鄭國恒 周瑤 張柯

(鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)院，鄭州 450001)

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類社會的進(jìn)步越來越依賴于資源的開發(fā)與利用，然而與日俱增的能源需求和有限的資源數(shù)量形成了巨大的矛盾。在尋找替代品、提高能源利用率和節(jié)約能源等幾種緩解能源危機(jī)的途徑中，節(jié)能無疑是符合可持續(xù)發(fā)展要求且“可以從身邊做起”的選擇。據(jù)統(tǒng)計(jì)2005年，我國全社會的總用電量約為24000億kW·h，照明用電量約為3000億kW·h，且每年以13% ～14%的速度遞增，預(yù)計(jì)到2010年，照明用電量將超過5000億 kW·h，新增照明用電2000億 kW·h［1］。對高等院校，據(jù)測算，其照明耗電占本單位所有耗電的40%左右［2］，可見在保證照明質(zhì)量的前提下，對教室燈光進(jìn)行自動控制，其節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益都是相當(dāng)可觀的。

基于以上情況，本設(shè)計(jì)根據(jù)時(shí)間、照度、人員分布情況等對教室燈具進(jìn)行自動控制，采用集成光頻轉(zhuǎn)換器TSL230對照度進(jìn)行較為準(zhǔn)確檢測;在人數(shù)探測上引入模糊人數(shù)和人數(shù)閾值，不再單一的依靠人體存在信號進(jìn)行開關(guān)燈控制，增強(qiáng)了節(jié)能效果，進(jìn)一步完善控制方法，使設(shè)備的性能更加穩(wěn)定可靠;多模式控制且各模式之間自動切換，使系統(tǒng)使用更加靈活，便捷。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，由上位機(jī)和下位機(jī)兩個部分組成。

2.1 上位機(jī)

上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1)通過鍵盤完成設(shè)定密碼、初始化時(shí)間、設(shè)置照度人數(shù)閾值和設(shè)置工作時(shí)間等任務(wù)。

(2)通過信號探測器判斷控制模式。

(3)根據(jù)接收到的下位機(jī)數(shù)據(jù)，及內(nèi)部存儲的照度閾值和人數(shù)閾值計(jì)算控制燈組，并向相應(yīng)下位機(jī)發(fā)出開關(guān)燈指令。

(4)通過LCD顯示當(dāng)前工作狀態(tài)和工作模式。

上位機(jī)由5V穩(wěn)壓電源模塊、微控制器STC89C54、時(shí)鐘模塊、液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊、485通訊模塊、自動/強(qiáng)制開關(guān)以及由中斷擴(kuò)展的按鍵模塊 (其中包括確認(rèn)鍵，增減鍵和移動光標(biāo)鍵)組成 (如圖1)。

圖1 上位機(jī)硬件圖

2.2 下位機(jī)

下位機(jī)的主要功能如下:

(1)通過紅外熱釋電傳感器和光頻轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)采集人體存在信號、模糊人數(shù)和照度信號，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。

(2)依據(jù)主機(jī)發(fā)回的命令對燈組進(jìn)行開關(guān)控制。

下位機(jī)主要包括:中心處理芯片 AT89C2051、5V穩(wěn)壓器、光頻轉(zhuǎn)換模塊、紅外熱釋電模塊、地址選擇器、看門狗電路、485通訊模塊以及固態(tài)繼電器組成的功率器件等 (如圖2)。

圖2 下位機(jī)硬件圖

3 硬件部分

3.1 主從機(jī)中心處理芯片

選用 STC89C54、AT89C2051單片機(jī)，其價(jià)位低，可多次擦寫，應(yīng)用范圍廣泛。單片機(jī)在系統(tǒng)中與其他電路模塊配合完成如上所述的上、下位機(jī)功能。

