基于單片機的高校教室照明節能智能控制系統的設計

伍世云，羅 江，王益艷，范開敏

（四川文理學院 物理與機電工程學院，四川 達州 635000）

基于單片機的高校教室照明節能智能控制系統的設計

伍世云，羅 江，王益艷，范開敏

（四川文理學院 物理與機電工程學院，四川 達州 635000）

本文設計了一款基于單片機的高校教室照明節能智能控制系統。該系統選用AT89S52芯片作為微處理控制器，采用上位機和下位機復合的主從式結構。系統由光敏傳感器、熱釋電紅外傳感器、步進電機等元件構成的數據采集電路完成對教室內的人體存在信息和光照強度信息的采集，通過上位機和下位機中的微處理器進行處理和通信，完成對教室對應區域的燈光控制。系統設有自動和手動兩種工作模式，可在特殊情況下由室內照明開關實現獨立控制。研究表明，該系統能大大地提高節能效果和管理的智能化程度。

單片機；高校教室；節能；智能控制；主從式結構

高等學校是人口密度較大和用電度數較多的地方，其中，照明系統據統計用電量占高校用電總量的50%以上[1]。而高校教室又是高校教學的主要場所，室內電燈多、照明時間長。由于初高中每個班的教室固定，能夠非常方便實現管理，而高校每個班沒有固定教室，學生自習時間較多，同時晚自習安排松散，教室又是公用，學生可以自由進出。加之因為缺乏科學的管理以及使用者責任心不強[2]，常常會出現教室內僅有幾個人甚至沒有人而燈光全部開啟的現象，白白浪費了電能[3]。以一間座位數60人、面積60 m2的常規教室為例，使用普通40 W的熒光燈20盞，每天少開2小時，每年除去假期可節約電能500 kW·h以上。以此計算，全校教室都節約用電的話，將會節省數額龐大的電費，為國家節約大量的能源。

為此，國內外學者進行了大量的研究，劉和劍、賈正松、孫蔚等人[4-6]進行了基于51單片機的紅外、光控相結合的智能照明控制系統研究；張鍇等人[7]設計了紅外對射管與熱釋電傳感器雙重檢測糾錯的單片機控制系統；傅莉[8]還從新型節能燈和高效LED燈方面對公共場所照明節電智能控制系統進行了研究。

文中綜合以上研究的優點，本著實用、安裝方便，設計了一款價格低廉，操作簡單的基于單片機的高校教室照明節能智能控制系統并取得了較好的節能效果。

1 系統組成

系統采用主從式結構[9]，由安裝于教室中的從機和位于教學樓管理室的遠程控制上位機以及通訊網絡RS-485總線[3-9]構成，系統結構框圖如圖1所示。上位機為PC機，系統采用C++語言開發，制定作息時間，同時接收教室現場信息，綜合處理判斷后，下發相應的控制命令，執行相關操作。

圖1 系統框圖

本系統中，需要將從機（下位機）采集的數據信號發送至上位機進行處理，同時，上位機也需要將命令信號回發給下位機，所以通信模塊在系統中是不可缺少的組成部分，由于RS-232通訊距離短，不能進行多臺設備同時進行聯網管理，系統采用了一種基于差分信號傳送的串行通信鏈路層協議的RS-485總線實現串口通信。PC機通過RS-232/RS-485轉換器，依次連接多臺485設備，采用輪詢的方式，對總線上的設備輪流進行通信。

設計中使用了集成的RS-232/RS-485轉換模塊，注意PC程序必須使串口的 DTR（RS-232的4腳）和 RTS（RS-232的7腳）輸出高電平，同時由PC輸出的高低電平就可使得轉換模塊內部的MAX485在接收和發送狀態之間轉換了，處于半雙工模式。

系統包含自動控制和手動控制兩種模式[3]。手動控制模式便于特殊情況由進入教室的人員實現人性化控制[10]。系統中的自動/手動模式直接由管理員操作，通過上位機與下位機的微處理器外部中斷INTl連接，它的優先級最高。管理員將自動/手動開關置為低電平，使系統進入手動模式，在手動模式下，教室內的手動照明開關可以控制室內任意區域的燈光，此時，室內燈光不再受工作時間、光強和人員分布的限制[9]；管理員將自動/手動開關置為高電平，系統進入自動模式運行。

2 從機設計

從機微處理器采用單片機AT89S52[11]，由+5 V電源，復位電路，熱釋電紅外檢測，光照度檢測，通信模塊和執行控制電路等組成，如圖2所示。利用光敏電阻來探測室內照度，利用熱釋電紅外傳感器探測室內相應區域是否有人，通過串口將數據實時發送到上位機，作為系統判斷教室燈光開關時間及位置的依據。

圖2 從機組成框圖

3 硬件設計

電源電路由220 V交流經降壓、整流、濾波，由LM317穩壓輸出12 V直流給繼電器提供工作電源，再經LA7805三端集成穩壓得到5 V給微處理器和熱釋電紅外傳感器模塊供電。

微處理器采用通用的性價比較高的AT89S52[11]小系統。光傳感器電路如圖3所示，安裝在燈具側，感測對應區域的光照度。光敏電阻是一種常用的光電傳感器，它的電阻與照射到器件表面的光強有關，光強越小，光敏電阻的阻值越大[12]，反之越小。電路通過給光敏電阻添加一個比較器，構成一個簡單實用的光控開關，比較器的輸出為低電平時，系統允許開燈。根據實際情況，調整RP的抽頭，可改變單片機對應環境光照度的起控點。

