阮承治，饒金輝，俞 晴，江聰彬

（武夷學(xué)院 機電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

當(dāng)今世界面臨能源嚴(yán)重短缺的問題，傳統(tǒng)的照明控制方式已經(jīng)難以滿足人們對節(jié)能控制系統(tǒng)的要求[1][2]。我國是一個教育大國，學(xué)校的教室數(shù)量大，但教室的照明系統(tǒng)多為開放式管理，照明控制方式大都是采用傳統(tǒng)的開關(guān)面板手動控制[3]。這種手動的照明管理方式較為落后，經(jīng)常會出現(xiàn)管理不及時、不到位的情況，智能化、自動化程度不高，電能存在浪費的現(xiàn)象[4][5]。

面對當(dāng)前的教室電能浪費問題，文中結(jié)合當(dāng)前環(huán)境的光照強度、人數(shù)信息及時間定時設(shè)置等條件，設(shè)計并制作一款采用單片機STC89C52RC為核心的模擬教室照明智能化控制器。該控制器主要由主控制模塊和電源供電模塊組成，系統(tǒng)界面采用液晶顯示屏，通過該顯示屏可將人數(shù)信息、實時時間、當(dāng)前環(huán)境溫度等信息實時顯示。使用該控制器，能減少電能浪費和學(xué)校的經(jīng)費支出，有效改進(jìn)教室照明控制系統(tǒng)的管理方式。

1 總體方案

系統(tǒng)主要由電源供電模塊和以單片機為核心的控制模塊來組成，電源模塊為單片機提供直流電源。本系統(tǒng)的主要作用為控制照明系統(tǒng)，為另外擴展本系統(tǒng)的功能，顯示模塊具有測試室溫的作用。單片機控制模塊主要是由時鐘電路、光照及人數(shù)檢測模塊、模擬照明模塊、測溫電路、獨立按鍵控制電路、顯示模塊等六個子模塊構(gòu)成。系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案Figure 1 System overall design

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

系統(tǒng)的設(shè)計主要是由單片機主控系統(tǒng)和電源模塊組成。單片機主控系統(tǒng)是由時鐘電路、光照及人數(shù)檢測模塊、模擬照明模塊、測溫電路、獨立按鍵控制電路、顯示模塊等六個部分電路構(gòu)成。其中，電源模塊是以變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個部分的電路構(gòu)成。

2.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機的正常運行除了電源的供電外還需要有由復(fù)位電路、時鐘振蕩電路構(gòu)成的最小系統(tǒng)來提供支持[6]。單片機最小系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)Figure 2 MCU minimum system

通過以單片機為核心的主控制的模塊，處理由兩對紅外對管通過人體在通過門時所產(chǎn)生的先后觸碰反射、導(dǎo)通的順序，來構(gòu)成的人數(shù)計算；結(jié)合光敏電阻所采集到的光照強度信息，判斷是否為光線不足，若是則結(jié)合判斷當(dāng)前設(shè)置的定時時間段內(nèi)來確定是否開啟照明燈；最后采用LCD1602顯示屏來顯示實時的人數(shù)、時間、溫度等信息量。

2.2 主要子模塊電路

DS1302時鐘芯片結(jié)合一個32.768kHz晶振模塊組成時鐘電路，通過對年、月、日、時、分、秒等時間信息的計算，將實時時間傳輸?shù)絾纹瑱C，為單片機系統(tǒng)提供時基支持，最終通過液晶顯示模塊顯示出時間信息。時鐘模塊電路如圖3所示。

圖3 時鐘模塊Figure 3 Clock module

光敏電阻檢測室內(nèi)光線強度信息，紅外對管檢測教室人數(shù)信息，二者連接一個LM339四電壓比較器，該比較器及外圍電路構(gòu)成光照及人數(shù)檢測模塊[7]。利用其比較器工作特性分別對其光敏電阻進(jìn)行光線檢測后輸出的電壓、紅外對管檢測到人體通過時的導(dǎo)通電壓與固定參考電壓進(jìn)行比較，在其相對應(yīng)的比較器輸出腳輸出高電平或低電平。最終將此高、低電平信號送到單片機I/O口，從而讓單片機對光線、人數(shù)的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并進(jìn)行后續(xù)的運行工作。光照及人數(shù)檢測電路如圖4所示。

