摘要：期末助攻之单片机一种教室灯光自动控制器论文范例摘要近年来高校长明灯现象比比皆是，这种无形的电能浪费不得不得到重视。为有效改善这种浪费，本课题设计为一种教室灯光自动控制器，本设计对于各大高校而言，能使其电力消耗得到极大的改善，有效制止了因学生使用不规范导致的“长明灯”等电力浪费的现象。同时因科学规...
期末助攻之单片机一种教室灯光自动控制器论文范例
摘 要
近年来高校长明灯现象比比皆是，这种无形的电能浪费不得不得到重视。为有效改善这种浪费，本课题设计为一种教室灯光自动控制器，本设计对于各大高校而言，能使其电力消耗得到极大的改善，有效制止了因学生使用不规范导致的“长明灯”等电力浪费的现象。同时因科学规范使用教室灯光和自然光，日常的电能消耗强度既得到有效缓解，又保证了日常学生学习所需要的光线亮度。整个电路以STC89C52单片机作为主控模块，采用光敏电阻构成的电路检测环境光的强度，采用红外对管检测人体的存在，时钟芯片DS1302显示实时日期和时间，可以调节实时时间，还可以分别设置开始和结束时间，LCD1602液晶显示来反馈时间日期人数。教室灯光的智能控制是通过采用教室光强信号和人体存在信号的智能判断识别来实现的，有效的控制了教室用电量的消耗浪费。该设计在实用性，智能化和人性化方面更加突出，此外还有可靠性，专用性，控制等方面的优势，本次课题设计在教室灯光控制方面可以满足各大高校的要求，节能的目的在很大程度上得到提高。
关键词：STC89C52；红外对管；光敏电阻；DS1302；LCD1602
ABSTRACT
In recent years, the phenomenon of long lighting in colleges and universities can be found everywhere, and this invisible waste of electric energy has to be paid attention to. In order to effectively improve this kind of waste, this topic is designed for a classroom light automatic controller, the design for the major universities, can make its power consumption has been greatly improved, effectively stop the use of students caused by non-standard "eternal light" and other power waste phenomenon. At the same time, due to the scientific and standardized use of classroom lights and natural light, the daily power consumption intensity has been effectively alleviated, and ensure the brightness of the light required for daily students to learn. The whole circuit STC89C52 microcontroller as the main control module, using photosensitive resistance of the circuit to detect the intensity of ambient light, using infrared tube to detect the presence of the human body, clock chip DS1302 display real-time date and time, can adjust the real-time time, can also set the start and end time respectively, LCD1602 LIQUID crystal display to feedback time date number. The intelligent control of classroom lighting is realized by using the intelligent judgment and recognition of classroom light intensity signal and human body signal, which effectively controls the consumption and waste of classroom electricity. The design is more prominent in practicability, intelligence and humanization, in addition to the reliability, specificity, control and other advantages, the subject design in the classroom lighting control can meet the requirements of colleges and universities, the purpose of energy saving has been improved to a large extent.
