高校教室照明控制器設(shè)計

王小會 李保印 薛延剛 李曉青

摘? 要：針對目前高校教室缺乏完善的照明管理系統(tǒng)而造成電能資源浪費的現(xiàn)象，設(shè)計了一種對教室進行分區(qū)域控制的智能照明控制器。運用單片機STC89C52作為中央處理器，采用時鐘芯片DS1302提供準確計時，利用光頻轉(zhuǎn)換器TSL230測量光照強度，采用熱釋紅外傳感器檢測人體。實驗結(jié)果表明，根據(jù)時間、光照強度和人體信號，控制器可以有效控制該區(qū)域內(nèi)燈組的狀態(tài)。該控制器既能實現(xiàn)對教室內(nèi)日光燈的控制，也能起到節(jié)能的效果，符合低碳生活的要求。

關(guān)鍵詞：智能照明控制器；單片機；光照強度；節(jié)能

中圖分類號：TP368? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）02-0049-05

Design of Lighting Controller for University Classroom

WANG Xiaohui1， LI Baoyin2， XUE Yangang1， LI Xiaoqing1

（1.Lanzhou Institute of Technology， Lanzhou? 730050， China; 2.China Telecom Wanwei Information Technology Co.， Ltd.， Lanzhou? 730030， China）

Abstract： Aiming at the waste of electric energy resources caused by the lack of perfect lighting management system in university classrooms， an intelligent lighting controller for classroom subregional control is designed. Using the Single-Chip Microcomputer STC89C52 as the central processing unit， the clock chip DS1302 is used to provide accurate timing， the optical frequency converter TSL230 is used to measure the light intensity， and the pyroelectric infrared sensor is used to detect the human body. The experimental results show that the controller can effectively control the state of the light group in the area according to time， light intensity and human body signal. It can not only control the fluorescent lamps in the classroom， but also achieve the effect of energy saving， and meet the requirements of low-carbon life.

Keywords： intelligent lighting controller; Single-Chip Microcomputer; light intensity; energy saving

0? 引? 言

在倡導(dǎo)經(jīng)濟與綠色共存的時代背景下，人們越來越關(guān)注節(jié)能環(huán)保。特別是隨著科技的不斷進步，國民經(jīng)濟的快速提高，能源的短缺與社會需求的矛盾加劇。盡管我國國土面積比較大，但人口基數(shù)龐大，人均能源占有量少，而且大多數(shù)人環(huán)保意識淡薄，對能源的浪費相對嚴重，這已成為制約國家發(fā)展的主要問題之一[1]。

目前，隨著高校的整合發(fā)展及擴招，據(jù)統(tǒng)計，甘肅大中專院校300多所。如本校規(guī)定8人間每月用電量不超過28度，但49%的宿舍每月用電量超額，平均約43度，平均每年浪費約13.2萬度，教室照明每年浪費約13.5萬度，若甘肅大中專院校都是如此，甘肅省將浪費近8 010萬度電能。高校電能的浪費讓人觸目驚心，如何提高教室用電效率成為一個急需解決的問題，那么設(shè)計一種簡便、實用的高校教室照明控制器就顯得很有意義，以更加有效地實現(xiàn)對資源的合理優(yōu)化，減少電力資源的浪費，達到節(jié)能的目的[2]。

1? 教室區(qū)域劃分

考慮到教室內(nèi)各位置與窗戶的距離各不相同，環(huán)境光的分布也不相同，所以，為了能夠達到更好的節(jié)能效果，把教室劃分區(qū)域，對日光燈進行分區(qū)域控制[3]，如圖1所示，這樣就可以解決由于自然環(huán)境及窗戶的布局引起的采光不均勻的問題。

