基于單片機(jī)的教學(xué)樓智能照明節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉瑞妮++梁瑞

摘要：鑒于當(dāng)前能源緊缺及高校用電浪費(fèi)的情況，設(shè)計(jì)了一種基于STC單片機(jī)的教學(xué)樓智能照明控制系統(tǒng)，使用光照傳感器和紅外傳感器分別對(duì)教學(xué)樓內(nèi)光照強(qiáng)度以及人員出入數(shù)目進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)教學(xué)樓內(nèi)光照強(qiáng)度和人數(shù)達(dá)到一定范圍時(shí)，通過電磁繼電器動(dòng)態(tài)控制照明燈的開啟或關(guān)閉，該系統(tǒng)的推廣使用可以實(shí)現(xiàn)各類學(xué)校教室、辦公樓內(nèi)照明燈具的智能控制，達(dá)到節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：智能照明；單片機(jī)；傳感器

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）20-0224-02

隨著全球電力資源形勢(shì)日趨嚴(yán)重，越來越多的人開始關(guān)注節(jié)能問題。我國(guó)也面臨著電力供應(yīng)不足和能源短缺等問題，這些問題成了制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的首要問題。同時(shí)現(xiàn)在大學(xué)不斷地在擴(kuò)招、規(guī)模也不斷擴(kuò)大，教室的數(shù)量也明顯的在增加，為教師和學(xué)生提供一個(gè)良好的教學(xué)和學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生的學(xué)習(xí)氛圍也越來越濃厚，學(xué)校也做出了巨大的努力。但是目前我國(guó)高校師生節(jié)能意識(shí)薄弱，長(zhǎng)明燈現(xiàn)象非常普遍，人走不關(guān)燈的現(xiàn)象隨處可見，極大地浪費(fèi)了資源。有資料顯示，如果不及時(shí)開發(fā)新能源和提高人們的節(jié)能意識(shí)，世界上的能源僅僅夠人類使用 100 年，因此節(jié)能問題已經(jīng)迫在眉睫。所以，設(shè)計(jì)研究出一個(gè)杰出的教學(xué)樓智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)成為研究節(jié)能控制系統(tǒng)的熱點(diǎn)問題[1-5]。

與以往利用分立元件設(shè)計(jì)的聲光控制開關(guān)相比較，基于單片機(jī)的智能照明系統(tǒng)運(yùn)用軟件實(shí)現(xiàn)其智能節(jié)能的功能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活，并且方便擴(kuò)充其他相關(guān)功能[3，4]。本文通過傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套教學(xué)樓智能照明系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)教學(xué)樓內(nèi)光照強(qiáng)度，并根據(jù)學(xué)生多少開啟不同數(shù)量的照明燈，提高能源利用率，減少不必要的能源浪費(fèi)，同時(shí)節(jié)省照明設(shè)備的損耗、減少學(xué)校電費(fèi)支出，降低運(yùn)營(yíng)成本，節(jié)約能源。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心器件，由光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊、紅外檢測(cè)模塊、顯示模塊、電磁繼電器和若干照明燈構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。紅外檢測(cè)模塊主要對(duì)教室內(nèi)人數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并在LCD顯示器上顯示。整個(gè)教室配備了一個(gè)光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊，該模塊以光敏電阻作為光照傳感器，將檢測(cè)到的光照強(qiáng)度送給單片機(jī)，結(jié)合紅外檢測(cè)模塊檢測(cè)結(jié)果，與預(yù)先設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較，從而做出相應(yīng)控制，當(dāng)超過設(shè)置界限時(shí)，控制電磁繼電器進(jìn)行工作，教室內(nèi)燈光相應(yīng)打開。系統(tǒng)設(shè)置手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式，正常情況系統(tǒng)工作于自動(dòng)模式，自動(dòng)根據(jù)教室內(nèi)光照強(qiáng)度和人數(shù)控制燈光數(shù)量，若出現(xiàn)異常狀況，工作人員可手動(dòng)控制教室內(nèi)照明燈的開滅，并及時(shí)做出應(yīng)對(duì)措施，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