Keywords：STC89C52；Infrared to tube；photoresistor；DS1302；LCD1602
目 录
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的意义
随着现代社会的发展，人们对电力资源的需求越来越多，这一方面导致目前的发电量无法得到满足，甚至有些地方因电力资源紧缺在生活方面得不到保障。从另一个角度来说我们现在所使用的发电机基本上都是依靠煤炭等化石能源进行发电的，为了保证供电量，每天都会消耗掉大量的不可再生能源，产生的大量温室气体也是全球变暖的主要元凶。节能减排是国家一直所倡导的，所以如果我们想使用更多的电量又在保护环境的前提下，就必须在电能方面节约使用。
学校作为负责社会教育的机构，应该发挥作用。所有部门对人才劳动力的需求逐年增加，学校作为培养人才劳动力的地方，所需要的建筑面积和硬件设备也在增长，故对所需能源的需求也在增加。最近几年的调查数据显示，课堂的照明设备所需要的电量已经达到消耗总电量的40%，“长明灯”现象的电能消耗也是其中的一部分[1]。当然，传统高校解决方案也不是没有，如：以老师为榜样的组织学生进行分区域管理，但没什么效果，并且牺牲了老师学生大量的学习时间。因此，我们需要找到一种更好的办法去管理教室的照明。
针对目前在课堂照明中存在的问题，通过智能化来达到节能是本次课题设计的主要目的。这一设计如果在现实中推广，就具有以下意义：
（1）教室人数自动监控，避免因长明灯造成电力浪费。
（2）根据教室环境光自动切换窗帘，并开启和关闭灯，充分利用自然光，降低电能浪费。
（3）根据教室人数决定灯光开启的数量，有助于节约用电。
（4）使用时钟模块控制灯光自动关闭，节能环保。
1.2 课题研究现状
对于智能灯光控制系统的研究主要是为实现节能减排，减少电力浪费。由于很多学校在教室灯光管理上松懈，管理人员和学生的节约能源意识不高，导致在大部分高校教室里，电能浪费的现象很多。有时候白天经过教室发现灯光特别亮，但是却只有几个人在。而在晚上，尽管只有很少几个学生在教室内学习，灯光也是全部开着，很少情况下会有几个学生学习时只开够用的灯。长明灯现象到处都是，人走不灭灯的现象也是处处可见。各种有形以及无形的浪费现象，导致电能大量浪费，这也为给学校在电力支出方面带来了沉重的负担0。
根据不完整的统计，百分之八十的高校教室都存在长明灯浪费现象。虽然细化到每个教室浪费一点电不算什么，但是对于整个学校，甚至对所有大学来说，这一浪费电能的数值是非常大的。据某所大学的调查，该校一栋建筑物约有40W的两管照明灯1500个，精确计算(1500x2)x0.04=120度，这才是一小时该建筑物的耗电量，如果电费按0.6元来算，那么该建筑物一小时的电费就得需要72元，这在普通家庭都是一个月的电费了。如果每天开17个小时，6个小时在夜间，11个小时在白天，也就是说，该栋建筑一天就要支出人民币1224元的电费。相反，如果教室每天节省开灯2小时，那么每天就可以省下1152元的电费开支，如果将学生一年的上学时间以9个月来计算，学校每年就可以节约31.1040万元的电费。这也只是全国3千多所高校中的一所来算的，如果再进行精确计算，这将会是一个惊人庞大的浪费数字。而现今大多是高校教室选用的都是旧时的照明装置：主电源经过一个配电箱分出多条支路，这些支路再分别向灯具供电，然后再通过串接在照明中的单双极开关来通断供电线路，因此这种设置只能通过按钮开关来控制[2]，无法实现智能化。通过调查，我们发现每个学校对教室照明都很重视。按照国家要求来说大学教室平均照度大约在400Lum（流明）。但是大部分学校想要让学生很好的学习环境，教室照明亮度都会大于规定标准。正因如此，由于管理不足导致浪费越来越严重。
而本次设计主要有两种：一是利用高效率的亮度高的电光源，并且在此基础上选择更节能的照明的灯具。教室的照明质量即得到提高，照明的效率也得到改善；二是在目前照明灯具的基础上，利用更加科学智能的控制方法，达到智能化照明的目的。
本课题设计是结合上述两种方式，先在高校普通灯具的基础上进行改造优化，选用LED照明灯具为基础照明灯，既环保又节约能源，寿命还高，然后通过教室进入的人数，教室光线亮度的强弱，通过单片机智能自动调节教室灯光，定时关闭灯光的方式来实现教室智能照明。
1.3 本文完成的主要工作
综上所述本课题要实现教室灯光以及窗帘在一定条件下的自动开关，达到节约电力的目的。本文所要完成的主要内容包括以下几个方面功能：
（1）当教室有人进出时，人体检测模块统计人数，并将检测到人数的数据传给单片机，单片机同时检测判断光线条件是否满足，判断是否需要开启灯光，同时检测到的人数数据经过单片机显示到显示屏模块上。
（2）当检测到教室光线昏暗时，通过单片机控制电机驱动芯片来控制窗帘拉开，同时检测教室人数来判断是否开启灯光。
（3）电机要通过驱动芯片控制其正反转来控制窗帘的开关。
（4）通过时钟芯片来将年，月，日，周天，时，分，秒，定时开启时间段，教室人数信息通过单片机显示在液晶LCD显示屏上。
