1 引言
1.1 本课题研究的意义
随着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。
目前对灯光的智能控制，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。
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。
1.2 国内外教室灯光控制器研究的现状及其存在的问题
世界各地发电的主要原料是煤炭、石油和天然气，面丹麦在能源利用方面的成功经验提供了很好的借鉴。从1974年以来，尽管丹麦国民收入增长了50%。丹麦总的能源消费量并没有增加。丹麦是OECD成员国中能源消耗量和国民收入比值最小的国家。他们不断地提供一些节能供热系统。例如丹麦热电周供热电厂(CHP)。两且，他们尽可能的有效利用资源。这样，他们的能源使用总效率达到了90%。丹麦政府很重视住房空同用电的节簏，并设立了对新建房屋节能的诸多要求。数据显示，居民入住有节能装置的房子时，他们要支付比没有节能方案房屋高出8%的费 用。其节能项目经验在欧盟国家中广为流传。还有，欧司朗一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%的电能。种种迹象表明世界各国都在采取不同方式 来节约能源，节约电能。
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。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变，荧光灯与普通白炽灯的比例由1995年的1：6.25上升到目前的1：1.5。
目前，我国照明用电约占社会总用电量12%，采用高效照明产品代替传统的低效照明产品可节电60%-80%。如今，北京正在大力推行绿色照明工程，己推出上百万只绿色照明光源和部分节能电器，据估算年节约用电可达3442万千瓦时，节约电费2519.7万元。政府已经在商厦、学校、医院等更换24万只节能灯具。在奥运工程的建设上、也大量运用节能技术，北京的奥运厂馆“水立方”，通过采用大量的节能灯具，装备新技术，通过增强透光性白天可节约照明能耗50%。
我们党在2000年10月11日党第十五届中央委员会第五次会议通过 的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划的建议》中明确指出： “加强基础设施建设是今后五年至十年一项十分重要的任 务。”其中提到的基础设施建设就包括了能源建设。《建议》还强调了能源建设要发挥资源优势，优化能源结构，提高利用效率，加强环境保 护。面临如此紧迫的能源问题，我们应该把着眼点放在“高效”利用“清 洁”能源上。由此可见，节能照明用电，对节能具有重要的意义。
目前国内各类院校中，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关自动控制系统的设计无疑就成为其中一项重要课题。
1.3 本课题研究的内容和目标
1.3.1 研究内容
本课题的研究内容有如下几点：
(1) 了解教室照明光强的标准 ;
(2) 调研教室灯光照明需求以及环境光强弱与开、关灯的关系；
(3) 研究人体存在探测技术，探测角度与范围；
(4) 研究传感器在教室分布、安放问题，是否一灯一个传感器或多灯公用传感器等；
(5) 研究确定人体传感器的有关参数；
(6) 研究灯光控制器电源问题；
(7) 研究控制器参数值设定的要求及方案；
(8) 研究人工设置参数、掉电保存参数的问题；
(9) 研究使用遥控器控制灯光控制器技术；
(10) 研究与现有教室照明相兼容，易替代，不易被偷盗、被仿制，易于维护、维修等控制技术；
(11) 研究报警等附加功能问题
1.3.2 研究目标
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。
1.4 本课题拟解决的关键问题
本课题拟通过试验研究教室灯光的各种控制方案解决如下关键问题：
(1) 照明回路的控制回路与控制器本身的节能问题；
(2) 传感器与教室灯配合安装的问题；
(3) 环境光参数输入采集问题
(4) 人存在传感器参数输入采集问题：
(5) 开、关灯的自动与手动兼容措施；
2．教室灯光控制器简介及控制方案的分析
2.1 教室灯光控制器简介
教室灯光控制器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 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。
3．系统控制模块的硬件设计
