基于单片机的高校教室照明节能智能控制系统的设计

第２４卷　第２３期　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．２３　电子设计工程　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１６年１２月　Ｄｅｃ．２０１６　基亏单片机的高校教室照明节能智能控制系统的设计　伍世云，罗江，王益艳，范开敏　（四川文理学院物理与机电工程学院，四川达州６３５０００）　摘要：本文设计了一款基于单片机的高校教室照明节能智能控制系统。该系统选用ＡＴ８９Ｓ５２芯片作为微处理控制　器．采用上位机和下位机复合的主从式结构。系统由光敏传感器、热释电红外传感器、步进电机等元件构成的数据采　集电路完成对教室内的人体存在信息和光照强度信息的采集，通过上位机和下位机中的微处理器进行处理和通信，　完成对教室对应区域的灯光控制。系统设有自动和手动两种工作模式，可在特殊情况下由室内照明开关实现独立控　制　研究表明．该系统能大大地提高节能效果和管理的智能化程度。　关键词：单片机；高校教室；节能；智能控制；主从式结构　中图分类号：ＴＮ７１０　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６２３６（２Ｏ１６）２３—０１８０—０３　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔｉｎｇ　ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｃｏｌｌｅｇｅ　ｃｌａｓｓｒｏｏｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　ＷＵ　Ｓｈｉ—ｙｕｎ，ＬＵ０　Ｊｉａｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｙｉ—ｙａｎ，ＦＡＮ　Ｋａｉ—ｍｉｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆｏＡｒｔｓ　ａｎｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｄａｚｈｏｕ　６３５０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ　ｌｉｇｈｔｉｎｇ　ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ（ＬＥＩＣＳ）ｏｆ　ｃｏｌｌｅｇｅ　ｃｌａｓｓｒｏｏｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ＡＴ８９Ｓ５２　ｃｈｉｐ　ｗａｓ　ｃｈｏｓｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｐｐｅｒ　ａｎｄ　ｌｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｓｔｅｒ－ｓｌａｖｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｓｅ　ｍｅｓｓａｇｅｓ　ｏｆ　ｈｕｍａｎ　ｂｏｄｙ　ａｎｄ　ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ａｒｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ　ｂｙ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，　ｗｈｉｃｈ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｓｅｎｓｏｒ，ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　ｓｔｅｐｐｉｎｇ　ｍｏｔｏｒ．