2010级李洋11届挑战杯论文

第十三届‘挑战杯’课外学术

科技作品竞赛

科技

发明制作

B类

基于PIC单片机的教室照明系统

节能控制器设计

节能创新

基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

基于PIC单片机的教室照明系统节能控制器设计

摘要教学楼教室的照明由学生自行控制开启与关闭，由于大多数人的节能意识淡薄，

：

并且强光下人的眼睛对弱光不敏感，在自然光照大于灯具光照的情况下，难以觉察到灯光的

存在，因此，在白天自然光很强的情况下，教室内的长明灯仍到处可见。基于PIC单片机的

教室照明系统节能控制器系统，在白天光线达到一定照度时，教室照明灯自动关闭，当教室

内光线的照度下降到一定程度时自动开启照明灯，另外该控制器还能根据进入教室学生的多

少来控制照明灯开启数量的多少，达到节能的目的。

关键词：PIC单片机；教室照明；节能控制

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单片机教室照明系统节能控制器

目录

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

2．系统基本组成及硬件设计 ................................ 5

2.1 时钟模块 .......................................... 6

2.2通信模块 .......................................... 7

2.3继电器控制模块 ..................................... 7

2.4光照强度检测模块 ................................... 8

2.5显示模块 .......................................... 9

2.6人数检测模块 ...................................... 10

3．系统软件设计 ......................................... 11

4．高校用电背景调查 ..................................... 12

4.1高校教室照明用电管理的现状与存在的问题 ............ 12

4.2节约用电的重要性 .................................. 14

4.3高校用电规章制度 .................................. 14

4.4用电管理队伍建设 .................................. 15

4.5节能设备推广 ...................................... 15

5.高校用电效益分析 ...................................... 16

5.1曲阜师范大学教室照明用电状况分析 .................. 16

5.2河北科技大学教室照明用电状况分析 .................. 17

5.3武汉大学教室照明用电状况分析 ...................... 18

5.4青岛理工大学四方校区 .............................. 18

5.5泰山医学院教室照明用电状况分析 .................... 19

节能●创新2

基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

6. 教室照明系统节能控制器的市场前景分析 ................. 21

6.1市场上相关产品情况的介绍 .......................... 21

6.2该项发明的市场前景分析 ............................ 21

7．结论 ................................................. 22

8.参考文献 .............................................. 22

基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

1．引言

教学楼照明用电的管理一般有三种模式：一是无专人管理，由学

生自行控制开启与关闭；二是利用定时开关，根据作息时间开启和关

闭整个教学楼的照明电源；三是由专人负责，即管理人员根据作息时

间和天气情况分层送电。但在大多数高校的照明用电管理采用的第一

种模式，由于大多数人的节能意识淡薄，并且强光下人的眼睛对弱光

不敏感，在自然光照大于灯具光照的情况下，难以觉察到灯光的存在，

因此，在白天自然光很强的情况下，教室的长明灯仍到处可见。根据

不完全统计：80%的教学楼存在着在白天光照良好以上的情况下和在

午休时间出现长明灯的现象。一个教室的长明灯，看起来耗能不大，

但是从整个学校来看，却是一个不小的数字，这是一种极大的浪费。

造成电能浪费的现象除了节能意识薄弱外，另一个重要的原因就是节

能的硬件设施跟不上。

为此，根据学校的实际情况，设计与实施教室照明节能控制系统，

在白天光线达到一定照度时，教室照明灯自动关闭，当教室光线的照

度下降到一定程度时自动开启照明灯，在充分保证教室照度的前提下，

达到节能的目的。

本项目研究的内容：使用PIC16F877单片机为主控芯片，采用信

息（进入教室人数的多少，教室从门口到窗户的自然光照度的强弱）

融合技术，来自动判定教室开灯的多少；控制器具有时钟功能，能够

在设定的时间段内进入低功耗模式，基本不消耗电能；控制器具有

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基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

