江弘九，顧鵬偉，陸 遙，孫 兵

（蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215006）

在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的社會，電力能源大量地消耗使其已成為緊缺資源，如何節(jié)能降耗成為近年來照明系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。目前我國高校的教學(xué)樓和學(xué)生宿舍的照明系統(tǒng)大多采用定時方式控制[1]，雖然控制簡單且易于實(shí)現(xiàn)，但同時存在很多問題：在夜間人流量很少時，燈具全部點(diǎn)亮將造成電能的大量浪費(fèi)；此外，定時照明方式使照明系統(tǒng)工作狀態(tài)不能靈活調(diào)整，尤其在雷雨和霧霾天氣時，帶來安全隱患。本文所設(shè)計(jì)的智能照明控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)學(xué)校不同區(qū)域的不同功能需求，設(shè)置照明模式與照明時間，實(shí)現(xiàn)對照明系統(tǒng)的動態(tài)智能化管理。

1 系統(tǒng)硬件模塊

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于51系列單片機(jī)，由7個硬件模塊構(gòu)成，分別為控制、定時、光控、聲控、按鍵、顯示、照明。其中光控、聲控模塊實(shí)現(xiàn)對外界光、聲信號的采集與判斷；定時實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的照明時間控制；控制模塊采用STC89C52單片機(jī)，根據(jù)外界光、聲及定時信號控制照明電路，切換不同的工作狀態(tài)以適應(yīng)外界需求。照明系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.1 控制模塊

本文采用STC89C52單片機(jī)，具有8位CPU和系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，是一種低功耗、高性能微控制器[2]。在本文的設(shè)計(jì)中，控制模塊接收定時模塊的時間及外部環(huán)境的光、聲信號，通過判斷照明級別，控制照明燈的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能動態(tài)化管理。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Structure of system

1.2 輸入模塊

1.2.1 定時模塊

定時模塊采用了DS1302芯片，用于給整個系統(tǒng)提供日期與時間信息，它不僅功耗低，高性能，還具有掉電走時的功能，即使在單片機(jī)斷電的情況下它也不會停止計(jì)時[3]。同時也便于系統(tǒng)對于當(dāng)前是否到達(dá)設(shè)定的夜間時間進(jìn)行判斷。

1.2.2 光控模塊

光控模塊中使用光敏電阻來采集光信號，并使用LM393比較器對光信號強(qiáng)度進(jìn)行判斷[4]。圖2為光控電路，比較器的同相輸入和反相輸入端連有電位器，在沒有自然光照的情況下調(diào)整電位器，將兩個輸入端的電位保持一致，此時比較器會輸出低電平信號。當(dāng)光敏電阻被自然光照射時，其阻值會大幅度的減小，從而使得比較器的同相輸入端電位升高，比較器輸出高電平信號。通過比較器輸出信號至單片機(jī)P1.4端口，單片機(jī)可以判斷外界光強(qiáng)是否到達(dá)閾值強(qiáng)度，以此來控制照明模塊工作狀態(tài)的改變。

圖2 光控電路圖Fig.2 Circuit of lighting control system

1.2.3 聲控模塊

聲控模塊中采用駐極體話筒（圖3中用R6電阻替代）采集聲信號，它是電容話筒的一種，靈敏度高[5]。聲信號強(qiáng)度的判斷采用LM393，原理同光控電路，最后信號輸出至單片機(jī)P1.3端口，如圖3所示。

圖3 聲控電路圖Fig.3 Circuit of voice control system

1.3 輸出模塊

1.3.1 顯示模塊

如圖4所示，顯示電路采用LCD1602液晶顯示當(dāng)前的日期與時間，LCD1602液晶可以顯示兩行，每行16個字符，外加的電位器可以隨時調(diào)節(jié)液晶顯示屏的對比度[6]。

