摘要：人工照明消耗了大量電能，節(jié)約電能已成為室內(nèi)照明設(shè)計優(yōu)先考慮的問題之一。針對目前學(xué)校教室照明中存在的浪費現(xiàn)象，根據(jù)熱釋紅外傳感器對人體的感應(yīng)和光敏電阻感光原理，對室內(nèi)照明環(huán)境監(jiān)測傳遞返回的參數(shù)，設(shè)計了一種以單片機為核心的智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)。設(shè)計具有節(jié)約能源、提高照明質(zhì)量、延長光源壽命等優(yōu)點，實現(xiàn)對照明系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

在倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟的時代背景下，節(jié)約電力資源日益受到人們的關(guān)注。隨著我國現(xiàn)代化進程加快，人工照明用電量逐年上升，其用電約占總發(fā)電量的10%。因此設(shè)計方便實用、節(jié)約電能的智能化的照明系統(tǒng)，對于節(jié)能減排有著重要的現(xiàn)實意義。目前，大部分學(xué)校教室電燈都是手動操作，當光線不足時需要人員手動開啟電燈。很多實際情況是：教室人員較少，開啟多個電燈造成光源浪費;常常由于疏忽，在人員離開之后忘記關(guān)燈導(dǎo)致用電浪費;在教室自然照明條件良好的情況下也時有開燈現(xiàn)象，在走廊、衛(wèi)生問等公共區(qū)域，“長明燈”現(xiàn)象隨處可見，造成了極大的電能浪費。針對這些實際問題，設(shè)計智能照明系統(tǒng)可以避免許多不必要的電能浪費，既能給人們提供照明方便，又能節(jié)約電力資源，提高了電力資源的利用率。

在節(jié)能照明系統(tǒng)設(shè)計中，采用單片機為控制器，以熱釋人體紅外和溫度傳感器來檢測室內(nèi)某個區(qū)域是否有人，利用光敏電阻的感光原理來檢測室內(nèi)的光線是否充足決定是否開啟照明。另外，設(shè)置手動操控開關(guān)電路，與紅外光控形成電路互鎖，可以實時調(diào)節(jié)和控制燈光的照明，又可以解決電能的浪費這一情況，從而達到智能控制和節(jié)能的目的。

1 系統(tǒng)功能概述

系統(tǒng)以單片機為核心，設(shè)計外圍控制電路，構(gòu)成控制系統(tǒng)。除單片機，系統(tǒng)還包括了紅外檢測模塊、光照檢測模塊和照明設(shè)備控制模塊。

圖1為節(jié)能照明系統(tǒng)框圖。紅外檢測模塊的功能是對進入教室的人進行檢測，是否有人處于教室的某個區(qū)域為單片機提供教室使用情況的基本信息。光照檢測模塊的功能是檢測教室內(nèi)光線是否充足，為單片機提供環(huán)境參數(shù)，來確定教室的光線條件，由此來判斷是否啟動照明設(shè)備。

功能性照明控制模塊是按照明的微控制器的輸出信號的控制裝置。系統(tǒng)通過光檢測模塊來確定教室自然光的狀態(tài)，是否達到開啟照明的條件。

為了確保教室內(nèi)的人員在光線充足的條件下能夠安全離開教室，系統(tǒng)加入了延時功能。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 熱釋紅外傳感器設(shè)計

利用熱釋電紅外傳感器來探測人體所發(fā)出的紅外線變化，并予以放大選頻處理后，予以適當?shù)呢撦d，作為人體紅外自動開關(guān)。運用熱釋電紅外傳感器及專用的單片集成電路組成的這類型的開關(guān)能達到人到燈亮、人走燈滅。熱釋電效應(yīng)與壓電效應(yīng)相似，用于反映由于溫度變化從而引起晶體表面荷電變化的現(xiàn)象。傳感器在不加光學(xué)透鏡的前提下，其檢測距離為2 m之內(nèi)，而加上光學(xué)透鏡后，其檢測距離可擴大到在7 m以外。

圖2為紅外開關(guān)電路圖。圖中，運算放大器OP1將紅外傳感器的輸出信號作第一級的放大，然后由C3耦合給運算放大器OP2進行第二級的放大，再經(jīng)過電壓信號比較器COP1和COP2構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號Vs，啟動延遲時間定時器，輸出信號Vo，經(jīng)由晶體管T1放大，由驅(qū)動繼電器去接通負載。表1為BISS0001熱釋電紅外傳感器的電性參數(shù)。

2.2 光敏電阻特性

感光材料的主要成分是金屬硫化物，硒化物和碲化物。通常光敏電阻用于測量光強，在一定外加電壓下，光敏電阻在不同程度的光照強度下，光電流不同，且呈非線性正比關(guān)系。人眼對光的靈敏度和可見光(0.4～0.76μm)很接近，所以要根據(jù)人眼可以感覺到的光線，調(diào)節(jié)光敏電阻的變化。光控制電路可用于白熾燈、日光燈和節(jié)能燈，用于控制光源。光敏電阻的光敏特性與各種材料相關(guān)，選擇光敏電阻的材料時，不僅要考慮光譜范圍的寬度，還要考慮其靈敏度，即在不同光照強度下，電阻值的相對變化比值。