（5）设置4个LED灯来模拟教室灯光，条件符合时，0-9人开启1个灯，10-19个人，开启2个灯，20-29人，开启3个灯，超过30人，4个灯全部开启。
（6）整个系统分为自动模式跟手动模式，通过按键来实现模式的切换，通过指示灯来判断当前所在的模式，在自动模式下，需要保持在设定开启关闭的时间段内，如光线昏暗，开窗帘，光线依然昏暗，同时有人在教室，才会开启灯光。
第2章 课题总体设计方案
2.1 课题设计相关总体要求
根据本次课题任务书要求，应满足以下集中要求：
（1）检测光线强弱，判断教室是否需要拉开窗帘开启灯光。
（2）通过判断教室的人数来判断开启灯光的数量，实现智能节电。
（3）通过时钟模块定时功能实现灯光到点自动关闭，避免浪费电能。
2.2 教室灯光控制器总体设计方案
|
本课题研究设计的一种教室灯光自动控制器设计主要由以下几部分组成：STC89C52主控模块，电源模块，时钟模块，光线检测模块，独立按键模块，电机驱动模块，步进电机，红外对管模块，液晶显示模块。下面是一种教室灯光自动控制器系统组成框如图2-1。
图2-1 系统组成框图
本次设计以STC89C52单片机为主控芯片，以此实现整体控制功能。根据红外对管检测模块来检测教室进出人数，根据光敏电阻来检测光线是否充足，根据时钟模块进行时间定时开关，根据电机驱动来控制电机决定是否需要拉开窗帘，根据液晶显示模块来显示日期时间，教室进入的人数，然后将信息汇总到单片机，并进行相关判断决定，根据教室条件，是否需要拉开窗帘，是否需要开灯，根据人数需求来开几个灯合适，如此就能方便的对教室的灯进行控制，做到合理开灯。下面为详细功能总体介绍。
（1）当光敏电阻检测到光线充足时，无论教室有没有人，都不会通过灯光控制器去拉开窗帘，去打开灯。
（2）当光敏电阻检测到教室灯光不充足时，首先会通过控制器去拉开窗帘，如继续检测光线不充足，并且教室有人，才会根据教室人数去控制开灯的数量，从而达到开灯目的。如果拉开窗帘后光线还是不充足，教室没有检测到人的存在，灯光一样不会去打开。
（3）当时间没有在时钟设置的定时时间内，无论环境人数如何变化，都不会开灯，例在凌晨2点，并没有在设定的时间内，无论光线昏暗还是有人，都不会开灯，此为达到定时的目的。
（4）此控制器还加了一个可以手动控制的控制开关，方便管理人员在节假日管理，可人工控制灯光的开启关闭，可以让教室灯光一直处于开着或者关闭的状态，这也是本次设计人性化的体现。
2.3 模块的功能说明
此设计分为自动模式与手动模式两种，手动模式直接控制灯光。在自动模式下，单片机不断请求时钟电路回复数据，并经过处理后送到LCD1602显示，当光敏电阻传感器检测到教室环境昏暗，光照强度未达到设定标准值时，输出低电平，传输给单片机。同时利用红外对管传感器探测到教室门口有人进入，则红外对管被遮挡，输出低电平。两传感器通过导线将所侦测到的信息传输给主控芯片STC89C52单片机。单片机接到两传感器传回的信息后进行判断，根据设定的条件来决定是否需要开关灯或开关窗帘，如条件符合，将控制信号通过电机驱动传递到电机来控制窗帘的开关，条件进一步符合，通过单片机控制灯光开启，最终完成灯光窗帘自动开关，实现自动智能控制的目的。此外还添加一个独立按键操作电路，其主要是用于通过按键来设置显示屏上的时间日期，切换手动自动模式，手动关闭全部灯光的功能。
第3章 系统硬件设计
3.1 控制模块
关于主控制芯片的选型可以有很多单片机芯片供挑选，但我们要选择自己最合适的，就像我们挑选电脑，如果我们只是为了看看电影，听听音乐，两三千的电脑完全够用，如果需要进行各类设计，就要选择性能强劲的。
3.1.1 控制模块的选择
方案一：选用PIC单片机，选用PIC单片机，PIC单片机通常用于工业控制，工业稳定性强，具有高抗干扰能力。可以同时访问程序和数据存储器，因为采用Haryard双总线结构使效率更快，执行指令跟取出下一指令同时进行，两只手干活跟一只手干活效果肯定差很多，并且PIC对所有寄存器只需要一个指令周期就可以完成访问和操作。缺点也是有的，它只有5个专用寄存器，在编程过程中得反复选择对应的存储体，这就导致很麻烦，操作异常繁琐。而51系列单片机可以在两个寄存器之间相互传送，这就大大方便了编程操作。
方案二：选用AVR单片机，AVR单片机是ATMEL公司研发的8位单片机，它的高性能、低功耗、高速度是它头顶最耀眼的光环，在整个8位机家族中算是耀眼的存在，它采用哈佛结构，将程序跟数据存在不同存储空间，这就让它具备了1MHz可实现1MIPS的高速处理能力，使用RISC指令集，一个周期就可以完成一条指令，更加高效，但是，因为结构不同，它的C语言的写法跟我们所学的51系列有很大的差异，它的前16个寄存器不能直接与立即数沟通，导致通用性不高。
方案三：选用STC89C52单片机，它出身宏晶科技，高速、低功耗、抗干扰是它的代名词，它能在3.3V-5V电压范围内正常工作，这就使它在电压波动大的恶劣环境也能正常工作，完全兼容8051，芯片内部具有8K Flash存储器、512字节RAM、32位I/O口线[3]，这些应用到本次课题设计没有性能浪费，使其性能得到最大化的发挥。STC89C52的程序存储器的擦写寿命高达10万次，是AVR单片机跟PIR单片机的5倍，并且STC89C52其低廉的价格，也是成为现如今性价比最高的单片机，这才是真正的国货之光。
