目 录
第1章 绪 论 1
1.1照明智能控制的背景、目的及意义 1
1.1.1 背景 1
1.1.2 目的及意义 2
1.2 设计的任务及论文完成的主要工作 2
1.2.1 设计任务 2
1.2.2 论文完成的主要工作 3
第2章 照明智能控制系统总体方案设计 4
2.1 照明智能控制器系统工作过程简介 4
2.2 系统设计总体方案 5
2.3 方案论证 6
2.3.1 中央处理器的选择 6
2.3.2 人数监测模块设计 7
2.3.3 人员数量显示模块设计方案 8
2.4 小结 8
第3章 照明智能控制器系统模块设计 9
3.1 教室小系统原理图设计 9
3.2人数监测模块设计 10
3.2.1 “人体运动计数”的工作原理 10
3.2.2 系统及工作流程设计 12
3.2.3 热释电红外传感器输出信号的处理 12
3.3 灯具控制模块设计 14
3.3.1手动强制按钮接口电路设计 14
3.3.2 继电器改进电路 15
3.4 人数显示电路设计 16
3.5小结 16
第4章 系统软件设计 17
4.1 教室小系统主程序设计 17
4.2 智能继电器主程序设计 19
4.3 手动强制按键的主程序设计 19
4.4 手动按键扫描子程序 20
4.5 小结 21
第5章 系统模块验证调试 22
5.1 硬件模块检测 22
5.2 人数监测模块调试验证 22
5.3 人数监测模块程序设计 24
5.4 模块的仿真与测试 26
5.5 小结 27
总 结 28
致 谢 29
第1章 绪 论
1.1 照明智能控制的背景、目的及意义
1.1.1 背景
近年来，尽管我国的电力建设取得了很大的发展，但这并不意味着我国的电力资源己经过剩，事实恰恰相反，电力供应不足和能源短缺的现象十分严峻。翻开2003年的新闻，电荒二字十分抢眼：12月26日，湖北武汉市拉闸限电；长沙市从11月30日起首次按照“开三停一”的原则限电；从11月5日开始，湖南的14个地区己陆续开始计划用电：1-0月，山西省累计拉闸限电56600条次，日均限电100万千瓦时以上……2004年6月16日，国家电网公司总经理赵希正表示，夏季电网将面临八十年代以来最为严峻的缺电局面，全网电力供应的缺口将达到三千万千瓦左右；2005年7月30日以来，由于煤电矛盾并未根本化解，新增机组上半年投产不足，全国最大电力缺口将出现在三季度，缺口约为2500万千瓦，缺电最严重的地区仍在华东[1]。
目前，国内大、中、小学校教室的照明灯具控制大多采用手动开关，即使严格管理，仍不可避免地出现忘记关灯的时候，特别是在白天，情况更是如此，从而造成大量的能源浪费。另外，各种照明灯具都具有一定的使用时限，在光线充足的情况下仍继续使用，必然会缩短灯具的使用寿命。
从节能的角度观察教室照明系统的使用，浪费现象屡见不鲜。教室中的开关虽然也分区控制照明灯，但不会有人花费时间去研究他所坐的那排的灯是由哪个开关控制的；有些不负责任的管理员甚至只控制一个总闸，晚上拉下来，早上推上去，这也就意味着在早上几乎没有人上自习的六、七点钟，整个自习楼的灯就全亮了。这样，一年下来，无形中所浪费的电能是非常惊人的。
现在国内外称为室内照明智能开关分两种：一种是定时开关，它通过对开灯和关灯的时间设定，以达到定时开灯和关灯的效果，它无法根据室内的照度进行自动开灯和关灯，也无法根据室内人员的多少确定开灯数量。另一种是红外感应开关，它虽然可以根据白天黑夜和人员流动控制灯具，但它只能是简单逻辑状态开关式接通电源，经过整定时间延迟后自动切断电源。两种开关实际上没有实现智能化，并且不能对多灯进行选择控制。国内外室内照明“智能”开关现状还不能达到片区照明智能控制和节约用电的目的。
1.1.2 目的及意义
本设计根据室内的照度情况和人员分布情况，通过照明管理的智能控制系统来决定灯的亮灭，达到节约用电的目的。片区照明智能控制系统借助各种不同的“预设置”控制方式和控制组件，对不同时间不同环境的光照度进行精确设置和合理管理，实现节能。这种自动调节照度的方式，充分利用室外的自然光，只有当必需时才把灯点亮或点亮到要求的亮度，利用最少的能源保证所要求的照度水平，节电效果十分明显，一般可达30%以上。
