基于PIC 16F877的校園教室照明節能控制器設計與實現

吳榮森

摘 要：學校教室的照明往往由學生自行控制，因此，在白天自然光很強的情況下，教室長明燈仍隨處可見。設計一種基于PIC16F877的單片機結合信息融合技術的教室照明系統節能控制器系統，在白天光線達到一定照度時，教室照明燈自動關閉，當教室內光線的照度下降到一定程度時自動開啟照明燈，還能根據進入教室學生的多少來控制照明燈的數量，可較好節約能源、提高照明舒適性。

關鍵詞：PIC；照明；節能控制

目前學校內教室的照明系統均存在著電能浪費現象。白天照度達標的時候很多教室內的燈全部打開，或者教室內只有幾個人甚至沒人時，燈仍全部或部分開啟，這些現象造成了學校電力資源的巨大浪費。

教學樓照明用電的管理一般有三種模式：一是無專人管理，由學生自行控制開啟與關閉；二是利用定時開關，根據作息時間開啟和關閉整個教學樓的照明電源；三是由專人負責，即管理人員根據作息時間和天氣情況分層送電。但在我們學校，照明用電管理采用的是第一種模式，由于大多數人的節能意識淡薄，并且強光下人的眼睛對弱光不敏感，在自然光照大于燈具光照的情況下，難以覺察到燈光的存在，因此，在白天自然光很強的情況下，教室內的長明燈仍到處可見。根據不完全統計：80%的教學樓存在著在白天光照良好以上的情況下和在午休時間出現長明燈的現象。一個教室的長明燈，看起來耗能不大，但是從整個學校來看，卻是一個不小的數字，這是一種極大的浪費。造成電能浪費的現象除了節能意識薄弱外，另一個重要的原因就是節能的硬件設施跟不上。

為此，根據學校的實際情況，設計一種教室照明節能控制系統，采用PIC16F877為主控芯片，采用信息（進入教室人數的多少，教室內從門口到窗戶的自然光照度的強弱）融合技術，來自動判定教室內開燈的多少；控制器具有時鐘功能，能夠在規定的時間段內進入低功耗模式，基本不消耗電能；控制器具有RS485數據傳輸功能，能夠與其它控制器進行組網實現大規模的網絡化管理。在白天光線達到一定照度時，教室照明燈自動關閉，當教室內光線的照度下降到一定程度時照明燈自動開啟，在充分保證教室照度的前提下，達到節能的目的。

1 系統基本組成及硬件設計

系統結構圖如圖1所示。本系統是專門為我校教學樓照明用電的管理而設計的照明節能控制系統產品，系統主要由時鐘模塊、光照強度檢測模塊、人數采集模塊、顯示模塊、繼電器控制模塊、通信模塊六部分組成。

系統控制單元選用PIC16F877A單片機，該型號具有指令系統精簡、硬件系統設計簡潔與高集成度的特點，且功耗較低，性價比較高。光照強度檢測電路由光敏電阻及處理電路實現，人數采集模塊由兩組激光對管實現，時鐘信號由ds1302時鐘芯片提供，用數碼管來顯示教室人數和時間情況。通信模塊通過RS485來管理。工作時，光照檢測電路、激光對管及處理電路和ds1302時鐘芯片分別采集光照強弱、教室人數、時間等信息送到PIC，根據這些信息來控制照明設備亮度和時間，從而實現本系統要求的功能。

1.1 時鐘模塊

采用ds1302時鐘芯片，作為整個系統的時鐘信號來源，再結合軟件能夠達到對照明燈控制系統定時開關的目的，電路如圖2所示。

1.2 通信模塊

采用MODBUS標準通訊協議，該控制器可以作為從機與具有相同通訊接口并采用相同通訊協議的上位機（如單片機、PC機）通訊，實現對控制器的集中監控，通過該通訊口也可以接遠控鍵盤。實現用戶對該控制器的遠程操作。電路圖如圖3所示。

1.3 繼電器控制模塊

該模塊由兩片高耐壓、大電流復合晶體管陣列ULN2003和一片741s595組成，其中741s595可實現串行輸入并行輸出并帶有數據鎖存功能，與單片機通信只需兩條信號線，這樣大大節省了單片機的I/O資源。ULN2003工作電壓高、工作電流大、灌電流可達500mA，并且能夠在開關態時承受50V的高壓，足以驅動直流繼電器。電路圖如圖4所示。

1.4 光照強度檢測模塊

光強檢測模塊由光敏電阻、滑動變阻器和電壓比較器組成。通過調節滑動變阻器來改變該模塊對光強的敏感程度，電壓比較器采用電平比較方式將信號直接輸入給單片機，可有效防止邊沿跳變，保證信號有效性。電路圖如圖5所示。

1.5 顯示模塊

該模塊由4位一體共陰極數碼管和MAX7219專用數碼管驅動芯片組成，芯片與單片機僅有3根信號線相連，通信十分方便。芯片包含一個150μA的低功耗關閉模式，模擬和數字亮度控制，系統進入低功耗模式時，該模塊也可進入低功耗狀態，可大大減小控制器的功耗。電路圖如圖6所示。

1.6 人數檢測模塊

人數檢測模塊由兩對激光發射管和接收管組成，安裝在教室門框的適當高度上，前后安裝。由于接收管只能接收調制光在180kHz占空比20～30%時接收效果最好，這樣便有效避免了外界光源對傳感器的干擾，且激光的聚光性好直線傳播距離選，可以減少相鄰傳感器之間的相互干擾并能大大減小傳感器的體積，便于傳感器的安裝。

2 系統軟件設計

系統軟件設計的基本思想是：盡可能多地利用軟件來代替硬件，使成本降低，修改方便。因此采用了模塊設計的方法，整個系統是通過不斷調用子程序和接受中斷服務來完成工作的。由于白天太陽光亮度較強，除光敏檢測部分外，其他部分都處在空閑狀態，而在晚上10點半后幾乎沒有同學在上自習，一直到第二天早上為止系統都處在空閑狀態，所以降低功耗也是軟件設計的一大任務；因而在通過軟件控制硬件工作時，在空閑肘間盡量使整個電路處在低功耗狀態。系統啟動后，先初始化各個硬件模塊。由軟件實現從時鐘和光敏檢測模塊讀取時間和亮度情況，并判斷其值是否滿足預設值，若滿足則打開相應的照明燈，不滿足則進入低功耗模式。正常模式時先檢測是否光照度能滿足學習的條件，白天當光照度低于學習條件時開啟照明燈，到晚上時利用門口的激光管來檢測進入教室的人數，來判斷需要開的照明燈的盞數。低功耗模式時，則需要通過外部中斷來喚醒微控制器，從而使PIC16F877啟動并開始工作，進入讀取檢測循環。

3 結論

本系統是利用激光對管來檢測進入教室的人數和光敏電阻檢測教室內光照度，與高性能的PIC單片機結合，組成性能穩定、控制準確、成本低、功耗低的系統，具有良好市場前景。本系統可擴展加裝無線遠傳控制模塊，使其具備報警等遠程服務，還可以計算照明時間長度及開的燈的盞數，可以粗略計算用電量。本系統的功能通過PROTUES完全仿真通過并做出了模擬樣機。

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