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【摘 要】针对学校照明用电浪费严重的问题，为了有效利用教室灯光、节约能源，本课题提出了基于单片机的教室灯光智能控制系统的设计方案。本研究针对教室灯光的控制方法，尤其是教室灯光的智能控制方面的发展现状，分析了教室灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于AT89C52单片机的教室灯光智能控制系统的设计思路。
【关键词】节约能源；照明；智能控制；AT89C52单片机
0.引言
随着社会经济和科学技术的发展，能源消耗量逐年上升，照明用电水平也逐年提高，导致电负荷的加剧，能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。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。对于灯光的智能控制，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。于是，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。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。
1.系统控制方案的分析
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。同时，还要按作息时间来控制，夜晚超过12点，若还有人存在，则关闭自动控制器的运行，改用遥控器或机械开关来手动控制，以解决因特殊情况下，自动控制器的不人性化运行。
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，达到控制器自动与手动相结合的教室照明智能控制。
系统原理图如下图所示：
2.系统控制模块的硬件构成
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，其结构框图如图2所示，
3.系统主控电路
根据系统设计要求，本系统的主控模块主要采用Atmel公司的AT89S52作为主控芯片，它是一种低功耗，8位CMOS工艺处理器，具有8K在线可编程Flash存储器，片内的Flash可多次编程，为在线编程提供了方便。片内有128字节的RAM，4KB的EEPROM[2]，由于合理的安排使用片内RAM空间，所以没有扩展的片外RAM，馒电路结构简捷。因为设备的设置参数是根据实际需要进行更改的，又要求是断电能够保存下来，所以本设备用一片EEPROM来存储系统的设置参数。
3.1 日光强度检测模塊电路
日光强度检测模块采用单片机作为控制处理核心，具有价格低、体积小等特点，满足实际需求。传感器选择光敏电阻，用精密电阻与之串联分压得到一电压信号送给A/D 。为了减小模块体积和降低成本，选择低功耗、串行方式工作的TLC549作为A/D转换器。
3.2 热释电红外人体检测模块电路
人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性[3]如下：
人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10μM左右的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的10μM左右的红外线而进行工作的。人体发射的 10μM叫左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源采用 热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生由人体存在的信号。
1） 这种探头是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为10μM左右的红外辐射非常敏感。
2） 为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。
3） 人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。
4） 一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦。并被人体存在传感器的热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而输出有人体存在的信号。
5） 菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。
3.3 其他电路
系统时钟电路加入硬件时钟电路以保证系统的智能化运行。系统看门狗电路中使用美国XICOR公司生产的芯片X5045。遥控键盘管理模块电路采用红外线遥控不仅可靠而且能有效地隔离电气干扰。超时报警电路提醒学生应该休息或必需改用遥控器手动方式来控制灯。系统供电电路采用主从双电源供电方式。
4.控制模块软件设计与开发
在单片机硬件系统的基础上，再配上相应的软件，才能构成一个完整的系统。用户软件的开发与系统硬件有着密切的关系。在系统的硬件及输入输出方法的确定后，程序软件就可以完全独立的进行设计、开发。