当今节能和保护环境已成为世界各国普遍关注的社会问题，并直接关系到社会的持续发展。在我国，照明用电量占总发电量的10%以上：在英国，应用在照明上的能量大约占总消耗能量的5%，如果有效地利用照明用电，这个数量可以减少。我国电力主要是来自燃煤，照明节电就意味着减少CO2，SO2等有害气体排放，可减少对大气环境的污染。
如果我校教学楼采用“照明片区数字化、智能化、网络化控制系统”，将使我校教学楼不再出现学生进教室将教室灯全部开启，离开时又没有关灯，出现白天教室灯与太阳比亮度；晚上开长明灯；教室无人或只有一两个人都会出现将灯具全部开启的现象，达到节约用电，减少开支，降低教育成本的目的，同时又可远程控制和管理，提升管理水平。
本系统的开发研究，既能实现照明节能，又能提高人们的生活质量，有广泛的应用需求和市场前景，可望获得较好的社会经济效益。
1.2 设计的任务及论文完成的主要工作
1.2.1 设计任务
本系统设计要求实现根据室内自然光的照度决定照明片区是否开灯和关灯。当室内的自然光照度低于室内最低照度要求时，该系统将自动接通电源，使所有灯具处于待开状态。系统还能根据室内有无人员，人员的多少及人员的分布等情况决定是否开灯，开多少灯，开什么位置的灯，当室内光的强度超过多少照度时，关闭多少灯，关闭什么位置的灯，始终保持室内的照度在某一正常范围内。杜绝无人时开灯，人多人少都将所有的灯开启及开长明灯的现象，真正做到人少少开灯，人走灯灭，即以高度的智能化来提高用电的管理水平。
1.2.2 论文完成的主要工作
针对设计任务的要求,本论文完成的主要工作有：
（1）以单片机为控制中心，对模块电路的采集信号进行判断、处理。
（2）进行热电释红外传感器的测试实验，确定实现人数监测的传感器的型号。
（3）设计人数监测模块，监测房间内部人员数量，单片机据此判断教室的使用效率。
（4）向上层控制中心汇报室内各分区人员分布的数量。
（5）执行上层整体调整命令，显示指定的房间号。
第2章 照明智能控制系统总体方案设计
照明智能控制系统要完成房间内部照明灯具的自动控制及与上层系统通讯等任务，针对任务要求，本章将进行工作过程简介和总体方
案设计。
2.1 照明智能控制器系统工作过程简介
根据照明控制器[2]的设计原理：将小区分为三个不同的层次，即小区层，栋层和房间层。
房间层是管理的最底层，如图2-1所示，房间层采集到信息后，向栋层传送本房间内的人员监测数量，同时在接收到栋层传来的整栋之间的协调信息时，关闭本教室的照明灯具，并显示出开灯的房间号，间分布人数过少情况下的用电浪费。
图2-1 房间层工作流程图
栋层的主要工作是接收到所有房间层的信息后，经判断作出该栋合理分布开灯房间的决策，并向小区层汇报。小区层则用于协调各栋层的工作，栋层和小区层的详细叙述见《照明片区网络化的设计》[3]，本设计着重介绍房间层的实现。
2.2 系统设计总体方案
照明控制器的照明控制原理：将教室分为0～5六个区，如图2-2所示，屋顶中央圆盘上固定6个人体检测模块，传感器位于图2-2中传感器1的位置，朝向6个分区，分别对6个区域进行监视，其中在1和4区放置照度检测模块，分别检测靠门侧3个区和靠窗侧3个区的照度。在教室的进门处加一个“双元型”热释电红外传感器，位于图2-2中传感器2在位置，对实验室的人数进行监测，达到系统的完整。本系统控制的总体框图如图2-3所示，照明智能控制器控制分区的照明灯具，单片机读入人数监测的监测值，送入上一级（栋层控制器）。原理框图如2-3所示：
图2-3 原理总框图
在以上的模块设计中，照度检测、人体检测上届学长已完成，本设计以人数监测模块为重点，并对系统的抗干扰做进一步处理。
2.3 方案论证
对于一项设计而言，找到合理的设计方案是至关重要的，因为它不仅决定着设计实现与否，还决定着设计结果的准确性。
2.3.1 中央处理器的选择
房间层中央处理器主要作用是做简单的逻辑控制，并不涉及复杂的算法。
