教室節能智能照明控制系統設計

武交峰　簡志雄

摘要：文章從節能和方便控制出發，以高校教學樓照明為研究方向，闡述了智能照明控制系統設計過程。該照明控制系統利用單片機作為主、分控制器，通過軟件與硬件相結合的設計方式，實現了主、從控制器之間的有線通信、鍵盤功能輸入、控制與顯示等功能。

關鍵詞：單片機；主控制器；分控制器；有線通信；光亮度檢測；零點檢測 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2017）02-0007-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.004

1 概述

照明耗電是高校消耗電能比較多的一部分，目前很多高校教學樓并沒有專人管理，有些學校雖然設了專人管理，但是管理模式落后，這些管理模式包括：設定統一的開啟和關閉整座教學樓照明電源時間；設定統一的時間并分層送電。這些模式相比較無人管理，在一定程度上達到了節能的目的，存在著在白天光照良好的情況下教室燈具開啟和在午休時間長明燈的現象，造成電能浪費。但是統一開啟模式，并不能根據教室里實際需要開啟的光源或者實際需要開啟的教室數來啟動照明系統，不能真正意義上達到節能的效果。

為此，本系統是以單片機為控制器的核心，根據高校某教學樓照明系統在實際運行中的情況，設計照明節能統一控制系統。該系統能夠根據不同的環境下，統一安排對整個教學樓的照明進行控制，在既保證教室辦公照度的前提下，又達到節能的目的，從而使照明的量和質達到一個平衡。

2 系統整體方案

根據功能要求，系統需要設計遠程操作室的上位機系統，每個教室個體的下位機系統以及上下位機系統之間的通信系統。本設計選用單片機系統作為上下位系統的控制器，采用485半雙工通信方式組建主從模式的通信系統。整個系統的結構框圖如圖1所示：

3 硬件電路設計

3.1 電源電路的設計

本系統設計了一個+5V的直流電源給單片機供電，該電路將市電220V交流電降壓為10V交流電，再經過二級管橋式整流、電容濾波、LM7805穩壓，最后輸出一個穩定的+5V直流電，輸出的電壓偏差不超過0.1V，整體性能達到預期要求。

3.2 主控制器的電路設計

主控制器選用單片機（AT89S51），搭配鍵盤、數碼顯示、復位、晶振及通訊外圍接口。

鍵盤主要是用來輸入信息，這些信息包括各種啟停信號、分控制器地址號、復位等。本設計采用4×4矩陣式鍵盤，與單片機的P1并行口連接。每個按鍵對應一個功能，鍵盤行線與列線呈垂直排列分布，16個開關按鍵都放于行列的交叉處，鍵盤行線一端通過上拉電阻與電源連接，一端與P1口連接，分別為P1.4、P1.5、P1.6、P1.7，列與P1口的低四位連接，分別是P1.0、P1.1、P1.2、P1.3。

由于本系統顯示要求不是很高，所以選用數字共陰極結構的七段LED管來顯示。利用單片機的P.0端口控制管腳，為了滿足LED管正常發光所需的電流，加入74HC245進行驅動。

3.3 分控制器電路設計

分控制器實現的控制和數據處理任務相對簡單，采用單片機（AT89S2051），搭配晶振、實時時鐘芯片、可控硅控制電路、零點檢測電路、看門狗電路、通信接口電路。

利用硅光電池的短路電流與光照度成線性關系的這個特性，對光照亮度進行檢測，再用LM324運算放大器對硅電池檢測產生的電信號進行放大，將光電池傳感器輸出的0～0.5V電壓放大為0～5V，提供給A/D轉換模塊用。

利用限流電阻和兩個發光二極管組成電路，控制單片機P1.3接口點位的高低，從而控制發光二極管電路的通斷，從而實現電壓過零點的檢測。

照明亮度控制系統是將前面放大的硅光電池信號強度與設定的亮度信號進行比較，根據差值情況調整輸出電壓來控制照明燈的亮度。輸出電壓的平均值，

利用單片機的定時器配合軟件產生輸出一定頻率的方波，當電源電壓VCC不變的情況下，改變波形的占空比α來改變輸出電壓的平均值。

3.4 RS485通信電路的設計

根據任務，本系統設計由一個主機帶多個從機的通信系統。具體選用專用的485低功耗通信芯片（MAX485），用一對雙絞線將各個接口連接起來實現。將該芯片的RO和DI端連接到單片機的RXD和TXD，利用單片機控制芯片的和DE端，接收數據時令=0，發送數據時令DE=1。另外，采用光電耦合器提高系統的抗煩擾能力。

