摘 要：本系统针对如何智能控制教室照明，避免用电大量浪费等问题进行研究，并且对实现教室照明智能控制的原理、方式及方法等问题进行了探究，提出了基于单片机的教室照明智能控制系统的设计方案，并在此基础上开发出了智能照明控制系统。系统的核心部件是STC89S52单片机，它通过红外对管检测并统计进出教室的人数；使用光敏三极管来检测环境光的强度；以判断教室是否符合开、关灯的条件，从而实现了对教室照明的智能控制。软件部分使用的是C语言，在MDK编译器中进行编写，为了使代码便于改进和扩充，软件部分采用模块化结构设计。该系统还具有针对性强、可靠性高、控制方便、性价比高、体积小等特点，很大程度实现了节能的目的，满足了各种教室照明控制的要求。
关键词：智能控制；教室照明；单片机
中图分类号：TP273.5；TP368.1 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）09-0022-07
Abstract：This system is aimed at the research on how to control the lighting in the classroom intelligently，avoid the problem of wasting electricity and so on. The principle，the way and the method of realizing the intelligent control of the classroom lighting are explored，and the design scheme of the intelligent control system of the classroom lighting based on the single chip microcomputer is put forward，and the intelligent control system is developed on this basis. The core component of the system is the STC89S52 microcontroller，which detects and counts the number of people in and out of the classroom through the infrared tube. A phototransistor is used to detect the intensity of ambient light，and to judge whether the classroom meets the conditions of turning on and off the lights，thus realizing the intelligent control of classroom lighting. The software part uses C language and is written in MDK compiler. In order to make the code easy to improve and expand，the software part uses modular structure design. The system also has the characteristics of strong pertinence，high reliability，convenient control，high cost performance，small volume and so on. It realizes the purpose of energy saving to a great extent，and meets the requirements of lighting control in various classrooms.
Keywords：intelligent control；classroom lighting；singlechip
1 教室照明智能控制系统简介与方案分析
1.1 教室照明智能控制系统简介
