基于单片机的教学楼智能照明节能系统的设计

龙源期刊网基于单片机的教学楼智能照明节能系统的设计作者：刘瑞妮梁瑞来源：《电脑知识与技术》2016年第20期摘要：鉴于当前能源紧缺及高校用电浪费的情况，设计了一种基于STC单片机的教学楼智能照明控制系统，使用光照传感器和红外传感器分别对教学楼内光照强度以及人员出入数目进行检测，当教学楼内光照强度和人数达到一定范围时，通过电磁继电器动态控制照明灯的开启或关闭，该系统的推广使用可以实现各类学校教室、办公楼内照明灯具的智能控制，达到节能的目的。关键词：智能照明；单片机；传感器中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044（2016）20-0224-02随着全球电力资源形势日趋严重，越来越多的人开始关注节能问题。我国也面临着电力供应不足和能源短缺等问题，这些问题成了制约我国经济发展的首要问题。同时现在大学不断地在扩招、规模也不断扩大，教室的数量也明显的在增加，为教师和学生提供一个良好的教学和学习环境，学生的学习氛围也越来越浓厚，学校也做出了巨大的努力。但是目前我国高校师生节能意识薄弱，长明灯现象非常普遍，人走不关灯的现象随处可见，极大地浪费了资源。有资料显示，如果不及时开发新能源和提高人们的节能意识，世界上的能源仅仅够人类使用100年，因此节能问题已经迫在眉睫。所以，设计研究出一个杰出的教学楼智能节能照明控制系统成为研究节能控制系统的热点问题[1-5]。与以往利用分立元件设计的声光控制开关相比较，基于单片机的智能照明系统运用软件实现其智能节能的功能，具有结构简单，使用灵活，并且方便扩充其他相关功能[3，4]。本文通过传感器技术、单片机技术等设计并实现一套教学楼智能照明系统，可以实时检测教学楼内光照强度，并根据学生多少开启不同数量的照明灯，提高能源利用率，减少不必要的能源浪费，同时节省照明设备的损耗、减少学校电费支出，降低运营成本，节约能源。1系统设计原理系统以STC12C5A60S2单片机为核心器件，由光照强度检测模块、红外检测模块、显示模块、电磁继电器和若干照明灯构成，其结构框图如图1所示。红外检测模块主要对教室内人数进行实时检测，并在LCD显示器上显示。整个教室配备了一个光照强度检测模块，该模块以光敏电阻作为光照传感器，将检测到的光照强度送给单片机，结合红外检测模块检测结果，与预先设定的数值进行比较，从而做出相应控制，当超过设置界限时，控制电磁继电器进行工作，教室内灯光相应打开。系统设置手动和自动两种工作模式，正常情况系统工作于自动模龙源期刊网式，自动根据教室内光照强度和人数控制灯光数量，若出现异常状况，工作人员可手动控制教室内照明灯的开灭，并及时做出应对措施，从而达到节能的目的。本设计的核心思想主要是依据单片机的工作原理，同时利用传感器和红外对管的特征，二者相互连接，以此来设计有关的电路，来完成所期望的要求。利用单片机来确认和完成获取各个变量之间的值与要求，利用液晶显示屏及时准确的来统计相对应的人数体现各种状况，当超过设置界限时，教室内灯光相应打开，同时电磁继电器进行工作。设计出简单易于操作同时还可以及时准确的检测出教学楼内光照强度及教室内人数的智能节能体系。光照强度部分选用LM393和一个光敏电阻，通过设计电压比较器来检测教学楼内光照强度；人员检测部分选用一对红外对管相互平行，作为检测人员出入的元件。2智能照明系统硬件设计2.1光照检测模块光照强度检测模块主要对教室内光照强度进行实时准确的检测，由LM393和一个光敏电阻组成，通过设计电压比较器来检测教学楼内实时光照强度。将光敏电阻与一个阻值固定的精细电阻串联分压得到的电压信号送给LM393。由于光敏电阻的阻值会随着光照强度的不同而发生改变，从而改变电阻两端的电压大小，因此会在LM393的输入端得到不同的电压信号。因为STC单片机集成了AD转换模块，电路可直接与单片机连接，故不必再设置独立A/D转换芯片了，从而简化了系统结构。2.2红外检测模块红外检测模块可以对教室内人员流动情况进行检测，主要包括：红外发射管，红外接收管。