AT89S51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O 口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16 位定时/计数器，一个5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路[4]。同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。本系统设计选择AT89S51单片机作为房间层中央处理器，如图2-4所示。
89S51相对于89C51增加的新功能包括：
1、工作频率为33MHz， 89C51的极限工作频率只有24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。
2、内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。
3、具有双工UART串行通道。
4、双数据指示器。
5、电源关闭标识。
新增加了许多功能，性能有了较大提升，价格却基本不变，甚至比89C51更低！
2.3.2 人数监测模块设计
方案一：人体识别方法：
在屋顶中央圆盘上固定6个人体检测模块，在最中央安放一个可转动的摄像机，首先依据人体感应模块得到的人员分布情况，利用电机转动摄像机到有人员分布的区域，进行图像采集，经过图象处理得出室内人员的数量。原理框图2-5如下：
图2-5 人体识别原理框图
此方案操作不方便，反应时间长，不宜进行实时监测，而且误差较大，价格昂贵，不宜进行大规模生产。
方案二：人数监测方法：
将双元型热释电红外传感器[3]安装在门框的同一侧，相互间隔适当的距离。人体经过传感器时，人体的运动方向不同，传感器输出的信号也不同，进而判断是进入房间还是离开房间[5]。系统原理框图2-6如下：
图2-6 人数监测原理图
通过以上分析比较，本设计采用方案二，方案二的实现成本较低，容易实现；但热释电红外传感器的安放位置还是比较困难的，而且人经过门的速度也是不尽相同的，故在本设计中有一定的理想化处理成分，在实践中总结其最好的距离和位置，以达到最好的监测效果。
2.3.3 人员数量显示模块设计方案
方案一：液晶显示器(LCD)是一种低功耗的显示器件，在袖珍式仪表或低功耗应用系统中有广泛的应用。液晶显示器有标准段式液晶显示器、字符点阵液晶显示器和全点阵图形液晶显示器三种。液晶本身并不发光，而是借助自然光或外来光源显示数码，它的优点是工作电压低、耗电极省，但在黑暗中显示需加背景光，相应刷新速度低，而房间号的显示需要醒目，液晶显示的字符较小，只有近距离才较易看清，成本也较高。
方案二：采用LED数码管动态扫描显示，用一片七段译码芯片CD4511驱动4片LED，直接用单片机I/O口接数码管公共端做片选信号，使用芯片数量少，但占用I/O口数量多。
方案三：采用串入并出移位寄存器驱动显示。使用两片移位寄存器74LS164驱动两片数码管，仅需两个I/O口，但显示需做软件译码[6]。
通过以上分析，本系统中由于I/O口占用数量较多，为节约单片机I/O口同时考虑成本，采用方案三。
2.4 小结
本章简要的描述了系统的结构及工作过程，并通过比较分析，确定了各个模块的设计方案。
第3章 照明智能控制器系统模块设计
单元电路的设计包括了小系统、照度检测模块、人体感应模块、人数监测模块、继电器触发电路、步进电机驱动电路、电源电路和显示模块。本文将对人数监测模块、继电器触发电路和显示模块做详细阐述。
3.1 教室小系统原理图设计
教室小系统原理图如图3-1所示，通过编程完成房间层的数据处理及智能控制。
89S51端口分配（见表3-1）
表3-1 I/O口的分配
P1.0，P1.1 用作照度检测
P1.2,P1.3 分别对房间内部的1,2,3区和4,5,6区进行控制
P1.4～P1.7, 用做步进电机控制
P2.6 智能按键控制
P2.7 对教室内的人数进行监测
P0.0～P0.5 人员分布检测信号输入
P0.6,P0.7 4位LED 模拟串口显示
P2.0～P2.5 继电器触发控制信号输出
P3.0,P3.1 用做无线通信（详见《照明片区网络化》）
3.2 人数监测模块设计
