伍世云，羅 江，王益艷，范開敏

（四川文理學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，四川 達(dá)州 635000）

基于單片機(jī)的高校教室照明節(jié)能智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

伍世云，羅 江，王益艷，范開敏

（四川文理學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，四川 達(dá)州 635000）

本文設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的高校教室照明節(jié)能智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用AT89S52芯片作為微處理控制器，采用上位機(jī)和下位機(jī)復(fù)合的主從式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由光敏傳感器、熱釋電紅外傳感器、步進(jìn)電機(jī)等元件構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集電路完成對(duì)教室內(nèi)的人體存在信息和光照強(qiáng)度信息的采集，通過(guò)上位機(jī)和下位機(jī)中的微處理器進(jìn)行處理和通信，完成對(duì)教室對(duì)應(yīng)區(qū)域的燈光控制。系統(tǒng)設(shè)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作模式，可在特殊情況下由室內(nèi)照明開關(guān)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。研究表明，該系統(tǒng)能大大地提高節(jié)能效果和管理的智能化程度。

單片機(jī)；高校教室；節(jié)能；智能控制；主從式結(jié)構(gòu)

高等學(xué)校是人口密度較大和用電度數(shù)較多的地方，其中，照明系統(tǒng)據(jù)統(tǒng)計(jì)用電量占高校用電總量的50%以上[1]。而高校教室又是高校教學(xué)的主要場(chǎng)所，室內(nèi)電燈多、照明時(shí)間長(zhǎng)。由于初高中每個(gè)班的教室固定，能夠非常方便實(shí)現(xiàn)管理，而高校每個(gè)班沒(méi)有固定教室，學(xué)生自習(xí)時(shí)間較多，同時(shí)晚自習(xí)安排松散，教室又是公用，學(xué)生可以自由進(jìn)出。加之因?yàn)槿狈茖W(xué)的管理以及使用者責(zé)任心不強(qiáng)[2]，常常會(huì)出現(xiàn)教室內(nèi)僅有幾個(gè)人甚至沒(méi)有人而燈光全部開啟的現(xiàn)象，白白浪費(fèi)了電能[3]。以一間座位數(shù)60人、面積60 m2的常規(guī)教室為例，使用普通40 W的熒光燈20盞，每天少開2小時(shí)，每年除去假期可節(jié)約電能500 kW·h以上。以此計(jì)算，全校教室都節(jié)約用電的話，將會(huì)節(jié)省數(shù)額龐大的電費(fèi)，為國(guó)家節(jié)約大量的能源。

為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，劉和劍、賈正松、孫蔚等人[4-6]進(jìn)行了基于51單片機(jī)的紅外、光控相結(jié)合的智能照明控制系統(tǒng)研究；張鍇等人[7]設(shè)計(jì)了紅外對(duì)射管與熱釋電傳感器雙重檢測(cè)糾錯(cuò)的單片機(jī)控制系統(tǒng)；傅莉[8]還從新型節(jié)能燈和高效LED燈方面對(duì)公共場(chǎng)所照明節(jié)電智能控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

文中綜合以上研究的優(yōu)點(diǎn)，本著實(shí)用、安裝方便，設(shè)計(jì)了一款價(jià)格低廉，操作簡(jiǎn)單的基于單片機(jī)的高校教室照明節(jié)能智能控制系統(tǒng)并取得了較好的節(jié)能效果。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)[9]，由安裝于教室中的從機(jī)和位于教學(xué)樓管理室的遠(yuǎn)程控制上位機(jī)以及通訊網(wǎng)絡(luò)RS-485總線[3-9]構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。上位機(jī)為PC機(jī)，系統(tǒng)采用C++語(yǔ)言開發(fā)，制定作息時(shí)間，同時(shí)接收教室現(xiàn)場(chǎng)信息，綜合處理判斷后，下發(fā)相應(yīng)的控制命令，執(zhí)行相關(guān)操作。

圖1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)中，需要將從機(jī)（下位機(jī)）采集的數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行處理，同時(shí)，上位機(jī)也需要將命令信號(hào)回發(fā)給下位機(jī)，所以通信模塊在系統(tǒng)中是不可缺少的組成部分，由于RS-232通訊距離短，不能進(jìn)行多臺(tái)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)管理，系統(tǒng)采用了一種基于差分信號(hào)傳送的串行通信鏈路層協(xié)議的RS-485總線實(shí)現(xiàn)串口通信。PC機(jī)通過(guò)RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器，依次連接多臺(tái)485設(shè)備，采用輪詢的方式，對(duì)總線上的設(shè)備輪流進(jìn)行通信。