综上所言，每款单片机都有它独特的特点，鱼和熊掌不可兼得，要选择适合自己的。AVR单片机虽好，但是它在C语言编程上的操作对我们并不是特别友好，作为C语言初入门的我，并不是很合适，PIC单片机同样是在编程上的繁琐操作而被放弃，而且最主要的原因是我初学单片机就是51，这两款的结构等特点并不是我所熟悉的，所以我选择了自己更熟悉，了解更多的STC89C52单片机，国货之光值得我们去支持。
 |
图3-1 STC89C52单片机
选用51系列中的STC89C52单片机，其主要工作特点：工作频率在40MHz范围内，可以存储更多的代码和指令。工作电压为3.3-5.5V，在掉电模式下，功耗低，功耗电流小于0.1uA，可以从外部唤醒其模式的开启。空闲模式和正常工作模式下电流分别约为2mA和7mA，控制单元分为4个部分，分别为P0~P3端口，每个端口有8个I/O端口，构成单片机控制的核心[4]。一般使用10K电阻来提高其I/O口的电流输出能力。P3端口是一个特殊的端口，比基本的I/O端口控制具有更多的功能，如串行通信和外部中断，此外RST引脚的作用为复位输入，正脉冲有效，主要完成单片机的复位初始化，XTAL1和XTAL2分别是振荡器的输入输出，EA/VPP引脚用来增加外部存储器，ALE/PROG为允许地址锁存一般不会用到。下表为部分P3口部分功能：
表3-1 P3口部分功能
端口 | 第二功能 | 详细作用 |
P3.0 | RXD | 串行数据接收 |
P3.1 | TXD | 串行数据发送 |
P3.2 | INIT0 | 外部中断0 |
P3.3 | INIT1 | 外部中断1 |
P3.4 | T0 | 定时器0/计数0 |
P3.5 | T1 | 定时器1/计数1 |
P3.6 | WR | 外部RAM写 |
P3.7 | RD | 外部RAM读 |
3.1.2 最小系统
作为主控模块，它的最小系统应包括：STC89C52单片机、电源电路、晶振电路和复位电路。单片机最小系统如图3-2所示。
电源采用5V直接供电，本次设计的各个模块都在5V电源电压范围之内，所以可以满足设计要求。
晶振电路采用内部时钟振荡电路。将晶振两端并联接在单片机的内部振荡电路输入端XTAL1引脚和内部振荡电路输出端XTAL2引脚。晶振选择11.0592MHz，由此可得到精确的9600波特率，如果选择12MHz的晶振，不容易实现标准的9600波特率。
 |
复位电路的作用是当程序跑飞或者死机时可以通过复位来使程序重新正常运行。当执行复位操作时，RST引脚就连续出现两个机器周期以上的高电平。
图3-2 单片机最小系统
电源供电电路提供能量使各电路能够正常工作。本设计中我们直接利用外部电源，通过接线口的方式引入供电。内时钟模式是晶振电路所采用的，外接定时元件在XTAL1、XTAL2的引脚上，内部振荡器便能产生自激振荡，这种模式主要是利用芯片内部的振荡电路[5]。如图3-3所示。
图3-3 晶振电路
再来就是复位电路，复位电路可以在系统出现错乱和干扰时重新执行系统，和电脑重启是一个道理，可以上电自动复位和开关复位。如图3-4所示。
图3-4 复位电路
3.2 时钟模块
方案一：DS3231时钟芯片具有高精度的12C实时时钟，它在国内市场价格在20元上下，RTC具有保存时间、日期、星期等信息，当少于31天时，自动调节月末日期，时钟格式可以12小时和24小时切换，它通过比较器，温补电压基准来监视VCC状态，通过状态变化判断电源故障，如有需要，就会给出一个复位输出，通过此方法来达到切换到备用电源。此芯片功能还是很齐全的，甚至比DS1302有过而无不及，但是其价格也是贵很多，所以我们选择忍痛割爱舍弃。
 |
方案二：DS1302是一款带RAM的实时时钟芯片，工作电压宽达2.5～5.5V，他在国内价格仅需几块钱，它在实惠的同时还具有精度高，低功耗，高性能的特点，一块纽扣电池可以供它使用好久，它可以同步时间，日期，同步精确到秒，还可以显示星期，并且具有闰年补偿功能。而且它还有一种具有涓流充电能力，采用主电源跟备用电源双电源供应，当主电源断电时，自动选择备用电源，数据传输采用串行传输。
图3-5 DS1302时钟模块
综上特点，DS1302是经济实惠的产物，并且国内主流便是DS1302，学习资料更容易获取，出现问题时更容易解决，可操作性高。
图3-6 时钟电路
它通过第5.6.7脚与单片机相连，通过程序读取时钟芯片发过来的时间再显示。J1是备用电池，当主电源断电时，便会自动切换到备用电源为时钟进行供电，这样做的目的是为了防止芯片异常[6]，也是为了让时间继续走动，让其继续工作，下次单片机上电的时候，在读取时间，会继续读取正确的时间。它的抗干扰能力最大的援手就是R4,R3,R2，这3个上拉电阻为提高抗干扰保驾护航。Y1是时钟晶振，与单片机的晶振如出一辙，都是提供振荡信号，32.768Hz是芯片规定的晶振大小。
3.3 人体检测模块
红外线接收管是在LED行业中命名的，它并没有用多种功能型号，只是生产厂家不同，本次采用5MM红外接收管A3H3，5MM红外发射管，波长940nm。
 |
其原理是发射管发射红外线，假如前方有人经过，会阻挡红外线并进行反射回去，此时，一旁的接收管接收到反射回来的红外线，完成一个循环，由此可以让其判断前方是否有人经过，完成一个计数任务。
图3-7 红外对管电路
要想红外对光正常工作，需要用到一个LM339是运算放大器，又是电压比较器的用处，当输出高电平时，输入电压V+大于V-，反之，则输出低电平。在电路图中，第4脚是V-，第5脚是V+，第2脚是输出。
