智能照明控制系统的设计

孟祥斌，毛红艳，王德君

(沈阳工程学院 a.自动化学院；b.信息学院，辽宁 沈阳 110136)



智能照明控制系统的设计

孟祥斌a，毛红艳a，王德君b

(沈阳工程学院 a.自动化学院；b.信息学院，辽宁 沈阳 110136)

摘要：以AT89S52为控制器，使用红外传感器以及光电传感器进行信号的采集，用单片机进行控制灯具的通断，设计了一种教室智能照明控制系统。由现实的状况来得出需要设计一种能够节能的教室智能控制系统，然后介绍了教室智能控制系统的实现的总体设计，并从软件以及硬件两个角度分别介绍了本次设计的具体方法、步骤以及设备的调试情况。通过进行理论分析以及调试，这次设计所做的智能照明系统能够实现检测照度，检测室内是否有人，之后能够做出智能选择，能够达到最初要求的实现节能的目的，设计使用的器件均是实验室、市场常见的，使用简单，方便，并且价格适中的器件,这在另一种层面上也做到了一种节能。

关键词：智能照明系统；单片机AT89S52；节能；智能控制；

照明发展到今天，已经不是一项简单地满足人类基本生活需要的基础，而是使人们生活品质更高的物质保障。特别是近几年，城市照明越来越受到政府和公民的重视，这带来了照明技术的新一轮革命。但随着照明的快速发展，也使电能消耗越来越大。据统计，照明用电已经占我国发电总量的12%。照明用电属于高峰负载用电，我国照明电光源以传统的白炽灯和光效低、材料消耗大、寿命短的自镇流高压汞灯为主，而高效照明灯的应用却并不多，普及率也很低。

在高校里面，用于照明的能耗占整体能源消耗的20%~60%，调查中发现，教室的照明浪费电能严重，在教室里没有人或人很少的情况下，教室里的灯仍旧常亮。这不但极大地浪费了电能，而且也使灯具的使用寿命降低。面对这些问题，如何使高校教室以及整个社会合理用电，节约照明用电，消减高峰负荷用电，是需要长远考虑的问题，因此，有必要设计一种智能的照明系统来节约电能。

1教室智能照明系统总体设计

1.1教室智能照明系统的方案论证

所谓智能照明控制系统，其核心在于智能控制，目的在于节能。既然核心在于智能控制，就要选择一个智能的控制器，那么可以采用单片机、DSP或FPGA来作为教室照明系统的控制器。教室智能照明系统需要的是节能，对于开关控制以及信号处理的速度要求并不高，AT89S52单片机能够满足需要，而且价格便宜，使用方便，相较于DSP，该设计将采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机。

1.2教室照明系统的总体设计思路

照明系统以控制器AT89S52为中心，配有电源模块、数据采集模块、执行模块等，利用光照度传感器来探测室内的照度，利用红外传感器来判断教室内是否有人。按照教室是否有人和自然光的照度的情况来发出相应的指令并执行。

系统总体框架如图1所示，照明系统主要由控制器模块、数据采集模块、复位模块以及执行模块组成。

教室智能照明控制系统的工作机制：白天时，教室光照度一般较好，此时照明系统的作用主要是补偿阴天或有遮挡天气时教室内照明的不足，所以要以自然光为主，人工照明为辅。下午以及晚上时，教室主要以学生上自习为主，此时需要较好的照明环境，以人工照明为主，此时，利用红外传感器来判断，教室内是否有人，以及人所在的区域，利用传感器给控制器的信号来控制照明系统，并执行相应的指令，即何时通断灯具。

还要考虑另一种情况，就是如果当光照太强的时候，人会感觉刺眼睛，如果不采取措施，长期这样的话，会对学生的视力造成很大的损伤。因此，当光照达到一定程度的时候，需要通过单片机向直流电机发出指令，让其拉上窗帘。

图1　教室智能照明系统总体框架

2智能照明系统的硬件电路设计

2.1智能照明控制系统的数据采集电路

由于智能照明控制系统主要是根据教室内的光照情况以及对人的感应来进行判断的，因此智能照明控制系统的数据采集应该由室内光照采集及人体感应两部分组成。

2.1.1室内光照采集

为了采集光照，故选用光电传感器来采集信号。光电传感器一般可以分为两类，即模拟式传感器以及脉冲式传感器。

模拟式传感器的工作原理主要是基于光电器件的光电流随光通量变化而发生变化的现象，这样光电流就成为被测非电量的函数，这类传感器大都用于测量位移、表面光洁度、振动等参数。

