教室灯光智能控制装置的设计

安晓莉

摘要：现在，随着我国经济的发展，高等教育越来越受到人们的重视。随着高校学生人数的不断增加，学校教室的数量剧增。由于高校基本上采取开放式管理，加上人们的节电意识薄弱，造成“长明灯”随处可见。该文针对这一现象，设计了一款灯光智能控制系统，以减少电能的巨大浪费。

该文以STC89C51单片机为主控制器，设计了一款教室灯光智能控制装置。它可工作在手动或自动模式。工作在手动模式时，可用手动开关打开、关闭灯;自动模式时，光敏电阻检测环境光照的强度并将其转换为电信号，实现光照强度高时，灯关闭;光照强度弱时，启动由红外对管和LM324运算放大器构成的人数检测以检测电路检测室内人数，实现根据室内人数改变灯的亮度。该设计采用液晶显示屏显示当前的工作模式、教室内的人数和当前照明灯的亮度。另外，该系统装有温度传感器，可实时监测教室的温度。

测试证明：广泛使用该装置可有效地降低“长明灯”引起的电能浪费。

关键词：STC89C51单片机;人体红外传感器;光敏电阻;灯光控制

中图分类号：TP338      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）11-0202-04

目前，高校大多采用开放式管理，加上人们的节约用电的意识弱，造成“白天开灯”、教室内无人灯却全开的现象屡见不鲜。为了提高教室照明用电的效率、同时也为了提高灯的使用寿命，本文设计出一款教室灯的智能化开、关装置。

1 系统设计

本装置采用红外技术设计了一款智能照明控制系统。它由 AT89S51 单片机、红外传感器检测模块、光电检测模块、執行控制模块（继电器、手动开关）、LED灯、LCD液晶显示器等组成。通过光敏传感器和红外传感器采集室内光照强度，有、无人等信息，通过将这些信息送给单片机来实现对灯的智能化控制。

本系统设计框图如图1所示。

本系统将自动和手动控制相结合，实现根据实际需要控制照明灯的开和关。工作在手动模式时，通过按下手动开关，可实现灯的开与关。工作在自动模式时，采用光敏电阻检测自然光的强度，当光线充足时，灯处于关闭状态;在光线较弱时，由红外对管检测教室内的人数，当教室内无人时，灯关闭;人数小于5人，灯为低亮度;人数大于5人小于10人时，灯为中亮度，人数大于10人，灯为高亮度。另外，本系统使用温度传感器实时监测教室内的温度。液晶显示屏用来显示工作模式、教室内的人数和当前灯的亮度、室内的温度。

2 系统硬件设计

本设计电路图如图2所示。

本设计采用四对红外对管来检测教室人员的进出。当有人进出教室时，红外发射管发出的光会被遮挡，由此可以计算出教室内的人数。本系统装有三个LED灯， LED灯的亮度依据教室内的人数分为低、中、高三级。

2.1 单片机选型

本设计选择STC89C51单片机作为控制器。原因是STC89C51指令简单，与80C52 单片机兼容。片内存储器为闪存，可实现在系统可编程，并且价格低廉，控制功能强，适用于复杂控制系统。

2.2 人数检测电路

红外对管和LM324运放构成的电压比较器组成人数检测电路。

1）红外发射管

红外发射管由红外发光二极管组成。它是由砷化镓制成的PN结，其红外辐射效率很高。当其正向偏置时，电流会注入PN结，激发红外光。 当电流超过最大额定值时，其功率会下降。它的主要特点是发射功率高，绝缘性好，耐湿性好，使用寿命长，可靠性高和可焊性好。

红外传感器容易受外界因素影响，在使用时要采取抗干扰措施。为了防止外部因素导致红外传感器输出信号弱，人体红外传感器只能安装在室内，应有离地面2.0-2.2米高的距离;同时，其应有一定的抗电磁干扰、抗灯光干扰的能力。防止家具、大型盆景或其他隔离物阻挡信号源;不得安装在窗口，以防止窗外的热气流和人员走动引起误报。

2）LM324运算放大器

LM324是一款14引脚双列直插式封装的四集成运算放大器[1]。如图3所示。它内部的四组运算放大器相互独立。每个运算放大器由3左图所示符号表示。它有5个引脚，“ +”和“-”是两个信号输入端子，“ V +”和“ V-”是正电源端子和负电源端子，“ Vo” 输出端。

图4中，D5和D6为红外发射管，Q4和Q5是对应的红外接收管。当无人经过时，发射管发出的红外光被Q4和Q5接收，Q4和Q5均导通，X1和X2处都是低电平，电压比较器输出是高电平;当有人通过时，红外光被遮挡，Q4和Q5处于截止状态，X1和X2处是高电平，比较器输出低电平。电压比较器输出分别接单片机的P2.3和P2.4脚。单片机根据电平高、低判断是否有人进、出教室，从而实现教室内人数的统计。

2.3 光照强度检测

1）光敏电阻

本系统采用光敏电阻采集自然光。光敏电阻由硫化镉材料制成。当硫化镉受光照射时，被光激发产生新的载流子。这些新的载流子参与导电：在外部电场的作用下，电子流向正电极，空穴流向负电极，从而引起光敏电阻的阻值降低[2]。

在图5中，R22为光敏电阻。当教室内光线较强时，光敏电阻的阻值小，运算放大器13脚上的电压较低。当该引脚上的电压小于2.5V时，运放将会输出高电平并将其送入单片机，控制灯熄灭。反之，当教室内光线较弱时，光敏电阻的阻值大，运算放大器13脚上的电压较高。当该引脚上的电压大于2.5V时，运放输出低电平，此时单片机启动人数检测电路工作，依据人数改变灯的亮度。

