基于单片机的教室智能照明系统设计*

苟 海，刘 尧，李 杰，刘朝飞，陈 越，姜博文

（六盘水师范学院，贵州 六盘水 553000）

1 系统整体框架

本系统包括以STC89C51单片机为核心的总控制模块、电源供应模块、热释红外传感器模块、摄像头模块、光强度检测传感器模块等。热释红外传感器模块和摄像头模块主要用来感应人体信号，其中，摄像头模块主要用来帮助单片机更加精确地识别人体。光检测模块主要是用APDS-9930传感器实现对环境光强度的检测，并且把主要参数输入STC89C51单片机，以实现对教室灯光的控制[1]。

2 系统功能模块设计

本系统使用STC89C51单片机作为控制核心，通过其与人形检测传感器（热释红外传感器、ESP32-CAM摄像头模块）、环境光强度检测传感器（APDS-9930）等外界感知的相互配合来实现智能控制灯光的目的。

2.1 硬件设计

2.1.1 控制核心

本设计以STC89C51单片机为系统控制核心。STC89C51单片机由CPU、ROM、RAM、串行输入/输出口、2个定时计数器/计时器、时钟电路及中断系统组成。

STC89C51可对中央处理器与存储器集成于一个芯片的系统进行可编程计算机控制，是一种将自定义程序代码导入单片机的程序。这不但可以有效节省通用编程器的额外购买费用，而且可以让STC89C51更快地接收信息。系统框架见图1[2]。

图1 系统框架

STC89C51单片机兼容8051单片机，是新一代低功耗8051高速单片机，具有新的流水线和简化的指令结构[3]，可以通过编程拷入单片机实现对教室区域内灯光的控制。

2.1.2 电源模块

将220 V交流电通过减压处理转换为5 V的直流电，再通过LM7805输出5 V的稳压电源后可直接供单片机使用。

2.1.3 热释红外传感器模块

热释红外传感器由场效应管适配器、干涉滤光片和检测元件组成。热释红外传感器的功能主要是通过插入场效应管完成阻抗转换来实现的[4]。直接使用热释红外传感器时，需要在使用前将上述转换切换为电压模式。在热释红外传感器模块中，人体被作为第一感知信息，根据晶体表面被检测区域的温度变化。如果测得的环境温度稳定，输出低电平，则传感器无输出。由于人体温度与测量温度不同，进入人体测量区域时传感器会输入高电平，人体发射的红外线通过信号放大器后传输给热释红外传感器，为控制电路提供电反馈信号。

2.1.4 摄像头模块

摄像头模块主要是辅助热释红外传感器进行人体探测，因为在人体进入检测区域后不动的情况下温度不会发生变化，传感器也就没有输出。此时作为辅助部件的ESP32-CAM摄像头模块起着判断该区域是否有人的作用，强制让热释红外传感器有输出。摄像头模块主要是以YOLO（实时目标检测系统）检测环境中的人类移动。

YOLO通过深度学习实现了端到端的实时目标识别。YOLO的特点之一是速度，YOLO意味着最高级别的物体识别，能比其他生物检测系统更快地收集各种监视数据；其二是安装和使用简单，编程时只需要4条命令就可以让YOLO开始工作。程序写入YOLO后可以直接接入ESP32-CAM模块使其进行人体识别工作。

2.1.5 教室灯光感应模块

光学传感器模块主要采用APDS-9930传感器，包括A/D转换器、放大器、CPU、通信接口、存储器等[4]。

APDS-9930封装有8个脚，电和地各一个脚，I2C通信一个数据脚一个时钟脚，还有一个中断脚，可以根据用户设置的光照强度或接近阈值来触发中断，还有两个脚LEDA和LEDK分别为芯片内部红外发光二极管的阳极和阴极，阴极直接连接芯片的最后一个脚——LDR。这个脚会根据用户的设置产生不同频率的驱动信号来驱动发光二极管。APDS-9930采用A/D转换电路、数字信号传输和数字滤波技术，大大提高了传感器的稳定性。在功能方面，APDS-9930一方面可以检测周围的亮度，另一方面可以基于红外测距原理检测物体的接近程度。在物联网使用方面，APDS-9930使用了数字通信接口，可以直接接入计算机，也能与标准工业控制总线连接。

在本系统中，APDS-9930会通过感应投影仪和教室内其他光源的强度大小来控制灯光开关，它采用一个8引脚封装的I2C兼容数字环境光传感器和红外发光二极管来接近传感器。环境光传感器使用2个光电二极管来实现接近度检测，具有出色的弱光性能。系统电路仿真图见图2。

图2 系统电路仿真图

2.2 软件设计

本系统使用Keil C51软件创建和设计程序。Keil C51和Proteus的总体结构是一个Windows或Proteus C51集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE），可以处理整个开发、编辑、编译、链接、调试和仿真过程。开发人员可通过使用IDE或其他编辑器编辑C源文件或程序集，并使用C51和C51编译器编译它们来创建对象文件。

系统程序流程图见第117页图3，该图描述的是整个系统的流程控制情况。上电复位后系统进入自动控制状态，当有人进出教室时检测模块会自动记录人数的加减情况，并且会根据人数的多少与光强的大小来控制教室区域内灯的开关。当按下控制模式转换按钮后系统进入手动控制状态，此时就要通过人来控制教室区域内灯的开关。

图3 系统程序流程图

3 系统分部调试

整个系统的调试包括硬件调试和软件调试，开始应对硬件部分进行静态调试，同时对软件部分进行初步调试，然后再对硬件部分和软件部分进行动态调试[5]。

1）硬件调试。硬件调试主要是进行静态调试，目的是排除硬件设备故障。

2）软件调试。利用模拟软件对单片机的硬件、指令、运行状态进行模拟调试，继而进行整个应用软件的开发。

3）动态调试。对于整个控制系统来说，软件系统和硬件系统是紧密相连的。对整个系统进行调试时，需要利用Keil和Proteus等仿真工具对软件系统和硬件系统进行调试和诊断。调试过程中软件系统中的用户程序还需要与硬件系统连接起来进行联合调试，同时能够实现对软件和硬件进行检查和诊断的功能。

在各系统模块电路调试完成后，将预编好的程序加载到仿真软件中。软件加载成功后就能使硬件执行程序对应的系统指令了。

4 结束语

本设计实现了对区域内灯光的智能控制，同时不影响原来对灯光的手动控制，这样，当智能控制系统不能正常工作时可以通过手动控制开关对灯光进行控制。通过系统内多任务模块的实现，提高了系统的整体工作效率。经过现实生活中的使用证明，系统各部件具有良好的稳定性。假设设备运行平稳可靠，设备设计可以使用可降低整体成本的廉价组件。在软件开发中，信号是多任务处理，以达到控制照明的最终目的。与现有教室照明系统配合使用时，该系统可智能控制教室照明，降低成本，无需大幅改变原有电源配置。