綠色校園教室照明控制的設(shè)計(jì)

李紅

（吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130000）

黨的十六屆五中全會(huì)中提出“要加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)”，這一重大戰(zhàn)略決策，建設(shè)節(jié)約型校園是教育系統(tǒng)落實(shí)這一戰(zhàn)略決策的重要舉措。2013 年2 月，教育部發(fā)布了《關(guān)于勤儉節(jié)約辦教育建設(shè)節(jié)約型校園的通知》。據(jù)統(tǒng)計(jì)，學(xué)校照明用電占所有總耗電量的40%左右。因此照明節(jié)能控制成為建設(shè)節(jié)約型校園的一個(gè)重要內(nèi)容。

在國(guó)內(nèi)的大多數(shù)高校，師生的節(jié)能意識(shí)并不是很高，當(dāng)教室內(nèi)的光線已經(jīng)足夠強(qiáng)時(shí)，也沒(méi)有關(guān)燈的意向，下課離開(kāi)教室后還經(jīng)常忘了關(guān)燈，極其缺乏節(jié)能意識(shí)。另外，校園教室中的照明控制不能自動(dòng)控制，要由管理人員手動(dòng)更換，對(duì)比教室的數(shù)量管理人員遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，造成的浪費(fèi)是可避免的。本設(shè)計(jì)的目的是開(kāi)發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的教室照明智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人員監(jiān)控、室內(nèi)照明監(jiān)控和調(diào)節(jié)等基本功能，并盡可能省電和方便管理。

1 系統(tǒng)方案

本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)、電壓比較器、紅外傳感器、光敏電阻、繼電器和節(jié)能燈構(gòu)成一款綠色校園照明控制系統(tǒng)。STC89C51單片機(jī)作為主控芯片，光敏傳感器智能識(shí)別光強(qiáng)通過(guò)LM393 電壓比較器處理并將結(jié)果發(fā)送給單片機(jī)，人員監(jiān)測(cè)模塊識(shí)別人員將識(shí)別結(jié)果發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)輸出高低電平控制繼電器，由繼電器控制負(fù)載燈。當(dāng)光線強(qiáng)度不足時(shí)且有人時(shí)，繼電器吸合，驅(qū)動(dòng)負(fù)載，照明燈打開(kāi)，然后人離開(kāi)延時(shí)10s 繼電器斷開(kāi)，照明燈關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果。

系統(tǒng)主控單元是由STC89C51 單片機(jī)主控模塊所構(gòu)成的，其外圍電路主要包括：電源模塊、控制模塊、人員監(jiān)測(cè)模塊、光敏模塊、按鍵模塊、指示燈模塊和照明模塊，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 電源模塊的設(shè)計(jì)

電源是每種電子設(shè)備與系統(tǒng)的原動(dòng)力，是所有電子設(shè)備工作的必要條件。電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會(huì)讓整個(gè)電子系統(tǒng)不能正常工作，因而電源性能直接影響到整個(gè)電子系統(tǒng)的質(zhì)量。穩(wěn)壓直流電源在大多電路中承擔(dān)輸入電源，直流穩(wěn)壓電源是一種近乎接近理想性能的直流電源。由于本設(shè)計(jì)所使用的單片機(jī)在低于5V 的條件下也可以正常工作，硬件電路電源完全可以使用手機(jī)充電器和充電寶等設(shè)備代替。

3 光敏模塊電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)將光敏電阻放置在教室的窗口位置，從而檢測(cè)光的強(qiáng)度。光敏模塊電路圖如圖2 所示。檢測(cè)到光強(qiáng)變化時(shí)光敏電阻阻值變化與R4 電阻進(jìn)行電壓比較，當(dāng)感應(yīng)光線較弱時(shí)，經(jīng)電壓比較器1 端口輸出低電平給單片機(jī)；當(dāng)感應(yīng)光線較強(qiáng)時(shí)，經(jīng)電壓比較器1 端口輸出高電平給單片機(jī)。

圖2 光敏模塊電路圖

當(dāng)由光敏電阻檢測(cè)到的教室的光強(qiáng)度弱時(shí)，光敏電阻的電阻增大，并且在由R5 組成的串聯(lián)電路中分壓的電壓更高。將獲得的電壓值經(jīng)LM393 的2 和3 引腳的電壓進(jìn)行比較。（2 引腳的電壓由電阻R4 確定，代表教室的光強(qiáng)度要求），然后LM393電壓比較器輸出引腳1 引腳輸出低電平到單片機(jī)的P1.0 端口。同時(shí)，D1 指示燈亮，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器工作，節(jié)能燈打開(kāi)。

