公用照明設備節(jié)能控制系統(tǒng)的設計

2009年12月7日-18日在丹麥首都哥本哈根召開的被喻為“拯救人類的最后一次機會”的哥本哈根會議中，有關專家嚴正提出全球必須停止增加溫室氣體排放，節(jié)能減排。電力作為一種方便卻不可再生的二次能源，隨著我國現代化建設的加速，盡管電力工業(yè)發(fā)展速度很快，但其需求量也不斷攀升，電力緊張狀況依然相當嚴峻。尤其是近些年來我國電網的負荷越來越大，甚至已經不堪重負，在用電高峰期，很多地區(qū)不得不采用拉閘限電的措施來緩解用電壓力。不僅如此，對于火電生產排放的二氧化硫污染也著實令人擔憂。在我國，基本消除酸雨污染所允許的最大二氧化硫排放量為1 200~1 400 萬噸，但在2003 年我國二氧化硫排放量就達到了2 158.7萬噸，比2002年增長約[1]12%.按照目前的經濟發(fā)展速度以及污染控制方式和力度，到2020年，全國僅火電廠排放的二氧化硫就將達2 100萬噸以上，全部排放量將超過大氣環(huán)境容量1倍以上，這對生態(tài)環(huán)境和民眾健康將是一場嚴重災難[2],所以節(jié)能減排刻不容緩。

許多發(fā)達國家和部分發(fā)展中國家先后制定了“綠色照明工程”計劃，并取得了顯著效果。我國“十一五規(guī)劃”也明確提出了“建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會”

的發(fā)展目標。本文的目的是試圖在某些公共場所，比如學校圖書館設置一些設備使得能源能夠合理節(jié)約地加以利用，這些地方是出入人數較多的，所以這些地方的燈光照明幾乎是從上班開始直到下班為止，不管這些地方是否有人，也不管有多少人，造成了很多不必要的電力資源浪費?？萍家匀藶楸?，從人的需求出發(fā)：即在有人活動的地方必須有足夠的照度(無論是日照還是人工照度);沒有人的區(qū)域，應該熄滅燈光，以節(jié)約能源。這項設計響應“節(jié)能減排”的要求，有一定的實際意義。

1 公用照明節(jié)能設計的整體思路

本設計的整體思路為：平時的借閱室，閱覽的人數不多。若當日光線十分充足，則不管進入多少人燈都不開。充分利用自然光。

若當日光線一般，根據本學校圖書館閱覽室的實際情況，假如每個閱覽自習室靠窗的座位有10座，靠窗座位光線較亮，一般同學進入，若室內燈未打開就會自動坐到靠窗的座位，利用自然光線，節(jié)約電能;當進入人數超過10人，同學只能坐在其他位置，此時若室內光線不夠，則觸發(fā)開關打開。若室內光線過暗，則只要有人進入，燈就被觸發(fā)打開。

本次設計主要進行小范圍模擬實現上述功能，對輸入輸出單元進行設計，完成一盞燈的控制。具體模塊包括光控制繼電器電路和紅外計數器電路，并通過與門電路連接。需要兩組光控繼電器電路和紅外線計數器組合：第一組的光控繼電器電路置于借閱室靠近窗口1 m的天花板處，第二組的光控繼電器置于借閱室中央的天花板頂部。兩組的紅外計數器均置于借閱室入口處。

如圖1所示。

如上所述控制設計主要涉及3種情況：

(1)當光線較暗時，根據建筑光照標準，閱讀所需光強為[3]250~750 lx,即窗口處光感器(第一組)感應光強低于500 lx時，當有人進入門口，第一組計數器計數1,則觸發(fā)燈打開。

(2)當光線一般時，窗口光強足夠，但室內不夠，即借閱室中間處的光感器(第二組)感應光強低于500 lx,但窗口(第一組)光感強度大于500 lx,則當有人進入，第二組計數器計數達10人時，觸發(fā)燈打開。

(3)當光線較亮時，兩個光感強度均大于500 lx,則無論進多少人，燈都不打開。

由于兩組電路除了計數器預設值不同其他都一樣，預設值也只需直接調節(jié)計數器，因而在制作過程中，為了節(jié)省材料，只制作了一組電路。

2 光控開關的設計

光控開關電路主要完成光強感應，當照度低于預設值時，繼電器吸合輸出高電平。這個光控開關分別置于圖書館借閱室最中央的頂部以及距離窗口處1 m 的頂部。主要由一光敏電阻為主要原件的光暗控制開關電路和以L7808CV為主要原件的穩(wěn)壓電源電路組成。根據光敏電阻的光照特性可以得出光敏電阻所在環(huán)境光照越強，電流越高，也就是電阻越大。根據這一特性設計的光控繼電器電路如圖2所示。

