1、（1） 传统的人工控制方式。仍有不少高校仍在采用手动控制照明。节约能源只能通过组织一些勤工俭学的学生定期检查和关闭不必要的灯光来实现。一般来说，直到教学楼关闭，值班人员才能关闭电源。这种最原始的节能方式，效果不明显，使用的人力也比较大。（2）根据时间段进行控制。通过学生作息时间表的内容，时间开关可以预设自动切换灯的时间，可以大大减少长亮光的现象。但是，这种方法无法判断房间内是否有人和光照效果，即需要在白天照明时手动开灯，室内无人灯在夜间仍然亮，节能效果显然是不够完善。 （3）根据教室内人数自动控制。通过这种方式，在教室的入口处安装了许多交通计数器，并且人数根据房间中的人数自动打开和关闭。这样，
2、理论上可以自动关闭房屋内的灯，但稳定性需要增强，例如大量人员进出会计数不准确，灯泡意外打开和关闭。虽然上述方法可以有效节省能源，但都有各自的弊端，节能效果并不十分显著，所以，高校非常需要这样一种安装成本上、节能效果和稳定性上都好的智能照明控制系统。 2.2主要元器件介绍（1） 光敏电阻(1)光电检测器件的选择当前，光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电池等器件在光电检测技术中常用到，选择光照传感器可根据表来比较选择。 表光电器件特性比较器件光谱响应灵敏度线性度伏安特性电特性输出电流噪声特性光敏电阻可见光至红外高差电阻型大低光电池可见光至红外低一般光伏型最大低光电二极管可见光至红外一般好光伏型和
3、饱和型小高光电三极管可见光至近红外高差饱和型大高与其他光电检测装置相比，光敏电阻具有以下特性:a)高灵敏度和大于1的光电导增益。b)很大的工作电流，能够达到数毫安。c)测量的光强度范围的宽度，其可以检测强光和弱光。选择光敏电阻是最好的。（2）工作原理光敏电阻光敏电阻的工作原理:在对两极施加一定电压后，光照射在光电导体上时候，由照射产生的光生载流子在施加的电场作用下沿一定方向移动。在电路中产生电流以实现光电转换的目的。光敏电阻器是使用内部光电效应从半导体材料操作的光电器件。在光的效果下，它的阻力通常很小。这种状况被称为光导效应。即光敏电阻也称为光管。（2） 单片机AT89S52 AT89S52
4、单片机内部结构简图2.3系统总体设计方案由于高校教室的使用和使用在一天中的任何时候都不确定，并且照明需要相对恒定，因此设计的照明系统应具有自动工作功能并尽可能无人值守。设计出的系统不仅要能够适用于大多数的高校而且还需便于使用。管理者可以根据系统设置的不同工作状态根据不同的工作周期进行切换。每种工作模式都充分考虑了自然光系数，并使照度值尽可能保持恒定。使用自然光来节省能源。 广义智能照明控制系统可分为两部分：上位机系统和下位机系统。这两部分根据特定的通信协议来通信和控制灯。在该设计中，下位机主要由单片机和多个检测模块组成。下位机根据设计位置布置在每个教室中，可以实时检测和监控教室人员的情况和照度
5、。管理员可以随时了解教室中的情况，因为电力线载波模块可以将下位机检测到的数据实时上传到上位机。在全自动模式下，系统将根据设定的临界值判断是否开灯。管理员需要执行上位机来执行命令。上位机也是整个智能控制系统的核心。由于大学的教学具有相对规律性，可以根据工作时间设计几种固定的工作模式。管理员可以根据实际情况释放机器工作指令，下位机会通过指令进入对应的工作模式，从而实现智能控制过程。在这种智能控制中，上位机是通过电力线载波模块与下位机通信，显示每个教室的人员情况和照度，控制下位机的工作模式和手动更改教室中的照明状态来实现需要实现的主要功能的。除此之外，以下功能是下位机还应实现的：一是通过人体红外探测
6、模块检测课堂人员的情况;另一种是通过照度检测模块检测教室的光照强度;三是通过电力线载波模块实现上位机与下位机通信并执行上位机发出的指令。给上位机，在全自动模式下，系统会按照设定好的临界值来判断是否系统总体结构图如图 所示。 系统总体结构图智能照明控制系统有三种控制模式：班级模式，自动模式和强制模式，三种模式可以随时切换。在强制模式的时候，每个教室的照明系统管理员可以手动控制，并选择强制打开或强制关闭教室照明。即使面对突发情况，该模式也能满足用户和管理者的特殊要求;在白天，自然照度充足，教室的利用率相对较高。在这种模式下，每个教室的灯将首先处于关闭状态。在下位机照度检测模块检测到室内照度显示不足
