教室照明灯智能控制系统的研究
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摘 要：系统以单片机作为主控元件，采用红外传感器收集信号，通过红外扫描来判断区域内人数，根据不同的人数控制灯亮的数量，可以实现自动开灯，开几盏灯，以及自动关闭灯功能。设计的模块包括时间控制、显示控制等，并设计了自动控制和人工控制两种模式。系统实现了对进出教室人数的记录并能因时控制亮灯个数，方便而节能。
关键词：自动控制;红外传感器;节能
中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）05-0044-02
Abstract： The system uses single-chip microcomputer as the main control element， uses infrared sensor to collect signals， judges the number of people in the area through infrared scanning， and controls the number of lights according to different numbers of people. It can automatically turn on lights， turn on several lights， and turn off lights automatically. The designed module includes time control， display control and so on， and two modes of automatic control and manual control are designed. The system realizes the recording of the number of people in and out of the classroom and can control the number of lights according to time， which is convenient and energy-saving.
Keywords： automatic control; infrared sensor; energy saving
1 背景
在當前中国能源乃至世界能源危机的严峻形势下，人们既注重可再生能源的开发利用，又更加注重水电等节能减排，采用传统的照明方式已不符合对电力的要求高效节能的光源，打造简单低成本，易于操作，易于维护的智能照明控制系统指日可待，当然，除了工业用电外，学校也是一支电力大军，因此，校园的教室照明和路灯如果能做到绿色照明的智能控制，可以有效节省电力，保护环境，同时提高照明质量[1]。目前传统照明系统的主要问题，很多教室都在使用传统照明系统，需要手动操作开关，所以当学生下课后离开教室时，可能会出现忘记关灯情况，造成资源的浪费。并且一天当中不同时间段的自然光亮也不同，若是能调节至人体护眼的光亮度，对学生的学习会更有帮助。
2 系统总体功能
在整个系统设计完成之后，对不同人数和不同时间情况下是否应该开灯以及开几盏灯进行了研究和测试，同时，在人工控制模式下，可以实现10人亮一盏灯的模拟操作，在教室低于10人时，教室灯光会自动关闭。
2.1 系统整体框架
系统的整体设计是基于51单片机，由单片机控制整个电路信号和各个模块的连接。设计的模块包括传感器模块、灯光模块、时间模块、显示模块、手动模块、备份电源模块、系统存储模块等主要模块。如图1所示。
本系统功能流程：单片机接收热敏红外传感器的信号，进行处理和控制，输出信号调节亮灯的个数。系统中加入了时间控制、人工控制，由红外传感器、时钟模块、人工控制这3个模块向单片机发送信号，再由单片机输出信号控制亮灯个数，在筛选和测试了功能部件后，本系统可实现如下功能：（1）实时控制：测量地区不同时间段的环境亮度，根据时间设定灯亮的个数，使灯光在工作期间按时打开。在非工作期间关闭。（2）红外检测：通过红外扫描来判断区域内人数，根据不同的人数控制灯亮的数量。（3）手动控制：为教室人员提供自主改变室内光照提供便利，在需要时可手动控制灯光的亮灭。
2.2 亮灯个数控制方案分析
本系统具有对出入教室人数检测功能，并能实时控制，方便且节约能源。本系统有两种控制方式：自动控制和人工控制。
