基于单片机的教室智能节能照明系统设计方案

在倡导低碳经济的时代背景下，节约电力资源日益受到人们的关注。随着我国现代化进程加快，人工照明用电量逐年上升，其用电约占总发电量的10%。因此设计方便实用、节约电能的智能化的照明系统，对于节能减排有着重要的现实意义。目前，大部分学校教室电灯都是手动操作，当光线不足时需要人员手动开启电灯。很多实际情况是：教室人员较少，开启多个电灯造成光源浪费;常常由于疏忽，在人员离开之后忘记关灯导致用电浪费;在教室自然照明条件良好的情况下也时有开灯现象，在走廊、卫生问等公共区域，“长明灯”现象随处可见，造成了极大的电能浪费。针对这些实际问题，设计智能照明系统可以避免许多不必要的电能浪费，既能给人们提供照明方便，又能节约电力资源，提高了电力资源的利用率。

在节能照明系统设计中，采用单片机为控制器，以热释人体红外和温度传感器来检测室内某个区域是否有人，利用光敏电阻的感光原理来检测室内的光线是否充足决定是否开启照明。另外，设置手动操控开关电路，与红外光控形成电路互锁，可以实时调节和控制灯光的照明，又可以解决电能的浪费这一情况，从而达到智能控制和节能的目的。

1 系统功能概述

系统以单片机为核心，设计外围控制电路，构成控制系统。除单片机，系统还包括了红外检测模块、光照检测模块和照明设备控制模块。

图1为节能照明系统框图。红外检测模块的功能是对进入教室的人进行检测，是否有人处于教室的某个区域为单片机提供教室使用情况的基本信息。光照检测模块的功能是检测教室内光线是否充足，为单片机提供环境参数，来确定教室的光线条件，由此来判断是否启动照明设备。

图1：节能照明系统框图

 
功能性照明控制模块是按照明的微控制器的输出信号的控制装置。系统通过光检测模块来确定教室自然光的状态，是否达到开启照明的条件。

为了确保教室内的人员在光线充足的条件下能够安全离开教室，系统加入了延时功能。

2 系统硬件电路设计

2.1 热释红外传感器设计

利用热释电红外传感器来探测人体所发出的红外线变化，并予以放大选频处理后，予以适当的负载，作为人体红外自动开关。运用热释电红外传感器及专用的单片集成电路组成的这类型的开关能达到人到灯亮、人走灯灭。热释电效应与压电效应相似，用于反映由于温度变化从而引起晶体表面荷电变化的现象。传感器在不加光学透镜的前提下，其检测距离为2 m之内，而加上光学透镜后，其检测距离可扩大到在7 m以外。

图2：红外开关电路图

 
图2为红外开关电路图。图中，运算放大器OP1将红外传感器的输出信号作第一级的放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级的放大，再经过电压信号比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs，启动延迟时间定时器，输出信号Vo，经由晶体管T1放大，由驱动继电器去接通负载。表1为BISS0001热释电红外传感器的电性参数。
 

表1：电性参数表

 
2.2 光敏电阻特性

感光材料的主要成分是金属硫化物，硒化物和碲化物。通常光敏电阻用于测量光强，在一定外加电压下，光敏电阻在不同程度的光照强度下，光电流不同，且呈非线性正比关系。人眼对光的灵敏度和可见光(0.4～0.76μm)很接近，所以要根据人眼可以感觉到的光线，调节光敏电阻的变化。光控制电路可用于白炽灯、日光灯和节能灯，用于控制光源。光敏电阻的光敏特性与各种材料相关，选择光敏电阻的材料时，不仅要考虑光谱范围的宽度，还要考虑其灵敏度，即在不同光照强度下，电阻值的相对变化比值。