3 單片機系統(tǒng)電路設(shè)計

3.1 系統(tǒng)電路組成

照明系統(tǒng)根據(jù)89C52給出的命令控制燈光，整個系統(tǒng)是在89C52控制下工作的。圖3為系統(tǒng)電路組成。當外界光線較強時，單片機接收到光照強度大的信號，使紅外傳感器停止工作;當外界光線比較弱時，單片機接收到光照強度小的信號，啟動紅外傳感器工作。熱釋電紅外傳感器探測距離比較遠，當人體進入到傳感器的控測范圍內(nèi)且外界光線較弱時，信號檢測電路處理信號，并向單片機89C52發(fā)送一個中斷，單片機啟動燈光控制電路，使燈慢慢變亮。當外界光線比校弱時，處于傳感器檢測范圍內(nèi)的人慢慢離開區(qū)照明域時，紅外傳感器檢測到信號，信號處理電路同時向單片機發(fā)送信號，啟動延時電路，使燈熄滅。

3.2 信號檢測處理電路

圖4為信號檢測及處理電路。由BISS0001、熱釋電紅外傳感器和光敏電阻等器件組成。人體進入檢測區(qū)域，身體的通過反射鏡部分聚焦的紅外光，接收到熱電元件。當環(huán)境光的強度越強，光敏電阻很小，BISS0001檢測到低電平，禁止傳感器信號。當外部光線強度較弱，敏感電阻很大，從而產(chǎn)生一個輸出信號弱，通過R5、R1005、R4、C1、C6，信號放大和C7組成的濾波電路信號。C1000、C1001、R1000和R1001構(gòu)成的延遲電路組成，處理后的信號從2腳輸出。

熱電型紅外線傳感器能檢測到人體和由紅外傳感器，它由各種防入侵警報或自動節(jié)能裝置發(fā)射的輸出電信號。人體體溫在36～37.5 ℃基本恒定，會散發(fā)出10μm左右的紅外線，由紅外傳感器的特定波長來檢測發(fā)出波長為10μm紅外線的人體。菲涅爾透鏡增強收集紅外感應(yīng)源，紅外線傳感器，使用的是熱釋電元件，在接收到電荷平衡的信息時，溫度發(fā)生變化時，產(chǎn)生變化電荷，將產(chǎn)生報警信號，通過后續(xù)的處理電路檢測到人體輻射出的紅外線。

3.3 單片機控制電路

圖5為單片機的控制電路，由單片機報警和照明控制電路組成。當外部沒有任何中斷，80C51控制74LS138的使能控制端，使后面的電路不工作。當產(chǎn)生一個中斷，80C51啟動74LS138，P0引腳低4位來傳輸信號來控制燈光慢慢亮起，當中斷1和中斷0同時產(chǎn)生，80C51屏蔽的中斷開始74LS138低4英尺發(fā)送到P0數(shù)據(jù)，所以燈光慢慢暗淡。

3.4 人體體溫檢測及環(huán)境光檢測電路

圖6為人體體溫檢測及環(huán)境光檢測電路。通過檢測體的位置是一個紅外線發(fā)射管(二極管)發(fā)射的紅外線向前方，如果燈具下方坐有人時，紅外光將被反射回發(fā)射機，被檢測到的紅外線接收器，一個指令傳送到計算機，如果這個時候，外界光線的檢測也符合要求時，那么節(jié)能燈亮了起來。外界光線強弱的光檢測，是比較重要的一個部分，有兩個主要組成部分，一個光電二極管和一個可變電阻器。強光電二極管檢測能力(靈敏度)是基于可變電阻來控制，明亮條件下，把阻值變大，光電二極管上的敏感性下降，反之亦然。

4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

程序流程框圖見圖7，其中總程序流程圖為(a);子程序1流程圖為(b);子程序2流程圖為(c)。

系統(tǒng)上電后首先進行初始化，進入程序流程，開啟所有中斷，當接收到外界光照強度小信號時，調(diào)用子程序1，進入子程序1，即中斷0信號;進行數(shù)據(jù)接收判斷，是否有人體紅外信號，控制照明開關(guān)是否打開;接收到人體紅外信號后，執(zhí)行中斷返回，回到主程序，控制照明燈打開，并調(diào)用子程序2;即進入中斷1，調(diào)用子程序2;開始數(shù)據(jù)接受判斷，是否開始延時關(guān)閉照明燈。當接收到的人體紅外信號消失時，中斷1返回;執(zhí)行延時關(guān)閉照明等程序功能。結(jié)束后系統(tǒng)再次初始化，然后進入中斷0，開始下一輪判斷。

5 結(jié)束語

針對教室照明浪費能源的現(xiàn)實問題，選用89C52單片機作為系統(tǒng)控制核心，設(shè)計了一種智能照明控制系統(tǒng)。利用熱釋電紅外傳感器對人體紅外射線的感應(yīng)，借助光敏電阻對光照強度的敏感性，完成了控制照明系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。并在設(shè)計中加入人性化的延時電路，實現(xiàn)了人到燈亮，人走燈后滅的智能控制，達到了根據(jù)需要調(diào)節(jié)室內(nèi)照明的基本要求，為教室照明節(jié)能管理提供了切實可行的方案。