RS485数据传输功能，能够与其它控制器进行组网实现大规模的网络

化管理。

2．系统基本组成及硬件设计

系统结构图如图1所示。本系统为教室照明系统节能控制系统，

是专门为高校教学楼照明用电的管理而设计的产品，系统主要由时钟

模块，光照强度检测模块，人数采集模块，显示模块，继电器控制模

块，通信模块六部分组成。

RS485总线

Ds1302

时钟模块

显示模块

PIC16F877A

最小系统

人数采集电

路（对射式

激光管）

照

明

灯

继

电

器

控

制

模

块

图1 系统硬件总体结构框图

电

压

比

较

电

路

光

敏

电

阻

基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

用数码管来显示教室人数和时间情况，通信模块是通过RS485来管理。

工作时，光照检测电路，激光对管及处理电路和ds1302时钟芯片分

别采集光照强弱、教室人数、时间等信息送到单片机，单片机根据这

些信息通过控制电路对照明设备进行操作，从而实现本系统要求的功

能。

系统控制单元选用PIC16F877A单片机，该型号单片机具有指令

系统精简，硬件系统设计简洁与高集成度的特点，且单片机功耗较低，

价格合理性价比较高。

2.1 时钟模块

采用ds1302时钟芯片，作为整个系统的时钟信号来源，再结合

软件定时能够达到对照明灯控制系统定时开关机的目的。下图为时钟

部分接线电路。

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

时钟部分

图2 时钟控制部分

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基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

2.2通信模块

RS485通讯接口的通讯协议采用MODBUS标准通讯协议，该控制器可

以作为从机与具有相同通讯接口并采用相同通讯协议的上位机（如单

片机、PC机）通讯，实现对控制器的集中监控，通过该通讯口也可

以接远控键盘。实现用户对该控制器的远程操作。下是其电路连接图：

图3 通信模块

2.3继电器控制模块

该模块由两片高耐压、大电流复合晶体管阵列ULN2003和一片

74ls595组成，其中74ls595可实现串行输入并行输出并带有数据锁

存功能，与单片机通信只需两条信号线，这样大大节省了单片机的

I/O资源。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，

并且能够在开关态时承受50V 的高压，足以驱动直流继电器。电路

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基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

图如下：

图4 继电器控制驱动模块

2.4光照强度检测模块

光强检测模块由光敏电阻、滑动变阻器和电压比较器组成。通过

调节滑动变阻器来改变该模块对光强的敏感程度，电压比较器采用电

平比较方式将信号直接输入给单片机可有效防止边沿跳变，保证信号

有效性。电路图如下图5：

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基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

图5 光照强度检测模块

2.5显示模块

该模块由4位一体共阴极数码管和MAX7219专用数码管驱动芯片

组成，芯片与单片机仅有3根信号线相连，通信十分方便。芯片包含

一个150μA的低功耗关闭模式，模拟和数字亮度控制，系统进入

低功耗模式时，该模块也可进入低功耗状态，可大大减小控制器

的功耗。电路图如下图6：

图6.1 显示模块1

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基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

图6.2 显示模块2

2.6人数检测模块

人数检测模块由两对激光发射管和接收管组成，安装在教室门框

的适当高度上，前后安装。由于接收管只能接收调制光且调制光在

180KHZ占空比20%-30%时接收效果最好，这样便有效避免了外界光源

对传感器的干扰，且激光的聚光性好直线传播距离远，可以减少相邻

传感器之间的相互干扰并能大大减小传感器的体积，便于传感器的安

装。电路图如下：

图7 人数检测模块

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基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

3．系统软件设计

开始

I/O、时间、显

示初始化

判断是否在设定低功耗时

间内?

Y

Ｎ

低功耗模式唤醒单片机

N

判断人数是否大于０

Y

N

Y

光照是否满足要求？

人数检测传感器

是否有信号

Y

N

根据人数计算开灯数

开灯

图9 系统软件流程图

系统软件设计的基本思想是：尽可能多地利用软件来代替硬件，

使成本降低，修改方便。因此采用了模块设计的方法，整个系统是通

过不断调用子程序和接受中断服务来完成工作的。由于白天太阳光亮

度较强，除光敏检测部分外，其他部分都处在空闲状态,而在晚上10

点半后几乎没有同学在上自习，一直到第二天早上为止系统都处在空

闲状态，所以降低功耗也是软件设计的一大任务，因而在通过软件控

制硬件工作时，在空闲时间尽量使整个电路处在低功耗状态。系统启

动后，先初始化各个硬件模块。由软件实现从时钟和光敏检测模块读

取时间和亮度情况，并判断其值是否满足预设值，若满足则打开相应

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基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

