基于单片机的高校教学楼智能照明系统

白慧茹

（山西应用科技学院 山西省太原市 030062）

1 引言

近年来，国内高校消耗电能的比重还在不断的上升，其中学校的照明系统更是占到了学校总消耗电能的一半以上。很多学校为了避免晚上教学楼灯具持续开着，每天都会安排相关人员去教学楼检查，不仅浪费人力而且节能效果不明显。

当前节约用电的方法主要通过人工来控制灯具的亮灭，加装上光控开关或者声控开关来控制灯具，或者是更换为太阳能等新能源设备的方式。但是，通过声控、光控的方式来控制灯具，相关人员在维修操作的时候比较麻烦，而且照明系统出错率也高。如果采用太阳能等新能源设备用于照明的话，初期需要投入的资金比较大，其次这些新能源虽然可以节能，但是天气等因素对其影响比较大，在节约高校电能能源方面的实用性不强。因此，本文提出了一种基于单片机的高校教学楼智能照明系统，该系统将各个模块连接到一起，通过各模块的协调工作来自动控制灯具的亮灭，人们只需定期维修检查即可，方便管理，同时可以节约电能，增加灯具的使用寿命。

2 智能照明控制系统功能

本智能照明控制系统用更加节能的LED 灯具来替换传统的荧光灯，LED 灯寿命长、节能效果好，后期维修和电能消耗所花费的费用低。照明控制系统一般有上位机和下位机两个部分，上位机通过一定的通信协议来对下位机进行操作，下位机连接着照明灯具，这样通过上位机就可以控制灯具的开启和闭合。本文系统考虑到实际成本和操作复杂程度和安装设备的复杂程度，仅使用照明系统中的下位机部分，这样不仅节省了成本，而且节能效果也比较明显。下位机主要包括单片机、人体红外模块、光照度模块，将数据采集模块的传感器按照实验确定好的最佳位置分别布置在每个教室中，实时地检测教学楼中教室内的光照度情况和人员情况[1]。通过提前在单片机中写入程序数据，使智能照明系统自动运行工作，系统通过实时的将采集到的数据与提前输入的数据进行对比，然后根据数据处理结果来控制灯具是否开启。

教学楼智能照明控制系统的功能主要包括以下几点：

（1）在人体红外模块采集了数字信号后，单片机通过接收红外模块采集信号的高电平或者低电平来判断当前教室内是否有人活动，高电平位有人，低电平为无人；

图1：STC89C52 单片机最小系统

图2：LM393 实物图

图3：LM393 内部结构图

图4：热释电原件实物图和菲涅尔透镜实物图

表1：学校建筑照明标准

表2：逻辑关系式

（2）在光照度探测模块采集了光照度信号后，单片机通过接收光照模块的采集数据来判断是否达到了要求的亮度，从而控制灯具亮灭；

（3）单片机对采集到的信息进行处理，然后根据处理后得到的结果来控制模块工作，从而实现控制灯具的亮灭。

3 教学楼智能照明控制系统的硬件设计

3.1 STC89C52RC单片机最小系统设计

本设计的智能系统所使用的是既便宜，而且可以实现系统功能的STC89C52RC 芯片。STC89C52RC 芯片是STC 公司所生产的一种微控制器，此芯片耗能非常低，而且芯片运行性能非常高，是高新能的8 位控制器[2]。STC89C52RC 单片机的最小系统就是用最少的器件组成可以正常运行的系统，包含STC89C52RC 单片机、电源电路、复位电路、时钟电路等[3]。此系统的供电方式采取了5V 直流的供电方式，因此使用7805 三端稳压芯片来使交变电流变为直流电流，需要在电路中加入一个5V 的稳压直流电源来为电路提供所需要的5V 直流电源。在连接时首先要将单片机的VCC 与VSS 接在电源的+5V 和地端。图1 所示的是STC89C52 单片机最小系统。

3.2 数据采集系统模块设计

3.2.1 光照度模块电路

该智能照明系统是在保持教室学生适宜的照度情况下尽可能地节约电能，在光照值的设定过程中，严格按照国家制定的照明标准，其中在《建筑照明设计标准》（GB 50034-2013）中对学校建筑照明做了如表1 所示的标准：

光照度探测模块选择使用的是光敏电阻传感器模块，此模块中使用LM393 芯片、光敏电阻、指示小灯以及一些电容电阻。如图2 所示，LM393 芯片内部是一个双电压比较器集成电路，在工作的时候，将接在R-Light 端的受到光照时光敏电阻所产生的电阻值变化情况转变成为电压信号，然后将这个电压信号在传递给LM393芯片中的同相输入端IN B+，将收集到的这个电压与此芯片中的反向输入端IN A-端设定的基准电压进行比较，当同相端INB+电压大于反相端INA-端电压时，LM393 芯片的输出端输出高电平电压，即输出TTL 信号为“1”，反之，LM393 芯片的输出端输出低电平电压 ，即输出TTL 信号为“0”。如图3 所示。

