單片機(jī)下的高校教學(xué)樓智能照明系統(tǒng)

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摘要：本文中使用單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊采集到的信息進(jìn)行處理，然后根據(jù)處理結(jié)果對(duì)光敏模塊進(jìn)行控制，而光敏模塊又與燈具相連接，從而達(dá)到了單片機(jī)根據(jù)外部環(huán)境的變化對(duì)燈具進(jìn)行智能控制的目的。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；照明系統(tǒng)；智能控制

1引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)高校消耗電能的比重還在不斷的上升，其中學(xué)校的照明系統(tǒng)更是占到了學(xué)校總消耗電能的一半以上。很多學(xué)校為了避免晚上教學(xué)樓燈具持續(xù)開(kāi)著，每天都會(huì)安排相關(guān)人員去教學(xué)樓檢查，不僅浪費(fèi)人力而且節(jié)能效果不明顯。當(dāng)前節(jié)約用電的方法主要通過(guò)人工來(lái)控制燈具的亮滅，加裝上光控開(kāi)關(guān)或者聲控開(kāi)關(guān)來(lái)控制燈具，或者是更換為太陽(yáng)能等新能源設(shè)備的方式。但是，通過(guò)聲控、光控的方式來(lái)控制燈具，相關(guān)人員在維修操作的時(shí)候比較麻煩，而且照明系統(tǒng)出錯(cuò)率也高。如果采用太陽(yáng)能等新能源設(shè)備用于照明的話(huà)，初期需要投入的資金比較大，其次這些新能源雖然可以節(jié)能，但是天氣等因素對(duì)其影響比較大，在節(jié)約高校電能能源方面的實(shí)用性不強(qiáng)。因此，本文提出了一種基于單片機(jī)的高校教學(xué)樓智能照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)將各個(gè)模塊連接到一起，通過(guò)各模塊的協(xié)調(diào)工作來(lái)自動(dòng)控制燈具的亮滅，人們只需定期維修檢查即可，方便管理，同時(shí)可以節(jié)約電能，增加燈具的使用壽命。

2智能照明控制系統(tǒng)功能

本智能照明控制系統(tǒng)用更加節(jié)能的LED燈具來(lái)替換傳統(tǒng)的熒光燈，LED燈壽命長(zhǎng)、節(jié)能效果好，后期維修和電能消耗所花費(fèi)的費(fèi)用低。照明控制系統(tǒng)一般有上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分，上位機(jī)通過(guò)一定的通信協(xié)議來(lái)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行操作，下位機(jī)連接著照明燈具，這樣通過(guò)上位機(jī)就可以控制燈具的開(kāi)啟和閉合。本文系統(tǒng)考慮到實(shí)際成本和操作復(fù)雜程度和安裝設(shè)備的復(fù)雜程度，僅使用照明系統(tǒng)中的下位機(jī)部分，這樣不僅節(jié)省了成本，而且節(jié)能效果也比較明顯。下位機(jī)主要包括單片機(jī)、人體紅外模塊、光照度模塊，將數(shù)據(jù)采集模塊的傳感器按照實(shí)驗(yàn)確定好的最佳位置分別布置在每個(gè)教室中，實(shí)時(shí)地檢測(cè)教學(xué)樓中教室內(nèi)的光照度情況和人員情況[1]。通過(guò)提前在單片機(jī)中寫(xiě)入程序數(shù)據(jù)，使智能照明系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行工作，系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)的將采集到的數(shù)據(jù)與提前輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，然后根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果來(lái)控制燈具是否開(kāi)啟。教學(xué)樓智能照明控制系統(tǒng)的功能主要包括以下幾點(diǎn)：（1）在人體紅外模塊采集了數(shù)字信號(hào)后，單片機(jī)通過(guò)接收紅外模塊采集信號(hào)的高電平或者低電平來(lái)判斷當(dāng)前教室內(nèi)是否有人活動(dòng)，高電平位有人，低電平為無(wú)人；（2）在光照度探測(cè)模塊采集了光照度信號(hào)后，單片機(jī)通過(guò)接收光照模塊的采集數(shù)據(jù)來(lái)判斷是否達(dá)到了要求的亮度，從而控制燈具亮滅；（3）單片機(jī)對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，然后根據(jù)處理后得到的結(jié)果來(lái)控制模塊工作，從而實(shí)現(xiàn)控制燈具的亮滅。

