教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)

尹小龍，李財龍，尹曉海

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047)

大家在生活中或許見到過各種各樣的節(jié)能產(chǎn)品，比如節(jié)能燈、變頻空調(diào)、太陽能路燈、低耗電的液晶電視等。但是對于學(xué)生來說，校園中的節(jié)能應(yīng)用似乎很少。再加上粗放式的用電管理模式，電能的浪費現(xiàn)象就處處可見了。教室照明用電占據(jù)了校園用電的多半部分，因此考慮如何將教室照明用電降至最低，就是要考慮如何實現(xiàn)教室照明的節(jié)能控制。

單片機以其低廉的價格和可靠的運行，取代計算機而成為了新一代的自動控制核心［1］。該系統(tǒng)就是以單片機作為主控核心，應(yīng)用熱釋電紅外傳感器、光電檢測模塊和計數(shù)模塊作為前端信號采集，經(jīng)過單片機的邏輯判斷進而輸出信號驅(qū)動繼電器實現(xiàn)對日光燈的控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)由7個部分組成。光強檢測模塊、熱釋電紅外傳感器和人數(shù)檢測模塊作為前端信號采集單元，將信號輸入到單片機內(nèi)部，經(jīng)過單片機的邏輯判斷輸出信號控制繼電器，進而控制日光燈的亮暗。如果在緊急的情況下，需要將所有的燈都熄滅或者是點亮，可以按下強制按鈕令所有燈全亮或者全滅。并且該強制按鈕不會影響到系統(tǒng)的正常運行。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總框圖

1.1 光強檢測電路

光敏電阻是一種隨著外部光照強度的改變其阻值也發(fā)生相應(yīng)變化的一種元器件。光照增強，阻值減小，反之將會增大［2］。光強檢測電路就是利用光敏電阻的這一特性設(shè)計而成。光照亮?xí)r，三極管導(dǎo)通，輸出低電平，反之輸出高電平。光照檢測電路如圖2所示。

圖2 光照檢測電路原理圖

1.2 紅外信號檢測電路

熱釋電紅外傳感器作為該系統(tǒng)的人員位置信號檢測器，采用了熱釋電紅外處理芯片BISS0001［3］。該芯片具有較高性能的傳感信號集成處理能力。配以熱釋電紅外傳感器和少量元器件構(gòu)成被動式的熱釋電紅外測模塊。加上菲涅爾透鏡后，能夠探測150度的圓錐范圍，直線探測距離是5米左右。

1.3 計數(shù)電路

為了判斷學(xué)生是進入教室還是走出教室，該計數(shù)電路采用了兩套信號模塊。一個裝在門外墻壁上，一個安裝在門內(nèi)墻壁上。安裝方向和墻面平行。這樣只要檢測哪一個傳感器先發(fā)出信號，再去檢測另外一個傳感器有無信號，就可實現(xiàn)計數(shù)。如果是門外的先有信號，門內(nèi)的后來信號，則說明有人進入到教室;反之說明有人走出教室。記得的人數(shù)寄存在單片機內(nèi)部待用。

該電路采用一個激光頭和一套光強檢測電路搭配組成計數(shù)模塊，讓激光頭發(fā)出的光直射在光強檢測電路的光敏電阻上。如果有人通過門的話，就會遮擋激光頭發(fā)出的激光，使光敏電阻上的光照強度發(fā)生改變，從而產(chǎn)生信號供給單片機。原理示意圖如圖3所示。

1.4 輸出驅(qū)動電路

要控制交流220 V的日光燈，必須利用繼電器將強弱電隔離開，以確保安全。繼電器的工作電壓是直流12 V。為了防止驅(qū)動部分工作時對單片機系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，在輸出緩沖單元74HC244后加光電隔離［5］。繼電器工作線圈在斷電時會產(chǎn)生反電動勢，需加續(xù)流二極管防止有可能對系統(tǒng)造成的干擾。

圖3 計數(shù)器安裝示意圖

1.5 電源模塊

該系統(tǒng)的電源電路由于技術(shù)比較成熟，所以只做簡要介紹。交流電220 V通過變壓器降至交流15 V和6 V，然后經(jīng)過整流橋變成直流，再通過電容濾波和LM317穩(wěn)壓到直流5 V和直流12 V供單片機和繼電器使用。

2 硬件總體電路

系統(tǒng)總體硬件電路主要包括以下幾個部分:光強檢測、計數(shù)、紅外信號檢測、光電隔離部分、輸出驅(qū)動部分、顯示輸出部分?？傮w電路如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體電路

單片機的選擇要根據(jù)所控制的對象來進行，由于控制日光燈不會占用太多的輸入輸出口，程序占用的空間也不大，所以選擇51系列單片機已經(jīng)能夠滿足要求。單片機和電腦之間的串行通信采用了MAX232芯片，該芯片是一款專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的低功耗電平轉(zhuǎn)換芯片。

隔離對于工作在強電周圍的單片機來說是十分必要的，可以減少強電的變化對單片機的干擾。光電隔離芯片TLP521-4是一種可以實現(xiàn)前端和負(fù)載端的信號隔離的光電耦合器件，可以增強電路的安全性，降低干擾［4］。

輸出驅(qū)動部分采用了74HC244芯片和ULN2003芯片。這兩款芯片都有增強單片機帶載能力的作用。

顯示部分由兩個8段LED數(shù)碼顯示管組成，顯示教室當(dāng)中實時的人數(shù)。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

從節(jié)能角度出發(fā)，系統(tǒng)可以根據(jù)光照強度、教室人數(shù)以及人所在位置對教室亮燈情況進行控制。

以教室中有三盞燈為例，沒有外部強制條件中斷時，光照強度為暗并且紅外傳感器檢測到有人進入教室就可以亮燈。起初教室中沒有人時，所有的燈都不會點亮。人數(shù)大于0小于5時二號區(qū)域的燈被強制點亮。人數(shù)大于等于5小于9時，根據(jù)紅外傳感器檢測到的人的位置來確定點亮哪個區(qū)域的燈。當(dāng)人數(shù)大于等于9時，全部點亮所有燈。人數(shù)減少到小于9大于等于5時，三號區(qū)域紅外檢測一段時間是否有人，沒人的話將三號區(qū)域的燈熄滅，有人的話將一號區(qū)域的燈熄滅。當(dāng)人數(shù)小于5時，將除二號燈以外的燈全部熄滅。人數(shù)為零時所有燈熄滅。

有外部中斷時，一次中斷將所有燈點亮，再一次中斷將恢復(fù)到原來的狀態(tài)。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)經(jīng)過最終測試能夠滿足設(shè)計要求，有著廣闊的應(yīng)用前景。不僅僅適用于教室，會場、候車室等一些人員比較集中的地方，還可以作為樓宇照明控制系統(tǒng)使用。只要稍加改變就可以適應(yīng)許多場合的照明控制。將來可以將多個該系統(tǒng)實現(xiàn)上位機集中控制，加入電能協(xié)調(diào)分配功能，更好地達到節(jié)約電能的目的。

［1］丁元杰.單片微機原理及應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［2］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(模電部分)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［3］桂要生.基于紅外技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機與數(shù)字工程，2009(8):102－104.

［4］吳國義.基于AT89S51單片機節(jié)能燈的設(shè)計［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)，2009(5):346－349.

［5］宋戈.51單片機應(yīng)用開發(fā)范例大全［M］.北京:人民郵電出版社，2010.