一、项目概述
1.1 引言
能源短缺是21世纪国际面临的新问题。在寻找新的储备能源之外，节约能源，提高效益也就成为更加符合当下注重研究的课题。随着国民经济的快速发展和社会进步，教育在全社会愈加被关注和重视，校园规模也随着招生规模的扩大不断扩大，教室的数量也大幅度增加。但对目前的各类高校说，照明控制系统的使用还处于初级阶段，由于国家关于“创建节约型校园”政策的颁布，加之传统的手动关灯方式操作繁琐且存在着较大的人为浪费的弊端，在教学楼内使用新型的照明节能自动控制系统已成为大势所趋。
在本次大赛的调研阶段，我们还注意到，尽管市场上存在着形形色色的智能灯控设备，但或其设备体态太大，或其成本较高，仅仅局限在某些公共场合或厂家使用，严重限制了其使用的普适性和广泛性，照明节能自动控制设备技术在我们家庭生活中的应用几乎是一项空白。特别是在当今智能家居的理念深入人心，简约性环保性成为新的看点，用科技改变生活已成为人们执着追求的目标。
本系统是以Atmegal28单片机为控制器核心，通过其强大的微控功能，扩展了无线通信、传感和显示模块，实现对照明系统的自动控制，既在一定程度上杜绝了教室电力资源浪费现象的出现，又满足了日常生活中人们所倡导的简约便捷和自动控制，降低了运行维护的费用，节约了管理成本，有着巨大的生态、环境和经济效益。
1.2 项目背景/选题动机
当今的社会生活特别是众多高校中，现存的能源浪费、经费超支和学生视觉健康等问题已越发引起人们关注，高校教室照明的节电问题不得不提到重要的议事日程上来。加之当今人们对生活智能化简约化要求的提高，能否利用现有的资源设计一款自动控制且具有相对实用性照明系统，填补家庭生活自动照明技术的空白，改进现有照明设备存在的缺陷，是我们队伍本次参赛目的的重中之重。
在本次参赛调研准备阶段，我们特意对现今市面所广泛使用的人体红外感应开关电路做了研究分析。现有人体感应设备是利用人体红外热释感应技术，判断人的动作有无来控制灯的亮灭，其灵敏感应、抗干扰力确实值得称道。但我们都有这样的体会，当在教室中静坐一段时间，由于感应不到人体动作的变化，灯会自动熄灭，直到我们再给予相关的动作才会重新将灯置亮，这给我们的正常学习带来了极大的不便;而且，由于系统中的延时设置，当教室中人都走光之后，所有的灯仍会亮一段时间，如果我们能将这段时间内不必要的电力资源耗费节省下来，日积月累，对任何一个高校众多的教室而言，绝对是一笔不小的开支。我们认为以上两点，是现有设备没有考虑也无法克服的性能漏洞。更显然的是，这样的设备根本不适合应用在我们日常家庭生活当中，设想如果我们在房间中休息，灯自动熄灭，将会给人们带来多大的不方便与不习惯。
鉴于以上功能与需求的分析，我们决定利用Atmegal28 单片机以及外围设备，通过对人体进出房间的计数，判断房间内人的有无来控制灯的亮灭，既克服了需要不断动作的弊端，减少了不必要的延时所造成的资源浪费，又能自动控制，很好的应用于学校工厂及家庭日常生活当中去，具有较好的应用前景，这是我们选择此项目的直接背景和根本动机。
二、需求分析
2.1 功能要求
本系统主要采用光感应传感器和红外光感应计数器共同设卡来控制室内的照明设备的亮与灭，当室内光线暗到一定程度以及计数装置计算结果为≥1(即室内有人)时，条件满足，单片机控制系统会自动动作打开照明设备的开关，当条件不满足时，控制系统也会动作立即关闭开关。
由于设计伊始，我们小组主要把该设备的应用场合应用定位于学校或工厂等大型公共场合。首先假如以我们大学教室照明为应用对象，我们还加了一些可选功能。比如说，据我们调查了解，像我们学校这样的普通教室一般会有六排左右灯，但当只有少部分人(具体数目因情况而定)进去的时候我们只要求靠前的三排灯亮，但是如果这少部分人有特殊情况非要把所有的灯都打开，我们专门在键盘上设置了一个按键功能，此按键动作就会把剩余未打开的三排的灯强制打开。
但是由于节能观念的普适性，我们的这个装置也可以装在普通家庭照明系统中，鉴于此我们又给该装置加了一个遥控器装置，用户可以用遥控器通过无线装置远距离操作强制打开和关闭照明设备。
为了丰富该装置的功能，我们还给该控制系统加了一个显示屏和一个键盘模块。由单片机驱动在显示屏上显示当前时间、当前温度、当前计数值。键盘用来调节相应参数，比如当系统由于发生不可避免故障时，计数器会发生错误，此时就用键盘重新输入值更正一下，同时键盘还可以用于调节时间，还有之前介绍的功能键也是其中的一部分。
图1 系统架构
2.2 性能要求
①光感应灵敏，响应速度快(2us左右)，工作温度范围宽(-25℃~+70℃)。
②计数准确。
③测温精确度高，精度为±0.5°C;适应电压范围更宽，电压范围：3.0~5.5V.
