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(安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

目前,許多高校中還存在著“長明教室”的現(xiàn)象，長年累月電能浪費(fèi)量極大。大多高校教室里的燈具控制方式還是常規(guī)的開關(guān)串聯(lián)后與主線并聯(lián),火線進(jìn)開關(guān),這樣才能斷開電源控制電燈，燈控系統(tǒng)還處于低端模式的現(xiàn)象。因此，各高校都在逐步打造“智慧校園”，校園系統(tǒng)的智能化成為趨勢[1]。天津城建大學(xué)就以單片機(jī)AT89C51為核心開發(fā)了通過檢測光照強(qiáng)度、濕度及CO2來控制照明、窗戶及通風(fēng)裝置的系統(tǒng)；安康學(xué)院以單片機(jī)CC2530為核心利用光照檢測模塊和熱式紅外傳感模塊直接控制教學(xué)樓內(nèi)照明燈具的系統(tǒng)。智能系統(tǒng)不僅改善了高校傳統(tǒng)教室照明控制方式，而且加速了教室照明系統(tǒng)的智能化。因此，基于以上的研究分析，設(shè)計了一種節(jié)能型教室智能照明控制系統(tǒng)，就是為了解決上述問題所設(shè)計的一套智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)加入模擬窗簾開關(guān)電路、燈控調(diào)節(jié)電路和時鐘電路使得整個系統(tǒng)的構(gòu)想和設(shè)計更加完善。本系統(tǒng)由手動和自動模式來控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行；利用繼電器的特性，讓增加的電弧在電路中被吸收，從而延長了電燈的壽命；運(yùn)用延時上電的功能和開啟燈具時間的設(shè)定，避免燈具反復(fù)被開啟。本系統(tǒng)通過以單片機(jī)STC89C52RC為核心的硬件設(shè)計，完成了以光線檢測電路、紅外對管檢測電路、時鐘電路、模擬窗簾開關(guān)電路、燈控調(diào)節(jié)電路等電路設(shè)計和軟件程序編寫的核心內(nèi)容。通過系統(tǒng)的設(shè)定對室內(nèi)的光線強(qiáng)度、室內(nèi)人數(shù)和人的位置檢測，進(jìn)而實(shí)際調(diào)控人所在區(qū)域內(nèi)的電燈開關(guān)和亮度，從而做到開燈不盲目、能源少浪費(fèi)的效果。在試驗(yàn)環(huán)境下通過檢測，證明整個控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好?；诠?jié)能型教室智能照明控制系統(tǒng)不僅為傳統(tǒng)電燈開關(guān)的控制拓寬了道路，具有節(jié)能智能控制的特性，以期改善高校教室電燈長期耗能的問題。

1 系統(tǒng)總設(shè)計思路

該系統(tǒng)設(shè)計主要以STC89C52RC單片機(jī) (MCU) 作為節(jié)能型教室智能照明控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件[2]。通過設(shè)置系統(tǒng)的時間，檢測具體教室內(nèi)的人數(shù)以及光敏電阻構(gòu)成的電路檢測環(huán)境亮暗；根據(jù)教室的實(shí)際狀況，系統(tǒng)會根據(jù)對人的存在信號和光線亮暗的信號進(jìn)行具體識別和判斷，智能調(diào)控照明設(shè)備。整體系統(tǒng)由紅外對管與電壓比較器形成感應(yīng)信號和由光敏電阻的感應(yīng)信號送入單片機(jī)進(jìn)行處理，再通過單片機(jī)控制整個教室的燈具和窗簾(步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動芯片)開關(guān)(圖1)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

設(shè)計一款高校教室智能節(jié)電的控制系統(tǒng)，集成了多個控制模塊。需要通過單片機(jī)主控制電路模塊、光亮數(shù)據(jù)采集與處理電路模塊、感應(yīng)人存在采集與處理模塊、時鐘電路模塊、燈控調(diào)節(jié)電路等數(shù)個模塊組成，才能達(dá)到最終設(shè)計的目標(biāo)。

