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绿色校园教室照明控制优化设计研究

2020-11-27 163 上传者：管理员

摘要：针对当前学校教室照明控制存在用电浪费的现状，结合我国提倡的节约型绿色校园的主张。提出利用人员的检测和光照度的检测等功能对照明设备进行实时控制，能有效的杜绝学校用电浪费，人工控制管理的情况。

关键词：
教育系统
照明控制
红外传感器
绿色校园
节约型校园
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党的十六届五中全会中提出“要加快建设资源节约型、环境友好型社会”，这一重大战略决策，建设节约型校园是教育系统落实这一战略决策的重要举措。2013年2月，教育部发布了《关于勤俭节约办教育建设节约型校园的通知》。据统计，学校照明用电占所有总耗电量的40%左右。因此照明节能控制成为建设节约型校园的一个重要内容。

在国内的大多数高校，师生的节能意识并不是很高，当教室内的光线已经足够强时，也没有关灯的意向，下课离开教室后还经常忘了关灯，极其缺乏节能意识。另外，校园教室中的照明控制不能自动控制，要由管理人员手动更换，对比教室的数量管理人员远远不够，造成的浪费是可避免的。本设计的目的是开发一个简单实用的教室照明智能控制系统，实现人员监控、室内照明监控和调节等基本功能，并尽可能省电和方便管理。

1、系统方案

本设计使用单片机、电压比较器、红外传感器、光敏电阻、继电器和节能灯构成一款绿色校园照明控制系统。STC89C51单片机作为主控芯片，光敏传感器智能识别光强通过LM393电压比较器处理并将结果发送给单片机，人员监测模块识别人员将识别结果发送给单片机，单片机输出高低电平控制继电器，由继电器控制负载灯。当光线强度不足时且有人时，继电器吸合，驱动负载，照明灯打开，然后人离开延时10s继电器断开，照明灯关闭，实现了预期效果。

系统主控单元是由STC89C51单片机主控模块所构成的，其外围电路主要包括：电源模块、控制模块、人员监测模块、光敏模块、按键模块、指示灯模块和照明模块，设计的系统框图如图1所示。

图1系统总体框图

2、电源模块的设计

电源是每种电子设备与系统的原动力，是所有电子设备工作的必要条件。电源系统出现故障，会让整个电子系统不能正常工作，因而电源性能直接影响到整个电子系统的质量。稳压直流电源在大多电路中承担输入电源，直流稳压电源是一种近乎接近理想性能的直流电源。由于本设计所使用的单片机在低于5V的条件下也可以正常工作，硬件电路电源完全可以使用手机充电器和充电宝等设备代替。

3、光敏模块电路设计

本系统将光敏电阻放置在教室的窗口位置，从而检测光的强度。光敏模块电路图如图2所示。检测到光强变化时光敏电阻阻值变化与R4电阻进行电压比较，当感应光线较弱时，经电压比较器1端口输出低电平给单片机；当感应光线较强时，经电压比较器1端口输出高电平给单片机。

图2光敏模块电路图

当由光敏电阻检测到的教室的光强度弱时，光敏电阻的电阻增大，并且在由R5组成的串联电路中分压的电压更高。将获得的电压值经LM393的2和3引脚的电压进行比较。（2引脚的电压由电阻R4确定，代表教室的光强度要求），然后LM393电压比较器输出引脚1引脚输出低电平到单片机的P1.0端口。同时，D1指示灯亮，单片机驱动继电器工作，节能灯打开。

4、人员监测模块

人是体温恒定动物，人的体温一般为37℃左右，因此它们会发出特定波长约为10μM的红外线。被动红外探头通过检测大约10μM的红外线来工作。菲泥尔滤光增强了人体发出的约10μM红外光，并收集在红外传感源上。红外传感源使用热电元件，其检测人体的红外辐射温度的变化。失去电荷平衡，向外放电，后续电路可以处理产生相应的电信号，全自动感应，此时人进入检测范围并输出高电平。人员监测模块电路原理图如图3所示。

图3人员检测模块电路图

在教室内光线较弱时，有人进入教室，在相应位置上红外热释电探头会感应到有人，经由人体传感器HP-208的2引脚输出高电平给单片机的P1.6引脚，单片机处理之后将信号由P3.4引脚输出低电平给继电器模块，继电器驱动负载，使节能灯点亮。

本系统采用的是JQC-3FF-S-Z型继电器，继电器驱动电路如图4所示。

图4继电器驱动电路图

这里使用相应的PNP型号的三极管来控制继电器的导通与断开。三极管接收低电平时，继电器吸合，从而驱动负载。设计中负载没有接，当继电器吸合时，表示节能灯点亮。

继电器不工作时一直处于断开状态，当光敏模块检测到教室内的光强度强时，单片机的P3.4口高电平，三极管Q1截止，继电器线圈不通电，开关不动作，一直处于断开状态，节能灯不亮，同时二极管D3不导通，指示灯不亮。当人员检测模块检测到教室内没人时，单片机的P3.4口高电平，三极管Q1截止，继电器线圈不通电，开关不动作，一直处于断开状态，节能灯不亮，同时二极管D3不导通，指示灯不亮。当光敏模块检测到教室内的光强度弱并且人员检测模块检测到人时，单片机的P3.4口低电平，三极管Q1导通，继电器线圈通电，开关动作，一直处于导通状态，节能灯亮，同时二极管D3导通，指示灯亮。

5、指示灯模块设计

指示灯模块是人员检测模块、光敏模块和继电器各自连接一个LED灯。反应三者的状态。

5.1光敏模块指示灯电路

光敏模块指示灯电路是用来显示教室的光强度是否满足教室光照度要求的指示灯，当不满足要求时指示灯不亮，满足要求时指示灯亮

5.2人员检测模块指示灯电路

人员检测模块指示灯电路是用来显示教室是否有人存在的指示灯，没人存在时指示灯不亮，有人存在时指示灯亮。

5.3继电器模块指示电路

继电器模块指示电路是用来显示继电器是否工作的指示灯，当继电器不工作时指示灯不亮，继电器工作时指示灯亮。

6、结论

本系统利用人员的检测和光照度的检测等功能以及主要由STC89C51单片机构成的主控制模块对照明设备进行实时控制，能有效的杜绝高校用电浪费，人工控制管理的情况。同时，本系统在特殊情况下也设置了人工手动开关灯的功能，使系统更人性化。

本系统以单片机为核心部件的控制系统，在硬件的基础上进行了软件设计，利用软件编程，最终大致实现了设计想到达到的预期目标，满足了系统的要求。这种自动照明控制系统符合现代智能化的发展潮流，具有节约能源、延长照明设备使用寿命和管理便捷化等优点，势必会取代传统的照明控制。

参考文献：