考虑到本系统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。
3.1 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3-1所示，
图3-1 结构框框图
3.2 控制系统的主要硬件电路
3.2.1 系统主控电路
本系统的主控模块主要采用ATMAL公司的AT89C2051作为主控芯片，AT89C2051是个低功耗，高性能的CMOS8位单片机，片内含2KB的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128KB的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMAL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位中央处理器和Flash存储单元。AT89C2051只有20个引脚，15个I/O口（其中P1是个完整的8位双向I/O口），2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双向串行通信口，1个模拟比较放大器。指令系统与MCS-51系列完全兼容，除了没有外部数据存储器和外部程序存储器等扩展功能外，他具有80C31片机所有的功能。其主要特点为：（1）MCS-51产品完全兼容；（2）2K字节可编程闪烁内存；（3）编程次数可达1000次；（4）两级程序加密防盗；（5）15个可编程I/O口、2个16位定时器/计数器、可直接驱动LED显示，5个中断源；（6）二级中断优先级、全双工串行口。正是因为AT89C2051单片机具有上述特点，尤其是自带FLASH存储器，并且能够有效擦除1000次，使整个控制系统的硬件电路变得很简单，大大缩短了开发周期。
AT89C2051的CPU有两种节电工作方式既空闲和掉电方式，遥控器采用了空闲节电方式。当CPU执行完IDL=1（PCON.0=1）指令后,系统进入了空闲工作方式,这时内部始终不向CPU提供,而只共给中断、串行口、定时器部分。
AT89C2051的P1是一组8位双向I/O口，P1.2-P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1内部无上拉电阻。P1口输出缓冲器可以吸收20mA电流并可以直接驱动LED。当P1口引入脚写入“1”时可以作输入端，当引脚P1.2-P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而输出电流。P3口还用于实现AT89C2051特殊功能，如表3-1所示。
表3-1 P3口特殊功能
口引脚 |
功能特性 |
P3.0 |
RXD（串行输入口） |
P3.1 |
TXD（串行输出口） |
P3.2 |
 （外中断0）
|
P3.3 |
 （外中断1）
|
P3.4 |
T0（定时/计数器0外部输入） |
P3.5 |
T1（定时/计数器1外部输入） |
AT89C2051的P3口只有7个引脚，P3.6没有引出。P3口的P3.0-P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的7个双向I/O口。P3口缓冲器可吸收20mA电流。当P3口写入“1”时，它们内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
3.2.2 日光强度检测模块电路
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 如图3-2。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，其原理如图3-3所示。
TLC549是采用IinCMOSTM技术并以开关电容逐次逼近原理工作的8位串行A／D芯片，可与通用微处理器、控制器通过I／O CLOCK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。TLC549具有4MHz的片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长为17μs，允许的最高转换速率为40000次/s。总失调误差最大为±0．5LSB，典型功耗值为6 mW。TLC549采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，由于其VREF-接地时，(VREF+)-(VREF-)≥1 V，故可用于较小信号的采样，此外，该芯片还单电源3～6v的供电范围。总之，TLC549具有控制口线少，时序简单，转换速度快，功耗低，价格便宜等特点，适用于低功耗袖珍仪器上的单路A/D采样，也可将多个器件并联使用。它的工作原理是TLC549带有片内系统时钟，该时钟与I／O CLOCK是独立工作的，无需特殊的速度或相位匹配。当CS为高时，数据输DATA OUT端处于高阻状态，此时I／O CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片TLc549时，共用I／OcLOCK，以减少多路(片)A／D使用时的I／O控制端口。
