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)境的變化對燈具進(jìn)行智能控制的目的。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；照明系統(tǒng)；智能控制

1引言

近年來，國內(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)?？傁碾娔艿囊话胍陨稀：芏鄬W(xué)校為了避免晚上教學(xué)樓燈具持續(xù)開著，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人工來控制燈具的亮滅，加裝上光控開關(guān)或者聲控開關(guān)來控制燈具，或者是更換為太陽能等新能源設(shè)備的方式。但是，通過聲控、光控的方式來控制燈具，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。如果采用太陽能等新能源設(shè)備用于照明的話，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，通過各模塊的協(xié)調(diào)工作來自動(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燈具來替換傳統(tǒng)的熒光燈，LED燈壽命長、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)通過一定的通信協(xié)議來對下位機(jī)進(jìn)行操作，下位機(jī)連接著照明燈具，這樣通過上位機(jī)就可以控制燈具的開啟和閉合。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)地檢測教學(xué)樓中教室內(nèi)的光照度情況和人員情況[1]。通過提前在單片機(jī)中寫入程序數(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)行對比，然后根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果來控制燈具是否開啟。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)通過接收紅外模塊采集信號(hào)的高電平或者低電平來判斷當(dāng)前教室內(nèi)是否有人活動(dòng)，高電平位有人，低電平為無人；（2）在光照度探測模塊采集了光照度信號(hào)后，單片機(jī)通過接收光照模塊的采集數(shù)據(jù)來判斷是否達(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)定過程中，嚴(yán)格按照國家制定的照明標(biāo)準(zhǔn)，其中在《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034-2013）中對學(xué)校建筑照明做了如表1所示的標(biāo)準(zhǔn)：光照度探測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)通過此信號(hào)，來判斷周圍環(huán)境中光照度的強(qiáng)弱。在周圍環(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”。在周圍環(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，人體紅外探測模塊通過熱釋電紅外傳感器來檢測人體所輻射出來的紅外線，以此來判斷教室內(nèi)是否有人員在活動(dòng)。通過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到人體紅外線。其工作原理是人體發(fā)出的紅外線通過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光照度探測傳感器為了提高光照度模塊探測到的數(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，避免晚上教室開燈之后光照燈光對系統(tǒng)造成影響。3.2.3.2人體紅外探測模塊本設(shè)計(jì)所選擇的紅外感光源采用的是熱釋電源件，為了減少探測器的錯(cuò)誤幾率，在對教室紅外探測模塊布置的時(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）在紅外探測模塊的探測范圍內(nèi)不能放置有難以穿透的物體，以免影響探測器的正常工作；（3）不能將探測模塊放在氣流活動(dòng)比較強(qiáng)烈的地方，以免給探測器探測結(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)，無論教室內(nèi)有沒有人，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)打開為教室使用者提供光照，教室內(nèi)無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)沒人設(shè)置為“0”，教室內(nèi)燈具開啟設(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”，即燈具開啟，邏輯關(guān)系式如表2所示。

4.2光照度探測模塊

中國住建部頒布的《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034-2013）中明確的對學(xué)校建筑照明標(biāo)準(zhǔn)做了規(guī)定。其中對教室的光照度的標(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)來設(shè)置光照度的臨界值，當(dāng)檢測到教室的光照度高于300lx時(shí)燈具關(guān)閉，反之燈具打開。圖5是光照檢測子程序的流程圖。

4.3人體紅外探測模塊設(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)的對教室內(nèi)的人員狀況進(jìn)行檢測，然后模塊通過向單片機(jī)傳遞高低電平來使單片機(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開始計(jì)數(shù)；然后對中斷進(jìn)行定義，這其中包括定時(shí)器中斷和紅外探測中斷；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)，燈具開啟，此時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，開始延時(shí)。當(dāng)延時(shí)結(jié)束的時(shí)候，若紅外探測模塊依然探測到教室內(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)開啟，若探測到教室內(nèi)沒人時(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，針對國內(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)合光敏電阻用來檢測光照度，BISS0001芯片用來檢測教室是否有人活動(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