2010級李洋11屆挑戰杯論文

第十三屆‘挑戰杯’課外學術

科技作品競賽

科技

發明制作

B類

基于PIC單片機的教室照明系統

節能控制器設計

節能創新

基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

基于PIC單片機的教室照明系統節能控制器設計

摘要教學樓教室的照明由學生自行控制開啟與關閉，由于大多數人的節能意識淡薄，

：

并且強光下人的眼睛對弱光不敏感，在自然光照大于燈具光照的情況下，難以覺察到燈光的

存在，因此，在白天自然光很強的情況下，教室內的長明燈仍到處可見。基于PIC單片機的

教室照明系統節能控制器系統，在白天光線達到一定照度時，教室照明燈自動關閉，當教室

內光線的照度下降到一定程度時自動開啟照明燈，另外該控制器還能根據進入教室學生的多

少來控制照明燈開啟數量的多少，達到節能的目的。

關鍵詞：PIC單片機；教室照明；節能控制

Design of Classroom Lighting System Energy Saving

Controller Bad on PIC MCU

Abstract: Teaching building illumination system is usually controlled to open and clo by the

students with no special under bright light eyes are not nsitive to low light , in

the ca of natural light is greater than the lamp，it is difficult to perceive the existence of lamb

ore, though the the natural light is strong, the classroom lamp is still working, and

most people’s faint energy-saving consciousness exacerbate this kind of design of

classroom lighting energy saving control system is bad on PIC MCU . When the light reaches a

certain intensity during the daytime, the classroom illumination is automatically clod, and also

can be automatically opened as the classroom illumination declined to a certain extent.

Meanwhile, the system controls lighting opening number according to the amount of students

entering the classroom, in order to achieve the purpo of energy saving.

Key words: PIC; classroom lighting; energy-saving;

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基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