圖3 光傳感器電路

熱釋電紅外檢測模塊采用的是以 BISS0001[13]為核心的HC-SR501[14]熱釋電紅外傳感器組件，該模塊電路主要由人體紅外傳感器、菲涅爾透鏡、專用芯片BISS0001組成。該傳感器只能檢測移動人體，為此，我們在紅外傳感器探頭外安裝了一個步進電機[15]，當發現有人來到該區域時，傳感器接收到人體發出的紅外線，產生的信號經過處理后送到微處理器，再將數據送到上位機，由上位機進行綜合判斷后，返回信號讓微處理器P2.0口輸出低電平，使繼電器J1吸合，教室燈光被點亮；此后，微處理器通過程序控制步進電機每隔10分鐘往復旋轉，旋轉時間為30秒。若進入該區域的人沒有離開，通過程序使燈光繼續點亮；若進入該區域的人離開，在30秒的檢測時間內檢測不到人體紅外線，通過程序關閉燈光，直到再有人出現在該區域內[16]。

動作執行由繼電器控制電路組成，如圖4所示，在自動控制模式下，上位機下傳數據讓P2.1口始終輸出高電平，控制三極管Q2截止，繼電器J2一直處于斷開狀態，教室內手動開關K不起任何作用，若照度滿足要求且有人員出現在該區域時，微處理器的P2.0口輸出低電平，控制三極管Q1導通，繼電器J1吸合，該區域燈光被點亮。

反之，P2.0口輸出高電平，控制三極管Q1截止，繼電器J1斷開，該區域燈光熄滅。在手動控制模式下，上位機下傳數據始終讓微處理器的P2.1口輸出低電平，P2.0口輸出高電平，控制三極管Q1截止、Q2導通，繼電器J1斷開、J2吸合，該區域燈光不再受光照度和有無人員的影響，只受教室內手動照明開關K的控制。步進電機旋轉控制由程序配合Q3、J3等元件構成的控制電路完成，圖中步進電機的電源沒有畫出。

圖4 動作執行電路

4 程序設計

文中提出了初步的網絡化的控制方案，利用上位機管理系統對所有教室的照明燈具做出宏觀的調控，作為對教室內部微處理器控制功能的補充，上位機具有強大的數據處理、存儲、邏輯判斷等功能，為照明控制策略的開發提供了后續開發空間。目前，我們只是用上位機進行了自動/手動模式的轉換控制，以及作息時間、人員的監控。

程序流程如圖5所示，流程圖中，步進電機檢測人體存在沒有詳細畫出，可參見原理說明。

圖5 程序流程圖

下位機接收到來自上位機的模式控制信號，經過初始化，進行模式檢測，若為手動模式，上位機使P2.1口始終保持低電平，P2.0口保持高電平，控制相應的繼電器，讓教室內燈光只受室內手動照明開關K的控制；若為自動模式，上位機使P2.1口始終保持高電平，當照度滿足開燈條件且檢測到人員存在時，P2.0口輸出低電平，使繼電器J1吸合，開啟對應區域燈光。

5 結束語

文中綜合利用了應用電子技術，傳感器技術，單片機技術[3]完成了對高校教室照明節能智能控制系統的研究與設計。該教室照明節能智能控制系統該系統由光敏傳感器完成教室光照度的檢測，由熱釋電紅外傳感器結合步進電機等元件完成教室內的有無人員的檢測，采用上位機和下位機的主從式結構，對教室實現了分區域管理[17]，大大地提高了節能效果和管理的智能化程度。利用上位機實現了兩種控制模式，在特殊情況下可進行手動控制，該系統具有較好的節能效果和很大的推廣價值。

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Design of lighting energy-saving intelligent control system for college classroom based on microcontrollers

WU Shi-yun，LUO Jiang，WANG Yi-yan，FAN Kai-min
（School of Physics and Mechanical&Electronic Engineering，Sichuan University of Arts and Science，Dazhou 635000，China）

An lighting energy-saving intelligent control system （LEICS）of college classroom is designed in this paper.The AT89S52 chip was chose as the microprocessor of the whole system，which using a machine of the upper and lower composite master-slave structure.These messages of human body and illumination intensity are monitored by data acquisition system，which includes photosensitive sensor，pyroelectric infrared sensor and stepping motor.The region management of classroom has been implemented by the master-slave structure composed of upper computer and lower computer for processing and communication，in order to control of the corresponding area light of classroom.The proposed system is equipped with two kinds of wording mode such as automatic and manual，which can control the indoor lighting switch independently under special circumstances.The design demonstrated that the LEIC system can improve energy-saving effect and intelligent degree in management.

microcontrollers；college classroom；energy-saving；intelligent control；master-slave structure

TN710

A

1674－6236（2016）23-0180-03

2015-12-07稿件編號：201512073

四川省教育廳自然科學重點項目（13ZA0102）；四川省教育廳自然科學一般項目（15ZB0315）；達州市科技計劃應用基礎研究項目（KJJ2015001）；四川文理學院面上項目（2014Z005Y）

伍世云（1968—），男，四川達州人，副教授。研究方向：自動控制和納米材料。