本設(shè)計(jì)的核心思想主要是依據(jù)單片機(jī)的工作原理，同時(shí)利用傳感器和紅外對(duì)管的特征，二者相互連接，以此來設(shè)計(jì)有關(guān)的電路，來完成所期望的要求。利用單片機(jī)來確認(rèn)和完成獲取各個(gè)變量之間的值與要求，利用液晶顯示屏及時(shí)準(zhǔn)確的來統(tǒng)計(jì)相對(duì)應(yīng)的人數(shù)體現(xiàn)各種狀況，當(dāng)超過設(shè)置界限時(shí)，教室內(nèi)燈光相應(yīng)打開，同時(shí)電磁繼電器進(jìn)行工作。設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單易于操作同時(shí)還可以及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)出教學(xué)樓內(nèi)光照強(qiáng)度及教室內(nèi)人數(shù)的智能節(jié)能體系。光照強(qiáng)度部分選用LM393和一個(gè)光敏電阻，通過設(shè)計(jì)電壓比較器來檢測(cè)教學(xué)樓內(nèi)光照強(qiáng)度；人員檢測(cè)部分選用一對(duì)紅外對(duì)管相互平行，作為檢測(cè)人員出入的元件。

2 智能照明系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 光照檢測(cè)模塊

光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊主要對(duì)教室內(nèi)光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)，由LM393和一個(gè)光敏電阻組成，通過設(shè)計(jì)電壓比較器來檢測(cè)教學(xué)樓內(nèi)實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度。將光敏電阻與一個(gè)阻值固定的精細(xì)電阻串聯(lián)分壓得到的電壓信號(hào)送給LM393。由于光敏電阻的阻值會(huì)隨著光照強(qiáng)度的不同而發(fā)生改變，從而改變電阻兩端的電壓大小，因此會(huì)在LM393的輸入端得到不同的電壓信號(hào)。因?yàn)镾TC單片機(jī)集成了AD轉(zhuǎn)換模塊，電路可直接與單片機(jī)連接，故不必再設(shè)置獨(dú)立A/D轉(zhuǎn)換芯片了，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.2 紅外檢測(cè)模塊

紅外檢測(cè)模塊可以對(duì)教室內(nèi)人員流動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)，主要包括：紅外發(fā)射管，紅外接收管。其工作原理為：當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)射出紅外線后，紅外接收管接收到紅外線的照射后，其內(nèi)部電阻阻值變小，當(dāng)沒有紅外線的照射時(shí)其內(nèi)部阻值較大，這是紅外線接收器內(nèi)部的電阻起到了傳感器的作用，然后通過對(duì)比電壓比較器上的電壓和基準(zhǔn)電壓的值做出相應(yīng)反應(yīng)。當(dāng)有紅外線照射期間，紅外接收管內(nèi)阻值較小，那么和其串聯(lián)的電阻上分的電壓就會(huì)增大，所以電壓比較器就會(huì)輸出一個(gè)高電平，當(dāng)無紅外光照期間，紅外接收管的電阻值相對(duì)較大，此時(shí)電壓比較器就會(huì)輸出一個(gè)低電平。這個(gè)就是外部計(jì)數(shù)電平信號(hào)，將這個(gè)電平信號(hào)送入STC單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)掌控，再經(jīng)過擴(kuò)展，顯示，驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)最后的顯示。

對(duì)于日光燈負(fù)載，可采用繼電器控制，由于單片機(jī)I/0口提供的電流太小，不能直接驅(qū)動(dòng)繼電器。在這里采用一個(gè)8050來提供一個(gè)開關(guān)電壓，實(shí)現(xiàn)I/0口對(duì)繼電器的驅(qū)動(dòng)。

2.3 顯示模塊

顯示部分采用LCD液晶顯示器，其具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)顯示教室內(nèi)人數(shù)、光照強(qiáng)度、開燈數(shù)量及手動(dòng)/自動(dòng)模式等信息。