Ｔｈｅ　ｒｅｇｉｏｎ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｌａｓｓｒｏｏｍ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｍａｓｔｅｒ－ｓｌａｖｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ｕｐｐｅｒ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｎｄ　ｌｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｆｏｒ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ａｒｅａ　ｌｉｇｈｔ　ｏｆ　ｃｌａｓｓｒｏｏｍ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｅｑｕｉｐｐｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｗｏｒｄｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ａｎｄ　ｍａｎｕａｌ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｉｎｄｏｏｒ　ｌｉｇｈｔｉｎｇ　ｓｗｉｔｃｈ　ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ　ｕｎｄｅｒ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＬＥＩＣ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｄｅｇｒｅｅ　ｉｎ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ；ｃｏＨｅｇｅ　ｃｌａｓｓｒｏｏｍ；ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｍａｓｔｅｒ－ｓｌａｖｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　高等学校是人口密度较大和用电度数较多的地方，其　为此，国内外学者进行了大量的研究，刘和剑、贾正松、　中．照明系统据统计用电量占高校用电总量的５０％以上＿ｌ１。而　孙蔚等人Ｈ．ｑ进行了基于５１单片机的红外、光控相结合的智　高校教室又是高校教学的主要场所，室内电灯多、照明时间　能照明控制系统研究；张锴等人ｔＴ］设计了红外对射管与热释　长。由于初高中每个班的教室固定，能够非常方便实现管理，　电传感器双重检测纠错的单片机控制系统；傅莉　还从新型　而高校每个班没有固定教室，学生自习时间较多，同时晚自　节能灯和高效ＬＥＤ灯方面对公共场所照明节电智能控制系　习安排松散，教室又是公用，学生可以自由进出。加之因为缺　统进行了研究。　乏科学的管理以及使用者责任心不强嘲，常常会出现教室内　文中综合以上研究的优点，本着实用、安装方便，设计了　仅有几个人甚至没有人而灯光全部开启的现象，白白浪费了　一款价格低廉。操作简单的基于单片机的高校教室照明节能　电能　。以一间座位数６０人、面积６０　ｍ　的常规教室为例，使　智能控制系统并取得了较好的节能效果。　用普通４０　Ｗ的荧光灯２０盏，每天少开２小时，每年除去假　期可节约电能５００　ｋＷ・ｈ以上。以此计算，全校教室都节约用　１系统组成　电的话，将会节省数额庞大的电费，为国家节约大量的能源。　系统采用主从式结构［９１．由安装于教室中的从机和位于教　收稿１５１期：２０１５—１２—０７　稿件编号：２０１５１２０７３　学楼管理室的远程控制上位机以及通讯网络ＲＳ－４８５总线［３－９１　基金项目：四川省教育厅自然科学重点项目（１３ＺＡ０１０２）；四川省教育厅自然科学一般项目（１５ＺＢ０３１５）；达州市科技计划应用基　础研究项目（ＫＪＪ２０１５００１）；四川文理学院面上项目（２０１４Ｚ００５Ｙ）　作者简介：伍世云（１９６８一），男，四川达州人，副教授。研究方向：自动控制和纳米材料。　一１８０－　伍世云。等基于单片机的高校教室照明节能智能控制系统的设计　３硬件设计　电源电路由２２０　Ｖ交流经降压、整流、滤波，由ＬＭ３１７稳压　输出１２　Ｖ直流给继电器提供工作电源。再经ＬＡ７８０５三端集成　稳压得到５　Ｖ给微处理器和热释电红外传感器模块供电。　