電路工作電壓為9~15 V,電阻R1、R2及光敏電阻R3構成分壓電路，當光線暗至一定程度時，光敏電阻電阻值上升，使VT1 的基極電壓上升，直至能使VT1,VT2 導通，電流達到額定的值時直流電磁繼電器J(JZC?32F)吸合，也就是開關打開。圖中R1 用于動作靈敏度調節(jié)。

根據在本次設計中圖書閱覽室內學生閱讀對光照強度的需要為[3]200~750 lx,調節(jié)R1,使光照度降至約500 lx時，整個電路啟動，繼電器開關打開，OUT端由0 V變?yōu)?.45 V.完成預計目的。在使用過程中，為了便于辨別開關是否打開，在繼電器輸出端安裝一盞LED燈，接通電源，當室內光線低至500 lx 時開關打開同時LED 燈亮。

由于該電路的光觸發(fā)電平受電源電壓的影響較大，為了減少誤差，加入一個穩(wěn)壓電路，圖3 是由L7808CV為主要元件的經典穩(wěn)壓電路。

連接兩部分后制成整體電路如圖4所示。

3 基于紅外傳感器的計數系統(tǒng)設計

用紅外傳感器感應人體，當有人通過大門時，輸出一次低電平觸發(fā)計數器計數，計數器記錄進入圖書館的人數，當計數器數值達預設值時，計數器輸出低電平。

通過一個非門74LS04,將輸出低電平轉為高電平輸出，為了便于辨別，在輸出端加一LED燈，燈亮則表示有高電平輸出。整個電路主要有三部分組成：穩(wěn)壓電路、紅外傳感器、計數顯示系統(tǒng)。紅外傳感器電路的工作電壓為3~12 V,本設計選擇5 V電壓，當有人體通過感應頭時，OUT 端輸出一個低電平，約為0.16 V.CL102 是計數、鎖存、七段譯碼、驅動顯示四合一的組合集成電路。

由于該集成電路集成度高，邏輯功能強，顯示裝置減少了連線，不但使電路結構簡化，使用更加方便，還可提高抗震性能。電源部分使用變壓器降壓、集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，可確保電路工作更穩(wěn)定，使用更安全。工作電壓也為5 V,當觸發(fā)端有低平電壓輸入，觸發(fā)計數器計數，直至設定預設值，由CP端輸出低電平。整體電路圖如圖5所示。

如圖5所示，紅外傳感器的工作電壓為5 V,作用距離為0~2 m.將紅外傳感器安裝在閱覽自習室的門口位置。電源打開后，當有人體通過大門，紅外傳感器感應由OUT 端輸出一個低電平，由此通過低電平觸發(fā)端觸發(fā)計數器開始計數。并在顯示屏中顯示目前位置的數值。

如此重復，直至數值到達預設的值，計數器端口5信號輸出端輸出一個低電平，經過非門74LS04 變?yōu)楦唠娖?，輸出電壓值?.16 V變?yōu)?.79 V,同時LED燈亮。

4 部件連接

為了實現當光控繼電器感光度達到一定值以下的同時計數器達到一定值才觸發(fā)總開關，需要一個與門將兩個電路相與，將紅外計數器電路與光感控制器電路輸出端分別連接到與門芯片CD4081 的兩個輸入端，CD4081的輸出端即為最終的電源控制輸出。見圖6.

這是其中一組的設計，實際電路中需要兩組，將兩組電路再次經過一個與門，即可實現全過程。窗口的光線一定比室內光線亮。定義窗口照度為L1,室內中央照度為L2,光感器觸發(fā)照度為L3.光線較亮時，L1≥L2≥L3,無論是窗口還是室內光感都不會被觸發(fā)，燈不開;光線一般時，L1≥L3≥L2,室內光感器觸發(fā)，燈即亮;光線較暗時，L3≥L1≥L2窗口光感器觸發(fā)，燈即亮。

6 結語

本文以學校圖書館借閱室的照明燈為例，結合電子專業(yè)的技術知識，通過設計電路圖以及對電路圖的仿真，并應用相關電子元器件，設計出一個節(jié)能控制電路，根據當日的光照水平和閱覽室內學生人數，決定照明燈的開關， 實物運行效果良好，不僅節(jié)省了很多不必要的電力資源浪費，還使得能源能夠合理節(jié)約。這項設計響應“節(jié)能減排”的要求，有一定的實際意義。