高校教室照明控制器設(shè)計(jì)

王小會(huì) 李保印 薛延剛 李曉青

摘? 要：針對(duì)目前高校教室缺乏完善的照明管理系統(tǒng)而造成電能資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種對(duì)教室進(jìn)行分區(qū)域控制的智能照明控制器。運(yùn)用單片機(jī)STC89C52作為中央處理器，采用時(shí)鐘芯片DS1302提供準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，利用光頻轉(zhuǎn)換器TSL230測(cè)量光照強(qiáng)度，采用熱釋紅外傳感器檢測(cè)人體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)時(shí)間、光照強(qiáng)度和人體信號(hào)，控制器可以有效控制該區(qū)域內(nèi)燈組的狀態(tài)。該控制器既能實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)日光燈的控制，也能起到節(jié)能的效果，符合低碳生活的要求。

關(guān)鍵詞：智能照明控制器；單片機(jī)；光照強(qiáng)度；節(jié)能

中圖分類號(hào)：TP368? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）02-0049-05

Design of Lighting Controller for University Classroom

WANG Xiaohui1， LI Baoyin2， XUE Yangang1， LI Xiaoqing1

（1.Lanzhou Institute of Technology， Lanzhou? 730050， China; 2.China Telecom Wanwei Information Technology Co.， Ltd.， Lanzhou? 730030， China）

Abstract： Aiming at the waste of electric energy resources caused by the lack of perfect lighting management system in university classrooms， an intelligent lighting controller for classroom subregional control is designed. Using the Single-Chip Microcomputer STC89C52 as the central processing unit， the clock chip DS1302 is used to provide accurate timing， the optical frequency converter TSL230 is used to measure the light intensity， and the pyroelectric infrared sensor is used to detect the human body. The experimental results show that the controller can effectively control the state of the light group in the area according to time， light intensity and human body signal. It can not only control the fluorescent lamps in the classroom， but also achieve the effect of energy saving， and meet the requirements of low-carbon life.

Keywords： intelligent lighting controller; Single-Chip Microcomputer; light intensity; energy saving

0? 引? 言

在倡導(dǎo)經(jīng)濟(jì)與綠色共存的時(shí)代背景下，人們?cè)絹碓疥P(guān)注節(jié)能環(huán)保。特別是隨著科技的不斷進(jìn)步，國民經(jīng)濟(jì)的快速提高，能源的短缺與社會(huì)需求的矛盾加劇。盡管我國國土面積比較大，但人口基數(shù)龐大，人均能源占有量少，而且大多數(shù)人環(huán)保意識(shí)淡薄，對(duì)能源的浪費(fèi)相對(duì)嚴(yán)重，這已成為制約國家發(fā)展的主要問題之一[1]。

目前，隨著高校的整合發(fā)展及擴(kuò)招，據(jù)統(tǒng)計(jì)，甘肅大中專院校300多所。如本校規(guī)定8人間每月用電量不超過28度，但49%的宿舍每月用電量超額，平均約43度，平均每年浪費(fèi)約13.2萬度，教室照明每年浪費(fèi)約13.5萬度，若甘肅大中專院校都是如此，甘肅省將浪費(fèi)近8 010萬度電能。高校電能的浪費(fèi)讓人觸目驚心，如何提高教室用電效率成為一個(gè)急需解決的問題，那么設(shè)計(jì)一種簡便、實(shí)用的高校教室照明控制器就顯得很有意義，以更加有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的合理優(yōu)化，減少電力資源的浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能的目的[2]。

1? 教室區(qū)域劃分

考慮到教室內(nèi)各位置與窗戶的距離各不相同，環(huán)境光的分布也不相同，所以，為了能夠達(dá)到更好的節(jié)能效果，把教室劃分區(qū)域，對(duì)日光燈進(jìn)行分區(qū)域控制[3]，如圖1所示，這樣就可以解決由于自然環(huán)境及窗戶的布局引起的采光不均勻的問題。

