基于89C52的教室智能節(jié)能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：人工照明消耗了大量電能，節(jié)約電能已成為室內(nèi)照明設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮的問(wèn)題之一。針對(duì)目前學(xué)校教室照明中存在的浪費(fèi)現(xiàn)象，根據(jù)熱釋紅外傳感器對(duì)人體的感應(yīng)和光敏電阻感光原理，對(duì)室內(nèi)照明環(huán)境監(jiān)測(cè)傳遞返回的參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為核心的智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)具有節(jié)約能源、提高照明質(zhì)量、延長(zhǎng)光源壽命等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

在倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)的時(shí)代背景下，節(jié)約電力資源日益受到人們的關(guān)注。隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程加快，人工照明用電量逐年上升，其用電約占總發(fā)電量的10%。因此設(shè)計(jì)方便實(shí)用、節(jié)約電能的智能化的照明系統(tǒng)，對(duì)于節(jié)能減排有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，大部分學(xué)校教室電燈都是手動(dòng)操作，當(dāng)光線不足時(shí)需要人員手動(dòng)開(kāi)啟電燈。很多實(shí)際情況是：教室人員較少，開(kāi)啟多個(gè)電燈造成光源浪費(fèi);常常由于疏忽，在人員離開(kāi)之后忘記關(guān)燈導(dǎo)致用電浪費(fèi);在教室自然照明條件良好的情況下也時(shí)有開(kāi)燈現(xiàn)象，在走廊、衛(wèi)生問(wèn)等公共區(qū)域，“長(zhǎng)明燈”現(xiàn)象隨處可見(jiàn)，造成了極大的電能浪費(fèi)。針對(duì)這些實(shí)際問(wèn)題，設(shè)計(jì)智能照明系統(tǒng)可以避免許多不必要的電能浪費(fèi)，既能給人們提供照明方便，又能節(jié)約電力資源，提高了電力資源的利用率。

在節(jié)能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用單片機(jī)為控制器，以熱釋人體紅外和溫度傳感器來(lái)檢測(cè)室內(nèi)某個(gè)區(qū)域是否有人，利用光敏電阻的感光原理來(lái)檢測(cè)室內(nèi)的光線是否充足決定是否開(kāi)啟照明。另外，設(shè)置手動(dòng)操控開(kāi)關(guān)電路，與紅外光控形成電路互鎖，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制燈光的照明，又可以解決電能的浪費(fèi)這一情況，從而達(dá)到智能控制和節(jié)能的目的。

1 系統(tǒng)功能概述

系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)外圍控制電路，構(gòu)成控制系統(tǒng)。除單片機(jī)，系統(tǒng)還包括了紅外檢測(cè)模塊、光照檢測(cè)模塊和照明設(shè)備控制模塊。

圖1為節(jié)能照明系統(tǒng)框圖。紅外檢測(cè)模塊的功能是對(duì)進(jìn)入教室的人進(jìn)行檢測(cè)，是否有人處于教室的某個(gè)區(qū)域?yàn)閱纹瑱C(jī)提供教室使用情況的基本信息。光照檢測(cè)模塊的功能是檢測(cè)教室內(nèi)光線是否充足，為單片機(jī)提供環(huán)境參數(shù)，來(lái)確定教室的光線條件，由此來(lái)判斷是否啟動(dòng)照明設(shè)備。

功能性照明控制模塊是按照明的微控制器的輸出信號(hào)的控制裝置。系統(tǒng)通過(guò)光檢測(cè)模塊來(lái)確定教室自然光的狀態(tài)，是否達(dá)到開(kāi)啟照明的條件。

為了確保教室內(nèi)的人員在光線充足的條件下能夠安全離開(kāi)教室，系統(tǒng)加入了延時(shí)功能。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 熱釋紅外傳感器設(shè)計(jì)

