教室照明节能系统

教室照明节能系统（共9篇）

教室照明节能系统 篇1

在生活中我们见到过各种各样的节能照明产品, 比如节能灯、太阳能路灯、声控灯等。虽然节能产品日益增多, 但是能广泛应用于学校的却是寥寥无几。每当学校的晚自习结束后, 教室的灯还是一直亮着的, 有些教室只有少数人或者根本没有人在自习。夏天在光线较强的环境能正常学习时, 教室的灯也都是亮着的。这样长年累月下来浪费掉的电能是非常巨大的。很多学校对用电的管理模式不够科学规范, 这种浪费现象就数见不鲜了。所以, 我们考虑有必要在以保证用电质量为前提, 最大幅度地降低用电的浪费, 从而使电能得到充分的利用。

目前国内大多数学校教室的照明灯具控制一般都采用普通开关, 需要专门的人员进行照明管理, 这样检查和控制的时间及工作量很大, 而且要额外支付聘请费用。现有的声控灯的控制需要一定分贝的声音来触发灯的控制部分使灯点亮, 这样产生的噪声会影响室内学生的正常学习。

1 系统设计方案

1.1 AT89S52单片机简介

AT89S52是一种高性价比的单片机, 它具有8KB的片内ROM和256字节RAM使其应用灵活有效[1]。

它的指令可以兼容80C51单片机的大部分产品。其片内程序存储器在线编程较灵活且可以重复编程, 其功能相当于高效的微型计算机且使用范围广, 性价比高。

1.2 光照强度信号采集部分

不同的地方对光强的要求有不同的标准:

客房、卧室、走廊等简单视觉工作场所需要的照度为30LX~75LX;办公室、教室、商场等连续视觉工作场所需要的照度为200LX~500LX;营业厅、阅览室、绘图室等需集中注意力的视觉工作场所需300LX~750LX[2]。 (附:是指单位面积上所照射的光通量, 照度单位为lux, 符号为lx。)

光敏电阻是利用光电导效应制作的元件, 其工作原理是内光电效应。当光照强度变强, 其电阻值就变小。光敏电阻是没有极性的纯电阻器件, 在两端施加电压后, 会由于自然光强度的变化, 电阻两端的电流也随之变化, 继而实现光电转换。基于以上的优点本系统选用光敏电阻实现对教室光照强度的采集和处理。

1.3 红外信号检测部分

红外信号检测部分主要由传感器及检测模块组成。系统采用光电传感器。其原理是将光信号转换成为电信号, 再将检测到的变化量转换成电信号的变化量, 以便于使用电子技术实现控制和检测。其工作原理是:直射式光电传感器是将传感器的发射源与接收端部位对直, 如果接收端应接收的红外信号被人进门途中挡住, 即削减了光通量, 继而将相应的脉冲信号施加给外电路, 最后通过放大器放大使计数器记下削减的次数[3]。

2 系统电路图

3 软件设计

3.1 光照强度采集模块设计

该模块主要在于通过光敏电阻对教室内的自然光照度进行采集, 进而运用采集电路动态分析, 传送信号至单片机进行处理。其步骤如图4所示。

3.2 人数检测模块软件设计

采用光电传感器测量教室内的实时学生学习人数, 不仅具有成本低、电路结构清晰简单等特点;光电传感器价格低廉, 采用非接触式测量, 稳定性较强, 寿命相对较长。将检测电路与单片机相连, 在门的里外两边各安装一个光电传感器, 在两个传感器发射出红外光被遮挡的先后顺序中, 如果是进入教室则门里面的传感器先发出脉冲信号, 显示人数-1, 反之人数显示+1。光通量变化被检测到后再通过单片机的加减运算得到教室里的总人数。

3.3 人数检测及光照强度采集模块软件设计

将计数电路部分与红外信号检测部分配合使用, 其具体软件流程如图5所示。

4 结论

本设计对教室照明的控制部分进行了研究。以自然光照度、人数等外界条件为控制器的输入参数, 比传统的人工管理更方便, 并且节约了电能, 降低了教室灯光的资源浪费, 同时还加入了人数检测技术, 使教师能更快捷方便地了解出勤人数。该系统设计对于各类学校的教室照明控制具有重要的意义, 便于推广应用。

摘要：本系统综合教室人数及自然光照度等因素, 以达到对教室节能照明的控制。将光照强度采集模块、红外信号检测和计数模块作为系统的信号检测, 对89S52单片机程序编程使其输出信号驱动继电器, 从而实现对照明灯的节能控制。现如今学校对用电的管理模式不够科学规范, 这种浪费现象就数见不鲜了。所以, 我们考虑有必要在以保证用电质量为前提, 最大幅度地降低用电的浪费, 从而使电能得到充分的利用。

关键词：教室节能照明,单片机,传感器,人数检测模块

参考文献

[1]高惠芳.单片机原理与应用技术[M].北京:科学出版社, 2010.

