基于STC12C4052AD单片机的教室灯光控制系统设计

摘要：为了有效利用教室灯光、节约能源，设计了以STC12C4052AD单片机作为控制核心的教室灯光控制系统，能根据学校作息时间、光照情况自动调节教室灯光的打开或关闭。调试结果证明该系统具有很好的人机交互界面，能对教室灯光进行智能控制，且电路简单，成本低，节约能源，可移植性好。也可应用于图书馆、会议室、办公室、办公等场所，具有很好的实际应用价值和广泛的应用空间。
关键词：STCl2C4052AD；灯光控制；光敏传感器；节约能源

O 引言
    当前，随着经济的飞速发展，能源短缺问题日益突出，成为一个国家经济发展的“瓶颈”。作为工业生产和人民生活不可或缺的电力能源更是如此。尤其现今越来越提倡低碳生活，节约能源已经成为一种全球共识，而作为培养社会精英的高校更应该起到榜样的作用。但是目前在校园内，教室灯火通明，却空无一人的现象屡见不鲜，这不仅造成了严重的资源浪费，也对高校的形象造成了很坏的影响。本文所研究的教室灯光控制系统就可以很好地实现节约能源的作用。

1 系统硬件组成
    整个系统由中央控制电路、2×4按键电路、光敏传感电路、继电器驱动电路、时钟电路、液晶显示电路六个模块组成。其中，光敏传感电路模块主要完成对教室当前光线明暗程度的判定，时钟电路主要实现时基功能，两者分别提供光照和定时数据供以单片机为核心的中央控制模块进行逻辑判断，单片机最终将运算结果输出到液晶显示屏，同时对教室灯光进行控制。整个系统的硬件框图如图1所示。

1．1 中央控制模块
    系统中，中央控制器主要用于接收两个外部数据，由此判断是否定时时间已到，教室光照是否充足。控制器根据这两个外部数据来进行逻辑运算，从而实现定时开关灯、刷新液晶显示屏，同时可以通过键盘设置时间日期、查看相关信息。
    根据系统设计要求，控制器选择了宏晶科技公司提供的STCl2C4052AD型单片机。该款是一种高速、高可靠性单片机，工作电压5．5～3．4V，Flash程序存储器4K字节，SRAM为256字节，2个定时器，8路8位A／D转换器，可通过串口实现在线编程、A／D转换、看门狗等功能。
1．2 液晶显示电路
    为了实现较好的人机交互界面，在本系统中采用1602液晶显示屏来显示用户的设定作息时间及用户所查询的信息。
    点阵字符型液晶显示器是专门用于显示数字、字母、图形符号及少量自定义符号的显示器。这类显示器把LCD控制器／点阵驱动器／字符存贮器全做在一块印刷板上。系统选用日立公司的HD44780液晶显示。HD44780具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动／闪烁等功能。与MCU的传输可采用8位并行传输或4位并行传输2种方式。液晶显示电路如图2所示。

1．3 其他电路
    按键电路主要由一个2×4的按键阵列组成，主要用于完成作息时间、当前时间、定时时间段的设定。光敏传感电路实现教室内光照强度数据的采集，其门限值可通过可调电阻调节。指示灯主要实现对系统工作状态，如系统工作于自动控制模式还是强制模式，灭灯或亮灯状态等的指示。

2 系统工作原理
   本系统能够采集室内光照强度数据，并结合学校作息时间对教室灯光进行实时控制，达到方便和节约能源的目的。电路存在两种工作模式：自动控制模式和强制模式。
2．1 自动控制模式
    系统复位默认工作在自动控制模式，当教室内自然光线弱，光敏传感器把感应到的光强信号送至单片机处理，输出照明命令，则打开教室灯光，但因系统定时关灯时间与学校作息时间一致，因此在非需要开灯的时间段内，教室灯光自动关闭，达到节约用电的效果。
    系统考虑到如果教室外自然光很强，但因某种需求需要拉上窗帘，这样室内光照就不太理想，需要开灯，因而设置了两路光敏传感器，一路探测室内光强，一路探测室外光强，这体现了系统设计的灵活性。
2．2 强制模式
    系统正常工作的情况下，通过按下强制按钮，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。设置强制按钮主要考虑到有时需要对灯进行强制控制，例如需要在教室通过投影仪观看电影时，为达到最佳的收看效果，需要关上灯。

3 软件设计
    系统采用STC12C4052AD单片机作为控制的核心，负责整个系统的逻辑运算，因此软件设计是系统能否稳定运行以及能否实现设计功能的关键。本系统中STCl2C4052AD单片机主要完成接收外部数据、处理数据、输出控制数据。所以软件的重点是：如何接收外部数据，如何处理以及如何输出控制数据。
    因此，在该软件实现中我们采用了模块化的方案，整个软件设计由初始化模块、键盘接收模块、中断处理模块、数据显示模块和定时输出模块五个模块组成，系统程序主流程框图如图3所示。

    初始模块主要完成I／O口、定时／计数器、中断以及液晶显示屏的初始化，键盘接收模块主要用于接收初始变量，如当前时间、作息时间等的设定。同时也接受相关数据的查询，如查询设定好的作息时间、光照阈值等，数据显示模块用于显示当前的时间、定时开关时间以及用户要查询的相关数据。

4 调试和总结
    在整个系统设计完成之后我们在调查研究的基础上，对什么光线情况下应该开灯及系统在根据学校的作息时间上进行了设定验证、调试，结果显示本系统可以稳定运行且效果理想。
    本系统主要应用于教室的灯光控制，但是对于一些公共场合，如会议室、办公室、楼道等场所，只要在本系统的基础上稍加改动，也可以很好地满足其需要，因此本系统的可移植性好，具有比较大的市场潜力和广泛的应用前景。