陳潤平，付志紅

CHEN Run-ping1,2, FU Zhi-hong1

（1.重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院，重慶 400044；2.重慶文理學(xué)院 圖書館，重慶 402160）

0 引言

社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使人們對能源的需求日益提升，由于長時期對煤、石油、天然氣等天然資源的開采，導(dǎo)致了生態(tài)平衡被人為破壞，環(huán)境問題和能源短缺的問題逐步突顯。如何節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境成為全社會普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問題。圖書館是人們學(xué)習(xí)、閱覽書籍的重要場所，光環(huán)境的優(yōu)劣將直接影響著讀者的身心健康，其服務(wù)職能決定了圖書館是一個用電大戶。如何能保障讀者健康的學(xué)習(xí)，又能最大限度節(jié)約能源？近年來，隨著微電子、自動控制和計(jì)算機(jī)等技術(shù)的不斷發(fā)展，智能照明控制系統(tǒng)得到逐步完善，方便、舒適、靈活的高質(zhì)量照明和節(jié)能、降耗、高效的綠色照明得以實(shí)現(xiàn)。

1 圖書館的照明現(xiàn)狀

國內(nèi)外很多公共場所已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對燈光的智能控制，但由于技術(shù)、資金、建筑設(shè)計(jì)等多方面因素，我國圖書館的照明用電仍處于一種粗放型的管理狀態(tài)。主要為以下二種模式：一是無專人管理，由上班老師或?qū)W生自行控制開關(guān)；二是利用定時開關(guān)，根據(jù)作息時間開啟、關(guān)閉圖書館的照明電源。而圖書館的閱覽室、自習(xí)室以及書庫等出入人數(shù)較多的地方，館員、讀者難以控制開關(guān)燈數(shù)量和時間。因此，這些地方不管是否有人，不管有多少人，不管日照是否達(dá)到閱讀要求，燈光照明長期開啟，造成了電能的巨大浪費(fèi)。然而對于少數(shù)采光效果較好的圖書館，為節(jié)約能源開光常閉，在自然光照度不能滿足人們閱讀需求時，往往沒有及時打開燈光，給人的視力健康帶來影響。這樣的照明方式既不能達(dá)到節(jié)能，又不能實(shí)現(xiàn)“以人為本”的照明要求。實(shí)現(xiàn)有人活動的地方必須有足夠的照度(不論是日光照明還是人工照明)，保護(hù)人的視覺健康，沒有人的區(qū)域，應(yīng)該熄滅燈光，以節(jié)約能源的“綠色”、智能照明方式已成為時代發(fā)展的必然要求。

2 圖書館模糊控制論

模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，它是智能控制的重要組成部分之一，其核心是將輸入變量模糊化和輸出變量的去模糊化過程。目前，在照明設(shè)計(jì)中考慮最多的是自然光和傳感器的利用，圖書館智能照明控制技術(shù)是在保證照明質(zhì)量的前提下，節(jié)約電能的消耗.，因此，在模糊推理中，需要考慮推理的輸入條件主要有天氣和時段不同引起室內(nèi)光線強(qiáng)弱的變化和是否有人，而輸出結(jié)果為燈的開關(guān)、燈光強(qiáng)弱。

2.1 光線強(qiáng)弱變量X的模糊化

根據(jù)圖書館的照度要求，一般情況下，適合于閱讀、書寫環(huán)境的以300lx—500lx較為舒適。我們?nèi)∽兞俊皥D書館室內(nèi)環(huán)境光線的強(qiáng)弱”的論域取為{10lx，50lx，100lx，200lx，300lx}，將它們分為四個模糊子集；“黑暗”、“陰暗”、“較陰暗”、“較明亮”、“明亮”，其隸屬度函數(shù)如圖1所示。

2.2 圖書館中某個區(qū)域是否有人Y的檢測

測試圖書館某個區(qū)域內(nèi)是否有人可以采用紅外傳感器，如果有人進(jìn)入該區(qū)域，輸出高電平信號，經(jīng)單片機(jī)處理信號，點(diǎn)亮照明燈。如果人沒有離開就繼續(xù)輸出，人離開后就變成低電平，照明燈熄滅。

圖1 光線的強(qiáng)弱X的隸屬度函數(shù)

圖2 燈光強(qiáng)弱Z的隸屬度函數(shù)

2.3 輸出及其模糊化

該系統(tǒng)只有一個輸出量，即照明燈的開關(guān)與強(qiáng)弱Z。將其論域取為 {0w，10w，25w，60w，80w}，分為5個模糊子集：熄滅、弱光、適中光、較強(qiáng)光、強(qiáng)光。相應(yīng)的隸屬度函數(shù)如圖2所示。

