基于照度監(jiān)測的教室照明系統(tǒng)設計

沈柏行

摘要：目前學校教室照明系統(tǒng)中，聲光控開關因光電二極管靈敏度不高，導致經(jīng)常在需照明時不能及時開啟，該文為解決這一問題，設計了照度監(jiān)測器替代光電二極管，提高了聲光控開關的靈敏度，滿足了教室照明的實際需求。

關鍵詞：照度監(jiān)測；聲光控開關；光電二極管；教室

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）30-0190-02

隨著社會的發(fā)展，能源的消耗越來越大。提倡節(jié)約能源、降低能耗、低碳環(huán)保逐漸成為社會的共識。目前大多數(shù)學校都使用需人為操作的手動機械開關來控制教室熒光燈的亮滅，這些機械開關極易損壞，維修量大，而且由于需要人為操作，導致很多熒光燈開啟后在不需要時忘記被關閉，致使一般的熒光燈壽命非常短，浪費電量，且經(jīng)濟損失嚴重，容易引起事故隱患。因此，許多學校開始采用聲光雙控開關來實現(xiàn)對照明燈具的控制。

聲光雙控開關具有體積小，外形美觀，安裝方便，制作容易等特點。聲光控開關是把發(fā)射端和接收端之間聲音、光照強度的強弱變化轉化為電流的變化以達到探測目的[1]，光電開關在許多場景都得到了廣泛應用，這是因為它的輸出與輸入回路是電絕緣的。但聲光控開關電路中用到的光電二極管普遍靈敏度不高[2]，經(jīng)常在天氣變暗需要照明時不能及時開啟，因此需對聲光控開關進行改進，改進的方案就是利用照度監(jiān)測器來代替光電二極管。

1 方案設計

現(xiàn)存的聲光控開關普遍利用光電二極管和話筒作為傳感器，共同控制電路[3]。光電二極管具有在光線較強時，電阻值較低，而在光線較暗時則電阻較大的特點。由于光電二極管的電阻值變化不是連續(xù)的，因此在靠近臨界點時，容易造成控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定[4]。因此，如何提高系統(tǒng)在光線臨界狀態(tài)的穩(wěn)定性，是設計的重點所在。本系統(tǒng)采用照度監(jiān)測器來達到提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。照度監(jiān)測器能夠檢查照度是否合乎要求，按照國家教委和衛(wèi)生部等單位頒發(fā)的《保護學生視力工作實施辦法（試行）》，每個桌面的照度不低于100Lx[5]。

目前使用的大部分聲光控開關由于在臨界狀態(tài)時性能不穩(wěn)定，經(jīng)常造成誤啟動，或光線較暗時不啟動現(xiàn)象。這可通過加裝照度監(jiān)測器來改進開關控制電路的設計，并可通過改變電路中電位器參數(shù)，達到不同的延時時間，以此控制熒光燈的工作時間。

所設計的照明系統(tǒng)可通過照度監(jiān)測器和聲光控開關來共同控制。在桌面照度高于100Lx時，即使聲控開關處于導通狀態(tài)，也不能使線路閉合；如果桌面照度低于100Lx，照明電路的導通與否，就由聲控開關來控制。這樣既可以保證光線變暗時充分地照明，又不會造成電能的浪費。照明系統(tǒng)的設計方案框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設計與制作

照明系統(tǒng)的開關電路主要由照度監(jiān)測器模塊和聲光控開關模塊[6]組成。

2.1 照度監(jiān)測器模塊

照度監(jiān)測器模塊如圖2所示，表1對圖中的各元器件進行了說明：

其工作原理為：

如果所在環(huán)境的光線較暗，則電路的工作流程如圖3所示，其中符號“↓”表示所對應的值減小，符號“↑”表示所對應的值增加。

圖3所示的一系列工作流程最終使LED2通電點亮，發(fā)出有警報作用的閃亮紅光，用來提示此時所在環(huán)境的光線過暗，不適宜工作學習。

相反的，如果所在環(huán)境的光線比較強，則電路的工作流程如圖4所示。

圖4所示的一系列工作流程最終使LED1通電點亮，發(fā)出綠光，相反地，LED2熄滅，表明此時所在環(huán)境的光線較強，適宜在此環(huán)境下工作學習。

