基于单片机的高校教室照明节能智能控制系统的设计

伍世云，罗 江，王益艳，范开敏

（四川文理学院 物理与机电工程学院，四川 达州 635000）

基于单片机的高校教室照明节能智能控制系统的设计

伍世云，罗 江，王益艳，范开敏

（四川文理学院 物理与机电工程学院，四川 达州 635000）

本文设计了一款基于单片机的高校教室照明节能智能控制系统。该系统选用AT89S52芯片作为微处理控制器，采用上位机和下位机复合的主从式结构。系统由光敏传感器、热释电红外传感器、步进电机等元件构成的数据采集电路完成对教室内的人体存在信息和光照强度信息的采集，通过上位机和下位机中的微处理器进行处理和通信，完成对教室对应区域的灯光控制。系统设有自动和手动两种工作模式，可在特殊情况下由室内照明开关实现独立控制。研究表明，该系统能大大地提高节能效果和管理的智能化程度。

单片机；高校教室；节能；智能控制；主从式结构

高等学校是人口密度较大和用电度数较多的地方，其中，照明系统据统计用电量占高校用电总量的50%以上[1]。而高校教室又是高校教学的主要场所，室内电灯多、照明时间长。由于初高中每个班的教室固定，能够非常方便实现管理，而高校每个班没有固定教室，学生自习时间较多，同时晚自习安排松散，教室又是公用，学生可以自由进出。加之因为缺乏科学的管理以及使用者责任心不强[2]，常常会出现教室内仅有几个人甚至没有人而灯光全部开启的现象，白白浪费了电能[3]。以一间座位数60人、面积60 m2的常规教室为例，使用普通40 W的荧光灯20盏，每天少开2小时，每年除去假期可节约电能500 kW·h以上。以此计算，全校教室都节约用电的话，将会节省数额庞大的电费，为国家节约大量的能源。

为此，国内外学者进行了大量的研究，刘和剑、贾正松、孙蔚等人[4-6]进行了基于51单片机的红外、光控相结合的智能照明控制系统研究；张锴等人[7]设计了红外对射管与热释电传感器双重检测纠错的单片机控制系统；傅莉[8]还从新型节能灯和高效LED灯方面对公共场所照明节电智能控制系统进行了研究。

文中综合以上研究的优点，本着实用、安装方便，设计了一款价格低廉，操作简单的基于单片机的高校教室照明节能智能控制系统并取得了较好的节能效果。

1 系统组成

系统采用主从式结构[9]，由安装于教室中的从机和位于教学楼管理室的远程控制上位机以及通讯网络RS-485总线[3-9]构成，系统结构框图如图1所示。上位机为PC机，系统采用C++语言开发，制定作息时间，同时接收教室现场信息，综合处理判断后，下发相应的控制命令，执行相关操作。

图1 系统框图

本系统中，需要将从机（下位机）采集的数据信号发送至上位机进行处理，同时，上位机也需要将命令信号回发给下位机，所以通信模块在系统中是不可缺少的组成部分，由于RS-232通讯距离短，不能进行多台设备同时进行联网管理，系统采用了一种基于差分信号传送的串行通信链路层协议的RS-485总线实现串口通信。PC机通过RS-232/RS-485转换器，依次连接多台485设备，采用轮询的方式，对总线上的设备轮流进行通信。

设计中使用了集成的RS-232/RS-485转换模块，注意PC程序必须使串口的 DTR（RS-232的4脚）和 RTS（RS-232的7脚）输出高电平，同时由PC输出的高低电平就可使得转换模块内部的MAX485在接收和发送状态之间转换了，处于半双工模式。

系统包含自动控制和手动控制两种模式[3]。手动控制模式便于特殊情况由进入教室的人员实现人性化控制[10]。系统中的自动/手动模式直接由管理员操作，通过上位机与下位机的微处理器外部中断INTl连接，它的优先级最高。管理员将自动/手动开关置为低电平，使系统进入手动模式，在手动模式下，教室内的手动照明开关可以控制室内任意区域的灯光，此时，室内灯光不再受工作时间、光强和人员分布的限制[9]；管理员将自动/手动开关置为高电平，系统进入自动模式运行。

2 从机设计

从机微处理器采用单片机AT89S52[11]，由+5 V电源，复位电路，热释电红外检测，光照度检测，通信模块和执行控制电路等组成，如图2所示。利用光敏电阻来探测室内照度，利用热释电红外传感器探测室内相应区域是否有人，通过串口将数据实时发送到上位机，作为系统判断教室灯光开关时间及位置的依据。

图2 从机组成框图

3 硬件设计

电源电路由220 V交流经降压、整流、滤波，由LM317稳压输出12 V直流给继电器提供工作电源，再经LA7805三端集成稳压得到5 V给微处理器和热释电红外传感器模块供电。

微处理器采用通用的性价比较高的AT89S52[11]小系统。光传感器电路如图3所示，安装在灯具侧，感测对应区域的光照度。光敏电阻是一种常用的光电传感器，它的电阻与照射到器件表面的光强有关，光强越小，光敏电阻的阻值越大[12]，反之越小。电路通过给光敏电阻添加一个比较器，构成一个简单实用的光控开关，比较器的输出为低电平时，系统允许开灯。根据实际情况，调整RP的抽头，可改变单片机对应环境光照度的起控点。