2? 系統(tǒng)總體方案

單片機(jī)最小系統(tǒng)、時(shí)鐘模塊、光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊、人體檢測(cè)模塊等組成了本系統(tǒng)的智能照明控制器[4]。該控制器采用STC89C52單片機(jī)作為控制核心，采用時(shí)鐘芯片DS1302獲得準(zhǔn)確時(shí)間，通過光頻轉(zhuǎn)換器TLS230采集光照強(qiáng)度，采用熱釋紅外傳感器檢測(cè)人體的存在，將時(shí)間、光照強(qiáng)度、人體是否存在這三個(gè)信號(hào)送入單片機(jī)，應(yīng)用PID算法進(jìn)行處理，單片機(jī)再以運(yùn)算結(jié)果有效控制教室日光燈的開與關(guān)。系統(tǒng)總體方案如圖2所示。

3? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1? 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)是整個(gè)硬件電路的控制核心，其作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的處理、光照強(qiáng)度信號(hào)處理、人體信號(hào)的處理與時(shí)間、光照強(qiáng)度等信息的顯示。本系統(tǒng)采用的是STC89C52型號(hào)芯片，芯片內(nèi)包含一個(gè)內(nèi)存8 KB的可編程Flash存儲(chǔ)器，F(xiàn)lash儲(chǔ)存器允許作為程序存儲(chǔ)器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程，與8位的CPU一起聯(lián)合工作可以控制系統(tǒng)，它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，因此STC89C52被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化領(lǐng)域，特別是對(duì)于一些控制方式簡單的系統(tǒng)，具有很好的適用性、靈活性[5]。本設(shè)計(jì)選用STC89C52微處理器作為研究對(duì)象。STC89C52芯片具有功耗低、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低廉、指令代碼與傳統(tǒng)8051CMOS8位完全兼容。

STC89C52型號(hào)單片機(jī)的最小系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路組成。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖如圖3所示。單片機(jī)的復(fù)位引腳是第9號(hào)引腳，其復(fù)位方式為：通常提供給9號(hào)引腳一個(gè)高電平，高電平持續(xù)時(shí)間超過2個(gè)機(jī)器周期，即時(shí)長超過2 μs[6]。陶瓷電容C1和C2與11.059 2 MHz晶體振蕩器組成單片機(jī)的時(shí)鐘電路，為單片機(jī)的工作提供基本的時(shí)鐘信號(hào)[6]。

3.2? 電源模塊

變壓器、橋式整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路及電容組成了該系統(tǒng)的電源模塊。其工作原理是變壓器對(duì)220 V的電壓首先進(jìn)行降壓，經(jīng)橋式整流電路得到脈動(dòng)的直流電壓，再通過濾波電路將脈動(dòng)電壓中的交流成分濾掉，保留直流分量，得到較平滑的直流電壓，最終得到穩(wěn)定的+5 V直流工作電源，用來給單片機(jī)系統(tǒng)及其外圍模塊供電[7]。電源模塊如圖4所示。

3.3? 光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊

為實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度的定量測(cè)量，選用光頻傳感器TSL230作為光照強(qiáng)度檢測(cè)傳感器，把信號(hào)處理電路、硅光電二極管和電流/頻率轉(zhuǎn)換器等集成到一塊芯片上，就構(gòu)成了性能良好、價(jià)格便宜、集成化的智能傳感器。它可將輸出的數(shù)字信號(hào)直接送入CPU進(jìn)行處理，同時(shí)光頻轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的硅光電二極管和電流頻率轉(zhuǎn)化器兩個(gè)器件可以定量測(cè)量教室內(nèi)各區(qū)域的照度值，并可以輸出脈沖串或方波，一個(gè)周期內(nèi)，信號(hào)的脈沖序列或高電平占空比固定為0.5，且其頻率與光照強(qiáng)度存在一定的正比例關(guān)系。所以利用其可實(shí)現(xiàn)高分辨率的光照度/頻率轉(zhuǎn)換的功能。在TSL230的輸入端加入74HC14芯片用于對(duì)信號(hào)的整形，減小單片機(jī)對(duì)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)的誤差和信號(hào)失真誤差。光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊如圖5所示。

