基于單片機的智能教室照明系統設計

摘要：文章設計實現的智能教室照明系統主要由STC89C52單片機、時鐘芯片DS1302、液晶屏LCD1602、光敏電阻和紅外對管等組裝而成，主要模塊包括主控單元、LCD顯示、物體檢測塊、環境明暗檢測、電源和功率調節等模。該智能照明系統采用紅外對管檢測教室人數，根據教室人數自動控制照明燈的個數，并利用光敏電阻檢測教室光線強弱。系統可通過按鍵選擇不同模式。自動模式時，可通過光線亮暗、時間段和教室人數自動調整照明，在無人教室關閉所有照明，在人數較少時通過顯示屏提醒更換教室以節省電能。在手動模式下，可手動控制開關的亮滅，人數統計仍然生效。

關鍵詞：單片機；照明系統；智能教室；紅外對管

中圖分類號：TP311

文獻標志碼：A

1 背景及意義

隨著我國通信技術、高校物聯網的飛速發展及師生對教室環境質量要求的提高，智能教室的照明系統已成為高校建設和管理中重要的一項工作^［1］。教室照明是師生進行教學活動的必備條件，尤其在晚自習無監督的情況下，智能照明系統是減少能源浪費的一項重要工作。近年來，全國各高校領導都格外重視教室照明的建設工作^［2］。學生晚自習結束忘記關閉照明電源或極少的學生占用一個自習教室，都會導致能耗消耗攀升，由此產生的某些問題亦逐漸顯露出來。如教室的維護量增大，帶來的人員不足，維護費用增加，社會成本過高，電費支出過多等問題。這些問題的產生無疑給學校管理部門的各方面工作帶來很大的壓力，急需解決。舊式的樓棟控制系統存在功耗大，公共資源得不到充分應用，效率低等問題。智能教室照明作為智能教室工程的重要組成部分，越來越被各高校所重視，大量的資金投入建設和改造，讓學校變得更加低碳、節能和環保^［3］。

伴隨著微電子技術的發展和單片機技術在各行各業中的應用，近幾十年來，基于單片機的智能照明控制系統對智能教室系統進行全面的升級，不僅實現了智能控制，而且降低了運行成本。因此，教室智能照明系統的推廣，可以改變高校系統傳統的管理服務方式，提高服務效率，并對節省電能消耗起到極大的推動作用^［4］。

2 分析與設計

2.1 需求分析與總體框架

通過前期調研分析，傳統教室照明控制已不能滿足新時期校園開展教學活動的要求，應適時將無線互聯、智能控制等引入新時代的教室。在高校中，照明在美化夜晚學校，清晰校園結構中發揮重要的作用，尤其在教室中的智能控制照明，具有以下非常重要的意義。它能實現節能、延長燈具壽命；改善教學環境，提高效率；實現多種照明效果；提高學校管理水平；獲得較好的投資收益效果。學生進入教室后，系統將教室的燈光、窗簾調節至智能模式。根據需要，學生可以通過墻裝的智能面板控制教室內的燈光開關、調光，電動窗簾開關。選擇不同的模式。學生開始學習后，可自動將教室的燈光、窗簾等調整到自動模式。

基于上述需求和問題分析，本文確定智能教室照明系統的主要功能如下：可通過紅外對管檢測教室人數；可通過光敏電阻檢測教室光線強弱；可通過LCD1602顯示環境明暗、教室人數、提醒信息、當前時間及模式；可自動和通過按鍵完成模式切換、燈的個數和亮度調節及給出提醒信息。本文系統的總體框架如圖1所示。

2.2 智能照明系統的相關技術分析

2.2.1 物體檢測技術

本文設計照明系統中的教室人數是通過紅外對管進行檢測統計。紅外對管的管子極性必須連接正確，通常情況下，較長的引腳就是制作的正極方，而較短的另一腳為負極方。在使用紅外對管時，通過測量紅外發光二極管的正反電阻實驗，能夠在很大的程度上推測出紅外對管對檢測物體的準確度。紅外對管的紅外線波長是介于微波和可見光之間的電磁波，波長在 760 nm～1 m，是波形比紅光長的非可見光。自然界中的一切物體，只要它的溫度高于絕對零度就存在分子和原子的無規則運動，其表面就會不停地輻射紅外線。雖然輻射紅外線，但不同的物體輻射的強度不一樣，而本文正是利用這一點把紅外技術應用到智能教室的照明系統開發中。

