基于89C52的教室智能節能照明系統設計

周碧英

(渭南師范學院 數學與信息科學學院，陜西 渭南714000)

基于89C52的教室智能節能照明系統設計

周碧英

(渭南師范學院 數學與信息科學學院，陜西 渭南714000)

人工照明消耗了大量電能,節約電能已成為室內照明設計優先考慮的問題之一。針對目前學校教室照明中存在的浪費現象,根據熱釋紅外傳感器對人體的感應和光敏電阻感光原理,對室內照明環境監測傳遞返回的參數,設計了一種以單片機為核心的智能節能照明控制系統。設計具有節約能源、提高照明質量、延長光源壽命等優點,實現對照明系統的優化控制。

熱釋紅外傳感器；節能；智能控制；照明系統

在倡導低碳經濟的時代背景下,節約電力資源日益受到人們的關注。隨著我國現代化進程加快,人工照明用電量逐年上升,其用電約占總發電量的10﹪。因此設計方便實用、節約電能的智能化的照明系統,對于節能減排有著重要的現實意義。目前,大部分學校教室電燈都是手動操作,當光線不足時需要人員手動開啟電燈。很多實際情況是:教室人員較少,開啟多個電燈造成光源浪費；常常由于疏忽,在人員離開之后忘記關燈導致用電浪費；在教室自然照明條件良好的情況下也時有開燈現象,在走廊、衛生間等公共區域,“長明燈”現象隨處可見,造成了極大的電能浪費。針對這些實際問題,設計智能照明系統可以避免許多不必要的電能浪費［1-2］,既能給人們提供照明方便,又能節約電力資源,提高了電力資源的利用率。

在節能照明系統設計中,采用單片機為控制器,以熱釋人體紅外和溫度傳感器來檢測室內某個區域是否有人［3-4］,利用光敏電阻的感光原理來檢測室內的光線是否充足決定是否開啟照明。另外,設置手動操控開關電路,與紅外光控形成電路互鎖,可以實時調節和控制燈光的照明,又可以解決電能的浪費這一情況,從而達到智能控制和節能的目的。

1 系統功能概述

系統以單片機為核心,設計外圍控制電路,構成控制系統。除單片機,系統還包括了紅外檢測模塊、光照檢測模塊和照明設備控制模塊。

圖1為節能照明系統框圖。紅外檢測模塊的功能是對進入教室的人進行檢測,是否有人處于教室的某個區域為單片機提供教室使用情況的基本信息。光照檢測模塊的功能是檢測教室內光線是否充足,為單片機提供環境參數,來確定教室的光線條件,由此來判斷是否啟動照明設備。

圖1 節能照明系統框圖Fig.1 Energy-efficient lighting system block diagram

功能性照明控制模塊是按照明的微控制器的輸出信號的控制裝置。系統通過光檢測模塊來確定教室自然光的狀態,是否達到開啟照明的條件。

為了確保教室內的人員在光線充足的條件下能夠安全離開教室,系統加入了延時功能。

2 系統硬件電路設計

2.1 熱釋紅外傳感器設計

利用熱釋電紅外傳感器來探測人體所發出的紅外線變化,并予以放大選頻處理后,予以適當的負載,作為人體紅外自動開關。運用熱釋電紅外傳感器及專用的單片集成電路組成的這類型的開關能達到人到燈亮、人走燈滅。熱釋電效應與壓電效應相似,用于反映由于溫度變化從而引起晶體表面荷電變化的現象。傳感器在不加光學透鏡的前提下,其檢測距離為2 m之內,而加上光學透鏡后,其檢測距離可擴大到在7 m以外。

圖2為紅外開關電路圖。圖中,運算放大器OP1將紅外傳感器的輸出信號作第一級的放大,然后由C3耦合給運算放大器OP2進行第二級的放大,再經過電壓信號比較器COP1和COP2構成的雙向鑒幅器處理后,檢出有效觸發信號Vs,啟動延遲時間定時器,輸出信號Vo,經由晶體管T1放大,由驅動繼電器去接通負載。表1為BISS0001熱釋電紅外傳感器的電性參數。

