| 一、項目概述
1.1 引言
能源短缺是21世紀國際面臨的新問題。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。隨著國民經濟的快速發展和社會進步，教育在全社會愈加被關注和重視，校園規模也隨著招生規模的擴大不斷擴大，教室的數量也大幅度增加。但對目前的各類高校說，照明控制系統的使用還處于初級階段，由于國家關于“創建節約型校園”政策的頒布，加之傳統的手動關燈方式操作繁瑣且存在著較大的人為浪費的弊端，在教學樓內使用新型的照明節能自動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，盡管市場上存在著形形色色的智能燈控設備，但或其設備體態太大，或其成本較高，僅僅局限在某些公共場合或廠家使用，嚴重限制了其使用的普適性和廣泛性，照明節能自動控制設備技術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，簡約性環保性成為新的看點，用科技改變生活已成為人們執著追求的目標。
本系統是以Atmegal28單片機為控制器核心，通過其強大的微控功能，擴展了無線通信、傳感和顯示模塊，實現對照明系統的自動控制，既在一定程度上杜絕了教室電力資源浪費現象的出現，又滿足了日常生活中人們所倡導的簡約便捷和自動控制，降低了運行維護的費用，節約了管理成本，有著巨大的生態、環境和經濟效益。
1.2 項目背景/選題動機
當今的社會生活特別是眾多高校中，現存的能源浪費、經費超支和學生視覺健康等問題已越發引起人們關注，高校教室照明的節電問題不得不提到重要的議事日程上來。加之當今人們對生活智能化簡約化要求的提高，能否利用現有的資源設計一款自動控制且具有相對實用性照明系統，填補家庭生活自動照明技術的空白，改進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關電路做了研究分析。現有人體感應設備是利用人體紅外熱釋感應技術，判斷人的動作有無來控制燈的亮滅，其靈敏感應、抗干擾力確實值得稱道。但我們都有這樣的體會，當在教室中靜坐一段時間，由于感應不到人體動作的變化，燈會自動熄滅，直到我們再給予相關的動作才會重新將燈置亮，這給我們的正常學習帶來了極大的不便；而且，由于系統中的延時設置，當教室中人都走光之后，所有的燈仍會亮一段時間，如果我們能將這段時間內不必要的電力資源耗費節省下來，日積月累，對任何一個高校眾多的教室而言，絕對是一筆不小的開支。我們認為以上兩點，是現有設備沒有考慮也無法克服的性能漏洞。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，燈自動熄滅，將會給人們帶來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，通過對人體進出房間的計數，判斷房間內人的有無來控制燈的亮滅，既克服了需要不斷動作的弊端，減少了不必要的延時所造成的資源浪費，又能自動控制，很好的應用于學校工廠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控制室內的照明設備的亮與滅,當室內光線暗到一定程度以及計數裝置計算結果為≥1（即室內有人）時,條件滿足，單片機控制系統會自動動作打開照明設備的開關，當條件不滿足時，控制系統也會動作立即關閉開關。
由于設計伊始，我們小組主要把該設備的應用場合應用定位于學校或工廠等大型公共場合。首先假如以我們大學教室照明為應用對象，我們還加了一些可選功能。比如說，據我們調查了解，像我們學校這樣的普通教室一般會有六排左右燈，但當只有少部分人（具體數目因情況而定）進去的時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，我們專門在鍵盤上設置了一個按鍵功能，此按鍵動作就會把剩余未打開的三排的燈強制打開。
但是由于節能觀念的普適性，我們的這個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遙控器裝置，用戶可以用遙控器通過無線裝置遠距離操作強制打開和關閉照明設備。
為了豐富該裝置的功能，我們還給該控制系統加了一個顯示屏和一個鍵盤模塊。由單片機驅動在顯示屏上顯示當前時間、當前溫度、當前計數值。鍵盤用來調節相應參數，比如當系統由于發生不可避免故障時，計數器會發生錯誤，此時就用鍵盤重新輸入值更正一下，同時鍵盤還可以用于調節時間，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射頻無線通信芯片，在室內可用通信距離為幾十米，無線遙控距離遍及了一般的教室（或工廠）空間。
本系統有兩個要求相對要嚴謹一點的模塊。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，紅外感應器就會發出一個計數脈沖。但是，當人員相對比較密集的時候，也就是說當門足夠寬時，出現兩個人并排或者是錯開但仍連續遮掩光線時，這時計數器只記一個數，這樣就會出現錯誤。所以，我們所設計的裝置只適應于那種門不會太寬以至于不會出現多人連續遮掩光線，使計數值不準的場合。就我們對我們學校的觀察以及測量發現，就一般的學校教室幾乎不會出現上述情況，所以本裝置安裝在教室內計數上幾乎不會產生錯誤。
其次無線遙控模塊（該模塊主要用于家庭照明系統或工廠中），該模塊傳輸距離有限，一般在幾十米，但當用戶在較遠距離遙控時可能會出現失靈的情況。
三、方案設計
3.1 系統功能實現原理
本系統主要包含以下幾個模塊： ①計數模塊
②光感應模塊
③顯示模塊
④測溫模塊
⑤鍵盤模塊
⑥無線遙控模塊
1、計數模塊