圖4 光照及人數(shù)檢測模塊Figure 4 Lighting and number detection module

本系統(tǒng)采用四個LED發(fā)光二極管來模擬教室的四路照明燈。當(dāng)系統(tǒng)判斷到當(dāng)前條件符合開燈條件時，則會開啟相對應(yīng)盞數(shù)的燈來模擬實際環(huán)境中的照明燈開啟情況。采用另兩個LED發(fā)光二極管作為手動/自動模式的指示燈，當(dāng)系統(tǒng)處于手動模式或自動模式下時，系統(tǒng)則會開啟相對應(yīng)模式指示燈。模擬照明電路如圖5所示。

圖5 模擬照明電路Figure 5 Analog lighting circuit

通過DS18B20傳感器采集到室內(nèi)的實時溫度，將其溫度數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線傳輸至單片機[8]。通過單片機將數(shù)據(jù)處理完成后送至顯示模塊將其顯示出實時溫度量。測溫電路如圖6所示。

圖6 測溫電路Figure 6 Temperature measuring circuit

2.3 電源模塊

本系統(tǒng)的電源供電電路是由AC220V的市電經(jīng)變壓器降壓成AC12V，經(jīng)過橋式整流并濾波后，通過三端穩(wěn)壓模塊7805將電壓穩(wěn)壓在+5V，最終為系統(tǒng)提供電源支持。電源模塊設(shè)計電路如圖7所示。

圖7 電源模塊Figure 7 Power module

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)的總體程序設(shè)計包括自動控制模式和手動控制模式。經(jīng)過上電初始化后系統(tǒng)處于自動控制模式，此時，若有人進(jìn)出教室，LCD1602液晶顯示屏將會按單片機所接收到的人員增減情況進(jìn)行實時人數(shù)顯示，并會根據(jù)當(dāng)前的人數(shù)、當(dāng)前所處的時間段、當(dāng)前的光線情況對照明系統(tǒng)進(jìn)行一個合理控制。當(dāng)使用者切換至手動控制模式，通過手動開關(guān)按鍵即可根據(jù)需求對照明系統(tǒng)進(jìn)行手動控制。主程序流程如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Figure 8 Main program flow chart

3.2 主要子程序設(shè)計

3.2.1 人數(shù)統(tǒng)計模塊程序設(shè)計

本系統(tǒng)的人數(shù)檢測統(tǒng)計模塊是利用 “門外”、“門內(nèi)”兩組紅外對管作為人數(shù)檢測的傳感器。當(dāng)“門內(nèi)”的紅外對管檢測到有人通過時，程序則通過檢測判斷“門外”的紅外對管是否已經(jīng)檢測到有人通過，如果“是”則在液晶顯示上加1；否則就保持當(dāng)前檢測狀態(tài)并返回到程序的初始掃描狀態(tài)，等待下一個檢測數(shù)據(jù)。人數(shù)統(tǒng)計程序流程如圖9所示。

圖9 人數(shù)統(tǒng)計程序流程圖Figure 9 People counting program flow chart

3.2.2 時鐘模塊程序設(shè)計

本系統(tǒng)開機自檢初始化的過程中，當(dāng)檢測到其正處于工作中時，則對其進(jìn)行初始化工作并重新啟動。DS1302時鐘在進(jìn)行讀/寫的過程中，使用的都是BCD碼。而單片機軟件程序?qū)r間參數(shù)設(shè)計是采用二進(jìn)制碼，所以在與時鐘芯片通訊時需要對BCD碼和二進(jìn)制碼之間實行轉(zhuǎn)換[9]。時鐘模塊程序流程如圖10所示。

圖10 時鐘模塊程序流程圖Figure 10 Clock module program flow chart

4 軟件仿真與硬件調(diào)試

4.1 仿真調(diào)試

為了驗證本系統(tǒng)硬件電路及軟件程序的設(shè)計是否符合要求，利用Proteus 7.8對其硬件和程序進(jìn)行仿真驗證。仿真電路如圖11所示。

圖11 仿真電路圖Figure 11 Simulation circuit diagram

在仿真電路中，除通過以上的自動模式仿真之外，本次仿真實驗還對其在手動模式下進(jìn)行仿真實驗。仿真實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的軟硬件都能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求。

4.2 實物制作與調(diào)試

利用Altium Designer 10對本系統(tǒng)設(shè)計PCB單面板，采用腐蝕法制作電路板，最后進(jìn)行插件焊接調(diào)試。每個模塊焊接完成后，需要逐一對其模塊進(jìn)行功能調(diào)試及對出現(xiàn)的故障進(jìn)行排除。制作并調(diào)試通過后的實物如圖12所示。

