教室照明燈智能控制系統(tǒng)的研究

李梁 湯璐逸

摘? 要：系統(tǒng)以單片機(jī)作為主控元件，采用紅外傳感器收集信號(hào)，通過紅外掃描來判斷區(qū)域內(nèi)人數(shù)，根據(jù)不同的人數(shù)控制燈亮的數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開燈，開幾盞燈，以及自動(dòng)關(guān)閉燈功能。設(shè)計(jì)的模塊包括時(shí)間控制、顯示控制等，并設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制和人工控制兩種模式。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)進(jìn)出教室人數(shù)的記錄并能因時(shí)控制亮燈個(gè)數(shù)，方便而節(jié)能。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制;紅外傳感器;節(jié)能

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）05-0044-02

Abstract： The system uses single-chip microcomputer as the main control element， uses infrared sensor to collect signals， judges the number of people in the area through infrared scanning， and controls the number of lights according to different numbers of people. It can automatically turn on lights， turn on several lights， and turn off lights automatically. The designed module includes time control， display control and so on， and two modes of automatic control and manual control are designed. The system realizes the recording of the number of people in and out of the classroom and can control the number of lights according to time， which is convenient and energy-saving.

Keywords： automatic control; infrared sensor; energy saving

1 背景

在當(dāng)前中國能源乃至世界能源危機(jī)的嚴(yán)峻形勢(shì)下，人們既注重可再生能源的開發(fā)利用，又更加注重水電等節(jié)能減排，采用傳統(tǒng)的照明方式已不符合對(duì)電力的要求高效節(jié)能的光源，打造簡(jiǎn)單低成本，易于操作，易于維護(hù)的智能照明控制系統(tǒng)指日可待，當(dāng)然，除了工業(yè)用電外，學(xué)校也是一支電力大軍，因此，校園的教室照明和路燈如果能做到綠色照明的智能控制，可以有效節(jié)省電力，保護(hù)環(huán)境，同時(shí)提高照明質(zhì)量[1]。目前傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的主要問題，很多教室都在使用傳統(tǒng)照明系統(tǒng)，需要手動(dòng)操作開關(guān)，所以當(dāng)學(xué)生下課后離開教室時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)忘記關(guān)燈情況，造成資源的浪費(fèi)。并且一天當(dāng)中不同時(shí)間段的自然光亮也不同，若是能調(diào)節(jié)至人體護(hù)眼的光亮度，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)會(huì)更有幫助。

2 系統(tǒng)總體功能

在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，對(duì)不同人數(shù)和不同時(shí)間情況下是否應(yīng)該開燈以及開幾盞燈進(jìn)行了研究和測(cè)試，同時(shí)，在人工控制模式下，可以實(shí)現(xiàn)10人亮一盞燈的模擬操作，在教室低于10人時(shí)，教室燈光會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

2.1 系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)是基于51單片機(jī)，由單片機(jī)控制整個(gè)電路信號(hào)和各個(gè)模塊的連接。設(shè)計(jì)的模塊包括傳感器模塊、燈光模塊、時(shí)間模塊、顯示模塊、手動(dòng)模塊、備份電源模塊、系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊等主要模塊。如圖1所示。

本系統(tǒng)功能流程：?jiǎn)纹瑱C(jī)接收熱敏紅外傳感器的信號(hào)，進(jìn)行處理和控制，輸出信號(hào)調(diào)節(jié)亮燈的個(gè)數(shù)。系統(tǒng)中加入了時(shí)間控制、人工控制，由紅外傳感器、時(shí)鐘模塊、人工控制這3個(gè)模塊向單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，再由單片機(jī)輸出信號(hào)控制亮燈個(gè)數(shù)，在篩選和測(cè)試了功能部件后，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能：（1）實(shí)時(shí)控制：測(cè)量地區(qū)不同時(shí)間段的環(huán)境亮度，根據(jù)時(shí)間設(shè)定燈亮的個(gè)數(shù)，使燈光在工作期間按時(shí)打開。在非工作期間關(guān)閉。（2）紅外檢測(cè)：通過紅外掃描來判斷區(qū)域內(nèi)人數(shù)，根據(jù)不同的人數(shù)控制燈亮的數(shù)量。（3）手動(dòng)控制：為教室人員提供自主改變室內(nèi)光照提供便利，在需要時(shí)可手動(dòng)控制燈光的亮滅。

