在能源日益緊張的今天，節(jié)能減排已經(jīng)凸顯得尤為重要了。為了倡導(dǎo)這一理念而設(shè)計(jì)了一款教室照明控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為控制核心，采用熱釋電紅外傳感器、光強(qiáng)檢測(cè)模塊、計(jì)數(shù)模塊作為前端信號(hào)采集單元。單片機(jī)會(huì)根據(jù)輸入的紅外信號(hào)、光強(qiáng)信號(hào)和人數(shù)信號(hào)綜合控制教室中日光燈的亮暗，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。
大家在生活中或許見(jiàn)到過(guò)各種各樣的節(jié)能產(chǎn)品，比如節(jié)能燈、變頻空調(diào)、太陽(yáng)能路燈、低耗電的液晶電視等。但是對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，校園中的節(jié)能應(yīng)用似乎很少。再加上粗放式的用電管理模式，電能的浪費(fèi)現(xiàn)象就處處可見(jiàn)了。教室照明用電占據(jù)了校園用電的多半部分，因此考慮如何將教室照明用電降至最低，就是要考慮如何實(shí)現(xiàn)教室照明的節(jié)能控制。
單片機(jī)以其低廉的價(jià)格和可靠的運(yùn)行，取代計(jì)算機(jī)而成為了新一代的自動(dòng)控制核心。該系統(tǒng)就是以單片機(jī)作為主控核心，應(yīng)用熱釋電紅外傳感器、光電檢測(cè)模塊和計(jì)數(shù)模塊作為前端信號(hào)采集，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的邏輯判斷進(jìn)而輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)日光燈的控制。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)由7個(gè)部分組成。光強(qiáng)檢測(cè)模塊、熱釋電紅外傳感器和人數(shù)檢測(cè)模塊作為前端信號(hào)采集單元，將信號(hào)輸入到單片機(jī)內(nèi)部，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的邏輯判斷輸出信號(hào)控制繼電器，進(jìn)而控制日光燈的亮暗。如果在緊急的情況下，需要將所有的燈都熄滅或者是點(diǎn)亮，可以按下強(qiáng)制按鈕令所有燈全亮或者全滅。并且該強(qiáng)制按鈕不會(huì)影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總框圖
1.1 光強(qiáng)檢測(cè)電路
光敏電阻是一種隨著外部光照強(qiáng)度的改變其阻值也發(fā)生相應(yīng)變化的一種元器件。光照增強(qiáng)，阻值減小，反之將會(huì)增大。光強(qiáng)檢測(cè)電路就是利用光敏電阻的這一特性設(shè)計(jì)而成。光照亮?xí)r，三極管導(dǎo)通，輸出低電平，反之輸出高電平。光照檢測(cè)電路如圖2所示。
圖2 光照檢測(cè)電路原理圖
1. 2 紅外信號(hào)檢測(cè)電路
熱釋電紅外傳感器作為該系統(tǒng)的人員位置信號(hào)檢測(cè)器，采用了熱釋電紅外處理芯片BISS0001.該芯片具有較高性能的傳感信號(hào)集成處理能力。配以熱釋電紅外傳感器和少量元器件構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外測(cè)模塊。加上菲涅爾透鏡后，能夠探測(cè)150 度的圓錐范圍，直線探測(cè)距離是5 米左右。
1. 3 計(jì)數(shù)電路
為了判斷學(xué)生是進(jìn)入教室還是走出教室，該計(jì)數(shù)電路采用了兩套信號(hào)模塊。一個(gè)裝在門(mén)外墻壁上，一個(gè)安裝在門(mén)內(nèi)墻壁上。安裝方向和墻面平行。這樣只要檢測(cè)哪一個(gè)傳感器先發(fā)出信號(hào)，再去檢測(cè)另外一個(gè)傳感器有無(wú)信號(hào)，就可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。如果是門(mén)外的先有信號(hào)，門(mén)內(nèi)的后來(lái)信號(hào)，則說(shuō)明有人進(jìn)入到教室； 反之說(shuō)明有人走出教室。記得的人數(shù)寄存在單片機(jī)內(nèi)部待用。
該電路采用一個(gè)激光頭和一套光強(qiáng)檢測(cè)電路搭配組成計(jì)數(shù)模塊，讓激光頭發(fā)出的光直射在光強(qiáng)檢測(cè)電路的光敏電阻上。如果有人通過(guò)門(mén)的話，就會(huì)遮擋激光頭發(fā)出的激光，使光敏電阻上的光照強(qiáng)度發(fā)生改變，從而產(chǎn)生信號(hào)供給單片機(jī)。原理示意圖如圖3 所示。