當紅外對管用于檢測時，發射管先發送紅外信號，紅外信號會隨著傳送距離的加大逐漸衰減，如果遇到人體，就會形成紅外反射。當反射回來的信號比較弱時，光敏二極管接收的紅外光較弱，接收檢測引腳輸出高電平，說明有人已經離開教室；當反射回來的信號比較強，接收檢測引腳輸出低電平，說明有人已經進入教室。

2.2.2 環境明暗檢測技術

進行智能照明的數據收集時，光照強度的測量是非常必要的。根據光照的強弱自動調整教室內的燈光，給師生提供最舒適的學習環境。本文設計使用一個光敏電阻配合Arduino完成光照數據的收集，需準備Arduino UNO 開發板、面包板、光敏電阻和1～10 k的電阻等材料。在黑暗的無光條件下，光敏電阻的阻值非常高；光線越強，電阻值反而越小。通過測量光敏電阻兩側的電壓變化值可以得知，光敏電阻值的變化進而獲得光照強度值。在連接時，本文為光敏電阻串聯了一個分壓電阻。

在黑暗中，光敏電阻的阻值會很大，電壓輸出也就很大，接近5 V。一旦有光線照射的話，光敏電阻的值就會迅速減小，電壓輸出也隨之減小。本文通過實驗測試，分壓電阻選取不能太小，最好在1～10 k左右，否則比值變化不明顯，環境明暗檢測則不準確。

2.2.3 智能照明的物聯網技術

本文設計的智能照明系統，建立在主流的物聯網技術基礎上，以便以后進行升級和改造。在本校原有的窄帶廣域網技術上，通過智能網關和LoRa智能開關實現照明系統的整體聯動。該功能可實現對燈光的集中智能化控制。傳統開關布線耗時耗力，本文利用無源無線技術，徹底解決開關布線難的問題，師生只要拿著開關隨時隨地管控燈光。同時，無須開槽埋線管，安裝部署上使用智能開關面板替換原有的舊開關面板，讓照明工程造價大大降低，工程施工進度大大加快。該智能照明利用計算機物聯網技術、無線通信數據傳輸等來實現對照明設備的智能化控制，構建安全、節能、舒適、高效的教室照明環境。

3 照明控制系統的實現

3.1 硬件部分的實現

本照明系統以單片機作為控制模塊的核心部件，采用紅外對管檢測人體的存在，采用光敏電阻三極管構成的電路檢測環境光的強度。根據教室合理開燈的條件，通過對人體存在信號和環境光信號的識別與判斷，完成對教室燈光的智能控制，避免了教室用電的大量浪費。整體硬件電路主要由51單片機STC89C52、時鐘芯片DS1302、液晶屏LCD1602、比較器芯片LM339、光敏電阻、紅外對管、按鍵、LED等構成。

本文設計的STC89C52單片機的最小系統，也就是單片機能夠正常運行程序的三大部分，分別是單片機，晶振電路，復位電路。光敏電阻部分，本研究采用1 k電阻R4對電平進行了限制。只有在這種情況下，當一個單片機給DJ一個高電平的情況下，8050是高電平導通，其三極管才被導通。10 k電阻僅在此處用作上拉電阻，如果未連接vcc電流，則可以打開8050，并且無法對其進行控制。DS1302主要采用的技術是一種具有高性能、低驅動功耗的新型實時數字計算機和數字時鐘驅動控制電路。DS1302可以針對年份和月日時分秒等信息進行自動計時，并帶有閏年自動補償的功能。本次設計選用LCD1602液晶屏幕顯示，LCD1602工作在3.5～5 V的正常工作電壓下，其內部安裝具有自動復位的電路，能夠對光標轉換、清幕等操作。該顯示器的亮度可由外部聯絡電位器來調整。它主要采用的技術是一款全方位自動化的新型工業式自動字符型顯示液晶，可以同時自動顯示兩行字符數據。該顯示模塊可以用來顯示當前日期與時間及紅外檢測模塊檢測到的目前教室內剩余的人數。在按下設置按鍵后可進入時鐘設置頁面。另外，本設計共有5個按鍵，獨立的按鍵為復位按鍵，并排的4個按鍵分別為：手動/自動模式切換鍵、設置鍵、加一鍵（手動模式下為LED亮度增大鍵）、減一鍵（手動模式下為LED亮度減小鍵）。系統硬件如圖2所示。

