智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孟祥斌，毛紅艷，王德君

(沈陽工程學(xué)院 a.自動(dòng)化學(xué)院；b.信息學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

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智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孟祥斌a，毛紅艷a，王德君b

(沈陽工程學(xué)院 a.自動(dòng)化學(xué)院；b.信息學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

摘要：以AT89S52為控制器，使用紅外傳感器以及光電傳感器進(jìn)行信號的采集，用單片機(jī)進(jìn)行控制燈具的通斷，設(shè)計(jì)了一種教室智能照明控制系統(tǒng)。由現(xiàn)實(shí)的狀況來得出需要設(shè)計(jì)一種能夠節(jié)能的教室智能控制系統(tǒng)，然后介紹了教室智能控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)的總體設(shè)計(jì)，并從軟件以及硬件兩個(gè)角度分別介紹了本次設(shè)計(jì)的具體方法、步驟以及設(shè)備的調(diào)試情況。通過進(jìn)行理論分析以及調(diào)試，這次設(shè)計(jì)所做的智能照明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)檢測照度，檢測室內(nèi)是否有人，之后能夠做出智能選擇，能夠達(dá)到最初要求的實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，設(shè)計(jì)使用的器件均是實(shí)驗(yàn)室、市場常見的，使用簡單，方便，并且價(jià)格適中的器件,這在另一種層面上也做到了一種節(jié)能。

關(guān)鍵詞：智能照明系統(tǒng)；單片機(jī)AT89S52；節(jié)能；智能控制；

照明發(fā)展到今天，已經(jīng)不是一項(xiàng)簡單地滿足人類基本生活需要的基礎(chǔ)，而是使人們生活品質(zhì)更高的物質(zhì)保障。特別是近幾年，城市照明越來越受到政府和公民的重視，這帶來了照明技術(shù)的新一輪革命。但隨著照明的快速發(fā)展，也使電能消耗越來越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，照明用電已經(jīng)占我國發(fā)電總量的12%。照明用電屬于高峰負(fù)載用電，我國照明電光源以傳統(tǒng)的白熾燈和光效低、材料消耗大、壽命短的自鎮(zhèn)流高壓汞燈為主，而高效照明燈的應(yīng)用卻并不多，普及率也很低。

在高校里面，用于照明的能耗占整體能源消耗的20%~60%，調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，教室的照明浪費(fèi)電能嚴(yán)重，在教室里沒有人或人很少的情況下，教室里的燈仍舊常亮。這不但極大地浪費(fèi)了電能，而且也使燈具的使用壽命降低。面對這些問題，如何使高校教室以及整個(gè)社會合理用電，節(jié)約照明用電，消減高峰負(fù)荷用電，是需要長遠(yuǎn)考慮的問題，因此，有必要設(shè)計(jì)一種智能的照明系統(tǒng)來節(jié)約電能。

1教室智能照明系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1教室智能照明系統(tǒng)的方案論證

所謂智能照明控制系統(tǒng)，其核心在于智能控制，目的在于節(jié)能。既然核心在于智能控制，就要選擇一個(gè)智能的控制器，那么可以采用單片機(jī)、DSP或FPGA來作為教室照明系統(tǒng)的控制器。教室智能照明系統(tǒng)需要的是節(jié)能，對于開關(guān)控制以及信號處理的速度要求并不高，AT89S52單片機(jī)能夠滿足需要，而且價(jià)格便宜，使用方便，相較于DSP，該設(shè)計(jì)將采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)。

1.2教室照明系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路

照明系統(tǒng)以控制器AT89S52為中心，配有電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行模塊等，利用光照度傳感器來探測室內(nèi)的照度，利用紅外傳感器來判斷教室內(nèi)是否有人。按照教室是否有人和自然光的照度的情況來發(fā)出相應(yīng)的指令并執(zhí)行。

系統(tǒng)總體框架如圖1所示，照明系統(tǒng)主要由控制器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、復(fù)位模塊以及執(zhí)行模塊組成。

教室智能照明控制系統(tǒng)的工作機(jī)制：白天時(shí)，教室光照度一般較好，此時(shí)照明系統(tǒng)的作用主要是補(bǔ)償陰天或有遮擋天氣時(shí)教室內(nèi)照明的不足，所以要以自然光為主，人工照明為輔。下午以及晚上時(shí)，教室主要以學(xué)生上自習(xí)為主，此時(shí)需要較好的照明環(huán)境，以人工照明為主，此時(shí)，利用紅外傳感器來判斷，教室內(nèi)是否有人，以及人所在的區(qū)域，利用傳感器給控制器的信號來控制照明系統(tǒng)，并執(zhí)行相應(yīng)的指令，即何時(shí)通斷燈具。

