1.1 引言

能源短缺是21世紀國際面臨的新問(wèn)題。在尋找新的儲備能源之外，節約能源，提高效益也就成為更加符合當下注重研究的課題。隨著(zhù)國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和社會(huì )進(jìn)步，教育在全社會(huì )愈加被關(guān)注和重視，校園規模也隨著(zhù)招生規模的擴大不斷擴大，教室的數量也大幅度增加。但對目前的各類(lèi)高校說(shuō)，照明控制系統的使用還處于初級階段，由于國家關(guān)于“創(chuàng )建節約型校園”政策的頒布，加之傳統的手動(dòng)關(guān)燈方式操作繁瑣且存在著(zhù)較大的人為浪費的弊端，在教學(xué)樓內使用新型的照明節能自動(dòng)控制系統已成為大勢所趨。

在本次大賽的調研階段，我們還注意到，盡管市場(chǎng)上存在著(zhù)形形色色的智能燈控設備，但或其設備體態(tài)太大，或其成本較高，僅僅局限在某些公共場(chǎng)合或廠(chǎng)家使用，嚴重限制了其使用的普適性和廣泛性，照明節能自動(dòng)控制設備技術(shù)在我們家庭生活中的應用幾乎是一項空白。特別是在當今智能家居的理念深入人心，簡(jiǎn)約性環(huán)保性成為新的看點(diǎn)，用科技改變生活已成為人們執著(zhù)追求的目標。

本系統是以Atmegal28單片機為控制器核心，通過(guò)其強大的微控功能，擴展了無(wú)線(xiàn)通信、傳感和顯示模塊，實(shí)現對照明系統的自動(dòng)控制，既在一定程度上杜絕了教室電力資源浪費現象的出現，又滿(mǎn)足了日常生活中人們所倡導的簡(jiǎn)約便捷和自動(dòng)控制，降低了運行維護的費用，節約了管理成本，有著(zhù)巨大的生態(tài)、環(huán)境和經(jīng)濟效益。

1.2 項目背景/選題動(dòng)機

當今的社會(huì )生活特別是眾多高校中，現存的能源浪費、經(jīng)費超支和學(xué)生視覺(jué)健康等問(wèn)題已越發(fā)引起人們關(guān)注，高校教室照明的節電問(wèn)題不得不提到重要的議事日程上來(lái)。加之當今人們對生活智能化簡(jiǎn)約化要求的提高，能否利用現有的資源設計一款自動(dòng)控制且具有相對實(shí)用性照明系統，填補家庭生活自動(dòng)照明技術(shù)的空白，改進(jìn)現有照明設備存在的缺陷，是我們隊伍本次參賽目的的重中之重。

在本次參賽調研準備階段，我們特意對現今市面所廣泛使用的人體紅外感應開(kāi)關(guān)電路做了研究分析�，F有人體感應設備是利用人體紅外熱釋感應技術(shù)，判斷人的動(dòng)作有無(wú)來(lái)控制燈的亮滅，其靈敏感應、抗干擾力確實(shí)值得稱(chēng)道。但我們都有這樣的體會(huì )，當在教室中靜坐一段時(shí)間，由于感應不到人體動(dòng)作的變化，燈會(huì )自動(dòng)熄滅，直到我們再給予相關(guān)的動(dòng)作才會(huì )重新將燈置亮，這給我們的正常學(xué)習帶來(lái)了極大的不便；而且，由于系統中的延時(shí)設置，當教室中人都走光之后，所有的燈仍會(huì )亮一段時(shí)間，如果我們能將這段時(shí)間內不必要的電力資源耗費節省下來(lái)，日積月累，對任何一個(gè)高校眾多的教室而言，絕對是一筆不小的開(kāi)支。我們認為以上兩點(diǎn)，是現有設備沒(méi)有考慮也無(wú)法克服的性能漏洞。更顯然的是，這樣的設備根本不適合應用在我們日常家庭生活當中，設想如果我們在房間中休息，燈自動(dòng)熄滅，將會(huì )給人們帶來(lái)多大的不方便與不習慣。

鑒于以上功能與需求的分析，我們決定利用Atmegal28 單片機以及外圍設備，通過(guò)對人體進(jìn)出房間的計數，判斷房間內人的有無(wú)來(lái)控制燈的亮滅，既克服了需要不斷動(dòng)作的弊端，減少了不必要的延時(shí)所造成的資源浪費，又能自動(dòng)控制，很好的應用于學(xué)校工廠(chǎng)及家庭日常生活當中去，具有較好的應用前景，這是我們選擇此項目的直接背景和根本動(dòng)機。

