基于PIC 16F877的校園教室照明節(jié)能控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳榮森

摘 要：學(xué)校教室的照明往往由學(xué)生自行控制，因此，在白天自然光很強(qiáng)的情況下，教室長(zhǎng)明燈仍隨處可見。設(shè)計(jì)一種基于PIC16F877的單片機(jī)結(jié)合信息融合技術(shù)的教室照明系統(tǒng)節(jié)能控制器系統(tǒng)，在白天光線達(dá)到一定照度時(shí)，教室照明燈自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)教室內(nèi)光線的照度下降到一定程度時(shí)自動(dòng)開啟照明燈，還能根據(jù)進(jìn)入教室學(xué)生的多少來控制照明燈的數(shù)量，可較好節(jié)約能源、提高照明舒適性。

關(guān)鍵詞：PIC；照明；節(jié)能控制

目前學(xué)校內(nèi)教室的照明系統(tǒng)均存在著電能浪費(fèi)現(xiàn)象。白天照度達(dá)標(biāo)的時(shí)候很多教室內(nèi)的燈全部打開，或者教室內(nèi)只有幾個(gè)人甚至沒人時(shí)，燈仍全部或部分開啟，這些現(xiàn)象造成了學(xué)校電力資源的巨大浪費(fèi)。

教學(xué)樓照明用電的管理一般有三種模式：一是無專人管理，由學(xué)生自行控制開啟與關(guān)閉；二是利用定時(shí)開關(guān)，根據(jù)作息時(shí)間開啟和關(guān)閉整個(gè)教學(xué)樓的照明電源；三是由專人負(fù)責(zé)，即管理人員根據(jù)作息時(shí)間和天氣情況分層送電。但在我們學(xué)校，照明用電管理采用的是第一種模式，由于大多數(shù)人的節(jié)能意識(shí)淡薄，并且強(qiáng)光下人的眼睛對(duì)弱光不敏感，在自然光照大于燈具光照的情況下，難以覺察到燈光的存在，因此，在白天自然光很強(qiáng)的情況下，教室內(nèi)的長(zhǎng)明燈仍到處可見。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)：80%的教學(xué)樓存在著在白天光照良好以上的情況下和在午休時(shí)間出現(xiàn)長(zhǎng)明燈的現(xiàn)象。一個(gè)教室的長(zhǎng)明燈，看起來耗能不大，但是從整個(gè)學(xué)校來看，卻是一個(gè)不小的數(shù)字，這是一種極大的浪費(fèi)。造成電能浪費(fèi)的現(xiàn)象除了節(jié)能意識(shí)薄弱外，另一個(gè)重要的原因就是節(jié)能的硬件設(shè)施跟不上。

為此，根據(jù)學(xué)校的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一種教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)，采用PIC16F877為主控芯片，采用信息（進(jìn)入教室人數(shù)的多少，教室內(nèi)從門口到窗戶的自然光照度的強(qiáng)弱）融合技術(shù)，來自動(dòng)判定教室內(nèi)開燈的多少；控制器具有時(shí)鐘功能，能夠在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)入低功耗模式，基本不消耗電能；控制器具有RS485數(shù)據(jù)傳輸功能，能夠與其它控制器進(jìn)行組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)化管理。在白天光線達(dá)到一定照度時(shí)，教室照明燈自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)教室內(nèi)光線的照度下降到一定程度時(shí)照明燈自動(dòng)開啟，在充分保證教室照度的前提下，達(dá)到節(jié)能的目的。

1 系統(tǒng)基本組成及硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本系統(tǒng)是專門為我校教學(xué)樓照明用電的管理而設(shè)計(jì)的照明節(jié)能控制系統(tǒng)產(chǎn)品，系統(tǒng)主要由時(shí)鐘模塊、光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊、人數(shù)采集模塊、顯示模塊、繼電器控制模塊、通信模塊六部分組成。

系統(tǒng)控制單元選用PIC16F877A單片機(jī)，該型號(hào)具有指令系統(tǒng)精簡(jiǎn)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔與高集成度的特點(diǎn)，且功耗較低，性價(jià)比較高。光照強(qiáng)度檢測(cè)電路由光敏電阻及處理電路實(shí)現(xiàn)，人數(shù)采集模塊由兩組激光對(duì)管實(shí)現(xiàn)，時(shí)鐘信號(hào)由ds1302時(shí)鐘芯片提供，用數(shù)碼管來顯示教室人數(shù)和時(shí)間情況。通信模塊通過RS485來管理。工作時(shí)，光照檢測(cè)電路、激光對(duì)管及處理電路和ds1302時(shí)鐘芯片分別采集光照強(qiáng)弱、教室人數(shù)、時(shí)間等信息送到PIC，根據(jù)這些信息來控制照明設(shè)備亮度和時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)要求的功能。

