綠色校園教室照明控制的設計

李紅

（吉林建筑大學電氣與計算機學院，吉林 長春130000）

黨的十六屆五中全會中提出“要加快建設資源節約型、環境友好型社會”，這一重大戰略決策，建設節約型校園是教育系統落實這一戰略決策的重要舉措。2013 年2 月，教育部發布了《關于勤儉節約辦教育建設節約型校園的通知》。據統計，學校照明用電占所有總耗電量的40%左右。因此照明節能控制成為建設節約型校園的一個重要內容。

在國內的大多數高校，師生的節能意識并不是很高，當教室內的光線已經足夠強時，也沒有關燈的意向，下課離開教室后還經常忘了關燈，極其缺乏節能意識。另外，校園教室中的照明控制不能自動控制，要由管理人員手動更換，對比教室的數量管理人員遠遠不夠，造成的浪費是可避免的。本設計的目的是開發一個簡單實用的教室照明智能控制系統，實現人員監控、室內照明監控和調節等基本功能，并盡可能省電和方便管理。

1 系統方案

本設計使用單片機、電壓比較器、紅外傳感器、光敏電阻、繼電器和節能燈構成一款綠色校園照明控制系統。STC89C51單片機作為主控芯片，光敏傳感器智能識別光強通過LM393 電壓比較器處理并將結果發送給單片機，人員監測模塊識別人員將識別結果發送給單片機，單片機輸出高低電平控制繼電器，由繼電器控制負載燈。當光線強度不足時且有人時，繼電器吸合，驅動負載，照明燈打開，然后人離開延時10s 繼電器斷開，照明燈關閉，實現了預期效果。

系統主控單元是由STC89C51 單片機主控模塊所構成的，其外圍電路主要包括：電源模塊、控制模塊、人員監測模塊、光敏模塊、按鍵模塊、指示燈模塊和照明模塊，設計的系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統總體框圖

2 電源模塊的設計

電源是每種電子設備與系統的原動力，是所有電子設備工作的必要條件。電源系統出現故障，會讓整個電子系統不能正常工作，因而電源性能直接影響到整個電子系統的質量。穩壓直流電源在大多電路中承擔輸入電源，直流穩壓電源是一種近乎接近理想性能的直流電源。由于本設計所使用的單片機在低于5V 的條件下也可以正常工作，硬件電路電源完全可以使用手機充電器和充電寶等設備代替。

3 光敏模塊電路設計

本系統將光敏電阻放置在教室的窗口位置，從而檢測光的強度。光敏模塊電路圖如圖2 所示。檢測到光強變化時光敏電阻阻值變化與R4 電阻進行電壓比較，當感應光線較弱時，經電壓比較器1 端口輸出低電平給單片機；當感應光線較強時，經電壓比較器1 端口輸出高電平給單片機。

圖2 光敏模塊電路圖

當由光敏電阻檢測到的教室的光強度弱時，光敏電阻的電阻增大，并且在由R5 組成的串聯電路中分壓的電壓更高。將獲得的電壓值經LM393 的2 和3 引腳的電壓進行比較。（2 引腳的電壓由電阻R4 確定，代表教室的光強度要求），然后LM393電壓比較器輸出引腳1 引腳輸出低電平到單片機的P1.0 端口。同時，D1 指示燈亮，單片機驅動繼電器工作，節能燈打開。

4 人員監測模塊

人是體溫恒定動物，人的體溫一般為37℃左右，因此它們會發出特定波長約為10μM的紅外線。被動紅外探頭通過檢測大約10μM的紅外線來工作。菲泥爾濾光增強了人體發出的約10μM紅外光，并收集在紅外傳感源上。紅外傳感源使用熱電元件，其檢測人體的紅外輻射溫度的變化。失去電荷平衡，向外放電，后續電路可以處理產生相應的電信號，全自動感應，此時人進入檢測范圍并輸出高電平。人員監測模塊電路原理圖如圖3 所示。

圖3 人員檢測模塊電路圖

在教室內光線較弱時，有人進入教室，在相應位置上紅外熱釋電探頭會感應到有人，經由人體傳感器HP-208 的2 引腳輸出高電平給單片機的P1.6 引腳，單片機處理之后將信號由P3.4 引腳輸出低電平給繼電器模塊，繼電器驅動負載，使節能燈點亮。

本系統采用的是JQC-3FF-S-Z 型繼電器，繼電器驅動電路如圖4 所示。

圖4 繼電器驅動電路圖

這里使用相應的PNP 型號的三極管來控制繼電器的導通與斷開。三極管接收低電平時，繼電器吸合，從而驅動負載。設計中負載沒有接，當繼電器吸合時，表示節能燈點亮。

繼電器不工作時一直處于斷開狀態，當光敏模塊檢測到教室內的光強度強時，單片機的P3.4 口高電平，三極管Q1 截止，繼電器線圈不通電，開關不動作，一直處于斷開狀態，節能燈不亮，同時二極管D3 不導通，指示燈不亮。當人員檢測模塊檢測到教室內沒人時，單片機的P3.4 口高電平，三極管Q1 截止，繼電器線圈不通電，開關不動作，一直處于斷開狀態，節能燈不亮，同時二極管D3 不導通，指示燈不亮。當光敏模塊檢測到教室內的光強度弱并且人員檢測模塊檢測到人時，單片機的P3.4口低電平，三極管Q1 導通，繼電器線圈通電，開關動作，一直處于導通狀態，節能燈亮，同時二極管D3 導通，指示燈亮。

5 指示燈模塊設計

指示燈模塊是人員檢測模塊、光敏模塊和繼電器各自連接一個LED 燈。反應三者的狀態。

5.1 光敏模塊指示燈電路

光敏模塊指示燈電路是用來顯示教室的光強度是否滿足教室光照度要求的指示燈，當不滿足要求時指示燈不亮，滿足要求時指示燈亮

5.2 人員檢測模塊指示燈電路

人員檢測模塊指示燈電路是用來顯示教室是否有人存在的指示燈，沒人存在時指示燈不亮，有人存在時指示燈亮。

5.3 繼電器模塊指示電路

繼電器模塊指示電路是用來顯示繼電器是否工作的指示燈，當繼電器不工作時指示燈不亮，繼電器工作時指示燈亮。

6 結論

本系統利用人員的檢測和光照度的檢測等功能以及主要由STC89C51 單片機構成的主控制模塊對照明設備進行實時控制，能有效的杜絕高校用電浪費，人工控制管理的情況。同時，本系統在特殊情況下也設置了人工手動開關燈的功能，使系統更人性化。

本系統以單片機為核心部件的控制系統，在硬件的基礎上進行了軟件設計，利用軟件編程，最終大致實現了設計想到達到的預期目標，滿足了系統的要求。這種自動照明控制系統符合現代智能化的發展潮流，具有節約能源、延長照明設備使用壽命和管理便捷化等優點，勢必會取代傳統的照明控制。