图 3-2 A\D模块
图 3-3 A/D转换器
3.2.3 热释电红外人体检测模块电路
3.2.3.1人体存在传感器的工作原理
自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线，利用红外传感器可对其进行检测。根据工作原理，红外传感器分为热型 和量子型两类，热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器。与量子 型相比，响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可在常温下工作。量子型与热型 的特点相反，而且要求冷却条件。本系统采用的是热释电红外传感器，人体存在传感 器主要采用了红外传感器的原理，它是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水 龙头、自动电梯、自动照明等场合，及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。 其原因为：①被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；②大气对2-2.61LM、3-51LM、8-1411M三个被称为“大气窗口”的特定光通量的红外线吸收甚少，可非 常容易被检测；③中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。
人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性如下：
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。
人体传感器透镜的信号采集敏感区示意图如图3-4，
图 3-4 信号采集敏感区
有人进入时，移动人体发出的红外线被红外传感器接收，则人体存在被感应，并输出 高电平。若人体进入最不敏感移动方向时，则人体传感器所体现的信号就会不理想，有时还会产生误动作，所以要特别注意人体传感器的安装方向。
3.2.3.2人体存在信号采集电路
人体传感器HP-208是深圳市浩博特电子有限公司研发和生产的基于红外线技术的智能产品，它的主要特性如下：
(1) 感应为全自动方式，人进入感应范围时输出高电平(高3.3V），人离开感 应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平(低0.3V)，其高低电平利于采集；
(2) 采用可重复触发方式。即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有 人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时8秒 -15秒后将高电平变为低电平；
(3) 人体传感器工作电压宽为DC3V-DC24V；
(4) 人体传感器制作成锥面形状，感应范围大，小于140度锥角，感应距离 为7米以内；
(5) 其静态电流小于50微安，功耗低；
(6) 工作温度介于-15°和+700°之间，适应性强；
(7) 灵敏度高，可靠性强。
人体传感器HP-208型号的正视图如图3-5所示：
图 3-5 人体传感器HP-208型号
人体传感器的1号引脚为电源信号端，3号引脚为地信号端，2号引脚为采集信号输出端。在电路设计中，为了使人体传感器的工作更加可靠，介于人体传感器的信号引脚2与地信号引脚3之间加一个6800PF的电容，另外人体存在传感器的信号引脚2与单片机的P3.3引脚相连，P3.3引脚再接一个100ＫＱ的上拉电阻，增加人体存在传感器输出信号的可靠性。其电路原理图如图3-6.
图3-6 人体传感器电路图
3.2.4 系统时钟电路
根据教室灯光使用特性，该系统还应受到时间的控制，控制系统的时间应符合学校的作息时闯。比如晚间休息、假期等时闻段应该关掉教室灯光控制系统，以节约 能源，因此本研究还加入硬件时钟电路以保证系统的智能化运行。
3.2.4.1 硬件时钟芯片的选取极其接口电路
