教室照明燈智能控制系統的研究

李梁 湯璐逸

摘? 要：系統以單片機作為主控元件，采用紅外傳感器收集信號，通過紅外掃描來判斷區域內人數，根據不同的人數控制燈亮的數量，可以實現自動開燈，開幾盞燈，以及自動關閉燈功能。設計的模塊包括時間控制、顯示控制等，并設計了自動控制和人工控制兩種模式。系統實現了對進出教室人數的記錄并能因時控制亮燈個數，方便而節能。

關鍵詞：自動控制;紅外傳感器;節能

中圖分類號：TP273? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）05-0044-02

Abstract： The system uses single-chip microcomputer as the main control element， uses infrared sensor to collect signals， judges the number of people in the area through infrared scanning， and controls the number of lights according to different numbers of people. It can automatically turn on lights， turn on several lights， and turn off lights automatically. The designed module includes time control， display control and so on， and two modes of automatic control and manual control are designed. The system realizes the recording of the number of people in and out of the classroom and can control the number of lights according to time， which is convenient and energy-saving.

Keywords： automatic control; infrared sensor; energy saving

1 背景

在當前中國能源乃至世界能源危機的嚴峻形勢下，人們既注重可再生能源的開發利用，又更加注重水電等節能減排，采用傳統的照明方式已不符合對電力的要求高效節能的光源，打造簡單低成本，易于操作，易于維護的智能照明控制系統指日可待，當然，除了工業用電外，學校也是一支電力大軍，因此，校園的教室照明和路燈如果能做到綠色照明的智能控制，可以有效節省電力，保護環境，同時提高照明質量[1]。目前傳統照明系統的主要問題，很多教室都在使用傳統照明系統，需要手動操作開關，所以當學生下課后離開教室時，可能會出現忘記關燈情況，造成資源的浪費。并且一天當中不同時間段的自然光亮也不同，若是能調節至人體護眼的光亮度，對學生的學習會更有幫助。

2 系統總體功能

在整個系統設計完成之后，對不同人數和不同時間情況下是否應該開燈以及開幾盞燈進行了研究和測試，同時，在人工控制模式下，可以實現10人亮一盞燈的模擬操作，在教室低于10人時，教室燈光會自動關閉。

2.1 系統整體框架

系統的整體設計是基于51單片機，由單片機控制整個電路信號和各個模塊的連接。設計的模塊包括傳感器模塊、燈光模塊、時間模塊、顯示模塊、手動模塊、備份電源模塊、系統存儲模塊等主要模塊。如圖1所示。

本系統功能流程：單片機接收熱敏紅外傳感器的信號，進行處理和控制，輸出信號調節亮燈的個數。系統中加入了時間控制、人工控制，由紅外傳感器、時鐘模塊、人工控制這3個模塊向單片機發送信號，再由單片機輸出信號控制亮燈個數，在篩選和測試了功能部件后，本系統可實現如下功能：（1）實時控制：測量地區不同時間段的環境亮度，根據時間設定燈亮的個數，使燈光在工作期間按時打開。在非工作期間關閉。（2）紅外檢測：通過紅外掃描來判斷區域內人數，根據不同的人數控制燈亮的數量。（3）手動控制：為教室人員提供自主改變室內光照提供便利，在需要時可手動控制燈光的亮滅。

2.2 亮燈個數控制方案分析

本系統具有對出入教室人數檢測功能，并能實時控制，方便且節約能源。本系統有兩種控制方式：自動控制和人工控制。

自動控制：系統在復位后處于自動控制狀態，按照設定好的時間作息，在工作日時，能進行根據進出人數數目確定亮燈數量的控制，如果有人進入教室，熱敏紅外傳感器感應到人體后，將信號傳輸到CPU且數碼顯示器上顯示人數為1;當有人從教室出去，則顯示器上數字自動減1。

人工控制：在系統正常工作的情況下，如有需要，按下切換開關，人員可以對教室燈進行人工控制，也可以在非工作時間下啟用手動開關。不使用此功能時，再次按下切換按鈕，可以切換到自動控制工作模式。