目錄

1．引言 .................................................. 4

2．系統基本組成及硬件設計 ................................ 5

2.1 時鐘模塊 .......................................... 6

2.2通信模塊 .......................................... 7

2.3繼電器控制模塊 ..................................... 7

2.4光照強度檢測模塊 ................................... 8

2.5顯示模塊 .......................................... 9

2.6人數檢測模塊 ...................................... 10

3．系統軟件設計 ......................................... 11

4．高校用電背景調查 ..................................... 12

4.1高校教室照明用電管理的現狀與存在的問題 ............ 12

4.2節約用電的重要性 .................................. 14

4.3高校用電規章制度 .................................. 14

4.4用電管理隊伍建設 .................................. 15

4.5節能設備推廣 ...................................... 15

5.高校用電效益分析 ...................................... 16

5.1曲阜師范大學教室照明用電狀況分析 .................. 16

5.2河北科技大學教室照明用電狀況分析 .................. 17

5.3武漢大學教室照明用電狀況分析 ...................... 18

5.4青島理工大學四方校區 .............................. 18

5.5泰山醫學院教室照明用電狀況分析 .................... 19

節能●創新2

基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

6. 教室照明系統節能控制器的市場前景分析 ................. 21

6.1市場上相關產品情況的介紹 .......................... 21

6.2該項發明的市場前景分析 ............................ 21

7．結論 ................................................. 22

8.參考文獻 .............................................. 22

基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

1．引言

教學樓照明用電的管理一般有三種模式：一是無專人管理，由學

生自行控制開啟與關閉；二是利用定時開關，根據作息時間開啟和關

閉整個教學樓的照明電源；三是由專人負責，即管理人員根據作息時

間和天氣情況分層送電。但在大多數高校的照明用電管理采用的第一

種模式，由于大多數人的節能意識淡薄，并且強光下人的眼睛對弱光

不敏感，在自然光照大于燈具光照的情況下，難以覺察到燈光的存在，

因此，在白天自然光很強的情況下，教室的長明燈仍到處可見。根據

不完全統計：80%的教學樓存在著在白天光照良好以上的情況下和在

午休時間出現長明燈的現象。一個教室的長明燈，看起來耗能不大，

但是從整個學校來看，卻是一個不小的數字，這是一種極大的浪費。

造成電能浪費的現象除了節能意識薄弱外，另一個重要的原因就是節

能的硬件設施跟不上。

為此，根據學校的實際情況，設計與實施教室照明節能控制系統，

在白天光線達到一定照度時，教室照明燈自動關閉，當教室光線的照

度下降到一定程度時自動開啟照明燈，在充分保證教室照度的前提下，

達到節能的目的。

本項目研究的內容：使用PIC16F877單片機為主控芯片，采用信

息（進入教室人數的多少，教室從門口到窗戶的自然光照度的強弱）

融合技術，來自動判定教室開燈的多少；控制器具有時鐘功能，能夠

在設定的時間段內進入低功耗模式，基本不消耗電能；控制器具有

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基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

RS485數據傳輸功能，能夠與其它控制器進行組網實現大規模的網絡

化管理。

2．系統基本組成及硬件設計

系統結構圖如圖1所示。本系統為教室照明系統節能控制系統，

是專門為高校教學樓照明用電的管理而設計的產品，系統主要由時鐘

模塊，光照強度檢測模塊，人數采集模塊，顯示模塊，繼電器控制模

塊，通信模塊六部分組成。

RS485總線

Ds1302

時鐘模塊

顯示模塊

PIC16F877A

最小系統

人數采集電

路（對射式

激光管）

照

明

燈

繼

電

器

控

制

模

塊

圖1 系統硬件總體結構框圖

電

壓

比

較

電

路

光

敏

電

阻

基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

用數碼管來顯示教室人數和時間情況，通信模塊是通過RS485來管理。

工作時，光照檢測電路，激光對管及處理電路和ds1302時鐘芯片分

別采集光照強弱、教室人數、時間等信息送到單片機，單片機根據這

些信息通過控制電路對照明設備進行操作，從而實現本系統要求的功

能。

系統控制單元選用PIC16F877A單片機，該型號單片機具有指令

系統精簡，硬件系統設計簡潔與高集成度的特點，且單片機功耗較低，

價格合理性價比較高。

2.1 時鐘模塊

采用ds1302時鐘芯片，作為整個系統的時鐘信號來源，再結合

軟件定時能夠達到對照明燈控制系統定時開關機的目的。下圖為時鐘

部分接線電路。

BAT1

3.3V

U2

R1R3

10k10k

RE0

RE1

RE2

R2

10k

82

1

VCC1X1

VCC2

5

7

63

X1

RST

SCLK

I/OX2

DS1302

CRYSTAL

時鐘部分

圖2 時鐘控制部分

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基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

2.2通信模塊

RS485通訊接口的通訊協議采用MODBUS標準通訊協議，該控制器可

以作為從機與具有相同通訊接口并采用相同通訊協議的上位機（如單

片機、PC機）通訊，實現對控制器的集中監控，通過該通訊口也可

以接遠控鍵盤。實現用戶對該控制器的遠程操作。下是其電路連接圖：

圖3 通信模塊

2.3繼電器控制模塊

該模塊由兩片高耐壓、大電流復合晶體管陣列ULN2003和一片

74ls595組成，其中74ls595可實現串行輸入并行輸出并帶有數據鎖

存功能，與單片機通信只需兩條信號線，這樣大大節省了單片機的

I/O資源。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，

并且能夠在開關態時承受50V 的高壓，足以驅動直流繼電器。電路

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基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

圖如下：

圖4 繼電器控制驅動模塊

2.4光照強度檢測模塊

光強檢測模塊由光敏電阻、滑動變阻器和電壓比較器組成。通過

調節滑動變阻器來改變該模塊對光強的敏感程度，電壓比較器采用電

平比較方式將信號直接輸入給單片機可有效防止邊沿跳變，保證信號

有效性。電路圖如下圖5：

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基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