传统的时钟芯片，如MCL46818、MC68H68T、LM8365等，这些芯片的引脚太多，体积大，占用的口线多。而现在流行的串行时钟芯片很多，如DSL302、DSL305、DSL307、PCF8485等，这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛的使用。考虑到 本系统停电时只需对时钟电路提供电源、且不需要占用太多单片杌资源，本系统采用美国DALLAS有充电能力的低功耗1×8的用于临时性存放数据的RAM 寄存器的实时时钟芯片OS1302的是串行通信方式，还可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。它可以对年、月、日、周日、时、 分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V-5V,DL302 的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源／后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。而且本系统采用的DS1202只需三根线即可与单片机进行通信，体积小，使用简单，时钟精度较高，满足系统的要求，
可为掉电保护电源提供可编程的充电功能的时钟芯片DS1202的引脚图如图3-7所示
图3-7 时钟芯片DS1202的引脚图
DS1302与单片机接口电路连接原理图如图3-8，其中Vcc2：外接3.6V可充电的锂电池，为DS1032的备用电源。Vcc1外接系统供电模块的输出稳定电压+5V，为DS1302 的主电源。DS1302由Vcc1和Vcc2两者中较大者供电。系统正常运行时，Vcc1大于Vcc2， 因此由Vcc1给DS1302供电，在主电源关闭的情况下，则由Vcc2给DS1302供电，保持 时钟的连续运行。X和X2是振荡源，外接32.768KHz晶振。RST是复位/片选线，通 过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送，与单片机的复位信号相连。时钟 输入端ＳＣＬＫ接单片机P1.5引脚，进行时钟控制。数据输入/输出端I/O接单片机P1.6 引脚，进行数据传输。
图 3-8 DS1302与单片机接口电路连接原理图
3.2.4.2 硬件时钟芯片的引脚功能极其工作原理
RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次RST提供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，允许对DS1302迸行操作．如果在传送过程中RST置为低电平，就会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc≥205V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。I/O为串行数 据输入输出端（双向），后面有详细说明。SCLK始终是输入端。
硬件时钟芯片DS1032与微处理器进行数据交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高位MSB(D7)必须为逻辑1，如果D7=0，则禁止写DS1032，即写保护；D6=0，指定时钟数据，D6=1,指定RAM数据；D5-D1指定输入或输出的特 定寄存器；最低位LSB(D0)为逻辑0，指定写操作（输入），D0=1，指定读操作(输出)。 在DS1032的时钟日历或RAM进行数据传送时，DS1032必须首先发送命令字节。 若进行单字节传送，8位命令字节传送结束之后，在下2个SCLK周期的上升沿输入 数据字节，或在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。DS1032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，其命令控制字为COH～FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM寄存器，在此方式下可一次性读、写所有的 RAM的31个字节。 要特别说明的是备用电源，可以用电池或者超级电容器(0.1F以上)。虽然DS1032 在主电源掉电后的耗电很小，但是，如果要长时间保证时钟正常，最好选用小型充电 电池，以用老式电脑主板上的3.6V充电电池。如果断电时间较短（几小时或几天），就可以用漏电较小的普通电解电容器代替。100μF就可以保证1小时的正常走 时。DS1032在第一次加电后，必须进行初始化操作。初始化后就可以按正常方法调整时间。
3.2.5系统看门狗电路
