基于單片機的教室燈光控制系統設計與研究

馬永華 劉茜 于海蘭

北京聯合大學 北京 100023

引言

目前大學的管理模式多數為開放型，高校的教室的長明燈現象比較普遍，幾個人的教室里照明全部開啟的現象也很常見，在我國這樣的教室有很多，這樣的話能源浪費就比較嚴重。

現在我國的城鎮的學校仍然以傳統熒光日光燈為主要的照明，它便宜，但是有頻閃，容易導致學生視覺疲勞進而導致近視的發生，而且這種照明調光也比較困難。相比之下，LED燈的電壓可調、功率小、損失小、無頻閃，保護眼睛，光線柔和，不容易視覺疲勞。

在本文中，將教室分為幾個區域，每個區域分別采集光強度信號和學生數量來確定LED燈的開關和亮度的調節，并在學生都離開后，延遲一段時間后將燈全都關閉。在教室的進門的位置都有對應每個區域的觸摸開關，學生也可以自主打開或關閉電燈，而且人員控制的優先級高于自動控制。

1 系統整體設計

交流電經過二極管電路元器件整流后，再通過PWM整流變成可以調節的直流電供給LED燈，每個區域的光強電路采集光的明亮程度，紅外采集電路采集有無人員以及人員的多少，兩個信息傳遞給單片機，由單片機控制判斷后輸出可調節的PWM信號，加到PWM電路的信號輸入端，經過PWM電路的放大驅動LED燈，使其打開或關閉和亮度調節。

該系統由單片機及其外圍電路（如電源、晶振等）構成控制器；每個區域的光強度信號采集傳感器、人員采集傳感器和門口的每組的觸摸開關采集構成的測量電路；可以從0%--100%可調的PWM控制每組LED燈暗亮程度的執行電路[1]。

2 系統的硬件構成

2.1 控制電路

單片機選擇C8051F410，它是一款可滿足復雜高性能儀器要求的單片機，是集成在一塊芯片上的混合信號系統級單片機，與MCS51內核及指令完全兼容。它除了具有標準8051的數字外設部件外，片內還集成了電壓比較器、模擬多路選擇器、UART、可編程增益放大器、AD/DA、電壓基準、SMBus/I2C、SPI、可編程計數器/定時器陣列、定時器、I/O端口、溫度傳感器、電源監視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器等常用的功能部件，而且該單片機內部具有JTAG和調試電路，通過JATG接口可以進行非侵入、全速及在線系統調試。

2.2 光電采集電路

光敏傳感器的核心是一個光敏電阻，它隨著光強的變化而變化，當光的強度增加時，光敏電阻的阻值變低，輸出電壓改變，由光敏電阻采集的模擬電壓信號經PCF8591轉化為數字信號，用單片機C8051F410自帶的SMBus與PCF8591連接。

PCF8591連接光敏電阻，光敏電阻的電壓隨著光的強度的大小而改變，通過采集電壓值的不同，而獲得光強信號的不同，PCF8591還能進行AD轉換，將電壓信號變成數字信號輸入給單片機。二者傳遞信號通過單片機的SMBus I/O接口和PCF8591芯片的I2C接口。SMBus I/O接口是一個雙線的雙向串行總線，與I2C串行總線兼容。

2.3 人員采集電路

人員采集電路采用微型SR602人體感應模塊，它采用熱釋電人體紅外傳感器探頭，具有靜態功率小，靈敏度高、響應速度快等特點，并且已經裝好透鏡，直接配上電源即可使用，無須調試。感應距離為最大5米，建議0-3.5米，滿足在教室使用的要求。這樣的電路在每個教室大概有4-6個，根據教室的大小有所區別。但是，使用時需要避開熱輻射源出風口或者陽光直射的地方。

2.4 觸摸開關電路

本文中的觸摸開關采用金屬觸摸傳感器，它是一種只有在帶電體觸摸時才動作的開關，當手指觸摸電路模塊中的晶體管的基極時導通，經過晶體管放大和比較器處理后輸出穩定信號。

這個電路的作用是當有人觸摸開關時，能夠直接開燈或者關閉LED燈。它的優先級高于自動開關的控制電路。

2.5 繼電器模塊

繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統和被控制系統，通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“斷路器”，故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用，在這里可以打開關閉電燈。

3 系統的軟件構成

軟件構成包括可調節PWM信號的輸出，PWM是脈沖寬度調制技術，我們采用定頻調寬法，使周期T不變，只改變導通的時間，使平均出來的電壓改變，由于單片機輸出的脈沖頻率很高，所以電壓的特性曲線還是很平滑。這是實現對模擬電路控制的一種非常有效的技術。

C8051F410單片機能通過編程，并通過交叉開關的設置將PWM信號直接輸出到I/O口。

軟件整體流程為當有人進入，手動打開燈，觸摸開關感知后，軟件系統中某個為零的變量加1，變量變為奇數，開燈，LED開度100%，然后再根據每個區域采集的人員和光強度調整LED的開度，如20%或者50%等；打開燈后，采集到無人或者光強度滿足需要，則延時10分鐘將該區域的燈關閉。人再按開關，觸摸開關感知，變量變為偶數，沒有延時，直接關閉這個區域的LED燈。

4 結束語

良好的教室照明系統能有效地保護學生的眼睛，同時能節省大量的能源。而且普及LED燈也是未來的趨勢，基于單片機的教室燈光控制系統靈敏度高、功率小，響應速度快，調節更改靈活，有一定的應用前景，能夠實際應用到生產生活中。