教室燈光智能控制裝置的設計

安曉莉

摘要：現在，隨著我國經濟的發展，高等教育越來越受到人們的重視。隨著高校學生人數的不斷增加，學校教室的數量劇增。由于高?；旧喜扇￠_放式管理，加上人們的節電意識薄弱，造成“長明燈”隨處可見。該文針對這一現象，設計了一款燈光智能控制系統，以減少電能的巨大浪費。

該文以STC89C51單片機為主控制器，設計了一款教室燈光智能控制裝置。它可工作在手動或自動模式。工作在手動模式時，可用手動開關打開、關閉燈;自動模式時，光敏電阻檢測環境光照的強度并將其轉換為電信號，實現光照強度高時，燈關閉;光照強度弱時，啟動由紅外對管和LM324運算放大器構成的人數檢測以檢測電路檢測室內人數，實現根據室內人數改變燈的亮度。該設計采用液晶顯示屏顯示當前的工作模式、教室內的人數和當前照明燈的亮度。另外，該系統裝有溫度傳感器，可實時監測教室的溫度。

測試證明：廣泛使用該裝置可有效地降低“長明燈”引起的電能浪費。

關鍵詞：STC89C51單片機;人體紅外傳感器;光敏電阻;燈光控制

中圖分類號：TP338? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）11-0202-04

目前，高校大多采用開放式管理，加上人們的節約用電的意識弱，造成“白天開燈”、教室內無人燈卻全開的現象屢見不鮮。為了提高教室照明用電的效率、同時也為了提高燈的使用壽命，本文設計出一款教室燈的智能化開、關裝置。

1 系統設計

本裝置采用紅外技術設計了一款智能照明控制系統。它由 AT89S51 單片機、紅外傳感器檢測模塊、光電檢測模塊、執行控制模塊（繼電器、手動開關）、LED燈、LCD液晶顯示器等組成。通過光敏傳感器和紅外傳感器采集室內光照強度，有、無人等信息，通過將這些信息送給單片機來實現對燈的智能化控制。

本系統設計框圖如圖1所示。

本系統將自動和手動控制相結合，實現根據實際需要控制照明燈的開和關。工作在手動模式時，通過按下手動開關，可實現燈的開與關。工作在自動模式時，采用光敏電阻檢測自然光的強度，當光線充足時，燈處于關閉狀態;在光線較弱時，由紅外對管檢測教室內的人數，當教室內無人時，燈關閉;人數小于5人，燈為低亮度;人數大于5人小于10人時，燈為中亮度，人數大于10人，燈為高亮度。另外，本系統使用溫度傳感器實時監測教室內的溫度。液晶顯示屏用來顯示工作模式、教室內的人數和當前燈的亮度、室內的溫度。

2 系統硬件設計

本設計電路圖如圖2所示。

本設計采用四對紅外對管來檢測教室人員的進出。當有人進出教室時，紅外發射管發出的光會被遮擋，由此可以計算出教室內的人數。本系統裝有三個LED燈， LED燈的亮度依據教室內的人數分為低、中、高三級。

2.1 單片機選型

本設計選擇STC89C51單片機作為控制器。原因是STC89C51指令簡單，與80C52 單片機兼容。片內存儲器為閃存，可實現在系統可編程，并且價格低廉，控制功能強，適用于復雜控制系統。

2.2 人數檢測電路

紅外對管和LM324運放構成的電壓比較器組成人數檢測電路。

1）紅外發射管

紅外發射管由紅外發光二極管組成。它是由砷化鎵制成的PN結，其紅外輻射效率很高。當其正向偏置時，電流會注入PN結，激發紅外光。 當電流超過最大額定值時，其功率會下降。它的主要特點是發射功率高，絕緣性好，耐濕性好，使用壽命長，可靠性高和可焊性好。

紅外傳感器容易受外界因素影響，在使用時要采取抗干擾措施。為了防止外部因素導致紅外傳感器輸出信號弱，人體紅外傳感器只能安裝在室內，應有離地面2.0-2.2米高的距離;同時，其應有一定的抗電磁干擾、抗燈光干擾的能力。防止家具、大型盆景或其他隔離物阻擋信號源;不得安裝在窗口，以防止窗外的熱氣流和人員走動引起誤報。