當教室無人員進出，且顯示器上顯示當前人數為0時，教室燈光會自動關閉。當滿足工作時間時，且有人進去條件時，教室系統根據人數再次開始亮燈數的調整。

3 硬件設計模塊

3.1 中央控制模塊

系統中，在自動控制模式下，紅外傳感器采集到信息，將數據傳給中央控制器和處理器（單片機），當單片機接收到數據，開始進行處理，首先判斷是否工作時間已到，教室人數是否達到亮燈要求。若滿足上述條件，則進入自動控制工作狀態，可根據教室進出人數進行教室亮燈數目的調整。若上述條件不能全部滿足，則不進行運作。此時，若有特別需要，可以切換人工控制模式，進行手動調整燈光亮滅個數。

3.2 液晶顯示電路

為了方便人工控制模式下，人員對教室信息有更快更明確的掌握，和根據人數信息進行教室燈光數目的調整。同時，在液晶屏幕上，顯示時間，人數數據。[2]

點陣字符型液晶顯示器是專門用于顯示數字、字母、圖形符號及少量自定義符號的顯示器。設計中的顯示屏主要用來顯示燈亮的數目，方便查看和控制。還可以顯示當前日期和室內溫度。如圖2所示。

3.3 DS1302設計模塊

硬件時鐘模塊采用實時時鐘芯片DS1302，具有備用電源、低功耗和臨時內存寄存器的功能。DS1302的RST，SCLK和I/O分別與SCM的p2.0，p2.1和p2.2連接，在SCM與DS1302之間進行數據交換時，應將RST更改為高電平，即SCM p2.0必須為邏輯1。當RST保持高電平并且SCLK時鐘從低電平變為高電平的上升沿時，數據輸入DS1302，然后通過I/O從最低位置寫入數據。當RST保持高電平并且SCLK時鐘從高電平變為低電平下降沿時，將從DS1302讀取數據，并且也從最低位置讀取數據通過I/O口訪問DS1302。

3.4 其他電路

按鍵電路主要模擬進出教室的人數，由一個2×4的按鍵陣列組成，主要用于完成人工控制和自動控制的設定。通過控制按鍵次數來模擬進出教室的人數，在進按鍵上按十下表示進來十個人，會自動亮一個燈，在出按鍵上按一下表示出去一個人，當教室低于9個人會自動滅燈。在標號為暗的開關上按，表示調節燈光的亮度。系統依據燈光不同的亮度調節燈的亮滅個數。如圖3所示。

紅外線傳感器模塊采用熱敏紅外傳感器設計的人體感應模塊，可實現感應的人體的靠近，以進行教室人員進出的信號發送。發送的信號由主控電路單片機控制接收和處理。處理的結果再控制燈光電路，進出自動控制模式下，最后根據教室當前人數來確定燈亮滅的個數[3]。并將燈亮的個數顯示在顯示屏上。方便查看，同時實現節能的效果。此時，當顯示屏上燈亮的個數與教室實際燈亮的個數不對應時，燈亮的個數多或者少時，都可以啟動人工控制，進行手動調整教室燈亮滅的數量。

4 結束語

該系統分析了目前教室自動控制燈光照明的發展趨勢，介紹了基于STC89C52單片機的自動控制亮燈系統的軟硬件組成，在傳統控制系統燈光實時控制方面進行了較大改進。主要優點是系統結構簡單，成本較低，運行穩定，并易修改以適用于不同場合。此外，在功能上取得了良好效果，實現了進出人數顯示，主要根據人數控制亮燈個數，基本實現了教室照明系統的自動控制，達到了節能減排的效果。這種設計也方便了功能的擴展。本系統主要應用于教室的亮燈情況控制，但是對于其余場合，如會場，演播廳，展廳等，系統可根據不同情況進行改動和擴展，亦可極大地滿足用戶的需要，即本系統的可移植性較好，有較大的市場潛力和普遍應用的良好前景。

設計基于一個簡單的教室照明系統進行控制，有些情況尚未考慮，例如：

（1）這種設計未考慮多人同時出教室的情況。在教室入口兩側合理安放紅外傳感器，在比較擁擠的情況下，可改善信息出錯情況。

（2）為提高系統的智能性，當實際人數較多和場地過大時，可以增加紅外傳感器的數量來提高可靠性。

參考文獻：

[1]張達敏.教室照明智能控制器[J].貴州工業大學學報（自然科學版），2003，32（1）：75-78.

[2]李朝青.單片機原理及接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[3]孟立凡，藍金輝.傳感器原理及應用[M].電子工業出版社，2007.