3 单片机系统电路设计

3.1 系统电路组成

照明系统根据89C52给出的命令控制灯光，整个系统是在89C52控制下工作的。图3为系统电路组成。当外界光线较强时，单片机接收到光照强度大的信号，使红外传感器停止工作;当外界光线比较弱时，单片机接收到光照强度小的信号，启动红外传感器工作。热释电红外传感器探测距离比较远，当人体进入到传感器的控测范围内且外界光线较弱时，信号检测电路处理信号，并向单片机89C52发送一个中断，单片机启动灯光控制电路，使灯慢慢变亮。当外界光线比校弱时，处于传感器检测范围内的人慢慢离开区照明域时，红外传感器检测到信号，信号处理电路同时向单片机发送信号，启动延时电路，使灯熄灭。
 

图3：系统电路组成

图4：信号检测处理电路

3.2 信号检测处理电路

图4为信号检测及处理电路。由BISS0001、热释电红外传感器和光敏电阻等器件组成。人体进入检测区域，身体的通过反射镜部分聚焦的红外光，接收到热电元件。当环境光的强度越强，光敏电阻很小，BISS0001检测到低电平，禁止传感器信号。当外部光线强度较弱，敏感电阻很大，从而产生一个输出信号弱，通过R5、R1005、R4、C1、C6，信号放大和C7组成的滤波电路信号。C1000、C1001、R1000和R1001构成的延迟电路组成，处理后的信号从2脚输出。

热电型红外线传感器能检测到人体和由红外传感器，它由各种防入侵警报或自动节能装置发射的输出电信号。人体体温在36～37.5 ℃基本恒定，会散发出10μm左右的红外线，由红外传感器的特定波长来检测发出波长为10μm红外线的人体。菲涅尔透镜增强收集红外感应源，红外线传感器，使用的是热释电元件，在接收到电荷平衡的信息时，温度发生变化时，产生变化电荷，将产生报警信号，通过后续的处理电路检测到人体辐射出的红外线。

3.3 单片机控制电路

图5为单片机的控制电路，由单片机报警和照明控制电路组成。当外部没有任何中断，80C51控制74LS138的使能控制端，使后面的电路不工作。当产生一个中断，80C51启动74LS138，P0引脚低4位来传输信号来控制灯光慢慢亮起，当中断1和中断0同时产生，80C51屏蔽的中断开始74LS138低4英尺发送到P0数据，所以灯光慢慢暗淡。
 

图5：单片机控制电路

 
3.4 人体体温检测及环境光检测电路

图6为人体体温检测及环境光检测电路。通过检测体的位置是一个红外线发射管(二极管)发射的红外线向前方，如果灯具下方坐有人时，红外光将被反射回发射机，被检测到的红外线接收器，一个指令传送到计算机，如果这个时候，外界光线的检测也符合要求时，那么节能灯亮了起来。外界光线强弱的光检测，是比较重要的一个部分，有两个主要组成部分，一个光电二极管和一个可变电阻器。强光电二极管检测能力(灵敏度)是基于可变电阻来控制，明亮条件下，把阻值变大，光电二极管上的敏感性下降，反之亦然。
 

图6：人体体温检测及环境光检测电路

 
4 系统软件程序设计

程序流程框图见图7，其中总程序流程图为(a);子程序1流程图为(b);子程序2流程图为(c)。
 

图7：程序流程框图

 
系统上电后首先进行初始化，进入程序流程，开启所有中断，当接收到外界光照强度小信号时，调用子程序1，进入子程序1，即中断0信号;进行数据接收判断，是否有人体红外信号，控制照明开关是否打开;接收到人体红外信号后，执行中断返回，回到主程序，控制照明灯打开，并调用子程序2;即进入中断1，调用子程序2;开始数据接受判断，是否开始延时关闭照明灯。当接收到的人体红外信号消失时，中断1返回;执行延时关闭照明等程序功能。结束后系统再次初始化，然后进入中断0，开始下一轮判断。

5 结束语

针对教室照明浪费能源的现实问题，选用89C52单片机作为系统控制核心，设计了一种智能照明控制系统。利用热释电红外传感器对人体红外射线的感应，借助光敏电阻对光照强度的敏感性，完成了控制照明系统的软硬件设计。并在设计中加入人性化的延时电路，实现了人到灯亮，人走灯后灭的智能控制，达到了根据需要调节室内照明的基本要求，为教室照明节能管理提供了切实可行的方案。

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