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http://www.paper.edu.cn - 1 - 智能型校园教室灯光自动控制系统 夏露 1，2，张凤 2 1.中国地质大学（北京），北京（100083） 2.北京印刷学院，北京（102600） E-mail：xialu1012@sohu.com 摘 要：智能型校园教室灯光自动控制系统是通过光敏电阻、红外传感器、单片机，对室内 光线强度和人数的识别，控制照明灯具的开关，以解决高等院校中能源严重浪费的问，达 到节约能源的目的。 关键词：智能化控制；红外传感器；单片机；算法； 1. 系统总体 系统的总体设计[1]依据是，适于教室应用，体 积小、成本低、节能性好、安全可靠、操作简便， 具有智能性和可扩展性。 本系统有两路输入量，一是对教室内光强数 据进行采集，通过模数转换通道，向单片机输入 数字量，进行数据处理。二是对教室内人数的识 别，通过安装两对红外传感器，设置两个标志位 和延时进行控制，由中断产生下降沿脉冲触发方 式进行控制，选择中断发式实现教室内人数的统 计。单片机[2]结合设定的光强阀值，对采集的光强 数据进行比较，之后通过控制部件进行灯光控制 并显示当前室内人数与设置后开关灯的状态。 智能型校园教室灯光自动控制系统的总电路 框图如图 1所示。该系统要实现以下几个功能： 1.教室内光线强度的拾取，通过模数转换送到单片 机进行处理。光线强度充足，关闭所有荧光灯。 光线强度不充足，根据人数，开启荧光灯。2.教室 人数的识别。根据人数多少 图 1 系统总电路框图 开启相应组数的荧光灯。实现无人关灯，有人，有多少人开多少灯。3.根据人数和多媒体的使 用情况判别是否上课。如果上课用多媒体关闭荧光灯；如果上课不用多媒体，开启全部的荧 光灯。4.根据用户的状态选择，实现不用要求的开关灯的顺序。5.传感器的实效性和输出的准 确性的判断，如有异样，通知用户。具有故障检测功能。 2. 硬件设计 2.1光强拾取模块 光敏电阻与一个 200k的分压电阻串联接到 12v支流电压上，光敏电阻的阻值随着光线强 度的变化而增大或减小，光敏电阻两端的电压的变化范围在 0.24到 4.9伏之间，且线性度较 好，所以将光敏电阻的端电压直接接到 ADC0809的输入端，另一端与单片机电源共地，其间 http://www.paper.edu.cn - 2 - 不需要放大电路。具体电路见图 2。 图 2 光强拾取电路图 2.2红外人数识别模块 红外人数识别电路由红外发射管 HG505和红外接收管 ST-1KL3B组成，它们接到同一个 5伏电源上，ST-1KL3B串接一个 100k的分压电阻，以便取出 ST-1KL3B 3脚处的电压送到单 片机。 图 3 红外人数识别电路图 开始将 ST-1KL3B 3脚直接连接到单片机管教上，单片机识别到的电压信号抖动较大，计 数不准确，所以在红外电路与单片机之间加入了施密特触发器对电压波形进行整形。施密特 触发器选择了 CC40106B，这是一块集成了 6 个施密特触发器的 IC，但在实际电路中使用了 555定时器接成施密特触发器[3]。施密特触发器(Schmitt Trigger)是脉冲波形变换中经常使用的 一种电路。它在性能上由两个重要的特点：第一，输入信号从低电平上升的过程中，电路状 态转换时间对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。第 二，在电路状态转换时，通过内部电路的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。利用 这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在 矩形脉冲高、低电平上的噪声有效的消除。用 555 定时器接成的施密特触发器，可以将 555 定时器的 v11和 v12两个输入端连在一起作为信号输入端，如图 4所示。施密特触发器输入电 http://www.paper.edu.cn - 3 - 压与输出电压的关系如图 5。 图 4 555接成施密特触发器 图 5 施密特触发器输入输出电压关系 2.3控制输出电路模块 在本设计中，开关的动作比较频繁，对传统的继电器寿命来说是相当大的考验，基于这 种情况，我们决定使用无触电及机械吸合动作的交流固态继电器作为受控开关器件。输出到 固态继电器的端口选择 P1^0～P1^3四个管脚，但实际将 P1^0接到固态继电器的控制端后， 输出没有变化。