本控制系统能有效地实现对教室照明的智能控制。它以环境光照强度信号、教室是否有人存在信号等外界因素作为主要的输入参数。当环境光的强度大小达到了特定阈值甚至更大时，灯始终保持关闭状态，在有人并且教室环境光照强度大小低于特定阈值甚至更小时，根据教室中的人数自动开灯。通过理论分析可知，这种设计方案可以实现对教室照明的有效的智能控制。
为了使采集的信号更加可靠、灵敏，尽可能避免外界因素对传感器的干扰，控制器一般安装在教室内避开光线直射的位置，红外对管传感装置需要安装在教室门口，已达到检测和统计教室人数的目的。整个系统由红外对管传感装置和光敏三极管对信号进行数据采集，处理器对采集到的信号进行数据处理，最后由处理器实现对教室照明的控制。为了达到更加人性化和智能化的目的，系统还增加了人工控制、环境亮度检测、温度检测、实时时钟、液晶显示等功能。
1.2 系统控制方案分析
为了达到方便和节能的目的，本系统具有能对教室里人数和教室照明情况进行实时检测、鉴定和分析的功能，并且能够通过检测到的信息对教室照明情况进行实时控制。为了使系统到达智能化和人性化的控制目的，所以本系统把教室照明控制分为两种方式：自动控制状态和强制执行状态。
自动控制状态：在系统上电复位后，将处于自动控制状态，如果教室光照的强度大于预先设定的阈值时，那么不管教室里有没有人，灯始终处于关闭状态；如果教室光照的强度小于预先设定的阈值时，那么系统就会根据当前教室人数的多少来确定打开或关闭灯的数量。当有人走进教室的时候，红外对管传感装置就会将感应到的信号发送到处理器中进行处理，液晶显示模块上的人数将会显示为1，同理当再有人出（入）教室时，液晶显示器上的人数将自动加（减）1。
强制执行状态：当系统工作在自动控制的状态下时，通过按下强制/自动切换按键就切换到了由人控制的强制状态，如果再次按下此切换按键就恢复到自动控制状态。
教室照明智能控制系统分为软件和硬件两个主要的组成部分。其中硬件部分是实现系统功能的前提，它不仅保障了整个系统地执行，而且提供了软件的程序运行平台；而软件部分实现了硬件电路中各端口电平信号地采集，并对其进行分析和处理。通过软、硬件结合最终让整个系统实现了所要实现的各个功能，以达到系统的设计要求。
2 系统的硬件电路设计
2.1 系统硬件电路构成及简介
系统主控模块的核心控制单元是STC89S52单片机，它的主要外围电路包括：温度检测模块、时钟模块、红外对管模块、环境光采集模块、LCD显示模块、独立按键电路、LED控制电路，其结构框图如图1所示。
2.2 系统主要的硬件电路
控制教室照明设备中用到了红外对管传感装置和光敏三极管，由于光敏三极管会根据所安装环境的不同而变化，因此，本系统在安装的过程中可能会受到许多环境因素的影响。故在本设计中我们对如何选用电子元器件、如何对线路进行合理布局以及如何恰当的安装设备等问题进行了深入而细致的讨论。
2.2.1 系统主控模块
作为主控模块的处理器，STC89S52单片机是一种采用CMOS工艺的处理器，其主要特点有：功耗低、性价比高、寻址位为8位。该芯片具有Flash存储器，Flash存储器的特点是可重复擦除和编写代码，从而非常方便的在线上进行程序编写。主控模块使用这款处理器的原因是其外围电路简单，性价比高，而且与其他处理器相比，这款处理器的工作时的频率相对比较低，但是却完全能满足本设计的需要。之所以在STC89S52单片机的P0口添加一个上拉电阻，是因为该端口正常工作的电流比较小。另外，单片机最小系统还包含晶振电路和复位电路。表1为本系统中对该芯片的引脚配置情况。
单片机最小系统如图2所示。
各个引脚的介绍如下：
（1）40引脚（Vcc=5V）、20引脚（GND）。
（2）18、19引脚接12M晶振。
（3）9（RST）引脚接复位电路。
（4）31（EA）引脚接高电平（5V）。
2.2.2 系统电源供电电路
电源电路如图3所示，输入的220V交流电经过变压器降到12V，之后依次经整流桥整流，C1、C2电容滤波，三端稳压芯片LM7805稳压，最终输出5V的电压为系统供电。
2.2.3 温度采集电路
温度采集电路如图4所示。本系统对温度的采集，使用的是DS18B20温度传感器。DS18B20温度传感器的测量范围在-55℃～+125℃之间，增量值为0.5℃可在1s（典型值）内将温度转换为数值，它的使用环境和测量精确度基本满足本系统设计的需求。借助过单总线协议将DS18B20的数据发送到处理器，处理器对接收到的数据进行并进行运算得出温度值。R23为上拉电阻，在这里起着增强DS18B20抗干扰能力的作用。