人数监测模块关系到主机对房间的开关是否做出调整，教室内的学生人数是调换教室的依据，是对教室资源的优化处理的依据。
本设计中人数监测模块采用热释电红外传感器中的“双元型”(或称“对偶型”) 器件作为探头，利用后继的信号处理电路对传感器信号进行处理，实现对物体运动方向的判断，实现对进出门人数的计
数，通过比较进出门的人数，得出房间内有多少人的判断。这个方案无论室内的环境多么复杂，安装时只需将探头固定在门口处即可，比较方便[7]。
3.2.1 “人体运动计数”的工作原理
人体监测计数模块能否有效工作，关键在于传感器对人体运动方向的判断。本设计采用“双元型”热释电红外传感器作为探头，就是要利用其结构上所具有的与单元型器件不同的特点来实现对人体运动方向的判断。单元型热释电红外传感器由于只有唯一的一个热电敏感单元，因而对不同方向运动物体只能输出同样的反应信号。而双元型热释电红外传感器具有两个完全相同的热电敏感单元，它们按照极化方向反向串联或并联，其中只有一个热电敏感单元是用来检测红外线，而另一个要在表面蒸上红外反射膜，它的作用是补偿噪声。在实际当中，红外反射膜是不可能达不到全反射的效果，一般较佳的是达到70 %反射，因此两个热电敏感单元对整个传感器的信号输出都有贡献。由于市场上大部分产品为串联方式，故下面就以反向串联方式为例，利用图解来定性说明双元型热释电红外传感器判断人体运动方向的基本原理。人体运动计数法的原理分析示意图，如图3-2所示：
图3-2 运动计数原理框图
无论反向串联型传感器中的两个热电敏感单元的几何形状和相互位置关系如何，都可以用图3-2（a）来表示（假设a为检测元件，b为噪声补偿元件）。现在假设有人体从热释电红外传感器的前方沿着两个热电敏感单元反向串联的方向从左向右经过，根据人体与敏感单元相对位置的不同可对传感器的输出信号做出分析。如图3-2（b）所示，当人体刚刚进入双元热释电红外传感器视野的时候，由于人体到两个热电敏感单元的距离及角度不同而造成入射到两热电敏感单元上的能量变化速率不同，具体是a > b，因此双元热释电红外传感器输出信号应以a的信号为主，可设符号为“+”。如图3-2（c）所示，当人体运动到双元热释电红外传感器视野中央位置附近时，对于两个热电敏感单元来说一个是离开一个是接近，于是各自产生的信号符号不同，但由于两个敏感单元反向串联，因此热释电红外传感器输出信号应是二者信号的反向叠加的结果，其值比任意一个敏感单元单独产生的信号都要大，故符号为“- -”。如图3-2（d）所示，当人体运动到即将离开热释电红外传感器视野时，两个热电敏感单元上的能量变化情况是b > a，因此热释电红外传感器输出信号应该以b为主，由于对于b来说人体离开且它的串联方式与a相反，故符号为“+”。由于热释电红外传感器输出信号波形是连续的，根据以上分析，可以得出热释电红外传感器输出的波形大致如图3-2(e) 所示，波形的第二个正峰值低于第一个正峰值是由于热电敏感单元b为噪声补偿元件，蒸有红外反射膜，因此它产生的输出信号比较小。如果人体的运动方向相反，则分析同理进行，而得到的结果恰好相反，如图3-2(f )所示。这样，根据上面的分析就可将不同方向通过热释电红外传感器的输出信号波形区分开。再利用信号处理电路将传感器输出信号转变为便于进行计数的数字信号“人体运动计数”法就可以顺利工作了[8]。
3.2.2 系统及工作流程设计
整个人数监测模块的工作过程如下：热释电红外传感器探测到人体发出的红外线后产生一个相应的输出信号；该信号经过信号处理电路的处理后，信号转变成为利于计数的数字信号，同时人体的运动方向被判断出来[10]；这个数字信号输入到计数器进行计数，单片机通过程序运行比较房间内的人数是否低于预定值，根据比较结果做出是更换教室还是不更换教室的决定[9]。下图3-3给出了一个基本的系统框图。
图3-3 系统框图
3.2.3 热释电红外传感器输出信号的处理
通过前面对双元型热释电红外传感器对人体运动方向判断工作原理的分析，已经知道从传感器的输出信号波形来看是可以判断出人体的运动方向。但是，从传感器输出的信号显然是不可以直接作为人数监测模块的控制信号，因此传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路，使得传感器输出信号的不规则波形转变成适合于计数的数字信号。
