基于單片機(jī)的智能教室照明系統(tǒng)設(shè)計

摘要：文章設(shè)計實現(xiàn)的智能教室照明系統(tǒng)主要由STC89C52單片機(jī)、時鐘芯片DS1302、液晶屏LCD1602、光敏電阻和紅外對管等組裝而成，主要模塊包括主控單元、LCD顯示、物體檢測塊、環(huán)境明暗檢測、電源和功率調(diào)節(jié)等模。該智能照明系統(tǒng)采用紅外對管檢測教室人數(shù)，根據(jù)教室人數(shù)自動控制照明燈的個數(shù)，并利用光敏電阻檢測教室光線強(qiáng)弱。系統(tǒng)可通過按鍵選擇不同模式。自動模式時，可通過光線亮暗、時間段和教室人數(shù)自動調(diào)整照明，在無人教室關(guān)閉所有照明，在人數(shù)較少時通過顯示屏提醒更換教室以節(jié)省電能。在手動模式下，可手動控制開關(guān)的亮滅，人數(shù)統(tǒng)計仍然生效。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；照明系統(tǒng)；智能教室；紅外對管

中圖分類號：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 背景及意義

隨著我國通信技術(shù)、高校物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展及師生對教室環(huán)境質(zhì)量要求的提高，智能教室的照明系統(tǒng)已成為高校建設(shè)和管理中重要的一項工作^［1］。教室照明是師生進(jìn)行教學(xué)活動的必備條件，尤其在晚自習(xí)無監(jiān)督的情況下，智能照明系統(tǒng)是減少能源浪費的一項重要工作。近年來，全國各高校領(lǐng)導(dǎo)都格外重視教室照明的建設(shè)工作^［2］。學(xué)生晚自習(xí)結(jié)束忘記關(guān)閉照明電源或極少的學(xué)生占用一個自習(xí)教室，都會導(dǎo)致能耗消耗攀升，由此產(chǎn)生的某些問題亦逐漸顯露出來。如教室的維護(hù)量增大，帶來的人員不足，維護(hù)費用增加，社會成本過高，電費支出過多等問題。這些問題的產(chǎn)生無疑給學(xué)校管理部門的各方面工作帶來很大的壓力，急需解決。舊式的樓棟控制系統(tǒng)存在功耗大，公共資源得不到充分應(yīng)用，效率低等問題。智能教室照明作為智能教室工程的重要組成部分，越來越被各高校所重視，大量的資金投入建設(shè)和改造，讓學(xué)校變得更加低碳、節(jié)能和環(huán)保^［3］。

伴隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和單片機(jī)技術(shù)在各行各業(yè)中的應(yīng)用，近幾十年來，基于單片機(jī)的智能照明控制系統(tǒng)對智能教室系統(tǒng)進(jìn)行全面的升級，不僅實現(xiàn)了智能控制，而且降低了運(yùn)行成本。因此，教室智能照明系統(tǒng)的推廣，可以改變高校系統(tǒng)傳統(tǒng)的管理服務(wù)方式，提高服務(wù)效率，并對節(jié)省電能消耗起到極大的推動作用^［4］。

2 分析與設(shè)計

2.1 需求分析與總體框架

通過前期調(diào)研分析，傳統(tǒng)教室照明控制已不能滿足新時期校園開展教學(xué)活動的要求，應(yīng)適時將無線互聯(lián)、智能控制等引入新時代的教室。在高校中，照明在美化夜晚學(xué)校，清晰校園結(jié)構(gòu)中發(fā)揮重要的作用，尤其在教室中的智能控制照明，具有以下非常重要的意義。它能實現(xiàn)節(jié)能、延長燈具壽命；改善教學(xué)環(huán)境，提高效率；實現(xiàn)多種照明效果；提高學(xué)校管理水平；獲得較好的投資收益效果。學(xué)生進(jìn)入教室后，系統(tǒng)將教室的燈光、窗簾調(diào)節(jié)至智能模式。根據(jù)需要，學(xué)生可以通過墻裝的智能面板控制教室內(nèi)的燈光開關(guān)、調(diào)光，電動窗簾開關(guān)。選擇不同的模式。學(xué)生開始學(xué)習(xí)后，可自動將教室的燈光、窗簾等調(diào)整到自動模式。