2? 系統(tǒng)總體方案

單片機最小系統(tǒng)、時鐘模塊、光照強度檢測模塊、人體檢測模塊等組成了本系統(tǒng)的智能照明控制器[4]。該控制器采用STC89C52單片機作為控制核心，采用時鐘芯片DS1302獲得準確時間，通過光頻轉(zhuǎn)換器TLS230采集光照強度，采用熱釋紅外傳感器檢測人體的存在，將時間、光照強度、人體是否存在這三個信號送入單片機，應(yīng)用PID算法進行處理，單片機再以運算結(jié)果有效控制教室日光燈的開與關(guān)。系統(tǒng)總體方案如圖2所示。

3? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1? 單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)是整個硬件電路的控制核心，其作用是實現(xiàn)對時鐘信號的處理、光照強度信號處理、人體信號的處理與時間、光照強度等信息的顯示。本系統(tǒng)采用的是STC89C52型號芯片，芯片內(nèi)包含一個內(nèi)存8 KB的可編程Flash存儲器，F(xiàn)lash儲存器允許作為程序存儲器對系統(tǒng)進行編程，與8位的CPU一起聯(lián)合工作可以控制系統(tǒng)，它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，因此STC89C52被廣泛應(yīng)用在自動化領(lǐng)域，特別是對于一些控制方式簡單的系統(tǒng)，具有很好的適用性、靈活性[5]。本設(shè)計選用STC89C52微處理器作為研究對象。STC89C52芯片具有功耗低、速度快、抗干擾能力強、價格低廉、指令代碼與傳統(tǒng)8051CMOS8位完全兼容。

STC89C52型號單片機的最小系統(tǒng)由STC89C52單片機、復(fù)位電路和時鐘電路組成。單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖3所示。單片機的復(fù)位引腳是第9號引腳，其復(fù)位方式為：通常提供給9號引腳一個高電平，高電平持續(xù)時間超過2個機器周期，即時長超過2 μs[6]。陶瓷電容C1和C2與11.059 2 MHz晶體振蕩器組成單片機的時鐘電路，為單片機的工作提供基本的時鐘信號[6]。

3.2? 電源模塊

變壓器、橋式整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路及電容組成了該系統(tǒng)的電源模塊。其工作原理是變壓器對220 V的電壓首先進行降壓，經(jīng)橋式整流電路得到脈動的直流電壓，再通過濾波電路將脈動電壓中的交流成分濾掉，保留直流分量，得到較平滑的直流電壓，最終得到穩(wěn)定的+5 V直流工作電源，用來給單片機系統(tǒng)及其外圍模塊供電[7]。電源模塊如圖4所示。

3.3? 光照強度檢測模塊

為實現(xiàn)對光照強度的定量測量，選用光頻傳感器TSL230作為光照強度檢測傳感器，把信號處理電路、硅光電二極管和電流/頻率轉(zhuǎn)換器等集成到一塊芯片上，就構(gòu)成了性能良好、價格便宜、集成化的智能傳感器。它可將輸出的數(shù)字信號直接送入CPU進行處理，同時光頻轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的硅光電二極管和電流頻率轉(zhuǎn)化器兩個器件可以定量測量教室內(nèi)各區(qū)域的照度值，并可以輸出脈沖串或方波，一個周期內(nèi)，信號的脈沖序列或高電平占空比固定為0.5，且其頻率與光照強度存在一定的正比例關(guān)系。所以利用其可實現(xiàn)高分辨率的光照度/頻率轉(zhuǎn)換的功能。在TSL230的輸入端加入74HC14芯片用于對信號的整形，減小單片機對頻率信號計數(shù)的誤差和信號失真誤差。光照強度檢測模塊如圖5所示。

