尹小龍，李財(cái)龍，尹曉海

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047)

大家在生活中或許見到過各種各樣的節(jié)能產(chǎn)品，比如節(jié)能燈、變頻空調(diào)、太陽能路燈、低耗電的液晶電視等。但是對(duì)于學(xué)生來說，校園中的節(jié)能應(yīng)用似乎很少。再加上粗放式的用電管理模式，電能的浪費(fèi)現(xiàn)象就處處可見了。教室照明用電占據(jù)了校園用電的多半部分，因此考慮如何將教室照明用電降至最低，就是要考慮如何實(shí)現(xiàn)教室照明的節(jié)能控制。

單片機(jī)以其低廉的價(jià)格和可靠的運(yùn)行，取代計(jì)算機(jī)而成為了新一代的自動(dòng)控制核心［1］。該系統(tǒng)就是以單片機(jī)作為主控核心，應(yīng)用熱釋電紅外傳感器、光電檢測(cè)模塊和計(jì)數(shù)模塊作為前端信號(hào)采集，經(jīng)過單片機(jī)的邏輯判斷進(jìn)而輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)日光燈的控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由7個(gè)部分組成。光強(qiáng)檢測(cè)模塊、熱釋電紅外傳感器和人數(shù)檢測(cè)模塊作為前端信號(hào)采集單元，將信號(hào)輸入到單片機(jī)內(nèi)部，經(jīng)過單片機(jī)的邏輯判斷輸出信號(hào)控制繼電器，進(jìn)而控制日光燈的亮暗。如果在緊急的情況下，需要將所有的燈都熄滅或者是點(diǎn)亮，可以按下強(qiáng)制按鈕令所有燈全亮或者全滅。并且該強(qiáng)制按鈕不會(huì)影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總框圖

1.1 光強(qiáng)檢測(cè)電路

光敏電阻是一種隨著外部光照強(qiáng)度的改變其阻值也發(fā)生相應(yīng)變化的一種元器件。光照增強(qiáng)，阻值減小，反之將會(huì)增大［2］。光強(qiáng)檢測(cè)電路就是利用光敏電阻的這一特性設(shè)計(jì)而成。光照亮?xí)r，三極管導(dǎo)通，輸出低電平，反之輸出高電平。光照檢測(cè)電路如圖2所示。

圖2 光照檢測(cè)電路原理圖

1.2 紅外信號(hào)檢測(cè)電路

熱釋電紅外傳感器作為該系統(tǒng)的人員位置信號(hào)檢測(cè)器，采用了熱釋電紅外處理芯片BISS0001［3］。該芯片具有較高性能的傳感信號(hào)集成處理能力。配以熱釋電紅外傳感器和少量元器件構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外測(cè)模塊。加上菲涅爾透鏡后，能夠探測(cè)150度的圓錐范圍，直線探測(cè)距離是5米左右。

1.3 計(jì)數(shù)電路

為了判斷學(xué)生是進(jìn)入教室還是走出教室，該計(jì)數(shù)電路采用了兩套信號(hào)模塊。一個(gè)裝在門外墻壁上，一個(gè)安裝在門內(nèi)墻壁上。安裝方向和墻面平行。這樣只要檢測(cè)哪一個(gè)傳感器先發(fā)出信號(hào)，再去檢測(cè)另外一個(gè)傳感器有無信號(hào)，就可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。如果是門外的先有信號(hào)，門內(nèi)的后來信號(hào)，則說明有人進(jìn)入到教室;反之說明有人走出教室。記得的人數(shù)寄存在單片機(jī)內(nèi)部待用。

該電路采用一個(gè)激光頭和一套光強(qiáng)檢測(cè)電路搭配組成計(jì)數(shù)模塊，讓激光頭發(fā)出的光直射在光強(qiáng)檢測(cè)電路的光敏電阻上。如果有人通過門的話，就會(huì)遮擋激光頭發(fā)出的激光，使光敏電阻上的光照強(qiáng)度發(fā)生改變，從而產(chǎn)生信號(hào)供給單片機(jī)。原理示意圖如圖3所示。

1.4 輸出驅(qū)動(dòng)電路

要控制交流220 V的日光燈，必須利用繼電器將強(qiáng)弱電隔離開，以確保安全。繼電器的工作電壓是直流12 V。為了防止驅(qū)動(dòng)部分工作時(shí)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，在輸出緩沖單元74HC244后加光電隔離［5］。繼電器工作線圈在斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，需加續(xù)流二極管防止有可能對(duì)系統(tǒng)造成的干擾。