二、需求分析

2.1 功能要求

本系統主要采用光感應傳感器和紅外光感應計數器共同設卡來(lái)控制室內的照明設備的亮與滅,當室內光線(xiàn)暗到一定程度以及計數裝置計算結果為≥1（即室內有人）時(shí),條件滿(mǎn)足，單片機控制系統會(huì )自動(dòng)動(dòng)作打開(kāi)照明設備的開(kāi)關(guān)，當條件不滿(mǎn)足時(shí)，控制系統也會(huì )動(dòng)作立即關(guān)閉開(kāi)關(guān)。

由于設計伊始，我們小組主要把該設備的應用場(chǎng)合應用定位于學(xué)�；蚬�廠(chǎng)等大型公共場(chǎng)合。首先假如以我們大學(xué)教室照明為應用對象，我們還加了一些可選功能。比如說(shuō)，據我們調查了解，像我們學(xué)校這樣的普通教室一般會(huì )有六排左右燈，但當只有少部分人（具體數目因情況而定）進(jìn)去的時(shí)候我們只要求靠前的三排燈亮，但是如果這少部分人有特殊情況非要把所有的燈都打開(kāi)，我們專(zhuān)門(mén)在鍵盤(pán)上設置了一個(gè)按鍵功能，此按鍵動(dòng)作就會(huì )把剩余未打開(kāi)的三排的燈強制打開(kāi)。

但是由于節能觀(guān)念的普適性，我們的這個(gè)裝置也可以裝在普通家庭照明系統中，鑒于此我們又給該裝置加了一個(gè)遙控器裝置，用戶(hù)可以用遙控器通過(guò)無(wú)線(xiàn)裝置遠距離操作強制打開(kāi)和關(guān)閉照明設備。

為了豐富該裝置的功能，我們還給該控制系統加了一個(gè)顯示屏和一個(gè)鍵盤(pán)模塊。由單片機驅動(dòng)在顯示屏上顯示當前時(shí)間、當前溫度、當前計數值。鍵盤(pán)用來(lái)調節相應參數，比如當系統由于發(fā)生不可避免故障時(shí)，計數器會(huì )發(fā)生錯誤，此時(shí)就用鍵盤(pán)重新輸入值更正一下，同時(shí)鍵盤(pán)還可以用于調節時(shí)間，還有之前介紹的功能鍵也是其中的一部分。

圖1 系統架構

2.2 性能要求

①光感應靈敏，響應速度快（2us左右），工作溫度范圍寬（-25℃~+70℃）。

②計數準確。

③測溫精確度高，精度為±0.5°C；適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V。

④使用PT2262射頻無(wú)線(xiàn)通信芯片，在室內可用通信距離為幾十米，無(wú)線(xiàn)遙控距離遍及了一般的教室（或工廠(chǎng)）空間。

本系統有兩個(gè)要求相對要嚴謹一點(diǎn)的模塊。首先是計數模塊，因為我們使用的是對射式計數方式也就是一旦遮住光線(xiàn)，紅外感應器就會(huì )發(fā)出一個(gè)計數脈沖。但是，當人員相對比較密集的時(shí)候，也就是說(shuō)當門(mén)足夠寬時(shí)，出現兩個(gè)人并排或者是錯開(kāi)但仍連續遮掩光線(xiàn)時(shí)，這時(shí)計數器只記一個(gè)數，這樣就會(huì )出現錯誤。所以，我們所設計的裝置只適應于那種門(mén)不會(huì )太寬以至于不會(huì )出現多人連續遮掩光線(xiàn)，使計數值不準的場(chǎng)合。就我們對我們學(xué)校的觀(guān)察以及測量發(fā)現，就一般的學(xué)校教室幾乎不會(huì )出現上述情況，所以本裝置安裝在教室內計數上幾乎不會(huì )產(chǎn)生錯誤。

其次無(wú)線(xiàn)遙控模塊（該模塊主要用于家庭照明系統或工廠(chǎng)中），該模塊傳輸距離有限，一般在幾十米，但當用戶(hù)在較遠距離遙控時(shí)可能會(huì )出現失靈的情況。