单片机通过此信号，来判断周围环境中光照度的强弱。在周围环境中的光照度充足时，光敏电阻传感器模块中的光敏电阻的阻值非常小，使得IN B+端电压值小于IN A-端电压值，此时输出端OUT 输出低电平电压，即为“0”。在周围环境中的光照度低于设定的标准值时，光敏电阻的阻值增大，使得IN B+端的电压值高于IN A-端的电压值，此时输出端OUT 输出高电平电压，即“1”。

3.2.2 人体红外模块电路

如图4 所示，人体红外探测模块通过热释电红外传感器来检测人体所辐射出来的红外线，以此来判断教室内是否有人员在活动。通过在热释电红外传感器前面加装菲涅尔透镜，使热释电红外传感器可极灵敏的检测到人体红外线。其工作原理是人体发出的红外线通过菲涅尔透镜后聚集到红外感光源上，红外感光源接收到人体辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，之后电路经检测后就能产生报警信号[4]。

图5：光照检测子程序的流程图

3.2.3 光照度传感器和人体红外传感器的放置

3.2.3.1 光照度探测传感器

为了提高光照度模块探测到的数据的准确性，本系统中在教室布置的照度探测模块需要在4 个以上，教室中安装3 个，并且安装到可以被窗帘遮挡住的地方，这样可以提高照度模块收集信息的准确性，另一个安装在教室外边，避免晚上教室开灯之后光照灯光对系统造成影响。

3.2.3.2 人体红外探测模块

本设计所选择的红外感光源采用的是热释电源件，为了减少探测器的错误几率，在对教室红外探测模块布置的时候要符合以下几个条件：

（1）要远离空调，暖气片等地方；

（2）在红外探测模块的探测范围内不能放置有难以穿透的物体，以免影响探测器的正常工作；（3）不能将探测模块放在气流活动比较强烈的地方，以免给探测器探测结果造成误差。

4 教学楼智能照明控制系统的软件设计

4.1 相关模块收集数据的设计

系统工作原理为：当教室内光照度充足时，无论教室内有没有人，灯具都会处于关闭状态；当教室内光照度不够时，教室内有人时灯具会自动打开为教室使用者提供光照，教室内无人是灯具依然处于关闭状态。在设二进制的逻辑关系的时候应该与数据采集模块的相关模块输出信号一致，将光照度充足设置为“0”，关照度不足设置为“1”，教室内有人设置为“1”，教室内没人设置为“0”，教室内灯具开启设置为“1”，教室内灯具关闭设置为“0”。而关照度与教室内是否有人是逻辑与的关系，只有二者同时为“1”时，灯具才为“1”，即灯具开启，逻辑关系式如表2 所示。

4.2 光照度探测模块

中国住建部颁布的《建筑照明设计标准》（GB50034-2013）中明确的对学校建筑照明标准做了规定。其中对教室的光照度的标准是平均光照度“＞=300lx”，所以我们按照这个照度标准来设置光照度的临界值，当检测到教室的光照度高于300lx 时灯具关闭，反之灯具打开。图5 是光照检测子程序的流程图。

4.3 人体红外探测模块设计

在整个系统正常运行时，采集数据模块中的人体红外模块会实时的对教室内的人员状况进行检测，然后模块通过向单片机传递高低电平来使单片机判断教室内是否有人员存在。人体红外模块的工作流程大体包括以下几部分：首先是给定时器和中端口进行初始化，并且设置初值，定时器的计数初值设置为0，从0 开始计数；然后对中断进行定义，这其中包括定时器中断和红外探测中断；系统正常运行时，当单片机接收到人体红外中断信号时，灯具开启，此时定时器开始计时，开始延时。当延时结束的时候，若红外探测模块依然探测到教室内有人，则单片机继续执行人体红外中断，灯具持续开启，若探测到教室内没人时，定时器中的count 值返回为0，灯具关闭。

5 总结

本文以节约能源为主要的目的，针对国内高校目前消耗能源比较严重的现象，并将能源中消耗最大的电能作为主要研究对象进行研究和分析，提出了一套适合目前高校教学楼中照明的智能照明控制系统。在系统硬件设计方面，STC89C52RC 单片机为主控制芯片，在数据采集模块中采用LM393 芯片和BISS0001 芯片，其中LM393 结合光敏电阻用来检测光照度，BISS0001 芯片用来检测教室是否有人活动，同时设计出了教室采集模块的布置方式；在软件设计方面，对系统主程序和各个模块程序进行设计。有效地实现了高校教学楼的智能照明，降低了能源的消耗。