基于自動控制的教室智能燈設(shè)計

李冶（通信作者），劉賓坤，吉慶輝，陳昱行，黃浚恒

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧大連，116600）

0 引言

社會在不斷發(fā)展，人類也在追求更高的生活，但同時一些資源的浪費(fèi)也變得多起來，能源缺失成為了全球普遍的問題，2007年我國照明用電約2905億度，國家也批準(zhǔn)了新的節(jié)能減排政策，環(huán)保節(jié)能成為全國的關(guān)注，而在學(xué)校隨著學(xué)生壓力的變大，課下學(xué)生在教室的自習(xí)時間也變多，所以教室這種公共地方的使用也變多起來。但是，學(xué)生自習(xí)結(jié)束后陸續(xù)離開，有時學(xué)生忘記關(guān)燈導(dǎo)致夜晚教室在空無一人的情況下燈光照亮整夜，造成電能浪費(fèi)。

解決教室電能浪費(fèi)的方法就是設(shè)計一種能夠自動控制的教室智能燈?；谧詣涌刂频慕淌抑悄軣艨梢詫?shí)現(xiàn)在教室無人的情況下自動關(guān)閉燈，目的是減少教室電的浪費(fèi)，提高教室的用電利用率，教室中空無一人且燈光通明的現(xiàn)象一去不復(fù)返。

基于自動控制的教室智能燈以STC89C51為核心控制器，集成光敏和人體感應(yīng)兩種傳感器，可實(shí)現(xiàn)對開燈和關(guān)燈的自動可靠控制以及教室燈光亮度的調(diào)節(jié)，減輕了學(xué)校管理人員的負(fù)擔(dān)，提高了用電效率，環(huán)保經(jīng)濟(jì)[2]，符合節(jié)能減排的理念。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文所研究的自動控制教室智能燈主要構(gòu)成部分是由供電模塊、光敏模塊、人體感應(yīng)模塊、復(fù)位電路以及晶振電路組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)是以STC89C51為核心控制器所設(shè)計的教室智能燈，光敏模塊中光敏電阻感應(yīng)光照，做出相關(guān)的處理把信號傳送給單片機(jī)。人體感應(yīng)模塊中的人體傳感器感應(yīng)到人體發(fā)出的特定波長的紅外線[3]，做出相關(guān)的處理把信號傳給單片機(jī)。此次設(shè)計集成兩種傳感器，最終實(shí)現(xiàn)開燈和關(guān)燈的自動控制。

2 電路各模塊設(shè)計及說明

2.1 系統(tǒng)主控電路

以STC89C51為核心，它是一種速度快且功耗少的單片機(jī)，不需要專用的編程器，共兩個16位定時器。性價比高的STC89C51單片機(jī)為核心解決相關(guān)的問題，其中本次設(shè)計所用到的一些特殊引腳的功能如下：XTAL1為反向振蕩器的輸入。XTAL1為反向振蕩器的輸出。RST為復(fù)位電路的輸入端。P3.4為定時計數(shù)器的外部輸入端，功能強(qiáng)大的引腳為系統(tǒng)的設(shè)計提供了幫助。

2.2 光敏模塊

光敏模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。此模塊包括光敏電阻和電壓比較器兩部分，本設(shè)計使用光敏電阻值的不同而對電阻值進(jìn)行了分壓，獲得的電壓值提供給LM393電壓比較器，通過10kΩ的一個可調(diào)電阻對光線的限值進(jìn)行調(diào)整，感應(yīng)測量到光線的大小，然后把這些信號送到單片機(jī)上進(jìn)行處理。

圖2 光敏模塊

LM393電壓比較器是一種高增益,寬頻帶的器件，通常有一個信號與參照信號進(jìn)行比較和兩個信號進(jìn)行比較兩種方式，本次方案采取的是一個信號與參照信號進(jìn)行比較，當(dāng)圖中INA+的電壓超過了INA-的電壓，那么在圖中比較器就會輸出高電平，當(dāng)圖中INA-的電壓超過了INA+的電壓，那么在圖中比較器就會輸出低電平。

采用的光敏電阻型號為GL5516，此光敏電阻廣泛應(yīng)用于光電控制、光控?zé)粢约肮I(yè)控制等領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)光的檢測、操縱以及轉(zhuǎn)換等功能。光敏電阻有封裝可靠性、體積小反應(yīng)速度快環(huán)保等特點(diǎn)，光敏電阻對光的敏感性與人眼對可見光的感應(yīng)很接近,可以實(shí)現(xiàn)單電源供給電，最大功耗為90mw，在10Lux光照下，亮電阻阻值為5~10kΩ，滿足電路的正常工作。

2.3 繼電器模塊

本設(shè)計的繼電器模塊是由電磁繼電器、發(fā)光二極管、電阻組成，如圖3所示。本次采用的是SRD-05VDC-SL-C電磁繼電器，額定電壓5V，體積小便于焊接等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電路的正常工作，電流通過線圈的兩端提供電壓，電流通過線圈流動，然后產(chǎn)生電磁效應(yīng)，運(yùn)動觸點(diǎn)和靜態(tài)觸點(diǎn)將被拉到一起。

