基于89C52的教室智能節能照明系統設計

摘要：人工照明消耗了大量電能，節約電能已成為室內照明設計優(yōu)先考慮的問(wèn)題之一。針對目前學(xué)校教室照明中存在的浪費現象，根據熱釋紅外傳感器對人體的感應和光敏電阻感光原理，對室內照明環(huán)境監測傳遞返回的參數，設計了一種以單片機為核心的智能節能照明控制系統。設計具有節約能源、提高照明質(zhì)量、延長(cháng)光源壽命等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現對照明系統的優(yōu)化控制。

在倡導低碳經(jīng)濟的時(shí)代背景下，節約電力資源日益受到人們的關(guān)注。隨著(zhù)我國現代化進(jìn)程加快，人工照明用電量逐年上升，其用電約占總發(fā)電量的10%。因此設計方便實(shí)用、節約電能的智能化的照明系統，對于節能減排有著(zhù)重要的現實(shí)意義。目前，大部分學(xué)校教室電燈都是手動(dòng)操作，當光線(xiàn)不足時(shí)需要人員手動(dòng)開(kāi)啟電燈。很多實(shí)際情況是：教室人員較少，開(kāi)啟多個(gè)電燈造成光源浪費;常常由于疏忽，在人員離開(kāi)之后忘記關(guān)燈導致用電浪費;在教室自然照明條件良好的情況下也時(shí)有開(kāi)燈現象，在走廊、衛生問(wèn)等公共區域，“長(cháng)明燈”現象隨處可見(jiàn)，造成了極大的電能浪費。針對這些實(shí)際問(wèn)題，設計智能照明系統可以避免許多不必要的電能浪費，既能給人們提供照明方便，又能節約電力資源，提高了電力資源的利用率。

在節能照明系統設計中，采用單片機為控制器，以熱釋人體紅外和溫度傳感器來(lái)檢測室內某個(gè)區域是否有人，利用光敏電阻的感光原理來(lái)檢測室內的光線(xiàn)是否充足決定是否開(kāi)啟照明。另外，設置手動(dòng)操控開(kāi)關(guān)電路，與紅外光控形成電路互鎖，可以實(shí)時(shí)調節和控制燈光的照明，又可以解決電能的浪費這一情況，從而達到智能控制和節能的目的。

1 系統功能概述

系統以單片機為核心，設計外圍控制電路，構成控制系統。除單片機，系統還包括了紅外檢測模塊、光照檢測模塊和照明設備控制模塊。

圖1為節能照明系統框圖。紅外檢測模塊的功能是對進(jìn)入教室的人進(jìn)行檢測，是否有人處于教室的某個(gè)區域為單片機提供教室使用情況的基本信息。光照檢測模塊的功能是檢測教室內光線(xiàn)是否充足，為單片機提供環(huán)境參數，來(lái)確定教室的光線(xiàn)條件，由此來(lái)判斷是否啟動(dòng)照明設備。

功能性照明控制模塊是按照明的微控制器的輸出信號的控制裝置。系統通過(guò)光檢測模塊來(lái)確定教室自然光的狀態(tài)，是否達到開(kāi)啟照明的條件。

為了確保教室內的人員在光線(xiàn)充足的條件下能夠安全離開(kāi)教室，系統加入了延時(shí)功能。

2 系統硬件電路設計

2.1 熱釋紅外傳感器設計

利用熱釋電紅外傳感器來(lái)探測人體所發(fā)出的紅外線(xiàn)變化，并予以放大選頻處理后，予以適當的負載，作為人體紅外自動(dòng)開(kāi)關(guān)。運用熱釋電紅外傳感器及專(zhuān)用的單片集成電路組成的這類(lèi)型的開(kāi)關(guān)能達到人到燈亮、人走燈滅。熱釋電效應與壓電效應相似，用于反映由于溫度變化從而引起晶體表面荷電變化的現象。傳感器在不加光學(xué)透鏡的前提下，其檢測距離為2 m之內，而加上光學(xué)透鏡后，其檢測距離可擴大到在7 m以外。

圖2為紅外開(kāi)關(guān)電路圖。圖中，運算放大器OP1將紅外傳感器的輸出信號作第一級的放大，然后由C3耦合給運算放大器OP2進(jìn)行第二級的放大，再經(jīng)過(guò)電壓信號比較器COP1和COP2構成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號Vs，啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器，輸出信號Vo，經(jīng)由晶體管T1放大，由驅動(dòng)繼電器去接通負載。表1為BISS0001熱釋電紅外傳感器的電性參數。

2.2 光敏電阻特性

感光材料的主要成分是金屬硫化物，硒化物和碲化物。通常光敏電阻用于測量光強，在一定外加電壓下，光敏電阻在不同程度的光照強度下，光電流不同，且呈非線(xiàn)性正比關(guān)系。人眼對光的靈敏度和可見(jiàn)光(0.4～0.76μm)很接近，所以要根據人眼可以感覺(jué)到的光線(xiàn)，調節光敏電阻的變化。光控制電路可用于白熾燈、日光燈和節能燈，用于控制光源。光敏電阻的光敏特性與各種材料相關(guān)，選擇光敏電阻的材料時(shí)，不僅要考慮光譜范圍的寬度，還要考慮其靈敏度，即在不同光照強度下，電阻值的相對變化比值。

