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    教室燈光智能控制裝置的設計

    2021-05-23 09:42:53安曉莉
    電腦知識與技術 2021年11期
    關鍵詞:光敏電阻

    安曉莉

    摘要:現在,隨著我國經濟的發(fā)展,高等教育越來越受到人們的重視。隨著高校學生人數的不斷增加,學校教室的數量劇增。由于高?;旧喜扇¢_放式管理,加上人們的節(jié)電意識薄弱,造成“長明燈”隨處可見。該文針對這一現象,設計了一款燈光智能控制系統(tǒng),以減少電能的巨大浪費。

    該文以STC89C51單片機為主控制器,設計了一款教室燈光智能控制裝置。它可工作在手動或自動模式。工作在手動模式時,可用手動開關打開、關閉燈;自動模式時,光敏電阻檢測環(huán)境光照的強度并將其轉換為電信號,實現光照強度高時,燈關閉;光照強度弱時,啟動由紅外對管和LM324運算放大器構成的人數檢測以檢測電路檢測室內人數,實現根據室內人數改變燈的亮度。該設計采用液晶顯示屏顯示當前的工作模式、教室內的人數和當前照明燈的亮度。另外,該系統(tǒng)裝有溫度傳感器,可實時監(jiān)測教室的溫度。

    測試證明:廣泛使用該裝置可有效地降低“長明燈”引起的電能浪費。

    關鍵詞:STC89C51單片機;人體紅外傳感器;光敏電阻;燈光控制

    中圖分類號:TP338? ? ? 文獻標識碼:A

    文章編號:1009-3044(2021)11-0202-04

    目前,高校大多采用開放式管理,加上人們的節(jié)約用電的意識弱,造成“白天開燈”、教室內無人燈卻全開的現象屢見不鮮。為了提高教室照明用電的效率、同時也為了提高燈的使用壽命,本文設計出一款教室燈的智能化開、關裝置。

    1 系統(tǒng)設計

    本裝置采用紅外技術設計了一款智能照明控制系統(tǒng)。它由 AT89S51 單片機、紅外傳感器檢測模塊、光電檢測模塊、執(zhí)行控制模塊(繼電器、手動開關)、LED燈、LCD液晶顯示器等組成。通過光敏傳感器和紅外傳感器采集室內光照強度,有、無人等信息,通過將這些信息送給單片機來實現對燈的智能化控制。

    本系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

    本系統(tǒng)將自動和手動控制相結合,實現根據實際需要控制照明燈的開和關。工作在手動模式時,通過按下手動開關,可實現燈的開與關。工作在自動模式時,采用光敏電阻檢測自然光的強度,當光線充足時,燈處于關閉狀態(tài);在光線較弱時,由紅外對管檢測教室內的人數,當教室內無人時,燈關閉;人數小于5人,燈為低亮度;人數大于5人小于10人時,燈為中亮度,人數大于10人,燈為高亮度。另外,本系統(tǒng)使用溫度傳感器實時監(jiān)測教室內的溫度。液晶顯示屏用來顯示工作模式、教室內的人數和當前燈的亮度、室內的溫度。

    2 系統(tǒng)硬件設計

    本設計電路圖如圖2所示。

    本設計采用四對紅外對管來檢測教室人員的進出。當有人進出教室時,紅外發(fā)射管發(fā)出的光會被遮擋,由此可以計算出教室內的人數。本系統(tǒng)裝有三個LED燈, LED燈的亮度依據教室內的人數分為低、中、高三級。

    2.1 單片機選型

    本設計選擇STC89C51單片機作為控制器。原因是STC89C51指令簡單,與80C52 單片機兼容。片內存儲器為閃存,可實現在系統(tǒng)可編程,并且價格低廉,控制功能強,適用于復雜控制系統(tǒng)。

    2.2 人數檢測電路

    紅外對管和LM324運放構成的電壓比較器組成人數檢測電路。

    1)紅外發(fā)射管

    紅外發(fā)射管由紅外發(fā)光二極管組成。它是由砷化鎵制成的PN結,其紅外輻射效率很高。當其正向偏置時,電流會注入PN結,激發(fā)紅外光。 當電流超過最大額定值時,其功率會下降。它的主要特點是發(fā)射功率高,絕緣性好,耐濕性好,使用壽命長,可靠性高和可焊性好。