[2]JGJ 16-2008, 民用建筑电气设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2008.

[3]江晓军.光电传感与检测技术[M].北京:机械工业出版社, 2011.

[4]李永忠.微机原理与接口技术[M].北京:电子工业出版社, 2013.

教室照明节能系统 篇2

关键词：储存电源模块 释放电源模块 亮度感应模块 自动切换功能研制背景及意义

目前，市场上的节能照明灯层出不穷，但大多数都是针对照明灯的节能而设计生产的，虽然其使用寿命长、功耗低，但是照明灯还有它自身的余热始终没有被人们开发利用。据资料显示，目前，市场上的普通照明灯亮着的时候温度可以高达90℃，节能照明灯的温度也在40~60℃，并且许多公共场所每天使用的普通照明灯的时间高达16个小时，因此，每天照明灯散发出来的热量十分可观。由于这些普通照明灯的发光和发热是并存的，而且照明灯发光越亮，散发的热量就越多，这样长年累积下来，照明灯的热量消耗也是一笔很大的浪费。结合社会所需，所以，就利用灯泡发光所产生的“余热”，设计制作了这一种余热自发电节能照明灯系统。设计方案

2.1 核心控制处理器的选择

由于余热自发电节能照明灯系统的结构和功能比较简单，因此，选用型号为STC89C52的单片机模块作为核心控制处理器，配合储电和释电转换模块、储存电源模块、释放电源模块、亮度感应模块、照明灯亮度、USB接口等执行系统控制其运行。本作品总体结构和功能系统框架图，如图1所示。

图1 总体结构和功能系统框架图

2.2 各种执行模块的选择

2.2.1 储电和释电转换模块

余热自发电节能照明灯系统的储电和释电转换模块采用STC89C52单片机模块控制处理器控制继电器进行储存电源模块、释放电源模块两部分电路实现平稳的转换。它在余热自发电节能照明灯系统中起着自动调节、转换电路、安全保护的作用。

2.2.2 储存电源模块

余热自发电节能照明灯系统的储存电源模块是由温差发电装置和升压装置组成，它采用温差发电装置中的温差发电片进行发电。其中，温差发电片一侧贴近照明灯底部，对照明灯发光时散发出来的热量进行收集，并将收集到的热量集中到温差发电片的这一侧，温差发电片另一侧安装散热片。利用温差发电片两侧的温差，可以产生2~3V的电压，通过利用升压装置将电压升至稳定的5V电压，然后将稳定的5V电压储存到蓄电池中。

2.2.3 释放电源模块

余热自发电节能照明灯系统的释放电源模块是由5V稳压电路和输出控制电路组成。当余热自发电节能照明灯系统的USB接口被连接时，储存在蓄电池中稳定的5V电压由输出控制电路控制输出给手机、充电宝等小型移动设备进行充电。

2.2.4 亮度感应模块

余热自发电节能照明灯系统的亮度感应模块采用光敏电阻传感器配合辅助电路组成。亮度感应模块具有两个模式，其配合自动切换功能当普通照明灯亮度较低或者所处空间亮度变化时，亮度感应模块自动感应到这些信息，然后产生信号传递给STC89C52单片机模块控制处理器，经STC89C52单片机模块控制处理器处理后传给亮度控制器来控制照明灯的亮度，达到亮度状态标准后不在改变，从而实现保护视力、减少能源浪费的功能。主要功能及性能分析

本设计为一种创新、实用、节能、智能、便捷的余热自发电节能照明灯系统，它在原有普通照明灯的基础之上增加的一种节能设备，利用温差发电装置中的温差发电片进行发电，把照明灯释放的热能在重新收集起来转换成电能，配合升压装置产生的稳定电压给手机、充电宝等小型移动设备进行充电，其主要目的是让照明灯发光时所产生的热量能够尽可能被充分回收利用。本作品具有自动切换功能，当普通照明灯开启时，自动切换到储存电源模式，利用温差发电装置中的温差发电片配合升压装置进行储存电源;当普通照明灯亮度较低时，自动切换到释放电源模式，给普通照明灯供电，达到一定的亮度后自动切换到储存电源模式;当普通照明灯关闭时，自动关闭开关并把产生的电能储存到蓄电池中，当给手机、充电宝等小型移动设备进行充电，用手打开开关连接USB接口给其充电即可;本照明灯系统还有自动调光模式，随着所处空间亮度的变化而改变照明灯的亮度，从而实现保护视力、减少能源浪费的功能。创新点及应用前景

