公用照明設備節(jié)能控制系統(tǒng)設計

摘 要： 我國的公共照明設備的電能源浪費現(xiàn)象非常嚴重，以學校圖書館借閱室的照明燈為例，幾乎常年、整天的照明造成大量的電能源浪費。結合電子專業(yè)的技術知識，通過設計電路圖以及對電路圖的仿真，并應用相關電子元器件，設計出一個節(jié)能控制電路，根據(jù)當日的光照水平和閱覽室內(nèi)學生人數(shù)，決定照明燈的開關，實物運行效果良好。

關鍵詞： 節(jié)能系統(tǒng)； 電路設計； 紅外計數(shù)； 光控電路

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）22?0156?04

0 引 言

2009年12月7日—18日在丹麥首都哥本哈根召開的被喻為“拯救人類的最后一次機會”的哥本哈根會議中，有關專家嚴正提出全球必須停止增加溫室氣體排放，節(jié)能減排。電力作為一種方便卻不可再生的二次能源，隨著我國現(xiàn)代化建設的加速，盡管電力工業(yè)發(fā)展速度很快，但其需求量也不斷攀升，電力緊張狀況依然相當嚴峻。尤其是近些年來我國電網(wǎng)的負荷越來越大，甚至已經(jīng)不堪重負，在用電高峰期，很多地區(qū)不得不采用拉閘限電的措施來緩解用電壓力。不僅如此，對于火電生產(chǎn)排放的二氧化硫污染也著實令人擔憂。在我國，基本消除酸雨污染所允許的最大二氧化硫排放量為1 200～1 400萬噸，但在2003年我國二氧化硫排放量就達到了2 158.7萬噸，比2002年增長約[1]12%。按照目前的經(jīng)濟發(fā)展速度以及污染控制方式和力度，到2020年，全國僅火電廠排放的二氧化硫就將達2 100萬噸以上，全部排放量將超過大氣環(huán)境容量1倍以上，這對生態(tài)環(huán)境和民眾健康將是一場嚴重災難[2]，所以節(jié)能減排刻不容緩。

許多發(fā)達國家和部分發(fā)展中國家先后制定了“綠色照明工程”計劃，并取得了顯著效果。我國“十一五規(guī)劃”也明確提出了“建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會”的發(fā)展目標。本文的目的是試圖在某些公共場所，比如學校圖書館設置一些設備使得能源能夠合理節(jié)約地加以利用，這些地方是出入人數(shù)較多的，所以這些地方的燈光照明幾乎是從上班開始直到下班為止，不管這些地方是否有人，也不管有多少人，造成了很多不必要的電力資源浪費。科技要以人為本，從人的需求出發(fā)：即在有人活動的地方必須有足夠的照度（無論是日照還是人工照度）；沒有人的區(qū)域，應該熄滅燈光，以節(jié)約能源。這項設計響應“節(jié)能減排”的要求，有一定的實際意義。

1 公用照明節(jié)能設計的整體思路

本設計的整體思路為：平時的借閱室，閱覽的人數(shù)不多。若當日光線十分充足，則不管進入多少人燈都不開。充分利用自然光。

若當日光線一般，根據(jù)本學校圖書館閱覽室的實際情況，假如每個閱覽自習室靠窗的座位有10座，靠窗座位光線較亮，一般同學進入，若室內(nèi)燈未打開就會自動坐到靠窗的座位，利用自然光線，節(jié)約電能；當進入人數(shù)超過10人，同學只能坐在其他位置，此時若室內(nèi)光線不夠，則觸發(fā)開關打開。若室內(nèi)光線過暗，則只要有人進入，燈就被觸發(fā)打開。

本次設計主要進行小范圍模擬實現(xiàn)上述功能，對輸入輸出單元進行設計，完成一盞燈的控制。具體模塊包括光控制繼電器電路和紅外計數(shù)器電路，并通過與門電路連接。需要兩組光控繼電器電路和紅外線計數(shù)器組合：第一組的光控繼電器電路置于借閱室靠近窗口1 m的天花板處，第二組的光控繼電器置于借閱室中央的天花板頂部。兩組的紅外計數(shù)器均置于借閱室入口處。如圖1所示。