在单片机工作过程中，不可避免的回由于外界的干扰而产生程序跑飞，死机甚至照成整机瘫痪等情况，为了能够恢复单片机的工作，只能采用复位的方法。虽然在程序设计中，可以使用软件陷阱的方法来减少这种情况的发生，但是不能完全解决这个问题，因此还应该在硬件设计中使用看门电路，这样的单片机发生死机的情况下，看门狗将产生一个复位信号给单片机，使单片机复位，重新执行程序。现在的MCU被集成了越来越多的功能，有的集成了看门狗，如IMP813L。由于系统需要看门狗和EEPROM所以本硬件设计中使用美国XICOR公司生产的芯片X5045。
X5045具有三种功能：看门狗定时器，复位控制和EEPROM集成在单个8引脚封装的CMOS器件内，将电源监控和看门狗功能与高速三线非易失性存储组合在一起，从而在很大程度上降低了系统成本减少了系统并减少了对电路板空间的要求，X5045的引脚排列如图3-9。
图 3-9 X5045的引脚排列
看门狗定时器的预置时间是通过X5045的状态寄存器的相应位来设定的。如表格3-2状态寄存器所示，X5045状态寄存器共有6位有含义。其中WDI、WDO和看门狗电路有关，其余位和EEPROM得工作设置有关。
表3-2 状态寄存器
D7 |
D6 |
D5 |
D4 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
X |
X |
WD1 |
WD0 |
BL1 |
BL0 |
WEL |
WIP |
WD1=0,WD0=0,预置时间为1.4秒。
WD1=0,WD0=1，预置时间为0.6秒。
WD1=0，WD0=0,预置时间为0.2秒。
WD1=1,WD0=1,禁止看门工作。
看门狗电路的定时时间的长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。
本系统中X5045的硬件连接图如图3-10所示
图 3-10 本系统中X5045的硬件连接图
系统数据存储及故障保护部分由X5045组成，X5045是一种串行通讯的512字节EEPROM，同时兼有看门狗和电源监控功能，X5045有三种可编程看门狗周期，上电和VCC低于检测门限时，输出复位信号，X5045输出复位电平有效，为了复位更加可靠，其复位输出端外接一个10K的上拉电阻，并与AT89C52的复位端相连，看门狗能在电源上电、掉电期间产生一个复位信号。该芯片还带有一个104秒的看门狗定时器可监控单片机的工作。如果在1.4秒内未检测到其工作，出现故障，内部定时器将使看门狗WDI处于低电平状态，为系统提供保护，避免死机程序跑飞货进入死循环等意外的发生。
X5045代表了新一代串行EEPROM的发展趋势，它的运用极大的节省了系统空间和资源，同时简化了电路设计，缩短产品开发周期。
3.2.6 遥控键盘管理模块电路
红外遥控键盘是目前使用最广泛的一种遥控手段。由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空调机以及玩具等其他小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅可靠而且能有效地隔离电气干扰。我们采用市场上很容易就能买到，且信号较稳定的JVC：RM-C457型号遥控器作为灯光控制的键盘。
3.2.6.1 红外遥控数据流的编码结构
为了使系统具有较强的抗干扰能力，信号的码流绝大多数采用“重复”发送方式，但其重复规则有所不同，可概括为以下几种：
（1） 简单重复方式，即将数码进行简单重复发送；
（2） 有引导码的数据重复方式，引导码主要是为了保证接收同步；
（3） 重复码方式，为了降低功耗，第一组数据发送出去后，每隔一定时间仅发出一个窄脉冲，称为重复码；
3.2.6.2 红外遥控数据流的识别
选用遥控器键盘的时候，原本我们并不知道其具体的编码规则及数据码流。本人采用顾伟电子实业有限公司生产的GDS-815/820/840系列的数字储存示波器，来采集遥控器发出的键码信号并总结码流方式，以备遥控器的软件设计使用。
每个键的信号测量数据如表3-3，X1表示引导码的宽度，X2表示识别码和数据码的总宽度，其宽度单位为 ms。由表中数据可以计算出X1的平均值为16.3ms。
表3-3 每个键的信号测量数据单位：ms
X1值 |
16.3 |
14.9 |
16.7 |
16.3 |
16.2 |
16.5 |
16.4 |
16.5 |
17.0 |
X2值 |
23.3 |
24.2 |
22.3 |
25.3 |
23.3 |
23.8 |
23.6 |
22.4 |
22.2 |
由此可知当一个键被按下延迟40ms时，这40ms发射代码由一个起始码（16.3ms）和一个16位数据码（23.35ms）组成。如果按键下超过40ms仍不松开，接下来发射重复代码，仍为一个起始码（16.3ms）和一个16位数据码（23.35ms）组成。
