基于自动控制的教室智能灯设计

2021-12-14李冶通信作者刘宾坤吉庆辉陈昱行黄浚恒

电子制作 2021年23期

李冶（通信作者），刘宾坤，吉庆辉，陈昱行，黄浚恒

（大连理工大学城市学院，辽宁大连，116600）

0 引言

社会在不断发展，人类也在追求更高的生活，但同时一些资源的浪费也变得多起来，能源缺失成为了全球普遍的问题，2007年我国照明用电约2905亿度，国家也批准了新的节能减排政策，环保节能成为全国的关注，而在学校随着学生压力的变大，课下学生在教室的自习时间也变多，所以教室这种公共地方的使用也变多起来。但是，学生自习结束后陆续离开，有时学生忘记关灯导致夜晚教室在空无一人的情况下灯光照亮整夜，造成电能浪费。

解决教室电能浪费的方法就是设计一种能够自动控制的教室智能灯。基于自动控制的教室智能灯可以实现在教室无人的情况下自动关闭灯，目的是减少教室电的浪费，提高教室的用电利用率，教室中空无一人且灯光通明的现象一去不复返。

基于自动控制的教室智能灯以STC89C51为核心控制器，集成光敏和人体感应两种传感器，可实现对开灯和关灯的自动可靠控制以及教室灯光亮度的调节，减轻了学校管理人员的负担，提高了用电效率，环保经济[2]，符合节能减排的理念。

1 系统总体设计

本文所研究的自动控制教室智能灯主要构成部分是由供电模块、光敏模块、人体感应模块、复位电路以及晶振电路组成。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

本系统是以STC89C51为核心控制器所设计的教室智能灯，光敏模块中光敏电阻感应光照，做出相关的处理把信号传送给单片机。人体感应模块中的人体传感器感应到人体发出的特定波长的红外线[3]，做出相关的处理把信号传给单片机。此次设计集成两种传感器，最终实现开灯和关灯的自动控制。

2 电路各模块设计及说明

2.1 系统主控电路

以STC89C51为核心，它是一种速度快且功耗少的单片机，不需要专用的编程器，共两个16位定时器。性价比高的STC89C51单片机为核心解决相关的问题，其中本次设计所用到的一些特殊引脚的功能如下：XTAL1为反向振荡器的输入。XTAL1为反向振荡器的输出。RST为复位电路的输入端。P3.4为定时计数器的外部输入端，功能强大的引脚为系统的设计提供了帮助。

2.2 光敏模块

光敏模块结构如图2所示。此模块包括光敏电阻和电压比较器两部分，本设计使用光敏电阻值的不同而对电阻值进行了分压，获得的电压值提供给LM393电压比较器，通过10kΩ的一个可调电阻对光线的限值进行调整，感应测量到光线的大小，然后把这些信号送到单片机上进行处理。

图2 光敏模块

LM393电压比较器是一种高增益,宽频带的器件，通常有一个信号与参照信号进行比较和两个信号进行比较两种方式，本次方案采取的是一个信号与参照信号进行比较，当图中INA+的电压超过了INA-的电压，那么在图中比较器就会输出高电平，当图中INA-的电压超过了INA+的电压，那么在图中比较器就会输出低电平。

采用的光敏电阻型号为GL5516，此光敏电阻广泛应用于光电控制、光控灯以及工业控制等领域，可以实现光的检测、操纵以及转换等功能。光敏电阻有封装可靠性、体积小反应速度快环保等特点，光敏电阻对光的敏感性与人眼对可见光的感应很接近,可以实现单电源供给电，最大功耗为90mw，在10Lux光照下，亮电阻阻值为5~10kΩ，满足电路的正常工作。

2.3 继电器模块

本设计的继电器模块是由电磁继电器、发光二极管、电阻组成，如图3所示。本次采用的是SRD-05VDC-SL-C电磁继电器，额定电压5V，体积小便于焊接等特点实现电路的正常工作，电流通过线圈的两端提供电压，电流通过线圈流动，然后产生电磁效应，运动触点和静态触点将被拉到一起。

图3 继电器模块

其中整个模块用三极管来驱动，三极管选取的是SS8550型号的三极管，型号是PNP型三极管，它的特性是集电极电流为1.5A，材质无纤无卤素，节能环保。其中单片机P3.4引脚输出低电平时，三极管导通，发光二极管点亮，继电器吸合，继电器驱动负载，使灯点亮。单片机P3.4引脚输出高电平时，三极管不导通，发光二极管不点亮，继电器闭合，灯不亮。其中发光二极管为显示作用，通过二极管的亮灭可以判断出灯的开关状态[4]。

2.4 人体感应模块

采用HC-SR501人体感应模块，此模块是基于红外的自动控制模块，其上有调节距离的电位器，顺时针转会增大感应距离，逆时针转会缩小感应距离，其上有调节感应延迟时间的电位器，顺时针旋转会增加感应的延时时间，逆时针会缩小感应的延迟时间。人体感应模块的静态电流小于50uA，可以实现和各个电路的连接。

人体传感器的红外探头可以检测到人体发出的红外线，不受外面可见光的影响，它的工作原理为人体散发出大约为10um波长的红外线[5]，而红外探头能够感应到由人发出的红外光，通过菲涅尔透镜能够将这些光束中的红外线变得更加集中并且减掉其他辐射的影响。

如图4所示，感应模块其上的探头感应到人体时，输出高电平，Q2三极管导通，P16引脚输出高电平，人走后输出低电平，Q2三极管截止，P16引脚输出低电平。人体感应模块的输出电压为3.3V经过一个转换电路，使单片机能够更加容易的识别出高电平。发光二极管作为指令的功能，通过2k的电阻将单片机P1.5引脚相连。当有人进入时，单片机的P15引脚会产生一个低电平，此时发光二极管会点亮指示有人。

图4 人体感应模块

2.5 晶振电路

晶振电路和复位电路组成了我们认识的单片机最小系统，如图5所示。在单片机的时钟信号主要分内部时钟模式和外部时钟模式两种，在单片机的XTAL1和XTAL2两个引脚外接一个晶振，可以使单片机内部产生一个时钟脉冲信号，而在图5中电容C2和C3能够达到快速起振的效果。

2.6 复位电路

复位电路的作用是使整个系统回到刚开始的状态，而复位电路又分为上电自动复位、系统复位和按钮复位等多种方式，本设计利用按钮复位的方式，是通过RST端经过电阻与VCC实现了复位的功能，使用者通过按键的形式可以恢复电路的初始状态，电路如图5所示。

图5 单片机最小系统

3 软件程序设计

程序编程是在keil软件环境下开发的，此软件支持C语言的编写，通过对程序的编程与运行实现多方面的功能。本系统的软件设计以硬件设计为基础，采用了模块式的设计，使系统能够运行的更可靠，软件流程图如图6所示。

图6 流程图

首先主程序执行时进行初始化，其次光敏模块中的光敏电阻感应光的强弱，当感受到的光照值多的情况下，即为白天，将信号传递给单片机，单片机在做出相应的处理将信号传给继电器，继电器断开，灯不亮；光线低于一定值时，即为黑天，将这些信号传送给单片机上进行处理，接着人体传感器判断是否感应到人体发出的红外波长，如果人体传感器没有感应到人体发出的红外波长，返回初始化，如果人体传感器感应到人体发出的红外波长，继电器吸合，灯点亮，流程结束。