3.2 顯示模塊和按鍵模塊

為了便于對系統(tǒng)進(jìn)行初始化、參數(shù)設(shè)置和模式選擇，主機(jī)配置了LCD顯示屏和由四個按鍵組成的按鍵模塊。顯示部分選用帶中文字庫的液晶顯示模塊LM3033。四個按鍵由一個外部中斷擴(kuò)展而成。由于液晶顯示字?jǐn)?shù)和版面的限制，系統(tǒng)采用分屏顯示，需要用按鍵控制光標(biāo)移動進(jìn)行選屏;并在參數(shù)設(shè)置時(shí)，使用按鍵對數(shù)值進(jìn)行增減控制。

通過可視化界面對系統(tǒng)的照度閾值，人員閾值和工作時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，使用戶可以根據(jù)實(shí)際情況和需要靈活的設(shè)置參數(shù)，在增強(qiáng)系統(tǒng)可用性的同時(shí)，擴(kuò)大了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。加入密碼控制界面，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，明確了用戶的設(shè)置權(quán)限。

3.3 光頻轉(zhuǎn)換模塊［3］

系統(tǒng)選用可編程光頻轉(zhuǎn)換器TSL230作為光頻轉(zhuǎn)換模塊的主芯片。TSL230是新一代集成化的智能傳感器，它將可配置的光電二極管陣列和電流/頻率轉(zhuǎn)換器等集成在單片集成電路中，無需外接元件即可完成高分辨率的光照度/頻率轉(zhuǎn)換，輸出較高精度的數(shù)字信號，是一種高性能、低價(jià)位的智能傳感器。其輸出為占空比50%的方波，且輸出頻率與照度成線性關(guān)系，靈敏度可調(diào)。

3.4 紅外熱釋電人體探測模塊

紅外熱釋電模塊由紅外探頭和信號處理芯片LP0001組成。LP0001是一款高性能的傳感信號處理集成電路，具有獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器，內(nèi)部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾，內(nèi)設(shè)延遲時(shí)間定時(shí)器和封鎖時(shí)間定時(shí)器。該芯片可以對信號進(jìn)行放大，鑒相，整形及展寬，其靜態(tài)電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構(gòu)成被動式的熱釋電紅外傳感器。

另外，系統(tǒng)選用MAX485芯片實(shí)現(xiàn)主機(jī)與多個從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸與命令控制。選用MAX813芯片對下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)對下位機(jī)進(jìn)行復(fù)位。用撥碼開關(guān)對多個從機(jī)進(jìn)行地址設(shè)置，方便設(shè)備的安裝和使用。

4 軟件部分

4.1 設(shè)計(jì)總體思想

時(shí)間、光照度和人員分布構(gòu)成了系統(tǒng)控制依據(jù)的三大要素。將時(shí)間作為控制依據(jù)之一是為了進(jìn)一步加強(qiáng)對節(jié)能的監(jiān)管，使工作時(shí)間與非工作時(shí)間的界限具體化。根據(jù)教室光照明暗分布和紅外熱釋電模塊的探測范圍，將教室劃分成方形區(qū)域 (如圖3)進(jìn)行控制。分別將包含光頻傳感器和紅外傳感器的下位機(jī)板塊安裝在各區(qū)域天花板上，通過下位機(jī)對室內(nèi)光照強(qiáng)度及人員流動情況進(jìn)行監(jiān)控，并將采集到的數(shù)據(jù)送給上位機(jī);上位機(jī)將各下位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)統(tǒng)籌比較，根據(jù)設(shè)定的人數(shù)閾值與照度閾值綜合考慮開關(guān)燈決策。這樣設(shè)計(jì)不僅考慮到了局部，而且能從整體上把握提出開關(guān)燈方案，進(jìn)一步增強(qiáng)了節(jié)能效果。

圖3 教室區(qū)域劃分

系統(tǒng)在處理由紅外熱釋電傳感器采集到的人體信號時(shí)，采用模糊控制理論對各區(qū)域人數(shù)進(jìn)行模糊統(tǒng)計(jì)，解決了無法對人數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)數(shù)帶來的問題，并為人數(shù)閾值的判斷打下基礎(chǔ)。加入模糊人數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn) (區(qū)域人數(shù)大于閾值Y0才開燈)，以解決人數(shù)分布過于分散時(shí)打開過多燈的問題，增強(qiáng)節(jié)能效果。