1.1 時(shí)鐘模塊

采用ds1302時(shí)鐘芯片，作為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)來源，再結(jié)合軟件能夠達(dá)到對(duì)照明燈控制系統(tǒng)定時(shí)開關(guān)的目的，電路如圖2所示。

1.2 通信模塊

采用MODBUS標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，該控制器可以作為從機(jī)與具有相同通訊接口并采用相同通訊協(xié)議的上位機(jī)（如單片機(jī)、PC機(jī)）通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的集中監(jiān)控，通過該通訊口也可以接遠(yuǎn)控鍵盤。實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)該控制器的遠(yuǎn)程操作。電路圖如圖3所示。

1.3 繼電器控制模塊

該模塊由兩片高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列ULN2003和一片741s595組成，其中741s595可實(shí)現(xiàn)串行輸入并行輸出并帶有數(shù)據(jù)鎖存功能，與單片機(jī)通信只需兩條信號(hào)線，這樣大大節(jié)省了單片機(jī)的I/O資源。ULN2003工作電壓高、工作電流大、灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在開關(guān)態(tài)時(shí)承受50V的高壓，足以驅(qū)動(dòng)直流繼電器。電路圖如圖4所示。

1.4 光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊

光強(qiáng)檢測(cè)模塊由光敏電阻、滑動(dòng)變阻器和電壓比較器組成。通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來改變?cè)撃K對(duì)光強(qiáng)的敏感程度，電壓比較器采用電平比較方式將信號(hào)直接輸入給單片機(jī)，可有效防止邊沿跳變，保證信號(hào)有效性。電路圖如圖5所示。

1.5 顯示模塊

該模塊由4位一體共陰極數(shù)碼管和MAX7219專用數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片組成，芯片與單片機(jī)僅有3根信號(hào)線相連，通信十分方便。芯片包含一個(gè)150μA的低功耗關(guān)閉模式，模擬和數(shù)字亮度控制，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式時(shí)，該模塊也可進(jìn)入低功耗狀態(tài)，可大大減小控制器的功耗。電路圖如圖6所示。

1.6 人數(shù)檢測(cè)模塊

人數(shù)檢測(cè)模塊由兩對(duì)激光發(fā)射管和接收管組成，安裝在教室門框的適當(dāng)高度上，前后安裝。由于接收管只能接收調(diào)制光在180kHz占空比20～30%時(shí)接收效果最好，這樣便有效避免了外界光源對(duì)傳感器的干擾，且激光的聚光性好直線傳播距離選，可以減少相鄰傳感器之間的相互干擾并能大大減小傳感器的體積，便于傳感器的安裝。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基本思想是：盡可能多地利用軟件來代替硬件，使成本降低，修改方便。因此采用了模塊設(shè)計(jì)的方法，整個(gè)系統(tǒng)是通過不斷調(diào)用子程序和接受中斷服務(wù)來完成工作的。由于白天太陽光亮度較強(qiáng)，除光敏檢測(cè)部分外，其他部分都處在空閑狀態(tài)，而在晚上10點(diǎn)半后幾乎沒有同學(xué)在上自習(xí)，一直到第二天早上為止系統(tǒng)都處在空閑狀態(tài)，所以降低功耗也是軟件設(shè)計(jì)的一大任務(wù)；因而在通過軟件控制硬件工作時(shí)，在空閑肘間盡量使整個(gè)電路處在低功耗狀態(tài)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，先初始化各個(gè)硬件模塊。由軟件實(shí)現(xiàn)從時(shí)鐘和光敏檢測(cè)模塊讀取時(shí)間和亮度情況，并判斷其值是否滿足預(yù)設(shè)值，若滿足則打開相應(yīng)的照明燈，不滿足則進(jìn)入低功耗模式。正常模式時(shí)先檢測(cè)是否光照度能滿足學(xué)習(xí)的條件，白天當(dāng)光照度低于學(xué)習(xí)條件時(shí)開啟照明燈，到晚上時(shí)利用門口的激光管來檢測(cè)進(jìn)入教室的人數(shù)，來判斷需要開的照明燈的盞數(shù)。低功耗模式時(shí)，則需要通過外部中斷來喚醒微控制器，從而使PIC16F877啟動(dòng)并開始工作，進(jìn)入讀取檢測(cè)循環(huán)。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)是利用激光對(duì)管來檢測(cè)進(jìn)入教室的人數(shù)和光敏電阻檢測(cè)教室內(nèi)光照度，與高性能的PIC單片機(jī)結(jié)合，組成性能穩(wěn)定、控制準(zhǔn)確、成本低、功耗低的系統(tǒng)，具有良好市場(chǎng)前景。本系統(tǒng)可擴(kuò)展加裝無線遠(yuǎn)傳控制模塊，使其具備報(bào)警等遠(yuǎn)程服務(wù)，還可以計(jì)算照明時(shí)間長(zhǎng)度及開的燈的盞數(shù)，可以粗略計(jì)算用電量。本系統(tǒng)的功能通過PROTUES完全仿真通過并做出了模擬樣機(jī)。

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