7、时，人体红外线检测模块才会检测到房间内有人，教室里的灯会亮;自学模式大多应用于晚上，此时，课堂的主要目的是供学生自学，如果学生不能集中，课堂的能源就会使用率低，导致浪费能源。在这种模式下，系统将从楼梯打开每层楼下一个教室的灯具，剩下的将被关闭。教室将根据优先级设置，优先级高有人在教室的情况下，才能打开下一级教室的探测器，如果检测到人，则打开灯。往后以此类推。 第3章 智能照明控制系统硬件设计3.1智能照明控制系统控制器设计 3.1.1 AT89S52 单片机简介AT89S52 MCU是一种功耗低，性能强的8位MCU。芯片中的ROM采用FLASH ROM技术。闪存的大小为8K，可以编程。AT89
8、S52 MCU采用Atmel公司在制造业中的高密度和非易失性存储技术。它在兼容性方面与MCS-51系列MCU的引脚和指令兼容。在单芯片方面，AT89S52微控制器具有灵活的8位CPU和可在系统中编程的闪存，可用于各种嵌入式控制系统。 AT89S52 MCU可以选择进入省电模式。该软件可以将频率降低到0Hz。在空闲模式下，CPU可以停止，但RAM，计数器，定时器和串行端口可以继续运行。当处于掉电保护模式的时候，RAM内部数据将被密封，振荡器将冻结，微控制器将暂停所有操作，除非接收到下一个中断或者硬件复位信号才结束。AT89S52 单片机实物图如图 3-1 所示。3.1.2 引脚功能 AT89S5
9、2 单片机具有 4 个 8 位并行的 I/O 口，总共 32 根 I/O 线，每条线I/O 线都可用作输出或输入。 RST 复位输入端、ALE/PROG 地址锁存允许信号、PSEN 程序存储器允许信号、EA/VPP 外部存取允许信号、XTAL1 振荡器的反相放大器输入以及 XTAL2 振荡器的反相放大器输出都属于单片机的引脚。AT89S52 单片机引脚图如图 3-2 所示，引脚功能说明如表 3-1 所示，P3 口的第二功能如表 3-2 所示。表 3-1AT89S52 单片机引脚功能说明表 3-2AT89S52 单片机 P3 端口的第二功能3.1.3 存储器组织 Atmel Flash 单片机都
10、将数据存储器和程序存储器分别设置了存储位置并设置不同的逻辑空间，这样不仅可以使用8位地址访问数据存储器，还可以使用8位CPU的处理速度和存储速度。但是，数据指针（DPTR）寄存器可用于生成16位数据存储器地址。 89系列微控制器可以处理总共64 KB的程序存储器，物理和逻辑上分为两个地址空间，一个内部数据和外部数据存储空间。（1）单片机（程序存储器 89 系列），可寻址的内部、外部程序存储器总空间为 64KB，每个外部程序和数据存储器的可寻址范围高达 64KB，它不使用程序存储器分区的方法，64KB的地址空间是统一，当EA引脚接低电平时，单片机将会在外部程序存储器中取指。 （2）单片机（数据存
11、储器89系列）的指令系统包括了许多位操作指令，这些位操作指令可直接寻址 128 位。可通过直接寻址方式访问或者通过间接寻址方式访问低 128 字节区中的所有单元，但是只能通过间接寻址方式来访问高128字节区。高 128 字节区只能在具有 256 字节 RAM 的单片机中才有。特殊功能寄存器(SFR)区包括端口锁存器（P0/P1/P2/P3）、程序状态字（PSW）、定时/计数器方式控制（TMOD）、定时/计数器控制（TCON）、定时/计数器（THx/TLx）、累加器（ACC/B）、栈指针（SP），和其他控制寄存器等 ，特殊寄存器只能通过直接寻址方式访问。AT89S52 单片机内部结构如图 3-3
12、 所示。图3 AT89S52单片机内部结构简图3.2 AT89S52 单片机最小系统的设计单片机最小系统是指允许单片机以最少的器件使之运行的电路系统。通常，它应包括单片机的主芯片、电源电路、时钟电路、复位电路和 I/0 端口的负载电路等。不同型号的单片机，它供电范围也是不同的。两种最常用的电源电压是5V和3.3V。因为AT89S52 单片机的供电范围是 4V 至 5.5V，因此该设计电源采用直流 5V 的供电方式。稳压芯片选用更受欢迎的 7805 三端式稳压器，只需要一个简单的电路即可提供一个 5V 的直流稳压电源。将 VCC（40 脚）连接到+5V 的电源端，使用 VSS(20 脚）与地端相