LED6-LED9依次为两个接收管，两个发射管，R21和R22是给接收管和发射管提供限流保护的，为了能提高输出电平值，上拉电阻一端接正极一端接负极，此时用R12跟R13。有人经过时，发射管发出的红外光被人体反射后再被接收管接收，导通接地，电压低于输入端2.5V，通过比较器输出低电平，LED灯亮；反之，无人经过的情况下，红外光没有办法反射给接收管，收管便不导通，电压高于2.5V，所以输出高电平，LED灯灭。单片机通过识别高低电平来进行判断是否有人。
3.4 光照强度检测模块
光照强度传感器的关键组件是光敏电阻。光敏电阻型号有Φ3系列，Φ4系列，Φ5系列，Φ7系列，Φ10系列，Φ12系列，而每个系列里面又有好多，而能在教室预期的光线水平范围内可提供良好信号的电阻值的，本次选择了Φ5系列中的GL5539光敏电阻。
 |
它的内部结构利用了P型材料和N型材料结合后形成的PN结特性来实现对光强的检测。因为PN结内电场在太强的光照下很容易发生完全饱和，而不能持续形成感应电流，所以必须用偏转电场改变感应电流方向的方式，来防止完全饱和的情况发生。形成的感应电流并不能直接进入STC89C52的控制器件,而必须通过LM339四电压比较器集成电路，将其转换为高低电平后传输STC89C52主控芯片中[7]。
图3-8 光照强度电路
此处同样要用到LM339做电压比较器，作用同上。
GL5539为光敏电阻，光亮的时候，光敏电阻的阻值变小，分到的电压就低，此时管脚4脚电压低于5脚电压的2.5V，比较器2脚输出高电平；黑暗的时候，光敏电阻的阻值变大，分到的电压就会高，电压是大于2.5V的，所以输出低电平[8]，LED灯D4点亮，单片机通过高低电平判断教室光线强弱。
3.5 电机模块
3.5.1 电机模块的选择
方案一：采用普通直流电机。该电机原理简单，上电就开始转，甚至转几圈，从而也导致电机转速快，如果采用直流电机，用作窗帘引擎会导致窗帘拉开关闭的速度过快，出现窗帘打结卡死甚至无法完全开启关闭。
方案二：采用直流减速电机，该方法虽可以控制电动机的转速在规定的转速方向内，可由于缺少形成控制器，在电带载力不平衡的状况下，电机将很难在同样时刻内经过同样的距离，这样将无法实现准确开关窗帘的目的。
方案三：选择步进电机作为电动窗帘的引擎。步进电机最大的优点就是能够精确定位控制，可以精准的开启关闭窗帘，而且步进电机价格低廉，寿命持久，步进电机在位置锁定之后便不再耗电，由此可见，步进电机是最佳选择。
因此采用第三种方案的步进电机电机来作为窗帘的引擎。它主要是将电脉冲励磁信号转变成角位移，每一个脉冲信号就能使电机进一步，步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征很明显，所以步进电动机是纯粹的数字控制电动机，因此经常用于单片机组合。
本次设计选用28BYJ48型四相步进电机，如图3-9所示，
图3-9 28BYJ48电机
28BYJ48型步进电机直流电压为5V-12V，它的转子有0～5六个齿，一个脉冲信号可以使步进电机转动一个角度。
通过不同的环境，我们可以控制单片机发出的指令，从而控制步进电机接收到的指令，不同的指令信息对应不同的脉冲序列，实现电机正反转。四相步进电机的工作方式有三种，本次用到第三种，如表3-2所示，28BYJ48步进电机的主要技术参数如表3-3所示。
表3-2 步进电机工作方式
拍数 | 相数 | 运行方式 |
单相 | 四拍 | A-B-C-D-A |
双相 | 四拍 | AB-BC-CD-DA-AB |
八拍 | A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A |
表3-3 步进电机的技术参数
电机型号 | 28BYJ-48 |
电压 | 5V |
相数 | 4 |
相电阻 | 300 |
步距角 | 5.625/64 |
减速比 | 1:64 |
起动转矩 | ≥300 |
起动频率 | ≥500 |
定位转矩 | ≥300 |
噪声 | ≤35dB |
绝缘介电强度 | 600VAC1S |
3.5.2 步进电机驱动电路
 |
ULN2003是大电流驱动阵列，具有电流增益高，工作电压高，温度限宽广，负载能力强等特点，多用于单片机与大功率器件的驱动[9]。其芯片内部有一个消线圈反电动势的二极管，驱动由七个达林顿管组成，引脚8接地，引脚9接电源，将1-4脚接到单片机IO口后，与之对应的13-16脚就能输出大电流，电路图如图3-10所示：
图3-10 电机驱动电路
3.6 液晶显示模块
方案一：采用LED数码管显示，一个数码管显示的数字有限，当我们需要显示很多数字的时候，往往满足不了我们的需求，此时为了达到所需目的，不得不需求大量数码管来显示我们要显示的信息，如此一来，在成本上也会造成很大的负担，随着数量增加导致连接线路的时候很繁琐，编程难度上也会大大提升，所以不得不舍弃。
方案二：采用LCD1602液晶显示屏，LCD1602液晶显示模块可以用来显示数字、字母和符号，总共可以显示32个字符，分两行显示，并且因为背光屏的存在，显示更加清晰亮堂。与数码管显示相对比，清晰度和亮度都是碾压之势，并且LCD1602液晶显示己成为主流，资料全面，库存充足，可谓最佳之选。
 |
综上所述，方案一由于效率低，线路连接麻烦，编程复杂等因素，故不采用，由此可得，方案二的LCD1602液晶显示屏才是最佳选择。