在照度控制方面，單獨(dú)依靠照度小于300 lx就開燈的判斷依據(jù)是行不通的:在照度不滿足要求系統(tǒng)開燈后，照度就會大于300 lx，這時(shí)系統(tǒng)會誤判照度滿足要求，做出關(guān)燈的決定。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，考慮到自然光與燈光發(fā)生的是非相干疊加，可以在控制中加入一個照度上限X0，當(dāng)自然光與燈光疊加照度大于X0則關(guān)燈。于是，開燈的條件就變?yōu)樵跓粑创蜷_時(shí)照度小于300 lx和燈打開后照度小于X0。

系統(tǒng)采用多種模式控制，以滿足教室多種功用的需求，其模式主要劃分為:強(qiáng)制模式和自動模式;自動模式又細(xì)分為:多媒體模式、板書模式和自習(xí)模式。在工作時(shí)間內(nèi)，如有模式信號輸入則系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)的模式;若無則進(jìn)入自習(xí)模式。不在工作時(shí)間，如有強(qiáng)制手動信號輸入，則根據(jù)手動任務(wù)的設(shè)定運(yùn)行;若無則關(guān)閉所有的燈。程序主流程圖如圖4。

圖4 程序主流程圖

4.1.1 各模式的控制方式和實(shí)現(xiàn)

4.1.1.1 強(qiáng)制模式

管理員將自動/強(qiáng)制開關(guān)置為低電平，使系統(tǒng)進(jìn)入強(qiáng)制模式。在強(qiáng)制模下，通過按鍵設(shè)置開關(guān)任意區(qū)域的燈，不再受工作時(shí)間、照度和人員分布的限制。

4.1.1.2 自動模式

管理員將自動/強(qiáng)制開關(guān)置于高電平，系統(tǒng)進(jìn)入自動模式運(yùn)行。

4.1.1.2.1 自習(xí)模式

當(dāng)無任何模式信號輸入時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入自習(xí)模式。在該模式運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)先檢測教室內(nèi)是否有區(qū)域亮燈，然后檢測光照度是否達(dá)到國家規(guī)定的300 lx。若是光照度大于此標(biāo)準(zhǔn)，不管區(qū)域有沒有人都不開燈;若是小于則探測區(qū)域是否有人，有人則根據(jù)情況開燈，無人則不開燈。具體開關(guān)燈控制規(guī)則如下:

1.開燈

當(dāng)照度不足時(shí)有人進(jìn)入教室，如果教室內(nèi)沒有區(qū)域亮燈則打開人所在區(qū)域的燈，若是再有人進(jìn)入，則檢測第一個開燈區(qū)域的人數(shù)是否大于Y0，若不大于則不再打開其他區(qū)域的燈，若大于則采集各有人區(qū)域內(nèi)的人數(shù)，并將人數(shù)進(jìn)行比較，打開未亮燈區(qū)域中人數(shù)最多的區(qū)域的燈，依此循環(huán)打開第三區(qū)，第四區(qū)……的燈。如果教室里有已亮燈區(qū)域，則分別記錄這些區(qū)域的人數(shù)，如果有區(qū)域的人數(shù)少于標(biāo)準(zhǔn)值Y0，不再打開其他區(qū)域的燈;如果都大于該值，則打開未亮燈區(qū)域中人數(shù)最多的區(qū)域的燈。

2.關(guān)燈

開燈后，在自然光照不足 (照度小于 X0)的情況下，教室中只允許有一個亮燈區(qū)域的人數(shù)小于Y0，如有多個區(qū)域人數(shù)小于 Y0，則保持這些區(qū)域中人數(shù)最多的區(qū)域的燈打開，關(guān)閉其他。在一個區(qū)域內(nèi)連續(xù)檢測不到人體存在信號則關(guān)閉該區(qū)域的燈，當(dāng)教室無人則關(guān)閉所有的燈。若自然光照充足，則關(guān)閉該區(qū)域的燈。程序流程如圖5。