的照明灯，不满足则进入低功耗模式。正常模式时先检测是否光照度

来满足学习的条件，白天当光照度低于学习条件是开启照明灯，到晚

上时利用门口的激光管来检测进入教室的人数，来判断需要开的照明

灯的盏数。低功耗模式时，则需要通过外部中断来进行唤醒微控制器，

从而使PIC16F877启动并开始工作，进入读取检测循环。

4．高校用电背景调查

建设节约型社会是我国经济社会发展的长远战略方针。建设节约

型高校是实现经济增长与服务育人双重效益的根本要求。高等学校集

教学、科研和生活于一体，现已成为重要的用电大户，其照明用电量

已占总用电量的30%-40%以上。加强高校节电管理，特别是照明节电

不仅可以有效地节约用电、降低学校的经费开支，更重要的是通过学

校的示范表率作用，提高学生乃至全社会的节电意识，实现节约能源、

保护环境的目的。高校作为培养高素质人才的摇篮，建设节约型校园

提倡节约的意义也就显得更加重大而深远。

4.1高校教室照明用电管理的现状与存在的问题

教室作为高校教学的重要场所，一般采用开放式管理模式，学生

基本上无固定的班级教室，无固定的座位，因此就造成了只有学生开

灯而没有学生关灯的现象；而楼宇管理人员仅负责环境卫生或安全保

卫工作，没有关灯的责任和意识。因此，造成了白天长明灯，晚上无

人也开灯，人少灯全开的浪费现象。从早晨开放到晚上清场，教室照

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基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

明灯具一直开启的现象在高校中是普遍存在的。由于高校内教室、实

验室照明灯具数量众多，使用时间最长，使得教室的照明负荷在整个

学校的用电负荷中所占的比重一直居高不下。而随着我国对高等教育

发展的重视，高校数量以及教学楼的数量逐年增多，而高科技的辅助

节能设备却未及时投入，使得教室照明的用电量逐年增高。在我国，

由于本科生连年扩招，使得很多高校为了降低建设成本和师资投入在

建设教学楼、实验楼时更是喜欢“大教室”、“大礼堂”，这就更使

得原本就无人管理的教室照明系统更加无人问津。

再者，不少高校教职员工和学生对水电节能的重要性缺乏足够的

认识，节约观念淡薄，认为水电供应保障理所应当由学校统包统付，

办得起学校就用得起水电；再就是部分部门福利观念根深蒂固，靠山

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基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

吃山，靠水吃水，多收电费多提成多福利；不容忽视的是还存在节约

能源与己无关的思想，对浪费现象视而不见，充耳不闻。高校在教职

员工和学生中对水电节约的宣传工作未能达到广度、深度、力度。教

职员工没能把培养节能意识和行为落实在教书育人、管理育人、服务

育人的全过程之中。大学生也没能真正懂得节约水电资源的重要意义，

更谈不上节约水电“从我做起，从点滴做起”。

4.2节约用电的重要性

不少高校教职员工和学生对水电节能的重要性缺乏足够的认识，

节约观念淡薄，认为水电供应保障理所应当由学校统包统付，办得起

学校就用得起水电；再就是部分部门福利观念根深蒂固，靠山吃山，

靠水吃水，多收电费多提成多福利；还存在节约能源与己无关的思想，

对浪费现象视而不见，充耳不闻。高校在教职员工和学生中对水电节

约的宣传工作未能达到广度、深度、力度。教职员工没能把培养节能

意识和行为落实在教书育人、管理育人、服务育人的全过程之中。大

学生也没能真正懂得节约水电资源的重要意义，更谈不上节约水电

“从我做起，从点滴做起”。

4.3高校用电规章制度

不少高校为了减少水电支出的巨大压力制定了许多规章制度和办

法，但都难以因地制宜制定出系统的切实可行的节约方案。水电管理

涉及方方面面，很难完全达成共识，规章制度在执行中往往因为一些

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基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

个人利益和小单位利益而搁浅。制度的不完善和过多的人情干扰导致

执行不力，这是许多高校水电管理的一个通病。另外，有些高校水电

节能规章制度建设的不完善，缺乏有效的节能激励政策，严重挫伤了

一线员工的工作积极性。

4.4用电管理队伍建设

大多数高校基本上都有专职的水电节能管理人员，但大多数管理

人员只是日复一日，年复一年地从事计量抄表和水电收费工作，未能

开展更深层次与水电节能更贴近的、更专业的能效分析、节能挖潜、

节能监管和督查等全方位的节能管理工作。

4.5节能设备推广

许多高校只是在部分教学楼和重点教室安装智能节电设备、采用

节能新技术，未能在全校广泛推广应用新技术、新产品、新工艺，这

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基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