圖2 紅外開關電路圖Fig.2 Infrared switch circuit diagram

2.2 光敏電阻特性

感光材料的主要成分是金屬硫化物,硒化物和碲化物。通常光敏電阻用于測量光強,在一定外加電壓下,光敏電阻在不同程度的光照強度下,光電流不同,且呈非線性正比關系。人眼對光的靈敏度和可見光（0.4～0.76 μm）很接近,所以要根據人眼可以感覺到的光線,調節光敏電阻的變化。光控制電路可用于白熾燈、日光燈和節能燈,用于控制光源。光敏電阻的光敏特性與各種材料相關,選擇光敏電阻的材料時,不僅要考慮光譜范圍的寬度,還要考慮其靈敏度,即在不同光照強度下,電阻值的相對變化比值。

3 單片機系統電路設計

3.1 系統電路組成

照明系統根據89C52給出的命令控制燈光,整個系統是在89C52控制下工作的。圖3為系統電路組成。當外界光線較強時,單片機接收到光照強度大的信號,使紅外傳感器停止工作；當外界光線比較弱時,單片機接收到光照強度小的信號,啟動紅外傳感器工作。熱釋電紅外傳感器探測距離比較遠,當人體進入到傳感器的控測范圍內且外界光線較弱時,信號檢測電路處理信號,并向單片機89C52發送一個中斷,單片機啟動燈光控制電路,使燈慢慢變亮。當外界光線比校弱時,處于傳感器檢測范圍內的人慢慢離開區照明域時,紅外傳感器檢測到信號,信號處理電路同時向單片機發送信號,啟動延時電路,使燈熄滅。

3.2 信號檢測處理電路

圖4為信號檢測及處理電路。由BISS0001、熱釋電紅外傳感器和光敏電阻等器件組成。人體進入檢測區域,身體的通過反射鏡部分聚焦的紅外光,接收到熱電元件。當環境光的強度越強,光敏電阻很小,BISS0001檢測到低電平,禁止傳感器信號。當外部光線強度較弱,敏感電阻很大,從而產生一個輸出信號弱,通過R5、R1005、R4、C1、C6,信號放大和C7組成的濾波電路信號。C1000、C1001、R1000和R1001構成的延遲電路組成,處理后的信號從2腳輸出。

熱電型紅外線傳感器能檢測到人體和由紅外傳感器,它由各種防入侵警報或自動節能裝置發射的輸出電信號。人體體溫在36～37.5℃基本恒定,會散發出10 μm左右的紅外線,由紅外傳感器的特定波長來檢測發出波長為10 μm紅外線的人體。菲涅爾透鏡增強收集紅外感應源,紅外線傳感器,使用的是熱釋電元件［5-6］,在接收到電荷平衡的信息時,溫度發生變化時,產生變化電荷,將產生報警信號,通過后續的處理電路檢測到人體輻射出的紅外線。

圖3 系統電路組成Fig.3 System circuit

圖4 信號檢測處理電路Fig.4 Detection signal processing circuit

3.3 單片機控制電路

圖5為單片機的控制電路,由單片機報警和照明控制電路組成。當外部沒有任何中斷,80C51控制74LS138的使能控制端,使后面的電路不工作。當產生一個中斷,80C51啟動74LS138,P0引腳低4位來傳輸信號來控制燈光慢慢亮起,當中斷1和中斷0同時產生,80C51屏蔽的中斷開始74LS138低4英尺發送到P0數據,所以燈光慢慢暗淡。

圖5 單片機控制電路Fig.5 MCU control circuit

3.4 人體體溫檢測及環境光檢測電路

圖6為人體體溫檢測及環境光檢測電路。通過檢測體的位置是一個紅外線發射管（二極管）發射的紅外線向前方,如果燈具下方坐有人時,紅外光將被反射回發射機,被檢測到的紅外線接收器,一個指令傳送到計算機,如果這個時候,外界光線的檢測也符合要求時,那么節能燈亮了起來。外界光線強弱的光檢測,是比較重要的一個部分,有兩個主要組成部分,一個光電二極管和一個可變電阻器。強光電二極管檢測能力（靈敏度）是基于可變電阻來控制,明亮條件下,把阻值變大,光電二極管上的敏感性下降,反之亦然。