图3-11 LCD1602电路
LCD1602通常在5V电压下工作，屏幕下共接有16根线，VSS和VDD分别接地和电源，电源正极为4.5-5.5V。VO引脚用来调节屏幕对比度，一般选择10K，调节电位器，使VO在0-5V之间变化，D0-D7为数据口，它是一个并行的传送接口，操作逻辑相比串行简单，传送量大，缺点就是占用线非常多[10]。RS、RW、E为控制引脚，RS为数据/指令选择，当RS高电平时，代表D0-D7这8个位的字节数据实际传输的显示数据，如果RS为0的话，它作为一种指令。RW为读写选择，当RW置高电平时，代表读取数据，置0就是写数据向LCD1602，给写命令显示出来。E为使能，只有置高电平时，数据才是有效的，下降沿为执行命令。A为背光灯电源正极，K为背光灯电源负极，A和K用来控制屏幕亮起来。
3.7 按键模块
按键电路共设置有6个按键，按键的默认引脚电平状态为高，这是由于+5V电源的上拉作用，保证按键不按下时引脚为高电平，当按键按下时，相应引脚跳变为低电平，以此来控制单片机发出相应指令，达到按键的目的。S1按键功能是用来设置时间日期，定时等功能。S2按键功能为确认选项和自动手动模式的切换功能。S3按键功能为加功能，实现时间日期中的数字加一功能。S4按键功能为减功能，实现时间日期中数字减一功能。S5按键功能为灯开关功能，用来手动控制灯光开关。S6按键功能为窗帘开关功能，用来手动控制窗帘的开关。
图3-12 按键电路
3.8 电源模块
 |
电源插口由一个3.5毫米的圆形插座，接一个自锁按键开关，并联两个电容进行滤波，C6瓷片电容滤高频，C7电容滤低频，进行稳压，电解电容取100-220uF都可以，因为电源本身有纹波，而且电源线也是有电阻的，负载电流的变化会在该电阻上形成不同电压降，全局通电，电路没问题电源指示灯就会被点亮。
图3-13 电源电路
4.1 主程序设计
 |
软件设计包括软件系统的整体结构、划分功能模块及编写具体的代码，形成的整体设计方案，第一步要根据前面的章节确定需要实现的功能；第二步要根据需要的功能设计一个大体的流程框架，然后对其详细化和完善化，直到完成需要的功能；第三步要根据设计的结果，编写每个模块的源程序，最后将每个模块的程序组合成一个完整的软件设计。系统软件设计流程如图4-1所示。
图4-1 系统软件设计流程
系统初始化后，由单片机采用时序运算，读出从DS1302发过来的所有数据，并进行相应的计算与转换，最后再由单片机送往液晶显示屏展示，与此同时，红外对管通过是否被遮挡来统计经过人数，并将数据传送到单片机，再由单片机传输给液晶屏显示。此时检测是否为自动模式，如在手动模式，需要根据按键来控制亮灯。如处于自动模式，红外对管首先检测是否有人进入，若无人，则输出高电平，再由主控模块判断灭灯，系统返回读取日期时间。若有人，此时检测时钟模块是否在定时的时间内，如不在，主控模块判断灯灭，系统返回读取日期时间。如在定时时间内，光强检测模块开始检测光照强度，若教室光线充足，则无需开灯，由主控模块判断熄灯，系统返回读取日期时间。如检测到光照不足，主控模块控制电机拉开窗帘，若此时光照充足，主控模块控制灭灯，系统返回读取日期时间。若此时光线还是不足，则根据人数确定亮灯数量，主控模块控制亮灯，系统返回读取日期时间。
 |
图4-2 子程序程序图
人数统计主要靠两组红外对管来检测人数的，一开始运行，程序开始扫描，当红外对管内侧检测被遮挡有人时，同时检测到外侧的红外对管已检测到人，故系统判断人从外入内，将此信息传递给单片机，并通过单片机显示到液晶屏上，人数加1人，如外侧没有检测到，内侧标志位置位，再返回系统扫描。如果探测到外侧的红外对管有人在，并且内侧已探测到，则判断从内入外，将此信息通过单片机显示到液晶屏上，人数减1人，标志位清零，回到程序扫描，如内侧还没检测到，外侧标志位置位，回到程序扫描。
 |
图4-3 显示模块流程图
LCD1602显示模块的流程图如图4-3所示，接通后首先设置光标，按输入方式设置，其中，I/D用来表明光标移动的方向，在高电平有效时右移，在低电平有效时左移；显示屏上的字符是不是可以左移或右移要由S来表示，高电平时代表着可以动作，低电平时代表不可以动作[11]。接着清屏，将光标复位到地址00H，接着初始化显示的地址和内容，然后检查有无需要调用子程序，如没有调用，继续初始化显示位置和内容，如需要调用，进行数据处理，把将要显示的内容显示到相应的地址，将显示处理后的一位数据一位一位的显示出来，接着系统返回到初始化显示位置和内容，子程序完成。
 |
图4-4 按键控制流程图
按键电路就是本次设计的控制电路，其流程图如图3.7所示，开始运行后，对按键的状态信息进行检测，即对连接单片机相应引脚的电平是否有低电平引脚，如果有，系统判定有按键按下，并且开始读取按键信息，然后执行控制指令，执行完成后返回继续检测是否有控制信号。如果没有检测到按键有低电平引脚，返回上一层继续检测。
 |
图4-5 步进电机驱动模块流程图
单片机通电后，步进电机驱动器ULN2003会检测与单片机直接相连的引脚1B～4B是否接受有控制信号，如果接到单片机的控制信号，相应引脚的状态就会发生改变，步进电机驱动模块就可以检测到控制信号，并且将单片机发出的数字信号转换成相应的脉冲信号，然后通过与步进电机的相连接的引脚1C～4C将脉冲信号输送给步进电机，控制步进电机完成控制指令，步进电机每次只可执行一条指令；如果没有检测到控制信号，程序会返回上一级继续检测是否单片机发出指令，直到检测到控制指令继续执行接受到的控制信号。