還要考慮另一種情況，就是如果當(dāng)光照太強(qiáng)的時(shí)候，人會感覺刺眼睛，如果不采取措施，長期這樣的話，會對學(xué)生的視力造成很大的損傷。因此，當(dāng)光照達(dá)到一定程度的時(shí)候，需要通過單片機(jī)向直流電機(jī)發(fā)出指令，讓其拉上窗簾。

圖1　教室智能照明系統(tǒng)總體框架

2智能照明系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1智能照明控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集電路

由于智能照明控制系統(tǒng)主要是根據(jù)教室內(nèi)的光照情況以及對人的感應(yīng)來進(jìn)行判斷的，因此智能照明控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集應(yīng)該由室內(nèi)光照采集及人體感應(yīng)兩部分組成。

2.1.1室內(nèi)光照采集

為了采集光照，故選用光電傳感器來采集信號。光電傳感器一般可以分為兩類，即模擬式傳感器以及脈沖式傳感器。

模擬式傳感器的工作原理主要是基于光電器件的光電流隨光通量變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，這樣光電流就成為被測非電量的函數(shù)，這類傳感器大都用于測量位移、表面光潔度、振動(dòng)等參數(shù)。

脈沖式光電傳感器的作用原理是光電器件的輸出僅有2個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，也就是“通”與“斷”的開關(guān)狀態(tài)，即光電器件受光時(shí)，無電信號輸出。這一類大多是做繼電器和脈沖發(fā)生器應(yīng)用的光電傳感器，如測量位移、速度、角速度(轉(zhuǎn)速)的光電脈沖傳感器等等。圖2是光強(qiáng)檢測原理電路。

圖2　光強(qiáng)檢測原理電路

光強(qiáng)檢測電路由光敏二極管JEFT以及電橋組成，放大部分是1個(gè)JEFT共源極放大電路，當(dāng)沒有光照時(shí)，光敏二極管的電阻很大，JEFT柵極的電壓很高，JEFT導(dǎo)通，調(diào)整RW，使電橋平衡，即使A點(diǎn)電流為0。當(dāng)有光照時(shí)，光敏管電阻迅速變小，在光敏管上產(chǎn)生IL，JEFT柵極電位下降，源極電位也下降，R2電流下降，此時(shí)電橋不再平衡，在A點(diǎn)就會輸出電流，電流不同，就說明光照強(qiáng)度不同。

2.1.2室內(nèi)人體感應(yīng)檢測電路

室內(nèi)人體感應(yīng)檢測，就是要使用紅外傳感器判斷有沒有人。雙元型紅外傳感器是基于熱釋效應(yīng)的一種紅外傳感器，即因溫度變化引起自發(fā)極化值變化的現(xiàn)象，專門用來檢測人體輻射的紅外線能量。

紅外傳感器探測到人體發(fā)出的紅外線后產(chǎn)生1個(gè)相應(yīng)的輸出信號。經(jīng)過單片機(jī)處理后，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后單片機(jī)經(jīng)過程序的處理判斷是否應(yīng)該開燈或者關(guān)燈。

2.2智能照明系統(tǒng)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

直流電機(jī)是一種以直流為輸入的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。使用直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于接線簡單，只有正負(fù)極，只需要交換正負(fù)極就可以調(diào)節(jié)正反轉(zhuǎn)。通過電壓的調(diào)節(jié)，可以小范圍的調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

對于直流電機(jī)，常用的驅(qū)動(dòng)電路有4種方案：①用專用的集成驅(qū)動(dòng)電路；②用分立功率元件與驅(qū)動(dòng)芯片IR2112組成的驅(qū)動(dòng)電路；③用JFET和繼電器組成的驅(qū)動(dòng)電路；④完全用繼電器組成驅(qū)動(dòng)電路。

考慮到在設(shè)計(jì)中的需要，要求電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)，但是對于速度的控制以及時(shí)間的控制要求都不高，因此選擇用JFET和繼電器組成驅(qū)動(dòng)電路以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。圖3是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖。

圖3　直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

在圖3所示的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，4個(gè)JEFT管是Q1和Q4一組，Q3和Q2一組，組成了1個(gè)四臂電橋。通過控制A相與B相的高低電平來使直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)A相為高電平，B相為低電平的時(shí)候，電流從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后經(jīng)Q4回到電源負(fù)極，場效應(yīng)管Q1和Q4導(dǎo)通，Q3和Q2截止，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)A相為低電平，B相為高電平的時(shí)候，Q3和Q2導(dǎo)通，Q1和Q4截止，電機(jī)反轉(zhuǎn)。4個(gè)二極管在電路中起防止晶體管產(chǎn)生反向電壓的作用，防止電動(dòng)機(jī)兩端的電流和晶體管上的電流過大。

