基于自動控制的教室智能燈設計

李冶（通信作者），劉賓坤，吉慶輝，陳昱行，黃浚恒

（大連理工大學城市學院，遼寧大連，116600）

0 引言

社會在不斷發展，人類也在追求更高的生活，但同時一些資源的浪費也變得多起來，能源缺失成為了全球普遍的問題，2007年我國照明用電約2905億度，國家也批準了新的節能減排政策，環保節能成為全國的關注，而在學校隨著學生壓力的變大，課下學生在教室的自習時間也變多，所以教室這種公共地方的使用也變多起來。但是，學生自習結束后陸續離開，有時學生忘記關燈導致夜晚教室在空無一人的情況下燈光照亮整夜，造成電能浪費。

解決教室電能浪費的方法就是設計一種能夠自動控制的教室智能燈。基于自動控制的教室智能燈可以實現在教室無人的情況下自動關閉燈，目的是減少教室電的浪費，提高教室的用電利用率，教室中空無一人且燈光通明的現象一去不復返。

基于自動控制的教室智能燈以STC89C51為核心控制器，集成光敏和人體感應兩種傳感器，可實現對開燈和關燈的自動可靠控制以及教室燈光亮度的調節，減輕了學校管理人員的負擔，提高了用電效率，環保經濟[2]，符合節能減排的理念。

1 系統總體設計

本文所研究的自動控制教室智能燈主要構成部分是由供電模塊、光敏模塊、人體感應模塊、復位電路以及晶振電路組成。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

本系統是以STC89C51為核心控制器所設計的教室智能燈，光敏模塊中光敏電阻感應光照，做出相關的處理把信號傳送給單片機。人體感應模塊中的人體傳感器感應到人體發出的特定波長的紅外線[3]，做出相關的處理把信號傳給單片機。此次設計集成兩種傳感器，最終實現開燈和關燈的自動控制。

2 電路各模塊設計及說明

2.1 系統主控電路

以STC89C51為核心，它是一種速度快且功耗少的單片機，不需要專用的編程器，共兩個16位定時器。性價比高的STC89C51單片機為核心解決相關的問題，其中本次設計所用到的一些特殊引腳的功能如下：XTAL1為反向振蕩器的輸入。XTAL1為反向振蕩器的輸出。RST為復位電路的輸入端。P3.4為定時計數器的外部輸入端，功能強大的引腳為系統的設計提供了幫助。

2.2 光敏模塊

光敏模塊結構如圖2所示。此模塊包括光敏電阻和電壓比較器兩部分，本設計使用光敏電阻值的不同而對電阻值進行了分壓，獲得的電壓值提供給LM393電壓比較器，通過10kΩ的一個可調電阻對光線的限值進行調整，感應測量到光線的大小，然后把這些信號送到單片機上進行處理。

圖2 光敏模塊

LM393電壓比較器是一種高增益,寬頻帶的器件，通常有一個信號與參照信號進行比較和兩個信號進行比較兩種方式，本次方案采取的是一個信號與參照信號進行比較，當圖中INA+的電壓超過了INA-的電壓，那么在圖中比較器就會輸出高電平，當圖中INA-的電壓超過了INA+的電壓，那么在圖中比較器就會輸出低電平。

采用的光敏電阻型號為GL5516，此光敏電阻廣泛應用于光電控制、光控燈以及工業控制等領域，可以實現光的檢測、操縱以及轉換等功能。光敏電阻有封裝可靠性、體積小反應速度快環保等特點，光敏電阻對光的敏感性與人眼對可見光的感應很接近,可以實現單電源供給電，最大功耗為90mw，在10Lux光照下，亮電阻阻值為5~10kΩ，滿足電路的正常工作。

2.3 繼電器模塊

本設計的繼電器模塊是由電磁繼電器、發光二極管、電阻組成，如圖3所示。本次采用的是SRD-05VDC-SL-C電磁繼電器，額定電壓5V，體積小便于焊接等特點實現電路的正常工作，電流通過線圈的兩端提供電壓，電流通過線圈流動，然后產生電磁效應，運動觸點和靜態觸點將被拉到一起。

