制器主要是由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项功能。

系统供电模块、环境光模块、人体存在传感器模块、光敏模块及继电器驱动模块，此设计运用单片机、电压比较器、光敏电阻、人体感应模块、继电器等构成一款智能灯设计。

单片机作为主控芯片，人体感模块识别人体，光敏智能识别光线，LM393电压比较器来将光敏的芯片处理给单片机，继电器控制负载灯。

设计可以应用在教室，图书馆等一些公共场所，当光线暗并且有人时，继电器会吸合，从而驱动任何负载，智能延时，当没有人时灯不会亮，从而实现节能、智能的效果。

用于现有教室照明系统的改造，实现对照明系统的人性化智能管理，提高用电效率。

单片机作为主控制器，人体感应模块识别人体，光敏智能识别光线，LM393电压比较器，继电器控制负载灯。

单片机作为主控制器，单片机作为主控制器，人体感应模块识别人体，光敏智能识别光线，LM393电压比较器，继电器控制负载灯。

3.2主控模块设计

3.2.1系统主控电路

本次设计选用STC89C5l作为步进电机的控制芯片．STC89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上．使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。

STC89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FAlshProgrAmmABleAndErAsABleReAdOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

3.2.2单片机的引脚功能

（1）VCC（40）：

电源+5V。

（2）VSS（20）：

接地，也就是GND。

（3）XTL1（19）和XTL2（18）：

振荡电路。

单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；

另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号。

（4）PSEN（29）：

片外ROM选通信号，低电平有效。

（5）ALE/PROG（30）：

地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。

（6）RST/VPD（9）：

复位信号输入端/备用电源输入端。

（7）EA/VPP（31）：

内/外部ROM选择端。

（8）P0口（39-32）：

双向I/O口。

（9）P1口（1-8）：

准双向通用I/0口。

（10）P2口（21-28）：

准双向I/0口。

3.2.3单片机的主要特性

与MCS-51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：

1000写/擦循环数据保留时间：

全静态工作：

0Hz-24Hz三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路

（ 

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：

P3口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外