發(fā)布時(shí)間：2022-03-02所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：本文主要針對(duì)目前學(xué)校教室照明存在電能嚴(yán)重浪費(fèi)、管理效率較低的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一個(gè)智能照明系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)教室光照不足的情況下人來(lái)燈開(kāi)、人走燈滅的功能。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)硬件、軟件的設(shè)計(jì)，在Promes軟件中進(jìn)行了仿真調(diào)試。結(jié)果表明，達(dá)到了燈組的有效控制，可實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能
摘要：本文主要針對(duì)目前學(xué)校教室照明存在電能嚴(yán)重浪費(fèi)、管理效率較低的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一個(gè)智能照明系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)教室光照不足的情況下“人來(lái)燈開(kāi)、人走燈滅”的功能。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)硬件、軟件的設(shè)計(jì)，在Promes軟件中進(jìn)行了仿真調(diào)試。結(jié)果表明，達(dá)到了燈組的有效控制，可實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能、提高教室照明系統(tǒng)管理效率的目的。
關(guān)鍵詡：?jiǎn)纹瑱C(jī);人體感應(yīng);智能照明
0引言
隨著科技的發(fā)展，人們的生活品質(zhì)不斷提升，但能源短缺問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。因此，節(jié)能降耗已成為國(guó)家發(fā)展的主題之mltI。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)公共區(qū)域的照明系統(tǒng)在白天或無(wú)人時(shí)，燈長(zhǎng)時(shí)間亮的問(wèn)題，尤其在各高校教室問(wèn)題較為嚴(yán)重。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)高校教室照明是統(tǒng)一管理，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)統(tǒng)一開(kāi)燈或關(guān)燈，這樣會(huì)導(dǎo)致：一是在陰天或其它光照不足的情況下不能及時(shí)開(kāi)燈;二是有時(shí)教室無(wú)人或人少時(shí)屋內(nèi)所有的燈都亮著，造成了在管理上比較教條與電能浪費(fèi)的問(wèn)題。在此背景下，開(kāi)發(fā)一種智能照明控制系統(tǒng)變得尤為重要，根據(jù)光照強(qiáng)度和室內(nèi)人數(shù)進(jìn)行電燈的控制以實(shí)現(xiàn)電燈的開(kāi)啟與關(guān)閉。
該控制系統(tǒng)以學(xué)校教室內(nèi)的燈組為控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)光照不足條件下“人來(lái)燈開(kāi)，人走燈滅，人多多開(kāi)，人少少開(kāi)”的功能。由于合理分配電能，節(jié)約了資源，在一定程度上增加了照明燈具的使用壽命，對(duì)節(jié)能降耗具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1.1系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、光照采集單元、人體感應(yīng)單元、顯示單元、燈組及按鍵電路6部分組成。單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理與顯示功能;光照采集單元通過(guò)實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)光照強(qiáng)度的采集，形成是否開(kāi)燈的條件之一;人體感應(yīng)單元以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)是否有人的檢測(cè)功能，形成開(kāi)哪些燈、開(kāi)多少燈的條件;顯示單元實(shí)現(xiàn)燈組狀態(tài)信息的顯示;按鍵電路實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。
1.2燈組排布
控制系統(tǒng)為了達(dá)到在不影響室內(nèi)光照強(qiáng)度的前提下盡量節(jié)省能源的目的，采用了分組分控的方法控制燈組，即將教室分為多塊區(qū)域，各區(qū)域都裝有一塊人體感應(yīng)模塊和一個(gè)燈組，使之能夠獨(dú)立完成燈組開(kāi)關(guān)。
圖2為一間教室內(nèi)的燈組排列圖，將教室分成9個(gè)區(qū)域，即一個(gè)區(qū)域由一盞燈控制，原則上人少時(shí)打開(kāi)單盞燈，但實(shí)際各區(qū)域含有重疊部分，對(duì)于重疊區(qū)域，人站在哪個(gè)區(qū)域，就打開(kāi)覆蓋相應(yīng)區(qū)域的燈組。這樣若某一區(qū)域有人，打開(kāi)的是一個(gè)燈組，不僅在保證光照強(qiáng)度基礎(chǔ)上，避免了陰影的產(chǎn)生，同時(shí)也節(jié)約電能。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)
單片機(jī)最小系統(tǒng)由AT89C51微處理芯片、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路3部分組成。AT89C51由一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器、128字節(jié)內(nèi)部RAM、32個(gè)I/O口線、兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器等部分組成，具有低電壓、低功耗、高性能的優(yōu)點(diǎn);時(shí)鐘電路由一個(gè)12MHz的晶振、兩個(gè)20pF的電容組成;復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位的形式。圖3人體感應(yīng)單元接口圖 Fig.3 Human body sensing unit interface diagram
2.2光照采集單元
環(huán)境光照采集單元主要由光敏電阻作為檢測(cè)元件，對(duì)室內(nèi)光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)光照強(qiáng)度高于設(shè)定值時(shí)，無(wú)論是否有人都不會(huì)開(kāi)燈，本設(shè)計(jì)邏輯定義為：當(dāng)室內(nèi)光強(qiáng)低于設(shè)定值為“1”，反之為…0’，當(dāng)室內(nèi)光強(qiáng)低于一定值時(shí)，單片機(jī)接收到信號(hào)，然后開(kāi)始進(jìn)行下一步人體紅外線檢測(cè)。光敏電阻工作原理基于內(nèi)光電效應(yīng)，即由于光量子作用，引發(fā)了物質(zhì)電化學(xué)性質(zhì)的變化。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻，在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過(guò)，受到一定波長(zhǎng)的光線照射時(shí)，電流就會(huì)隨光強(qiáng)的增大而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換【2】。人射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子——空穴對(duì)將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值[31。本系統(tǒng)選用光敏電阻5516型號(hào)的感應(yīng)器。
