自習室智能照明系統設計

趙凡

摘? 要：根據對學校現有自習室照明系統進行分析發現，大多數的自習室還是采用傳統的照明方法，無法根據教室人數的變化自動調節照明情況，這造成了極大的資源浪費，為了減少教室燈光電能的消耗，最大限度節省電能，提出了一種智能的自習室照明系統，以單片機為核心，結合紅外傳感器和光敏電阻來達到智能控制的目的。

關鍵詞：智能照明;自習室;光照強度;紅外測量

中圖分類號：TU85? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0084-02

由于能源供需矛盾的日益突出，節能是一個永恒不變的話題，電力行業更是如此。照明的消耗成為繼空調、采暖電機之后的第三能源消耗大戶[1]。據統計表明在學校，照明能耗占到整個建筑物電量總能耗的25%～35%。由于大學開放型的管理模式，造成有時在借助外界環境能正常工作和夜晚室內空無一人時，整個房間內也是燈火通明[2][3]。據測算，這種現象的耗電占其單位所有耗電的40%左右。因此，開發設計一種基于單片機的智能照明系統，在保證照明質量的前提下，不僅有明顯的經濟效益，而且可為智能化校園舔磚加瓦[4]。

1 方案設計

在一個可以容納幾百人的大教室，使整個教室的照明可以達到智能控制的程度。照明系統有兩種狀態，一個是手動控制開關，此狀態教室內燈分屬于幾個不同開關控制。這個只有在緊急的情況時才會采用此狀態工作，另一個狀態是全自動狀態，在此狀態工作時，每個電燈有其自己需照明的區域，各個區域的電燈互不干擾。在滿足光亮強度達到一定數值時，照明系統處于鎖定狀態，即不管怎樣電燈都不會亮。當光照強度低于一定數值時（即不能滿足照明的需要），每個電燈測到屬于其自己的監測范圍內有人出現，即熱釋紅外探測傳感器模塊探測到有人時，就會啟動電燈。

本設計是希望根據教室具體的人數狀況和光照強度，智能化的自動控制燈的開關，要達到此目的，有兩種實現方案：方案一：此方案利用全硬件電路實現，硬件電路與傳感器結合使用，來達到本設計需要實現的要求;方案二：此方案用以單片機為核心，結合紅外傳感器和光敏電阻來達到智能控制的目的。比較上述兩種方案，方案一雖然簡單但不能完全達到智能控制電路，方案二精確度較高、實現方便、軟件設計也比較簡單，且只要改變軟件程序，便可以改變其功能，很方便，故本次設計采用了方案二。在方案二中，需要用到單片機、紅外傳感器、光敏電阻和模數轉換器等來實現。

2 系統構成

單片機控制系統結合外圍電路、紅外線測量電路和光照強度測量電路組成。在綜合考慮功能與價格的基礎上選用AT89C51單片機作為主控制器。

本系統設計的中心環節就是檢測人的存在和光照強度來確定是否需要照明。其中采用可實現非接觸式測量，及抗干擾能力較強的熱釋電紅外傳感器作為判斷自習室內是否有人的檢測裝置。它的測量波長范圍為0.2-20μm，而人體發出的紅外光波長為10μm[5][6]。為了提高對人體感知的靈敏度減少雜波的干擾，在傳感器窗口上加了一塊干涉濾波片，并添加了菲涅爾透鏡來增大傳感器的監測區域。當有人進入到感應區域內，人體本身所發出的紅外光透過菲涅爾透鏡被聚集后，根據距離的遠近聚焦在遠距離區、中距離區、近距離區不同區域內，紅外光就會被紅外探頭所接收，探頭可將光信號變成電信號，達到感知人的目的。光照強度的測量采用光敏電阻來實現。當光照強度高于100LUX（室內日光燈的一般強度），光敏電阻將系統閉鎖，日光燈將不會受到室內紅外檢測信號的影響，照明電路不會啟動;當光照強度高于100LUX（室內日光燈的一般強度），系統將根據紅外檢測信號來決定是否啟用照明電路。系統還需要采用ADC0808模數轉換器，實現將采集的模擬信號（光照強度和是否有人）轉換為單片機可識別的數字信號。綜上所述具體系統組成如圖1所示。