圖6 人體體溫檢測及環境光檢測電路Fig.6 Body temperature detection and ambient light sensing circuit

4 系統軟件程序設計

程序流程框圖見圖7,其中總程序流程圖為（a）；子程序1流程圖為（b）；子程序2流程圖為（c）。

圖7 程序流程框圖Fig.7 Program flow diagram

系統上電后首先進行初始化,進入程序流程,開啟所有中斷,當接收到外界光照強度小信號時,調用子程序1,進入子程序1,即中斷0信號；進行數據接收判斷,是否有人體紅外信號,控制照明開關是否打開；接收到人體紅外信號后,執行中斷返回,回到主程序,控制照明燈打開,并調用子程序2；即進入中斷1,調用子程序2；開始數據接受判斷,是否開始延時關閉照明燈。當接收到的人體紅外信號消失時,中斷1返回；執行延時關閉照明等程序功能。結束后系統再次初始化,然后進入中斷0,開始下一輪判斷。

5 結束語

針對教室照明浪費能源的現實問題,選用89C52單片機作為系統控制核心,設計了一種智能照明控制系統。利用熱釋電紅外傳感器對人體紅外射線的感應,借助光敏電阻對光照強度的敏感性,完成了控制照明系統的軟硬件設計。并在設計中加入人性化的延時電路,實現了人到燈亮,人走燈后滅的智能控制,達到了根據需要調節室內照明的基本要求,為教室照明節能管理提供了切實可行的方案。

［1］李晉陽,李法德,華磊.智能型教室管理系統的設計與研究［J］.電子測量技術,2008,31(5):134-136.LI Jin-yang，LI Fa-de，HUA Lei.Design and research of intelligent management system for classroom ［J］.Electronic Measurement Technology，2008，31（5）:134-136.

［2］謝維成,楊加國.單片機原理與應用及C51程序設計［M］.北京:清華大學出版社,2010.

［3］孔謀夫,潘銀松.選用單片機的教室節能控制器的設計與實現［J］.電子技術,2007,34（1）:27-29.KONG Mou-fu，PAN Yin-song.Design and implementation of energy-efficient choice of MCU controller classroom ［J］.Electronic Technology，2007，34（1）:27-29.

［4］周元華,李會兵.一種室內LED照明智能控制器設計［J］.建筑節能,2009,37(11):14-16.ZHOU Yuan-hua，LI Hui-bing.Design of intelligent electric light controller for interior environment of buildings［J］.Building Energy Efficiency，2009，37（11）:14-16.

［5］張培仁.基于c語言編程MCS-51單片機原理與應用［M］.北京:清華大學出版社,2010.

［6］盧明喬,陳曉.基于ZigBee傳感網的農業智能照明系統［J］.湖北農業科學,2014,23（12）:5858-5860.LU Ming-qiao，CHEN Xiao.Agriculture intelligent lighting system based on ZigBee sensor networks［J］.Hubei Agricultural Sciences，2014，23（12）:5858-5860.

Design of intelligent and energy-saving lighting system based on 89C52

ZHOU Bi-ying
（School of Mathematics and Information Science,Weinan Normal University,Weinan 714000,China）

Artificial lighting consumes plenty of electricity，saving energy has become one of the interior lighting design priority.For school classroom lighting waste energy，On the human body sensing and photo resistor sensitive principle，the indoor lighting environment monitoring parameters passed to return piezoelectric infrared sensor according to the design of a microcontroller，choose the core of intelligent energy-saving lighting control system.The design has advantage of energy conservation，improve lighting quality and extend the life of the light source，etc.，to achieve optimal control of the lighting system.

pyroelectric infrared sensor；energy-saving；intelligent control；lighting system

TN108.3

：A

：1674-6236（2015）18-0083-04

2015-01-14稿件編號：201501117

渭南師范學院科研育苗項目（14YKP011）；陜西省扶持學科數學學科基金資助項目（14SXZD0113）；渭南市科技創新扶持資金項目（2013KYJ-2）；陜西省軍民融合研究基金（15JMR14）；渭南師范學院校級特色學科建設項目（14TSXK02）

周碧英（1978—）,女,陜西大荔人,碩士,講師。研究方向:智能計算及計算機技術應用。