2）LM324運算放大器

LM324是一款14引腳雙列直插式封裝的四集成運算放大器[1]。如圖3所示。它內部的四組運算放大器相互獨立。每個運算放大器由3左圖所示符號表示。它有5個引腳，“ +”和“-”是兩個信號輸入端子，“ V +”和“ V-”是正電源端子和負電源端子，“ Vo” 輸出端。

圖4中，D5和D6為紅外發射管，Q4和Q5是對應的紅外接收管。當無人經過時，發射管發出的紅外光被Q4和Q5接收，Q4和Q5均導通，X1和X2處都是低電平，電壓比較器輸出是高電平;當有人通過時，紅外光被遮擋，Q4和Q5處于截止狀態，X1和X2處是高電平，比較器輸出低電平。電壓比較器輸出分別接單片機的P2.3和P2.4腳。單片機根據電平高、低判斷是否有人進、出教室，從而實現教室內人數的統計。

2.3 光照強度檢測

1）光敏電阻

本系統采用光敏電阻采集自然光。光敏電阻由硫化鎘材料制成。當硫化鎘受光照射時，被光激發產生新的載流子。這些新的載流子參與導電：在外部電場的作用下，電子流向正電極，空穴流向負電極，從而引起光敏電阻的阻值降低[2]。

在圖5中，R22為光敏電阻。當教室內光線較強時，光敏電阻的阻值小，運算放大器13腳上的電壓較低。當該引腳上的電壓小于2.5V時，運放將會輸出高電平并將其送入單片機，控制燈熄滅。反之，當教室內光線較弱時，光敏電阻的阻值大，運算放大器13腳上的電壓較高。當該引腳上的電壓大于2.5V時，運放輸出低電平，此時單片機啟動人數檢測電路工作，依據人數改變燈的亮度。

2）光照靈敏度檢測

圖中電位器R20用來調節光照檢測靈敏度。

2.4 繼電器驅動電路

本系統采用三個繼電器控制三組LED燈的亮滅。

繼電器驅動電路如圖6所示。在圖中用PNP管驅動繼電器。當PNP管的基極是低電平時，三極管導通，繼電器的線圈有電流流過，繼電器吸合，燈打開。當PNP管的基極為高電平時，三極管截止，繼電器的線圈上無電流流過，繼電器斷開，燈熄滅。

2.5 LCD1602顯示電路

液晶顯示器體積小、功耗低、控制簡單且性價比高，是理想的顯示器。本設計采用液晶顯示器上顯示當前的工作模式、進入教室的人數和當前3組照明燈的亮度狀態，同時，實時監測、顯示教室內的溫度。

LCD1602引腳2接電源，引腳3接地。引腳4、5和6分別連接到RS、R / W和E端。D0-D7數據線接單片機的P0口[3]。

3 軟件設計

本設計使用模塊化設計，將具有獨立功能的程序段編成函數，主函數通過調用各個函數，完成設計任務[4]。

軟件模塊主要包括：主函數、數據采集函數、顯示驅動、按鍵處理函數等。

3.1 主函數

在主函數中，先進行液晶初始化，調用初始顯示函數;接著，定時/計數器初始化并啟動運行，調用DS18B20溫度轉換函數，調用人數計算函數計算教室內的人數并將人數顯示在液晶屏上。然后，調用鍵盤掃描函數，根據鍵盤掃描函數的返回值判斷是哪個鍵按下：如果是K1按下并且manual=0時，則進入自動模式;在自動模式下，根據光敏傳感器的輸出信號判斷是白天還是晚上：如果是白天，燈全關;如果是晚上且教室內人數是0，燈也全關。如果是晚上，當教室內人數大于0小于等于5時，燈低亮度，液晶顯示器上顯示L;當教室內人數大于5小于等于10時，燈中亮度，液晶顯示器上顯示M;當教室內人數大于10時，燈高亮度， 液晶顯示器上顯示H。