在程序设计过程中，采用合理的程序设计结构是一项关键技术。在本系统的设计过程中，总体设计采用自上至下的设计思想将主程序设计好，而在各个部分展开成从属程序或子程序时，是将各个小模块分别进行设计和编程，同时在编程的过程中又用到了结构程序设计的思想。
本控制软件的模块主要包括：系统监控主程序模块、数据采集模块、时钟模块及系统功能键。 4.1 系统监控主程序模块
监控程序按模块分为监控主程序和命令处理子程序。监控主程序的基本任务是调用子程序，一个主程序可以调用多个子程序，对于5l系列单片机，系统资源有限，主程序通常是一个无限循环的过程，即是一个反复调用子程序的过程。子程序主要分为中断子程序和功能子程序，它们之间可以互相嵌套和调用，即中断子程序可以调用功能子程序。在应用软件的设计中，尽可能各个功能模块写成子程序的形式，并通过主程序调用。而命令处理予程序完成各种命令所规定的具体操作，它按各种命令再分为不同的子程序模块，它的编程方法与功能要求及系统应用密切相关。
4.2 数据采集模块
本系统中的数据采集对象为环境光信号及人体存在信号，在程序设计中对这两个数据的采集放置多任务模块中实施定时采集。
4.3 时钟模块
在系统启动自检初始化时，首先会对时钟芯片DS1302的运行状态进行判断，当检测到D1302处于启动状态时才对其进行初始化启动的始终。实时时钟芯片DS1302的初始化极其读写程序设计的关键是要遵循其时序要求。对DS1302进行读写的程序流程图如图4-4所示。
4.4 系统键功能
键盘是系统输入数据设备应用最广泛的一种，它也是人机交互对话、对系统进行操作的重要通道，操作者的许多操作意图是通过键盘来输入。本系统键盘不多的情况下采用中断方式，把键盘信号采集放在中断程序中除了，键盘的功能放在任务操作模式中完成。在执行完键盘采集工作后，如果有键按下，程序转入键处理功能程序。系统根据采集过程中得到的键号，散转到相应的键处理子程序，通过键盘设置修改系统工作参数。
5.结束语
照明节能是一项推动照明技术和节能意识的系统工程，其意义重大而深远， 智能照明技术有着广阔的发展前景。本设计是基于单片机控制的教室照明节能控制系统，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智能控制，减少电能浪费，提高资源利用率。经验证，该系统稳定，既有利于学校对教室照明的管理，又能有效地节约能源。
参考文献：
[1] 江珊.2005照明电器新进展（电光源）[J].中国照明电器，2005，9.
[2] 张毅刚，彭喜源，谭晓钧，曲春波.《MCS—51单片机应用设计》[M].哈尔滨工业大学 出版社，2001，1.
[3] 俞海珍，李宪章，冯浩.热释电红外传感器及其应用[J].电子照明技术，2006，7.
[4] 海蘭毛玉良赵祥.实时时钟电路DSl302的原理及应用[J].电子元器件应用，2005，12.
[5] 道宏等.基于DSl302的子母钟系统[J].电子技术，2001，4.
作者简介：
肖惠升，1991年9月25日，武汉纺织大学机械工程与自动化学院研究生。
【关键词】节约能源；照明；智能控制；AT89C52单片机
0.引言
随着社会经济和科学技术的发展，能源消耗量逐年上升，照明用电水平也逐年提高，导致电负荷的加剧，能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。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。对于灯光的智能控制，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。于是，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。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。
1.系统控制方案的分析
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。同时，还要按作息时间来控制，夜晚超过12点，若还有人存在，则关闭自动控制器的运行，改用遥控器或机械开关来手动控制，以解决因特殊情况下，自动控制器的不人性化运行。
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，达到控制器自动与手动相结合的教室照明智能控制。
系统原理图如下图所示：
2.系统控制模块的硬件构成
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，其结构框图如图2所示，
3.系统主控电路
根据系统设计要求，本系统的主控模块主要采用Atmel公司的AT89S52作为主控芯片，它是一种低功耗，8位CMOS工艺处理器，具有8K在线可编程Flash存储器，片内的Flash可多次编程，为在线编程提供了方便。片内有128字节的RAM，4KB的EEPROM[2]，由于合理的安排使用片内RAM空间，所以没有扩展的片外RAM，馒电路结构简捷。因为设备的设置参数是根据实际需要进行更改的，又要求是断电能够保存下来，所以本设备用一片EEPROM来存储系统的设置参数。
3.1 日光强度检测模塊电路
日光强度检测模块采用单片机作为控制处理核心，具有价格低、体积小等特点，满足实际需求。传感器选择光敏电阻，用精密电阻与之串联分压得到一电压信号送给A/D 。为了减小模块体积和降低成本，选择低功耗、串行方式工作的TLC549作为A/D转换器。