2.1 單片機(jī)主控制電路

如圖2所示，本系統(tǒng)采用的單片機(jī)STC89C52RC為控制核心，擁有較低的工作頻率,能夠滿足該系統(tǒng)設(shè)計的要求：

(1)復(fù)位電路：S6為復(fù)位按鈕,可手動復(fù)位使程序重新運(yùn)行,具有重啟功能;(2)晶振電路：Z1為晶振，將振蕩信號傳輸給單片機(jī)，通過信號的接收單片機(jī)才能繼續(xù)運(yùn)行,具有起搏功能;(3)排阻：作為上拉電阻，若未接通則呈高阻狀態(tài)，電平不能升高，液晶屏無法顯示。

自動模式情況下，當(dāng)教室里處于無人的狀態(tài)時，紅外對管會檢測進(jìn)出無人的信號，單片機(jī)通過分析收集到的信號將教室里所有的燈自動關(guān)滅，直至下次有人進(jìn)來時才點(diǎn)亮。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 時鐘電路

時鐘電路中采用時鐘芯片DS1302配合振蕩頻率為32 768 Hz的晶振使用，其功能與單片機(jī)中的晶振相似[3]。兩個都是把振蕩的信號傳遞給芯片處理，促使芯片的運(yùn)行狀況正常。作為一個實(shí)時的時鐘芯片，不僅提供年月日、時分秒等具有日期和時間的信息，而且可以調(diào)24 h或者12 h的時間格式；其隨機(jī)存取存儲器擁有31字節(jié)數(shù)據(jù)存儲量；其I/O的使用相對于并行而言比較節(jié)省；該時鐘芯片工作時的電壓在2.0～5.5 V之間，在此范圍內(nèi)其可以正常工作；其供電方式是雙電源供電，當(dāng)備用電源比主電源低2.0 V時即通過主電源來供電，反之，則備用電源(備用電源是一枚紐扣電池)[4]開始工作。

如圖3所示，U1表示時鐘芯片DS1302，經(jīng)其過三個引腳5、6、7與單片機(jī)的聯(lián)結(jié)，時鐘芯片輸出的時間信息被程序讀取后會顯示出來[5-6]；備用電源為JI，是一枚紐扣電池；因?yàn)闀r間的連續(xù)性，一旦斷電后，時間要保持向前走的狀態(tài)，因此,備用電源就是對時鐘芯片提供動力；電阻2、3、4起到保護(hù)電路的作用，提高避免被干擾的能力；圖3中Y1為振蕩頻率大小為32 768 Hz的晶振，其功能與單片機(jī)中的晶振相似，兩個都是把振蕩的信號傳遞給芯片處理，促使芯片的運(yùn)行狀況正常。

圖3 時鐘電路圖

2.3 紅外對管檢測電路

紅外對管是一種專門發(fā)射和接收紅外線的裝置，紅外對管屬于光敏二極管，相對于光敏接收管而言，其區(qū)別在于不可見光對其干擾性不強(qiáng)，因?yàn)槠涓泄獾拿娣e較大，所以敏感度高。如圖4所示，LED8和LED9作為紅外發(fā)射管，LED6和LED7作為紅外接收管，電阻21和電阻22是在電路中起到限流作用從而保護(hù)接收和發(fā)射管，電阻12和電阻13是將接收端的輸入電流調(diào)到高電平從而這兩個電阻也能起到保護(hù)作用。當(dāng)外界有物體遮擋在發(fā)射管與接收管之間，發(fā)射的紅外光從發(fā)射管到接收管，紅外接收管接地處理，這使得輸入端電壓低，電壓比較器這時候會輸出低電平，LED燈顯示燈亮[7]；當(dāng)紅外光線沒有被遮擋時，此時的紅外接收管不會接收到信號，因此輸入端的電壓高，LED燈滅。正因這樣的工作原理，單片機(jī)STC89C52RC憑借高電平或低電平的判斷從而反映在LED亮滅上。