當按鍵K4按下并且manual不等于0時，進入手動模式。開關K1、K2、K3控制燈的開、關。

主函數流程圖如圖7所示。

3.2 環境光和人體活動信號采集函數

本系統采用光敏電阻和紅外傳感器采集環境光和人體活動信號。在程序設計中，將他們放在一個函數中完成信號的檢測與采集。

1）紅外傳感器

當人體溫度高于環境溫度時，就向外輻射紅外線。紅外傳感器正是利用這一特點來檢測人體活動信號。紅外傳感器它本身無輻射，功耗小，價格便宜，但它易受各種熱源、光源、射頻輻射干擾。另外，紅外線穿透性差，當人體的發出的紅外線被很遮擋時，紅外探頭不易接收到人體信號;紅外傳感器的致命弱點是：當人體溫度和環境溫度相差不大時，其檢測靈敏度會大幅度降低，可能會出現短期故障。在本設計中，通過測試，證明了只要人體在但幾秒鐘內沒有動靜，人體傳感器就不會有輸出。為了防止出現這種錯誤的判斷，在軟件設計時，采用了巡回檢測的方法，比如每隔2分鐘采集一次人體活動信號。

2）數據采集軟件設計的實現

在本系統中，在白天光線較亮時，無論教室內有沒有人，燈都熄滅。當環境光不夠亮且有人體活動信號時，燈會亮，沒有人體時燈會滅。當環境光明亮時（根據光收集電路的輸出信號狀態），將其認為在邏輯上是“0”，當環境光暗時，將其認為在邏輯上是“1”;有人體活動信號時，為邏輯“1”，無人體活動信號時，為邏輯“0”;教室燈的狀態是：點亮為“1”，熄滅為“0”。

環境光、人體活動信號、燈構成表1所列的邏輯關系。

本設計中，PNP管的基極上是低電平時，繼電器被驅動，相應的燈點亮。從表1可知，需要對收集的信號求反，實現燈的正確控制。

3.3 人數計算函數流程圖（如圖8所示）

3.4 鍵盤掃描函數

3.5 按鍵處理函數

本函數中，先調用鍵盤掃描函數，查詢K4鍵是否按下，如果按下，且manual=0，則進入手動模式，由開關K1、K2、K3分別控制三個燈的開與關;如果manual=1，則將manual置零，燈全關。

3.6 LCD1602顯示函數

4 結束語

本課題對教室燈光控制系統進行了研究。以環境光、人體存在等為控制器的輸入信號，實現對燈的智能化控制。實驗初步證實了系統具有很好的穩定性、適用性，可用于教室，走廊和辦公室。將本系統廣泛用于高校教室照明燈的改造，可以合理地對教室燈進行管理，有效降低電能的巨大浪費，實現教室燈光的人性化管理，達到節能環保的目的。

需要指出的是：對不同面積的教室，所安裝的燈的數量會不等，相應的，需要安裝的燈光控制裝置的個數會不相等。人體傳感器在有限范圍內對人體活動信號有輸出，如果它超出了人體傳感器的輻射范圍，則采集到的信號可能不準確，這會造成控制裝置的誤操作。因此，為了防止出現該現象，使系統正常工作，需要在大教室內安裝多個人體傳感器。

另外，人體活動傳感器在人體不動的情況下，不會有輸出。如果教室內人保持靜止不動，本裝置則會出現誤操作。因此，在本裝置中，人體傳感器設備最好能夠移動。

在本系統中，人體活動信號和由光敏電阻采集的環境光緊密相關。 因此，如果將人體傳感器與環境光采集電路集成在一起，就可以簡化電路設計。

參考文獻：

[1] 江曉安.模擬電子技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2011.

[2] 胡向東.傳感器技術及應用[M].北京：機械工業出版社，2016.

[3] 馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2017.

[4] 譚浩強.C語言程序設計[M].北京：清華大學出版社，2020.

[5] 屈霞.單片機原理及接口技術—基于C51和protues仿真[M].西安：西安電子科技大學出版社，2019.

【通聯編輯：謝媛媛】