13、连，并使用 EA/VP（31 脚）接+5V。AT89S52 单片机的最小系统如图 3-4 所示，单片机复位电路原理图如图 3-5 所示，单片机时钟电路原理图如图 3-6 所示。 3.3数据采集单元的设计3.3.1 照度探测模块电路 （1）光照度的定义及影响 光照度，指在单位时间内经过单位面积的光通量，其反映物体表面被照射的程度。光通量是指在单位时间里经过单位面积的可见光的数量，光通量的单位是流明（lm），如果发光物体的光通量越大，照射物体发出的光就越强。光照度就是物体表面上的点处的光通量除以面积的比率。光照度符号是 E(Ev)，单位是勒克斯(lx,即lm/m2)。数学表达式为 E=/A，其中是
14、光通量，A是照射区域。 随着人类生活质量的提高，对光的需求不再“光明”，而是努力实现舒适的照明和健康的照明。照明对人们的学习和生活有着非常重要的影响，特别是在人口较稠密的地方，如学校教室。没有适当的照度，学生不仅会使用眼睛疲劳，影响视力，甚至会影响学生情绪降低了学习效率。 智能照明控制系统的研究和设计的基本目标是合理地节省能源。因此，在保证照度的前提下，应通过智能控制最大化自然光源，以确保照明系统的能耗。本设计中的照度值设置应严格参照新修订的国家建筑照明标准（GB 50034-2013），该标准对学校建筑照明具有以下要求：（2）光照度传感器的选用 TSL256x 是美国光学传感技术制造商Tex
15、as Advanced Optoelectronic Solutions（TAOS）生产的光传感器芯片。它具有低功耗，高速度，宽检测范围，灵活的编程和配置以及可变的照明条件。该芯片可广泛用于各种类型的光照度监控，使光源尽可能地降低输出最佳亮度。在此次设计中选择的是 TSL256x 系列中的 TSL2561 芯片。该芯片仅为 1.25mm1.75mm，它具有 I2C 接口的光数字转换器能够将光照强度转换为数字信号后输出它符合标准I2C，总线协议自动抑制照明波动，在低功耗模式下仅为0.75mW 。TSL2561 物理图如图 3-7 所示，内部结构图如图 3-8 所示。TSL256x 有两种封装，
16、CHIPSCALE 和 TMB 封装。不同封装芯片的光照度计算公式也不同。TSL256x 引脚图如图 3-9 所示。 TSL256x 引脚的功能如下: 引脚 1 和引脚 3 的功能分别是电源引脚和接地引脚，芯片的工作电压范围处于 2.7V 至 3.5V 。 引脚 2 具有器件访问地址的选择的功能，对应不同引脚电平的访问地址也不同，对应关系如下图所示。引脚 4 和 6的功能是连接 I2C 或总线的时钟信号线和数据线。 针对引脚 5的功能是中断信号输出。 本设计选择 TSL2561 芯片作为控制芯片，因为它具有良好的兼容性，可以直接访问,而硬件接口电路就简单多了。照度检测硬件电路如图 3-10 所
17、示。 3.3.2 人体红外探测模块电路（1）人体红外探测原理 美国萨特勒利用电子设备测量人体的电磁辐射谱，证明人体的电磁辐射能量大致在红外波段。人体温度基本恒定，通常在37度左右，因此它发射的红外线具有约10MW的特定波长。被动红外探头通过检测人体发射的约10UM的红外线来工作。为了提高红外探测模块的灵敏度和探测距离，菲涅耳透镜通常安装在红外探测器前面，菲涅耳滤光片增强了人体发出的约10um红外线，并聚集在红外探测器上的感应源上。使用红外感应源，通常使用热释电元件。当人体接收的红外辐射温度改变时，电荷平衡丧失并且电荷向外排出。后续电路可在检测和处理后产生报警信号。（2）红外热释电处理芯片的选择
18、 BISS0001 是一款稳定、可靠、抗干扰能力强的传感器信号处理集成电路。它可以与其他传感器一起用于信号处理。其工作电压为2V6V，有16个引脚并使用DIP 和 SOP 封装。通过BISS0001，可以快速自动地打开各种类型的设备。例如，我们更常用的照明灯具，自动开关门，浴室干衣机和自动水龙头等现在广泛用于办公楼，学校，商场和住宅楼。 BISS0001物理图如图3-11所示，引脚图如图 3-12 所示，引脚功能说明如表所示。图 3-11 图3-12引脚功能说明图表3.3.3 传感器的布置（一）照度探测模块 教室中的照度检测系统由TSL2561组成的照度检测模块组成。在该系统中，根据照度检测模