圖3 計(jì)數(shù)器安裝示意圖
1. 4 輸出驅(qū)動(dòng)電路
要控制交流220 V 的日光燈，必須利用繼電器將強(qiáng)弱電隔離開(kāi)，以確保安全。繼電器的工作電壓是直流12 V.為了防止驅(qū)動(dòng)部分工作時(shí)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，在輸出緩沖單元74HC244 后加光電隔離。繼電器工作線圈在斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，需加續(xù)流二極管防止有可能對(duì)系統(tǒng)造成的干擾。
1. 5 電源模塊
該系統(tǒng)的電源電路由于技術(shù)比較成熟，所以只做簡(jiǎn)要介紹。交流電220 V 通過(guò)變壓器降至交流15 V 和6 V，然后經(jīng)過(guò)整流橋變成直流，再通過(guò)電容濾波和LM317 穩(wěn)壓到直流5 V 和直流12 V 供單片機(jī)和繼電器使用。
2 硬件總體電路
系統(tǒng)總體硬件電路主要包括以下幾個(gè)部分： 光強(qiáng)檢測(cè)、計(jì)數(shù)、紅外信號(hào)檢測(cè)、光電隔離部分、輸出驅(qū)動(dòng)部分、顯示輸出部分?？傮w電路如圖4 所示。
圖4 系統(tǒng)總體電路
單片機(jī)的選擇要根據(jù)所控制的對(duì)象來(lái)進(jìn)行，由于控制日光燈不會(huì)占用太多的輸入輸出口，程序占用的空間也不大，所以選擇51系列單片機(jī)已經(jīng)能夠滿足要求。單片機(jī)和電腦之間的串行通信采用了MAX232 芯片，該芯片是一款專(zhuān)門(mén)為電腦的RS-232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的低功耗電平轉(zhuǎn)換芯片。
隔離對(duì)于工作在強(qiáng)電周?chē)膯纹瑱C(jī)來(lái)說(shuō)是十分必要的，可以減少?gòu)?qiáng)電的變化對(duì)單片機(jī)的干擾。光電隔離芯片TLP521-4 是一種可以實(shí)現(xiàn)前端和負(fù)載端的信號(hào)隔離的光電耦合器件，可以增強(qiáng)電路的安全性，降低干擾。
輸出驅(qū)動(dòng)部分采用了74HC244 芯片和ULN2003 芯片。
這兩款芯片都有增強(qiáng)單片機(jī)帶載能力的作用。
顯示部分由兩個(gè)8 段LED 數(shù)碼顯示管組成，顯示教室當(dāng)中實(shí)時(shí)的人數(shù)。
3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
從節(jié)能角度出發(fā)，系統(tǒng)可以根據(jù)光照強(qiáng)度、教室人數(shù)以及人所在位置對(duì)教室亮燈情況進(jìn)行控制。
以教室中有三盞燈為例，沒(méi)有外部強(qiáng)制條件中斷時(shí)，光照強(qiáng)度為暗并且紅外傳感器檢測(cè)到有人進(jìn)入教室就可以亮燈。起初教室中沒(méi)有人時(shí)，所有的燈都不會(huì)點(diǎn)亮。人數(shù)大于0 小于5 時(shí)二號(hào)區(qū)域的燈被強(qiáng)制點(diǎn)亮。人數(shù)大于等于5 小于9 時(shí)，根據(jù)紅外傳感器檢測(cè)到的人的位置來(lái)確定點(diǎn)亮哪個(gè)區(qū)域的燈。當(dāng)人數(shù)大于等于9 時(shí)，全部點(diǎn)亮所有燈。人數(shù)減少到小于9 大于等于5 時(shí)，三號(hào)區(qū)域紅外檢測(cè)一段時(shí)間是否有人，沒(méi)人的話將三號(hào)區(qū)域的燈熄滅，有人的話將一號(hào)區(qū)域的燈熄滅。當(dāng)人數(shù)小于5 時(shí)，將除二號(hào)燈以外的燈全部熄滅。
人數(shù)為零時(shí)所有燈熄滅。
有外部中斷時(shí)，一次中斷將所有燈點(diǎn)亮，再一次中斷將恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。程序流程圖如圖5 所示。
圖5 程序流程圖
4 結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)最終測(cè)試能夠滿足設(shè)計(jì)要求，有著廣闊的應(yīng)用前景。不僅僅適用于教室，會(huì)場(chǎng)、候車(chē)室等一些人員比較集中的地方，還可以作為樓宇照明控制系統(tǒng)使用。只要稍加改變就可以適應(yīng)許多場(chǎng)合的照明控制。將來(lái)可以將多個(gè)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)集中控制，加入電能協(xié)調(diào)分配功能，更好地達(dá)到節(jié)約電能的目的。
