簡易智能教室模擬照明控制器的設計

阮承治，饒金輝，俞 晴，江聰彬

（武夷學院 機電工程學院，福建 武夷山 354300）

當今世界面臨能源嚴重短缺的問題，傳統的照明控制方式已經難以滿足人們對節能控制系統的要求[1][2]。我國是一個教育大國，學校的教室數量大，但教室的照明系統多為開放式管理，照明控制方式大都是采用傳統的開關面板手動控制[3]。這種手動的照明管理方式較為落后，經常會出現管理不及時、不到位的情況，智能化、自動化程度不高，電能存在浪費的現象[4][5]。

面對當前的教室電能浪費問題，文中結合當前環境的光照強度、人數信息及時間定時設置等條件，設計并制作一款采用單片機STC89C52RC為核心的模擬教室照明智能化控制器。該控制器主要由主控制模塊和電源供電模塊組成，系統界面采用液晶顯示屏，通過該顯示屏可將人數信息、實時時間、當前環境溫度等信息實時顯示。使用該控制器，能減少電能浪費和學校的經費支出，有效改進教室照明控制系統的管理方式。

1 總體方案

系統主要由電源供電模塊和以單片機為核心的控制模塊來組成，電源模塊為單片機提供直流電源。本系統的主要作用為控制照明系統，為另外擴展本系統的功能，顯示模塊具有測試室溫的作用。單片機控制模塊主要是由時鐘電路、光照及人數檢測模塊、模擬照明模塊、測溫電路、獨立按鍵控制電路、顯示模塊等六個子模塊構成。系統總體設計方案如圖1所示。

圖1 系統總體設計方案Figure 1 System overall design

2 系統硬件電路的設計

系統的設計主要是由單片機主控系統和電源模塊組成。單片機主控系統是由時鐘電路、光照及人數檢測模塊、模擬照明模塊、測溫電路、獨立按鍵控制電路、顯示模塊等六個部分電路構成。其中，電源模塊是以變壓、整流、濾波、穩壓四個部分的電路構成。

2.1 單片機最小系統

單片機的正常運行除了電源的供電外還需要有由復位電路、時鐘振蕩電路構成的最小系統來提供支持[6]。單片機最小系統設計如圖2所示。

圖2 單片機最小系統Figure 2 MCU minimum system

通過以單片機為核心的主控制的模塊，處理由兩對紅外對管通過人體在通過門時所產生的先后觸碰反射、導通的順序，來構成的人數計算；結合光敏電阻所采集到的光照強度信息，判斷是否為光線不足，若是則結合判斷當前設置的定時時間段內來確定是否開啟照明燈；最后采用LCD1602顯示屏來顯示實時的人數、時間、溫度等信息量。

2.2 主要子模塊電路

DS1302時鐘芯片結合一個32.768kHz晶振模塊組成時鐘電路，通過對年、月、日、時、分、秒等時間信息的計算，將實時時間傳輸到單片機，為單片機系統提供時基支持，最終通過液晶顯示模塊顯示出時間信息。時鐘模塊電路如圖3所示。

圖3 時鐘模塊Figure 3 Clock module

光敏電阻檢測室內光線強度信息，紅外對管檢測教室人數信息，二者連接一個LM339四電壓比較器，該比較器及外圍電路構成光照及人數檢測模塊[7]。利用其比較器工作特性分別對其光敏電阻進行光線檢測后輸出的電壓、紅外對管檢測到人體通過時的導通電壓與固定參考電壓進行比較，在其相對應的比較器輸出腳輸出高電平或低電平。最終將此高、低電平信號送到單片機I/O口，從而讓單片機對光線、人數的檢測數據進行處理并進行后續的運行工作。光照及人數檢測電路如圖4所示。

圖4 光照及人數檢測模塊Figure 4 Lighting and number detection module

本系統采用四個LED發光二極管來模擬教室的四路照明燈。當系統判斷到當前條件符合開燈條件時，則會開啟相對應盞數的燈來模擬實際環境中的照明燈開啟情況。采用另兩個LED發光二極管作為手動/自動模式的指示燈，當系統處于手動模式或自動模式下時，系統則會開啟相對應模式指示燈。模擬照明電路如圖5所示。

圖5 模擬照明電路Figure 5 Analog lighting circuit

通過DS18B20傳感器采集到室內的實時溫度，將其溫度數據通過數據總線傳輸至單片機[8]。通過單片機將數據處理完成后送至顯示模塊將其顯示出實時溫度量。測溫電路如圖6所示。

圖6 測溫電路Figure 6 Temperature measuring circuit

2.3 電源模塊

本系統的電源供電電路是由AC220V的市電經變壓器降壓成AC12V，經過橋式整流并濾波后，通過三端穩壓模塊7805將電壓穩壓在+5V，最終為系統提供電源支持。電源模塊設計電路如圖7所示。

圖7 電源模塊Figure 7 Power module

3 系統軟件的設計

3.1 主程序設計

系統的總體程序設計包括自動控制模式和手動控制模式。經過上電初始化后系統處于自動控制模式，此時，若有人進出教室，LCD1602液晶顯示屏將會按單片機所接收到的人員增減情況進行實時人數顯示，并會根據當前的人數、當前所處的時間段、當前的光線情況對照明系統進行一個合理控制。當使用者切換至手動控制模式，通過手動開關按鍵即可根據需求對照明系統進行手動控制。主程序流程如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Figure 8 Main program flow chart