基于上述需求和問題分析，本文確定智能教室照明系統(tǒng)的主要功能如下：可通過紅外對管檢測教室人數(shù)；可通過光敏電阻檢測教室光線強(qiáng)弱；可通過LCD1602顯示環(huán)境明暗、教室人數(shù)、提醒信息、當(dāng)前時間及模式；可自動和通過按鍵完成模式切換、燈的個數(shù)和亮度調(diào)節(jié)及給出提醒信息。本文系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

2.2 智能照明系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)分析

2.2.1 物體檢測技術(shù)

本文設(shè)計照明系統(tǒng)中的教室人數(shù)是通過紅外對管進(jìn)行檢測統(tǒng)計。紅外對管的管子極性必須連接正確，通常情況下，較長的引腳就是制作的正極方，而較短的另一腳為負(fù)極方。在使用紅外對管時，通過測量紅外發(fā)光二極管的正反電阻實驗，能夠在很大的程度上推測出紅外對管對檢測物體的準(zhǔn)確度。紅外對管的紅外線波長是介于微波和可見光之間的電磁波，波長在 760 nm～1 m，是波形比紅光長的非可見光。自然界中的一切物體，只要它的溫度高于絕對零度就存在分子和原子的無規(guī)則運(yùn)動，其表面就會不停地輻射紅外線。雖然輻射紅外線，但不同的物體輻射的強(qiáng)度不一樣，而本文正是利用這一點把紅外技術(shù)應(yīng)用到智能教室的照明系統(tǒng)開發(fā)中。

當(dāng)紅外對管用于檢測時，發(fā)射管先發(fā)送紅外信號，紅外信號會隨著傳送距離的加大逐漸衰減，如果遇到人體，就會形成紅外反射。當(dāng)反射回來的信號比較弱時，光敏二極管接收的紅外光較弱，接收檢測引腳輸出高電平，說明有人已經(jīng)離開教室；當(dāng)反射回來的信號比較強(qiáng)，接收檢測引腳輸出低電平，說明有人已經(jīng)進(jìn)入教室。

2.2.2 環(huán)境明暗檢測技術(shù)

進(jìn)行智能照明的數(shù)據(jù)收集時，光照強(qiáng)度的測量是非常必要的。根據(jù)光照的強(qiáng)弱自動調(diào)整教室內(nèi)的燈光，給師生提供最舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境。本文設(shè)計使用一個光敏電阻配合Arduino完成光照數(shù)據(jù)的收集，需準(zhǔn)備Arduino UNO 開發(fā)板、面包板、光敏電阻和1～10 k的電阻等材料。在黑暗的無光條件下，光敏電阻的阻值非常高；光線越強(qiáng)，電阻值反而越小。通過測量光敏電阻兩側(cè)的電壓變化值可以得知，光敏電阻值的變化進(jìn)而獲得光照強(qiáng)度值。在連接時，本文為光敏電阻串聯(lián)了一個分壓電阻。

在黑暗中，光敏電阻的阻值會很大，電壓輸出也就很大，接近5 V。一旦有光線照射的話，光敏電阻的值就會迅速減小，電壓輸出也隨之減小。本文通過實驗測試，分壓電阻選取不能太小，最好在1～10 k左右，否則比值變化不明顯，環(huán)境明暗檢測則不準(zhǔn)確。

