【正文】 基于 AT89C52 單片機的高校節(jié)能燈光控制系統(tǒng) 設(shè)計 摘 要 本研究針對教室燈光的控制方法，尤其是教室燈光的智能控制方面的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了教室燈光智能控制的原理和實現(xiàn)方法，提出了基于單片機的教室燈光智能控制系統(tǒng)的設(shè)計思路，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計智能控制系統(tǒng)的硬件裝置以及相應(yīng)軟件。 該系統(tǒng)主要以 AT89C52 單片機作為控制裝置的智能部件，采用熱釋紅外人體傳感器檢測人體的存在，采用光敏三極管構(gòu)成的電路檢測外部環(huán)境光的強度；根據(jù)教室合理開燈的條件，系統(tǒng)通過對人體的存在信號和環(huán)境光信號的識別和智能判斷，完成對教室照明回路 的智能控制，避免了教室用電的大量浪費。系統(tǒng)還具有多種報警功能；同時課題還采用了軟、硬件的“看門狗”技術(shù)等抗干擾措施。 單片機軟件采用匯編語言編制，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計、條理清晰、通用性好，便于改進和擴充。該系統(tǒng)具有體積小，控制方便，可靠性高，專用性強，性價比合理等優(yōu)點，可以滿足各類大、中專院校教室燈光控制的要求，很大程度的達到節(jié)能目的。 關(guān)鍵詞：人體、紅外線、傳感器、自動控制、熱釋電 本課題研究的意義 隨著社會經(jīng)濟和科學技術(shù)的發(fā)展，人們的生活水平也不斷提高，導致用電 負荷的加劇，又由于世界性的能源危機以及能源缺乏已成為世界所面臨的嚴峻問題。而此問題對我國來說尤為嚴重隨著各類大學、中專院校的擴招，教室的擴建教室照明的需求也越來越多，而教室照明的管理不到位，往往造成電能的巨大浪費，這樣提高教室用電效率就成為首要考慮的問題。 日前，隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，能源短缺問題日益突出，成為一個國家經(jīng)濟發(fā)展的“瓶頸”。作為工業(yè)生產(chǎn)和人民生活不可或缺的電力能源更是如此。尤其現(xiàn)今越來越提倡低碳生活，節(jié)約能源已經(jīng)成為一種全球共識，而作為培養(yǎng)社會精英的高校更應(yīng)該起到榜樣的作用。但是目前國內(nèi)各 大高校中，同學們的自覺節(jié)能意識薄弱，在教室光線足夠亮時也開燈，離開教室后燈還亮著的現(xiàn)象普遍存在；而且教室極多，管理人員也管不過來，同時造成我國電量不必要的浪費以及經(jīng)濟損失。據(jù)中國行業(yè)研究（ ）的報道，我國照明用電約占全國用電量的 13%左右，而對照明時間長，照明場所多的學校而言，照明電量遠遠超過這個數(shù)字指標。在校園內(nèi)，教室燈火通明，卻空無一人的現(xiàn)象屢見不鮮，這不僅造成了嚴重的資源浪費，也對高校的形象造成了很壞的影響。本文所研究的教室燈光控制系統(tǒng)就可以很好地實現(xiàn)節(jié)約能源的作用。本課題設(shè)計的控制器 可有效的實現(xiàn)教室燈光的智能控制。其輸入?yún)?shù)主要是人體存在信號和環(huán)境光強度信號等外界因素。環(huán)境光的強度達到一定值時不開燈，環(huán)境光強度在一定閥值以下且有人存在時開燈，實驗證明這種方案可以實現(xiàn)對教室燈進行智能控制。 國內(nèi)外教室燈光控制器研究的現(xiàn)狀及存在的問題 世界各地發(fā)電的主要原料是煤炭、石油和天然氣，而丹麥在能源利用方面的成功經(jīng)驗提供了很好的借鑒。從 1974 年以來，盡管丹麥國民收入增長了 50%丹麥總的能源消費量并沒有增加。丹麥是 OECD 成員國中能源消耗量和國民收入比值最小的國家。他們不斷 地提供一些節(jié)能供熱系統(tǒng)，例如丹麥熱電同供熱電廠 (CHP)，而且，他們盡可能的有效利用資源。