本系統(tǒng)主要的輸入?yún)?shù)之一是教室中的光照強度，光照強度與輻照度具有一定的關(guān)系。光照強度在光學(xué)術(shù)語中經(jīng)常被稱為光照度，指單位面積能接受可見光的光通量[8]；而輻照度在光學(xué)術(shù)語中被定義為在一定的面積、時間內(nèi)，太陽輻射經(jīng)過大氣層的各種物理作用后到達固體表面上的輻射能量。在文獻[9]中，光照度與輻照度存在E=aL+b（E為輻照度，L為光照度，a、b為系數(shù)）的關(guān)系，并且由實驗表明，在天氣晴朗的時候，輻照度E=1.37×10-2L+0.583 7，通常情況下，自變量光照度L的值較大，所以因變量輻照度E的值也較大，相比較而言，系數(shù)b的值較小，所以當因變量輻照度E的值很大時，可以將系數(shù)b看作一個無窮小量，忽略b值不計。那么光照度與輻照度之間可以近似地看成正比例關(guān)系E=1.37×10-2L。同樣，經(jīng)試驗統(tǒng)計得：多云時，E=1.09×10-2L；陰天時，E=0.96×10-2L。為便于計算，輻照度與光照度的比值系數(shù)取為1.0，即對光照度與輻照度的轉(zhuǎn)換選用公式E=1.0×10-2L。

3.4? 人體檢測模塊

為檢測教室是否有人，選用DYP-ME003人體感應(yīng)模塊。因人體會發(fā)出特定波長10 μm左右的紅外線，利用傳感器的光敏控制和全自動感應(yīng)特性，可自動檢測出進入其感應(yīng)范圍7 m內(nèi)的人體信號。該傳感器感應(yīng)為自動方式，當檢測到有人存在，傳感器輸出約3.3 V電壓值（芯片的工作電壓為5 V時），反之，則輸出端口輸出0 V電壓。人體檢測模塊如圖6所示。

3.5? 時鐘模塊

為了確保教室使用時間與非使用時間的界限劃分準確，選用DS1302時鐘芯片，來給系統(tǒng)提供準確的計時。DS1302芯片采用SPI通信協(xié)議，通過I/O、SCLK、RST三個引腳負責(zé)傳輸數(shù)據(jù)，由SCLK提供時鐘信號，與單片機進行串行通信。內(nèi)部的數(shù)據(jù)暫存寄存器可以臨時存儲數(shù)據(jù)，這樣就保證了在數(shù)據(jù)處理時數(shù)據(jù)不會丟失，保證其工作的可靠性。時鐘模塊如圖7所示。

3.6? 看門狗模塊

單片機在工作過程中，可能會出現(xiàn)一些難以克服的干擾而引起程序跑飛、死機等情況，為了使單片機能夠恢復(fù)正常工作，因此在硬件設(shè)計中加入看門狗模塊。選用看門狗計數(shù)器MAX813，若系統(tǒng)出現(xiàn)上述故障，可以借助于看門狗進行自動復(fù)位，使單片機恢復(fù)正常工作狀態(tài)，同時也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。看門狗模塊如圖8所示。

3.7? 顯示模塊

顯示電路采用LCD1602液晶顯示屏，它通常用作數(shù)字、符號與字母等的顯示。顯示電路是單片機輸出處理信號的外接電路，其中大部分使用液晶屏或者數(shù)碼管，通過一個液晶屏和其對應(yīng)的上拉排阻顯示測量處理后光照強度和時間，上拉排阻是對P0口懸空狀態(tài)進行限制，P0口輸出高電平時需要上拉排阻使其正常工作，否則會受到很多干擾導(dǎo)致其極不穩(wěn)定。單片機只需要將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭壕э@示屏上，就能夠在顯示屏上顯示出相應(yīng)的內(nèi)容。顯示模塊如圖9所示。

4? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

對系統(tǒng)的軟件部分進行了設(shè)計，主要包括系統(tǒng)初始化、采集與處理信號、控制輸出信號以及顯示程序等。系統(tǒng)啟動后，首先進行系統(tǒng)初始化，將教室內(nèi)劃分的七個區(qū)域所對應(yīng)的開燈標志位置0，默認教室內(nèi)所有燈處于關(guān)閉狀態(tài)；然后時鐘電路提供準確時間，如果此時不是教室正常使用時間，則繼續(xù)采集時間；如果此時是教室正常使用時間，系統(tǒng)自動打開光照強度檢測模塊；如果采集到的太陽光照強度達到或超過300 lx，即區(qū)域內(nèi)的光照強度大于300 lx，則光照強度檢測模塊繼續(xù)進行采集，保持區(qū)域內(nèi)燈組呈關(guān)閉狀態(tài)；如果采集到的太陽光照強度小于300 lx，即區(qū)域內(nèi)的光照強度小于300 lx，就說明環(huán)境光照強度確實小于300 lx，系統(tǒng)自動打開人體檢測模塊；如果檢測到教室所劃分的區(qū)域內(nèi)無人，則系統(tǒng)保持對應(yīng)燈組呈關(guān)閉狀態(tài)；如果檢測到教室所劃分的區(qū)域內(nèi)有人，則系統(tǒng)打開人體所在區(qū)域的對應(yīng)燈組，將開燈的標志位置1，并且顯示當前光照強度和時間。主程序流程圖如圖10所示。