2.2.4 实时时钟电路
因为教室灯光有时需要在不同时间段使用，所以还需要通过时间来限制本系统的使用，因此在设计本系统的时候加入硬件时钟电路，以保证整个系统的智能化运行。
考虑到停电的特殊情况，需为系统的时钟电路提供一块能够独立供电且不过多的占用单片机的内部资源，因此本教室照明智能控制系统使用了外部实时时钟芯片DS1302，它不仅具有充电能力，而且还可以临时存放RAM寄存器的时间数据。DS1302使用的通行方式为串行通信，具有掉电提供充电和保护电源的功能，将其关闭后就不能使用此功能。这款时钟芯片的特点是：不仅能对年、月、日、时、分、秒进行单独计时，而且具有闰年补偿等常用的时间计量功能。它的工作电压为2.5V～5.5V，与系统的工作电压一致，设计的电路也比较简单。DS1302时钟芯片在与处理器进行通行时，只需三根线即可达到通信的目的，它具有使用简单、时钟精度较高、体积小、性价比高等优点。所以这款时钟芯片完全能达到我们设计系统时对时间的全部要求；其各个引脚如图5所示。
各个引脚的功能介绍如下：
P1口（Vcc1）：主要电源。
P2口（Vcc2）：备用电源。若P2口的电压大于P1口电压加0.2V电压之和时，P2口将会向时钟芯片DS1302供电；若P2口的电压小于P1口的电压，则由P1口向DS1302提供电力。
P7口（SCLK）：串行时钟的输入端，它控制时钟芯片DS1302中数据的输出与出入。
P6口（I/O）：作为三线接口，可接双向数据线。
时钟芯片DS1302连接处理器的接口电路如图6所示，U1为时钟芯片DS1302，其中第5、6、7引脚与单片机相连，处理器根据DS1302的时序，通过编写程序来读取时钟芯片发过来的时间，然后再将读取出来的时间发送到显示模块进行显示。原理图中的J1为纽扣电池接口，即系统掉电时的备用电池，当发生停电等特殊情况导致外部电源无法给时，钟芯片供电，因为时间需要一直走，这时候纽扣电池就会直接向时钟芯片供电，防止时间停止或异常。为了提高DS1302的抗干扰能力，在设计电路时添加了R2、R3、R4三个上拉电阻。原理图中的Y1是晶振，同处理器中晶振的原理一样，都是为芯片提供振荡信号，有了这个振荡信号芯片才能正常运的工作，在时钟芯片DS1302的数据手册中明确规定的晶振大小为32.768Hz。
2.2.5 数据检测电路
教室环境光照亮度的信号和教室里是否有人的信号是该系统所考虑的主要输入参数，因此系统所要采集的主要对象就是教室中的光照强度和是否有人存在这两个信号。检测环境光照强度的常用元件主要有光敏电阻，光敏二极管和光敏三极管。在进行光照强度的采集时，要求灵敏度高、可靠性强，同时考虑到抗干扰的问题，因此本系统选用灵敏度较高的光敏三极管。
数据检测电路如图7所示，图中U4为LM339运算放大器，其主要作用是作为电压比较器使用，由电压比较器的原理可知，当输入电压V+>V-时，输出高电平，当输入电压V+
2.2.6 独立按键电路
各个独立按键的输入信号分别接到P1.6、P1.7、P3.0、P3.1、P3.1、P3.3引脚，当按键按下时，与按键相连的引脚接地，处理器通过判断端口的电平是否为低电平来确认按键是否按下。独立按键电路如图8所示。
各按键功能如下：
SELT：设置时间、定时开关灯等参数。
ENTER：确认所设置的参数保存并退出。
UP：参数加1。
DOWN：参数减1。
MODE：自动模式与强制模式切换。
SWITCH：强制模式下控制灯的开关。
2.2.7 LCD1602液晶显示电路
LCD1602液晶显示电路如图9所示，液晶屏LCD 1602，LCD1602与处理器并行连接，能够接收和显示处理器发送过来的命令和数控；其中R1为电位器，可以通过电位器来调节液晶屏的对比度。
2.2.8 LED灯控制电路
LED控制电路如图10所示，LED2～LED5为模拟的教室照明灯，处理器输出低电平时灯被点亮。
3 控制系统软件设计
控制系统软件设计主要完成的是对硬件电路的驱动以及对红外对管传感装置和光线检测装置信号的采集。根据采集到的信号设置当前状态，以实现对教室灯光的自动控制。主要包括：数据处理、按键扫描、结果显示。
3.1 控制系统主程序流程图