微处理器采用通用的性价比较高的Ａ，Ｉ＇８９Ｓ５２ｉｎｌ／ｉｘ系统。　光传感器电路如图３所示，安装在灯具侧，感测对应区域的　图ｌ系统框图　光照度。光敏电阻是一种常用的光电传感器，它的电阻与照射　到器件表面的光强有关，光强越小，光敏电阻的阻值越大【ｌ２１，　反之越小。电路通过给光敏电阻添加一个比较器。构成一个　构成，系统结构框图如图１所示。上位机为ＰＣ机，系统采用　Ｃ＋＋语言开发，制定作息时间，，Ｉａ－Ｊ时接收教室现场信息，综合处　理判断后．下发相应的控制命令，执行相关操作。　简单实用的光控开关。比较器的输出为低电平时．系统允许　本系统中，需要将从机（下位机）采集的数据信号发送至　开灯。根据实际情况，调整ＲＰ的抽头。可改变单片机对应环　上位机进行处理。同时．上位机也需要将命令信号回发给下　境光照度的起控点。　位机．所以通信模块在系统中是不可缺少的组成部分，由于　ＲＳ一２３２通讯距离短，不能进行多台设备同时进行联网管理。　系统采用了一种基于差分信号传送的串行通信链路层协议　的ＲＳ－４８５总线实现串口通信。ＰＣ机通过ＲＳ一２３２／ＲＳ一４８５转　换器，依次连接多台４８５设备，采用轮询的方式，对总线上的　设备轮流进行通信。　设计中使用了集成的ＲＳ一２３２／ＲＳ一４８５转换模块，注意　ＰＣ程序必须使串口的ＤＴＲ（ＲＳ一２３２的４脚）和ＲＴＳ（ＲＳ一　图３光传感器电路　２３２的７脚）输出高电平，同时由ＰＣ输出的高低电平就可使　热释电红外检测模块采用的是以ＢＩＳＳ０００１ｔ　为核心的　得转换模块内部的ＮＡＸ４８５在接收和发送状态之间转换了，　ＨＣ—ＳＲ５０１ｏ４１热释电红外传感器组件。该模块电路主要由人体　处于半双工模式。　红外传感器、菲涅尔透镜、专用芯片ＢＩＳＳｏ００１组成。该传感　系统包含自动控制和手动控制两种模式网。手动控制模式　器只能检测移动人体，为此．我们在红外传感器探头外安装　便于特殊情况由进入教室的人员实现人性化控制∞。系统中的　了一个步进电机『ｌ５１，当发现有人来到该区域时。传感器接收到　自动／手动模式直接由管理员操作。通过上位机与下位机的微　人体发出的红外线，产生的信号经过处理后送到微处理器。　处理器外部中断ＩＮＴ１连接，它的优先级最高。管理员将自动／　再将数据送到上位机，由上位机进行综合判断后。返回信号　手动开关置为低电平，使系统进入手动模式，在手动模式下，　让微处理器Ｐ２．Ｏ口输出低电平。使继电器Ｊ１吸合。教室灯光　教室内的手动照明开关可以控制室内任意区域的灯光，此时，　被点亮：此后，微处理器通过程序控制步进电机每隔１０分钟　室内灯光不再受工作时间、光强和人员分布的限制阴；管理员　往复旋转，旋转时间为３０秒。若进入该区域的人没有离开，　将自动／手动开关置为高电平，系统进入自动模式运行。　通过程序使灯光继续点亮：若进入该区域的人离开。在３０秒　２从机设计　的检测时间内检测不到人体红外线，通过程序关闭灯光，直　到再有人出现在该区域内【ｌ司。　从机微处理器采用单片机ＡＴ８９Ｓ５２ｔ“】，由＋５　Ｖ电源，复　动作执行由继电器控制电路组成。如图４所示，在自动　位电路，热释电红外检测，光照度检测，通信模块和执行控制　控制模式下．上位机下传数据让Ｐ２．１口始终输出高电平，控　电路等组成，如图２所示。利用光敏电阻来探测室内照度，利　制三极管Ｑ２截止，继电器Ｊ２一直处于断开状态，教室内手　用热释电红外传感器探测室内相应区域是否有人，通过串口　动开关Ｋ不起任何作用。若照度满足要求且有人员出现在该　将数据实时发送到上位机，作为系统判断教室灯光开关时间　区域时，微处理器的Ｐ２．０口输出低电平，控制三极管Ｑ１导　及位置的依据。　通，继电器Ｊ１吸合，该区域灯光被点亮。　反之，Ｐ２．０口输出高电平，控制三极管Ｑｌ截止，继电器Ｊ１　Ｉ垫　：　！卜＿＿—一　断开，该区域灯光熄灭。在手动控制模式下，上位机下传数据　热释电红外检测　一　微处理嚣　始终让微处理器的Ｐ２．１口输出低电平，Ｐ２．０口输出高电平，控　医亟巫　一　ＡＴ８９８５２　制三极管Ｑｌ截止、Ｑ２导通，继电器Ｊ１断开、Ｊ２吸合，该区域　匝　灯光不再受光照度和有无人员的影响．只受教室内手动照明　石　开关Ｋ的控制。步进电机旋转控制由程序配合Ｑ３、Ｊ３等元件　图２从机组成框图　构成的控制电路完成，图中步进电机的电源没有画出。　