本设计中采用的是P2288-02型热释电红外传感器，是由双热电敏感元件、低噪声阻抗匹配电路构成的双元型结构器件，采用TO - 5 封装，其红外窗口为矩形，基本性能参数列于表3-2中。
表3-2 传感器性能参数表
型 号 敏感面积（mm2） 敏感元件数 封 装 窗口材料
2288-02 2*1 2 TO-5 带通滤波器
工作温度（℃） 存储温度（℃） 光谱响应（μm） 敏感度
（1Hz,10Hz）
（V/W） NEP
（500，1，1）
(W/Hz1/2)
-40～60 -55～125 7-15 6500，1000 1*10-9
工作电压（V） 信号提升时间
(0~65%) (ms) 温度系数
(%/℃) 偏移电压
(RL=22kΩ) 噪声
（Μv/Hz）
3~15 100 0.2 0.4 15
根据以上传感器基本性能参数，这里给出一种适合的信号处理电路[11]，如图3-4 所示。整个电路由传感器、滤波电路、放大电路、窗口电压比较器组成。
图3-4 信号处理电路
当人体辐射的红外线被聚焦在热释电红外传感器的热电探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由C1、C2、R1、R2组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率 ，同理下限截止频率为0.16Hz。由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱(通常仅为几毫伏)，而且是一个变化的信号，输出信号的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0.1～10Hz左右，所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。本设计运用通用集成运算放大器LM324来进行两级放大，如图3-4所示，第一级放大器增益 ，输出信号有微弱的工频干扰，经R5，R6，C3，C4组成的带通滤波器后送入第二级放大器，第二级放大器增益可由RW1调节，最大为31。调节RW2，将窗口电压比较器的电压窗口范围设定为相对零电压。
3.3 灯具控制模块设计
本设计继电器模块用来直接控制照明设备供电线路的开启与关闭，它是一种执行装置。通过接收智能主机或智能按键发来的命令，经过微控制器CPU的控制程序分析、解码、计算后来驱动各路继电器线圈，从而达到控制继电器吸合与断开的目的。它具有本地手动开启、输出状态显示等功能。
3.3.1 手动强制按钮接口电路设计
根据需要只在门口的单一位置安放智能手动按钮（便于管理员察看教室的情况），送至单片机的I/O端口。当
AT89S51单片机的I/O端口空载时，其引脚电压在逻辑1的时候接近电源电压Vcc，在逻辑0的时候接近0 V，每个I/O端口的驱动能力为灌入或拉出25mA[13]。
所以在使用I/O端口时，必须设计ESD保护电阻，一般所选ESD电阻范围100Ω-10 K 之间，而且该电阻的引入不能引起输入输出状态的改变。
本系统设计了一个手动按钮信号的输入，利用单片机端口的P2.6来检测按钮的状态。输入信号由10 K的上拉电阻和按钮串联组成，并在单片机的P2.6引脚连接330Ω的ESD保护电阻，其原理如图3-5所示。
图3-5 手动强制按钮电路图
3.3.2 继电器改进电路
继电器触发电路如图3-6 所示，其中RQ1为直流电磁继电器，最小触发电流约55mA，所以图中用NPN三极管接成共射放大电路，起到驱动的作用。为安全起见，单片机控制信号输出采用6N137光电耦合器件进行光电隔离。RQ1的3，5可接入220V市电，用做照明灯具开关，也可用做传感器检测模块启动开关。