利用熱釋電紅外傳感器來(lái)探測(cè)人體所發(fā)出的紅外線變化，并予以放大選頻處理后，予以適當(dāng)?shù)呢?fù)載，作為人體紅外自動(dòng)開(kāi)關(guān)。運(yùn)用熱釋電紅外傳感器及專用的單片集成電路組成的這類型的開(kāi)關(guān)能達(dá)到人到燈亮、人走燈滅。熱釋電效應(yīng)與壓電效應(yīng)相似，用于反映由于溫度變化從而引起晶體表面荷電變化的現(xiàn)象。傳感器在不加光學(xué)透鏡的前提下，其檢測(cè)距離為2 m之內(nèi)，而加上光學(xué)透鏡后，其檢測(cè)距離可擴(kuò)大到在7 m以外。

圖2為紅外開(kāi)關(guān)電路圖。圖中，運(yùn)算放大器OP1將紅外傳感器的輸出信號(hào)作第一級(jí)的放大，然后由C3耦合給運(yùn)算放大器OP2進(jìn)行第二級(jí)的放大，再經(jīng)過(guò)電壓信號(hào)比較器COP1和COP2構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號(hào)Vs，啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器，輸出信號(hào)Vo，經(jīng)由晶體管T1放大，由驅(qū)動(dòng)繼電器去接通負(fù)載。表1為BISS0001熱釋電紅外傳感器的電性參數(shù)。

2.2 光敏電阻特性

感光材料的主要成分是金屬硫化物，硒化物和碲化物。通常光敏電阻用于測(cè)量光強(qiáng)，在一定外加電壓下，光敏電阻在不同程度的光照強(qiáng)度下，光電流不同，且呈非線性正比關(guān)系。人眼對(duì)光的靈敏度和可見(jiàn)光(0.4～0.76μm)很接近，所以要根據(jù)人眼可以感覺(jué)到的光線，調(diào)節(jié)光敏電阻的變化。光控制電路可用于白熾燈、日光燈和節(jié)能燈，用于控制光源。光敏電阻的光敏特性與各種材料相關(guān)，選擇光敏電阻的材料時(shí)，不僅要考慮光譜范圍的寬度，還要考慮其靈敏度，即在不同光照強(qiáng)度下，電阻值的相對(duì)變化比值。

3 單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)電路組成

照明系統(tǒng)根據(jù)89C52給出的命令控制燈光，整個(gè)系統(tǒng)是在89C52控制下工作的。圖3為系統(tǒng)電路組成。當(dāng)外界光線較強(qiáng)時(shí)，單片機(jī)接收到光照強(qiáng)度大的信號(hào)，使紅外傳感器停止工作;當(dāng)外界光線比較弱時(shí)，單片機(jī)接收到光照強(qiáng)度小的信號(hào)，啟動(dòng)紅外傳感器工作。熱釋電紅外傳感器探測(cè)距離比較遠(yuǎn)，當(dāng)人體進(jìn)入到傳感器的控測(cè)范圍內(nèi)且外界光線較弱時(shí)，信號(hào)檢測(cè)電路處理信號(hào)，并向單片機(jī)89C52發(fā)送一個(gè)中斷，單片機(jī)啟動(dòng)燈光控制電路，使燈慢慢變亮。當(dāng)外界光線比校弱時(shí)，處于傳感器檢測(cè)范圍內(nèi)的人慢慢離開(kāi)區(qū)照明域時(shí)，紅外傳感器檢測(cè)到信號(hào)，信號(hào)處理電路同時(shí)向單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，啟動(dòng)延時(shí)電路，使燈熄滅。

3.2 信號(hào)檢測(cè)處理電路

圖4為信號(hào)檢測(cè)及處理電路。由BISS0001、熱釋電紅外傳感器和光敏電阻等器件組成。人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域，身體的通過(guò)反射鏡部分聚焦的紅外光，接收到熱電元件。當(dāng)環(huán)境光的強(qiáng)度越強(qiáng)，光敏電阻很小，BISS0001檢測(cè)到低電平，禁止傳感器信號(hào)。當(dāng)外部光線強(qiáng)度較弱，敏感電阻很大，從而產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)弱，通過(guò)R5、R1005、R4、C1、C6，信號(hào)放大和C7組成的濾波電路信號(hào)。C1000、C1001、R1000和R1001構(gòu)成的延遲電路組成，處理后的信號(hào)從2腳輸出。