5.1 硬件调试
本课题研究设计主要的硬件包括：STC89C52主控模块、红外对管、光敏电阻传感器、DS1302时钟模块、LCD1602液晶显示模块、LED灯模块、电动机（代替自动窗帘）。
将STC89C52安装在开发板上，注意凹槽方向为正向，单片机的拐角对准凹槽插入，防止损坏单片机。然后利用KEIL4对STC89C52载入程序，如果能够载入则表示STC89C52可以顺利运行。如无法加载，则首先测试计算机软件是否操作正常，并进行加载。接着测试开发板是否有破损或接触不良。然后再通过仪表，对STC89C52所损坏的部分进行测量，以排除故障。
在确保电源和STC89C52主控模块无误的情况下，将光敏电阻传感器和红外对管传感器直接连接STC89C52，并在有光的情形下通过万用表检查光敏电阻传感器输出信号端口有无输出过高电平，如果输出正确即可正常工作。在遮挡红外对管的情形进行检测，依然用到万用表，当我们检测到红外对管传感器输出信号的端口输出了低电平，则表示可以正常工作[12]。
（3）DS1302时钟模块
倘若想要确保时钟模块正常工作，需要我们对其进行调试处理，也是为控制系统提供正确的时钟参考。我们将万用表调到电流档，记录现在的电流数值，接着改变时钟端口SCL和SDA的高低电平，我们观察到，万用表的电流档数字发生了变化，记下的最高电压数值产生了改变，则表示时钟模块可以完美运行。
（4）LCD1602液晶显示模块
假如单片机实现工作，但液晶显示屏却无法正常显现，先检查三角的正负二极电阻有没有反接，接着用万用表逐一检查板子背后焊接的数据脚有没有短路或者虚焊，最后检查排组，检查上拉电阻有无反接，接电源的一边是带字的实点的一端[13]。如果检查都没有错，则LCD1602正常。
（5）电源模块
接通USB电源接口，首先查看电源指示灯是否亮起，若正常亮起，说明电源部分没问题，若无法亮起，检查电路焊接是否有虚焊短路现象。
硬件调试的最主要目的，就是为了消除各个部分的故障电路而实现的。主要是指使用万用表等外部仪器对电路的测量。可分成静态调试和动态调试二步来完成。单片机系统还没工作的时候想要调试，这个时候我们就需要进行静态调试。
（1）目测。检查一下每个元件，有无出现元件破损开裂等损坏现象，检查各个器件有无在底座插牢固，焊点有无断点，引线有无松动。
（2）用万用表来测量。首先利用万用表检查一下目测中所有可以产生故障的区域，然后检查一下所有电源电路和地线间是否有短路现象，最后检查一下所有电线是否有断线。
（3）加电检测。为STC89C52主控单元的各电路连通电源，并检查VCC和GND的电源部分电压有没有达到设定要求[14]。
（4）联机检查。使用电脑机载程序进行检查。
动态调试，是在系统正常运作的情况下查找和排除在用户系统硬件中发生的元器件内部问题、器件逻辑误差等的一种硬件检测。首先根据特点把整个系统硬件电路细分成若干模块，即主控模块、DS1302时钟模块、光强检测模块以及红外对管模块。调试集成电路时，将与检测的电子元器件中不相干的部分全面从用户系统中剔除，这样才能把故障区域限定在一个局部的集成电路上。当各块集成电路无故障后，将各部分电路全部加入系统中，并对各个集成电路主要功能和各个集成电路之间可能产生的交叉联系加以调试。其次，把信息所流经的各个元件根据相距单片机的逻辑距离加以划分，而后分级调试。在调试时，一般仍采取先去掉无关元器件的方式，逐步的调试到底，最后就会把故障元器件给定位找出来0。故我们得知由近及远、由分到合是动态调试的规则。
5.2 软件调试
程序编写完毕后，先通过KEIL4新建工程文件，在工程文件下添加各个头文件和源程序，编写好的完成品程序中进行编译找出错误，有则改之无则加勉[15]。接着，由计算机通过USB转串口仿真器与STC89C52单片机模块连接后，将芯片载入编程环境。在程序载入完成之后，根据事先提供的环境，分为：在室内无人且光不够亮、室内无人且光够亮、室内有人且光不够亮、室内有人且光够亮，进行运行测试。所发生的结果如下，分别是LED灯不亮，LED不亮，开窗帘拉开还是不够亮，LED亮，窗帘拉开光够亮，LED灯不亮，LED灯不亮。一旦发生记录的情况跟预定实验结果完全不同的情形，很可能是因为电路连接问题或程序出现了错误，需要我们立即就二者进行检查，排除故障后重新检验，直到与预期结果相同为止。
5.3 工作流程
 |
本次课题设计硬件的搭接首先使用了STC89C52单片机；以LCD1602液晶显示屏为显示模块，可以通过旋转左下角按钮调节屏幕亮度；DS1302时钟芯片作为显示时间和定时的作用；ULN2003与28BYJ48步进电机作为驱动跟窗帘引擎模块；红外对管为检测人数模块；光敏电阻为光照检测模块。根据原理图，将单片机与各个元器件之间进行接线连接。连接好的实物图如图5-1所示：
图5-1 整体实物图
 |
 |
上电后，自动处于自动模式，通过液晶显示屏，显示当前的时间日期及星期，当前教室人数以及窗帘开关状态，此外，还具有手动模式的功能，只要按下切换按钮至手动，窗帘开合就得需要对应的按键进行操作打开关闭，灯光也是四个全开，只需要手动按下灯光开关即可。如图5-2所示：
图5-2 手动模式
 |
 |
使用设置按键可以同时完成时间日期设置，按下设置按键，我们即可使用显示屏完成对当前时间日期的设定，加，减按键主要应用于对时间时期的具体数字调节，此为，还可设置定时关闭，默认定时的时间段为18点到22点。如图5-3所示：