4 系統軟件設計

4.1 程序總體結構設計

本控制系統軟件設計的總體結構如圖2所示：

整個程序設計要完成照明啟停、照明亮度調節、人機交互、通信控制這四大部分的控制任務。照明啟停控制部分包括教室單一啟停控制及全部教室統一啟停控制；人機交互包括操作鍵盤系統和監視的數碼顯示系統。

4.2 照明啟停控制程序設計

照明啟停控制主要是分控制器接收主機發送的命令信息，利用485通信方式，適時反饋給主控制器信息，最后執行并完成任務。

4.2.1 全部啟停控制程序步驟：

第一步：數據初始化。

第二步：調用鍵盤掃描子程序，并判別是否有啟停控制信號輸入；如果沒有返回上一步，如果有進入下一步。

第三步：讀取輸入信號。

第四步：主控制器發送全部啟停信號到各個分控制器。

第五步：各分控制器反饋給主控制器地址信號。

第六步：判別主、分地址是否一致。如果一致，主控制器給分控制器發送確定信號后返回；如果不一致，顯示錯誤信息后返回。

4.2.2 單獨啟停控制程序步驟：

第一步：數據初始化。

第二步：主控制器發送給某分控制器地址信號。

第三步：分控制器系統判別地址是否與主控制器發送的一致。如果不一致，關閉該分控制器系統；如果一致，向主機匯報地址接收主機一致信息。

第四步：分控制器執行主控制器發送的啟停信號。

第五步：執行完成后返回。

4.3 人機交互程序設計

4.3.1 鍵盤掃描程序設計。鍵盤掃描程序主要完成前面提到的啟停控制、分控制器控制、確認等任務，由于動作的特殊性，需要在程序中考慮防抖，引入延時程序，在延時一段時間后再次鍵盤掃描，如果3次檢測都有信號即可說明該按鍵確實動作。具體的程序流程如圖3所示：

圖3 鍵盤掃描流程圖

4.3.2 顯示程序設計。本顯示系統主要是完成分控制器地址的顯示，具體的程序流程：

第一步：數據初始化。

第二步：查表讀取段碼。

第三步：將上面的碼送到驅動顯示。

第四步：送信息給譯碼器選通低電位數碼管。

第五步：判別顯示是否完整。是結束返回；不是將顯示的緩沖區左移并返回到第二步，繼續往下執行。

4.4 RS485通信程序設計

4.4.1 主控制器通信程序設計。主控制器通信部分主要是完成向分控制器下達指令、接收分控制器反饋的各種信息。具體程序設計流程包括：

第一步：初始化。

第二步：主控制器向各個分控制發送地址幀。

第三步：判別是否為廣播模式。如果不是，將等待從機信息反饋；如果是，執行下一步。

第四步：主控制器向分控制器發送數據。

第五步：等待分控制器應答，發送成果結束并返回。

4.4.2 分控制器通信程序設計。分控制器通信部分主要完成：接收主控制下達的指令信息，將本控制器的地址、執行情況信息反饋給主控制器，然后確認信息準確后執行并完成任務。具體程序設計流程包括：

第一步：數據初始化。

第二步：判別主控制器發送的地址是否與本分控制器地址一致。如果一致，反饋給主控制器一致信息，然后到下一步；如果不一致，結束。

第三步：執行主控制器發送的控制任務。

第四步：反饋給主控制器執行成功信號。

第五步：結束返回。

4.5 照明亮度控制程序設計

照明亮度控制系統主要是完成PWM信號的占空比調節。具體程序設計流程包括：

第一步：數據初始化。

第二步：單片機輸出一定頻率的方波，并接收亮度檢測信息。

第三步：判別亮度是否與設定值一致。如果一致，程序結束；如果不一致，執行下一步。

第四步：根據大小調節占空比，并返回檢測。

5 結語

本文主要提出了一種教室節能智能照明控制系統的設計方案，并介紹了具體的軟、硬件電路設計過程。該系統利用485構建的主從通信方式，完成主分控制器之間的信息傳遞與處理。各個分控制器能夠根據主控制器發出的指令，完成各個教室照明系統開啟、亮度調節且完成相應的顯示任務。在一定程度上解決無專人設置或者有專人設置但是不能自主開啟各教室、照明亮度調節的問題，更加有效地節能。但是在教室照明系統的實際運行中，發現由于學生步入教室行為的不確定性，學生進入教室后選擇座位的不確定性等，如何將智能控制理論應用到單片機系統開發，實現更優的照明控制系統設計將是下一步研究的重點。

參考文獻

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作者簡介：武交峰（1978-），女，廣東環境保護工程職業學院講師，碩士，研究方向：先進光機電液智能控制。

（責任編輯：黃銀芳）