自动控制：系统在复位后处于自动控制状态，按照设定好的时间作息，在工作日时，能进行根据进出人数数目确定亮灯数量的控制，如果有人进入教室，热敏红外传感器感应到人体后，将信号传输到CPU且数码显示器上显示人数为1;当有人从教室出去，则显示器上数字自动减1。
人工控制：在系统正常工作的情况下，如有需要，按下切换开关，人员可以对教室灯进行人工控制，也可以在非工作时间下启用手动开关。不使用此功能时，再次按下切换按钮，可以切换到自动控制工作模式。
当教室无人员进出，且显示器上显示当前人数为0时，教室灯光会自动关闭。当满足工作时间时，且有人进去条件时，教室系统根据人数再次开始亮灯数的调整。
3 硬件设计模块
3.1 中央控制模块
系统中，在自动控制模式下，红外传感器采集到信息，将数据传给中央控制器和处理器（单片机），当单片机接收到数据，开始进行处理，首先判断是否工作时间已到，教室人数是否达到亮灯要求。若满足上述条件，则进入自动控制工作状态，可根据教室进出人数进行教室亮灯数目的调整。若上述条件不能全部满足，则不进行运作。此时，若有特别需要，可以切换人工控制模式，进行手动调整灯光亮灭个数。 3.2 液晶显示电路
为了方便人工控制模式下，人员对教室信息有更快更明确的掌握，和根据人数信息进行教室灯光数目的调整。同时，在液晶屏幕上，显示时间，人数数据。[2]
点阵字符型液晶显示器是专门用于显示数字、字母、图形符号及少量自定义符号的显示器。设计中的显示屏主要用来显示灯亮的数目，方便查看和控制。还可以显示当前日期和室内温度。如图2所示。
3.3 DS1302設计模块
硬件时钟模块采用实时时钟芯片DS1302，具有备用电源、低功耗和临时内存寄存器的功能。DS1302的RST，SCLK和I/O分别与SCM的p2.0，p2.1和p2.2连接，在SCM与DS1302之间进行数据交换时，应将RST更改为高电平，即SCM p2.0必须为逻辑1。当RST保持高电平并且SCLK时钟从低电平变为高电平的上升沿时，数据输入DS1302，然后通过I/O从最低位置写入数据。当RST保持高电平并且SCLK时钟从高电平变为低电平下降沿时，将从DS1302读取数据，并且也从最低位置读取数据通过I/O口访问DS1302。
3.4 其他电路
按键电路主要模拟进出教室的人数，由一个2×4的按键阵列组成，主要用于完成人工控制和自动控制的设定。通过控制按键次数来模拟进出教室的人数，在进按键上按十下表示进来十个人，会自动亮一个灯，在出按键上按一下表示出去一个人，当教室低于9个人会自动灭灯。在标号为暗的开关上按，表示调节灯光的亮度。系统依据灯光不同的亮度调节灯的亮灭个数。如图3所示。
红外线传感器模块采用热敏红外传感器设计的人体感应模块，可实现感应的人体的靠近，以进行教室人员进出的信号发送。发送的信号由主控电路单片机控制接收和处理。处理的结果再控制灯光电路，进出自动控制模式下，最后根据教室当前人数来确定灯亮灭的个数[3]。并将灯亮的个数显示在显示屏上。方便查看，同时实现节能的效果。此时，当显示屏上灯亮的个数与教室实际灯亮的个数不对应时，灯亮的个数多或者少时，都可以启动人工控制，进行手动调整教室灯亮灭的数量。
4 结束语
该系统分析了目前教室自动控制灯光照明的发展趋势，介绍了基于STC89C52单片机的自动控制亮灯系统的软硬件组成，在传统控制系统灯光实时控制方面进行了较大改进。主要优点是系统结构简单，成本较低，运行稳定，并易修改以适用于不同场合。此外，在功能上取得了良好效果，实现了进出人数显示，主要根据人数控制亮灯个数，基本实现了教室照明系统的自动控制，达到了节能减排的效果。这种设计也方便了功能的扩展。本系统主要应用于教室的亮灯情况控制，但是对于其余场合，如会场，演播厅，展厅等，系统可根据不同情况进行改动和扩展，亦可极大地满足用户的需要，即本系统的可移植性较好，有较大的市场潜力和普遍应用的良好前景。
设计基于一个简单的教室照明系统进行控制，有些情况尚未考虑，例如：
（1）这种设计未考虑多人同时出教室的情况。在教室入口两侧合理安放红外传感器，在比较拥挤的情况下，可改善信息出错情况。
（2）为提高系统的智能性，当实际人数较多和场地过大时，可以增加红外传感器的数量来提高可靠性。
参考文献：
[1]张达敏.教室照明智能控制器[J].贵州工业大学学报（自然科学版），2003，32（1）：75-78.
[2]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[3]孟立凡，蓝金辉.传感器原理及应用[M].电子工业出版社，2007.
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