4 人員監(jiān)測(cè)模塊

人是體溫恒定動(dòng)物，人的體溫一般為37℃左右，因此它們會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)約為10μM的紅外線。被動(dòng)紅外探頭通過(guò)檢測(cè)大約10μM的紅外線來(lái)工作。菲泥爾濾光增強(qiáng)了人體發(fā)出的約10μM紅外光，并收集在紅外傳感源上。紅外傳感源使用熱電元件，其檢測(cè)人體的紅外輻射溫度的變化。失去電荷平衡，向外放電，后續(xù)電路可以處理產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，全自動(dòng)感應(yīng)，此時(shí)人進(jìn)入檢測(cè)范圍并輸出高電平。人員監(jiān)測(cè)模塊電路原理圖如圖3 所示。

圖3 人員檢測(cè)模塊電路圖

在教室內(nèi)光線較弱時(shí)，有人進(jìn)入教室，在相應(yīng)位置上紅外熱釋電探頭會(huì)感應(yīng)到有人，經(jīng)由人體傳感器HP-208 的2 引腳輸出高電平給單片機(jī)的P1.6 引腳，單片機(jī)處理之后將信號(hào)由P3.4 引腳輸出低電平給繼電器模塊，繼電器驅(qū)動(dòng)負(fù)載，使節(jié)能燈點(diǎn)亮。

本系統(tǒng)采用的是JQC-3FF-S-Z 型繼電器，繼電器驅(qū)動(dòng)電路如圖4 所示。

圖4 繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖

這里使用相應(yīng)的PNP 型號(hào)的三極管來(lái)控制繼電器的導(dǎo)通與斷開(kāi)。三極管接收低電平時(shí)，繼電器吸合，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載。設(shè)計(jì)中負(fù)載沒(méi)有接，當(dāng)繼電器吸合時(shí)，表示節(jié)能燈點(diǎn)亮。

繼電器不工作時(shí)一直處于斷開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)光敏模塊檢測(cè)到教室內(nèi)的光強(qiáng)度強(qiáng)時(shí)，單片機(jī)的P3.4 口高電平，三極管Q1 截止，繼電器線圈不通電，開(kāi)關(guān)不動(dòng)作，一直處于斷開(kāi)狀態(tài)，節(jié)能燈不亮，同時(shí)二極管D3 不導(dǎo)通，指示燈不亮。當(dāng)人員檢測(cè)模塊檢測(cè)到教室內(nèi)沒(méi)人時(shí)，單片機(jī)的P3.4 口高電平，三極管Q1 截止，繼電器線圈不通電，開(kāi)關(guān)不動(dòng)作，一直處于斷開(kāi)狀態(tài)，節(jié)能燈不亮，同時(shí)二極管D3 不導(dǎo)通，指示燈不亮。當(dāng)光敏模塊檢測(cè)到教室內(nèi)的光強(qiáng)度弱并且人員檢測(cè)模塊檢測(cè)到人時(shí)，單片機(jī)的P3.4口低電平，三極管Q1 導(dǎo)通，繼電器線圈通電，開(kāi)關(guān)動(dòng)作，一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，節(jié)能燈亮，同時(shí)二極管D3 導(dǎo)通，指示燈亮。

5 指示燈模塊設(shè)計(jì)

指示燈模塊是人員檢測(cè)模塊、光敏模塊和繼電器各自連接一個(gè)LED 燈。反應(yīng)三者的狀態(tài)。

5.1 光敏模塊指示燈電路

光敏模塊指示燈電路是用來(lái)顯示教室的光強(qiáng)度是否滿足教室光照度要求的指示燈，當(dāng)不滿足要求時(shí)指示燈不亮，滿足要求時(shí)指示燈亮

5.2 人員檢測(cè)模塊指示燈電路

人員檢測(cè)模塊指示燈電路是用來(lái)顯示教室是否有人存在的指示燈，沒(méi)人存在時(shí)指示燈不亮，有人存在時(shí)指示燈亮。

5.3 繼電器模塊指示電路

繼電器模塊指示電路是用來(lái)顯示繼電器是否工作的指示燈，當(dāng)繼電器不工作時(shí)指示燈不亮，繼電器工作時(shí)指示燈亮。

6 結(jié)論

本系統(tǒng)利用人員的檢測(cè)和光照度的檢測(cè)等功能以及主要由STC89C51 單片機(jī)構(gòu)成的主控制模塊對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，能有效的杜絕高校用電浪費(fèi)，人工控制管理的情況。同時(shí)，本系統(tǒng)在特殊情況下也設(shè)置了人工手動(dòng)開(kāi)關(guān)燈的功能，使系統(tǒng)更人性化。

本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心部件的控制系統(tǒng)，在硬件的基礎(chǔ)上進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，利用軟件編程，最終大致實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)想到達(dá)到的預(yù)期目標(biāo)，滿足了系統(tǒng)的要求。這種自動(dòng)照明控制系統(tǒng)符合現(xiàn)代智能化的發(fā)展潮流，具有節(jié)約能源、延長(zhǎng)照明設(shè)備使用壽命和管理便捷化等優(yōu)點(diǎn)，勢(shì)必會(huì)取代傳統(tǒng)的照明控制。