图3 光传感器电路

热释电红外检测模块采用的是以 BISS0001[13]为核心的HC-SR501[14]热释电红外传感器组件，该模块电路主要由人体红外传感器、菲涅尔透镜、专用芯片BISS0001组成。该传感器只能检测移动人体，为此，我们在红外传感器探头外安装了一个步进电机[15]，当发现有人来到该区域时，传感器接收到人体发出的红外线，产生的信号经过处理后送到微处理器，再将数据送到上位机，由上位机进行综合判断后，返回信号让微处理器P2.0口输出低电平，使继电器J1吸合，教室灯光被点亮；此后，微处理器通过程序控制步进电机每隔10分钟往复旋转，旋转时间为30秒。若进入该区域的人没有离开，通过程序使灯光继续点亮；若进入该区域的人离开，在30秒的检测时间内检测不到人体红外线，通过程序关闭灯光，直到再有人出现在该区域内[16]。

动作执行由继电器控制电路组成，如图4所示，在自动控制模式下，上位机下传数据让P2.1口始终输出高电平，控制三极管Q2截止，继电器J2一直处于断开状态，教室内手动开关K不起任何作用，若照度满足要求且有人员出现在该区域时，微处理器的P2.0口输出低电平，控制三极管Q1导通，继电器J1吸合，该区域灯光被点亮。

反之，P2.0口输出高电平，控制三极管Q1截止，继电器J1断开，该区域灯光熄灭。在手动控制模式下，上位机下传数据始终让微处理器的P2.1口输出低电平，P2.0口输出高电平，控制三极管Q1截止、Q2导通，继电器J1断开、J2吸合，该区域灯光不再受光照度和有无人员的影响，只受教室内手动照明开关K的控制。步进电机旋转控制由程序配合Q3、J3等元件构成的控制电路完成，图中步进电机的电源没有画出。

图4 动作执行电路

4 程序设计

文中提出了初步的网络化的控制方案，利用上位机管理系统对所有教室的照明灯具做出宏观的调控，作为对教室内部微处理器控制功能的补充，上位机具有强大的数据处理、存储、逻辑判断等功能，为照明控制策略的开发提供了后续开发空间。目前，我们只是用上位机进行了自动/手动模式的转换控制，以及作息时间、人员的监控。

程序流程如图5所示，流程图中，步进电机检测人体存在没有详细画出，可参见原理说明。

图5 程序流程图

下位机接收到来自上位机的模式控制信号，经过初始化，进行模式检测，若为手动模式，上位机使P2.1口始终保持低电平，P2.0口保持高电平，控制相应的继电器，让教室内灯光只受室内手动照明开关K的控制；若为自动模式，上位机使P2.1口始终保持高电平，当照度满足开灯条件且检测到人员存在时，P2.0口输出低电平，使继电器J1吸合，开启对应区域灯光。

5 结束语

文中综合利用了应用电子技术，传感器技术，单片机技术[3]完成了对高校教室照明节能智能控制系统的研究与设计。该教室照明节能智能控制系统该系统由光敏传感器完成教室光照度的检测，由热释电红外传感器结合步进电机等元件完成教室内的有无人员的检测，采用上位机和下位机的主从式结构，对教室实现了分区域管理[17]，大大地提高了节能效果和管理的智能化程度。利用上位机实现了两种控制模式，在特殊情况下可进行手动控制，该系统具有较好的节能效果和很大的推广价值。

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Design of lighting energy-saving intelligent control system for college classroom based on microcontrollers

WU Shi-yun，LUO Jiang，WANG Yi-yan，FAN Kai-min
（School of Physics and Mechanical&Electronic Engineering，Sichuan University of Arts and Science，Dazhou 635000，China）

An lighting energy-saving intelligent control system （LEICS）of college classroom is designed in this paper.The AT89S52 chip was chose as the microprocessor of the whole system，which using a machine of the upper and lower composite master-slave structure.These messages of human body and illumination intensity are monitored by data acquisition system，which includes photosensitive sensor，pyroelectric infrared sensor and stepping motor.The region management of classroom has been implemented by the master-slave structure composed of upper computer and lower computer for processing and communication，in order to control of the corresponding area light of classroom.The proposed system is equipped with two kinds of wording mode such as automatic and manual，which can control the indoor lighting switch independently under special circumstances.The design demonstrated that the LEIC system can improve energy-saving effect and intelligent degree in management.

microcontrollers；college classroom；energy-saving；intelligent control；master-slave structure

TN710

A

1674－6236（2016）23-0180-03

2015-12-07稿件编号：201512073

四川省教育厅自然科学重点项目（13ZA0102）；四川省教育厅自然科学一般项目（15ZB0315）；达州市科技计划应用基础研究项目（KJJ2015001）；四川文理学院面上项目（2014Z005Y）

伍世云（1968—），男，四川达州人，副教授。研究方向：自动控制和纳米材料。