2.4 單片機(jī)及外圍電路

本設(shè)計(jì)主要是以STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心控制部件，選取它作為一個(gè)最小系統(tǒng)。控制器組件由電平轉(zhuǎn)換部分及80C51單片機(jī)組成，其主要任務(wù)是完成對(duì)各探測(cè)器輸出狀態(tài)的檢測(cè)，并根據(jù)設(shè)置的軟件要求對(duì)照明燈具進(jìn)行亮、滅控制。

在整棟教學(xué)樓的照明控制系統(tǒng)中，由于教室、走廊上所設(shè)計(jì)的燈的數(shù)量不一定，因此可根據(jù)實(shí)際可控空間增減。在本執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的CPU具有四個(gè)I/O接El，有32條可供用戶使用的I/O接口。先將光、聲、觸、人體感應(yīng)四個(gè)傳感器相結(jié)合控制單一的教室、走廊、路燈三個(gè)輸出信號(hào)，做初步的分析。把P0口的一部分口線作為傳感器輸入線，其余口均可作為控制、輸出口線。在本控制器中，P0.0作為光控傳感器信號(hào)輸入，P0.1作為聲音傳感器信號(hào)輸入，P0.2作為人體熱感應(yīng)信號(hào)輸入，P2.0～P2.2分別作為控制路燈、走廊、教室的三個(gè)輸出控制線。

3 軟件設(shè)計(jì)

在整個(gè)控制系統(tǒng)工作的過程中，LCD顯示屏上實(shí)時(shí)顯示一對(duì)紅外對(duì)管檢測(cè)到的人數(shù)，當(dāng)紅外對(duì)管檢測(cè)到有人進(jìn)入或出去時(shí)，液晶顯示器上的數(shù)值會(huì)相應(yīng)增大或減少，當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定好的人數(shù)范圍時(shí)，單片機(jī)就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的指令，從而控制電磁繼電器進(jìn)行工作，同時(shí)監(jiān)測(cè)外部中斷按鍵，通過外部中斷按鍵來選擇相同的工作模式。

首先對(duì)整個(gè)程序初始化，然后通過按鍵選擇工作模式后（選擇自動(dòng)模式），再根據(jù)具體情況作出相應(yīng)操作：

1）光照檢測(cè)電路檢測(cè)外界光強(qiáng)度信號(hào)，當(dāng)光照充足時(shí)，關(guān)閉所有的燈；當(dāng)光線變暗到一定程度，利用電磁繼電器開啟照明燈具；

2）光照不充足的情況下，根據(jù)紅外檢測(cè)模塊檢測(cè)到的人數(shù)確定開燈數(shù)量。

經(jīng)過多次安裝調(diào)試、軟件測(cè)試，該控制器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以下功能：

1）能在光照、紅外人體感應(yīng)的控制下實(shí)現(xiàn)電路的導(dǎo)通與截止；

2）能夠根據(jù)不同的外界環(huán)境（光強(qiáng)、人數(shù)）自動(dòng)（或手動(dòng)）開啟、關(guān)閉教室相應(yīng)數(shù)量的照明燈。

3）響應(yīng)時(shí)間較快。

4）節(jié)能效果明顯。

由此說明，設(shè)計(jì)完成的智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)符合實(shí)際需求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于STC系列單片機(jī)的智能照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)教室內(nèi)、外燈光的智能控制，能夠根據(jù)外界環(huán)境及教學(xué)樓內(nèi)學(xué)生數(shù)量多少發(fā)出命令，自動(dòng)控制開啟或關(guān)閉相應(yīng)數(shù)量的照明燈，能夠有效杜絕“長(zhǎng)明燈”現(xiàn)象，達(dá)到節(jié)約能源的目的。系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制核心，利用軟件實(shí)現(xiàn)控制功能，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可維護(hù)性和可擴(kuò)展性好。

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