2.4 模糊規(guī)則設(shè)計(jì)

照明燈有兩個輸入量和一個輸出量，其模糊規(guī)則的結(jié)果為：

IF X and Y then Z

其中X、Y是前提，Z是結(jié)論。

我們設(shè)橫坐標(biāo)為圖書館室內(nèi)光線的強(qiáng)弱，縱坐標(biāo)為是否有人，得出的條件和結(jié)論見表1。

表1 模糊規(guī)則推理表

3 圖書館智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖書館智能照明的核心是照明燈模糊控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用AT98S51單片機(jī)作為模糊控制器，利用紅外傳感器和光敏電阻采集室內(nèi)是否有人和光照強(qiáng)度的信息，經(jīng)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換處理后，送至單片機(jī)進(jìn)行模糊化處理，然后，單片機(jī)按照模糊推理合成規(guī)則計(jì)算得到控制變量，并進(jìn)行非模糊化處理，轉(zhuǎn)變?yōu)榫_量，控制燈光的具體功率大小，實(shí)現(xiàn)照明燈亮度及開關(guān)的自動控制。該系統(tǒng)主要由五部分組成：電源模塊、人體信號感應(yīng)與處理模塊、光信號采集與處理模塊、中心處理控制模塊、輸出模塊。

3.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

針對圖書館智能照明要求，我們以AT98S51單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了集采集、處理、控制、輸出為一體的自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電源模塊、人體信號感應(yīng)與處理模塊、光信號采集與處理模塊、中心處理控制模塊、輸出模塊等五個部分組成。

3.1.1 人體信號感應(yīng)與處理模塊

圖3為人體信號感應(yīng)與處理模塊。人體紅外信號利用紅外傳感器PIR采集，在其傳感器的前端配有一個半球形的菲涅爾透鏡，能將收集到的紅外線最大限度地聚焦于管子頂部的方形濾光片上，使接受距離大幅度提高。當(dāng)人進(jìn)入感應(yīng)范圍，人體釋放的紅外光透過鏡片被聚集在同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭有一個適當(dāng)?shù)慕咕啵嗽谕哥R前運(yùn)動時，順次從某一單元透鏡視場進(jìn)入又退出，投射信號會出現(xiàn)一個接一個的斷續(xù)信號，但是熱源信號始終都是集中在透鏡中部的，將連續(xù)的熱源信號變成斷續(xù)的輻射信號，紅外光正好被探頭接收，探頭將光信號變成電信號傳遞給CS9803 GP。CS9803GP對PIR感測信號經(jīng)二級放大，再經(jīng)窗口電壓比較判斷是否有觸發(fā)，有則輸出高電平，接通繼電器RELAY，將控制信號送至單片機(jī)AT89S51[3]。

圖3 CS9803GP工作原理圖

3.1.2 光信號采集與處理模塊

為了采集光信號，我們需要在室內(nèi)設(shè)置光線強(qiáng)弱檢測器，它能夠方便的檢測閱讀書寫環(huán)境的光照度，從而決定燈光的強(qiáng)弱；由于在眾多的光電檢測器件中，光敏電阻較之光電二極管、光電三極管等的靈敏度要高，若受光強(qiáng)度較弱，則呈現(xiàn)的阻值較大，否則相反。然后用8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809對采集的光強(qiáng)信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在模擬通道IN0端接入光敏電阻和三極管控制信號輸入，當(dāng)可見光大于一定程度（照度X＞300lx）時，光敏電阻呈現(xiàn)低阻態(tài)，三極管的基極電流升高，飽和導(dǎo)通，ADC0809轉(zhuǎn)換器的IN0腳無輸入信號。當(dāng)自然光強(qiáng)度小于一定程度時，光敏電阻呈現(xiàn)高阻態(tài)，基極電流降低，三極管斷開，IN0腳有輸入信號，驅(qū)動ADC0809轉(zhuǎn)換器工作，A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)，在OE信號有效時，就打開三態(tài)門輸出，及時將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，傳送給單片機(jī)AT89S51進(jìn)行處理。