圖12 實物圖Figure 12 Physical map

4.2.1 基本功能測試

首先利用獨立按鍵對定時功能進(jìn)行測試。當(dāng)開機運行后按下設(shè)置鍵，則顯示界面由初始顯示狀態(tài)切換至系統(tǒng)時間設(shè)置或定時時間測試；選擇設(shè)置系統(tǒng)時間或定時時間的選擇方式則是通過再次按下功能設(shè)置鍵進(jìn)行選擇，時間的加減可通過加、減鍵進(jìn)行調(diào)整，設(shè)定完成后按下確認(rèn)鍵使系統(tǒng)確認(rèn)生效。定時功能設(shè)置界面如圖13所示。

圖13 定時功能設(shè)置界面Figure 13 Timing function setting interface

在功能測試的過程中，用熱縮套管將光敏電阻套住，以模擬光線不足環(huán)境，將系統(tǒng)時間設(shè)置在定時時間段內(nèi)，用手在兩對紅外對管之間模擬人體進(jìn)出門時的來回移動，并觀察LCD1602液晶顯示屏上人數(shù)的變化是否相應(yīng)的增減情況，觀察模擬照明LED燈是有相應(yīng)的開啟或關(guān)閉情況。最后，將熱縮管去除，以模擬系統(tǒng)在光照充足的環(huán)境下的運行情況，以及將系統(tǒng)時間設(shè)置在定時時間段外，并觀察系統(tǒng)的運行情況。通過基本功能測試結(jié)果表明系統(tǒng)功能能正常運行，符合設(shè)計基本要求。

4.2.2 人數(shù)檢測與光線檢測模塊測試

首先測量光敏電阻在光線充足時與光線不足時，輸入到電壓比較器第4腳的電壓情況。測量結(jié)果如圖14和15所示。經(jīng)過測量，此組電壓符合系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖14 光線充足檢測電壓Figure 14 Light sufficient detection voltage

圖15 光線不足檢測電壓Figure 15 Low light detection voltage

再測量人數(shù)檢測模塊在檢測到人員通過與未檢測到人員時，輸入到待比較電壓管腳的電壓情況，測量結(jié)果如圖16和17所示。從測試結(jié)果看，檢測到人員與未檢測到人員通過分別為高和低電平，即為單片機進(jìn)行人員計數(shù)提供合適的信號。

圖16 有人通過時電壓Figure 16 Voltage when someone passes

圖17 無人通過時電壓Figure 17 Voltage when no one passes

將系統(tǒng)上電開機后，將系統(tǒng)工作模式切換至自動模式，觀察各個模塊的顯示數(shù)據(jù)。將當(dāng)前系統(tǒng)時間設(shè)置到默認(rèn)的定時時間段內(nèi)，即18：00--22：00之間，在兩對紅外對管間通過人員進(jìn)、出門，并通過液晶顯示屏實時顯示當(dāng)前教室內(nèi)的人數(shù)信息，照明系統(tǒng)也能夠根據(jù)當(dāng)前教室內(nèi)人數(shù)的情況進(jìn)行開啟或關(guān)閉相對應(yīng)的照明燈的盞數(shù)。當(dāng)人數(shù)在1-5人之間時，系統(tǒng)則開啟一盞照明燈。當(dāng)系統(tǒng)人數(shù)在6-10人之間，系統(tǒng)則開啟兩盞照明燈。當(dāng)人數(shù)在11-15人之間時，系統(tǒng)則開啟三盞照明燈。當(dāng)人數(shù)多于15人時，系統(tǒng)則開啟四盞照明燈。其次，將系統(tǒng)的工作模式切換至手動模式，此時照明燈的亮、滅則只受手動開關(guān)控制。通過測試，系統(tǒng)分別在兩個工作模式下的工作狀態(tài)都符合設(shè)計要求。

5 總結(jié)

設(shè)計利用STC89C52RC單片機為主控芯片，結(jié)合教室內(nèi)光照強度、人數(shù)信息及定時設(shè)置等參數(shù)條件，采用紅外對管模塊對教室的人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，并使用光敏電阻來檢測教室內(nèi)的光照強度，完成教室照明系統(tǒng)的智能化控制。本設(shè)計系統(tǒng)除可在自動模式下控制照明燈外，還可切換為手動模式控制照明系統(tǒng)。雖在調(diào)試與制作過程中，是通過發(fā)光二極管模擬照明系統(tǒng)，但系統(tǒng)測試結(jié)果證明該系統(tǒng)的工作原理能基本滿足設(shè)計需求，可達(dá)到節(jié)約電能資源，降低經(jīng)濟(jì)成本的目的。