2.2 亮燈個(gè)數(shù)控制方案分析

本系統(tǒng)具有對(duì)出入教室人數(shù)檢測(cè)功能，并能實(shí)時(shí)控制，方便且節(jié)約能源。本系統(tǒng)有兩種控制方式：自動(dòng)控制和人工控制。

自動(dòng)控制：系統(tǒng)在復(fù)位后處于自動(dòng)控制狀態(tài)，按照設(shè)定好的時(shí)間作息，在工作日時(shí)，能進(jìn)行根據(jù)進(jìn)出人數(shù)數(shù)目確定亮燈數(shù)量的控制，如果有人進(jìn)入教室，熱敏紅外傳感器感應(yīng)到人體后，將信號(hào)傳輸?shù)紺PU且數(shù)碼顯示器上顯示人數(shù)為1;當(dāng)有人從教室出去，則顯示器上數(shù)字自動(dòng)減1。

人工控制：在系統(tǒng)正常工作的情況下，如有需要，按下切換開關(guān)，人員可以對(duì)教室燈進(jìn)行人工控制，也可以在非工作時(shí)間下啟用手動(dòng)開關(guān)。不使用此功能時(shí)，再次按下切換按鈕，可以切換到自動(dòng)控制工作模式。

當(dāng)教室無人員進(jìn)出，且顯示器上顯示當(dāng)前人數(shù)為0時(shí)，教室燈光會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)滿足工作時(shí)間時(shí)，且有人進(jìn)去條件時(shí)，教室系統(tǒng)根據(jù)人數(shù)再次開始亮燈數(shù)的調(diào)整。

3 硬件設(shè)計(jì)模塊

3.1 中央控制模塊

系統(tǒng)中，在自動(dòng)控制模式下，紅外傳感器采集到信息，將數(shù)據(jù)傳給中央控制器和處理器（單片機(jī)），當(dāng)單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)，開始進(jìn)行處理，首先判斷是否工作時(shí)間已到，教室人數(shù)是否達(dá)到亮燈要求。若滿足上述條件，則進(jìn)入自動(dòng)控制工作狀態(tài)，可根據(jù)教室進(jìn)出人數(shù)進(jìn)行教室亮燈數(shù)目的調(diào)整。若上述條件不能全部滿足，則不進(jìn)行運(yùn)作。此時(shí)，若有特別需要，可以切換人工控制模式，進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整燈光亮滅個(gè)數(shù)。

3.2 液晶顯示電路

為了方便人工控制模式下，人員對(duì)教室信息有更快更明確的掌握，和根據(jù)人數(shù)信息進(jìn)行教室燈光數(shù)目的調(diào)整。同時(shí)，在液晶屏幕上，顯示時(shí)間，人數(shù)數(shù)據(jù)。[2]

點(diǎn)陣字符型液晶顯示器是專門用于顯示數(shù)字、字母、圖形符號(hào)及少量自定義符號(hào)的顯示器。設(shè)計(jì)中的顯示屏主要用來顯示燈亮的數(shù)目，方便查看和控制。還可以顯示當(dāng)前日期和室內(nèi)溫度。如圖2所示。

3.3 DS1302設(shè)計(jì)模塊

硬件時(shí)鐘模塊采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，具有備用電源、低功耗和臨時(shí)內(nèi)存寄存器的功能。DS1302的RST，SCLK和I/O分別與SCM的p2.0，p2.1和p2.2連接，在SCM與DS1302之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，應(yīng)將RST更改為高電平，即SCM p2.0必須為邏輯1。當(dāng)RST保持高電平并且SCLK時(shí)鐘從低電平變?yōu)楦唠娖降纳仙貢r(shí)，數(shù)據(jù)輸入DS1302，然后通過I/O從最低位置寫入數(shù)據(jù)。當(dāng)RST保持高電平并且SCLK時(shí)鐘從高電平變?yōu)榈碗娖较陆笛貢r(shí)，將從DS1302讀取數(shù)據(jù)，并且也從最低位置讀取數(shù)據(jù)通過I/O口訪問DS1302。