    紅外傳感器容易受外界因素影響,在使用時要采取抗干擾措施。為了防止外部因素導致紅外傳感器輸出信號弱,人體紅外傳感器只能安裝在室內,應有離地面2.0-2.2米高的距離;同時,其應有一定的抗電磁干擾、抗燈光干擾的能力。防止家具、大型盆景或其他隔離物阻擋信號源;不得安裝在窗口,以防止窗外的熱氣流和人員走動引起誤報。

    2)LM324運算放大器

    LM324是一款14引腳雙列直插式封裝的四集成運算放大器[1]。如圖3所示。它內部的四組運算放大器相互獨立。每個運算放大器由3左圖所示符號表示。它有5個引腳,“ +”和“-”是兩個信號輸入端子,“ V +”和“ V-”是正電源端子和負電源端子,“ Vo” 輸出端。

    圖4中,D5和D6為紅外發(fā)射管,Q4和Q5是對應的紅外接收管。當無人經過時,發(fā)射管發(fā)出的紅外光被Q4和Q5接收,Q4和Q5均導通,X1和X2處都是低電平,電壓比較器輸出是高電平;當有人通過時,紅外光被遮擋,Q4和Q5處于截止狀態(tài),X1和X2處是高電平,比較器輸出低電平。電壓比較器輸出分別接單片機的P2.3和P2.4腳。單片機根據電平高、低判斷是否有人進、出教室,從而實現教室內人數的統(tǒng)計。

    2.3 光照強度檢測

    1)光敏電阻

    本系統(tǒng)采用光敏電阻采集自然光。光敏電阻由硫化鎘材料制成。當硫化鎘受光照射時,被光激發(fā)產生新的載流子。這些新的載流子參與導電:在外部電場的作用下,電子流向正電極,空穴流向負電極,從而引起光敏電阻的阻值降低[2]。

    在圖5中,R22為光敏電阻。當教室內光線較強時,光敏電阻的阻值小,運算放大器13腳上的電壓較低。當該引腳上的電壓小于2.5V時,運放將會輸出高電平并將其送入單片機,控制燈熄滅。反之,當教室內光線較弱時,光敏電阻的阻值大,運算放大器13腳上的電壓較高。當該引腳上的電壓大于2.5V時,運放輸出低電平,此時單片機啟動人數檢測電路工作,依據人數改變燈的亮度。

    2)光照靈敏度檢測

    圖中電位器R20用來調節(jié)光照檢測靈敏度。

    2.4 繼電器驅動電路

    本系統(tǒng)采用三個繼電器控制三組LED燈的亮滅。

    繼電器驅動電路如圖6所示。在圖中用PNP管驅動繼電器。當PNP管的基極是低電平時,三極管導通,繼電器的線圈有電流流過,繼電器吸合,燈打開。當PNP管的基極為高電平時,三極管截止,繼電器的線圈上無電流流過,繼電器斷開,燈熄滅。

    2.5 LCD1602顯示電路

    液晶顯示器體積小、功耗低、控制簡單且性價比高,是理想的顯示器。本設計采用液晶顯示器上顯示當前的工作模式、進入教室的人數和當前3組照明燈的亮度狀態(tài),同時,實時監(jiān)測、顯示教室內的溫度。

    LCD1602引腳2接電源,引腳3接地。引腳4、5和6分別連接到RS、R / W和E端。D0-D7數據線接單片機的P0口[3]。

    3 軟件設計

    本設計使用模塊化設計,將具有獨立功能的程序段編成函數,主函數通過調用各個函數,完成設計任務[4]。

    軟件模塊主要包括:主函數、數據采集函數、顯示驅動、按鍵處理函數等。

    3.1 主函數

    在主函數中,先進行液晶初始化,調用初始顯示函數;接著,定時/計數器初始化并啟動運行,調用DS18B20溫度轉換函數,調用人數計算函數計算教室內的人數并將人數顯示在液晶屏上。然后,調用鍵盤掃描函數,根據鍵盤掃描函數的返回值判斷是哪個鍵按下:如果是K1按下并且manual=0時,則進入自動模式;在自動模式下,根據光敏傳感器的輸出信號判斷是白天還是晚上:如果是白天,燈全關;如果是晚上且教室內人數是0,燈也全關。如果是晚上,當教室內人數大于0小于等于5時,燈低亮度,液晶顯示器上顯示L;當教室內人數大于5小于等于10時,燈中亮度,液晶顯示器上顯示M;當教室內人數大于10時,燈高亮度, 液晶顯示器上顯示H。