2.3人體感應(yīng)單元
人體感應(yīng)模塊采用HC—SR501，它是基于熱釋電效應(yīng)制成的紅外傳感器，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)感應(yīng)，即當(dāng)有人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸入高電平，人離開(kāi)感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。它的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，且感應(yīng)范圍可調(diào)[4】，功耗低。輸出高電平信號(hào)，也有利于電路對(duì)接。
人體的恒定體溫一般在37℃左右時(shí)會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)為 10UM左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的IOUM左右的紅外線來(lái)進(jìn)行工作。人體發(fā)射的IOUM左右的紅外線通過(guò)菲泥爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上[5】。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)【6】。
設(shè)計(jì)使用HC—SR501的可重復(fù)觸發(fā)方式，即感應(yīng)輸出高電平后，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍內(nèi)活動(dòng)，其輸出將一直保持高電平，直到人離開(kāi)后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖娇?。
2.4顯示模塊
顯示模塊采用128×64點(diǎn)陣液晶模塊，顯示分辨率為 128×64。LCDl2864分為帶中文字庫(kù)與不帶中文字庫(kù)兩大類。其中，帶中文字庫(kù)的LCD每屏可顯示4行8列共32個(gè) 16×16點(diǎn)和128個(gè)16 X 8點(diǎn)ASCII字符集【8】，或可顯示8×4行 16 x 16點(diǎn)陣的漢字。該液晶顯示屏所組成的顯示電路具有編程簡(jiǎn)便、易操作、硬模塊搭建簡(jiǎn)潔、價(jià)格低廉、適用性廣泛等特點(diǎn)。該顯示模塊可以實(shí)現(xiàn)燈組工作狀態(tài)及對(duì)應(yīng)區(qū)域是否有人等相關(guān)信息的顯示，同時(shí)也可加入時(shí)鐘信號(hào)顯示具體的日期和時(shí)間，從而進(jìn)行更加有效地管理與監(jiān)控。
2.5按鍵電路
按鍵電路主要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制方式，按鍵的輸入信號(hào)主要用POl l，將相應(yīng)按鍵產(chǎn)生的控制信號(hào)輸入單片機(jī)對(duì)應(yīng)的端口，以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)燈組的控制。
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系統(tǒng)中按鍵工作方式采用中斷掃描方式，當(dāng)系統(tǒng)未檢測(cè)到按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到某一按鍵按下，相應(yīng)的端口則被按鍵所短接置為低電平，單片機(jī)檢測(cè)到對(duì)應(yīng)端口電平的變化情況時(shí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制相應(yīng)燈的打開(kāi)與關(guān)閉。圖4為其中一路按鍵接口電路圖。
3軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)的初始化、感應(yīng)信號(hào)的采集與處理、信號(hào)的輸出控制，以及顯示程序與按鍵程序等。系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)進(jìn)行初始化后，首先環(huán)境光檢測(cè)電路對(duì)環(huán)境光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)環(huán)境光較亮?xí)r，系統(tǒng)始終對(duì)環(huán)境光進(jìn)行采集;當(dāng)環(huán)境光較暗時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)人體紅外線采集模塊，若有人進(jìn)入探測(cè)范圍時(shí)，人體感應(yīng)模塊將信號(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)而打開(kāi)相應(yīng)燈組，當(dāng)人長(zhǎng)時(shí)間位于同一位置時(shí)，人體感應(yīng)模塊開(kāi)啟可重復(fù)觸發(fā)模式，并將信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)打開(kāi)人體位置周圍燈組，并且顯示相應(yīng)的信息。系統(tǒng)主流程圖如圖5所示。
4系統(tǒng)的仿真調(diào)試
該系統(tǒng)是基于Keil和Proteus軟件環(huán)境仿真調(diào)試的， Proteus軟件中進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)，通過(guò)在Keil軟件進(jìn)行程序的編寫與編譯下裝到單片機(jī)中，在Proteus中進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，仿真圖如圖6所示。仿真測(cè)試中采用相應(yīng)的彩管模擬光照強(qiáng)度和人體采集信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了燈組的有效控制，顯示器能夠準(zhǔn)確顯示相關(guān)信息。
5 總結(jié)
本文通過(guò)對(duì)學(xué)校教室智能照明系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、仿真設(shè)計(jì)，在Protues中進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。系統(tǒng)調(diào)試的成功可以改善目前學(xué)校教室“白天無(wú)人燈亮、人走燈亮”的現(xiàn)象，并且可以提高學(xué)校照明系統(tǒng)的管理效率，節(jié)省人力，節(jié)約電能，降低成本，同時(shí)在一定程度夠延長(zhǎng)燈具的使用壽命，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。——論文作者：徐亮，劉勇，張瀟楊
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