圖4 紅外檢測電路圖

2.4 光線檢測電路

采用四路差動比較器LM339，其內(nèi)部具有兩對單獨(dú)的電壓比較器，作為一種普遍性較高的集成電路，在高壓數(shù)字邏輯門電路中起到很大的作用[8]。其與光敏電阻配合使用時，如圖5所示，當(dāng)光敏電阻感知外界光亮，光敏電阻阻值變低分壓變小，比較器輸出高電平[9]；當(dāng)光敏電阻感知外界變暗，光敏電阻阻值變大分壓也變大，比較器輸出低電平。因此，單片機(jī)依靠這一特性判斷環(huán)境的亮暗[10]。

圖5 光線檢測電路

2.5 模擬窗簾開關(guān)電路

該電路由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動芯片ULN2003A組成。步進(jìn)電機(jī)其工作原理是當(dāng)電流流經(jīng)定子繞組時產(chǎn)生矢量磁場，在磁場力的作用下轉(zhuǎn)子也跟著轉(zhuǎn)動[11]。因此，定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場方向相同，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動就是通過限定脈沖數(shù)量與頻率以及通電繞組的順序。而驅(qū)動芯片能夠使輸入端高電平轉(zhuǎn)換為輸出端低電平，因此,驅(qū)動芯片作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路[12]。如圖6所示，當(dāng)系統(tǒng)上電后光敏電阻檢測環(huán)境亮暗，使得驅(qū)動芯片通過高低電平的轉(zhuǎn)換驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動模擬出窗簾的開關(guān)情形。

圖6 窗簾開關(guān)電路圖

2.6 燈控調(diào)節(jié)電路

該電路由滑動變阻器、LED和熱式紅外傳感器構(gòu)成。圖7中滑動變阻器是對LED亮度進(jìn)行改變，其目的針對周邊環(huán)境光線發(fā)生改變進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，尤其在陰雨天通過調(diào)節(jié)改變LED的亮度彌補(bǔ)自然光線的不足；熱式紅外傳感器作用主要檢測人所處在的位置，熱式紅外傳感器工作原理是在通電狀態(tài)下檢測到物體就閉合若無就斷開，即控制程序中“0”與“1”的關(guān)系，而這種特殊的性質(zhì)與開關(guān)的屬性相同。因此將熱式紅外傳感器代替成開關(guān)，在仿真時也可達(dá)到驗(yàn)證程序和想法可靠的效果。

燈控調(diào)節(jié)電路是通過紅外對管檢測人入教室后，將信號反饋給熱式紅外傳感器并檢測出人所在的位置，打開其位置所在燈，人感知周邊環(huán)境的亮暗的后自行調(diào)節(jié)燈的亮度。如圖7所示，當(dāng)檢測到人進(jìn)入室內(nèi)D1亮且開關(guān)1閉合此時照明燈D3亮，通過滑動變阻器可以改變其亮度。

圖7 燈控調(diào)節(jié)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的主要控制過程(圖8)是通過對時鐘芯片DS1302進(jìn)行時間設(shè)定的編程，設(shè)置實(shí)時時間和電燈開關(guān)時間段。系統(tǒng)上電后系統(tǒng)處于自動控制狀態(tài)。若此時檢測到有人出入教室LCD1602顯示屏?xí)詣映尸F(xiàn)出人數(shù)的加減情況，并且根據(jù)教室里的人數(shù)與光敏電阻檢測出亮暗情況來控制教室里燈的亮滅和窗簾的開關(guān)。按下系統(tǒng)設(shè)定按鍵后系統(tǒng)從自動控制模式轉(zhuǎn)為人工控制模式，此時通過人工方式來控制整個教室開關(guān)燈狀態(tài)。

圖8 系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)論與討論

本系統(tǒng)符合人性化需求，有效減輕了高校后勤單位的工作量；系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、操作簡單、性價比高。以單片機(jī)STC89C52RC為主要核心開發(fā)這一系統(tǒng)，當(dāng)感光、計數(shù)出現(xiàn)問題時，可以依靠時鐘設(shè)置從而自動開啟或者通過手動方式人工開啟，保障了學(xué)生的正常學(xué)習(xí)生活。本系統(tǒng)主要以簡單的元器件構(gòu)成，方便拆裝維修。但是環(huán)境因素的不同對于系統(tǒng)的設(shè)計有很大影響，因此具體設(shè)計方案必須與實(shí)際環(huán)境相結(jié)合。