节能型教室智能照明控制系统设计

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(安徽科技学院 机械工程学院，安徽 凤阳 233100)

目前,许多高校中还存在着“长明教室”的现象，长年累月电能浪费量极大。大多高校教室里的灯具控制方式还是常规的开关串联后与主线并联,火线进开关,这样才能断开电源控制电灯，灯控系统还处于低端模式的现象。因此，各高校都在逐步打造“智慧校园”，校园系统的智能化成为趋势[1]。天津城建大学就以单片机AT89C51为核心开发了通过检测光照强度、湿度及CO2来控制照明、窗户及通风装置的系统；安康学院以单片机CC2530为核心利用光照检测模块和热式红外传感模块直接控制教学楼内照明灯具的系统。智能系统不仅改善了高校传统教室照明控制方式，而且加速了教室照明系统的智能化。因此，基于以上的研究分析，设计了一种节能型教室智能照明控制系统，就是为了解决上述问题所设计的一套智能控制系统。该系统加入模拟窗帘开关电路、灯控调节电路和时钟电路使得整个系统的构想和设计更加完善。本系统由手动和自动模式来控制整个系统的运行；利用继电器的特性，让增加的电弧在电路中被吸收，从而延长了电灯的寿命；运用延时上电的功能和开启灯具时间的设定，避免灯具反复被开启。本系统通过以单片机STC89C52RC为核心的硬件设计，完成了以光线检测电路、红外对管检测电路、时钟电路、模拟窗帘开关电路、灯控调节电路等电路设计和软件程序编写的核心内容。通过系统的设定对室内的光线强度、室内人数和人的位置检测，进而实际调控人所在区域内的电灯开关和亮度，从而做到开灯不盲目、能源少浪费的效果。在试验环境下通过检测，证明整个控制系统运行状态良好。基于节能型教室智能照明控制系统不仅为传统电灯开关的控制拓宽了道路，具有节能智能控制的特性，以期改善高校教室电灯长期耗能的问题。

1 系统总设计思路

该系统设计主要以STC89C52RC单片机 (MCU) 作为节能型教室智能照明控制系统的关键元器件[2]。通过设置系统的时间，检测具体教室内的人数以及光敏电阻构成的电路检测环境亮暗；根据教室的实际状况，系统会根据对人的存在信号和光线亮暗的信号进行具体识别和判断，智能调控照明设备。整体系统由红外对管与电压比较器形成感应信号和由光敏电阻的感应信号送入单片机进行处理，再通过单片机控制整个教室的灯具和窗帘(步进电机和驱动芯片)开关(图1)。

图1 系统设计图

2 系统硬件设计

设计一款高校教室智能节电的控制系统，集成了多个控制模块。需要通过单片机主控制电路模块、光亮数据采集与处理电路模块、感应人存在采集与处理模块、时钟电路模块、灯控调节电路等数个模块组成，才能达到最终设计的目标。

2.1 单片机主控制电路

如图2所示，本系统采用的单片机STC89C52RC为控制核心，拥有较低的工作频率,能够满足该系统设计的要求：

(1)复位电路：S6为复位按钮,可手动复位使程序重新运行,具有重启功能;(2)晶振电路：Z1为晶振，将振荡信号传输给单片机，通过信号的接收单片机才能继续运行,具有起搏功能;(3)排阻：作为上拉电阻，若未接通则呈高阻状态，电平不能升高，液晶屏无法显示。

自动模式情况下，当教室里处于无人的状态时，红外对管会检测进出无人的信号，单片机通过分析收集到的信号将教室里所有的灯自动关灭，直至下次有人进来时才点亮。

图2 单片机最小系统

2.2 时钟电路

时钟电路中采用时钟芯片DS1302配合振荡频率为32 768 Hz的晶振使用，其功能与单片机中的晶振相似[3]。两个都是把振荡的信号传递给芯片处理，促使芯片的运行状况正常。作为一个实时的时钟芯片，不仅提供年月日、时分秒等具有日期和时间的信息，而且可以调24 h或者12 h的时间格式；其随机存取存储器拥有31字节数据存储量；其I/O的使用相对于并行而言比较节省；该时钟芯片工作时的电压在2.0～5.5 V之间，在此范围内其可以正常工作；其供电方式是双电源供电，当备用电源比主电源低2.0 V时即通过主电源来供电，反之，则备用电源(备用电源是一枚纽扣电池)[4]开始工作。