控制系统程序流程图描述了整个系统程序运行时的控制情况，如图11所示。系统上电之后就会对外围器件的输入、输出参数进行初始化，然后进入自动控制模式。在系统的自动控制模式下，如果有人进出教室，处理器接收到信号以后，会将处理后的数据发送到液晶显示模块，此时液晶显示屏就会自动显示当前教室人数的加减情况，并且根据教室中人数的多少和教室光强的大小共来同来控制教室里灯的亮、灭情况。当按下强制转换的按键后，系统转为强制控制的状态，此时就可以通过人来控制教室里灯的亮、灭情况。
3.2 数据采集方法分析及实现
光敏三极管所采集的光照亮度信号和红外对管所采集的有无人存在的信号是该系统数据采集的主要对象，并且在程序设计中，这两个数据的采集电路元件均在自动模式中进行实时采集。
在设计本系统程序时我们注意到教室光照强度很大的情况下，不管教室里是否有人，照明灯可以一直都是关闭的，而若教室内的光强度不够大时，只有当有人在教室的情况下才打开灯，没有人在教室则灯始终处于关闭状态。本系统逻辑定义为：环境光强度足够大时为逻辑“0”（与环境光强采集电路输出信号一致），环境光强度不够大时逻辑为“1”，定义教室有人的情况为“1”，反之，为“0”，灯正常开启为“1”，正常关闭为“0”，从而教室内的光照强度大小与教室里是否有人在所对应的教室里的灯开、关状态便能够用以下的逻辑关系表来表示了，其三者之间的逻辑关系如表2所示。
由以上分析得出人数统计流程图，如图12所示。
3.3 实时时钟电路
系统接上电源后进行自检以及初始化的过程前就应知道时钟芯片DS1302此时的工作状态，因为只有在DS1302处于开启状态的前提下，才能对系统进行初始化，并且启动时钟。
对DS1302进行数据输入输出时必须先进行初始化，只有这样才能对它进行各种操作，所以在一开始的时候需要把复位输入端RST置为“1”（高电平状态），因为复位输入端RST为“0”（低电平状态）时，所有的数据将会被中止传送，并且I/O引脚将会变为高阻抗的状态。但是在数据的读/写完成之后，应该将复位输入端RST置为“0”（低电平状态），这样就可以防止外部信号对DS1302的内部时钟造成干扰或影响。
为了防止复位输入端受到外部的干扰，在系统上电的同时，且主电源的引脚电压没有超过2.5V之前，RST引脚一定要是低电平。不管对DS1302时钟芯片进行任何操作，都只能在刚开始的前8个时钟周期之内把数据写入时钟芯片的移位寄存器中。当在进行完以上操作之后，SCLK引脚为上升沿状态，数据将会串行输入，若将命令字节信息装入到时钟芯片的移位寄存器后，则立刻出现写数据的命令字节信息，那么将在接下来的8个SCLK周期为上升沿状态时，完成数据字节信息的输入；若跟随的是读数据的命令字节信息，数据将会在8个SCLK周期为下降沿状态情况下输出，程序流程如图13所示。
3.4 显示驱动模块
如图14所示，为LCD1602显示模块流程图，在LCD 1602初始化完成后，由处理器将检测到的人数、光照强度等数据发送到LCD1602显示模块中进行显示出来。
4 系统的调试方法及主要问题分析
4.1 系统调试方法分析及实现步骤
本照明控制系统分别对硬件及软件两部分进行调试，调试的主要目的是及时发现、解决硬件和软件中存在的问题，并对存在的问题及时作出整改，同时检查整个系统的运行结果是否和设计的目的、要求一致。
在对系统进行实际调试的过程中，首先应对硬件的各个模块电路进行静态调试，同时进行初步测试和系统程序分析，然后再使用动态调试的方法对整个系统的硬件和软件进行调试，只有系统能进行正常的、稳定的工作才能说明调试完成。
（1）静态调试：排除系统硬件电路中明显故障的方法称为静态调试。
（2）软件调试：通过计算机上的仿真软件对系统的软件进行调试，并将调试好的程序导入到仿真软件中，就可以进行软件的指令模拟和运行状态的模拟，从而检测出软件存在的问题，进一步完善系统应用软件的开发过程。
（3）动态调试：整个控制系统的硬件部分和硬件部分是密不可分的，虽然静态调试和软件调试都对软、硬件进行了测试，但是还是不能保证在现实中的系统完全正常的工作，所以应用程序还需要跟实际的硬件电路连接起来进行联调，在检测和诊断软件/硬件各部分模块时，如果存在逻辑上错误，需要及时的整改。
调试完毕后，利用单片机的串口将调试好的程序烧写到单片机中，整个系统就会按照代码中设定好的程序正常的运行起来。