④使用PT2262射频无线通信芯片，在室内可用通信距离为几十米，无线遥控距离遍及了一般的教室(或工厂)空间。
本系统有两个要求相对要严谨一点的模块。首先是计数模块，因为我们使用的是对射式计数方式也就是一旦遮住光线，红外感应器就会发出一个计数脉冲。但是，当人员相对比较密集的时候，也就是说当门足够宽时，出现两个人并排或者是错开但仍连续遮掩光线时，这时计数器只记一个数，这样就会出现错误。所以，我们所设计的装置只适应于那种门不会太宽以至于不会出现多人连续遮掩光线，使计数值不准的场合。就我们对我们学校的观察以及测量发现，就一般的学校教室几乎不会出现上述情况，所以本装置安装在教室内计数上几乎不会产生错误。
其次是无线遥控模块(该模块主要用于家庭照明系统或工厂中)，该模块传输距离有限，一般在几十米，但当用户在较远距离遥控时可能会出现失灵的情况。
三、方案设计
3.1 系统功能实现原理
本系统主要包含以下几个模块：
①计数模块
②光感应模块
③显示模块
④测温模块
⑤键盘模块
⑥无线遥控模块
1、计数模块
计数模块我们采用红外线感应计数器，该种计数器大体分为两种，其中一种是对射式，另一种是反射式。对射式是利用一个发射头一个接收头，中间如果有物体通过就遮挡一下光线，输出一个脉冲给计数器，计数一次;反射式是发射头和接收头做在一块成为一个红外探头，当红外探头前有物体出现就把发射头的红外线反射给接收头，探头输出一个计数脉冲给计数器，计数一次。由于对我们这个系统的应用场合对射式要比反射式计数方面要准确些，所以采用对射式。我们把红外线感应计数器的脉冲输出端直接连接在单片机的I/O口上进行计数处理，计数结果同时要在液晶屏显示器上显示一下。
红外感应器与单片机连接示意图
2.光感应模块
光感应模块我们首选的是欧恩光电技术研究所 2006 年研发的专利项目--ON9658光感应传感器。该产品采用的是CMOS工艺内置了稳压、OP 放大、红外差分等近10000门电路，还有暗电流小，低照度灵敏等等优点，在实际应用中，只需加一个下拉电阻即可。此产品适合电视机、LCD背光、数码产品、仪器仪表、工业设备等诸多领域的节能控制、自动感光、自适应控制等，同时可定位为环保产品，替代传统光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管，符合本次大赛环保的理念。
实现原理：当光照射到光敏三极管上，光敏三极管的阻值急剧减小，利用光敏三极管On9658作为传感器串联一个7.5K的电阻，通过光敏三极管电压的变化反映因光源的照射强度在光敏三极管上的变化。把检测的电压信号通过电压跟随器电路输入Atmega128型单片机。该电路结构简单，灵敏度高且检测电压信号稳定，效果明显。
采样信号运放电路，增强信号的强度，通过电压跟随器可以增加信号电压的稳定性，后级接电压跟随器增强了电路带负载能力。
3.显示模块
设计中LCD主要作用：本次设计LCD主要作用于显示当前室内人数以及对系统操作时的操作菜单，通过显示器实现方便直观人机对话界面。
LCD显示原理：本设计采用以ST7920为驱动芯片的LCD12864字符液晶显示器。ST7920通过RS、R/W 和E的时序配合，通过DB0-DB7八位数据端口对其内部数据寄存器DR和指令寄存器IR的读写操作，通过对数据寄存器DR 的访问，可以存取DDRAM、CGRAM、CGROM 和IRAM 的值。将要显示的字型码写入到DDRAM上，ST7920将自动地按照编码从CGROM 中将要显示的字型显示到屏幕上。
LCD初始化流程：
LCD显示内容：
时间设置 人数更改设置
4.测温模块