圖5 光照強度檢測模塊

2.5顯示模塊

該模塊由4位一體共陰極數碼管和MAX7219專用數碼管驅動芯片

組成，芯片與單片機僅有3根信號線相連，通信十分方便。芯片包含

一個150μA的低功耗關閉模式，模擬和數字亮度控制，系統進入

低功耗模式時，該模塊也可進入低功耗狀態，可大大減小控制器

的功耗。電路圖如下圖6：

圖6.1 顯示模塊1

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基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

圖6.2 顯示模塊2

2.6人數檢測模塊

人數檢測模塊由兩對激光發射管和接收管組成，安裝在教室門框

的適當高度上，前后安裝。由于接收管只能接收調制光且調制光在

180KHZ占空比20%-30%時接收效果最好，這樣便有效避免了外界光源

對傳感器的干擾，且激光的聚光性好直線傳播距離遠，可以減少相鄰

傳感器之間的相互干擾并能大大減小傳感器的體積，便于傳感器的安

裝。電路圖如下：

圖7 人數檢測模塊

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基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

3．系統軟件設計

開始

I/O、時間、顯

示初始化

判斷是否在設定低功耗時

間內?

Y

Ｎ

低功耗模式喚醒單片機

N

判斷人數是否大于０

Y

N

Y

光照是否滿足要求？

人數檢測傳感器

是否有信號

Y

N

根據人數計算開燈數

開燈

圖9 系統軟件流程圖

系統軟件設計的基本思想是：盡可能多地利用軟件來代替硬件，

使成本降低，修改方便。因此采用了模塊設計的方法，整個系統是通

過不斷調用子程序和接受中斷服務來完成工作的。由于白天太陽光亮

度較強，除光敏檢測部分外，其他部分都處在空閑狀態,而在晚上10

點半后幾乎沒有同學在上自習，一直到第二天早上為止系統都處在空

閑狀態，所以降低功耗也是軟件設計的一大任務，因而在通過軟件控

制硬件工作時，在空閑時間盡量使整個電路處在低功耗狀態。系統啟

動后，先初始化各個硬件模塊。由軟件實現從時鐘和光敏檢測模塊讀

取時間和亮度情況，并判斷其值是否滿足預設值，若滿足則打開相應

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基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

的照明燈，不滿足則進入低功耗模式。正常模式時先檢測是否光照度

來滿足學習的條件，白天當光照度低于學習條件是開啟照明燈，到晚

上時利用門口的激光管來檢測進入教室的人數，來判斷需要開的照明

燈的盞數。低功耗模式時，則需要通過外部中斷來進行喚醒微控制器，

從而使PIC16F877啟動并開始工作，進入讀取檢測循環。

4．高校用電背景調查

建設節約型社會是我國經濟社會發展的長遠戰略方針。建設節約

型高校是實現經濟增長與服務育人雙重效益的根本要求。高等學校集

教學、科研和生活于一體，現已成為重要的用電大戶，其照明用電量

已占總用電量的30%-40%以上。加強高校節電管理，特別是照明節電

不僅可以有效地節約用電、降低學校的經費開支，更重要的是通過學

校的示范表率作用，提高學生乃至全社會的節電意識，實現節約能源、

保護環境的目的。高校作為培養高素質人才的搖籃，建設節約型校園

提倡節約的意義也就顯得更加重大而深遠。

4.1高校教室照明用電管理的現狀與存在的問題

教室作為高校教學的重要場所，一般采用開放式管理模式，學生

基本上無固定的班級教室，無固定的座位，因此就造成了只有學生開

燈而沒有學生關燈的現象；而樓宇管理人員僅負責環境衛生或安全保

衛工作，沒有關燈的責任和意識。因此，造成了白天長明燈，晚上無

人也開燈，人少燈全開的浪費現象。從早晨開放到晚上清場，教室照

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基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