其工作原理为：当红外发射管发射出红外线后，红外接收管接收到红外线的照射后，其内部电阻阻值变小，当没有红外线的照射时其内部阻值较大，这是红外线接收器内部的电阻起到了传感器的作用，然后通过对比电压比较器上的电压和基准电压的值做出相应反应。当有红外线照射期间，红外接收管内阻值较小，那么和其串联的电阻上分的电压就会增大，所以电压比较器就会输出一个高电平，当无红外光照期间，红外接收管的电阻值相对较大，此时电压比较器就会输出一个低电平。这个就是外部计数电平信号，将这个电平信号送入STC单片机进行计数掌控，再经过扩展，显示，驱动实现最后的显示。对于日光灯负载，可采用继电器控制，由于单片机I/0口提供的电流太小，不能直接驱动继电器。在这里采用一个8050来提供一个开关电压，实现I/0口对继电器的驱动。2.3显示模块显示部分采用LCD液晶显示器，其具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，可以实时显示教室内人数、光照强度、开灯数量及手动/自动模式等信息。龙源期刊网单片机作为核心控制部件，选取它作为一个最小系统。控制器组件由电平转换部分及80C51单片机组成，其主要任务是完成对各探测器输出状态的检测，并根据设置的软件要求对照明灯具进行亮、灭控制。在整栋教学楼的照明控制系统中，由于教室、走廊上所设计的灯的数量不一定，因此可根据实际可控空间增减。在本执行机构中的CPU具有四个I/O接El，有32条可供用户使用的I/O接口。先将光、声、触、人体感应四个传感器相结合控制单一的教室、走廊、路灯三个输出信号，做初步的分析。把P0口的一部分口线作为传感器输入线，其余口均可作为控制、输出口线。在本控制器中，P0.0作为光控传感器信号输入，P0.1作为声音传感器信号输入，P0.2作为人体热感应信号输入，P2.0～P2.2分别作为控制路灯、走廊、教室的三个输出控制线。3软件设计在整个控制系统工作的过程中，LCD显示屏上实时显示一对红外对管检测到的人数，当红外对管检测到有人进入或出去时，液晶显示器上的数值会相应增大或减少，当达到预先设定好的人数范围时，单片机就会发出相应的指令，从而控制电磁继电器进行工作，同时监测外部中断按键，通过外部中断按键来选择相同的工作模式。首先对整个程序初始化，然后通过按键选择工作模式后（选择自动模式），再根据具体情况作出相应操作：1）光照检测电路检测外界光强度信号，当光照充足时，关闭所有的灯；当光线变暗到一定程度，利用电磁继电器开启照明灯具；2）光照不充足的情况下，根据红外检测模块检测到的人数确定开灯数量。经过多次安装调试、软件测试，该控制器已经实现了以下功能：1）能在光照、红外人体感应的控制下实现电路的导通与截止；2）能够根据不同的外界环境（光强、人数）自动（或手动）开启、关闭教室相应数量的照明灯。3）响应时间较快。4）节能效果明显。由此说明，设计完成的智能节能照明控制系统符合实际需求。龙源期刊网系列单片机的智能照明控制系统，实现了对教室内、外灯光的智能控制，能够根据外界环境及教学楼内学生数量多少发出命令，自动控制开启或关闭相应数量的照明灯，能够有效杜绝“长明灯”现象，达到节约能源的目的。系统采用单片机作为控制核心，利用软件实现控制功能，硬件结构简单，可维护性和可扩展性好。参考文献：[1]刘和剑，姜钰.基于80C51系列单片机节能照明控制器的设计[J].苏州大学学报（工科版），2011，31（3）.[2]段小汇，冯俊青.基于直接数字控制器的教室智能照明控制系统设计[J].电子世界，2012，12：106-107.[3]凌振宝，邹得宝，徐民.教学楼智能照明系统的设计与实现[J].吉林大学学报（信息科学版），2009，27（4）：435-440.[4]张云莉，周晓平，朱双霞.基于单片机的教室节能控制系统设计研究[J].制造业自动化，2012，34（2）：103-105.[5]程春.大学教室智能照明控制器及其系统的研究与开发[D].北京：北京化工大学，2010.龙源期刊网