2.2 聲光控開關模塊

聲光控開關模塊電路如圖5所示，其中電路圖中的核心器件為集成的時基電路NE555（IC），構成暫穩(wěn)態(tài)電路。

圖5所示電路的工作原理為：

白天時，光線較強，光電二極管VD1的阻值減小，從而引起圖5電路發(fā)生如圖6的一系列變化。

IC被強制復位后，其第3腳的輸出為低電平。這時若駐極體傳聲器BM能夠接收到聲音，雙向晶閘管VS也無法獲得觸發(fā)信號，為斷開截止的狀態(tài)，燈泡LAMP無法通電點亮。

夜晚時，光線很弱，幾乎沒有光線照射到光電二極管VD1上，因此VD1阻值增大，則圖5所示電路發(fā)生圖7的一系列變化。

此時由于IC的強制復位消除，因此當駐極體傳聲器BM接收到聲音時，電路發(fā)生圖8所示的變化。

2.3 系統(tǒng)總電路圖

教室照明系統(tǒng)電路的總設計如圖9所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 照度監(jiān)測器模塊調(diào)試

準備好一只照度計，一般用調(diào)節(jié)燈具的電源電壓或移動光源的距離獲得100Lx照度。如無照度計，可用15W白熾燈作為電源，離燈泡0.3m處的照度大約為100Lx（應避免周圍有其他光源），此方法只能作為估測。

對閃爍式監(jiān)測器可將它置于100Lx標準照度下，RP阻值由大逐漸調(diào)小，調(diào)試開始時LED1應發(fā)光，LED2不發(fā)光。在RP逐漸調(diào)小時，調(diào)到某一位置上，LED2恰好閃閃發(fā)光。保持RP不變，增大光照，LED1應該發(fā)光，LED2不亮；減弱光照，LED1熄滅，LED2發(fā)醒目的閃光。此時認為RP已調(diào)好，可用火漆封固電位器RP，使其不再變動[7]。

對揚聲式監(jiān)測器，將它放在100Lx照度處，此時揚聲器應無聲，如有聲，把R1換成10K電阻再調(diào)節(jié)RP，如仍有聲，再增大R1，調(diào)整RP，直到揚聲器停唱為止，反復調(diào)節(jié)直到在100Lx照度下處于有聲與無聲的臨界點。

3.2 聲光控開關模塊調(diào)試

對于聲光控開關模塊，考慮到安全問題，應該采用較低的電壓進行試驗。這樣既可以保護電路，同時可以檢驗該模塊是否能夠正常工作。

3.3 系統(tǒng)調(diào)試

在計算機上利用仿真軟件Altium designer分別調(diào)試完兩個模塊，然后將聲光控開關模塊中的光電二極管換為照度監(jiān)測器模塊，即用照度監(jiān)測器模塊代替光電二極管起到開關作用。繼續(xù)完成調(diào)試工作。

4結論

利用照度監(jiān)測器替代光電二極管，可以改進教室照明系統(tǒng)中聲光控開關的性能，提高了開關的穩(wěn)定性，使開關的閉合動作更加符合實際照明的需求。改變了原有控制開關誤開或誤關概率較大的情況，節(jié)約了教室照明電能，同時也能滿足照明。

參考文獻：

[1] 陳丹.智能照明系統(tǒng)在現(xiàn)代建筑照明中的應用研究[J].成都信息工程學院學報， 2007， 22（6）： 735-738

[2] 郭興軍.一種簡單聲光自控延時開關[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2006（1）：44-45.

[3] 黃錦康. 基于單片機的室內(nèi)燈光照度控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 黑龍江科學，2014，5（3）：37.

[4] 王雪晴.照明路燈控制器設計研究[J].中國高新技術企業(yè)，2013（1）：41-42.

[5] 教育部. 保護學生視力工作實施辦法（試行）[J]. 學校體育，1982（2）：2-3.

[6] 劉和劍， 陸軒劍.學校照明系統(tǒng)節(jié)能控制器的設計[J]. 自動化應用，2013，34（9）：34-36.

[7] 視力保護測光器電路原理圖[N/OL].電子產(chǎn)品世界：2009-09-10.http：//diagram.eepw.com.cn/diagram/circuit/cid/142/cirid/18186.