明燈具一直開啟的現象在高校中是普遍存在的。由于高校內教室、實

驗室照明燈具數量眾多，使用時間最長，使得教室的照明負荷在整個

學校的用電負荷中所占的比重一直居高不下。而隨著我國對高等教育

發展的重視，高校數量以及教學樓的數量逐年增多，而高科技的輔助

節能設備卻未及時投入，使得教室照明的用電量逐年增高。在我國，

由于本科生連年擴招，使得很多高校為了降低建設成本和師資投入在

建設教學樓、實驗樓時更是喜歡“大教室”、“大禮堂”，這就更使

得原本就無人管理的教室照明系統更加無人問津。

再者，不少高校教職員工和學生對水電節能的重要性缺乏足夠的

認識，節約觀念淡薄，認為水電供應保障理所應當由學校統包統付，

辦得起學校就用得起水電；再就是部分部門福利觀念根深蒂固，靠山

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基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

吃山，靠水吃水，多收電費多提成多福利；不容忽視的是還存在節約

能源與己無關的思想，對浪費現象視而不見，充耳不聞。高校在教職

員工和學生中對水電節約的宣傳工作未能達到廣度、深度、力度。教

職員工沒能把培養節能意識和行為落實在教書育人、管理育人、服務

育人的全過程之中。大學生也沒能真正懂得節約水電資源的重要意義，

更談不上節約水電“從我做起，從點滴做起”。

4.2節約用電的重要性

不少高校教職員工和學生對水電節能的重要性缺乏足夠的認識，

節約觀念淡薄，認為水電供應保障理所應當由學校統包統付，辦得起

學校就用得起水電；再就是部分部門福利觀念根深蒂固，靠山吃山，

靠水吃水，多收電費多提成多福利；還存在節約能源與己無關的思想，

對浪費現象視而不見，充耳不聞。高校在教職員工和學生中對水電節

約的宣傳工作未能達到廣度、深度、力度。教職員工沒能把培養節能

意識和行為落實在教書育人、管理育人、服務育人的全過程之中。大

學生也沒能真正懂得節約水電資源的重要意義，更談不上節約水電

“從我做起，從點滴做起”。

4.3高校用電規章制度

不少高校為了減少水電支出的巨大壓力制定了許多規章制度和辦

法，但都難以因地制宜制定出系統的切實可行的節約方案。水電管理

涉及方方面面，很難完全達成共識，規章制度在執行中往往因為一些

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基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

個人利益和小單位利益而擱淺。制度的不完善和過多的人情干擾導致

執行不力，這是許多高校水電管理的一個通病。另外，有些高校水電

節能規章制度建設的不完善，缺乏有效的節能激勵政策，嚴重挫傷了

一線員工的工作積極性。

4.4用電管理隊伍建設

大多數高校基本上都有專職的水電節能管理人員，但大多數管理

人員只是日復一日，年復一年地從事計量抄表和水電收費工作，未能

開展更深層次與水電節能更貼近的、更專業的能效分析、節能挖潛、

節能監管和督查等全方位的節能管理工作。

4.5節能設備推廣

許多高校只是在部分教學樓和重點教室安裝智能節電設備、采用

節能新技術，未能在全校廣泛推廣應用新技術、新產品、新工藝，這

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基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