教室照明节能系统 篇3

【摘要】物联网是新一代信息技术的重要组成部分，它使物体之间可以通过网络实现信息的传输。本文利用物联网对教学楼、宿舍的电器节约电能进行了研究。

【关键词】节能；物联网；传感器；控制系统

一、目的和意义

在教学楼、学生宿舍等公共场合存在着白天光照良好，灯具却依旧长明及晚自习后不及时关灯的现象。一个长明灯看起来耗能不大，但对于整个学校，能耗却是相当大的，本文是利用ZigBee网络建立设计一套能进行自动控制的照明节能系统，在保护学生视力的同时实现节能降耗目的。

二、物联网技术.

物联网在我们的生活中扮演着越来越重要的角色，它使物体之间可以通过一个网络实现信息的传输，目前业界内普遍认可的概念是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器、图像感知器等信息传感设备，按约定的协议，实现人与人、人与物及物与物，在任何时间、任何地点的连接，从而进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的庞大网络系统，形成一个真正意义上的物物相连。

三、技术方案

1.硬件资源

（1）CC2530开发板。板上资源接口丰富，通用传感器即插即用，摆脱短路帽拔插的烦恼；采用底板加核心模块组合设计；板载USB转串口电路，方便笔记本以及没有串口的电脑用户；引出所有IO口，方便调试模块和扩展应用；增加串口收发指示灯，监控通讯状态一目了然。（2）仿真器。CC-Debugger主要用来调试和下载运行在CC2530的设备，PC端工具是SmartRF Flash Programmer和IAR Embedded Workbench for 8051 from IAR Systems.（3）传感器。本文主要是检测光的强度和教室内的人员，所以主要研究光敏传感器和热释红外传感器。

光敏传感器

本文所选择的是光敏电阻。光敏只需读取与之相连IO口电平，来判断当前环境是亮还是暗。需要配置好IO口，然后周期性检测、输出显示，上传给协调器即可。

红外热释电传感器

红外传感器的基本原理是靠传感器内部接收遇到障碍物时反射回来的红外光来判断是否有人存在。当有人存在时输出引脚输出高电平，否则为低电平。

热释电传感器一般由压电晶体元件或陶瓷氧化物组成，在有效范围内有温度变化时，它的两个电极之间会有微小的电压变化。当检测区域内有人体通过时，人体温度与环境温度产生温度差，会有信号输出。相反的，当人体站在检测范围内不动或是没有温度差的产生，这时则不能识别是否有人出入。热释电元件的敏感波长在8mm-12mm之间，所以为了准确的识别人体的红外辐射，常常需要在热释电元件的辐射面安装具有抗干扰功能的菲涅耳滤光片。（4）继电器。继电器是一种电控制器件，通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

2.控制系统开发

校园照明节能控制系统针对教室的灯进行控制，系统能判断教室内有无人员，并根据光照强度进行自动控制。首先需要检测教室内有无人员和教室内的光照情况，根据检测结果判断是开灯还是关灯，然后对灯的开关进行控制，仅在教室内有人且光照强度较差的情况下开灯，即可完成自动控制和节能。系统由光照度检测部分、人员检测部分、数据处理部分和灯开关控制部分组成。如图1所示。 （1）光照度检测。光照度检测部分由光照度节点完成，周期性采集教室内的光照强度，通过光敏传感器获得光照度数据，并将结果发送到数据处理部分。（2）人员检测。人员检测系统由人体热释电模块负责检测教室内有无人员，并将检测结果发送到数据处理部分。人员检测节点带有人体热释电传感器，该模块工作时，附近有人就从输出端输出高电平，没人则输出低电平。（3）数据处理。数据处理部分接收光照度检测部分和人员检测部分的数据，通过判断光照度信息和人员检测信息，得出应该开灯或者关灯的控制命令，然后将控制命令发送到灯开关控制部分。数据处理部分由ZigBee网路中的协调器完成。（4）灯开关控制。灯开关控制部分接收并执行数据处理部分发送过来的控制命令，根据指示自动地实现教室灯的开和关的控制。

3.软件开发

一个完整的系统离不开软件的支持，对于复杂信息的分析和管理，需要在单片机硬件系统的基础上，再配上相应的软件，才能构成一个完整的系统。嵌入式IAR Embedded Workbench有效提高用户的工作效率，通过IAR工具，用户可以大大节省工作时间。任何可用的工具都可以完整地嵌入其中，它为用户提供一个易学和具有最大量代码继承能力的开发环境。针对CC2530芯片的Zigbee开发套件可与IAR集成开发环境无缝连接，操作方便、连接方便，是开发Zigbee产品最好最实用的開发工具。通过USB接口连接电脑，具有代码高速下载，在线调试，断点、单步、变量观察，寄存器观察等功能，实现对CC2530系列无线单片机实时在线仿真、调试。

参考文献

[1]杜晓通.无线传感器网络技与工程应用[M].北京：机械工业出版社，2010：13-32.