這樣，他們的能源使用總效率達到了 90%。丹麥政府很重視住房空間用電的節(jié)能，并設(shè)立了對新建房屋節(jié)能的諸多要求。數(shù)據(jù)顯示，居民入住有節(jié)能裝置的房子時，他們要支付比沒有節(jié)能方案房屋高出 8%的費用。其節(jié)能項目經(jīng)驗在歐盟國家中廣為流傳。還有，歐司朗一斯維尼亞公司不斷的推出新型高輸出的熒光燈，節(jié)約 6%的總系統(tǒng)功率，并具有更高的光通量和平均光通量。飛利浦照明公司推出的陶瓷金鹵燈代替過去的鹵鎢燈，可節(jié)能 60%的電能。種種跡象表明世界各 國都在采取不同方式來節(jié)約能源，節(jié)約電能。中國經(jīng)濟持續(xù)多年的高速發(fā)展讓能源問題日益突出。雖然我國能源總儲量不低，但由于我國人口眾多，所以人均儲量少，單位產(chǎn)值的能耗是發(fā)達國家的 3 10倍。能源問題已成為制約我國國民經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵問題。從環(huán)境和自然資源角度出發(fā)，能源問題也是我國長期可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中一個關(guān)鍵因素。此外，能源問題不僅關(guān)系經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境生態(tài)，在特定情況下還會對社會穩(wěn)定有很大影響。鑒于能源問題的重要性，我國在綠色照明工程新聞發(fā)布，綠色照明工程未來五年間將在公用設(shè)施、賓館、商廈、居民住所等全國建筑物中推廣 1. 5 億只節(jié)能燈，節(jié)電 290 億度電。上海、河北等一些地方采取政府對節(jié)能燈大宗采購每只補貼 3 至 4 元的方式進行推廣。從普通白熾燈到高效節(jié)能燈，使我國的電光源產(chǎn)品結(jié)構(gòu)逐步向節(jié)電型轉(zhuǎn)變，熒光燈與普通白熾燈的比例由1995 年的 l:6. 25 上升到目前的 1: 目前，我國照明用電約占社會總用電量的 12%，采用高效照明產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低效照明產(chǎn)品可節(jié)電 60%到 80%。如今，北京正在大力推行綠色照明工程，己推出上百萬只綠色照明光源和部分節(jié)能電器，據(jù)測算年節(jié)約用電可達3442 萬千瓦時，節(jié)約電費 25 萬元。政府己經(jīng) 在商廈、學校醫(yī)院等更換了 24 萬只節(jié)能燈具。在奧運工程的建設(shè)上，也大量運用節(jié)能技術(shù)，北京的奧運廠館“水立方”，通過采用大量的節(jié)能燈具，裝備新技術(shù)，通過增強透光性白天可節(jié)約照明能耗 50%,我們黨在 2021 年 10 月 11 日黨第十五屆中央委員會第五次會議通過的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十個五年計劃的建議》中明確指出 :“加強基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是今后五年至十年一項十分重要的任務(wù)?！逼渲刑岬降幕A(chǔ)設(shè)施建設(shè)就包括了能源建設(shè)?！督ㄗh》還強調(diào)了大中專院校及其中小學總共有 600 百多所，若都象我校一樣每年浪費 13. 06萬度電 崖話，我省就會浪費近 7900 萬度的電。導致電能的極大浪費。再者，每所院校不斷擴招，教室不斷的擴建，若再沒有改進教室的用電管理設(shè)備，那么用電負荷可想而知，浪費的電能就更驚人了。 基于以上種種原因，提高教室用電效率就成為學校節(jié)能的重要且主要的措施之一，因此節(jié)能技術(shù)的重要手段之一就是教室燈關(guān)自動控制系統(tǒng)的設(shè)計無疑就成為其中一項重要課題。 