也是造成教室照明用電較大浪費因素之一，究其原因一是學校缺乏長

期投資效益的考慮；二是受到相關經費的制約。

5.高校用電效益分析

對高校教室進行照明節電改造，實現教室照明終端智能化自動控

制管理，可以有效地杜絕教室照明用電浪費現象，產生巨大的社會效

益和經濟效益，從而提高了資源的節約利用，響應了我國建設節約型

社會的號召，貫徹了我國實行“可持續發展”的戰略方針。高校教室

照明節電工作是一件功在當代，利在千秋的事業。同時，通過高校節

能工作，可以培養學生的節約意識和良好的節約習慣，成為社會所需

要的有素質懂節約的人才。這樣才能擔負起應有的歷史使命，成為建

設“節約型社會”的生力軍。

5.1曲阜師范大學教室照明用電狀況分析

我們對日照校區的教室燈具統計的情況：對曲阜師范大學A樓B樓C

樓D樓E樓，分別進行了統計，其中，A樓共有516盞燈，靠窗的有96

盞，B樓共有222盞燈，靠窗的有66盞燈，C樓共有779盞燈，靠窗的有

209盞燈，D樓共有243盞燈，靠窗的有81盞燈，E樓共有390盞燈，靠

窗的有79盞燈。在我們統計的這幾棟樓中共有2150盞燈，靠窗的有531

盞，占到了總燈數的1/4。這2150盞燈按80%有長明燈的概率，就有

2150*0.8=1720盞燈，按一天從早上8點到下午5點長明，每盞燈兩支

燈管共70瓦的話，每天浪費的電能1720*70*8=963200（瓦時）=963.2

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基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

度電，一學年中按200天正常的晴天（排除假期和陰天等情況），那

么一學年浪費的電能為：963.2*200=192640度電，每度電按0.5元錢

曲阜師范大學教室照明用電狀況

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-通用格式

A樓

B樓

C樓

用電量/度/年

D樓

E樓

計則需要96320元，若將教室燈通過細分控制亮燈的話，那么減少浪

費用電量更多。若將曲阜校區的教室照明也算上，每年至少需要20

萬元以上的無謂的電能開銷。

5.2河北科技大學教室照明用電狀況分析

河北科技大學教室的用電情況:教室采用36W日光燈照明；每天大

約使用8小時，總數量有10000盞，每年使用8.5個月。

36W電感式日光燈每天的電費=（單盞功率+電感鎮流器損耗）×盞

數×電價×小時/天 = 0.045KW/盞×10000盞×0.6元/度×8小時/

天 = 2160元 / 天

一個月的總電費=2160元/天×30天/月 = 64800元/月

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基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

一年按8.5個月計算電費 = 64800元/月 ×8.5月/年 = 550800元/

年。

5.3武漢大學教室照明用電狀況分析

武漢大學現有各類在校生4萬余人，現有建筑面積525272.15平方

米，其中教室面積234390.54平方米。按學生全年在校270天、教室每

天照明12小時、單位面積照明功率10W/㎡計算，以每度電0.573元計

算。我們可以計算出武漢大學每年用電量為：

教室面積*每天照明時間*全年天數*單位面積照明功率

=234390.54*12*270*10=760萬度

武漢大學每年用電花費：

每年用電量*每度電所用花費=760萬*0.573=450萬元

即全校教室全年教室照明約為760萬度左右。

即全校教室全年教室照明需花費450萬元。

5.4青島理工大學四方校區

我們對青島理工大學四方校區的教室燈具做了一下具體統計：對

青島理工大學的一號樓二號樓三號樓，分別進行了統計，其中一號樓

一共有840盞燈，靠窗的有240盞燈，二號樓一共有784盞燈，靠窗的

有180盞燈，三號樓一共有768盞燈，靠窗的有184盞燈。在統計的這

幾棟樓中一共有2392盞燈，靠窗的有604盞燈，占到總燈數的3/10。

這2392盞燈按80%有長明燈的概率來算，就有2392*0.8=1914盞燈，按

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基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

一天從早上8點到下午5點長明，每盞燈兩支燈管共70瓦的話，每天浪

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四方校區一號樓四方校區二號樓四方校區三號樓

總燈具數

靠窗燈具數

費的電能1914*70*8=1071840（瓦時）=1071.8度電，一學年中按200

天正常的晴天（排除假期和陰天等情況），那么一學年浪費的電能為：

1071.8*200=214360度電，每度電按0.5元錢計則需要107180元，若將

教室燈通過細分控制亮燈的話，那么減少浪費用電量更多。若將黃島

校區，費縣校區的教室照明也算上，每年至少需要30萬元以上的無謂

的電能開銷。如圖為青島理工大學四方校區燈具數概況。

5.5泰山醫學院教室照明用電狀況分析

我們對泰山醫學院的教室的燈具情況進行了相關調查。泰山醫學院在

校生達到12000人左右，校舍建筑面積75.17萬平方米。普通教室為

每個教室16盞日光燈（內含2根燈管，每個燈管的功率為28瓦），

全校教室、禮堂、圖書館、實驗室共有220間左右，均按每天多余開

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基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