采用脉宽制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms，周期为2.25ms的组合表示二进制“1”。解码的关键是如何识别“0”和“1”，由示波器采集的信号及位的定义我们可以发现“0”、“1”均以0.56ms的低电平开始，不同的高电平的宽度不同，“0”为0.56ms，“1”为1.68ms，所以必须根据高电平的宽度区别“0”和“1”。如果从0.56ms低电平过后，早开始延时0.56ms，诺读到电平为低、说明该位为“0”，反之则为“1”。
遥控器的数据流识别后，就为遥控器的软件设计提供了依据。本系统采用微机一体化红外接头，适合各种红外线遥控和红外线数据传输的红外线接收器其红外线接收器如图3-11。此红外线接收器是一种集红外线接收和放大于一体，不需要任何外接元件，只是焊上一个10mf的滤波电容，可以使接收器工作更可靠。遥控器信号的接收模块与单片机的连接如图3-12，ceiptl有三个引脚，为接收器的引脚。接收器输出端外接单片机的P3.2端口，便于遥控信号采集。
图 3-11 红外线接收器
图 3-12 遥控器信号的接收模块与单片机的连接
3.2.7 超时报警电路
在教室中，若采用手动方式控制时，一方面由于学生及管理人员的疏忽，教室里没人而灯还亮着，导致教室灯工作超时，能源浪费，于是本系统采用超时报警电路，以声音的方式来提醒管理人员是否关闭电源，另一方面由于学生学习紧张，在夜里忘了时间点，学习期间开灯时间过长，致使教室灯工作超时于是本系统超时报警电路就会发出声音，提醒学生该休息或必须改用遥控器手动方式来控制灯了。
本系统采用超时报警的电路如图3-13所示。单片机的P3.4端口外加一个10K的上拉电阻，再经过限流电阻100欧与三极管C945的基极相连。当P3.4端口为低电平，即基极为低电平时，三极管导通，驱动蜂鸣发出声音以示教室灯工作超时，若P3.4端口为高电平时，即基极为高电平时，三极管截止，蜂鸣器不工作，教室灯工作正常。
图 3.13 超时报警的电路
3.2.8 系统供电电路
要取得+5V电压，若选用12V的变压器，整流滤波后输出往往大于12V，会使稳压器功耗大，自身温度较高，故不选用输出电压为12V的变压器，而选用输出电压为9V的变压器。系统接通220V交流电源后，将220V交流电变压到9V，经过二极管全波整流、电解电容C1、C2滤波，在经一只正在正输出稳压器LM7805，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+5V的直流工作电源，用于给控制系统中单片机系统及其它外围电路的Vcc+端供电，其供电原理图如图3-14。
图 3-14 供电原理图
在硬件时钟模块中，为了在断电后硬件时钟能够正常运行，故采用主从双电源供电方式。硬件时钟一般在系统的+5V主电源情况下工作，而只有系统+5V电源消失的情况下，为确保硬件时钟的正常运行，设计一个3.6V的备用电源。
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。
本控制软件的模块主要包括：系统监控主程序模块、数据采集模块及系统功能键。
4.1 系统监控主程序模块
监控主程序是整个控制系统的核心部分，其外围模块一般都需要经过监控模块实现其在监控系统中的作用。监控主程序接受和分析来自键盘的命令，进而把控制转到相应的处理子程序的入口，起引导作用。
本系统监控主程序模块包括对系统外围器件输入、输出参数的初始化自检，看门狗的激活，多任务操作模块的调用，实时中断处理等。其监控主程序流程图如图4-1所示：
图4-1 监控主程序流程图
4.1.1系统自检初始化
系统自检初始化是保证整个控制系统能够正常运行的重要条件，系统价电复位后，直接进入自检初始化程序，完成系统的自检初始化的自检及初始化。初始化过程主要是对一些控制器、数据区和外部芯片进行初始化参数设置和定义。本系统中自检初始化主要指接口芯片的检测芯片内部设定参数的初始化内部寄存器的初始化。
接口芯片的检测主要检查各芯片是否已处于准备工作的就绪状态，有无硬件故障等。如检测各位LED是否正常显示系统设置开机时的界面，检查硬件时钟DS1302是否处于更换新品后初次使用为起振状态，还是处于备用电源供电震荡保持状态，检测环境光是如何影响光采集电路输出信号等。
系统内部寄存器初始化主要是指数据缓冲区内，各用户定义的数据变量的初始化赋值及部分特殊功能寄存器SFR的复位初始化，单片机复位后，程序计数器PC指向程序存储器的入口地址0000单元，程序状态字寄存器PSW清零，片内部存储器选择1区工作寄存器，用户标志位F0为0状态，堆指针SP指向07H，其他定时器、中断允许寄存器IE累加器ACC等皆为00H。