在照明系统设计中，把教室分为6个区域，故设计了6路继电器输出，采用AT89S51的PC端口P20，P21，P22，P23，P24，P25来驱动，如前一节所述，I/O端口的拉电流和灌电流有限，而且继电器线圈有很大的电感，会产生极高的反向感应电压，这对I/O引脚是致命的损坏，就算在外面加了续流二极管来保护，由于其二极管的导通延时的原因，根本无法抑制瞬间的高压。因此设计了光涡来驱动继电器线圈，起到了与单片机I/O端口隔离的作用，也消除了强电回路对单片机系统的影响[14]。
图3-6 继电器驱动电路
电路中，继电器线圈两端均反相并联了一只二极管，它是用于保护集成块的，不可省去，否则在继电器由吸合状态转为释放时，由于电感的作用线圈上将产生较高的反电动势，极容易导致集成块击穿。并联了二极管后，在继电器由吸合变为释放的瞬间，线圈将通过二极管形成短时间的续流回路，使线圈中的电流不致突变，从而避免了线圈中反电动势的产生，确保了集成块的安全。
继电器常安装在电器设备的内部，其工作状态不直观，本设计将其作如图3-6改进。在线圈两端接发光二极管VD，当控制电压为正时，继电器吸合，同时发光二极管被点亮，表明继电器线圈已加上电源。发光二极管可装在外壳显眼之处。
3.4 人数显示电路设计
由于教室的容量有限，故用两位数码管显示人数，电路如图3-7所示，图中数码管是共阴极的，与移位寄存器74LS164连接要加接200Ω的限流电阻，避免亮度过高造成数码管使用寿命缩短。CLK接至P0.6，TXD接至P0.7，P0.6上升沿时P0.7发送一位数据,依此类推，按照BCD 码先发送高位后发送低位，可实现两位显示[15]。
图3-7 人数显示电路
3.5小结
根据上一章的总体方案设计，本章着重介绍了人数监测模块的硬件电路设计方法，并分别分析了其工作原理，要实现各模块的功能，还须编写相应的控制程序。
第4章 系统软件设计
软件设计采用模块化结构，以便于系统功能的扩展。本系统程序主要分为主程序、步进电机控制子程序、显示子程序等。
4.1 教室小系统主程序设计
当环境自然光能满足人眼所需最佳光照度时，不管教室是否有人，灯都不亮。当自然光不能满足要求时，则根据室内外光照度和教室人数开启相应灯具。当教室里的人都离开后，则自动关闭灯具电源，实现教室灯光实时智能监控的目的。房间层程序设计流程图如图4-1所示，电路有2种工作状态：自动控制状态和强制状态。
1、自动控制状态
系统电路上电复位后，默认工作在自动控制状态，程序运行开始后首先对房间号进行初始化，即让数码管显示本房间房间号和人数为初值零，P2口清零，让P2.7电机使能端为低电平，处于无效状态，P2.0～P2.5控制照明灯具处于关闭状态。如果有一个人进入教室，人数监测模块热释电红外传感器感应到后，热释电红外传感器输出电平信号，此信号经过人数监测模块处理后，数码显示器显示当前的人数加1；同样再有人进入，则显示2，3，……；若有人出教室，人数监测模块感应到后，将显示统计的人数自动减1。当系统电路统计的人数大于0(即教室内有人)，然后开始照度检测，先对靠门侧进行查询，P1.0为“1”则启动0～2区传感器，并调用电机控制子程序，控制热释电红外传感器检测0～2区情况，据此控制相应区域的照明开关，再查询P1.1，若出现低电平就启动3～5区传感器检测，开始控制整个房间的照明开关。在此过程中时时将房间人员分布情况和人员总数输入工作寄存器组，供栋层控制中心读取该房间人员分布的情况和人员数，同时通过读取栋层中调整房间的房间号（十六进制代码），执行栋层整体协调命令，调用十六进制—BCD码转换程序，再调用显示子程序显示出房间号。当教室里的最后一个人离开后，延时30S，在延时期间指示灯不断闪烁，蜂鸣器发出将要关灯的提示音，然后熄灯。此后，如果出现意外情况，假如从教室内再有人出来，则蜂鸣器发出警报，人数显示数码显示E[16]。
2、强制工作状态
在电路正常工作的情况下，当管理员需要对教室进行打扫，以保持教室的清洁卫
图4-1 主程序流程图
生时，便可通过按下强制按钮，使系统进入强制状态，就能对灯进行强制开关的控制，通过该按钮也能使电路切换回自动控制状态。在自控状态或强制状态下，电路的人数统计功能都可以正常进行。
4.2 智能继电器主程序设计
智能继电器用来直接控制照明设备供电线路的开启与关闭，它是一种执行装置。智能继电器主要是通过接收和发送主机和按钮的信息，完成开关灯的功能，并实现本地手动功能。其主程序框图如图4-2所示。