脉冲式光电传感器的作用原理是光电器件的输出仅有2个稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态，即光电器件受光时，无电信号输出。这一类大多是做继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量位移、速度、角速度(转速)的光电脉冲传感器等等。图2是光强检测原理电路。

图2　光强检测原理电路

光强检测电路由光敏二极管JEFT以及电桥组成，放大部分是1个JEFT共源极放大电路，当没有光照时，光敏二极管的电阻很大，JEFT栅极的电压很高，JEFT导通，调整RW，使电桥平衡，即使A点电流为0。当有光照时，光敏管电阻迅速变小，在光敏管上产生IL，JEFT栅极电位下降，源极电位也下降，R2电流下降，此时电桥不再平衡，在A点就会输出电流，电流不同，就说明光照强度不同。

2.1.2室内人体感应检测电路

室内人体感应检测，就是要使用红外传感器判断有没有人。双元型红外传感器是基于热释效应的一种红外传感器，即因温度变化引起自发极化值变化的现象，专门用来检测人体辐射的红外线能量。

红外传感器探测到人体发出的红外线后产生1个相应的输出信号。经过单片机处理后，转化成数字信号，然后单片机经过程序的处理判断是否应该开灯或者关灯。

2.2智能照明系统电机控制电路设计

直流电机是一种以直流为输入的旋转电机。使用直流电机的优点在于接线简单，只有正负极，只需要交换正负极就可以调节正反转。通过电压的调节，可以小范围的调节电机的转速。

对于直流电机，常用的驱动电路有4种方案：①用专用的集成驱动电路；②用分立功率元件与驱动芯片IR2112组成的驱动电路；③用JFET和继电器组成的驱动电路；④完全用继电器组成驱动电路。

考虑到在设计中的需要，要求电机能够实现正反转，但是对于速度的控制以及时间的控制要求都不高，因此选择用JFET和继电器组成驱动电路以驱动电机。图3是直流电机驱动电路图。

图3　直流电机驱动电路

在图3所示的直流电机驱动电路中，4个JEFT管是Q1和Q4一组，Q3和Q2一组，组成了1个四臂电桥。通过控制A相与B相的高低电平来使直流电机正反转。当A相为高电平，B相为低电平的时候，电流从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后经Q4回到电源负极，场效应管Q1和Q4导通，Q3和Q2截止，直流电机正转。当A相为低电平，B相为高电平的时候，Q3和Q2导通，Q1和Q4截止，电机反转。4个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的作用，防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大。

3智能照明系统的软件设计

3.1智能照明系统主程序设计

智能照明系统的软件主要围绕信号处理电路来进行，也就是单片机的程序设计。软件程序的执行过程：获取传感器中的信号，进行处理，判断是否应该开灯或者关灯以及开、关灯的数量。单片机将代替人工的开关。图4是智能照明系统的主程序流程图。

之所以在主程序中以300 lx为照明下限阈值判断的标准，是在设计中考虑到了国家在教室照明中的标准，表1是学校内照明的标准。而以6 000 lx作为一个标准作为上限阈值，这是因为在使用照度计测量各个位置的光强的时候发现，当光照大于6 000 lx的时候，就会出现“炫目”的情况，也就是通常所说的“晃眼睛”，这时可以认定光照强度不适合学习。

因此，当光照强度大于6 000 lx时，就认为光照太强，已经达到了危害学生视力的强度，那么在这个时候，如果检测到室内有人，要保护学生的视力，控制直流电机拉窗帘；如果照度不足300 lx的是时候，则认定光照太弱，也会对学生的视力造成危害，此时，要进行补偿光照。

图4　主程序流程

在程序的设计中，光照的检测和红外线的检测并不是简单的“与”或者“或”的关系，而是有优先级的。光照检测的优先级是要高于红外线检测的优先级的，即便人再多，如果光照适合学生的学习，那么灯也不会自动亮。

在主程序设计中，一定要注意延时，因为这是非常必要的。由于所设计的传感器并非智能器件，会出现干扰的情况，只要有信号输入，传感器就会有信号输出给单片机，所以不能判别到底是否真的有人存在。如果不加入延时，即使是有风或者其他与人无关的信号，都会执行开灯或者关灯的指令，这会在很大程度上让这个智能系统的效率变得很低。

表1　学校照明要求

在主程序的设置中，首先对这个照明系统初始化，包括给定时器装入初值、P0口的初值等等；其次进入死循环，采集光照信号，再采集红外传感器的信号，然后与设定的阈值进行比较；最后根据判断的情况，执行任务输出任务。