如上所述控制設計主要涉及3種情況：

（1）當光線較暗時，根據(jù)建筑光照標準，閱讀所需光強為[3]250～750 lx，即窗口處光感器（第一組）感應光強低于500 lx時，當有人進入門口，第一組計數(shù)器計數(shù)1，則觸發(fā)燈打開。

（2）當光線一般時，窗口光強足夠，但室內(nèi)不夠，即借閱室中間處的光感器（第二組）感應光強低于500 lx，但窗口（第一組）光感強度大于500 lx，則當有人進入，第二組計數(shù)器計數(shù)達10人時，觸發(fā)燈打開。

（3）當光線較亮時，兩個光感強度均大于500 lx，則無論進多少人，燈都不打開。

由于兩組電路除了計數(shù)器預設值不同其他都一樣，預設值也只需直接調節(jié)計數(shù)器，因而在制作過程中，為了節(jié)省材料，只制作了一組電路。

2 光控開關的設計

光控開關電路主要完成光強感應，當照度低于預設值時，繼電器吸合輸出高電平。這個光控開關分別置于圖書館借閱室最中央的頂部以及距離窗口處1 m的頂部。主要由一光敏電阻為主要原件的光暗控制開關電路和以L7808CV為主要原件的穩(wěn)壓電源電路組成。根據(jù)光敏電阻的光照特性可以得出光敏電阻所在環(huán)境光照越強，電流越高，也就是電阻越大。根據(jù)這一特性設計的光控繼電器電路如圖2所示。

電路工作電壓為9～15 V，電阻R1、R2及光敏電阻R3構成分壓電路，當光線暗至一定程度時，光敏電阻電阻值上升，使VT1的基極電壓上升，直至能使VT1，VT2導通，電流達到額定的值時直流電磁繼電器J（JZC?32F）吸合，也就是開關打開。圖中R1用于動作靈敏度調節(jié)。根據(jù)在本次設計中圖書閱覽室內(nèi)學生閱讀對光照強度的需要為[3]200～750 lx，調節(jié)R1，使光照度降至約500 lx時，整個電路啟動，繼電器開關打開，OUT端由0 V變?yōu)?.45 V。完成預計目的。在使用過程中，為了便于辨別開關是否打開，在繼電器輸出端安裝一盞LED燈，接通電源，當室內(nèi)光線低至500 lx時開關打開同時LED燈亮。

由于該電路的光觸發(fā)電平受電源電壓的影響較大，為了減少誤差，加入一個穩(wěn)壓電路，圖3是由L7808CV為主要元件的經(jīng)典穩(wěn)壓電路。

連接兩部分后制成整體電路如圖4所示。

3 基于紅外傳感器的計數(shù)系統(tǒng)設計

用紅外傳感器感應人體，當有人通過大門時，輸出一次低電平觸發(fā)計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)器記錄進入圖書館的人數(shù)，當計數(shù)器數(shù)值達預設值時，計數(shù)器輸出低電平。通過一個非門74LS04，將輸出低電平轉為高電平輸出，為了便于辨別，在輸出端加一LED燈，燈亮則表示有高電平輸出。整個電路主要有三部分組成：穩(wěn)壓電路、紅外傳感器、計數(shù)顯示系統(tǒng)。紅外傳感器電路的工作電壓為3～12 V，本設計選擇5 V電壓，當有人體通過感應頭時，OUT端輸出一個低電平，約為0.16 V。CL102是計數(shù)、鎖存、七段譯碼、驅動顯示四合一的組合集成電路。由于該集成電路集成度高， 邏輯功能強， 顯示裝置減少了連線， 不但使電路結構簡化， 使用更加方便， 還可提高抗震性能。電源部分使用變壓器降壓、集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓， 可確保電路工作更穩(wěn)定， 使用更安全。工作電壓也為5 V，當觸發(fā)端有低平電壓輸入，觸發(fā)計數(shù)器計數(shù)，直至設定預設值，由CP端輸出低電平。整體電路圖如圖5所示。