3.1.3 單片機(jī)控制模塊

根據(jù)AT89S51各引腳功能，電路使用VCC腳輸入人體感應(yīng)信號，P1.0-P1.7端口感知可見光的信號。當(dāng)可探測范圍內(nèi)有人移動時，PIR將感測到信號并經(jīng)CS9803GP進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出，啟動繼電器接通，驅(qū)動AT89S51單片機(jī)工作。此時如果室內(nèi)光線強(qiáng)時，光敏電阻R9阻值變小，A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809輸入端電壓值降低，單片機(jī)P1端口輸入信號微弱，AT89S51輸出控制可控硅導(dǎo)通角幾乎為零，不能促使RL點(diǎn)亮。反之，當(dāng)室內(nèi)光線較弱時，光敏電阻R10阻值變大，A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809將輸入信號轉(zhuǎn)換輸出，單片機(jī)P1端口輸入將變?yōu)楦唠娖?，這時單片機(jī)AT89S51輸出端P0將置為低電平，經(jīng)反相后變?yōu)楦唠娖?，從而使MOC3021導(dǎo)通并觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通角變大，實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。

3.1.4 輸出控制模塊

圖4為輸出控制模塊。其電路的工作原理是：單片機(jī)響應(yīng)用戶的參數(shù)設(shè)置，在I/O 口輸出一個高電平，經(jīng)反向器反向后，送出一個低電平，使光電耦合器導(dǎo)通，同時觸發(fā)雙向可控硅，使工作電路導(dǎo)通工作。在給定時間內(nèi)，負(fù)載得到的功率可用下式表示：

式中P─負(fù)載得到的功率n─給定時間內(nèi)可控硅導(dǎo)通的正弦波個數(shù)N ─給定時間內(nèi)交流正弦波的總個數(shù)U─可控硅在一個電源周期全導(dǎo)通時所對應(yīng)的電壓有效值I─可控硅在一個電源周期全導(dǎo)通時所對應(yīng)的電流有效值。由（1）式可知，U，I，N是定值，只要改變n 值的大小即可控制功率的輸出，從而達(dá)到調(diào)節(jié)RL的功率，改變LED燈的亮度[4]。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想，各模塊功能在子程序中實(shí)現(xiàn)，簡化了主程序模塊、使程序設(shè)計(jì)思路清晰、結(jié)構(gòu)簡潔。系統(tǒng)運(yùn)行過程中通過主程序調(diào)用兩個信號輸入模塊子程序，使被動式熱釋電紅外探測器輸出的開關(guān)信號和可見光探測器輸出的室內(nèi)亮度控制信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，經(jīng)單片機(jī)對信號控制處理后，輸出編碼信號，在I/O口P0輸出一個高電平，經(jīng)反向器反向后，送出一個低電平，使光電耦合器導(dǎo)通，同時觸發(fā)雙向可控硅的導(dǎo)通角，實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能，達(dá)到智能照明的目的。

圖4 可控硅過零調(diào)功原理圖

3.3 系統(tǒng)功能測試與分析

我們在不同光強(qiáng)下對智能照明電路進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖5所示。圖中輸出波形為控制腳P0.0經(jīng)反相器后的信號，圖5（a）是光信號弱時的輸出信號，由圖可知在一個周期里低電平輸出時間明顯比高電平時間長很多，因此光電耦合器導(dǎo)通時間長，雙向可控硅導(dǎo)通的正弦波個數(shù)就多，負(fù)載獲得的平均輸出功率大，燈具變亮而圖5（b）中輸出的高電平觸發(fā)時間較（a）長，所以光電耦合器導(dǎo)通時間變短，雙向可控硅導(dǎo)通的正弦波個數(shù)就變少，負(fù)載獲得的平均輸出功率降低，燈具變暗，進(jìn)而完成了照明電路的智能控制，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖5 輸出波形

4 結(jié)束語

針對圖書館照明特點(diǎn)和要求，本文設(shè)計(jì)了基于模糊控制理論的智能照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想使系統(tǒng)設(shè)計(jì)科學(xué)、合理；選用器件以常見元件為主，使系統(tǒng)制作成本較低；在不同光強(qiáng)下進(jìn)行控制電路波形測試表明該系統(tǒng)能滿足圖書館特殊照明要求，對改善圖書館環(huán)境，提高服務(wù)質(zhì)量和節(jié)能減排工作等有一定促進(jìn)作用。

[1]圖書館模糊照明燈的設(shè)計(jì)[EB/OL].http∶// c398e8c708a 1284ac850434a.html.

[2]趙玲, 伏安慶.智能LED節(jié)能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].器件制造與應(yīng)用.2008 (2)∶ 137-140.

[3]邵明省, 李新軍.基于紅外熱釋電處理芯片CS9803GP 的人體感應(yīng)開關(guān)設(shè)計(jì)[J].2008(3)∶ 25-26.

[4]樊月珍, 江發(fā)潮.基于AT89C51的交流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息.2009 (8)∶ 1-5.