19、块的功能特性和房屋内人员的流动，照度检测模块的数量应该大于4，以便提高检测精度。在这种情况下，照度检测模块应安装在室内至少安装三个模块，至少一个安装在室外。室内安装的照度检测模块应在可以遮挡窗帘的范围内，以便更准确地判断房间的实际情况。照度检测模块安装在室外，以更好地确定室内和室外条件，因为即使在黑暗中，当灯具打开时，模块将检测到更高的照度值，系统将判断灯具不需要打开，灯具关闭后系统关闭。由于检测到的照度值不足，灯具再次打开，导致灯具反复开启和关闭，因此需要在室外安装照度检测模块。 （二）人体红外探测模块 由于人体红外探测模块主要是由热释电红外传感器组成，因此需要满足热释电红外传感器的布局要求
20、。关于相关要求，人体红外探测模块一般只放在屋内。如果要降低检测错误的概率，在安排时应满足以下条件：（1）远离敏感场所，如空调，冰箱和炉灶；（2）不得在检测范围的区域内放置能够阻挡信号的间隔物和大而重的物体；（3）不要直接面对门窗，因为这个区域的气流很大，很容易造成检测错误； （4）请勿放置在有强风量的地方，如电风扇和空调。以 14m9m 的教室为参照，照度探测模块布置图如图 3-13 所示，人体红外探测模块布置图如图 3-14 所示。图 3-15 照度探测模块布置图 图 3-16 人体红外探测模块布置图 3.4 通信模块的设计3.4.1 电力线载波通信技术 电力线载波通信技术（ Power L
21、ine Carrier Communication）是一种使用电力线作为载体，通过载波传输数字信号或模拟信号的技术。一般过程是传输高频信号。信号被加载到电力线上，经过电力线传输，最后高频信号通过电力线调制解调器与电力线分离并传输到终端设备。因为技术的不断发展，如今电力线载波技术不仅应用于远程抄表系统，远程路灯监控系统和远程网络监控系统，还广泛应用于智能家居的新兴领域，通过电力线路的使用作为载体传播媒介。实现智能设备之间的相互通信和控制可以为人们带来高品质的生活体验。因为电力线载波技术不需要重新建立网络，所有只要有线传输数据，就会受到开发商和制造商的极大关注。电力线载波通信技术在不同领域有其独特
22、的通信协议。常见的如下：1.Lontalk 通信协议是传输速率为 1.2Mbps的一种不依赖传输介质的通信协议，支持通信介质，如电力线和双绞线；2.X-10 通信协议是传输速率为 60bps的一种通过利用电力线的通讯传输实现对相关设备进行控制的通信协议；3.家庭插电联盟的 Homeplug 协议属于宽带通信协议。3.4.2 电力线载波模块的选择 此次设计中，电力线载波模块选用深圳市比威尔科技有限公司生产的BWP31系列载波模块。它具有通信速度快，抗干扰能力强，信号传输质量可靠，通信距离长等特点。同时也是一个特别适用于中国电力线系统的电力线载波通信产品。 BPW31系列载波模块它的四种型号（BW
23、P31A，BWP31B，BWP31C和BWP31D）分别对应四种不同的载波频率，可以结构依旧需要后续健全与强化，重点表现在下面多个部分。1.教育观念落后，陈旧由于农村地区交通不方便和人们的思想比较落后，有些人的意识中还没有认识到读书的重要性，而有些农村小学教师也是在过去时代接受的一点表面的知识和陈旧的教学方法，没有接受到当前最新的知识和教育方法。所以农村有些小学教师习惯于传统的教学模式和教育方法，没有一个去主动学习和接受新教育思想、教育方法的意识，在这方面还是非常的淡薄，缺乏创新意识，不能跟着时代一起进步，在他们的思想中认为只有传统教学才可以让学生学的更认真。在很多并不边远的农村区域，大部分小
24、学教师得到了素质教育的理念，然而仅仅是细碎的、简单的、不全面的，此外很多教育观念并未全面使用到教师的现实教学活动，教师通常只是了解到部分具备创新理念的教育观点，然而其并未贯通到课堂现实教育活动中。在他们的内心深处并未将小学教育放到非常关键的位置上。很多小学老师在教育学生的时候缺少全面发展的观念，对德智体美劳的整体发展并不关注。在现实教育时期，一般是“灌输式”缺乏单独的创新观念，并未全面了解到到学生是学习主体的重要观点。所以无法全面激发学生个人作用。大部分教师，并未舍弃之前的以考试为评估教学水平的老旧观点，依旧将考试成绩当做评估学生个人发展的准则。教师教育观点或理念是其开展教育活动的重要背景，对其教育心态与现实行为具有重要的影响。农村小学教师内一般出现的呆板、老旧的教育观点，逐渐限制了农村地区教育事业的长远发展。2.教学能力不足，学历和能力不符合教师教学水平是尽早完成教学任务、加快学生全面发展的重要基础和要素。教师能力通常包含教学工作、思想品德、教育科研与语言表达等多个部分。然而，因为遭受外界众多负面条件的波及与约束，地区小学教师的教学水平依旧不高，和其他地区相比存在明显的差异。农村小学教