計數模塊我們采用紅外線感應計數器，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。對射式是利用一個發射頭一個接收頭，中間如果有物體通過就遮擋一下光線，輸出一個脈沖給計數器，計數一次；反射式是發射頭和接收頭做在一塊成為一個紅外探頭，當紅外探頭前有物體出現就把發射頭的紅外線反射給接收頭，探頭輸出一個計數脈沖給計數器，計數一次。由于對我們這個系統的應用場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口上進行計數處理，計數結果同時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研究所 2006 年研發的專利項目——ON9658光感應傳感器。該產品采用的是CMOS工藝內置了穩壓、 OP 放大、紅外差分等近 10000 門電路，還有暗電流小，低照度靈敏等等優點，在實際應用中，只需加一個下拉電阻即可。此產品適合電視機、LCD背光、數碼產品、儀器儀表、工業設備等諸多領域的節能控制、自動感光、自適應控制等，同時可定位為環保產品，替代傳統光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管，符合本次大賽環保的理念。
實現原理：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作為傳感器串聯一個7.5K的電阻，通過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電壓跟隨器電路輸入Atmega128型單片機。該電路結構簡單，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的操作菜單，通過顯示器實現方便直觀人機對話界面。
LCD顯示原理：本設計采用以ST7920為驅動芯片的LCD12864字符液晶顯示器。ST7920通過RS、R/W 和E的時序配合,通過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的讀寫操作,通過對數據寄存器DR 的訪問, 可以存取DDRAM、CGRAM、CGROM 和IRAM 的值。將要顯示的字型碼寫入到DDRAM上, ST7920將自動地按照編碼從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，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誤差補償問題、多點測量切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差問題等技術問題，才能夠達到較高的測量精度。另外一般監控現場的電磁環境都非常惡劣，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、采用一線總線、可組網等優點，在實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℃所對應的一個基數值。計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當計數器1的預置值減到0時，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重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環直到計數器2計數到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時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程中的非線性，其輸出用于修正計數器1的預置值。
DS18B20工作原理圖
5．鍵盤模塊
鍵盤是有若干個按鈕做組成的開關矩陣，是單片機系統中最常用的輸入設備，用戶通過鍵盤向系統輸入指令或數據，實現對系統的調節和控制。本系統采用非編碼鍵盤，設有五個按鍵，為了滿足系統的可靠性和靈活性，必須考慮如何消除抖動，這里我們是用軟件的方法來消除抖動的。
在鍵盤模塊的實際連接中，我們將鍵盤的輸出引腳直接與單片機的五個I/O口相連，另一端接地。對于按鍵處理程序，我們采用持續查詢的方法，即始終檢測有無按鍵閉合，如有，則消除抖動，判斷鍵號并轉入相應的按鍵處理。五個鍵的定義如下：
KEY1：系統強制開關；
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．無線遙控模塊
本模塊是以Atmega128單片機為核心，設計出一個以PT2262/PT2272作為無線通信模塊，通過與單片機數據交換來控制外部電路通斷的遙控開關控制系統。
PT2262/2272是一對遙控編碼/解碼控制芯片。他們各有12個地址引腳，5個數據段，最多有312種地址組合，價格低廉，可靠性高，是比較理想的遙控編碼解碼芯片。但在應用是有一個問題，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關，輸出端連接遙控發射模塊，多個開關動作改變輸出波形的功能有軟件完成，同時，在沒有按鍵按下時讓單片機工作在掉電模式，達到操作簡便以及節省能源的目的。
對于系統的連接構架，在發射端按需要把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射端pt2262地址位相同，就可以實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，此高電平通過二極管和電容器是復位端產生一個正脈沖，喚醒CPU，執行程序，實現開關系統的中斷與使能。
無線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ATmega128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為驅動芯片的LCD12864字符液晶顯示器，光敏三極管ON9658，無線通信收發芯片PT2262和PT2272，如果這些資源沒有的話，留有單片機擴展口，到時我們自行擴展也可。
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 系統預計實現結果
本系統能夠根據所設定的條件，當光照以及人數滿足要求時，該系統能夠自行選擇開斷照明系統的開關，代替人為操作，實現自動化控制。 |