2）光照灵敏度检测

图中电位器R20用来调节光照检测灵敏度。

2.4 继电器驱动电路

本系统采用三个继电器控制三组LED灯的亮灭。

继电器驱动电路如图6所示。在图中用PNP管驱动继电器。当PNP管的基极是低电平时，三极管导通，继电器的线圈有电流流过，继电器吸合，灯打开。当PNP管的基极为高电平时，三极管截止，继电器的线圈上无电流流过，继电器断开，灯熄灭。

2.5 LCD1602显示电路

液晶显示器体积小、功耗低、控制简单且性价比高，是理想的显示器。本设计采用液晶显示器上显示当前的工作模式、进入教室的人数和当前3组照明灯的亮度状态，同时，实时监测、显示教室内的温度。

LCD1602引脚2接电源，引脚3接地。引脚4、5和6分别连接到RS、R / W和E端。D0-D7数据线接单片机的P0口[3]。

3 软件设计

本设计使用模块化设计，将具有独立功能的程序段编成函数，主函数通过调用各个函数，完成设计任务[4]。

软件模块主要包括：主函数、数据采集函数、显示驱动、按键处理函数等。

3.1 主函数

在主函数中，先进行液晶初始化，调用初始显示函数;接着，定时/计数器初始化并启动运行，调用DS18B20温度转换函数，调用人数计算函数计算教室内的人数并将人数显示在液晶屏上。然后，调用键盘扫描函数，根据键盘扫描函数的返回值判断是哪个键按下：如果是K1按下并且manual=0时，则进入自动模式;在自动模式下，根据光敏传感器的输出信号判断是白天还是晚上：如果是白天，灯全关;如果是晚上且教室内人数是0，灯也全关。如果是晚上，当教室内人数大于0小于等于5时，灯低亮度，液晶显示器上显示L;当教室内人数大于5小于等于10时，灯中亮度，液晶显示器上显示M;当教室内人数大于10时，灯高亮度， 液晶显示器上显示H。

当按键K4按下并且manual不等于0时，进入手动模式。开关K1、K2、K3控制灯的开、关。

主函数流程图如图7所示。

3.2 环境光和人体活动信号采集函数

本系统采用光敏电阻和红外传感器采集环境光和人体活动信号。在程序设计中，将他们放在一个函数中完成信号的检测与采集。

1）红外传感器

当人体温度高于环境温度时，就向外辐射红外线。红外传感器正是利用这一特点来检测人体活动信号。红外传感器它本身无辐射，功耗小，价格便宜，但它易受各种热源、光源、射频辐射干扰。另外，红外线穿透性差，当人体的发出的红外线被很遮挡时，红外探头不易接收到人体信号;红外传感器的致命弱点是：当人体温度和环境温度相差不大时，其检测灵敏度会大幅度降低，可能会出现短期故障。在本设计中，通过测试，证明了只要人体在但几秒钟内没有动静，人体传感器就不会有输出。为了防止出现这种错误的判断，在软件设计时，采用了巡回检测的方法，比如每隔2分钟采集一次人体活动信号。

2）数据采集软件设计的实现

在本系统中，在白天光线较亮时，无论教室内有没有人，灯都熄灭。当环境光不够亮且有人体活动信号时，灯会亮，没有人体时灯会灭。当环境光明亮时（根据光收集电路的输出信号状态），将其认为在逻辑上是“0”，当环境光暗时，将其认为在逻辑上是“1”;有人体活动信号时，为逻辑“1”，无人体活动信号时，为逻辑“0”;教室灯的状态是：点亮为“1”，熄灭为“0”。

环境光、人体活动信号、灯构成表1所列的逻辑关系。

本设计中，PNP管的基极上是低电平时，继电器被驱动，相应的灯点亮。从表1可知，需要对收集的信号求反，实现灯的正确控制。

3.3 人数计算函数流程图（如图8所示）

3.4 键盘扫描函数

3.5 按键处理函数

本函数中，先调用键盘扫描函数，查询K4键是否按下，如果按下，且manual=0，则进入手动模式，由开关K1、K2、K3分别控制三个灯的开与关;如果manual=1，则将manual置零，灯全关。

3.6 LCD1602显示函数

4 结束语

本课题对教室灯光控制系统进行了研究。以环境光、人体存在等为控制器的输入信号，实现对灯的智能化控制。实验初步证实了系统具有很好的稳定性、适用性，可用于教室，走廊和办公室。将本系统广泛用于高校教室照明灯的改造，可以合理地对教室灯进行管理，有效降低电能的巨大浪费，实现教室灯光的人性化管理，达到节能环保的目的。

需要指出的是：对不同面积的教室，所安装的灯的数量会不等，相应的，需要安装的灯光控制装置的个数会不相等。人体传感器在有限范围内对人体活动信号有输出，如果它超出了人体传感器的辐射范围，则采集到的信号可能不准确，这会造成控制装置的误操作。因此，为了防止出现该现象，使系统正常工作，需要在大教室内安装多个人体传感器。

另外，人体活动传感器在人体不动的情况下，不会有输出。如果教室内人保持静止不动，本装置则会出现误操作。因此，在本装置中，人体传感器设备最好能够移动。

在本系统中，人体活动信号和由光敏电阻采集的环境光紧密相关。 因此，如果将人体传感器与环境光采集电路集成在一起，就可以简化电路设计。

参考文献：

[1] 江晓安.模拟电子技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.

[2] 胡向东.传感器技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2016.

[3] 马忠梅.單片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2017.

[4] 谭浩强.C语言程序设计[M].北京：清华大学出版社，2020.

[5] 屈霞.单片机原理及接口技术—基于C51和protues仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社，2019.

【通联编辑：谢媛媛】