一１８】一　《电子设计工程）２０１６年第２３期　步进电机　图４动作执行电路　４程序设计　文中提出了初步的网络化的控制方案．利用上位机管理　系统对所有教室的照明灯具做出宏观的调控，作为对教室内　部微处理器控制功能的补充．上位机具有强大的数据处理、　存储、逻辑判断等功能．为照明控制策略的开发提供了后续　开发空间。目前，我们只是用上位机进行了自动／手动模式的　转换控制，以及作息时间、人员的监控。　程序流程如图５所示，流程图中，步进电机检测人体存　在没有详细画出，可参见原理说明。　来自上位机的模式控制信　初始化　—＿］‘、『一　　，　模式检ｊ　自动模式　Ｉ＝　二手动模式ｌ二＝　度是否满足≥　照明灯　Ｐ２．０口为高电平　Ｐ２．１口为低电平　是　——１—一　继电器Ｊ继电人出现在该区域雹　现在该　器Ｊ。　截止，ｌ导通ｌ　／》　—照明灯灭　　—　教室内手动照明开关Ｋ　与上位机沟通，使Ｐ２．０口　低电平，Ｐ２．１口为高电平　照明灯具　继电器Ｊ　导通，照明灯亮　启动步进电机按要求摇摆，检测人员，与上位机　进行沟通，控制照明灯　图５程序流程图　下位机接收到来自上位机的模式控制信号，经过初始　化，进行模式检测，若为手动模式，上位机使Ｐ２．１口始终保持　低电平，Ｐ２．０　Ｅｌ保持高电平，控制相应的继电器，让教室内灯　光只受室内手动照明开关Ｋ的控制；若为自动模式，上位机　使Ｐ２．１口始终保持高电平．当照度满足开灯条件且检测到人　员存在时，Ｐ２．０口输出低电平，使继电器Ｊ１吸合，开启对应　－１８２－　区域灯光。　５结束语　文中综合利用了应用电子技术，传感器技术，单片机技　术口】完成了对高校教室照明节能智能控制系统的研究与设　计。该教室照明节能智能控制系统该系统由光敏传感器完成　教室光照度的检测．由热释电红外传感器结合步进电机等元　件完成教室内的有无人员的检测．采用上位机和下位机的主　从式结构，对教室实现了分区域管理　，大大地提高了节能效　果和管理的智能化程度。利用上位机实现了两种控制模式，　在特殊情况下可进行手动控制．该系统具有较好的节能效果　和很大的推广价值。　参考文献：　［１】王华杰，苏娟．基于ＳＴＭ３２的红外感应检测系统的设计和　研究［Ｊ］．计算机科学，２０１ｌ，３９（１１）：３０５—３０７．　［２】周鹏，蒋方剑．教室照明光感节电控制器的设计与应用［Ｊ］．　电子科技，２０ｌｌ（９）：５４—５５．　【３】王静，詹迎建，朱泰隆，等．单片机在高校教室灯光控制系　统中的应用［Ｊ］．福建电脑，２０１１（２）：１２６－１２７．　［４】刘和剑，姜钰．基于８０Ｃ５１系列单片机节能照明控制器的　设计［Ｊ］．苏州大学学报（工科版），２０１１（６）：３９．　［５】贾正松．基于单片机实现智能照明控制系统的设计［Ｊ］．现　代电子技术，２００９（１７）：１０５—１０７．　【６】孙蔚．基于单片机的节能控制系统设计分析［Ｊ】．电子测　试，２０１３（４）：３２—３３．　［７］张锴，王伟，许程，等．基于单片机的节能照明控制系统设　计［Ｊ］．河北工业科技，２０１ｌ（３）：１０４—１０８．　［８】傅莉．公共场所照明节电智能控制系统设计【Ｊ］．电子科　技，２０１１，２４（５）：８５．　［９】郑国恒，周瑶，张柯．高校教室灯光节能控制系统的设　计［Ｊ】．照明工程学报，２０１０（２）：３２－３７．　［１Ｏ】莫海军．课室用电智能控制系统【Ｐ】．中国专利：　２００９２０２６３５６５．３．２０１０．１０．　【１１］许果．基于热释电红外的安防系统设计［Ｊ］．自动化技术与　应用．２０１０（４）：６２—６５．　［１２］郑时春，周燕，雷显国，等．单片机控制的热释电红外节能　照明开关设计［Ｊ］．科技创新导报，２０１４（４）：１ｌ１一ｌｌ２．　【１３］李育红．基于ＢＩＳＳＯ００１的热释电红外开关［Ｊ］．科学之友，　２０１　１（７）：２２．　［１４］吴金戌，沈庆阳，郭庭吉．８０５１单片机实践与应用［Ｍ】．北京：　清华大学出版社．２０１０．　［１５】伍世云．一种酒店用节能用电控制装置［Ｐ］．中国专利：　ＺＬ２０１２２０５０４３３２．Ｘ，２０１３．０４　【ｌ６】曾克根，张云龙，张横锦，等．基于主动式热释电红外传感　器的自动控制［Ｊ］．电子技术技，２０１３．（９）：３５．　［１７】王军敏，卫亚博．基于ＡＴ８９Ｓ５１和ＲＥ２００Ｂ的教室照明节　能控制系统设计［Ｊ］．平顶山学院学报，２０１３（２）：３６—３８．