因为单片机 P1^0口复位之后的电平为高电平，所以在 P1^0口和固态继电器 之间接了个非门，使单片机的输出初始状态为低电平，灯不亮，控制灯开的程序做相应的改 动，给 P1^0口加低电平，经过非门使固态继电器导通，将灯打开。 3. 软件控制程序 主程序首先进行显示缓冲区的初始化和传感器的自检测，再进行中断 0和 1的标志位设 置，设置完中断控制寄存器后，就可 以进行开中断处理，即计算人数。在 教室光线不充足的情况下，根据用户 的选择执行不同的子程序，实现不用 的算法控制。程序框图见图 6。 3.1教室内人数识别子程序函数 本着人数优先的原则，在程序执 行过程中先判断教室内的人数，如果 人数为零，则直接关闭所有荧光灯组。 根据实际教室的调研情况，我们设计 以下教室人数与开关灯数目的关系。 如果有人，判断人数，0到 7人开一组 灯，8到 15人开两组灯，16到 23人 开三组灯，如果人数大于或等于 24时，打开所有灯组。 图 6 程序流程框图 启动 执行初始化动作 有人进入？ 使用多媒体？ 教室光线充足？ 根据各种预先设 定的状态亮灯 关灯 传感器正常工作？ 是否上课？ Y Y Y Y 通知用户N N N Y Y N http://www.paper.edu.cn - 4 - 人数识别中断函数是采用两个中断分别定义一个标志位。外部中断 0和 1控制为边沿触 发方式。当有中断请求，要执行中断程序时，先判断另一中断的标志位。如果是 1，则人数作 相应变化，加 1人或减 1人。如果是 0，则人数不变，把本中断标志位置为 1。这样就判断出 两个中断的先后顺序，并判断出人员行走的方向，将教室内的人数进行相应的加减。 3.2教室内光强采集子程序函数 用模数转换器将光强值读入单片机后，在程序内部判断光强值是否大于预先设定的阀值， 这个阀值是通过之前的测量得出，如果大于阀值，说明室内光线强度足够，无须开灯，如果 小于阀值，说明教室内光线强度不足以让同学们看学习，就要根据人数开启相应数量的灯 组。 经过实际测试，本系统中采用的光强阀值是 0x3f。当小于 0x3f时，需要开启灯光。而处 于这个范围内，则关闭所有的灯。 3.3输出控制、键盘及 8段数码管显示子程序函数 由于输出到固态继电器的信号中加了非门，所以输出函数中开灯的指令都是置 0，关灯为 置 1。 键盘及 8段数码管显示函数负责识别键盘的按键，设置教室内的控制状态，并在 8段数 码管上将教室内光强数值、人数及预先按键设置的控制状态显示出来。 4. 结论分析 本系统以节约能源为主要设计目的，主要方法是根据在教室里人的数量开灯，这样可以 大幅减小不必要的能源消耗，这个特点也是本系统的独到之处。因此，本系统可以达到大幅 减少能源消耗的目的，具有一定的实用价值。以节能为目的的灯光控制产品还远未普及，它 所具备的经济效益不容忽视。另外实验明该控制系统能解决教室灯光的自动控制管理的问 题。不仅适用于学校教室的灯光控制及人数统计,也可应用于一些需要统计人数的公共场所,如 工厂、会堂、商场和车站等,因此具有较大的市场潜力和广泛的应用前景。 参考文献 [1] 周燕，覃如贤。教室灯光智能控制系统。西南科技大学学报，2005，20（1）：2-3 [2] 李林, 赵国库。基于单片机的教室灯光控制系统设计。机械与电子，2004-06 [3] 阎石。数字电子技术基础。高等教育出版社，1998 The intelligent light control system Xia Lu，Zhang Feng 1. China University of Geosciences，Beijing（100083） 2.Beijing Institute of Graphic Communication，Beijing（102600） Abstract The intelligent light control system (ILCS)which consists of photoconductive resistance, infrared sensor, and the microprocessor，controls lights to power on and off in order to resolve the problem of the energy waste in universities and save electric energy by testing light intensity and the number of people in classroom. Keywords：Intellective control，Infrared sensor，Microprocessor，Algorithm;