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

本系統主要包含以下幾個(gè)模塊： ①計數模塊

②光感應模塊

③顯示模塊

④測溫模塊

⑤鍵盤(pán)模塊

⑥無(wú)線(xiàn)遙控模塊                           

1、計數模塊

計數模塊我們采用紅外線(xiàn)感應計數器，該種計數器大體分為兩種，其中一種是對射式，另一種是反射式。對射式是利用一個(gè)發(fā)射頭一個(gè)接收頭，中間如果有物體通過(guò)就遮擋一下光線(xiàn)，輸出一個(gè)脈沖給計數器，計數一次；反射式是發(fā)射頭和接收頭做在一塊成為一個(gè)紅外探頭，當紅外探頭前有物體出現就把發(fā)射頭的紅外線(xiàn)反射給接收頭，探頭輸出一個(gè)計數脈沖給計數器，計數一次。由于對我們這個(gè)系統的應用場(chǎng)合對射式要比反射式計數方面要準確些，所以采用對射式。我們把紅外線(xiàn)感應計數器的脈沖輸出端直接連接在單片機的I/O口上進(jìn)行計數處理，計數結果同時(shí)要在液晶屏顯示器上顯示一下。

紅外感應器與單片機連接示意圖

2．光感應模塊

光感應模塊我們首選的是歐恩光電技術(shù)研究所 2006 年研發(fā)的專(zhuān)利項目——ON9658光感應傳感器。該產(chǎn)品采用的是CMOS工藝內置了穩壓、 OP 放大、紅外差分等近 10000 門(mén)電路，還有暗電流小，低照度靈敏等等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應用中，只需加一個(gè)下拉電阻即可。此產(chǎn)品適合電視機、LCD背光、數碼產(chǎn)品、儀器儀表、工業(yè)設備等諸多領(lǐng)域的節能控制、自動(dòng)感光、自適應控制等，同時(shí)可定位為環(huán)保產(chǎn)品，替代傳統光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管，符合本次大賽環(huán)保的理念。

實(shí)現原理：當光照射到光敏三極管上，光敏三極管的阻值急劇減小，利用光敏三極管On9658作為傳感器串聯(lián)一個(gè)7.5K的電阻，通過(guò)光敏三極管電壓的變化反映因光源的照射強度在光敏三極管上的變化。把檢測的電壓信號通過(guò)電壓跟隨器電路輸入Atmega128型單片機。該電路結構簡(jiǎn)單，靈敏度高且檢測電壓信號穩定，效果明顯。 

采樣信號運放電路，增強信號的強度，通過(guò)電壓跟隨器可以增加信號電壓的穩定性，后級接電壓跟隨器增強了電路帶負載能力。

3．顯示模塊

設計中LCD主要作用：本次設計LCD主要作用于顯示當前室內人數以及對系統操作時(shí)的操作菜單，通過(guò)顯示器實(shí)現方便直觀(guān)人機對話(huà)界面。

LCD顯示原理：本設計采用以ST7920為驅動(dòng)芯片的LCD12864字符液晶顯示器。ST7920通過(guò)RS、R/W 和E的時(shí)序配合,通過(guò)DB0-DB7八位數據端口對其內部數據寄存器DR和指令寄存器IR的讀寫(xiě)操作,通過(guò)對數據寄存器DR 的訪(fǎng)問(wèn), 可以存取DDRAM、CGRAM、CGROM 和IRAM 的值。將要顯示的字型碼寫(xiě)入到DDRAM上, ST7920將自動(dòng)地按照編碼從CGROM 中將要顯示的字型顯示到屏幕上。

LCD初始化流程：

..

LCD顯示內容：

時(shí)間設置                         人數更改設置

4．測溫模塊

測溫模塊我們首選的是DS18B20，因為該模塊我們之前使用過(guò)，不僅使用方便，而且在性能上也有不錯的效果。 據我們了解在傳統的模擬信號遠距離溫度測量系統中，我們需要很好的解決引線(xiàn)誤差補償問(wèn)題、多點(diǎn)測量切換誤差問(wèn)題和放大電路零點(diǎn)漂移誤差問(wèn)題等技術(shù)問(wèn)題，才能夠達到較高的測量精度。另外一般監控現場(chǎng)的電磁環(huán)境都非常惡劣，各種干擾信號較強，模擬溫度信號容易受到干擾而產(chǎn)生測量誤差，影響測量精度。因此，在溫度測量系統中，采用抗干擾能力強的新型數字溫度傳感器是解決這些問(wèn)題的最有效方案，數字溫度傳感器DS18B20具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線(xiàn)總線(xiàn)、可組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應用中取得了良好的測溫效果。