除此之外，还要设计另外的延时程序，这个延时是为了防止学生在自习或者上课的情况下出现短暂的“休息”。如果在这个时候，系统开、关灯的频率太快，一是影响学生的健康，二是没有达到智能的效果，也不节能，也不符合设计的要求。在设计中，设定这个延时的时间为10 min，当学生休息的时间超过10 min时，就默认教室内没有人，执行关灯指令。这样，如果学生在中午进行午睡，那么自动的开、关灯，对他们来说，是非常好的。当在不具备开灯条件或者关灯条件的情况下，有人按动开关，人为的想开灯或者想关灯的时候，那么此时的优先级别最高，此时要按照开关的指令来执行相应的动作。

4智能照明系统的调试

系统的调试包括硬件和软件两个方面。硬件的调试主要包括传感器摆放的位置，这非常重要，这关系到程序的调试要以传感器的位置变化而变化；能否调通是智能照明系统能否正常工作的关键；软件调试正如前面所说，要以传感器摆放来调试，这样才能够实现教室智能照明系统的调试。

4.1传感器模块的调试

要让传感器模块的利用达到最优，就要考虑光照亮度的分布以及照度的均匀度，因为这将在很大程度上影响系统是不是能够“为人服务”。

学校视觉任务的特色是：学生看书、写字，同时要看黑板上的字和教室的演示，这些过程在瞬间会发生转化；老师也要进行阅览教案、观察学生、在黑板上书写等多项任务。学校照明的目标就是提供良好的照明环境，使这些任务能够顺利地完成，同时要考虑到对教师和学生的视力保护，提高教学效率。

考虑到这些因素，光敏传感器模块的安装位置应该在一个教室内活动内容以及照度环境相同，天然采光的条件相同，并且需要这个区域连续、没有隔断或者墙体的地方。而在设计中，由于用光对象主要是学生，而学生上自习主要是在桌子上进行学习，因此，在设计中，选择将传感器安装在桌面上。

而红外线传感器是通过一定的红外频率来工作的，因此不允许其周围区域存在近似频率工作的电子仪器，以免引起干扰，因此红外传感器不能和灯具安放在一起，因为镇流器的工作频率可能在几十千赫，干扰红外传感器的效果。

如前面所说，随着距离的增加，传感器衰减程度会增加，一般的红外传感器探测的距离为0～5 m，选择探测的角度大概为110°。

5结论

通过在理论上对智能照明系统的电路设计、分析，以及软件的编程，并对软件和硬件进行调试后，实现了一个以AT89S52单片机为核心控制器的智能照明系统，这个系统主要功能有：

1)能够测试室内光的照度。

2)能够有红外线检测，通过照度检测来调节室内光照。

3)能够实现设计所要求的达到节能的目的，并且能够在很大程度上实现“为人服务”的设计。

这个智能照明系统的意义在于：在一定程度上解决了教室内“长明灯”的现象，节约了电能，延长了灯具的寿命；并且按照外部光照的条件，给用光者一个提供较为舒适的用光环境，让学生和教师能够更高效地学习或者教学。

参考文献

[1]张毅刚，彭喜元.单片机原理及接口技术[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[2]陈长生.基于单片机的图书馆灯光自动控制系统[J].科技信息，2010(1)：27-30.

[3]中国建筑科学研究院.GB50034-2004建筑照明设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[4]陈义清.智能照明控制系统在高校图书馆照明节能设计中的应用[J].现代建筑电气,2013(6)：639-642.

(责任编辑佟金锴校对张凯)

Design of intelligent lighting control system

MENG Xiang-bina, MAO Hong-yana, WANG De-junb

(a. School of Automatic Control Engineering, b. School of Information

Engineering, Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：Choosing AT89S52 as the controller, using infrared sensor and photoelectric sensor for signal collection, using single-chip microcomputer to control the on-off of lamps and lanterns, a classroom intelligent lighting control system is designed. The overall design is introduced, including the specific methods and steps of this design as well as the debugging of the equipment respectively from the software and hardware. Through theoretical analysis and debugging, the design is verified that can realize the detection of illuminance, find if someone is in the classroom, make smart choices. The devices used in the design are common in laboratory or market, which are convenient to operation and have reasonable prices.

Key words：Intelligent lighting system; MCU AT89S52; energy saving; Intelligent control

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.01.020 10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.01.017

作者简介：霍满臣(1963-)，男，辽宁海城人，教授，博士，主要从事系统工程与应用数学方面的研究。 张凡(1982-)，男，山东安邱人，研究实习员，硕士。

收稿日期：2014-10-14 2014-09-04

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)01-0070-04