3.4 其他電路

按鍵電路主要模擬進(jìn)出教室的人數(shù)，由一個(gè)2×4的按鍵陣列組成，主要用于完成人工控制和自動(dòng)控制的設(shè)定。通過控制按鍵次數(shù)來模擬進(jìn)出教室的人數(shù)，在進(jìn)按鍵上按十下表示進(jìn)來十個(gè)人，會(huì)自動(dòng)亮一個(gè)燈，在出按鍵上按一下表示出去一個(gè)人，當(dāng)教室低于9個(gè)人會(huì)自動(dòng)滅燈。在標(biāo)號(hào)為暗的開關(guān)上按，表示調(diào)節(jié)燈光的亮度。系統(tǒng)依據(jù)燈光不同的亮度調(diào)節(jié)燈的亮滅個(gè)數(shù)。如圖3所示。

紅外線傳感器模塊采用熱敏紅外傳感器設(shè)計(jì)的人體感應(yīng)模塊，可實(shí)現(xiàn)感應(yīng)的人體的靠近，以進(jìn)行教室人員進(jìn)出的信號(hào)發(fā)送。發(fā)送的信號(hào)由主控電路單片機(jī)控制接收和處理。處理的結(jié)果再控制燈光電路，進(jìn)出自動(dòng)控制模式下，最后根據(jù)教室當(dāng)前人數(shù)來確定燈亮滅的個(gè)數(shù)[3]。并將燈亮的個(gè)數(shù)顯示在顯示屏上。方便查看，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。此時(shí)，當(dāng)顯示屏上燈亮的個(gè)數(shù)與教室實(shí)際燈亮的個(gè)數(shù)不對(duì)應(yīng)時(shí)，燈亮的個(gè)數(shù)多或者少時(shí)，都可以啟動(dòng)人工控制，進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整教室燈亮滅的數(shù)量。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)分析了目前教室自動(dòng)控制燈光照明的發(fā)展趨勢(shì)，介紹了基于STC89C52單片機(jī)的自動(dòng)控制亮燈系統(tǒng)的軟硬件組成，在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)燈光實(shí)時(shí)控制方面進(jìn)行了較大改進(jìn)。主要優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，運(yùn)行穩(wěn)定，并易修改以適用于不同場(chǎng)合。此外，在功能上取得了良好效果，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)出人數(shù)顯示，主要根據(jù)人數(shù)控制亮燈個(gè)數(shù)，基本實(shí)現(xiàn)了教室照明系統(tǒng)的自動(dòng)控制，達(dá)到了節(jié)能減排的效果。這種設(shè)計(jì)也方便了功能的擴(kuò)展。本系統(tǒng)主要應(yīng)用于教室的亮燈情況控制，但是對(duì)于其余場(chǎng)合，如會(huì)場(chǎng)，演播廳，展廳等，系統(tǒng)可根據(jù)不同情況進(jìn)行改動(dòng)和擴(kuò)展，亦可極大地滿足用戶的需要，即本系統(tǒng)的可移植性較好，有較大的市場(chǎng)潛力和普遍應(yīng)用的良好前景。

設(shè)計(jì)基于一個(gè)簡(jiǎn)單的教室照明系統(tǒng)進(jìn)行控制，有些情況尚未考慮，例如：

（1）這種設(shè)計(jì)未考慮多人同時(shí)出教室的情況。在教室入口兩側(cè)合理安放紅外傳感器，在比較擁擠的情況下，可改善信息出錯(cuò)情況。

（2）為提高系統(tǒng)的智能性，當(dāng)實(shí)際人數(shù)較多和場(chǎng)地過大時(shí)，可以增加紅外傳感器的數(shù)量來提高可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]張達(dá)敏.教室照明智能控制器[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，32（1）：75-78.

[2]李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[3]孟立凡，藍(lán)金輝.傳感器原理及應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2007.