也是造成教室照明用电较大浪费因素之一，究其原因一是学校缺乏长

期投资效益的考虑；二是受到相关经费的制约。

5.高校用电效益分析

对高校教室进行照明节电改造，实现教室照明终端智能化自动控

制管理，可以有效地杜绝教室照明用电浪费现象，产生巨大的社会效

益和经济效益，从而提高了资源的节约利用，响应了我国建设节约型

社会的号召，贯彻了我国实行“可持续发展”的战略方针。高校教室

照明节电工作是一件功在当代，利在千秋的事业。同时，通过高校节

能工作，可以培养学生的节约意识和良好的节约习惯，成为社会所需

要的有素质懂节约的人才。这样才能担负起应有的历史使命，成为建

设“节约型社会”的生力军。

5.1曲阜师范大学教室照明用电状况分析

我们对日照校区的教室灯具统计的情况：对曲阜师范大学A楼B楼C

楼D楼E楼，分别进行了统计，其中，A楼共有516盏灯，靠窗的有96

盏，B楼共有222盏灯，靠窗的有66盏灯，C楼共有779盏灯，靠窗的有

209盏灯，D楼共有243盏灯，靠窗的有81盏灯，E楼共有390盏灯，靠

窗的有79盏灯。在我们统计的这几栋楼中共有2150盏灯，靠窗的有531

盏，占到了总灯数的1/4。这2150盏灯按80%有长明灯的概率，就有

2150*0.8=1720盏灯，按一天从早上8点到下午5点长明，每盏灯两支

灯管共70瓦的话，每天浪费的电能1720*70*8=963200（瓦时）=963.2

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基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

度电，一学年中按200天正常的晴天（排除假期和阴天等情况），那

么一学年浪费的电能为：963.2*200=192640度电，每度电按0.5元钱

曲阜师范大学教室照明用电状况

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A楼

B楼

C楼

用电量/度/年

D楼

E楼

计则需要96320元，若将教室灯通过细分控制亮灯的话，那么减少浪

费用电量更多。若将曲阜校区的教室照明也算上，每年至少需要20

万元以上的无谓的电能开销。

5.2河北科技大学教室照明用电状况分析

河北科技大学教室的用电情况:教室采用36W日光灯照明；每天大

约使用8小时，总数量有10000盏，每年使用8.5个月。

36W电感式日光灯每天的电费=（单盏功率+电感镇流器损耗）×盏

数×电价×小时/天 = 0.045KW/盏×10000盏×0.6元/度×8小时/

天 = 2160元 / 天

一个月的总电费=2160元/天×30天/月 = 64800元/月

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一年按8.5个月计算电费 = 64800元/月 ×8.5月/年 = 550800元/

年。

5.3武汉大学教室照明用电状况分析

武汉大学现有各类在校生4万余人，现有建筑面积525272.15平方

米，其中教室面积234390.54平方米。按学生全年在校270天、教室每

天照明12小时、单位面积照明功率10W/㎡计算，以每度电0.573元计

算。我们可以计算出武汉大学每年用电量为：

教室面积*每天照明时间*全年天数*单位面积照明功率

=234390.54*12*270*10=760万度

武汉大学每年用电花费：

每年用电量*每度电所用花费=760万*0.573=450万元

即全校教室全年教室照明约为760万度左右。

即全校教室全年教室照明需花费450万元。

5.4青岛理工大学四方校区

我们对青岛理工大学四方校区的教室灯具做了一下具体统计：对

青岛理工大学的一号楼二号楼三号楼，分别进行了统计，其中一号楼

一共有840盏灯，靠窗的有240盏灯，二号楼一共有784盏灯，靠窗的

有180盏灯，三号楼一共有768盏灯，靠窗的有184盏灯。在统计的这

几栋楼中一共有2392盏灯，靠窗的有604盏灯，占到总灯数的3/10。

这2392盏灯按80%有长明灯的概率来算，就有2392*0.8=1914盏灯，按

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基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