DS18B20工作原理：

DS18B20測溫原理如下圖所示。圖中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數器1。高溫度系數晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數器2的脈沖輸入。計數器1和溫度寄存器被預置在－55℃所對應的一個(gè)基數值。計數器1對低溫度系數晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數，當計數器1的預置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計數器1的預置將重新被裝入，計數器1重新開(kāi)始對低溫度系數晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數，如此循環(huán)直到計數器2計數到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數值即為所測溫度。下圖中的斜率累加器用于補償和修正測溫過(guò)程中的非線(xiàn)性，其輸出用于修正計數器1的預置值。

 DS18B20工作原理圖 

5．鍵盤(pán)模塊

鍵盤(pán)是有若干個(gè)按鈕做組成的開(kāi)關(guān)矩陣，是單片機系統中最常用的輸入設備，用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)向系統輸入指令或數據，實(shí)現對系統的調節和控制。本系統采用非編碼鍵盤(pán)，設有五個(gè)按鍵，為了滿(mǎn)足系統的可靠性和靈活性，必須考慮如何消除抖動(dòng)，這里我們是用軟件的方法來(lái)消除抖動(dòng)的。

在鍵盤(pán)模塊的實(shí)際連接中，我們將鍵盤(pán)的輸出引腳直接與單片機的五個(gè)I/O口相連，另一端接地。對于按鍵處理程序，我們采用持續查詢(xún)的方法，即始終檢測有無(wú)按鍵閉合，如有，則消除抖動(dòng)，判斷鍵號并轉入相應的按鍵處理。五個(gè)鍵的定義如下：

KEY1：系統強制開(kāi)關(guān)；

KEY2：模式選擇；

KEY3：LCD顯示計數加1；

KEY4：LCD顯示計數減1；

KEY5：確定鍵；

6．無(wú)線(xiàn)遙控模塊

本模塊是以Atmega128單片機為核心，設計出一個(gè)以PT2262/PT2272作為無(wú)線(xiàn)通信模塊，通過(guò)與單片機數據交換來(lái)控制外部電路通斷的遙控開(kāi)關(guān)控制系統。

PT2262/2272是一對遙控編碼/解碼控制芯片。他們各有12個(gè)地址引腳，5個(gè)數據段，最多有312種地址組合，價(jià)格低廉，可靠性高，是比較理想的遙控編碼解碼芯片。但在應用是有一個(gè)問(wèn)題，即其地址端的硬件連接要求完全相同，為了擴展其應用范圍，我們在本系統中用單片機取代PT2262的譯碼模塊，單片機的輸入引腳連接開(kāi)關(guān)，輸出端連接遙控發(fā)射模塊，多個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作改變輸出波形的功能有軟件完成，同時(shí)，在沒(méi)有按鍵按下時(shí)讓單片機工作在掉電模式，達到操作簡(jiǎn)便以及節省能源的目的。

對于系統的連接構架，在發(fā)射端按需要把PT2262的地址位和數據位和單片機的I/O口相連接，再在接收端控制地址位與發(fā)射端pt2262地址位相同，就可以實(shí)現單片機對他們的控制。我們選用Atmegal 128單片機的PA口和PC口與芯片的A1~A9相連，PA口做輸入，PC口作為輸出。由于單片機從掉電模式轉換為正常工作模式的唯一方法為復位，所以，每按一次鍵與該鍵相連的引腳成高電平，此高電平通過(guò)二極管和電容器是復位端產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，喚醒CPU，執行程序，實(shí)現開(kāi)關(guān)系統的中斷與使能。

                          無(wú)線(xiàn)通信模塊與單片機連接示意圖

7．系統整體結構

系統硬件結構框圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

我們選用基于A(yíng)Tmega128的硬件平臺，資源配置方面：帶有至少5路按鍵，帶有測溫模塊（DS18B20芯片），以及ST7920為驅動(dòng)芯片的LCD12864字符液晶顯示器，光敏三極管ON9658，無(wú)線(xiàn)通信收發(fā)芯片PT2262和PT2272，如果這些資源沒(méi)有的話(huà)，留有單片機擴展口，到時(shí)我們自行擴展也可。

3.3系統軟件架構

3.4 系統軟件流程

程序運行流程圖

3.5 系統預計實(shí)現結果

本系統能夠根據所設定的條件，當光照以及人數滿(mǎn)足要求時(shí)，該系統能夠自行選擇開(kāi)斷照明系統的開(kāi)關(guān)，代替人為操作，實(shí)現自動(dòng)化控制。