4.1.2 定时中断处理
定时中断时利用单片机内部的定时器定时时间到或计数值已满的终端，内部定时器的计数器可以对内部时钟或从外部引线T0和T1输入的外部脉冲进行计数，计数器的溢出信号作为中断请求信号，去置位定时器溢出标位，向单片机的CPU申请中断。
定时中断为周期中断，每隔一定的时间会中断一次。本系统中设定的定时中断主要用来构成多任务操作系统，在系统响应中断后，无需对断点实施现场保护，可以直接进行多任务时间的划分工作，使相应的操作任务进入就绪状态，即该中断可以启动有关的任务就绪。该定时中断处理程序框图如图4-2所示。
本系统还采用了外部中断，此外部中断主要用来判断是否有遥控器信号，若有，就采集下来并加以处理；若无，则返回到主循环。
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。
4.2.1 数据采集软件设计的实现
本系统考虑到环境观足够亮时，无论有否人体存在都不应该开灯；而环境光不够亮时，有人体存在才开灯，无人体存在不开灯。本系统逻辑定义为环境光亮时为二进制的“0”，暗时为“1”，人体存在为“1”，人体不存在为“0”，开灯为“0”，关灯为“0”，那么环境光与人体存在可以有以下的逻辑关系表表示，如表4-1。
表4.1 环境与人的关系
环境光参数 |
人体存在参数 |
教室灯状态 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
上表数据表明可将环境光参数与人体存在参数相与门操作，又由于继电器是低电平驱动，多以要将采集处理后的信号进行非操作，才可以驱动继电器工作，及可得到教室灯的状态，其软件程序为：
；Function: BodySensor and light to port365
DsSensLight:Mov c,port33 ;Signal of Sensor
Anl c,port37
C c ;have person and no light
Mov port35,c ;on relay 1
Mov port36,c ;on relay 2
Jnc sensout ;delay 5 minute
Sensout: ret
4.2.2 人体存在传感器的安装要求
人体存在传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系，正确的安装应满足下列条件：
1. 人体存在传感器应离空调地面2.0-2.2米。
2. 人体存在传感器远离空调，冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。
3. 人体存在传感器探测范围内部得隔屏，家具，大型盆景等。
4. 人体存在传感器不要直对窗口，否则窗外的热气扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上，人体存在传感器也不要安装在有强气流活动的地方。
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。
4.3.1时钟程序设计
对DS1302进行读写的程序流程图如图4-4所示
图4-4 DS1302进行读写的程序流程图
在对DS1302进行操作时，读出的数据为BCD码，同样在写操作时，写入的数据也必须为BCD码，这就需要在数据写入之前、读出之后进行必要的数据进制之间的转换，以便与系统其他数据在比较时相对应。本系统中，设定的时间参数一般都为二进制或十六进制数，故程序中进行二进制与BCD码之间的转换，其相互转换程序如下：
；二进制转换为BCD码
；Function: DisTmeBCD
DisTimeBCD: Mov A,@RO
AnL A,#OFH
Mov @R1,A
Inc R1
Mov A,@RO
Swap A
An1 A,@ofh
Mov @R1,A
Inc R1
Inc R0
Ret
;BCD码转换二进制
；Function: DisTimeHex
DisTimeHEX: Mov A,@RO
Mov B,#10
Div AB
Mov @R1,B
Inc R1
Mov @R1,A
Inc R1
Inc R0
Ret
4.4 系统键功能
4.4.1 遥控键盘
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。
其红外线遥控器解码的中断子服务子程序如下所示：
：Function: controller Interrupt
Jntoentry:Jb KeyGetF,IntQ
Jb Keypress,IntQ
Push ACC
Push PSW
Mov GetKey+1,THO
Mov GetKey,TLO
Mov THO,#00H