2.2.3 智能照明的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

本文設(shè)計的智能照明系統(tǒng)，建立在主流的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上，以便以后進(jìn)行升級和改造。在本校原有的窄帶廣域網(wǎng)技術(shù)上，通過智能網(wǎng)關(guān)和LoRa智能開關(guān)實現(xiàn)照明系統(tǒng)的整體聯(lián)動。該功能可實現(xiàn)對燈光的集中智能化控制。傳統(tǒng)開關(guān)布線耗時耗力，本文利用無源無線技術(shù)，徹底解決開關(guān)布線難的問題，師生只要拿著開關(guān)隨時隨地管控?zé)艄狻Ｍ瑫r，無須開槽埋線管，安裝部署上使用智能開關(guān)面板替換原有的舊開關(guān)面板，讓照明工程造價大大降低，工程施工進(jìn)度大大加快。該智能照明利用計算機(jī)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)葋韺崿F(xiàn)對照明設(shè)備的智能化控制，構(gòu)建安全、節(jié)能、舒適、高效的教室照明環(huán)境。

3 照明控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 硬件部分的實現(xiàn)

本照明系統(tǒng)以單片機(jī)作為控制模塊的核心部件，采用紅外對管檢測人體的存在，采用光敏電阻三極管構(gòu)成的電路檢測環(huán)境光的強(qiáng)度。根據(jù)教室合理開燈的條件，通過對人體存在信號和環(huán)境光信號的識別與判斷，完成對教室燈光的智能控制，避免了教室用電的大量浪費。整體硬件電路主要由51單片機(jī)STC89C52、時鐘芯片DS1302、液晶屏LCD1602、比較器芯片LM339、光敏電阻、紅外對管、按鍵、LED等構(gòu)成。

本文設(shè)計的STC89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)，也就是單片機(jī)能夠正常運(yùn)行程序的三大部分，分別是單片機(jī)，晶振電路，復(fù)位電路。光敏電阻部分，本研究采用1 k電阻R4對電平進(jìn)行了限制。只有在這種情況下，當(dāng)一個單片機(jī)給DJ一個高電平的情況下，8050是高電平導(dǎo)通，其三極管才被導(dǎo)通。10 k電阻僅在此處用作上拉電阻，如果未連接vcc電流，則可以打開8050，并且無法對其進(jìn)行控制。DS1302主要采用的技術(shù)是一種具有高性能、低驅(qū)動功耗的新型實時數(shù)字計算機(jī)和數(shù)字時鐘驅(qū)動控制電路。DS1302可以針對年份和月日時分秒等信息進(jìn)行自動計時，并帶有閏年自動補(bǔ)償?shù)墓δ堋１敬卧O(shè)計選用LCD1602液晶屏幕顯示，LCD1602工作在3.5～5 V的正常工作電壓下，其內(nèi)部安裝具有自動復(fù)位的電路，能夠?qū)鈽?biāo)轉(zhuǎn)換、清幕等操作。該顯示器的亮度可由外部聯(lián)絡(luò)電位器來調(diào)整。它主要采用的技術(shù)是一款全方位自動化的新型工業(yè)式自動字符型顯示液晶，可以同時自動顯示兩行字符數(shù)據(jù)。該顯示模塊可以用來顯示當(dāng)前日期與時間及紅外檢測模塊檢測到的目前教室內(nèi)剩余的人數(shù)。在按下設(shè)置按鍵后可進(jìn)入時鐘設(shè)置頁面。另外，本設(shè)計共有5個按鍵，獨立的按鍵為復(fù)位按鍵，并排的4個按鍵分別為：手動/自動模式切換鍵、設(shè)置鍵、加一鍵（手動模式下為LED亮度增大鍵）、減一鍵（手動模式下為LED亮度減小鍵）。系統(tǒng)硬件如圖2所示。

3.2 軟件部分的實現(xiàn)