熱電型紅外線傳感器能檢測(cè)到人體和由紅外傳感器，它由各種防入侵警報(bào)或自動(dòng)節(jié)能裝置發(fā)射的輸出電信號(hào)。人體體溫在36～37.5 ℃基本恒定，會(huì)散發(fā)出10μm左右的紅外線，由紅外傳感器的特定波長(zhǎng)來(lái)檢測(cè)發(fā)出波長(zhǎng)為10μm紅外線的人體。菲涅爾透鏡增強(qiáng)收集紅外感應(yīng)源，紅外線傳感器，使用的是熱釋電元件，在接收到電荷平衡的信息時(shí)，溫度發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生變化電荷，將產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，通過(guò)后續(xù)的處理電路檢測(cè)到人體輻射出的紅外線。

3.3 單片機(jī)控制電路

圖5為單片機(jī)的控制電路，由單片機(jī)報(bào)警和照明控制電路組成。當(dāng)外部沒(méi)有任何中斷，80C51控制74LS138的使能控制端，使后面的電路不工作。當(dāng)產(chǎn)生一個(gè)中斷，80C51啟動(dòng)74LS138，P0引腳低4位來(lái)傳輸信號(hào)來(lái)控制燈光慢慢亮起，當(dāng)中斷1和中斷0同時(shí)產(chǎn)生，80C51屏蔽的中斷開(kāi)始74LS138低4英尺發(fā)送到P0數(shù)據(jù)，所以燈光慢慢暗淡。

3.4 人體體溫檢測(cè)及環(huán)境光檢測(cè)電路

圖6為人體體溫檢測(cè)及環(huán)境光檢測(cè)電路。通過(guò)檢測(cè)體的位置是一個(gè)紅外線發(fā)射管(二極管)發(fā)射的紅外線向前方，如果燈具下方坐有人時(shí)，紅外光將被反射回發(fā)射機(jī)，被檢測(cè)到的紅外線接收器，一個(gè)指令傳送到計(jì)算機(jī)，如果這個(gè)時(shí)候，外界光線的檢測(cè)也符合要求時(shí)，那么節(jié)能燈亮了起來(lái)。外界光線強(qiáng)弱的光檢測(cè)，是比較重要的一個(gè)部分，有兩個(gè)主要組成部分，一個(gè)光電二極管和一個(gè)可變電阻器。強(qiáng)光電二極管檢測(cè)能力(靈敏度)是基于可變電阻來(lái)控制，明亮條件下，把阻值變大，光電二極管上的敏感性下降，反之亦然。

4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

程序流程框圖見(jiàn)圖7，其中總程序流程圖為(a);子程序1流程圖為(b);子程序2流程圖為(c)。

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，進(jìn)入程序流程，開(kāi)啟所有中斷，當(dāng)接收到外界光照強(qiáng)度小信號(hào)時(shí)，調(diào)用子程序1，進(jìn)入子程序1，即中斷0信號(hào);進(jìn)行數(shù)據(jù)接收判斷，是否有人體紅外信號(hào)，控制照明開(kāi)關(guān)是否打開(kāi);接收到人體紅外信號(hào)后，執(zhí)行中斷返回，回到主程序，控制照明燈打開(kāi)，并調(diào)用子程序2;即進(jìn)入中斷1，調(diào)用子程序2;開(kāi)始數(shù)據(jù)接受判斷，是否開(kāi)始延時(shí)關(guān)閉照明燈。當(dāng)接收到的人體紅外信號(hào)消失時(shí)，中斷1返回;執(zhí)行延時(shí)關(guān)閉照明等程序功能。結(jié)束后系統(tǒng)再次初始化，然后進(jìn)入中斷0，開(kāi)始下一輪判斷。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)教室照明浪費(fèi)能源的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，選用89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心，設(shè)計(jì)了一種智能照明控制系統(tǒng)。利用熱釋電紅外傳感器對(duì)人體紅外射線的感應(yīng)，借助光敏電阻對(duì)光照強(qiáng)度的敏感性，完成了控制照明系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。并在設(shè)計(jì)中加入人性化的延時(shí)電路，實(shí)現(xiàn)了人到燈亮，人走燈后滅的智能控制，達(dá)到了根據(jù)需要調(diào)節(jié)室內(nèi)照明的基本要求，為教室照明節(jié)能管理提供了切實(shí)可行的方案。