3.2 热释电红外人体检测模块电路
人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性[3]如下：
人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10μM左右的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的10μM左右的红外线而进行工作的。人体发射的 10μM叫左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源采用 热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生由人体存在的信号。
1） 这种探头是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为10μM左右的红外辐射非常敏感。
2） 为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。
3） 人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。
4） 一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦。并被人体存在传感器的热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而输出有人体存在的信号。
5） 菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。
3.3 其他电路
系统时钟电路加入硬件时钟电路以保证系统的智能化运行。系统看门狗电路中使用美国XICOR公司生产的芯片X5045。遥控键盘管理模块电路采用红外线遥控不仅可靠而且能有效地隔离电气干扰。超时报警电路提醒学生应该休息或必需改用遥控器手动方式来控制灯。系统供电电路采用主从双电源供电方式。
4.控制模块软件设计与开发
在单片机硬件系统的基础上，再配上相应的软件，才能构成一个完整的系统。用户软件的开发与系统硬件有着密切的关系。在系统的硬件及输入输出方法的确定后，程序软件就可以完全独立的进行设计、开发。
在程序设计过程中，采用合理的程序设计结构是一项关键技术。在本系统的设计过程中，总体设计采用自上至下的设计思想将主程序设计好，而在各个部分展开成从属程序或子程序时，是将各个小模块分别进行设计和编程，同时在编程的过程中又用到了结构程序设计的思想。
本控制软件的模块主要包括：系统监控主程序模块、数据采集模块、时钟模块及系统功能键。 4.1 系统监控主程序模块
监控程序按模块分为监控主程序和命令处理子程序。监控主程序的基本任务是调用子程序，一个主程序可以调用多个子程序，对于5l系列单片机，系统资源有限，主程序通常是一个无限循环的过程，即是一个反复调用子程序的过程。子程序主要分为中断子程序和功能子程序，它们之间可以互相嵌套和调用，即中断子程序可以调用功能子程序。在应用软件的设计中，尽可能各个功能模块写成子程序的形式，并通过主程序调用。而命令处理予程序完成各种命令所规定的具体操作，它按各种命令再分为不同的子程序模块，它的编程方法与功能要求及系统应用密切相关。
4.2 数据采集模块
本系统中的数据采集对象为环境光信号及人体存在信号，在程序设计中对这两个数据的采集放置多任务模块中实施定时采集。
4.3 时钟模块
在系统启动自检初始化时，首先会对时钟芯片DS1302的运行状态进行判断，当检测到D1302处于启动状态时才对其进行初始化启动的始终。实时时钟芯片DS1302的初始化极其读写程序设计的关键是要遵循其时序要求。对DS1302进行读写的程序流程图如图4-4所示。
4.4 系统键功能
键盘是系统输入数据设备应用最广泛的一种，它也是人机交互对话、对系统进行操作的重要通道，操作者的许多操作意图是通过键盘来输入。本系统键盘不多的情况下采用中断方式，把键盘信号采集放在中断程序中除了，键盘的功能放在任务操作模式中完成。在执行完键盘采集工作后，如果有键按下，程序转入键处理功能程序。系统根据采集过程中得到的键号，散转到相应的键处理子程序，通过键盘设置修改系统工作参数。
5.结束语
照明节能是一项推动照明技术和节能意识的系统工程，其意义重大而深远， 智能照明技术有着广阔的发展前景。本设计是基于单片机控制的教室照明节能控制系统，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智能控制，减少电能浪费，提高资源利用率。经验证，该系统稳定，既有利于学校对教室照明的管理，又能有效地节约能源。
参考文献：
[1] 江珊.2005照明电器新进展（电光源）[J].中国照明电器，2005，9.
[2] 张毅刚，彭喜源，谭晓钧，曲春波.《MCS—51单片机应用设计》[M].哈尔滨工业大学 出版社，2001，1.
[3] 俞海珍，李宪章，冯浩.热释电红外传感器及其应用[J].电子照明技术，2006，7.
[4] 海蘭毛玉良赵祥.实时时钟电路DSl302的原理及应用[J].电子元器件应用，2005，12.
[5] 道宏等.基于DSl302的子母钟系统[J].电子技术，2001，4.
作者简介：
肖惠升，1991年9月25日，武汉纺织大学机械工程与自动化学院研究生。