基于单片机控制的教室灯光自动控制器的研究
1 引言
1.1课题的研究背景与前景
为建立资源节约型和环境友好型社会，促进经济社会可持续发展，我国大力加强节能减排工作，明确了“十一五”能源消耗和主要污染物排放总量控制目标。电力行业作为节能降耗和污染物减排的重点领域，近几年节能减排工作取得明显成效。但是目前形势依然严峻。根据权威机构调查显示：如果全国所有的商场，会议中心等公共场所有10%白天采用自然光照明 ，每年可节电82亿度。若能设计出为公共照明区域进行科学合理的节能控制系统，则每年可为单位和国家节省许多电量。通常的节能途径有两个：一个是采用节能光源;二是采用合理的控制线路。本文在使用节能光源的情况下采用合理的控制线路来实现节能。在生活中我们常会因为天气较亮的时候经常忘记关灯，有时为了局部需要又往往不得不大面积的开灯，因此致使大量电能被浪费。解决这一问题较好的办法通常是采用照明自动控制系统。如采用微机自动控制系统及优化开关控制路数，以满足灯开、关的数量和事先设定的照度要求，以期合理用电。因此我设计了这个照明自动控制系统，它融合了我们日常的照明装置，而且更人性化的添加了自动光控系统。你可以根据不同的环境来设置它不同的模式。对于学校而言，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 本课题的研究方向
1.2.1 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；
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(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
1.2.2 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。
1.3 本课题实现节能控制的关键方向
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；
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2．教室灯光节能控制简介及控制方案的分析
2.1 教室灯光节能控制系统简介
教室灯光节能控制系统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 教室灯光节能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。
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3．硬件系统控制模块的设计
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 控制模块的硬件组成
系统控制单元是以51单片机主控模块为核心，其它外围电路主要包括：看门狗模块、系统供电模块、硬件时钟模块、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，
遥控器模块 遥控器接收模块 电源模块 人体存在传感器模块 51系统模块 环境光模块 统时钟模系块 看门狗模块
图3-1 结构框框图
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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 P3.0 功能特性 RXD（串行输入口） 5
