基于太陽能的教室燈光節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計

我國電力負(fù)荷形勢嚴(yán)峻。2012年，全國最大電力缺口為5000萬千瓦左右，2013年電力缺口在7000萬千瓦左右。電力缺口導(dǎo)致很多鄉(xiāng)鎮(zhèn)或鄉(xiāng)村面臨著電力供應(yīng)不足、生活基本需求得不到保障的問題。然而，在很多單位，用電浪費(fèi)的現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。在我們學(xué)校，一個空無一人的教室燈光全亮的情況也時有發(fā)生。針對該類電力資源的浪費(fèi)，本論文設(shè)計了基于太陽能的教室燈光節(jié)能控制系統(tǒng)。

該控制系統(tǒng)可以根據(jù)教室里的人員多少及人員分布、自然光強(qiáng)、時間等因素，設(shè)計了用太陽能供電，集光強(qiáng)檢測、超聲波測距、紅外傳感檢測、時間控制等多功能于一體的分區(qū)，功率可調(diào)的教室燈光節(jié)電控制系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計

教室燈光節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計的示意圖如圖1所示。下面對各個模塊加以介紹。太陽能電源模塊供給6V電壓給系統(tǒng)供電；紅外感應(yīng)模塊利用菲尼爾透鏡感應(yīng)是否有人存在；超聲波測距模塊主要用于當(dāng)教室有人時，先對教室進(jìn)行合理分區(qū)，通過測量的距離判斷人在教室哪個區(qū)域，進(jìn)而分區(qū)控制燈光，做到人在燈開，人走燈滅；時間模塊可定時關(guān)閉教室燈光；功率調(diào)節(jié)模塊可根據(jù)光強(qiáng)調(diào)節(jié)燈光的開啟數(shù)量達(dá)到二次節(jié)電的目的；人工介入模塊可以在特殊需要的時候脫離系統(tǒng)控制，人為控制教室燈光。本系統(tǒng)可進(jìn)一步擴(kuò)展，控制對象不僅是教室的燈光，還可以是教室里的風(fēng)扇、音箱、計算機(jī)等負(fù)載。

■

圖1

1.太陽能供電模塊

本系統(tǒng)使用5V1.3W的太陽能光伏板作為電源。由于本系統(tǒng)是以發(fā)光二極管作為燈光演示，所以電源選用電壓較小的光伏板。

2.紅外感應(yīng)模塊

紅外感應(yīng)模塊主要判斷教室內(nèi)是否有人。利用菲涅爾透鏡的特性紅外模塊對人體發(fā)出的波進(jìn)行定向捕捉。從而判斷教室內(nèi)是否有人。原理圖如圖2所示。PIR熱釋電紅外傳感器的輸出信號幅度小1mV，頻率約0.1～0.8Hz，檢測距離短，在PIR前加用一塊半球面菲涅爾透鏡，使范圍擴(kuò)展成90度圓錐型距離大于5米的檢測面。集成電路內(nèi)部含有二級運(yùn)放、比較器、延時定時器、過零檢測、控制電路、系統(tǒng)時鐘等電路。PIR傳感器檢測到人體移動引起的紅外熱能之變化并將它轉(zhuǎn)換為電壓量，通過二級選頻放大比較輸入到控制電路中，由控制電路輸出過零脈沖觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通。采用交流過零觸發(fā)能消除可控硅導(dǎo)通時浪涌電流，延長燈具的使用壽命。同時控制電路啟動了延時定時器，直至PIR傳感器在接收到信號后，觸發(fā)可控硅的信號關(guān)斷可控硅，做到自動關(guān)閉。

■

圖2

3.超聲波測距模塊

根據(jù)教室大小，安裝2個或4個超聲波傳感器。超聲波模塊由兩個部分組成，一個發(fā)射端，一個接收端。首先將超聲波傳感器測量到的人與教室墻體的距離反饋到單片機(jī)，與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)距離進(jìn)行比較，判斷人處于教室哪個分區(qū)，控制該區(qū)域的燈打開，其他區(qū)域燈光關(guān)閉。單片機(jī)采用系統(tǒng)12MHz高精度的晶振，獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率。用P2.7口輸出40kHz的方波信號，P3.5口監(jiān)測超聲波的返回信號。單片機(jī)接收到反回波后，向P3.5輸出一個低電平脈沖。超聲波一經(jīng)發(fā)出，單片機(jī)立即啟動計時器T0，P3.5接收到回波時，由高電平變馬上變?yōu)榈碗娖胶螅S機(jī)計時器停止計時。此時單片機(jī)對距離進(jìn)行計算。繼電器的輸出端與非門相連接。當(dāng)檢測的距離低于預(yù)設(shè)值距離小于預(yù)設(shè)值區(qū)域的燈（二極管代替）打開。反之，則大于預(yù)設(shè)距離的燈打開。電路原理圖如圖3所示。

■

圖3

4.人工介入模塊

為了滿足對教室內(nèi)的特殊要求，我們可以通過人工介入模塊將燈和節(jié)能系統(tǒng)脫離，從而切換到平常的模式進(jìn)行控制。當(dāng)人工開關(guān)打開時，教室燈光處于節(jié)能狀態(tài)。當(dāng)人工開關(guān)閉合時，通過非門的控制，達(dá)到接環(huán)模式的目的。