4.2 调试过程中的主要问题分析
调试过程中系统存在的以下主要问题，并对这些问题进行分析，确定解决方案：
（1）在电源供电电路中7805稳压芯片的温度过高，容易烧坏。
分析：稳压器温度过高的原因之一是其工作电流较大。
解决方案：增大散热片或在7805稳压芯片前在加一块7812稳压芯片。
（2）红外对管传感装置在检测人进出教室时不够灵敏。
分析：人从教室门口通过的时间长短不一，所以程序不能通过延时来检测是否有人通过。
解决方案：将程序中的延时判断改为条件判断，根据红外对管检测到的信号进行判断。
（3）单片机输出控制信号后，模拟LED没按预定的设计产生动作。
分析：单片机输出控制信号弱，不能驱动LED。
解决方案：可以通过加三极管将信号进行放大后来驱动LED或减小LED的限流电阻。
（4）每次系统上电后，LCD显示的时间都是从所设置的默认值开始计时。
分析：硬件时钟显示的时间不正常。
解决方案：对硬件时钟电路和时钟芯片进行自检。
5 结 论
本文通过对目前教室灯光智能控制的发展趋势和控制管理的分析，对传统的教室灯光控制系统进行了智能优化改进。本系统各个模块电路及传感器通过处理器STC89S52单片机芯片进行驱动，实现了系统对教室灯光的智能控制，并且使用状态指示灯实时显示系统的状态，方便检测、设置和使用，以已达到智能控制教室灯管的目的。为了增强系统的扩展性以及为以后升级系统版本（如可以在本系统的基础上添加火灾报警装置、环境空气检测装置等）预留空间，整个系统的硬件电路设计大多数采用集成芯片（如7085稳压芯片、LM339电压比较器、DS1302时钟芯片等），以简化硬件电路的设计，节约处理器的资源。经过反复的检测和调试，并在现实中实验，使系统具有比较好的可靠性和稳定性。
本系不止可以运用在教室的灯光控制上面，只要稍加改进，将预留的扩展接口利用起来（如添加身份验证、划卡计时等功能）就可在一些公共场合进行应用，如楼道、办公室、会议室等场所，因此，系统具有较好的移植性，值得我们去做进一步的探索，由此也说明了本系统拥有较广泛的应用前景和较大的市场潜力。
使用本控制系统时，不需要对原有电路进行改变，只需将各个开关连接到本系统中，就可以与目前已安装的教室灯光配套使用，由此可见，本系统在实现智能控制教室灯光的同时，节约了实现教室灯智能控制的成本。
参考文献：
[1] 靳达.单片机应用系统开发实例导航 [M].北京：人民邮电出版社，2003.
[2] 孟立凡，蓝金辉.传感器原理及应用 [M].北京：电子工业出版社，2007.
[3] 华成英，童诗白.模拟电子技术基础 [M].北京：高等教育出版社，2001.
[4] 谭浩强.C程序设计 [M].北京：清华大学出版社，1999.
[5] 潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术 [M].北京：高等教育出版社，2001.
[6] 张达敏.教室照明智能控制器 [J].贵州工业大学学报：自然科学版，2003，32（1）：76-78.
[7] 李念强，魏长智，潘建军，等.数据采集技术与系统设计 [M].北京：机械出版社，2009.
[8] 李朝青，刘艳玲.单片机原理及接口技术 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[9] 周毛学.新编C语言程序设计教程 [M].西安：西安电子科技大学出版社，2000.
[10] 李瀚荪.电路分析基础 [M].第三版 北京：高等教育出版社，1999.
[11] 梁宗善.电子技术基础设计 [M].武汉：华中科技大学出版社，2009.
[12] 彭介华.电子技术课程设计指导 [M].北京：高等教育出版社，2008.
[13] 马建明，周长城.数据采集与处理技术 [M].西安：西安交通大学出版社，1998.
[14] Harvey M.Deitel，Paul James Deitel著.C++大学教程 [M].邱仲潘，等，译.北京：电子工业出版社，2001.
[15] 邓焱，王磊.测试技术与仪器应用 [M].北京：机械工业出版社，2004.
作者简介：郭宗富（1966.03-），男，汉族，贵州安顺人，高级实验师，硕士。研究方向：电子技术；彭晖，男，电子工程学院15级电子信息专业学生；朱婷婷，女，电子工程学院14级电子信息专业学生。