图5-3 时间设定
 |
 |
 |
 |
亮灯条件有3条：教室有人，光线昏暗，在设定时间段内，3个条件缺一不可。当后两者条件满足时，教室内出现1-9人，只亮1个灯，10-19人，亮2个灯，20-29人，亮3个灯，大于等于30人时，灯光全部开启。展示图如图5-4所示
图5-4 亮灯条件
通过本次毕业设计，掌握了基于STC89C52单片机的一种教室灯光自动控制器设计的系统制作方法。它由STC89C52作为主控单片机，选择它是深思熟虑的产物。本次设计在自动控制中，利用红外对管传感器的处理电路，用它统计教室进出的人数，教室内有没有人，STC89C52通过它高低电平的方式从数据接口将检测的信息结果传递过来；利用光强传感器来检测教室照明强度，在发现教室环境照明强度不足时，则输出低电平，教室环境照明强度充足时，就会输出高电平；通过利用光强传感器检测环境光源强度，并传给单片机信息，由此判断确定是否需要使用电机驱动和控制电机的窗帘。STC89C52接收传感器信息后运行Flash中的主控程序，确定要进行的操作，并将结果传输给LED灯和自动窗帘。利用这个系统设置应用在教室灯光设计上，可以很好地减少对电能的浪费。还可以延长灯具的使用时间。因为这个设置可以自动调整光照强度，因此可以为学生提供合适的学习环境，并且能保护他们的视力。
在本次设计之前，首先通过知网查阅了大量跟本次课题设计相关的论文，参考文献，心中有了大概框架，在功能实现方面，积极与指导老师进行沟通交流，最终把要实现的功能给确定下来，通过确定的功能，在网上翻阅了大量的资料视频，敲定要用到的元器件的选型，之后开始学习各个元器件相关的知识，通过自己对各个元器件的理解，结合与本课题设计相近的优秀硕士论文，来完成本次论文的雏形，最终在指导老师的指导下，几经修改，最终完成定稿。
本论文的设计让我更加明白了理论和实践相结合的重要性，在学习中我们不只是要学会理论知识，还有懂得把知识运用在实际情境中。让知识为我们的生活服务。即使在设计中遇到了很多困难，但是也都通过自己的不断探索努力的克服了。例如在设计中对STC89C52主控模块没有了解，通过自己查阅资料也收获了很多知识。因此我相信只要勇敢去做并且付出时间和精力，一切都有可能实现。以后无论做什么事情，我会更加努力本着这样的精神。
参考文献
[1]杨臻.高校楼宇智能节电系统的研究与SOPC实现[D].华北电力大学(北京),2007.
[2]闫璞.教室照明智能节能控制系统[J].中国新技术新产品,2018(18):2018.18.018.
[3]张杰克,张晓彤.基于GSM系统的智能教室电气自动化控制系统[J].电子世界,2016(24):2016.24.085.
[4]陈晶.基于单片机的教室灯光自动控制器的研究[D].福建农林大学,2007.
[5]许晓玲,雷高伟,刘凌云.基于WiFi的教室智能照明系统设计[J].电子设计工程,2018,(6):5.
[6]王怡,张鹤,卢薇,陈艳锋.教室灯光智能控制系统设计[J].电子世界,2017(21):117-118.
[7]匡程,程智明,蒋胤冰.高校教室智能灯光控制系统的设计[J].江苏科技信息,2016(36):63-65.
[8]宋昆.基于单片机的教室灯光控制系统设计[J].山东工业技术,2016(24):64.
[9]王娟娟.高校教室灯光的智能控制系统设计研究[J].化工管理,2016(11):71.
[10]金博.高校教室灯光的智能控制系统设计研究[J].山东工业技术,2015(06):161.
[11]梁佩莹,蔡忠岳,陈培宏,蔡静.教室灯光智能控制系统的设计[J].电子测量技术,2014,37(09):83-87.
[12]陶资,谢艳新,孙丽爽,赵东.基于单片机的教室灯光智能控制系统的研究[J].吉林农业科技学院学报,2014,23(02):33-35.
[13]陈杰.高校教室智能照明控制系统的研究与设计[J].安徽理工大学,2014,(02):75-79.
[14]钟家洪,赖敏.高校教室灯光节能控制系统的设计[J].赣南医学院学报,2012,32(05):805-806.
[15]周燕,覃如贤.教室灯光智能控制系统[J].西南科技大学学报(自然科学版),2005(01):11-14.
[16]Jin Xu, Jian Wei Tian, Qiao Wang. Zheng Mao Mei. Research of College Classroom Intelligent Lighting Adjustment System Based on ARM[J]. Advanced Materials Research,2013,2542(760-762).
[17]Dan Tong Zhang. Research on University Classroom Lighting Energy Saving Intelligence Control System Based on Single Chip Microcomputer[J]. Advanced Materials Research,2014,3470(1030-1032).
更多好物尽在期末助攻网，你需要的服务我们都有，联系客服QQ:321652919,提供论文代笔，论文框架构思，期末考试助攻辅导，作业练习题答疑服务。