3 硬件電路

圖2為系統總硬件電路圖，其中包括外圍電路，光照強度測量電路和紅外線測量電路三部分。

3.1 單片機的外圍電路

AT89C51的基本外圍電路由電源電路、時鐘電路與復位電路等組成。

其中電源電路采用全波整流電路，圖中的二極管IN4007是用來防止輸入端短路時輸出端電容向LM317EMP放電的。220V市電經過降壓后得到12V交流電，經二極管整流成脈動直流電，經過電容濾波后再又經過LM317EMP穩壓得到5V的直流電供系統工作，1000uF的電容是起一個再次濾波的作用。

此設計用的是單片機的內部時鐘，此時XTAL1和XTAL2分別接石英晶體的一端。51單片機內部各部件的運行都以時鐘控制信號為基準，因此時鐘頻率將會直接影響單片機的速度，時鐘電路質量直接影響系統的穩定性。電容典型值選擇為30pF左右。晶振頻率越高則系統時鐘頻率越高，單片機運行速度也越快。

本設計采用的是按鈕復位，當用戶需要復位時，按下“復位”按鈕，便可使單片機進入復位狀態。

3.2 紅外線測量電路

本設計所用的熱釋電紅外傳感器就采用雙探測元的結構。其工作電路原理及設計電路如圖3所示，在VCC電源端利用C1和R7來穩定工作電壓，同樣輸出端也多加了穩壓元件穩定信號。當檢測到人體移動信號時，電荷信號經NMESFET放大后，經過C2和R5的穩壓后使輸出變為高電位，再經過NPN的轉化，輸出OUT為低電平。

3.3 光照強度測量電路

由于單純的測量光照引起的電阻變化不是太明顯，所以需要加上一個放大電路，實現對測量信號的放大，接下來是需要借助于模數轉換器來實現將光電信號轉換為單片機可以識別的數字信號。由于ADC0808的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500kHz的時鐘信號，在仿真系統中我們選用的是一個信號發生器，其產生500kHz的時鐘信號。在實際應用中，可以用單片機內部時鐘來實現。ADC0808將會輸出8位的二進制的數字信號，此信號便可以直接接入到單片機內部。

4 調試與仿真

根據硬件電路方案，用C語言設計系統的程序。軟件程序流程如圖3所示。采用Keil uVision將C程序進行編譯，生成.hex的文件。此文件可以在仿真軟件PROTEUS中加載到其中的各元件中，實現仿真。

圖4所示為教室里人比較少時，光照強度低于設定值100LUX，可根據人的具體方位情況來決定各盞燈的實際開關的仿真效果圖。

仿真顯示，在滿足光亮強度達到一定數值時，照明系統處于鎖定狀態，即不管怎樣電燈都不會亮。當光照強度低于一定數值時（即不能滿足照明的需要），每個熱釋紅外探測傳感器模塊探測到其監測范圍內有人時，就會啟動該傳感器所屬的電燈，且不會對其余區域的電燈造成影響。由此可見本設計具有可行性，能達到預期的目標，即證明了本設計的可實施性。

5 結束語

基于單片機的自習室智能照明系統，采用光敏電阻檢測光照是否符合照明條件，熱釋電紅外傳感器檢測是否有人，通過菲尼爾透鏡可擴大傳感器的感應范圍，能夠滿足使用要求。經過仿真，系統可實現根據外界光照變化和有無人自動進行照明的分配，構成原理簡單，方案可行。

參考文獻：

[1]寧善慶，亢榮，吳平.智能照明系統專利申請發展現狀及趨勢[J].電器工業，2018（12）：6-17.

[2]欒笛.高校建筑電氣照明節能設計[J].電子技術與軟件工程，2018（22）：220.

[3]徐亮，劉勇，張瀟楊.基于單片機的教室智能照明系統的仿真設計[J].儀器儀表用戶，2018，25（12）：38-40+68.

[4]伍景.合同能源管理在小區照明系統節能改造中的應用[J].山西建筑，2018，44（31）：178-179.

[5]張劍，景立.加油站照明系統的安裝與調試[J].當代化工研究，2018（10）：163-164.

[6]苗琳琳，王銘豪，曹光輝.智能家居綠色照明系統設計[J].中國科技信息，2018（17）：44-45.