3教學(xué)樓智能照明控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1STC89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的智能系統(tǒng)所使用的是既便宜，而且可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的STC89C52RC芯片。STC89C52RC芯片是STC公司所生產(chǎn)的一種微控制器，此芯片耗能非常低，而且芯片運(yùn)行性能非常高，是高新能的8位控制器[2]。STC89C52RC單片機(jī)的最小系統(tǒng)就是用最少的器件組成可以正常運(yùn)行的系統(tǒng)，包含STC89C52RC單片機(jī)、電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路等[3]。此系統(tǒng)的供電方式采取了5V直流的供電方式，因此使用7805三端穩(wěn)壓芯片來(lái)使交變電流變?yōu)橹绷麟娏?，需要在電路中加入一個(gè)5V的穩(wěn)壓直流電源來(lái)為電路提供所需要的5V直流電源。在連接時(shí)首先要將單片機(jī)的VCC與VSS接在電源的+5V和地端。圖1所示的是STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)。

3.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

3.2.1光照度模塊電路該智能照明系統(tǒng)是在保持教室學(xué)生適宜的照度情況下盡可能地節(jié)約電能，在光照值的設(shè)定過(guò)程中，嚴(yán)格按照國(guó)家制定的照明標(biāo)準(zhǔn)，其中在《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034-2013）中對(duì)學(xué)校建筑照明做了如表1所示的標(biāo)準(zhǔn)：光照度探測(cè)模塊選擇使用的是光敏電阻傳感器模塊，此模塊中使用LM393芯片、光敏電阻、指示小燈以及一些電容電阻。如圖2所示，LM393芯片內(nèi)部是一個(gè)雙電壓比較器集成電路，在工作的時(shí)候，將接在R-Light端的受到光照時(shí)光敏電阻所產(chǎn)生的電阻值變化情況轉(zhuǎn)變成為電壓信號(hào)，然后將這個(gè)電壓信號(hào)在傳遞給LM393芯片中的同相輸入端INB+，將收集到的這個(gè)電壓與此芯片中的反向輸入端INA-端設(shè)定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)同相端INB+電壓大于反相端INA-端電壓時(shí)，LM393芯片的輸出端輸出高電平電壓，即輸出TTL信號(hào)為“1”，反之，LM393芯片的輸出端輸出低電平電壓，即輸出TTL信號(hào)為“0”。如圖3所示。單片機(jī)通過(guò)此信號(hào)，來(lái)判斷周?chē)h(huán)境中光照度的強(qiáng)弱。在周?chē)h(huán)境中的光照度充足時(shí)，光敏電阻傳感器模塊中的光敏電阻的阻值非常小，使得INB+端電壓值小于INA-端電壓值，此時(shí)輸出端OUT輸出低電平電壓，即為“0”。在周?chē)h(huán)境中的光照度低于設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，光敏電阻的阻值增大，使得INB+端的電壓值高于INA-端的電壓值，此時(shí)輸出端OUT輸出高電平電壓，即“1”。

3.2.2人體紅外模塊電路如圖4所示，人體紅外探測(cè)模塊通過(guò)熱釋電紅外傳感器來(lái)檢測(cè)人體所輻射出來(lái)的紅外線(xiàn)，以此來(lái)判斷教室內(nèi)是否有人員在活動(dòng)。通過(guò)在熱釋電紅外傳感器前面加裝菲涅爾透鏡，使熱釋電紅外傳感器可極靈敏的檢測(cè)到人體紅外線(xiàn)。其工作原理是人體發(fā)出的紅外線(xiàn)通過(guò)菲涅爾透鏡后聚集到紅外感光源上，紅外感光源接收到人體輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，之后電路經(jīng)檢測(cè)后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)[4]。

3.2.3光照度傳感器和人體紅外傳感器的放置3.2.3.1光照度探測(cè)傳感器為了提高光照度模塊探測(cè)到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)中在教室布置的照度探測(cè)模塊需要在4個(gè)以上，教室中安裝3個(gè)，并且安裝到可以被窗簾遮擋住的地方，這樣可以提高照度模塊收集信息的準(zhǔn)確性，另一個(gè)安裝在教室外邊，避免晚上教室開(kāi)燈之后光照燈光對(duì)系統(tǒng)造成影響。3.2.3.2人體紅外探測(cè)模塊本設(shè)計(jì)所選擇的紅外感光源采用的是熱釋電源件，為了減少探測(cè)器的錯(cuò)誤幾率，在對(duì)教室紅外探測(cè)模塊布置的時(shí)候要符合以下幾個(gè)條件：（1）要遠(yuǎn)離空調(diào)，暖氣片等地方；（2）在紅外探測(cè)模塊的探測(cè)范圍內(nèi)不能放置有難以穿透的物體，以免影響探測(cè)器的正常工作；（3）不能將探測(cè)模塊放在氣流活動(dòng)比較強(qiáng)烈的地方，以免給探測(cè)器探測(cè)結(jié)果造成誤差。