本系統(tǒng)主要的輸入?yún)?shù)之一是教室中的光照強(qiáng)度，光照強(qiáng)度與輻照度具有一定的關(guān)系。光照強(qiáng)度在光學(xué)術(shù)語中經(jīng)常被稱為光照度，指單位面積能接受可見光的光通量[8]；而輻照度在光學(xué)術(shù)語中被定義為在一定的面積、時(shí)間內(nèi)，太陽輻射經(jīng)過大氣層的各種物理作用后到達(dá)固體表面上的輻射能量。在文獻(xiàn)[9]中，光照度與輻照度存在E=aL+b（E為輻照度，L為光照度，a、b為系數(shù)）的關(guān)系，并且由實(shí)驗(yàn)表明，在天氣晴朗的時(shí)候，輻照度E=1.37×10-2L+0.583 7，通常情況下，自變量光照度L的值較大，所以因變量輻照度E的值也較大，相比較而言，系數(shù)b的值較小，所以當(dāng)因變量輻照度E的值很大時(shí)，可以將系數(shù)b看作一個(gè)無窮小量，忽略b值不計(jì)。那么光照度與輻照度之間可以近似地看成正比例關(guān)系E=1.37×10-2L。同樣，經(jīng)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得：多云時(shí)，E=1.09×10-2L；陰天時(shí)，E=0.96×10-2L。為便于計(jì)算，輻照度與光照度的比值系數(shù)取為1.0，即對(duì)光照度與輻照度的轉(zhuǎn)換選用公式E=1.0×10-2L。

3.4? 人體檢測(cè)模塊

為檢測(cè)教室是否有人，選用DYP-ME003人體感應(yīng)模塊。因人體會(huì)發(fā)出特定波長10 μm左右的紅外線，利用傳感器的光敏控制和全自動(dòng)感應(yīng)特性，可自動(dòng)檢測(cè)出進(jìn)入其感應(yīng)范圍7 m內(nèi)的人體信號(hào)。該傳感器感應(yīng)為自動(dòng)方式，當(dāng)檢測(cè)到有人存在，傳感器輸出約3.3 V電壓值（芯片的工作電壓為5 V時(shí)），反之，則輸出端口輸出0 V電壓。人體檢測(cè)模塊如圖6所示。

3.5? 時(shí)鐘模塊

為了確保教室使用時(shí)間與非使用時(shí)間的界限劃分準(zhǔn)確，選用DS1302時(shí)鐘芯片，來給系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)。DS1302芯片采用SPI通信協(xié)議，通過I/O、SCLK、RST三個(gè)引腳負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)，由SCLK提供時(shí)鐘信號(hào)，與單片機(jī)進(jìn)行串行通信。內(nèi)部的數(shù)據(jù)暫存寄存器可以臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這樣就保證了在數(shù)據(jù)處理時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，保證其工作的可靠性。時(shí)鐘模塊如圖7所示。

3.6? 看門狗模塊

單片機(jī)在工作過程中，可能會(huì)出現(xiàn)一些難以克服的干擾而引起程序跑飛、死機(jī)等情況，為了使單片機(jī)能夠恢復(fù)正常工作，因此在硬件設(shè)計(jì)中加入看門狗模塊。選用看門狗計(jì)數(shù)器MAX813，若系統(tǒng)出現(xiàn)上述故障，可以借助于看門狗進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位，使單片機(jī)恢復(fù)正常工作狀態(tài)，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。看門狗模塊如圖8所示。

3.7? 顯示模塊

顯示電路采用LCD1602液晶顯示屏，它通常用作數(shù)字、符號(hào)與字母等的顯示。顯示電路是單片機(jī)輸出處理信號(hào)的外接電路，其中大部分使用液晶屏或者數(shù)碼管，通過一個(gè)液晶屏和其對(duì)應(yīng)的上拉排阻顯示測(cè)量處理后光照強(qiáng)度和時(shí)間，上拉排阻是對(duì)P0口懸空狀態(tài)進(jìn)行限制，P0口輸出高電平時(shí)需要上拉排阻使其正常工作，否則會(huì)受到很多干擾導(dǎo)致其極不穩(wěn)定。單片機(jī)只需要將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭壕э@示屏上，就能夠在顯示屏上顯示出相應(yīng)的內(nèi)容。顯示模塊如圖9所示。

4? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)初始化、采集與處理信號(hào)、控制輸出信號(hào)以及顯示程序等。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，將教室內(nèi)劃分的七個(gè)區(qū)域所對(duì)應(yīng)的開燈標(biāo)志位置0，默認(rèn)教室內(nèi)所有燈處于關(guān)閉狀態(tài)；然后時(shí)鐘電路提供準(zhǔn)確時(shí)間，如果此時(shí)不是教室正常使用時(shí)間，則繼續(xù)采集時(shí)間；如果此時(shí)是教室正常使用時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)打開光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊；如果采集到的太陽光照強(qiáng)度達(dá)到或超過300 lx，即區(qū)域內(nèi)的光照強(qiáng)度大于300 lx，則光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊繼續(xù)進(jìn)行采集，保持區(qū)域內(nèi)燈組呈關(guān)閉狀態(tài)；如果采集到的太陽光照強(qiáng)度小于300 lx，即區(qū)域內(nèi)的光照強(qiáng)度小于300 lx，就說明環(huán)境光照強(qiáng)度確實(shí)小于300 lx，系統(tǒng)自動(dòng)打開人體檢測(cè)模塊；如果檢測(cè)到教室所劃分的區(qū)域內(nèi)無人，則系統(tǒng)保持對(duì)應(yīng)燈組呈關(guān)閉狀態(tài)；如果檢測(cè)到教室所劃分的區(qū)域內(nèi)有人，則系統(tǒng)打開人體所在區(qū)域的對(duì)應(yīng)燈組，將開燈的標(biāo)志位置1，并且顯示當(dāng)前光照強(qiáng)度和時(shí)間。主程序流程圖如圖10所示。

5? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

仿真軟件選用Proteus，控制器仿真圖如圖11所示。根據(jù)國家2013年修訂頒布實(shí)施的《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 50034—2013規(guī)定》，明確教室、閱覽室的照度值應(yīng)不低于300 lx [10]，當(dāng)太陽光照強(qiáng)度大于300 lx時(shí)，燈組呈關(guān)閉狀態(tài)，而當(dāng)太陽光照強(qiáng)度小于300 lx時(shí)，燈組呈打開狀態(tài)，在測(cè)試時(shí)，考慮晴天和陰天兩種情況，教室各區(qū)域燈組狀態(tài)分別如表1、表2所示，在教室正常使用時(shí)間內(nèi)，若太陽光照強(qiáng)度不低于300 lx，無論是否有人存在，則該區(qū)域內(nèi)燈組均呈關(guān)閉狀態(tài)；若太陽光照強(qiáng)度低于300 lx，且有人存在，則該區(qū)域內(nèi)燈組均呈打開狀態(tài)；若太陽光照強(qiáng)度低于300 lx，且無人存在，則該區(qū)域內(nèi)燈組均呈關(guān)閉狀態(tài)。

6? 結(jié)? 論

本文針對(duì)高校教室照明控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，旨在低碳環(huán)保、節(jié)能。由于教室的特殊性，為了避免教室內(nèi)人員較為分散而導(dǎo)致開燈比較多的情況，采用分區(qū)域?qū)淌艺彰鳠暨M(jìn)行控制，以光照強(qiáng)度信號(hào)、人體存在信號(hào)、工作時(shí)間作為控制系統(tǒng)的三個(gè)主要參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的需要進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，控制器可以有效避免電能資源的浪費(fèi)，同時(shí)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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作者簡介：王小會(huì)（1986—），女，漢族，甘肅天水人，講師，碩士研究生，研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)的建模、優(yōu)化和智能算法。

收稿日期：2022-08-11

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51769012）；甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新能力提升項(xiàng)目（2020A-142）；蘭州工業(yè)學(xué)院青年科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2020KJ-19）