5? 實驗結(jié)果

仿真軟件選用Proteus，控制器仿真圖如圖11所示。根據(jù)國家2013年修訂頒布實施的《建筑照明設(shè)計標準GB 50034—2013規(guī)定》，明確教室、閱覽室的照度值應(yīng)不低于300 lx [10]，當太陽光照強度大于300 lx時，燈組呈關(guān)閉狀態(tài)，而當太陽光照強度小于300 lx時，燈組呈打開狀態(tài)，在測試時，考慮晴天和陰天兩種情況，教室各區(qū)域燈組狀態(tài)分別如表1、表2所示，在教室正常使用時間內(nèi)，若太陽光照強度不低于300 lx，無論是否有人存在，則該區(qū)域內(nèi)燈組均呈關(guān)閉狀態(tài)；若太陽光照強度低于300 lx，且有人存在，則該區(qū)域內(nèi)燈組均呈打開狀態(tài)；若太陽光照強度低于300 lx，且無人存在，則該區(qū)域內(nèi)燈組均呈關(guān)閉狀態(tài)。

6? 結(jié)? 論

本文針對高校教室照明控制器進行了設(shè)計，旨在低碳環(huán)保、節(jié)能。由于教室的特殊性，為了避免教室內(nèi)人員較為分散而導(dǎo)致開燈比較多的情況，采用分區(qū)域?qū)淌艺彰鳠暨M行控制，以光照強度信號、人體存在信號、工作時間作為控制系統(tǒng)的三個主要參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的需要進行實時調(diào)節(jié)，控制器可以有效避免電能資源的浪費，同時達到了設(shè)計要求。

參考文獻：

[1] 楊永鵬.基于深度學(xué)習(xí)的高校教室智能照明系統(tǒng)的研究 [D].重慶：重慶理工大學(xué)，2020.

[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] 吳思穎.基于視覺舒適度的高校教室夜間照明環(huán)境優(yōu)化研究 [D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2020.

[4] 張文斌，周康，石國偉，等.一種智能睡眠免擾服務(wù)系統(tǒng)I-SIAS的設(shè)計與開發(fā) [J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（10）：70-73.

[5] 胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù)：第3版 [M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[6] 胡林林，付龍，李欣雪.基于STC89C52單片機的粉塵濃度檢測系統(tǒng)設(shè)計 [J].儀表技術(shù)，2022（3）：12-15.

[7] 張峰.基于STM32的高校教室智慧照明系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) [D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2018.

[8] 袁宸章.太陽輻射影響下的室內(nèi)非均勻輻射場特性研究 [D].長沙：湖南大學(xué)，2021.

[9] 蘇寶峰，張旭東，米志文，等.基于光照度的農(nóng)田蒸散量估算方法研究 [J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2021，52（4）：285-292+310.

[10] 吳穹.教室同色異譜白光LED光環(huán)境主觀評價——視功能綜合研究 [D].重慶：重慶大學(xué)，2016.

作者簡介：王小會（1986—），女，漢族，甘肅天水人，講師，碩士研究生，研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)的建模、優(yōu)化和智能算法。

收稿日期：2022-08-11

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51769012）；甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新能力提升項目（2020A-142）；蘭州工業(yè)學(xué)院青年科技創(chuàng)新項目（2020KJ-19）