基于单片机教室灯光智能控制系统
1 引言
1.1 教室灯光控制的现状及发展趋势
随着社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平的不断提高，导致用电负荷的加剧，能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。中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。同时各类大、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，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相违背，提高教室用电效率就成为首要考虑的问题，因此需要对电灯能耗进行智能控制。所谓智能控制是指利用现代通信技术、自动控制技术、总线技术、信号检测技术和微电子技术对室内照明进行有效控制，使灯光可以根据环境的变化的来满足客观实际要求而自动进行灯光照明的调节。
目前对电灯的智能控制国外已经开始广泛采用，产品的种类有总线类、电力载波类、无线类产品。总线类产品：历史悠久、国际标准、产品高档、性能可靠，但是功能复杂、价格高、需要专业技术支持。电力载波类产品：希望通过借助于电力载波免于产品的大规模布线，这类产品目前是国内主流产品且价格低廉，接近国人现有消费水准可以大规模简单安装，但是，没有统一的技术认证标准，厂家各自为政，产品的可靠性难以保证，容易发生电磁串扰。无线类产品：这类产品是目前发展速度是最快的，它解决了复杂的系统配置及安装问题，只要普通电工就可以安装。这类产品最致命的问题是集群安装使用时所产生交调干扰致使系统的通讯可靠性下降。于是，开发简便实用的教室灯光智能控制系统具有重要的现实意义。
1.2 本设计的研究内容
本设计是基于单片机控制的教室灯光智能控制系统。适用于学校商场等大型室内场所的照明智能控制，可以有效地对教室照明灯具进行智能控制，减少电能浪费，提高资源利用率。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。通过STC89C51单片机和各个感应模块，实现对教室灯光的智能控制。主要功能有两种。
⑴ 利用环境光采集电路，判断光线强弱，设置灯的开关状态。 ⑵ 当教室有人进入时，判断红外线的强弱，控制灯的亮暗。
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本设计具有制作简单、成本低、操作性强等特点，具有广泛的现实意义。该设计也是对我大学所学东西的综合运用，增强了我的动手和提出问题，分析问题，解决问题的能力，可以巩固自己的专业知识，为工作和学习打下坚实的基础。
1.3 本文完成主要任务
本课题的研究任务有如下几点： ⑴ 灯光控制系统数据采集的研究。 ⑵ 教室内人数监测方案的研究。
⑶ 热释红外传感器与环境光信号采集与处理。
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2 教室灯光智能控制系统的总体设计
根据设计方案分析，本系统由STC89C51单片机控制器，环境光采集电路，热释红外传感器电路，按键电路，看门狗模块，显示电路，复位电路，时钟电路，电源几部分组成。其中环境光采集电路测量教室光照强弱，热释红外传感器模块检测教室是否有人及人数的多少，显示电路显示温度值，时钟电路为单片机提供时钟频率，电源为整个电路供电。系统结构图如图2-1：
复位按钮 电源模块 中央处理器 STC89C51 液晶显示模块 看门狗电路 时钟模块 热释电红外模块 EEEPROM存储器继电器 灯具 环境光采集模块 继电器 灯具
图2-1 系统控制单元结构框图
2.1 单片机的选择
为了更好实现本设计的预定目标，我们对单片机进行了仔细的对比和研究。 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，AT89C51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10ms。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
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被仿制。P0口是三态双向口，统称数据总线口，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：
⑴ AT89C51不带ISP下载，要用下载器下载，STC89C51可以用USB串口下载，下载软件可以到STC89C51厂家网上下载。
⑵ STC89C51单片机执行指令的速度很快，大约是AT89C51的3-30倍，尽管快是好事，但这样一来，你在AT89C51上好使的程序在STC89C51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STC89C51时注意得加长延时，大约是AT89C51的10—30倍就差不多。
⑶ STC89C51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AT89C51肯定不行了，所以当一个系统用STC89C51单片机能正常工作，但用AT89C51的单片机不工作时，直接检查最小系统，看单片机的供电是否正常。
比较这两种方案，我们选择采用STC89C51系列芯片，因为此芯片对环境要求不严格，执行速度快。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，故采用STC89C51芯片为更合理的选择。
2.2 感应器的选择
方案一：感应人体采用被动式红外传感技术，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25～60 m；透射式的灵敏度最低，探测距离为2～10 m；折射式居中，兼有反射式和透射式的优、缺点。
方案二：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。
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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。经过多方面考虑采用红外人体感应器模块，因为此模块具有监控范围大，隐蔽性好，抗干扰能力强的特点。
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