4教學(xué)樓智能照明控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1相關(guān)模塊收集數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作原理為：當(dāng)教室內(nèi)光照度充足時(shí)，無(wú)論教室內(nèi)有沒(méi)有人，燈具都會(huì)處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)教室內(nèi)光照度不夠時(shí)，教室內(nèi)有人時(shí)燈具會(huì)自動(dòng)打開(kāi)為教室使用者提供光照，教室內(nèi)無(wú)人是燈具依然處于關(guān)閉狀態(tài)。在設(shè)二進(jìn)制的邏輯關(guān)系的時(shí)候應(yīng)該與數(shù)據(jù)采集模塊的相關(guān)模塊輸出信號(hào)一致，將光照度充足設(shè)置為“0”，關(guān)照度不足設(shè)置為“1”，教室內(nèi)有人設(shè)置為“1”，教室內(nèi)沒(méi)人設(shè)置為“0”，教室內(nèi)燈具開(kāi)啟設(shè)置為“1”，教室內(nèi)燈具關(guān)閉設(shè)置為“0”。而關(guān)照度與教室內(nèi)是否有人是邏輯與的關(guān)系，只有二者同時(shí)為“1”時(shí)，燈具才為“1”，即燈具開(kāi)啟，邏輯關(guān)系式如表2所示。

4.2光照度探測(cè)模塊

中國(guó)住建部頒布的《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034-2013）中明確的對(duì)學(xué)校建筑照明標(biāo)準(zhǔn)做了規(guī)定。其中對(duì)教室的光照度的標(biāo)準(zhǔn)是平均光照度“>=300lx”，所以我們按照這個(gè)照度標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)置光照度的臨界值，當(dāng)檢測(cè)到教室的光照度高于300lx時(shí)燈具關(guān)閉，反之燈具打開(kāi)。圖5是光照檢測(cè)子程序的流程圖。

4.3人體紅外探測(cè)模塊設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，采集數(shù)據(jù)模塊中的人體紅外模塊會(huì)實(shí)時(shí)的對(duì)教室內(nèi)的人員狀況進(jìn)行檢測(cè)，然后模塊通過(guò)向單片機(jī)傳遞高低電平來(lái)使單片機(jī)判斷教室內(nèi)是否有人員存在。人體紅外模塊的工作流程大體包括以下幾部分：首先是給定時(shí)器和中端口進(jìn)行初始化，并且設(shè)置初值，定時(shí)器的計(jì)數(shù)初值設(shè)置為0，從0開(kāi)始計(jì)數(shù)；然后對(duì)中斷進(jìn)行定義，這其中包括定時(shí)器中斷和紅外探測(cè)中斷；系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)單片機(jī)接收到人體紅外中斷信號(hào)時(shí)，燈具開(kāi)啟，此時(shí)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，開(kāi)始延時(shí)。當(dāng)延時(shí)結(jié)束的時(shí)候，若紅外探測(cè)模塊依然探測(cè)到教室內(nèi)有人，則單片機(jī)繼續(xù)執(zhí)行人體紅外中斷，燈具持續(xù)開(kāi)啟，若探測(cè)到教室內(nèi)沒(méi)人時(shí)，定時(shí)器中的count值返回為0，燈具關(guān)閉。

5總結(jié)

本文以節(jié)約能源為主要的目的，針對(duì)國(guó)內(nèi)高校目前消耗能源比較嚴(yán)重的現(xiàn)象，并將能源中消耗最大的電能作為主要研究對(duì)象進(jìn)行研究和分析，提出了一套適合目前高校教學(xué)樓中照明的智能照明控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方面，STC89C52RC單片機(jī)為主控制芯片，在數(shù)據(jù)采集模塊中采用LM393芯片和BISS0001芯片，其中LM393結(jié)合光敏電阻用來(lái)檢測(cè)光照度，BISS0001芯片用來(lái)檢測(cè)教室是否有人活動(dòng)，同時(shí)設(shè)計(jì)出了教室采集模塊的布置方式；在軟件設(shè)計(jì)方面，對(duì)系統(tǒng)主程序和各個(gè)模塊程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。有效地實(shí)現(xiàn)了高校教學(xué)樓的智能照明，降低了能源的消耗。

參考文獻(xiàn)

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作者：白慧茹 單位：山西應(yīng)用科技學(xué)院