5.時間控制模塊

為了達(dá)到教室燈光自動關(guān)閉的目的，本小組設(shè)計了燈光定時開關(guān)系統(tǒng)，即時間模塊。DS1302的RST端、SCLK端、/O分別與單片機(jī)的P2.0端，P2.1端和P2.2端相連。單片機(jī)與DS1302在數(shù)據(jù)交換時，要先將RST變?yōu)楦唠娢弧Ｔ赗ST保為高電位的同時，SCLK時鐘由低電位跳變到高電位的上升沿的同時，數(shù)據(jù)寫入時間芯片DS1302中。當(dāng)定時系統(tǒng)啟動時，STC89C52單片機(jī)從時鐘芯片DS1302獲取時間，當(dāng)系統(tǒng)時間與啟動時間相同時，單片機(jī)制繼電器閉合，系統(tǒng)時間與繼電器關(guān)閉時間相同時斷開。部分原理圖如圖4所示：

■

圖4

二、部分軟件設(shè)計

首先主程序?qū)ο到y(tǒng)環(huán)境進(jìn)行初始化，然后設(shè)定時器0為計數(shù)，同時設(shè)定時器1為定時，設(shè)置位總中斷允許位EA，當(dāng)運(yùn)行主程序后，進(jìn)行定時測距，當(dāng)測距標(biāo)志位為ec=1時，測量一次，在程序設(shè)計過程中，超聲波測距頻度是4～5次/秒。在測距間隔中，整個程序進(jìn)行循環(huán)顯示測量結(jié)果的程序。在調(diào)用超聲波測距子程序后，先使單片機(jī)產(chǎn)生4個頻率為38.46kHz超聲波脈沖，加載的超聲波發(fā)送到頭上。當(dāng)超聲波頭發(fā)送完超聲波后，就啟動內(nèi)部計時器T0計時，為避免超聲波從發(fā)射頭直接傳送到接收頭引起的直射波觸發(fā)問題，應(yīng)對單片機(jī)延時約1.5～2ms（也就是超聲波測距儀有最小可測距離的原因，稱為盲區(qū)值），運(yùn)行單片機(jī)P3.5腳的電平判斷程序。在檢測到P3.5腳的電平由高電平轉(zhuǎn)為低電平時，停止T0計時。因?yàn)閱纹瑱C(jī)采用的是12MHz的晶振，計時器每計一個數(shù)就為1μs，然后超聲波測距子程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，對計數(shù)器T0的數(shù)（超聲波來回所用時間）進(jìn)行計算，就可以得到被測物體與測距儀之間的距離。設(shè)聲速為340m/s，，T0是計數(shù)器T0的計算值。測出結(jié)果將通過十進(jìn)制BCD碼方式送至LED顯示為0.5s，然后發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。

當(dāng)有人進(jìn)入紅外模塊時進(jìn)行判斷，將信號反饋到單片機(jī)進(jìn)行處理，輸出信號送至超聲波測距模塊。當(dāng)超聲波測距模塊接收到反饋信號后再將信號反饋到單片機(jī)，對測定距離與之進(jìn)行比較，來控制某一區(qū)域燈的開關(guān)。超聲波測距軟件流程圖如圖5所示。

根據(jù)教室大小，安裝2個或4個超聲波傳感器。超聲波模塊由兩個部分組成，一個發(fā)射端，一個接收端。首先將超聲波傳感器測量到的人與教室墻體的距離反饋到單片機(jī)，與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)距離進(jìn)行比較，判斷人處于教室哪個分區(qū)，控制該區(qū)域的燈打開，其他區(qū)域燈光關(guān)閉。如圖6所示，在教室前后均有平行的兩個超聲波測距模塊將教室分成A區(qū)和B區(qū)兩個區(qū)域。以前半部分的超聲波模塊為例，現(xiàn)設(shè)定中間虛線到超聲波模塊的距離為L1。如果超聲波模塊測得距人的距離為小于L1的值則A區(qū)或B區(qū)的上半部燈光打開。如果測得距人的距離大于L1則A區(qū)或者B區(qū)的下半部燈光打開。教室后面的超聲波模塊亦如是。如果教室各個區(qū)域都有人，則教室燈光全部打開。

■ ■

圖5 圖6

三、節(jié)能預(yù)期

根據(jù)2個月的調(diào)查顯示，我校平均每天每間教室無人開燈小時數(shù)為2小時；僅有3人或以下人數(shù)教室開燈小時數(shù)為5小時。如果使用本小組設(shè)計的系統(tǒng)，可以為學(xué)校節(jié)省約40%的教室燈光照明電量。

節(jié)能減排要從我們的身邊做起。如果我們能自覺地關(guān)閉多余的燈，就為國家節(jié)能事業(yè)做出了自己的一份貢獻(xiàn)。我們的節(jié)能作品只起到輔助節(jié)能的作用，節(jié)電環(huán)保的根本在于我們的思想和行動。最后，我們衷心希望此設(shè)計能在起到節(jié)電作用的同時，也能讓節(jié)電節(jié)能的理念像教室的燈光一樣常伴大家。

參考文獻(xiàn)：

[1]王東峰，等.單片機(jī)C語言應(yīng)用100例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]鐘富昭，等.8051單片機(jī)典型模塊設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[3]李平，等.單片機(jī)入門與開發(fā)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[4]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[5]劉振安，主編.C語言程序設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.