如图3所示，U1表示时钟芯片DS1302，经其过三个引脚5、6、7与单片机的联结，时钟芯片输出的时间信息被程序读取后会显示出来[5-6]；备用电源为JI，是一枚纽扣电池；因为时间的连续性，一旦断电后，时间要保持向前走的状态，因此,备用电源就是对时钟芯片提供动力；电阻2、3、4起到保护电路的作用，提高避免被干扰的能力；图3中Y1为振荡频率大小为32 768 Hz的晶振，其功能与单片机中的晶振相似，两个都是把振荡的信号传递给芯片处理，促使芯片的运行状况正常。

图3 时钟电路图

2.3 红外对管检测电路

红外对管是一种专门发射和接收红外线的装置，红外对管属于光敏二极管，相对于光敏接收管而言，其区别在于不可见光对其干扰性不强，因为其感光的面积较大，所以敏感度高。如图4所示，LED8和LED9作为红外发射管，LED6和LED7作为红外接收管，电阻21和电阻22是在电路中起到限流作用从而保护接收和发射管，电阻12和电阻13是将接收端的输入电流调到高电平从而这两个电阻也能起到保护作用。当外界有物体遮挡在发射管与接收管之间，发射的红外光从发射管到接收管，红外接收管接地处理，这使得输入端电压低，电压比较器这时候会输出低电平，LED灯显示灯亮[7]；当红外光线没有被遮挡时，此时的红外接收管不会接收到信号，因此输入端的电压高，LED灯灭。正因这样的工作原理，单片机STC89C52RC凭借高电平或低电平的判断从而反映在LED亮灭上。

图4 红外检测电路图

2.4 光线检测电路

采用四路差动比较器LM339，其内部具有两对单独的电压比较器，作为一种普遍性较高的集成电路，在高压数字逻辑门电路中起到很大的作用[8]。其与光敏电阻配合使用时，如图5所示，当光敏电阻感知外界光亮，光敏电阻阻值变低分压变小，比较器输出高电平[9]；当光敏电阻感知外界变暗，光敏电阻阻值变大分压也变大，比较器输出低电平。因此，单片机依靠这一特性判断环境的亮暗[10]。

图5 光线检测电路

2.5 模拟窗帘开关电路

该电路由步进电机与驱动芯片ULN2003A组成。步进电机其工作原理是当电流流经定子绕组时产生矢量磁场，在磁场力的作用下转子也跟着转动[11]。因此，定子磁场与转子磁场方向相同，控制步进电机的转动就是通过限定脉冲数量与频率以及通电绕组的顺序。而驱动芯片能够使输入端高电平转换为输出端低电平，因此,驱动芯片作为步进电机的驱动电路[12]。如图6所示，当系统上电后光敏电阻检测环境亮暗，使得驱动芯片通过高低电平的转换驱动步进电机转动模拟出窗帘的开关情形。

图6 窗帘开关电路图

2.6 灯控调节电路

该电路由滑动变阻器、LED和热式红外传感器构成。图7中滑动变阻器是对LED亮度进行改变，其目的针对周边环境光线发生改变进行亮度调节，尤其在阴雨天通过调节改变LED的亮度弥补自然光线的不足；热式红外传感器作用主要检测人所处在的位置，热式红外传感器工作原理是在通电状态下检测到物体就闭合若无就断开，即控制程序中“0”与“1”的关系，而这种特殊的性质与开关的属性相同。因此将热式红外传感器代替成开关，在仿真时也可达到验证程序和想法可靠的效果。

灯控调节电路是通过红外对管检测人入教室后，将信号反馈给热式红外传感器并检测出人所在的位置，打开其位置所在灯，人感知周边环境的亮暗的后自行调节灯的亮度。如图7所示，当检测到人进入室内D1亮且开关1闭合此时照明灯D3亮，通过滑动变阻器可以改变其亮度。

图7 灯控调节电路图

3 系统软件设计

整个系统的主要控制过程(图8)是通过对时钟芯片DS1302进行时间设定的编程，设置实时时间和电灯开关时间段。系统上电后系统处于自动控制状态。若此时检测到有人出入教室LCD1602显示屏会自动呈现出人数的加减情况，并且根据教室里的人数与光敏电阻检测出亮暗情况来控制教室里灯的亮灭和窗帘的开关。按下系统设定按键后系统从自动控制模式转为人工控制模式，此时通过人工方式来控制整个教室开关灯状态。

图8 系统流程图

4 结论与讨论

本系统符合人性化需求，有效减轻了高校后勤单位的工作量；系统的稳定性好、操作简单、性价比高。以单片机STC89C52RC为主要核心开发这一系统，当感光、计数出现问题时，可以依靠时钟设置从而自动开启或者通过手动方式人工开启，保障了学生的正常学习生活。本系统主要以简单的元器件构成，方便拆装维修。但是环境因素的不同对于系统的设计有很大影响，因此具体设计方案必须与实际环境相结合。