圖5 自習(xí)模式流程圖

4.1.1.2.2 板書模式

板書模式和自習(xí)模式的不同在于講臺上是否亮燈。要板書講課，老師必然出現(xiàn)在講臺上，所以，板書模式的輸入信號就轉(zhuǎn)換成了通過安裝在講臺上方的從機(jī)板探測人體存在信號。當(dāng)講臺上t時(shí)間內(nèi)一直有人才認(rèn)為講臺有人。當(dāng)講臺上有人且無投影信號輸入則進(jìn)入此模式;該模式下對座位區(qū)依然采用自習(xí)模式的控制規(guī)則。特別說明，講臺區(qū)域與別的區(qū)域是相互獨(dú)立的，即不受別的區(qū)域內(nèi)人數(shù)多少與燈亮與否的影響，又影響不到別的區(qū)域，開關(guān)該區(qū)域的燈還加入了照度的判斷。

4.1.1.2.3 多媒體模式

多媒體模式則是通過安裝在投影機(jī)電源導(dǎo)線上的光電耦合器來判斷導(dǎo)線中是否有電流通過，若有則認(rèn)為投影機(jī)在工作狀態(tài)，則自動切換到投影模式。進(jìn)入該模式則關(guān)閉前面區(qū)域的燈具，對教室后面區(qū)域依然采用自習(xí)模式的控制規(guī)則。

4.2 液晶顯示界面

液晶顯示界面流程如圖6。該流程的實(shí)現(xiàn)由可視界面和按鍵共同完成。系統(tǒng)在初始化之后，可通過由一個外部中斷擴(kuò)展的四個按鍵進(jìn)行界面轉(zhuǎn)換和參數(shù)設(shè)置。在不同界面，按鍵的作用不同，用戶可根據(jù)界面提示輕松完成一系列設(shè)置。

4.3 通信子程序［4］

為了避免發(fā)生多從機(jī)同時(shí)占用數(shù)據(jù)線的情況，RS485通信采用主機(jī)廣播，從機(jī)監(jiān)聽的模式。當(dāng)主機(jī)發(fā)送地址幀時(shí)，只有與呼叫地址相符的從機(jī)做出回應(yīng)，其他從機(jī)仍保持監(jiān)聽狀態(tài)。地址相符的從機(jī)隨后根據(jù)主機(jī)發(fā)來的命令幀做出相應(yīng)的反應(yīng)。

圖6 液晶顯示界面

5 結(jié)論

綜上，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)證明，本設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定可靠，達(dá)到了較好的節(jié)能效果。設(shè)備采用光頻轉(zhuǎn)換器TSL230克服了以往設(shè)計(jì)中不能準(zhǔn)確測量照度的問題;加入模糊人數(shù)閾值判斷標(biāo)準(zhǔn)解決了人員分布過于分散時(shí)打開過多燈的問題;另外，多模式控制的自動探測轉(zhuǎn)換使系統(tǒng)運(yùn)行更加智能便捷。在節(jié)能觀念深入人心的今天，人們很容易接受這樣低成本、高性能、操作簡便的節(jié)能產(chǎn)品。

［1］最有效的照明節(jié)能方法及合理設(shè)計(jì).中國節(jié)能行業(yè)網(wǎng)，www.hpnet.com.cn

［2］張艷雯.教室照明的經(jīng)濟(jì)分析及節(jié)能措施.岳陽師范學(xué)院學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2001，(2)

［3］TSL230，TSL230A，TSL230B PROGRAMMABLE LIGHTTO －FREQUENCY CONVERTERS.Copyright W 1995，Texas Instruments Incorporated

［4］馬忠梅.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì).北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007