3.2 軟件部分的實現

軟件組成部分的主要工作是完成對照度檢查電路的處理及通信信號的處理。如當燈光照明性很強時，系統將繼續通過燈光檢測來監視燈光檢測電路的輸入和運行狀態，軟件部分的邏輯功能實現闡述如下：使用4個LED燈模擬教室的照明燈，在符合條件開啟時，人數小于10人亮1個燈，10～20人亮2個燈，20～30人亮3個燈，大于30人則全亮4個燈。若人數在5人以下，在LCD上給出提醒更換教室信息。教室使用兩個紅外對管來檢測是否有人進入并進行人數統計，人數可以統計到二位數99人，并實時將人數顯示到液晶屏LCD上，同時，LCD液晶屏還提供時間、日期和星期信息以方便師生開展教學活動。軟件設計中，檢測教室亮度的邏輯，主要通過程序與光敏電阻控制接口進行連接，最終由系統編程接口控制燈的個數。

系統分自動和手動模式，可以通過按鍵切換模式，并有LED指示當前所在模式。在自動模式下，可以設定定時時間段，在定時時間段內，當教室有人（人數大于0）的情況下，如果光線暗弱則自動打開照明燈，照明燈點亮個數根據人數而定。不在定時時間段或教室無人的情況下，關閉所有照明燈。另外，在手動模式下，可以通過手動開關控制照明燈的亮滅，同時統計人數。

其中，在自動模式下人數顯示的核心代碼如下：

init（）；//液晶初始化

Time_Display（）；//顯示時間

Open（）；//動作判斷，根據光線和聲響開關

Count_Value（）；//計算人數

4 結語

本文詳細闡述了智能教室照明系統的設計全過程，包括總體架構、硬件和軟件的設計與實現。最后，通過實驗驗證，在復雜教室環境下，經過單片機分析判斷控制燈光亮滅情況，實現了室內在人數不足的情況下智能減少燈光個數。在有人進入教室時，根據總人數和燈光個數自動增加燈光。如果光照度和人體感應都不滿足時，單片機延時1 min，關掉燈光等功能，達到了較好的節能效果。但系統在統計人體檢測上，人數上限對于擴展到大型報告廳教室還有待在后續研究中進一步改進。

參考文獻

［1］楊盛博.基于DeviceNet總線的智能照明控制系統［J］.數字技術與應用，2022（4）：187-189.

［2］李文杰，脫慧.基于STM32的教室智能照明系統設計［J］.中國設備工程，2022（13）：118-120.

［3］彭強.智能照明控制系統在地下停車場的應用［J］.工程技術研究，2022（10）：117-119.

［4］王雯嬌.多媒體教室的智能照明控制系統［J］.光源與照明，2021（1）：34-36.

（編輯 姚 鑫）

Design of intelligent classroom lighting system based on microcontroller

Yi Hui

（School of Information Engineering， Hunan University of Science and Engineering， Yongzhou 425199， China）

Abstract： The intelligent classroom lighting system designed and implemented in this paper is mainly composed of STC89C52 single chip microcomputer， clock chip DS1302， LCD LCD1602， photoresistor and infrared tube. The main module consists of the main control unit， LCD display， object detection， environment brightness detection， power， and power regulation. The intelligent lighting system uses infrared tube to detect the number of classroom， automatically controls the number of lights according to the number of classroom， and uses photosensitive resistance to detect the intensity of the classroom light. The system can select different modes by pressing buttons. In automatic mode， the lighting can be automatically adjusted according to light brightness， time period and the number of classrooms. In unmanned classrooms， all lighting can be turned off. When the number of students is small， the screen reminds to change the classroom to save power. In manual mode， you can manually control the switch on and off， and the number of people still takes effect.

Key words： microcontroller; lighting system; intelligent classroom; infrared tube