测温模块我们首选的是DS18B20,因为该模块我们之前使用过，不仅使用方便，而且在性能上也有不错的效果。 据我们了解在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，我们需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。
DS18B20工作原理：
DS18B20测温原理如下图所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1.高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。下图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
DS18B20工作原理图
5.键盘模块
键盘是有若干个按钮做组成的开关矩阵，是单片机系统中最常用的输入设备，用户通过键盘向系统输入指令或数据，实现对系统的调节和控制。本系统采用非编码键盘，设有五个按键，为了满足系统的可靠性和灵活性，必须考虑如何消除抖动，这里我们是用软件的方法来消除抖动的。
在键盘模块的实际连接中，我们将键盘的输出引脚直接与单片机的五个I/O口相连，另一端接地。对于按键处理程序，我们采用持续查询的方法，即始终检测有无按键闭合，如有，则消除抖动，判断键号并转入相应的按键处理。五个键的定义如下：
KEY1:系统强制开关;
KEY2:模式选择;
KEY3:LCD显示计数加1;
KEY4:LCD显示计数减1;
KEY5:确定键;
6.无线遥控模块
本模块是以Atmega128单片机为核心，设计出一个以PT2262/PT2272作为无线通信模块，通过与单片机数据交换来控制外部电路通断的遥控开关控制系统。
PT2262/2272是一对遥控编码/解码控制芯片。他们各有12个地址引脚，5个数据段，最多有312种地址组合，价格低廉，可靠性高，是比较理想的遥控编码解码芯片。但在应用是有一个问题，即其地址端的硬件连接要求完全相同，为了扩展其应用范围，我们在本系统中用单片机取代PT2262的译码模块，单片机的输入引脚连接开关，输出端连接遥控发射模块，多个开关动作改变输出波形的功能有软件完成，同时，在没有按键按下时让单片机工作在掉电模式，达到操作简便以及节省能源的目的。
对于系统的连接构架，在发射端按需要把PT2262的地址位和数据位和单片机的I/O口相连接，再在接收端控制地址位与发射端pt2262地址位相同，就可以实现单片机对他们的控制。我们选用Atmegal 128单片机的PA口和PC口与芯片的A1~A9相连，PA口做输入，PC口作为输出。由于单片机从掉电模式转换为正常工作模式的唯一方法为复位，所以，每按一次键与该键相连的引脚成高电平，此高电平通过二极管和电容器是复位端产生一个正脉冲，唤醒CPU，执行程序，实现开关系统的中断与使能。
无线通信模块与单片机连接示意图
7.系统整体结构
系统硬件结构框图
3.2 硬件平台选用及资源配置
我们选用基于ATmega128的硬件平台，资源配置方面：带有至少5路按键，带有测温模块(DS18B20芯片)，以及ST7920为驱动芯片的LCD12864字符液晶显示器，光敏三极管ON9658，无线通信收发芯片PT2262和PT2272，如果这些资源没有的话，留有单片机扩展口，到时我们自行扩展也可。
3.3系统软件架构
3.4 系统软件流程
程序运行流程图
3.5 系统预计实现结果
本系统能够根据所设定的条件，当光照以及人数满足要求时，该系统能够自行选择开断照明系统的开关，代替人为操作，实现自动化控制。