3.2 主要子程序設計

3.2.1 人數統計模塊程序設計

本系統的人數檢測統計模塊是利用 “門外”、“門內”兩組紅外對管作為人數檢測的傳感器。當“門內”的紅外對管檢測到有人通過時，程序則通過檢測判斷“門外”的紅外對管是否已經檢測到有人通過，如果“是”則在液晶顯示上加1；否則就保持當前檢測狀態并返回到程序的初始掃描狀態，等待下一個檢測數據。人數統計程序流程如圖9所示。

圖9 人數統計程序流程圖Figure 9 People counting program flow chart

3.2.2 時鐘模塊程序設計

本系統開機自檢初始化的過程中，當檢測到其正處于工作中時，則對其進行初始化工作并重新啟動。DS1302時鐘在進行讀/寫的過程中，使用的都是BCD碼。而單片機軟件程序對時間參數設計是采用二進制碼，所以在與時鐘芯片通訊時需要對BCD碼和二進制碼之間實行轉換[9]。時鐘模塊程序流程如圖10所示。

圖10 時鐘模塊程序流程圖Figure 10 Clock module program flow chart

4 軟件仿真與硬件調試

4.1 仿真調試

為了驗證本系統硬件電路及軟件程序的設計是否符合要求，利用Proteus 7.8對其硬件和程序進行仿真驗證。仿真電路如圖11所示。

圖11 仿真電路圖Figure 11 Simulation circuit diagram

在仿真電路中，除通過以上的自動模式仿真之外，本次仿真實驗還對其在手動模式下進行仿真實驗。仿真實驗結果顯示，該系統的軟硬件都能夠滿足本系統的設計要求。

4.2 實物制作與調試

利用Altium Designer 10對本系統設計PCB單面板，采用腐蝕法制作電路板，最后進行插件焊接調試。每個模塊焊接完成后，需要逐一對其模塊進行功能調試及對出現的故障進行排除。制作并調試通過后的實物如圖12所示。

圖12 實物圖Figure 12 Physical map

4.2.1 基本功能測試

首先利用獨立按鍵對定時功能進行測試。當開機運行后按下設置鍵，則顯示界面由初始顯示狀態切換至系統時間設置或定時時間測試；選擇設置系統時間或定時時間的選擇方式則是通過再次按下功能設置鍵進行選擇，時間的加減可通過加、減鍵進行調整，設定完成后按下確認鍵使系統確認生效。定時功能設置界面如圖13所示。

圖13 定時功能設置界面Figure 13 Timing function setting interface

在功能測試的過程中，用熱縮套管將光敏電阻套住，以模擬光線不足環境，將系統時間設置在定時時間段內，用手在兩對紅外對管之間模擬人體進出門時的來回移動，并觀察LCD1602液晶顯示屏上人數的變化是否相應的增減情況，觀察模擬照明LED燈是有相應的開啟或關閉情況。最后，將熱縮管去除，以模擬系統在光照充足的環境下的運行情況，以及將系統時間設置在定時時間段外，并觀察系統的運行情況。通過基本功能測試結果表明系統功能能正常運行，符合設計基本要求。

4.2.2 人數檢測與光線檢測模塊測試

首先測量光敏電阻在光線充足時與光線不足時，輸入到電壓比較器第4腳的電壓情況。測量結果如圖14和15所示。經過測量，此組電壓符合系統設計要求。

圖14 光線充足檢測電壓Figure 14 Light sufficient detection voltage

圖15 光線不足檢測電壓Figure 15 Low light detection voltage

再測量人數檢測模塊在檢測到人員通過與未檢測到人員時，輸入到待比較電壓管腳的電壓情況，測量結果如圖16和17所示。從測試結果看，檢測到人員與未檢測到人員通過分別為高和低電平，即為單片機進行人員計數提供合適的信號。

圖16 有人通過時電壓Figure 16 Voltage when someone passes

圖17 無人通過時電壓Figure 17 Voltage when no one passes

將系統上電開機后，將系統工作模式切換至自動模式，觀察各個模塊的顯示數據。將當前系統時間設置到默認的定時時間段內，即18：00--22：00之間，在兩對紅外對管間通過人員進、出門，并通過液晶顯示屏實時顯示當前教室內的人數信息，照明系統也能夠根據當前教室內人數的情況進行開啟或關閉相對應的照明燈的盞數。當人數在1-5人之間時，系統則開啟一盞照明燈。當系統人數在6-10人之間，系統則開啟兩盞照明燈。當人數在11-15人之間時，系統則開啟三盞照明燈。當人數多于15人時，系統則開啟四盞照明燈。其次，將系統的工作模式切換至手動模式，此時照明燈的亮、滅則只受手動開關控制。通過測試，系統分別在兩個工作模式下的工作狀態都符合設計要求。

5 總結

設計利用STC89C52RC單片機為主控芯片，結合教室內光照強度、人數信息及定時設置等參數條件，采用紅外對管模塊對教室的人數進行統計，并使用光敏電阻來檢測教室內的光照強度，完成教室照明系統的智能化控制。本設計系統除可在自動模式下控制照明燈外，還可切換為手動模式控制照明系統。雖在調試與制作過程中，是通過發光二極管模擬照明系統，但系統測試結果證明該系統的工作原理能基本滿足設計需求，可達到節約電能資源，降低經濟成本的目的。