本課題研究的內(nèi)容和目標 1. 3. 1 研究內(nèi)容 本課題的研究內(nèi)容有如下幾點： (1)了解教室照明光強的標準； (2)調(diào)研教室燈光照明需求以及環(huán)境光強 弱與開、關(guān)燈的關(guān)系； (3)研究人體存在探測技術(shù)，探測角度與范圍； (4)研究傳感器教室分布、安放問題，是否一燈一個傳感器或多燈公用傳感器等； (5)研究確定人體傳感器的有關(guān)參數(shù)； (6)研究燈光控制器電源問題； (7)研究控制器參數(shù)值設(shè)定的要求及方案； (8)研究人工設(shè)置參數(shù)、掉電保存參數(shù)的問題； (9)研究與現(xiàn)有教室照明相兼容，易替代，不易被偷盜、被仿制，易于維護、維修等控制技術(shù)； (10)研究報警等附加功能問題； 研究目標 研究的教室燈光控制系統(tǒng)能 用于現(xiàn)有教室照明系統(tǒng)的改造，實現(xiàn)對照明系統(tǒng)的性化智能管理，提高用電效率；實現(xiàn)自動、手動燈光控制相兼容，以降低成本；通反復(fù)試驗和改進，最終達到可靠性、實用性、推廣性較好的目標。 本課題擬解決的關(guān)鍵問題 本課題擬通過試驗研究教室燈光的各種控制方案解決如下關(guān)鍵問題： (1)照明回路的控制回路與控制器本身的節(jié)能問題； (2)傳感器與教室燈配合安裝的問題； (3)環(huán)境光參數(shù)輸入采集問題； (4)人存在傳感器參數(shù)輸入采集問題； (5)開、關(guān)燈的自動與手動兼容措施； 器簡介及控制方案的分析 教室燈光控制器簡介 教室燈光控制器可實現(xiàn)有效的教室燈光智能控制。其輸入?yún)?shù)主要是人體存在信號和環(huán)境光信號等的外界因素，環(huán)境光的強度達到一定值時不開燈，環(huán)境光強度在一定閥值以下且有人存在時開燈，理論和實驗證明用這種方式來對教室燈進行智能控制可以實現(xiàn)上述目標。 教室燈光控制器一般安裝在教室內(nèi)避開電燈直射的位置，且人體傳感器安置時應(yīng)使人體活動方向與人體傳感器中兩個熱釋電元連線方向垂直，這樣可使人體存在信號采集更加靈敏、可靠，同時還要盡可能避免外界風直接吹向人體傳感器 。 系統(tǒng)控制方案的分析 所研制的控制器以自然光強度和人體存在作為控制器的主要輸入?yún)?shù)?？梢詫崿F(xiàn)自動與手動控制相兼容。在自然環(huán)境光較強光線足夠時，無論人是否存在，都不開燈；在自然環(huán)境光較弱時，有人存在且超過一定時間，控制器自動打開電燈，直到人離開后再延時一定時間后關(guān)燈。同時，還要按作息時間來控制，夜晚超過 12 點，若還有人存在，則關(guān)閉自動控制器的運行，改用遙控器或機械開關(guān)來手動控制，以解決因特殊情況下，自動控制器的不人性化運行。 本文所研究的教室燈光控制器主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件 部分是前提，是整個系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運行的平臺。而軟件部分，是對硬件端口所體現(xiàn)的信號，加以采集、分析、處理，最終實現(xiàn)控制器所要實現(xiàn)的各項功能，達到控制器自動與手動相結(jié)合的教室照明智能控制。 考慮到本系統(tǒng)所安裝的環(huán)境影響因素比較多，且教室控制設(shè)備中的人體存在傳感器、光敏三極管等經(jīng)常會因環(huán)境情形變化而不穩(wěn)定，所以在設(shè)計過程中，電子元器件的選用、線路布置和設(shè)備的安放要充分考慮到抗干擾問題。 