如圖5所示，紅外傳感器的工作電壓為5 V，作用距離為0～2 m。將紅外傳感器安裝在閱覽自習室的門口位置。電源打開后，當有人體通過大門，紅外傳感器感應由OUT端輸出一個低電平，由此通過低電平觸發(fā)端觸發(fā)計數(shù)器開始計數(shù)。并在顯示屏中顯示目前位置的數(shù)值。

如此重復，直至數(shù)值到達預設的值，計數(shù)器端口5信號輸出端輸出一個低電平，經(jīng)過非門74LS04變?yōu)楦唠娖剑敵鲭妷褐涤?.16 V變?yōu)?.79 V，同時LED燈亮。

4 部件連接

為了實現(xiàn)當光控繼電器感光度達到一定值以下的同時計數(shù)器達到一定值才觸發(fā)總開關，需要一個與門將兩個電路相與，將紅外計數(shù)器電路與光感控制器電路輸出端分別連接到與門芯片CD4081的兩個輸入端，CD4081的輸出端即為最終的電源控制輸出。見圖6。

這是其中一組的設計，實際電路中需要兩組，將兩組電路再次經(jīng)過一個與門，即可實現(xiàn)全過程。窗口的光線一定比室內(nèi)光線亮。定義窗口照度為L1，室內(nèi)中央照度為L2，光感器觸發(fā)照度為L3。光線較亮時，L1≥L2≥L3，無論是窗口還是室內(nèi)光感都不會被觸發(fā)，燈不開；光線一般時，L1≥L3≥L2，室內(nèi)光感器觸發(fā)，燈即亮；光線較暗時，L3≥L1≥L2窗口光感器觸發(fā)，燈即亮。

5 實物制作運行結果及總結

基于以上設計做出實物之后，將模擬結果分為三個部分闡述：

（1）當室內(nèi)光線非常充足時，使用第二組（光感電路置于借閱室中央頂部）電路運行。接通電源，用手指通過紅外感應頭，計數(shù)器開始計數(shù)，當手指通過10次時計數(shù)器顯示10，與計數(shù)器相連的LED燈亮，說明計數(shù)器輸出端變?yōu)楦唠娖剑驗楣饩€足夠強，光感電路未被觸發(fā)，輸出為低電平，因此總電路燈不亮；

（2）當室內(nèi)光線一般時，使用第二組（光感電路置于借閱室中央頂部）電路運行。接通電源，用手指通過紅外感應頭，計數(shù)器開始計數(shù)，當手指通過10次時計數(shù)器顯示10，與計數(shù)器相連的LED燈亮，說明計數(shù)器輸出端變?yōu)楦唠娖健Ｓ檬志従徴谧」飧须娮瑁蛊渲車饩€降低，當?shù)讲畈欢酂o法看書的亮度時，繼電器發(fā)出吸合聲，觸發(fā)總電路的LED燈亮。證明兩項條件具備時，電源開關被打開。

（3）當室內(nèi)光線較暗時，使用第一組（光感電路置于借閱室窗口處）電路運行。接通電源，用手指通過紅外感應頭，計數(shù)器開始計數(shù)，當手指通過1次時計數(shù)器顯示1，與計數(shù)器相連的LED燈亮，說明計數(shù)器輸出端變?yōu)楦唠娖健Ｓ檬志従徴谧」飧须娮瑁蛊渲車饩€降低，當?shù)讲畈欢酂o法看書的亮度時，繼電器發(fā)出吸合聲，觸發(fā)總電路的LED燈亮。證明兩項條件具備時，電源開關被打開。

6 結 語

本電路只計算了進入閱覽室的人數(shù)，卻不能計算出閱覽室的人數(shù)，可能造成讀者已離開燈還打開的現(xiàn)狀。為了彌補這一缺陷，可以再加一組紅外感應頭，將計數(shù)器改成加減計數(shù)器，可以及時根據(jù)進入和出去的人數(shù)計算目前館內(nèi)的正確人數(shù)，更有效地控制燈源，節(jié)約電能。希望這一設計思路對電子專業(yè)的理論教學和實踐教學有一定的輔助作用，讓學生在探索的過程中，綜合運用所學知識，理論聯(lián)系實際，提高發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。此模擬設計實物運行效果良好，此設計思路和方法推廣應用可使更多學生受益。

參考文獻

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