圖4 基于Proteus的照明系統(tǒng)仿真電路圖Fig.4 Diagram of simulation of system by proteus

1.3.2 照明模塊

如圖4所示，照明模塊是用2排8個LED燈來模擬照明燈的3種工作狀態(tài)：熄滅、間隔亮與全亮。當(dāng)工作在熄滅或全亮狀態(tài)時，8個LED燈全部熄滅或點(diǎn)亮；當(dāng)需要間隔亮?xí)r，2排LED燈亮起1排，提供強(qiáng)度相對較小的照明。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能照明系統(tǒng)將時間、光照、聲音結(jié)合起來判斷外界環(huán)境的變化，并且為照明燈設(shè)置3種工作狀態(tài)以提供不同的照明強(qiáng)度，分別為全亮、間隔亮和熄滅狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖Fig.5 Flow chart of system

在照明燈工作狀態(tài)控制中，對宿舍樓設(shè)置時間為18：00～次日 6：00，教學(xué)樓設(shè)置時間為 18：00～24:00，稱為夜間模式，在設(shè)定時間內(nèi)，照明燈工作在間隔亮狀態(tài)，提供夜間基本的照明。如果此時聲控模塊采集到的聲強(qiáng)強(qiáng)度大于閾值強(qiáng)度，說明教學(xué)樓或宿舍的人流量較大，照明模塊會切換至全亮狀態(tài)，提供高強(qiáng)度的照明，并且在聲音信號消失后，還會延時5 s再恢復(fù)間隔亮的工作狀態(tài)，以保證夜間活動對照明的需求。

在設(shè)定時間之外，如遇到雷雨或霧霾天氣，照明系統(tǒng)對外界的自然光強(qiáng)度進(jìn)行采集與判斷，即使未在夜間模式也需要一定的照明，因此當(dāng)光控模塊采集的光強(qiáng)強(qiáng)度小于閾值強(qiáng)度時，照明模塊便會工作在間隔亮的狀態(tài)，保證教學(xué)樓或宿舍的基本照明；再通過對聲音信號的采集和判斷，如果人流量較大，則照明模塊又會再切換至全亮狀態(tài)。

3 系統(tǒng)測試

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，對系統(tǒng)在所有情況下的工作狀態(tài)（預(yù)置的設(shè)定時間為18：00～6：00）進(jìn)行測試，測試電路如圖6所示。

圖6 實(shí)際測試電路Fig.6 Picture of the real test circuit

當(dāng)未到設(shè)定時間、光強(qiáng)>閾值時，LED燈熄滅；

當(dāng)未到設(shè)定時間、光強(qiáng)<閾值、聲強(qiáng)<閾值時，LED燈間隔亮；

當(dāng)未到設(shè)定時間、光強(qiáng)<閾值、聲強(qiáng)>閾值時，LED燈全亮；

當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時間、聲強(qiáng)<閾值時，LED燈間隔亮；

當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時間、聲強(qiáng)>閾值時，LED燈全亮。

由此可見，本系統(tǒng)在各種情況下均按照要求切換工作狀態(tài)，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)高校的教學(xué)樓和學(xué)生宿舍的照明需求，設(shè)計(jì)的智能照明系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)置時間和外界環(huán)境光、聲的變化自適應(yīng)地調(diào)整照明系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對照明系統(tǒng)的動態(tài)化管理。本系統(tǒng)還可以應(yīng)用于公共場所的照明，具有成本低、操作方便、易于擴(kuò)展功能等特點(diǎn)，最大限度地節(jié)約電力能源。

[1]李明.談高校教學(xué)樓照明管理中的措施[J].山西建筑,2007(31):228-229.

[2]陳蕾.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[3]祝鳳蓮.基于DS1302的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)[J].科技廣場,2012(7):126-128.

[4]王洋洋,古麗米拉,張婧婧.基于單片機(jī)的智能時鐘控制裝置的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī),2013(3):65-68.

[5]趙洪.駐極體話筒的結(jié)構(gòu)、原理和正確使用[J].電子制作,2003(11):58-59.

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