圖3 繼電器模塊

其中整個模塊用三極管來驅動，三極管選取的是SS8550型號的三極管，型號是PNP型三極管，它的特性是集電極電流為1.5A，材質無纖無鹵素，節能環保。其中單片機P3.4引腳輸出低電平時，三極管導通，發光二極管點亮，繼電器吸合，繼電器驅動負載，使燈點亮。單片機P3.4引腳輸出高電平時，三極管不導通，發光二極管不點亮，繼電器閉合，燈不亮。其中發光二極管為顯示作用，通過二極管的亮滅可以判斷出燈的開關狀態[4]。

2.4 人體感應模塊

采用HC-SR501人體感應模塊，此模塊是基于紅外的自動控制模塊，其上有調節距離的電位器，順時針轉會增大感應距離，逆時針轉會縮小感應距離，其上有調節感應延遲時間的電位器，順時針旋轉會增加感應的延時時間，逆時針會縮小感應的延遲時間。人體感應模塊的靜態電流小于50uA，可以實現和各個電路的連接。

人體傳感器的紅外探頭可以檢測到人體發出的紅外線，不受外面可見光的影響，它的工作原理為人體散發出大約為10um波長的紅外線[5]，而紅外探頭能夠感應到由人發出的紅外光，通過菲涅爾透鏡能夠將這些光束中的紅外線變得更加集中并且減掉其他輻射的影響。

如圖4所示，感應模塊其上的探頭感應到人體時，輸出高電平，Q2三極管導通，P16引腳輸出高電平，人走后輸出低電平，Q2三極管截止，P16引腳輸出低電平。人體感應模塊的輸出電壓為3.3V經過一個轉換電路，使單片機能夠更加容易的識別出高電平。發光二極管作為指令的功能，通過2k的電阻將單片機P1.5引腳相連。當有人進入時，單片機的P15引腳會產生一個低電平，此時發光二極管會點亮指示有人。

圖4 人體感應模塊

2.5 晶振電路

晶振電路和復位電路組成了我們認識的單片機最小系統，如圖5所示。在單片機的時鐘信號主要分內部時鐘模式和外部時鐘模式兩種，在單片機的XTAL1和XTAL2兩個引腳外接一個晶振，可以使單片機內部產生一個時鐘脈沖信號，而在圖5中電容C2和C3能夠達到快速起振的效果。

2.6 復位電路

復位電路的作用是使整個系統回到剛開始的狀態，而復位電路又分為上電自動復位、系統復位和按鈕復位等多種方式，本設計利用按鈕復位的方式，是通過RST端經過電阻與VCC實現了復位的功能，使用者通過按鍵的形式可以恢復電路的初始狀態，電路如圖5所示。

圖5 單片機最小系統

3 軟件程序設計

程序編程是在keil軟件環境下開發的，此軟件支持C語言的編寫，通過對程序的編程與運行實現多方面的功能。本系統的軟件設計以硬件設計為基礎，采用了模塊式的設計，使系統能夠運行的更可靠，軟件流程圖如圖6所示。

圖6 流程圖

首先主程序執行時進行初始化，其次光敏模塊中的光敏電阻感應光的強弱，當感受到的光照值多的情況下，即為白天，將信號傳遞給單片機，單片機在做出相應的處理將信號傳給繼電器，繼電器斷開，燈不亮；光線低于一定值時，即為黑天，將這些信號傳送給單片機上進行處理，接著人體傳感器判斷是否感應到人體發出的紅外波長，如果人體傳感器沒有感應到人體發出的紅外波長，返回初始化，如果人體傳感器感應到人體發出的紅外波長，繼電器吸合，燈點亮，流程結束。

4 結語

本系統是以STC89C51為核心，通過軟件編程，實現了人們需要的各項要求。通過各個電路的共同作用，完成了對燈的控制作用，實現了對教室燈的自動控制。本次設計經過多次實驗，總體設計安全簡單，方便安裝，具有很大的實用性，可以安裝在樓道、辦公室、教室等公共場所，相信未來一定會被廣泛使用。