燈時間為8小時計算，則可得出一天中整個泰山醫學院的浪費的電能

為：16×2×28×220×7 ≈1380kwh。而我們通過采訪泰山醫學院醫學影

像學實驗中心管理實驗設備老師得知，泰山醫學院的醫學影像、核醫

學實驗中心的實驗設備（包括CT系統、核磁共振成像系統等大功率

實驗儀器）一個學期的耗電量也不過12000kwh。

不難算出，泰山醫學院一天內教室中因為照明浪費的電能可以供實驗

中心兩個星期所有醫療實驗設備的用電量。這個統計數字是無疑是驚

人的。可以繼續計算一下一年內泰山醫學院因電能浪費而造成的經濟

損失（按照每年學生在校時間為200天，每度電按照0.5元計算）得

到直接經濟損失大約為138000元。也就是說如果將這些電能節約下

來，幾年時間可以引進最先進的實驗設備；五年時間可以利用省下的

資金修建水平較高室內體育館……

節能●創新20

基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

6. 教室照明系統節能控制器的市場前景分析

通過對以上各大高校的調查和統計，不難看出因為各大高校對教

室內的照明系統管理的束手無策或臵之不理而造成大量電能浪費和

資金流失。這無論是校方還是相關政府部門所不愿看到的。而對于有

類似浪費情況的企業更是迫切希望有可以解決此問題的產品出現。我

們設計發明的該教室照明系統節能控制器，使得室內照明系統管理這

一難題迎刃而解。

6.1市場上相關產品情況的介紹

目前市場上的照明系統節能控制器主要以“聲控”“光控”開關

為主。但顯然，“聲控”照明系統根本就不適合于教室、自習室。而

目前，民用“光控”照明系統的技術不是特別過關，存在運行不穩定、

抗干擾能力弱，使用壽命短等缺點。而且這種“光控”照明控制系統

遇到室內光線較暗但教室內卻沒人的情況，就會產生所謂的“誤動作”

或“誤操作”，也無法很好的控制室內的照明。

6.2該項發明的市場前景分析

在進行調研的過程中發現不僅僅是各高校相關負責人對此項發明

產生了濃厚的興趣和期望，很多企業、娛樂場所等相關人員也對該項

發明以及將來可能形成的產品都有濃厚的興趣。因為類似浪費電能情

況的不僅僅是高校，在很多大型企業、公共場館都有“只有人開燈而

無人關燈”的現象，這就直接增加了企業的運營成本，從而對其盈利

節能●創新21

基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

有不利影響。此項發明的研發成本大約為500元左右，若可以實現批

量生產，加上安裝費用和更換工作更加穩定的電子器件的費用，單價

銷售預計在200400元左右。這個價錢是任何學校或單位所能接受的，

~

若在此基礎加上配套的售后服務，相信該項發明所形成的產品將會有

很不錯的市場前景。

7．結論

本系統是利用激光對管來檢測進入教室的人數，利用光敏電阻檢

測教室內光照度，與高性能的PIC單片機結合，組成性能穩定、控制

準確、成本低、功耗低的系統，市場前景良好。本系統可擴展加裝無

線遠傳控制模塊，使其具備報警等遠程服務、還可以計算照明時間長

度及開的燈的盞數，可以粗略計算用電量。本系統的功能通過PROTUES

完全仿真通過并做出了模擬樣機。

8.參考文獻

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院學報【J】，2009.07

[2]PIC系列單片機C語言編程與應用實例張皆喜王茂凌張瑜電子

工業出版社2008.06

[3]PIC單片機實用教程提高篇（第二版）李學海北京航空航天大

學出版社 2009.08

[4]Protel 99電路設計技術（基礎〃案例篇）周麗娜中國鐵道

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基于PIC單片機教室照明系統節能控制器

出版社 2009.01

[5]傳感器集成電路手冊趙負圖化學工業出版社 2007.04

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