    當按鍵K4按下并且manual不等于0時,進入手動模式。開關K1、K2、K3控制燈的開、關。

    主函數流程圖如圖7所示。

    3.2 環(huán)境光和人體活動信號采集函數

    本系統(tǒng)采用光敏電阻和紅外傳感器采集環(huán)境光和人體活動信號。在程序設計中,將他們放在一個函數中完成信號的檢測與采集。

    1)紅外傳感器

    當人體溫度高于環(huán)境溫度時,就向外輻射紅外線。紅外傳感器正是利用這一特點來檢測人體活動信號。紅外傳感器它本身無輻射,功耗小,價格便宜,但它易受各種熱源、光源、射頻輻射干擾。另外,紅外線穿透性差,當人體的發(fā)出的紅外線被很遮擋時,紅外探頭不易接收到人體信號;紅外傳感器的致命弱點是:當人體溫度和環(huán)境溫度相差不大時,其檢測靈敏度會大幅度降低,可能會出現短期故障。在本設計中,通過測試,證明了只要人體在但幾秒鐘內沒有動靜,人體傳感器就不會有輸出。為了防止出現這種錯誤的判斷,在軟件設計時,采用了巡回檢測的方法,比如每隔2分鐘采集一次人體活動信號。

    2)數據采集軟件設計的實現

    在本系統(tǒng)中,在白天光線較亮時,無論教室內有沒有人,燈都熄滅。當環(huán)境光不夠亮且有人體活動信號時,燈會亮,沒有人體時燈會滅。當環(huán)境光明亮時(根據光收集電路的輸出信號狀態(tài)),將其認為在邏輯上是“0”,當環(huán)境光暗時,將其認為在邏輯上是“1”;有人體活動信號時,為邏輯“1”,無人體活動信號時,為邏輯“0”;教室燈的狀態(tài)是:點亮為“1”,熄滅為“0”。

    環(huán)境光、人體活動信號、燈構成表1所列的邏輯關系。

    本設計中,PNP管的基極上是低電平時,繼電器被驅動,相應的燈點亮。從表1可知,需要對收集的信號求反,實現燈的正確控制。

    3.3 人數計算函數流程圖(如圖8所示)

    3.4 鍵盤掃描函數

    3.5 按鍵處理函數

    本函數中,先調用鍵盤掃描函數,查詢K4鍵是否按下,如果按下,且manual=0,則進入手動模式,由開關K1、K2、K3分別控制三個燈的開與關;如果manual=1,則將manual置零,燈全關。

    3.6 LCD1602顯示函數

    4 結束語

    本課題對教室燈光控制系統(tǒng)進行了研究。以環(huán)境光、人體存在等為控制器的輸入信號,實現對燈的智能化控制。實驗初步證實了系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性、適用性,可用于教室,走廊和辦公室。將本系統(tǒng)廣泛用于高校教室照明燈的改造,可以合理地對教室燈進行管理,有效降低電能的巨大浪費,實現教室燈光的人性化管理,達到節(jié)能環(huán)保的目的。

    需要指出的是:對不同面積的教室,所安裝的燈的數量會不等,相應的,需要安裝的燈光控制裝置的個數會不相等。人體傳感器在有限范圍內對人體活動信號有輸出,如果它超出了人體傳感器的輻射范圍,則采集到的信號可能不準確,這會造成控制裝置的誤操作。因此,為了防止出現該現象,使系統(tǒng)正常工作,需要在大教室內安裝多個人體傳感器。

    另外,人體活動傳感器在人體不動的情況下,不會有輸出。如果教室內人保持靜止不動,本裝置則會出現誤操作。因此,在本裝置中,人體傳感器設備最好能夠移動。

    在本系統(tǒng)中,人體活動信號和由光敏電阻采集的環(huán)境光緊密相關。 因此,如果將人體傳感器與環(huán)境光采集電路集成在一起,就可以簡化電路設計。

    參考文獻:

    [1] 江曉安.模擬電子技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2011.

    [2] 胡向東.傳感器技術及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2016.

    [3] 馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2017.

    [4] 譚浩強.C語言程序設計[M].北京:清華大學出版社,2020.

    [5] 屈霞.單片機原理及接口技術—基于C51和protues仿真[M].西安:西安電子科技大學出版社,2019.

    【通聯編輯:謝媛媛】

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