設(shè)計(jì)中使用了集成的RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換模塊，注意PC程序必須使串口的 DTR（RS-232的4腳）和 RTS（RS-232的7腳）輸出高電平，同時(shí)由PC輸出的高低電平就可使得轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部的MAX485在接收和發(fā)送狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換了，處于半雙工模式。

系統(tǒng)包含自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種模式[3]。手動(dòng)控制模式便于特殊情況由進(jìn)入教室的人員實(shí)現(xiàn)人性化控制[10]。系統(tǒng)中的自動(dòng)/手動(dòng)模式直接由管理員操作，通過(guò)上位機(jī)與下位機(jī)的微處理器外部中斷INTl連接，它的優(yōu)先級(jí)最高。管理員將自動(dòng)/手動(dòng)開關(guān)置為低電平，使系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)模式，在手動(dòng)模式下，教室內(nèi)的手動(dòng)照明開關(guān)可以控制室內(nèi)任意區(qū)域的燈光，此時(shí)，室內(nèi)燈光不再受工作時(shí)間、光強(qiáng)和人員分布的限制[9]；管理員將自動(dòng)/手動(dòng)開關(guān)置為高電平，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)模式運(yùn)行。

2 從機(jī)設(shè)計(jì)

從機(jī)微處理器采用單片機(jī)AT89S52[11]，由+5 V電源，復(fù)位電路，熱釋電紅外檢測(cè)，光照度檢測(cè)，通信模塊和執(zhí)行控制電路等組成，如圖2所示。利用光敏電阻來(lái)探測(cè)室內(nèi)照度，利用熱釋電紅外傳感器探測(cè)室內(nèi)相應(yīng)區(qū)域是否有人，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到上位機(jī)，作為系統(tǒng)判斷教室燈光開關(guān)時(shí)間及位置的依據(jù)。

圖2 從機(jī)組成框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

電源電路由220 V交流經(jīng)降壓、整流、濾波，由LM317穩(wěn)壓輸出12 V直流給繼電器提供工作電源，再經(jīng)LA7805三端集成穩(wěn)壓得到5 V給微處理器和熱釋電紅外傳感器模塊供電。

微處理器采用通用的性價(jià)比較高的AT89S52[11]小系統(tǒng)。光傳感器電路如圖3所示，安裝在燈具側(cè)，感測(cè)對(duì)應(yīng)區(qū)域的光照度。光敏電阻是一種常用的光電傳感器，它的電阻與照射到器件表面的光強(qiáng)有關(guān)，光強(qiáng)越小，光敏電阻的阻值越大[12]，反之越小。電路通過(guò)給光敏電阻添加一個(gè)比較器，構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的光控開關(guān)，比較器的輸出為低電平時(shí)，系統(tǒng)允許開燈。根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整RP的抽頭，可改變單片機(jī)對(duì)應(yīng)環(huán)境光照度的起控點(diǎn)。

圖3 光傳感器電路

熱釋電紅外檢測(cè)模塊采用的是以 BISS0001[13]為核心的HC-SR501[14]熱釋電紅外傳感器組件，該模塊電路主要由人體紅外傳感器、菲涅爾透鏡、專用芯片BISS0001組成。該傳感器只能檢測(cè)移動(dòng)人體，為此，我們?cè)诩t外傳感器探頭外安裝了一個(gè)步進(jìn)電機(jī)[15]，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有人來(lái)到該區(qū)域時(shí)，傳感器接收到人體發(fā)出的紅外線，產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后送到微處理器，再將數(shù)據(jù)送到上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行綜合判斷后，返回信號(hào)讓微處理器P2.0口輸出低電平，使繼電器J1吸合，教室燈光被點(diǎn)亮；此后，微處理器通過(guò)程序控制步進(jìn)電機(jī)每隔10分鐘往復(fù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)時(shí)間為30秒。若進(jìn)入該區(qū)域的人沒(méi)有離開，通過(guò)程序使燈光繼續(xù)點(diǎn)亮；若進(jìn)入該區(qū)域的人離開，在30秒的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)檢測(cè)不到人體紅外線，通過(guò)程序關(guān)閉燈光，直到再有人出現(xiàn)在該區(qū)域內(nèi)[16]。

動(dòng)作執(zhí)行由繼電器控制電路組成，如圖4所示，在自動(dòng)控制模式下，上位機(jī)下傳數(shù)據(jù)讓P2.1口始終輸出高電平，控制三極管Q2截止，繼電器J2一直處于斷開狀態(tài)，教室內(nèi)手動(dòng)開關(guān)K不起任何作用，若照度滿足要求且有人員出現(xiàn)在該區(qū)域時(shí)，微處理器的P2.0口輸出低電平，控制三極管Q1導(dǎo)通，繼電器J1吸合，該區(qū)域燈光被點(diǎn)亮。