图4-2 继电器主程序流程图
4.3 手动强制按键的主程序设计
手动强制按键的功能相对简单，硬件软件设计也比较容易，其核心控制芯片AT89S51。
其主程序框图如4-3所示。
图4-3 手动按键程序流程图
4.4 手动按键扫描子程序
采用CPU对按键进行扫描的方式，对所有的按键进行监视，一旦发现有键按下，CPU通过程序识别，并转入相应键的处理程序，实现该键功能。CPU检测到有键按下时，先延时20ms去除抖动，再次对按键进行扫描，如果仍然检测到有键按下，则进入按键识别程序。
按键识别出来后，进入按键的处理子程序。图4-4为按键扫描子程序流程图。
图4-4 手动按键扫描子程序流程图
4.5 小结
本章介绍了房间层主程序，智能继电器子程序设计，智
能按键子程序设计及按键扫描子程序设计思想及流程图。
第5章 系统模块验证调试
5.1 硬件模块检测
在本系统设计过程中，从硬件设计到软件设计几乎是开发者针对本系统特点要求亲自完成的。这样虽然可以降低系统成本，提高系统的适应性，但是每个模块的调试却占去了总开发时间的决大部分。当硬件设计从布线到焊接安装完成之后，就开始进入硬件调试阶段，把调试分为以下几步进行（各模块的实物图见附录4）：
1、检查逻辑错误
这类错误往往由于加工制板过程中失误错误所造成的。主要包括错线、开路、短路。首先将制作的电路板认真对照原理图，看两者是否一致。特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，并重点检查各模块的线路是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。必要时利用数字万用表的短路测试功能，可以缩短排错时间。
2、检查传感器元件失效
造成这类错误的原因有两个：其中一个热释电红外传感器买来时就已坏了，无论如何调试都没信号；还有热释电红外传感器是由于安装错误，造成器件烧坏。采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后，用替换方法排除错误。
3、排除电源故障
在上电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。由于电源引起的故障可能会导致很严重的后果，所以要特别注意。电源短路产生的原因也很多，如电容的焊反、设计的失误等，提前发现就可以减小损失。加电后检查各插件上引脚的电位，首先检查VCC与GND之间电位，若在5V～4．8V之间属正常。若有高压，联机仿真器调试时，将会损坏仿真器等，有时会使应用系统中的集成块发热损坏[17]。
5.2 人数监测模块调试验证
按照如图3-4所示电路原理图进行连线，检查模块电路线路是否正确。确认无误后接通电源，进行模块调试。用手作为传感器的感应对象，在传感器的上方来回摆动，观察其输出信号的变化以确定最优的手动方向得出最大的输出波形。
经过反复的试验，得到对应于不同运动方向的输出信号波形区别最大的方向，即可以认为是敏感元件反向串联的方向[18]如图5-1所示。
图5-1 传感器反向串联示意图
由于输出信号变化很快，因此只记录了信号的波形。
确定好方向后，在该方向上，手摆动的幅度要大，速度快慢不一，同时观察信号输出波形，当达到最好的观察效果时，进行记录。当人体在传感器前不同方向运动时，输出波形如图5-2所示（由于输出波形是变化的，而且变化的速度较快，拍照的效果不是很好）：
图5-2信号输出波形
从图5-2波形图中可以看出，前面对“双元型”传感器工作原理的分析是基本正确的。从输出信号的波形可以看出，当人体在传感器前运动的方向不同时，输出的信号波形也就不同，验证了人体运动计数的原理是正确的，达到了人体监测所需波形的要求，为下一步的方向判定提供了依据。
传感器输出信号经过放大和滤波处理之后，根据输出波形，检测输出的高电平，确定序列值为00100和01010，两个序列值分别代表两个运动方向产生的信号，通过数字逻辑电路对序列进行检测，达到计数的目的。
5.3 人数监测模块程序设计
1、序列检测