圖3 計(jì)數(shù)器安裝示意圖

1.5 電源模塊

該系統(tǒng)的電源電路由于技術(shù)比較成熟，所以只做簡(jiǎn)要介紹。交流電220 V通過變壓器降至交流15 V和6 V，然后經(jīng)過整流橋變成直流，再通過電容濾波和LM317穩(wěn)壓到直流5 V和直流12 V供單片機(jī)和繼電器使用。

2 硬件總體電路

系統(tǒng)總體硬件電路主要包括以下幾個(gè)部分:光強(qiáng)檢測(cè)、計(jì)數(shù)、紅外信號(hào)檢測(cè)、光電隔離部分、輸出驅(qū)動(dòng)部分、顯示輸出部分?？傮w電路如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體電路

單片機(jī)的選擇要根據(jù)所控制的對(duì)象來進(jìn)行，由于控制日光燈不會(huì)占用太多的輸入輸出口，程序占用的空間也不大，所以選擇51系列單片機(jī)已經(jīng)能夠滿足要求。單片機(jī)和電腦之間的串行通信采用了MAX232芯片，該芯片是一款專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的低功耗電平轉(zhuǎn)換芯片。

隔離對(duì)于工作在強(qiáng)電周圍的單片機(jī)來說是十分必要的，可以減少強(qiáng)電的變化對(duì)單片機(jī)的干擾。光電隔離芯片TLP521-4是一種可以實(shí)現(xiàn)前端和負(fù)載端的信號(hào)隔離的光電耦合器件，可以增強(qiáng)電路的安全性，降低干擾［4］。

輸出驅(qū)動(dòng)部分采用了74HC244芯片和ULN2003芯片。這兩款芯片都有增強(qiáng)單片機(jī)帶載能力的作用。

顯示部分由兩個(gè)8段LED數(shù)碼顯示管組成，顯示教室當(dāng)中實(shí)時(shí)的人數(shù)。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

從節(jié)能角度出發(fā)，系統(tǒng)可以根據(jù)光照強(qiáng)度、教室人數(shù)以及人所在位置對(duì)教室亮燈情況進(jìn)行控制。

以教室中有三盞燈為例，沒有外部強(qiáng)制條件中斷時(shí)，光照強(qiáng)度為暗并且紅外傳感器檢測(cè)到有人進(jìn)入教室就可以亮燈。起初教室中沒有人時(shí)，所有的燈都不會(huì)點(diǎn)亮。人數(shù)大于0小于5時(shí)二號(hào)區(qū)域的燈被強(qiáng)制點(diǎn)亮。人數(shù)大于等于5小于9時(shí)，根據(jù)紅外傳感器檢測(cè)到的人的位置來確定點(diǎn)亮哪個(gè)區(qū)域的燈。當(dāng)人數(shù)大于等于9時(shí)，全部點(diǎn)亮所有燈。人數(shù)減少到小于9大于等于5時(shí)，三號(hào)區(qū)域紅外檢測(cè)一段時(shí)間是否有人，沒人的話將三號(hào)區(qū)域的燈熄滅，有人的話將一號(hào)區(qū)域的燈熄滅。當(dāng)人數(shù)小于5時(shí)，將除二號(hào)燈以外的燈全部熄滅。人數(shù)為零時(shí)所有燈熄滅。

有外部中斷時(shí)，一次中斷將所有燈點(diǎn)亮，再一次中斷將恢復(fù)到原來的狀態(tài)。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)經(jīng)過最終測(cè)試能夠滿足設(shè)計(jì)要求，有著廣闊的應(yīng)用前景。不僅僅適用于教室，會(huì)場(chǎng)、候車室等一些人員比較集中的地方，還可以作為樓宇照明控制系統(tǒng)使用。只要稍加改變就可以適應(yīng)許多場(chǎng)合的照明控制。將來可以將多個(gè)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)集中控制，加入電能協(xié)調(diào)分配功能，更好地達(dá)到節(jié)約電能的目的。

［1］丁元杰.單片微機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(模電部分)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［3］桂要生.基于紅外技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2009(8):102－104.

［4］吳國(guó)義.基于AT89S51單片機(jī)節(jié)能燈的設(shè)計(jì)［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2009(5):346－349.

［5］宋戈.51單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)范例大全［M］.北京:人民郵電出版社，2010.