反之，P2.0口輸出高電平，控制三極管Q1截止，繼電器J1斷開，該區(qū)域燈光熄滅。在手動(dòng)控制模式下，上位機(jī)下傳數(shù)據(jù)始終讓微處理器的P2.1口輸出低電平，P2.0口輸出高電平，控制三極管Q1截止、Q2導(dǎo)通，繼電器J1斷開、J2吸合，該區(qū)域燈光不再受光照度和有無(wú)人員的影響，只受教室內(nèi)手動(dòng)照明開關(guān)K的控制。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制由程序配合Q3、J3等元件構(gòu)成的控制電路完成，圖中步進(jìn)電機(jī)的電源沒(méi)有畫出。

圖4 動(dòng)作執(zhí)行電路

4 程序設(shè)計(jì)

文中提出了初步的網(wǎng)絡(luò)化的控制方案，利用上位機(jī)管理系統(tǒng)對(duì)所有教室的照明燈具做出宏觀的調(diào)控，作為對(duì)教室內(nèi)部微處理器控制功能的補(bǔ)充，上位機(jī)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、邏輯判斷等功能，為照明控制策略的開發(fā)提供了后續(xù)開發(fā)空間。目前，我們只是用上位機(jī)進(jìn)行了自動(dòng)/手動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換控制，以及作息時(shí)間、人員的監(jiān)控。

程序流程如圖5所示，流程圖中，步進(jìn)電機(jī)檢測(cè)人體存在沒(méi)有詳細(xì)畫出，可參見原理說(shuō)明。

圖5 程序流程圖

下位機(jī)接收到來(lái)自上位機(jī)的模式控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)初始化，進(jìn)行模式檢測(cè)，若為手動(dòng)模式，上位機(jī)使P2.1口始終保持低電平，P2.0口保持高電平，控制相應(yīng)的繼電器，讓教室內(nèi)燈光只受室內(nèi)手動(dòng)照明開關(guān)K的控制；若為自動(dòng)模式，上位機(jī)使P2.1口始終保持高電平，當(dāng)照度滿足開燈條件且檢測(cè)到人員存在時(shí)，P2.0口輸出低電平，使繼電器J1吸合，開啟對(duì)應(yīng)區(qū)域燈光。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中綜合利用了應(yīng)用電子技術(shù)，傳感器技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)[3]完成了對(duì)高校教室照明節(jié)能智能控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。該教室照明節(jié)能智能控制系統(tǒng)該系統(tǒng)由光敏傳感器完成教室光照度的檢測(cè)，由熱釋電紅外傳感器結(jié)合步進(jìn)電機(jī)等元件完成教室內(nèi)的有無(wú)人員的檢測(cè)，采用上位機(jī)和下位機(jī)的主從式結(jié)構(gòu)，對(duì)教室實(shí)現(xiàn)了分區(qū)域管理[17]，大大地提高了節(jié)能效果和管理的智能化程度。利用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了兩種控制模式，在特殊情況下可進(jìn)行手動(dòng)控制，該系統(tǒng)具有較好的節(jié)能效果和很大的推廣價(jià)值。

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Design of lighting energy-saving intelligent control system for college classroom based on microcontrollers

WU Shi-yun，LUO Jiang，WANG Yi-yan，F(xiàn)AN Kai-min
（School of Physics and Mechanical&Electronic Engineering，Sichuan University of Arts and Science，Dazhou 635000，China）

An lighting energy-saving intelligent control system （LEICS）of college classroom is designed in this paper.The AT89S52 chip was chose as the microprocessor of the whole system，which using a machine of the upper and lower composite master-slave structure.These messages of human body and illumination intensity are monitored by data acquisition system，which includes photosensitive sensor，pyroelectric infrared sensor and stepping motor.The region management of classroom has been implemented by the master-slave structure composed of upper computer and lower computer for processing and communication，in order to control of the corresponding area light of classroom.The proposed system is equipped with two kinds of wording mode such as automatic and manual，which can control the indoor lighting switch independently under special circumstances.The design demonstrated that the LEIC system can improve energy-saving effect and intelligent degree in management.

microcontrollers；college classroom；energy-saving；intelligent control；master-slave structure

TN710

A

1674－6236（2016）23-0180-03

2015-12-07稿件編號(hào)：201512073

四川省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目（13ZA0102）；四川省教育廳自然科學(xué)一般項(xiàng)目（15ZB0315）；達(dá)州市科技計(jì)劃應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（KJJ2015001）；四川文理學(xué)院面上項(xiàng)目（2014Z005Y）

伍世云（1968—），男，四川達(dá)州人，副教授。研究方向：自動(dòng)控制和納米材料。