Mov TLO,@00H
CLr C
Mov A,GetKey+1
Subb A,#Guide
JnC IntoEnd
Clr C
Mov A,GetKey+1
Subb A,#Guide
Jnc IntoEnd
Clr C
Mov A,GetKey
Subb A,@Zerol
Mov A,GetKey+1
Subb A,#ZeroH
Cpl C
Mov KeyBuf+1,A
Jc Int00cut
Xrl A,#03H
Jnz Int0End
Mov A,KeyBuf
Subb A,#20H
Mov KeyGet
Setb KeyGetf
Setb Keypress
Mov secl0time5,#Keyyime
Clr lightF
intoEnd: Mov KeyBuf,#7FH
Mov KeyBuf+1,#0FFH
Int00ut: POP PSW
POP ACC
RetI
上面程序可以把遥控器要使用的红外遥控器每一个按键的按值读出来，并且通过数码管将键值显示出来，以便观察遥控键盘信号采集正确与否。
4.4.2 键功能处理程序
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，其出现如下：
DoKey: Mov a,KeyGet
R1 a
Mov Dptr,#KeySub
Jmp @a+dptr
KeySub: Ajmp Key0 ;0
Ajmp Key1 ;1
Ajmp Key2 ;2
Ajmp Key3 ;3
Ajmp Key4 ;4
Ajmp Key ;5
Ajmp key ;6
Ajmp key ;7
Ajmp key ;8
Ajmp key ;9
可见，通过对系统不同功能进行测试，系统工作正常，与设定值相比调光误差为±5．0％ ，测试效果良好，满足实用的要求。
5 结论与建议
5.1结论
本课题对适合应用于教室灯光控制系统部分进行了研究。以环境光、人体存在状况等外界环境为控制器的输入参数，比单纯的人员管理教室灯光更合理更有效的降低教室灯光的资源费用，同时还加入时间控制参数，使教室灯光的控制更加符合学校的作息时间。本控制系统的设计对于各类大、中专院校的教师灯光管理具有重要的意义，也使用于各类办公室的灯光控制。
该教室灯光系统的控制是以AT89C2051单片机主控单元为核心，通过相关电脑的驱动，完成对系统设备（灯光）的控制，采用一个二极管闪烁显示整个系统的工作状态，实现对教室灯光的自动开灯、关灯控制。系统设计智能化控制的同时还设置了手动和遥控器控制，这样在系统偶尔出现故障时，可采用手动操纵，不至于影响教室灯光的正常使用。
在保证系统与已有的教室灯光配套使用时，不需要对原有设备电路进行大的改动，以降低成本实现教室灯光的智能控制。
5.2建议
由于教室大小面积各不相同教室灯光数量不一教室内部安装智能控制设备的数量也会有所不同，特别是人体传感器使用的数量受面积的影响很大，一套教室灯光控制系统也只是在有限的范围内。若教室面积很大，超过传感器的辐射范围，这样采集的信号可能会不够准确，进而影响控制设备的运行。为防止这种现象的发生，使系统更加的可靠，最好采用多个传感器。
初步试验表明，基于C51单片机的教学楼智能照明系统，能完成对教学楼内各种教室及楼道照明的智能控制，精度在要求指标范围内。
致 谢
在本文即将结束之际，我要由衷地感谢在我毕业设计阶段，乃至专科三年学习生活中帮助过我的师长与同学。
首先我要感谢我的导师万嵩老师。在设计的过程中，我得到了万老师的精心指导。授人以鱼不如授之以渔，而授人以渔不如施之以德。设计期间，感受着万师渊博的学识，深邃的思想，雄阔的视野，耳濡目染，潜移默化，不仅使我努力的改变着“好读书，不求甚解”的习惯，努力培养“知其然，且知其所以然”的求学态度，而且还明白了许多待人处事与为人处世的道理。其严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，与无微不至、感人至深的人文关怀，令人如沐春风，倍感温馨。在论文完成的过程中倾注了导师大量的心血，在论文完成之际，特向我尊敬的万嵩导师表示衷心的感谢。
我还要感谢杨世礼、徐闯、谢孟飞等同学。我在学习、工作和论文写作中，得到了他们的热忱帮助，在此向他们由衷的感谢。
最后，对我的父母以及所有亲人给予我的理解、帮助和支持表示深情的感谢。是他们对我的关爱、理解和支持陪伴我度过生命中许多难忘的日子，他们是我学习和生活的精神支柱。古人云：“羊跪乳，鸦反哺”今后我将竭尽所能，加倍补偿这份一辈子也还不清的深情。
以此文献给所有关心与帮助过我的亲人们、老师们和朋友们！
参考文献
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[12].北京大力推行照明灯过程
附 录
