基于單片機的校園室內照明系統(tǒng)

李 昊 任印豪 王聞琦 劉欽凡 唐寶玲

宿州學院機械與電子工程學院 安徽 宿州 234000

引言

通過數(shù)據(jù)調查,在校園生活中,照明用電量占額可達三分之一甚至更多,校園室內常出現(xiàn)沒有及時開關燈具的現(xiàn)象,有時在借助自然光能正常工作或夜晚教室沒人自習時,教室也燈火通明,造成大量的能源浪費。

一般校園的照明系統(tǒng)大都是使用普通的聲控、光控傳感器組成的開環(huán)控制系統(tǒng),一方面靈活性差、工作及待機時消耗的功率高、而且不可人為干預;另一方面,燈具在不必要時的使用會大大縮短其壽命。所以構建一套智能且低耗的校園室內照明控制系統(tǒng)是一個迫在眉睫的工作,此設計不僅起到減少學校用電量開支的作用,同時也可以使樓宇的監(jiān)管人員減少檢查燈具亮滅所消耗的時間;在積極響應國家的節(jié)能號召的同時,享受智能化時代帶來的便利!

本設計通過使用多種傳感器,精確的使燈具在需要使用時啟動,達到節(jié)能的目的,同時主控臺時時檢測并可控制樓宇內教室與走廊上的燈具,管理更統(tǒng)一集中。

1 系統(tǒng)設計原理

本系統(tǒng)的設計主要分為走廊照明系統(tǒng)與室內照明系統(tǒng),基本滿足校園室內照明的基本要求;主要采用ST M32微控制器,TFT觸控顯示屏,光敏傳感模塊TSL230,人體紅外模塊HC-SR501,LED燈,SG-90舵機等;

控制器通過AD采集傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù),進行分析是否需要對LED燈進行供電,以及是否對無人環(huán)境中的工作LED燈進行斷電,所有數(shù)據(jù)均可從顯示屏上觀測到,也可直接進行控制。

設計原理如圖所示：

2 硬件設計

2.1 微控制器 本系統(tǒng)采用ST M32 微控制器,核心芯片為ST M32F407,采用Cortex M4內核,擁有192KB的片內SRAM,具有更快的數(shù)模轉換速度,最高運行頻率可達168 Mhz而功耗低至140u A/Mhz。其數(shù)據(jù)處理等功能要遠高于普通的51單片機,滿足高性能低功耗的要求。

2.2 走廊照明系統(tǒng)硬件設計 走廊照明系統(tǒng)的硬件結構主要包含光敏模塊,人體紅外模塊,LED燈以及若干條用于連接微控制器的杜邦線。

2.3 教室照明系統(tǒng)硬件設計 教室照明系統(tǒng)的硬件結構主要包含按鍵,光敏模塊,人體紅外模塊,舵機,LED燈以及若干條用于連接微控制器的杜邦線。

2.4 顯示及控制端硬件設計 系統(tǒng)的顯示組件為TFT3.5寸觸摸電阻屏,直接與微控制器連接,可以在其上查看各室內燈具的狀態(tài),并通過觸摸進行基本控制。

控制端整體采用STM32F4開發(fā)板,通過一定數(shù)量的IO 端口與教室及走廊的硬件電路進行連接,從而起到數(shù)據(jù)收集處理和直接控制的作用。

3 軟件設計

照明系統(tǒng)軟件主要分為走廊照明系統(tǒng)、教室照明系統(tǒng)、顯示及微控制端三個方面,均通過KELI5軟件,用C語言進行編寫。

3.1 傳感器數(shù)據(jù)處理 光敏傳感器模塊與人體紅外傳感器模塊在工作時均通過傳送電平信號,利用微控制器的ADC通道來讀取傳感器信號端電壓的變化,從而得到環(huán)境光線的變化及是否有人存在;將電平信號通過簡單量化后,處理為0～100的數(shù)值,便于用戶進行對閾值的設定。

3.2 走廊照明系統(tǒng)軟件設計 系統(tǒng)初始化完成后,走廊部分硬件電路會開始工作,首先光敏模塊工作,當環(huán)境光強未達到用戶設定的閾值時(即自然光強度高時),其余的部分不工作;

當環(huán)境光強達到用戶設定的閾值時(即自然光強度低時)向微控制器發(fā)送電平信號,使電路中的人體紅外模塊開始工作,檢測是否有人經過,并向微控制器發(fā)送電平信號,決定LED燈是否點亮。

LED燈被觸發(fā)后會立刻點亮,默認五秒后熄滅,若此過程中仍有人出現(xiàn)在人體紅外模塊檢測范圍內,LED燈將會持續(xù)點亮直至人離開。

軟件流程圖下圖所示：

3.3 教室照明系統(tǒng)軟件設計 系統(tǒng)初始化完成后,教室部分硬件電路不會工作,直至有人開啟LED燈開關,此時微控制器會收到信號,并向室內光敏模塊發(fā)送檢測信號,倘若室內光照強度未達到用戶設定的閾值(即自然光強度高時),則LED燈不工作;

當檢測到室內光強達到用戶設定的閾值時(即自然光強度低時),LED燈亮,燈亮過程中,人體紅外模塊會在舵機的牽引下定時對室內進行掃描檢測,當檢測到無人存在時,向微控制器發(fā)送電平信號,使LED燈熄滅,此時室內系統(tǒng)停止工作,直至下一次按鍵被觸發(fā)。

軟件流程圖下圖所示：

3.4 顯示及控制端軟件設計 TFT 顯示屏上負責劃區(qū)域顯示每個位置的燈具狀態(tài)以及各類傳感器的使用情況,并且能夠通過單擊屏幕關閉對應區(qū)域的LED燈,達到樓宇內照明情況在控制端可以一目了然,且智能控制與人為控制共同加持的效果;

控制端主要用來分析樓宇各位置傳感器采集到的數(shù)據(jù),并作出相應的命令指示硬件電路進行正常工作。

4 實驗結果

通過對實物的制作試驗,該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對走廊燈具以及教室燈具的良好監(jiān)測與智能控制：

走廊控制系統(tǒng)會在光線強度弱的情況下運行,靈敏的辨別是否有人通過,若有人,LED燈亮,直至行人離開,LED燈熄滅;

教室控制系統(tǒng)會在開關被觸碰情況下,對室內環(huán)境進行分析,環(huán)境光強度弱時燈亮,反之燈不亮,并在LED燈工作過程中定時檢測室內是否有人,若有人則LED燈正常工作,無人時燈關閉;

兩種控制系統(tǒng)基本涵蓋了校園室內對燈具使用的需求,通過良好的邏輯控制,大大減少燈具對電量的消耗。

5 結束語

該系統(tǒng)能夠獨立運行,對照明設備進行自動化控制,保證學生正常學習為前提,自動化開啟或關閉照明設備,相比較普通照明系統(tǒng)而言,降低能源消耗。結合校園發(fā)展的趨勢及照明現(xiàn)狀,該系統(tǒng)具有一定的現(xiàn)實意義和應用價值。