3智能照明系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1智能照明系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

智能照明系統(tǒng)的軟件主要圍繞信號處理電路來進(jìn)行，也就是單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)。軟件程序的執(zhí)行過程：獲取傳感器中的信號，進(jìn)行處理，判斷是否應(yīng)該開燈或者關(guān)燈以及開、關(guān)燈的數(shù)量。單片機(jī)將代替人工的開關(guān)。圖4是智能照明系統(tǒng)的主程序流程圖。

之所以在主程序中以300 lx為照明下限閾值判斷的標(biāo)準(zhǔn)，是在設(shè)計(jì)中考慮到了國家在教室照明中的標(biāo)準(zhǔn)，表1是學(xué)校內(nèi)照明的標(biāo)準(zhǔn)。而以6 000 lx作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)作為上限閾值，這是因?yàn)樵谑褂谜斩扔?jì)測量各個(gè)位置的光強(qiáng)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照大于6 000 lx的時(shí)候，就會出現(xiàn)“炫目”的情況，也就是通常所說的“晃眼睛”，這時(shí)可以認(rèn)定光照強(qiáng)度不適合學(xué)習(xí)。

因此，當(dāng)光照強(qiáng)度大于6 000 lx時(shí)，就認(rèn)為光照太強(qiáng)，已經(jīng)達(dá)到了危害學(xué)生視力的強(qiáng)度，那么在這個(gè)時(shí)候，如果檢測到室內(nèi)有人，要保護(hù)學(xué)生的視力，控制直流電機(jī)拉窗簾；如果照度不足300 lx的是時(shí)候，則認(rèn)定光照太弱，也會對學(xué)生的視力造成危害，此時(shí)，要進(jìn)行補(bǔ)償光照。

圖4　主程序流程

在程序的設(shè)計(jì)中，光照的檢測和紅外線的檢測并不是簡單的“與”或者“或”的關(guān)系，而是有優(yōu)先級的。光照檢測的優(yōu)先級是要高于紅外線檢測的優(yōu)先級的，即便人再多，如果光照適合學(xué)生的學(xué)習(xí)，那么燈也不會自動(dòng)亮。

在主程序設(shè)計(jì)中，一定要注意延時(shí)，因?yàn)檫@是非常必要的。由于所設(shè)計(jì)的傳感器并非智能器件，會出現(xiàn)干擾的情況，只要有信號輸入，傳感器就會有信號輸出給單片機(jī)，所以不能判別到底是否真的有人存在。如果不加入延時(shí)，即使是有風(fēng)或者其他與人無關(guān)的信號，都會執(zhí)行開燈或者關(guān)燈的指令，這會在很大程度上讓這個(gè)智能系統(tǒng)的效率變得很低。

表1　學(xué)校照明要求

在主程序的設(shè)置中，首先對這個(gè)照明系統(tǒng)初始化，包括給定時(shí)器裝入初值、P0口的初值等等；其次進(jìn)入死循環(huán)，采集光照信號，再采集紅外傳感器的信號，然后與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較；最后根據(jù)判斷的情況，執(zhí)行任務(wù)輸出任務(wù)。

除此之外，還要設(shè)計(jì)另外的延時(shí)程序，這個(gè)延時(shí)是為了防止學(xué)生在自習(xí)或者上課的情況下出現(xiàn)短暫的“休息”。如果在這個(gè)時(shí)候，系統(tǒng)開、關(guān)燈的頻率太快，一是影響學(xué)生的健康，二是沒有達(dá)到智能的效果，也不節(jié)能，也不符合設(shè)計(jì)的要求。在設(shè)計(jì)中，設(shè)定這個(gè)延時(shí)的時(shí)間為10 min，當(dāng)學(xué)生休息的時(shí)間超過10 min時(shí)，就默認(rèn)教室內(nèi)沒有人，執(zhí)行關(guān)燈指令。這樣，如果學(xué)生在中午進(jìn)行午睡，那么自動(dòng)的開、關(guān)燈，對他們來說，是非常好的。當(dāng)在不具備開燈條件或者關(guān)燈條件的情況下，有人按動(dòng)開關(guān)，人為的想開燈或者想關(guān)燈的時(shí)候，那么此時(shí)的優(yōu)先級別最高，此時(shí)要按照開關(guān)的指令來執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

