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高校教室灯光的智能控制系统设计研究

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  摘 要:随着我国在高校教育上的投入力度加大,各高校不断扩招生源、扩建教学场地。为满足教育教学和学生生活的需要,高校的用电量不断增大。目前我国高校的教室数量巨大,耗电量惊人,许多教室经常出现“长明灯”现象。为解决这一问题,笔者建议高校教室安装灯光的智能控制系统,市面上常见的有基于热释传感器进行设计的灯光系统、LED灯光控制系统等等。本文介绍了基于热释传感器进行设计的灯光系统,分析了这一系统的原理和软件、硬件设计,并对这一系统的安装提出建议。
  关键词:教室;灯光;智能控制系统;热释传感器
  研究人员在对高校教室灯光智能控制的研究中,创造性的提出了以热释传感器为基础的控制系统,这一系统极大地解决了以往灯光控制系统对人体感应不灵敏的问题,使传感器能够主动识别教室内的人体发出的红外线,通过判断识别的结果决定控制线路的开关,最终实现对教室灯光的智能控制。该智能控制系统不仅能够极大改善高校的电力浪费情况,还有很大的经济价值。
  1 基于热释传感器灯光智能控制系统的原理
  (1)热释电传感器工作原理。1985年开始,热释电传感器功能原理热释电传感器逐渐走入人们的视线。它可以在不接触人体的情况下根据人体发射的红外线检测出人体存在,并且将检测到的信号转换为电信号进行传输。当热释电传感器把这种电信号放大到一定水平时,就可以开启人体红红外线传感器。高热电系数材料是热释电传感器的主要材料,经过加工可以将这些材料制成2毫米高、1毫米宽的探测元件。探测元件会发生自发极化反应,当周围温度升高时,自发极化反应变小[1]。所谓热释电就是指当这一元件因感应到红外线表面温度升高时,原件上所带电荷量降低,即该元件释放了电荷。如果这一红外线辐射持续存在,探测元件表面温度逐渐平衡,上面附带的电荷也就不会再减少。
  (2)热释电传感器的被动特性和主动特性。热释电传感器主要是依靠外界的红外线能量的变化进行工作,但是它本身不存在任何能量变化的反应。热释电传感器的这一特性被称为被动特性,这一特性能够检测出环境中运动中人发出的红外线变化,对静止不动的人却没有任何反应。因此,要利用热释电传感器的功能必须在装置上增设运行设备,以使人体和热释电传感器之间发生相对运动。运行设备的应用,可以提高热释电传感器对人体静态活动的检测力度,在人体静止时热释电传感器也能正常发挥检测作用,使灯光控制系统中开关的灵敏度大幅度提升。
  2 基于热释传感器灯光智能控制系统的设计
  (1)总电路设计。基于热释传感器灯光智能控制系统的电路中包括电机电源、电机驱动、执行电路、红外延时系统、芯片电源等5个模块,电信号经过一系列的传输、转化,最后最终实现灯光智能控制的目的。在安装时一般会选择5V电压的电源作为电机电源,使电机可以在固定的周期内旋转,完成信号的传输工作[2]。通常会选用BISS0001芯片作为芯片电源,以保证芯片能够高效率工作。
  (2)电机驱动电路设计。这一电路的核心设计是通过影响单片机的工作方式实现对步进电机驱动的控制,进而改变电机的运动方向。这一系统设定电机的运动周期为60S,凭借步进机提供的动力对控制范围内的环境进行周期性监测,并将获取的信号传递给红外延时系统。
  (3)执行电路设计。这一电路的作用就是将芯片二管脚传递的电平信号输送给三极管进行处理,使三极管控制2P4M维持线路导通。2P4M在输送电平较高时维持线路通畅[3],在输送电平较低时则将电路关闭,进而熄灭2P4M两端的灯具。
  3 热释电传感器的优点和缺点以及注意事项
  (1)优点方面。热释电传感器本身具有辐射性,因此外界环境对其性能的影响很小,使用寿命也很长。另外,该装置的体积小、不易被人发现,可以在最小程度上破坏教室内的整体装修设计。因为它的价格低廉、功能强大,所以使用越来越广泛。
  (2)缺点方面。尽管热释电传感器有很多其他传感器不具有的优点,但是它还是存在很多不足:因为它主要是依靠红外线进行工作,内置许多对辐射敏感的零件,所以它很容易受到射频辐射的影响;当外界温度接近370C时,该装置的敏感度降低,探测会出现误差,这回引起教室内灯光系统的混乱;人体发射的红外线穿透力差,在热释电传感器前有遮挡物时,红外线不容易被探测到。
  (3)安装热释电传感器注意事项。热释电传感器是基于红外线来探测的,它只能安装在室内。它的准确率和安装的位置、环境、使用方式息息相关。因为热释电传感器容易受到光、热影响,温度变化会导致其可靠性较低,因此在安装热释电传感器要注意以下几点:1)热释电传感器最好安装在距离地面2米左右的位置,这一高度方便它检测到人体发射的红外线;2)安装热释电传感器应该尽可能的避免靠近暖气、空调等调温设备;3)热释电传感器周围不能有较厚、体积较大的遮挡物;4)不能在正冲门口、窗口的位置安装热释电传感器,因为教室的这一位置经常会有自然热能或者人员活动,使传感器的准确率降低。
  4 教室灯光的智能控制系统设计安装
  该智能系统的安装也是系统设计中的一部分。高校教室的面积大小不一,长宽比例也各不相同,而人体发射红外线的传递距离是有限的。因此在安装该系统时,我们必须考虑到它的控制范围,超过这一范围,系统的功能就会受到影响。在教室安装灯光智能控制系统前,必须严格按照教室面积、空间大小计算安装位置、高度、数量,以保证该系统正常发挥功能。
  5 结束语
  高校教室的面积大,安装的灯具较多,由于课程安排的灵活性导致它的人员流动性大,如果只靠手动方式控制灯具会极大地影响上课效率,如果没有及时关灯还会造成浪费。本文针对目前高校教室灯具用电浪费情况,介绍了教室灯光智能控制系统,该系统以节能理念为出发点,旨在为高校提供节能节电的可行方法。尽管高校教室用电浪费问题已经开始受到重视,但是在节能这条路上高校要走的路还很长。学校必须提高学生素质,制定严格合理的节能制度,将“节能”口号落到实处。
  参考文献:
  [1]陈杰.高校教室智能照明控制系统的研究与设计[D].安徽理工大学,2014.
  [2]李永喜.楼宇光控系统的设计[D].辽宁工程技术大学,2010.
  [3]王川,徐雪慧.高校教室照明智能控制系统设计[J].武汉职业技术学院学报,2015(01):63-65+69.
  作者简介:金博(1989―),男,浙江温州人,研究方向:单片机。
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