一天从早上8点到下午5点长明，每盏灯两支灯管共70瓦的话，每天浪

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四方校区一号楼四方校区二号楼四方校区三号楼

总灯具数

靠窗灯具数

费的电能1914*70*8=1071840（瓦时）=1071.8度电，一学年中按200

天正常的晴天（排除假期和阴天等情况），那么一学年浪费的电能为：

1071.8*200=214360度电，每度电按0.5元钱计则需要107180元，若将

教室灯通过细分控制亮灯的话，那么减少浪费用电量更多。若将黄岛

校区，费县校区的教室照明也算上，每年至少需要30万元以上的无谓

的电能开销。如图为青岛理工大学四方校区灯具数概况。

5.5泰山医学院教室照明用电状况分析

我们对泰山医学院的教室的灯具情况进行了相关调查。泰山医学院在

校生达到12000人左右，校舍建筑面积75.17万平方米。普通教室为

每个教室16盏日光灯（内含2根灯管，每个灯管的功率为28瓦），

全校教室、礼堂、图书馆、实验室共有220间左右，均按每天多余开

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基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

灯时间为8小时计算，则可得出一天中整个泰山医学院的浪费的电能

为：16×2×28×220×7 ≈1380kwh。而我们通过采访泰山医学院医学影

像学实验中心管理实验设备老师得知，泰山医学院的医学影像、核医

学实验中心的实验设备（包括CT系统、核磁共振成像系统等大功率

实验仪器）一个学期的耗电量也不过12000kwh。

不难算出，泰山医学院一天内教室中因为照明浪费的电能可以供实验

中心两个星期所有医疗实验设备的用电量。这个统计数字是无疑是惊

人的。可以继续计算一下一年内泰山医学院因电能浪费而造成的经济

损失（按照每年学生在校时间为200天，每度电按照0.5元计算）得

到直接经济损失大约为138000元。也就是说如果将这些电能节约下

来，几年时间可以引进最先进的实验设备；五年时间可以利用省下的

资金修建水平较高室内体育馆……

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基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

6. 教室照明系统节能控制器的市场前景分析

通过对以上各大高校的调查和统计，不难看出因为各大高校对教

室内的照明系统管理的束手无策或臵之不理而造成大量电能浪费和

资金流失。这无论是校方还是相关政府部门所不愿看到的。而对于有

类似浪费情况的企业更是迫切希望有可以解决此问题的产品出现。我

们设计发明的该教室照明系统节能控制器，使得室内照明系统管理这

一难题迎刃而解。

6.1市场上相关产品情况的介绍

目前市场上的照明系统节能控制器主要以“声控”“光控”开关

为主。但显然，“声控”照明系统根本就不适合于教室、自习室。而

目前，民用“光控”照明系统的技术不是特别过关，存在运行不稳定、

抗干扰能力弱，使用寿命短等缺点。而且这种“光控”照明控制系统

遇到室内光线较暗但教室内却没人的情况，就会产生所谓的“误动作”

或“误操作”，也无法很好的控制室内的照明。

6.2该项发明的市场前景分析

在进行调研的过程中发现不仅仅是各高校相关负责人对此项发明

产生了浓厚的兴趣和期望，很多企业、娱乐场所等相关人员也对该项

发明以及将来可能形成的产品都有浓厚的兴趣。因为类似浪费电能情

况的不仅仅是高校，在很多大型企业、公共场馆都有“只有人开灯而

无人关灯”的现象，这就直接增加了企业的运营成本，从而对其盈利

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基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

有不利影响。此项发明的研发成本大约为500元左右，若可以实现批

量生产，加上安装费用和更换工作更加稳定的电子器件的费用，单价

销售预计在200400元左右。这个价钱是任何学校或单位所能接受的，

~

若在此基础加上配套的售后服务，相信该项发明所形成的产品将会有

很不错的市场前景。

7．结论

本系统是利用激光对管来检测进入教室的人数，利用光敏电阻检

测教室内光照度，与高性能的PIC单片机结合，组成性能稳定、控制

准确、成本低、功耗低的系统，市场前景良好。本系统可扩展加装无

线远传控制模块，使其具备报警等远程服务、还可以计算照明时间长

度及开的灯的盏数，可以粗略计算用电量。本系统的功能通过PROTUES

完全仿真通过并做出了模拟样机。

8.参考文献

[1]学校公共照明系统节能优化设计研究李俊郭玉成华北科技学

院学报【J】，2009.07

[2]PIC系列单片机C语言编程与应用实例张皆喜王茂凌张瑜电子

工业出版社2008.06

[3]PIC单片机实用教程提高篇（第二版）李学海北京航空航天大

学出版社 2009.08

[4]Protel 99电路设计技术（基础〃案例篇）周丽娜中国铁道

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基于PIC单片机教室照明系统节能控制器

出版社 2009.01

[5]传感器集成电路手册赵负图化学工业出版社 2007.04

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