传感器的输出信号经过信号处理的出两组数字逻辑：00100和01010，把得到的逻辑数字接入GW48实验箱的I/O接口，进行序列检测，其工作状态图如5-3所示：
图5-3 序列检测状态机图
2、加减计数设计
所设计十进制加减计数器具有不依赖于时钟而有效的清零信号，有两路数据，一路进行上升沿计数加，另一路进行上升沿计数减。
计数器的RTL级电路如图5-4所示：
图5-4 计数器的RTL电路
5.4 模块的仿真与测试
1、序列检测设计
所设计的序列检测时钟信号其工作时序如图5-5所示：
（1）TA信号为经过比较器处理后的数字信号，时钟信号频率为数据信号的两倍。
（2）复位信号高电平进行复位，AD加计数和DD减计数清零。
（3）当数据序列DATA为00100时DD输出高电平；当DATA为01010时AD输出高电平。
图5-5 序列检测仿真图
2、加减计数设计
所设计十进制加减计数器具有不依赖于时钟而有效的清零信号，其工作时序如图5-6所示：
(1)当RST为高电平，EN为低电平时，CQ输出为0。即计数清零，并禁止计数。
(2)当RST为低电平，EN为高电平时，每一个AD的上升沿后，CQ输出加1，每一个DD的上升沿后，而CQ输出减1，形成人数的统计。
(3)当EN为低电平时，计数器保持原有的计数0，当EN为高电平则继续计数。
图5-6 计数器工作时序
5.5 小结
通过FPGA实验板的测试，能够达到预定人数统计目标的要求。介绍了硬件调试方面的一般步骤和调试心得，得出了信号处理电路输出的波形，经过联机调试，达到了人数监测的预期效果。
总 结
本文研究了智能控制技术在照明控制中的应用。介绍了智能照明的发展概况，并针对电力资源浪费严重的问题，提出了研究智能照明控制系统的必要性。通过对双元热释电红外传感器工作原理的分析，提出了一种室内人数监测的实现方案，并设计出了相应的信号处理电路。通过联机调试，达到了人数监测模块的预期效果。在本系统设计中，传感器位置的选择至关重要，决定着系统是否能正常工作和系统的精度，应予以高度重视。
由于知识水平相当有限，设计中还存在许多不足之处：
首先，设计未考虑2人并排入教室的情况，经设计者长期观察，如非有意，这种情况极少发生。并且通过合理安排红外传感器的位置，也可使该问题得到改善或解决。
其次，为了设计及演示的方便，假定教室只有一扇门。若考虑2扇门的情况下，只需再加上第2路同现有热释电红外传感器一样的P2288-02型热释电红外传感器，利用CPU的冗余资源处理这路传感器。
第三，需进一步解决装置的抗干扰问题以及产生的电磁干扰，有待研究该系统的模块化、标准化、规范化等技术规范与技术措施，使其具有开放性、可升级性。
智能照明控制技术要实现更高级的智能并非一件很容易的事情，国内外从事智能照明控制十多年来，也只能算刚刚起步。要实现照明系统的智能控制与管理，它需要一个相当复杂的计算机控制系统，它不再是简单地实现灯具的开启和关闭，也不是仅仅调节光源的光通量输出，它需要采集人们活动场所的照度信息、温度湿度信息等，根据人们此时此刻的活动需求以及当前电网电参数等诸多因素来综合分析与计算
，得出最优化地调节光源光通量的输出大小，从而满足人们最佳的光环境需求，并通过图形界面或声音等设备提示人们了解自己的周边环境。要实现这个控制过程，不仅包括控制学科所研究领域，它还包括照明学、美术学、环境学、生理学、心理学等众多学科的交叉边沿学科。
致 谢
在论文即将完成之际，我首先想感谢我的导师韩雪梅，感谢导师给了我一个参与项目的良好锻炼机会，感谢她对本论文的选题、研究工作及论文撰写过程中给我的悉心指导和鼓励。
其次，我想感谢蔡波、李俊国老师，在系统的软硬件设计和调试过程中，他们都给予了我很大的帮助和支持。
还有我在实验室一起做毕业设计的同学们，感谢汪文科、王志强、杨敬国、何善亮、龙祺等同学，有了他们在生活和学习上对我的帮助，使我愉快的完成了本科阶段的学习，这四年的生活会成为我一生中最难忘的时光。
最后，还要感谢我的家人，来自家庭的温暖、关爱和支持，是我不断前进的动力源泉。
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