51 系統(tǒng)模塊 ISP 下載線模塊 看門狗模塊 硬件時鐘模塊 數(shù)碼管顯示模塊 燈光驅(qū)動模塊 環(huán)境光模塊 EEEPROM 存儲器模塊 電源模塊 人體存在傳感器模塊 控制模塊的硬件構(gòu)成 系統(tǒng)控制單元是以單片機主控模塊為核心 ，其它外圍電路主要包括： ISP 下載線模塊、系統(tǒng)供電模塊、硬件時鐘模塊、看門狗模塊、燈光驅(qū)動模塊、數(shù)碼管驅(qū)動顯示模塊、環(huán)境光模塊、 EEPROM 存儲模塊、人體存在傳感器模塊、遙控器模塊、遙控器接收模塊及超時報警模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示。 圖 31系統(tǒng)控制單元結(jié)構(gòu)框 控制系統(tǒng)的主要硬件電路 3. 2. 1 系統(tǒng)主控電路 本系統(tǒng)的主控模塊主要采用 Atmel公司的 AT89S52作為主控芯片，它是一種低功耗，8 位 CMOS 工藝處理器，具有 8K 在線可編程 Flash 存儲器，片內(nèi)的 Flash 可多次編程，為在線編程提供了方便。片內(nèi)有 128 字節(jié)的 RAM ， 4KB 的 EEPROM，由于合理的安排使用片內(nèi) RAM 空間，所以沒有擴展的片外 RAM，使電路結(jié)構(gòu)簡捷。因為設(shè)備的設(shè)置參數(shù)是根據(jù)實際需要進行更改的，又要求是斷電能夠保存下來，所以本設(shè)備用一片EEPR0M 來存儲系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)。 AT89S52I/0 端口與系統(tǒng)其它外圍器件接口的分配情況表如表 32 所示。 表 31外圍器件接口的分配 單片機最小系統(tǒng)如圖 32 所示： 圖 32 單片機最小系統(tǒng) (1) 40（ Vcc）、 20（ GND）腳間的電壓應(yīng)有 5V 。 (2) 1 19 腳分別與 20 腳間有 ― 89552引腳 外圍器件引腳 說明 ULN2803 數(shù)碼管段碼驅(qū)動接口 NPN9012基極 數(shù)碼管位控驅(qū)動接口 X5045SI X5045串行輸入端 X5045SCK X5045串行時鐘端 X5045CS X5045片選端 X5045S0 X5045串行輸出端 系統(tǒng)工作燈顯示端口 DS1302CLK DS1302時鐘線 DS1302I0 DS1302數(shù)據(jù)線 DS1302RST DS1302復(fù)位線 工 SP在線編程端 數(shù)據(jù)采集輸入端 遙控器接收信號端 人體存在傳感器輸出信號端 超時報警信號輸入端 燈光驅(qū)動輸入端 光敏三極管輸入信號端 (3) 9（ RST）腳與 GND 間電壓基本為 0 。 (4) 31 腳 （ EA）與 20 引腳（ GND）間電壓為 5V 。 3. 2. 2 在線編程模塊電路 以往單片機的實驗往往依賴于仿真機和單片機學習系統(tǒng)，價格昂貴，近年來，隨著FLASH 型單片機的廣泛應(yīng)用，采用軟件模擬結(jié)合寫片驗證成為一種經(jīng)濟實用的實驗方法，尤其是隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，很多單片機都具有了 ISP 功能，不再需要仿真機，將單片機的易用性推向一個新的高度。 AT89C52 芯片就是這樣的芯片。 AT89C52 芯片支持在線編程 (ISP)功能，用戶可以通過 AT89C52 在線編程接口直接對電路板上的 CPU進行在線編程，方便了程序的修改燒寫工 作。 ISP 進行在線編程時，使用 AT89C52 芯片的 ， ， 引腳及 RST 端口，通過 PC 并口，根據(jù) ISP 協(xié)議制作簡單的編程器就可對 CPU進行編程。在線編程 (ISP)器的紅色 LED是電源指示燈，綠色 LED 是復(fù)位指示燈，黃色 LED 是時鐘信號指示燈，每個 LED 約消耗 0. 6mA 的電流，它們使用獨立的緩沖器不會影響下載線和用戶板，當執(zhí)行菜單命令 Reset 時可以看到綠色 LED 閃一下，表示電腦已