圖3 繼電器模塊

其中整個模塊用三極管來驅(qū)動，三極管選取的是SS8550型號的三極管，型號是PNP型三極管，它的特性是集電極電流為1.5A，材質(zhì)無纖無鹵素，節(jié)能環(huán)保。其中單片機(jī)P3.4引腳輸出低電平時，三極管導(dǎo)通，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，繼電器吸合，繼電器驅(qū)動負(fù)載，使燈點(diǎn)亮。單片機(jī)P3.4引腳輸出高電平時，三極管不導(dǎo)通，發(fā)光二極管不點(diǎn)亮，繼電器閉合，燈不亮。其中發(fā)光二極管為顯示作用，通過二極管的亮滅可以判斷出燈的開關(guān)狀態(tài)[4]。

2.4 人體感應(yīng)模塊

采用HC-SR501人體感應(yīng)模塊，此模塊是基于紅外的自動控制模塊，其上有調(diào)節(jié)距離的電位器，順時針轉(zhuǎn)會增大感應(yīng)距離，逆時針轉(zhuǎn)會縮小感應(yīng)距離，其上有調(diào)節(jié)感應(yīng)延遲時間的電位器，順時針旋轉(zhuǎn)會增加感應(yīng)的延時時間，逆時針會縮小感應(yīng)的延遲時間。人體感應(yīng)模塊的靜態(tài)電流小于50uA，可以實(shí)現(xiàn)和各個電路的連接。

人體傳感器的紅外探頭可以檢測到人體發(fā)出的紅外線，不受外面可見光的影響，它的工作原理為人體散發(fā)出大約為10um波長的紅外線[5]，而紅外探頭能夠感應(yīng)到由人發(fā)出的紅外光，通過菲涅爾透鏡能夠?qū)⑦@些光束中的紅外線變得更加集中并且減掉其他輻射的影響。

如圖4所示，感應(yīng)模塊其上的探頭感應(yīng)到人體時，輸出高電平，Q2三極管導(dǎo)通，P16引腳輸出高電平，人走后輸出低電平，Q2三極管截止，P16引腳輸出低電平。人體感應(yīng)模塊的輸出電壓為3.3V經(jīng)過一個轉(zhuǎn)換電路，使單片機(jī)能夠更加容易的識別出高電平。發(fā)光二極管作為指令的功能，通過2k的電阻將單片機(jī)P1.5引腳相連。當(dāng)有人進(jìn)入時，單片機(jī)的P15引腳會產(chǎn)生一個低電平，此時發(fā)光二極管會點(diǎn)亮指示有人。

圖4 人體感應(yīng)模塊

2.5 晶振電路

晶振電路和復(fù)位電路組成了我們認(rèn)識的單片機(jī)最小系統(tǒng)，如圖5所示。在單片機(jī)的時鐘信號主要分內(nèi)部時鐘模式和外部時鐘模式兩種，在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2兩個引腳外接一個晶振，可以使單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生一個時鐘脈沖信號，而在圖5中電容C2和C3能夠達(dá)到快速起振的效果。

2.6 復(fù)位電路

復(fù)位電路的作用是使整個系統(tǒng)回到剛開始的狀態(tài)，而復(fù)位電路又分為上電自動復(fù)位、系統(tǒng)復(fù)位和按鈕復(fù)位等多種方式，本設(shè)計利用按鈕復(fù)位的方式，是通過RST端經(jīng)過電阻與VCC實(shí)現(xiàn)了復(fù)位的功能，使用者通過按鍵的形式可以恢復(fù)電路的初始狀態(tài)，電路如圖5所示。

圖5 單片機(jī)最小系統(tǒng)

3 軟件程序設(shè)計

程序編程是在keil軟件環(huán)境下開發(fā)的，此軟件支持C語言的編寫，通過對程序的編程與運(yùn)行實(shí)現(xiàn)多方面的功能。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計以硬件設(shè)計為基礎(chǔ)，采用了模塊式的設(shè)計，使系統(tǒng)能夠運(yùn)行的更可靠，軟件流程圖如圖6所示。

圖6 流程圖

首先主程序執(zhí)行時進(jìn)行初始化，其次光敏模塊中的光敏電阻感應(yīng)光的強(qiáng)弱，當(dāng)感受到的光照值多的情況下，即為白天，將信號傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)在做出相應(yīng)的處理將信號傳給繼電器，繼電器斷開，燈不亮；光線低于一定值時，即為黑天，將這些信號傳送給單片機(jī)上進(jìn)行處理，接著人體傳感器判斷是否感應(yīng)到人體發(fā)出的紅外波長，如果人體傳感器沒有感應(yīng)到人體發(fā)出的紅外波長，返回初始化，如果人體傳感器感應(yīng)到人體發(fā)出的紅外波長，繼電器吸合，燈點(diǎn)亮，流程結(jié)束。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)是以STC89C51為核心，通過軟件編程，實(shí)現(xiàn)了人們需要的各項(xiàng)要求。通過各個電路的共同作用，完成了對燈的控制作用，實(shí)現(xiàn)了對教室燈的自動控制。本次設(shè)計經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，總體設(shè)計安全簡單，方便安裝，具有很大的實(shí)用性，可以安裝在樓道、辦公室、教室等公共場所，相信未來一定會被廣泛使用。