3 單片機系統電路設計

3.1 系統電路組成

照明系統根據89C52給出的命令控制燈光，整個(gè)系統是在89C52控制下工作的。圖3為系統電路組成。當外界光線(xiàn)較強時(shí)，單片機接收到光照強度大的信號，使紅外傳感器停止工作;當外界光線(xiàn)比較弱時(shí)，單片機接收到光照強度小的信號，啟動(dòng)紅外傳感器工作。熱釋電紅外傳感器探測距離比較遠，當人體進(jìn)入到傳感器的控測范圍內且外界光線(xiàn)較弱時(shí)，信號檢測電路處理信號，并向單片機89C52發(fā)送一個(gè)中斷，單片機啟動(dòng)燈光控制電路，使燈慢慢變亮。當外界光線(xiàn)比校弱時(shí)，處于傳感器檢測范圍內的人慢慢離開(kāi)區照明域時(shí)，紅外傳感器檢測到信號，信號處理電路同時(shí)向單片機發(fā)送信號，啟動(dòng)延時(shí)電路，使燈熄滅。

3.2 信號檢測處理電路

圖4為信號檢測及處理電路。由BISS0001、熱釋電紅外傳感器和光敏電阻等器件組成。人體進(jìn)入檢測區域，身體的通過(guò)反射鏡部分聚焦的紅外光，接收到熱電元件。當環(huán)境光的強度越強，光敏電阻很小，BISS0001檢測到低電平，禁止傳感器信號。當外部光線(xiàn)強度較弱，敏感電阻很大，從而產(chǎn)生一個(gè)輸出信號弱，通過(guò)R5、R1005、R4、C1、C6，信號放大和C7組成的濾波電路信號。C1000、C1001、R1000和R1001構成的延遲電路組成，處理后的信號從2腳輸出。

熱電型紅外線(xiàn)傳感器能檢測到人體和由紅外傳感器，它由各種防入侵警報或自動(dòng)節能裝置發(fā)射的輸出電信號。人體體溫在36～37.5 ℃基本恒定，會(huì )散發(fā)出10μm左右的紅外線(xiàn)，由紅外傳感器的特定波長(cháng)來(lái)檢測發(fā)出波長(cháng)為10μm紅外線(xiàn)的人體。菲涅爾透鏡增強收集紅外感應源，紅外線(xiàn)傳感器，使用的是熱釋電元件，在接收到電荷平衡的信息時(shí)，溫度發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生變化電荷，將產(chǎn)生報警信號，通過(guò)后續的處理電路檢測到人體輻射出的紅外線(xiàn)。

3.3 單片機控制電路

圖5為單片機的控制電路，由單片機報警和照明控制電路組成。當外部沒(méi)有任何中斷，80C51控制74LS138的使能控制端，使后面的電路不工作。當產(chǎn)生一個(gè)中斷，80C51啟動(dòng)74LS138，P0引腳低4位來(lái)傳輸信號來(lái)控制燈光慢慢亮起，當中斷1和中斷0同時(shí)產(chǎn)生，80C51屏蔽的中斷開(kāi)始74LS138低4英尺發(fā)送到P0數據，所以燈光慢慢暗淡。

3.4 人體體溫檢測及環(huán)境光檢測電路

圖6為人體體溫檢測及環(huán)境光檢測電路。通過(guò)檢測體的位置是一個(gè)紅外線(xiàn)發(fā)射管(二極管)發(fā)射的紅外線(xiàn)向前方，如果燈具下方坐有人時(shí)，紅外光將被反射回發(fā)射機，被檢測到的紅外線(xiàn)接收器，一個(gè)指令傳送到計算機，如果這個(gè)時(shí)候，外界光線(xiàn)的檢測也符合要求時(shí)，那么節能燈亮了起來(lái)。外界光線(xiàn)強弱的光檢測，是比較重要的一個(gè)部分，有兩個(gè)主要組成部分，一個(gè)光電二極管和一個(gè)可變電阻器。強光電二極管檢測能力(靈敏度)是基于可變電阻來(lái)控制，明亮條件下，把阻值變大，光電二極管上的敏感性下降，反之亦然。

4 系統軟件程序設計

程序流程框圖見(jiàn)圖7，其中總程序流程圖為(a);子程序1流程圖為(b);子程序2流程圖為(c)。

系統上電后首先進(jìn)行初始化，進(jìn)入程序流程，開(kāi)啟所有中斷，當接收到外界光照強度小信號時(shí)，調用子程序1，進(jìn)入子程序1，即中斷0信號;進(jìn)行數據接收判斷，是否有人體紅外信號，控制照明開(kāi)關(guān)是否打開(kāi);接收到人體紅外信號后，執行中斷返回，回到主程序，控制照明燈打開(kāi)，并調用子程序2;即進(jìn)入中斷1，調用子程序2;開(kāi)始數據接受判斷，是否開(kāi)始延時(shí)關(guān)閉照明燈。當接收到的人體紅外信號消失時(shí)，中斷1返回;執行延時(shí)關(guān)閉照明等程序功能。結束后系統再次初始化，然后進(jìn)入中斷0，開(kāi)始下一輪判斷。

5 結束語(yǔ)

針對教室照明浪費能源的現實(shí)問(wèn)題，選用89C52單片機作為系統控制核心，設計了一種智能照明控制系統。利用熱釋電紅外傳感器對人體紅外射線(xiàn)的感應，借助光敏電阻對光照強度的敏感性，完成了控制照明系統的軟硬件設計。并在設計中加入人性化的延時(shí)電路，實(shí)現了人到燈亮，人走燈后滅的智能控制，達到了根據需要調節室內照明的基本要求，為教室照明節能管理提供了切實(shí)可行的方案。