軟件組成部分的主要工作是完成對照度檢查電路的處理及通信信號的處理。如當(dāng)燈光照明性很強(qiáng)時，系統(tǒng)將繼續(xù)通過燈光檢測來監(jiān)視燈光檢測電路的輸入和運(yùn)行狀態(tài)，軟件部分的邏輯功能實現(xiàn)闡述如下：使用4個LED燈模擬教室的照明燈，在符合條件開啟時，人數(shù)小于10人亮1個燈，10～20人亮2個燈，20～30人亮3個燈，大于30人則全亮4個燈。若人數(shù)在5人以下，在LCD上給出提醒更換教室信息。教室使用兩個紅外對管來檢測是否有人進(jìn)入并進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計，人數(shù)可以統(tǒng)計到二位數(shù)99人，并實時將人數(shù)顯示到液晶屏LCD上，同時，LCD液晶屏還提供時間、日期和星期信息以方便師生開展教學(xué)活動。軟件設(shè)計中，檢測教室亮度的邏輯，主要通過程序與光敏電阻控制接口進(jìn)行連接，最終由系統(tǒng)編程接口控制燈的個數(shù)。

系統(tǒng)分自動和手動模式，可以通過按鍵切換模式，并有LED指示當(dāng)前所在模式。在自動模式下，可以設(shè)定定時時間段，在定時時間段內(nèi)，當(dāng)教室有人（人數(shù)大于0）的情況下，如果光線暗弱則自動打開照明燈，照明燈點亮個數(shù)根據(jù)人數(shù)而定。不在定時時間段或教室無人的情況下，關(guān)閉所有照明燈。另外，在手動模式下，可以通過手動開關(guān)控制照明燈的亮滅，同時統(tǒng)計人數(shù)。

其中，在自動模式下人數(shù)顯示的核心代碼如下：

init（）；//液晶初始化

Time_Display（）；//顯示時間

Open（）；//動作判斷，根據(jù)光線和聲響開關(guān)

Count_Value（）；//計算人數(shù)

4 結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了智能教室照明系統(tǒng)的設(shè)計全過程，包括總體架構(gòu)、硬件和軟件的設(shè)計與實現(xiàn)。最后，通過實驗驗證，在復(fù)雜教室環(huán)境下，經(jīng)過單片機(jī)分析判斷控制燈光亮滅情況，實現(xiàn)了室內(nèi)在人數(shù)不足的情況下智能減少燈光個數(shù)。在有人進(jìn)入教室時，根據(jù)總?cè)藬?shù)和燈光個數(shù)自動增加燈光。如果光照度和人體感應(yīng)都不滿足時，單片機(jī)延時1 min，關(guān)掉燈光等功能，達(dá)到了較好的節(jié)能效果。但系統(tǒng)在統(tǒng)計人體檢測上，人數(shù)上限對于擴(kuò)展到大型報告廳教室還有待在后續(xù)研究中進(jìn)一步改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

［1］楊盛博.基于DeviceNet總線的智能照明控制系統(tǒng)［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2022（4）：187-189.

［2］李文杰，脫慧.基于STM32的教室智能照明系統(tǒng)設(shè)計［J］.中國設(shè)備工程，2022（13）：118-120.

［3］彭強(qiáng).智能照明控制系統(tǒng)在地下停車場的應(yīng)用［J］.工程技術(shù)研究，2022（10）：117-119.

［4］王雯嬌.多媒體教室的智能照明控制系統(tǒng)［J］.光源與照明，2021（1）：34-36.

（編輯 姚 鑫）

Design of intelligent classroom lighting system based on microcontroller

Yi Hui

（School of Information Engineering， Hunan University of Science and Engineering， Yongzhou 425199， China）

Abstract： The intelligent classroom lighting system designed and implemented in this paper is mainly composed of STC89C52 single chip microcomputer， clock chip DS1302， LCD LCD1602， photoresistor and infrared tube. The main module consists of the main control unit， LCD display， object detection， environment brightness detection， power， and power regulation. The intelligent lighting system uses infrared tube to detect the number of classroom， automatically controls the number of lights according to the number of classroom， and uses photosensitive resistance to detect the intensity of the classroom light. The system can select different modes by pressing buttons. In automatic mode， the lighting can be automatically adjusted according to light brightness， time period and the number of classrooms. In unmanned classrooms， all lighting can be turned off. When the number of students is small， the screen reminds to change the classroom to save power. In manual mode， you can manually control the switch on and off， and the number of people still takes effect.

Key words： microcontroller; lighting system; intelligent classroom; infrared tube