4智能照明系統(tǒng)的調(diào)試

系統(tǒng)的調(diào)試包括硬件和軟件兩個(gè)方面。硬件的調(diào)試主要包括傳感器擺放的位置，這非常重要，這關(guān)系到程序的調(diào)試要以傳感器的位置變化而變化；能否調(diào)通是智能照明系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵；軟件調(diào)試正如前面所說，要以傳感器擺放來調(diào)試，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)教室智能照明系統(tǒng)的調(diào)試。

4.1傳感器模塊的調(diào)試

要讓傳感器模塊的利用達(dá)到最優(yōu)，就要考慮光照亮度的分布以及照度的均勻度，因?yàn)檫@將在很大程度上影響系統(tǒng)是不是能夠“為人服務(wù)”。

學(xué)校視覺任務(wù)的特色是：學(xué)生看書、寫字，同時(shí)要看黑板上的字和教室的演示，這些過程在瞬間會發(fā)生轉(zhuǎn)化；老師也要進(jìn)行閱覽教案、觀察學(xué)生、在黑板上書寫等多項(xiàng)任務(wù)。學(xué)校照明的目標(biāo)就是提供良好的照明環(huán)境，使這些任務(wù)能夠順利地完成，同時(shí)要考慮到對教師和學(xué)生的視力保護(hù)，提高教學(xué)效率。

考慮到這些因素，光敏傳感器模塊的安裝位置應(yīng)該在一個(gè)教室內(nèi)活動(dòng)內(nèi)容以及照度環(huán)境相同，天然采光的條件相同，并且需要這個(gè)區(qū)域連續(xù)、沒有隔斷或者墻體的地方。而在設(shè)計(jì)中，由于用光對象主要是學(xué)生，而學(xué)生上自習(xí)主要是在桌子上進(jìn)行學(xué)習(xí)，因此，在設(shè)計(jì)中，選擇將傳感器安裝在桌面上。

而紅外線傳感器是通過一定的紅外頻率來工作的，因此不允許其周圍區(qū)域存在近似頻率工作的電子儀器，以免引起干擾，因此紅外傳感器不能和燈具安放在一起，因?yàn)殒?zhèn)流器的工作頻率可能在幾十千赫，干擾紅外傳感器的效果。

如前面所說，隨著距離的增加，傳感器衰減程度會增加，一般的紅外傳感器探測的距離為0～5 m，選擇探測的角度大概為110°。

5結(jié)論

通過在理論上對智能照明系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)、分析，以及軟件的編程，并對軟件和硬件進(jìn)行調(diào)試后，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)以AT89S52單片機(jī)為核心控制器的智能照明系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)主要功能有：

1)能夠測試室內(nèi)光的照度。

2)能夠有紅外線檢測，通過照度檢測來調(diào)節(jié)室內(nèi)光照。

3)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)所要求的達(dá)到節(jié)能的目的，并且能夠在很大程度上實(shí)現(xiàn)“為人服務(wù)”的設(shè)計(jì)。

這個(gè)智能照明系統(tǒng)的意義在于：在一定程度上解決了教室內(nèi)“長明燈”的現(xiàn)象，節(jié)約了電能，延長了燈具的壽命；并且按照外部光照的條件，給用光者一個(gè)提供較為舒適的用光環(huán)境，讓學(xué)生和教師能夠更高效地學(xué)習(xí)或者教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

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(責(zé)任編輯佟金鍇校對張凱)

Design of intelligent lighting control system

MENG Xiang-bina, MAO Hong-yana, WANG De-junb

(a. School of Automatic Control Engineering, b. School of Information

Engineering, Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：Choosing AT89S52 as the controller, using infrared sensor and photoelectric sensor for signal collection, using single-chip microcomputer to control the on-off of lamps and lanterns, a classroom intelligent lighting control system is designed. The overall design is introduced, including the specific methods and steps of this design as well as the debugging of the equipment respectively from the software and hardware. Through theoretical analysis and debugging, the design is verified that can realize the detection of illuminance, find if someone is in the classroom, make smart choices. The devices used in the design are common in laboratory or market, which are convenient to operation and have reasonable prices.

Key words：Intelligent lighting system; MCU AT89S52; energy saving; Intelligent control

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.01.020 10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.01.017

作者簡介：霍滿臣(1963-)，男，遼寧海城人，教授，博士，主要從事系統(tǒng)工程與應(yīng)用數(shù)學(xué)方面的研究。 張凡(1982-)，男，山東安邱人，研究實(shí)習(xí)員，碩士。

收稿日期：2014-10-14 2014-09-04

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-1603(2015)01-0070-04