[2]李金祥.物联网应用开发[M].电子工业出版社，2014

基金项目

教室照明节能控制系统 篇4

单片机以其低廉的价格和可靠的运行,取代计算机而成为了新一代的自动控制核心[1]。该系统就是以单片机作为主控核心,应用热释电红外传感器、光电检测模块和计数模块作为前端信号采集,经过单片机的逻辑判断进而输出信号驱动继电器实现对日光灯的控制。

1 系统总体设计

该系统由7个部分组成。光强检测模块、热释电红外传感器和人数检测模块作为前端信号采集单元,将信号输入到单片机内部,经过单片机的逻辑判断输出信号控制继电器,进而控制日光灯的亮暗。如果在紧急的情况下,需要将所有的灯都熄灭或者是点亮,可以按下强制按钮令所有灯全亮或者全灭。并且该强制按钮不会影响到系统的正常运行。系统总体框图如图1所示。

1.1 光强检测电路

光敏电阻是一种随着外部光照强度的改变其阻值也发生相应变化的一种元器件。光照增强,阻值减小,反之将会增大[2]。光强检测电路就是利用光敏电阻的这一特性设计而成。光照亮时,三极管导通,输出低电平,反之输出高电平。光照检测电路如图2所示。

1.2 红外信号检测电路

热释电红外传感器作为该系统的人员位置信号检测器,采用了热释电红外处理芯片BISS0001[3]。该芯片具有较高性能的传感信号集成处理能力。配以热释电红外传感器和少量元器件构成被动式的热释电红外测模块。加上菲涅尔透镜后,能够探测150度的圆锥范围,直线探测距离是5米左右。

1.3 计数电路

为了判断学生是进入教室还是走出教室,该计数电路采用了两套信号模块。一个装在门外墙壁上,一个安装在门内墙壁上。安装方向和墙面平行。这样只要检测哪一个传感器先发出信号,再去检测另外一个传感器有无信号,就可实现计数。如果是门外的先有信号,门内的后来信号,则说明有人进入到教室;反之说明有人走出教室。记得的人数寄存在单片机内部待用。

该电路采用一个激光头和一套光强检测电路搭配组成计数模块,让激光头发出的光直射在光强检测电路的光敏电阻上。如果有人通过门的话,就会遮挡激光头发出的激光,使光敏电阻上的光照强度发生改变,从而产生信号供给单片机。原理示意图如图3所示。

1.4 输出驱动电路

要控制交流220 V的日光灯,必须利用继电器将强弱电隔离开,以确保安全。继电器的工作电压是直流12 V。为了防止驱动部分工作时对单片机系统产生的干扰,在输出缓冲单元74HC244后加光电隔离[5]。继电器工作线圈在断电时会产生反电动势,需加续流二极管防止有可能对系统造成的干扰。

1.5 电源模块

该系统的电源电路由于技术比较成熟,所以只做简要介绍。交流电220 V通过变压器降至交流15 V和6 V,然后经过整流桥变成直流,再通过电容滤波和LM317稳压到直流5 V和直流12 V供单片机和继电器使用。

2 硬件总体电路

系统总体硬件电路主要包括以下几个部分:光强检测、计数、红外信号检测、光电隔离部分、输出驱动部分、显示输出部分。总体电路如图4所示。

单片机的选择要根据所控制的对象来进行,由于控制日光灯不会占用太多的输入输出口,程序占用的空间也不大,所以选择51系列单片机已经能够满足要求。单片机和电脑之间的串行通信采用了MAX232芯片,该芯片是一款专门为电脑的RS-232标准串口设计的低功耗电平转换芯片。

隔离对于工作在强电周围的单片机来说是十分必要的,可以减少强电的变化对单片机的干扰。光电隔离芯片TLP521-4是一种可以实现前端和负载端的信号隔离的光电耦合器件,可以增强电路的安全性,降低干扰[4]。

输出驱动部分采用了74HC244芯片和ULN2003芯片。这两款芯片都有增强单片机带载能力的作用。

显示部分由两个8段LED数码显示管组成,显示教室当中实时的人数。

3 系统程序设计

从节能角度出发,系统可以根据光照强度、教室人数以及人所在位置对教室亮灯情况进行控制。

以教室中有三盏灯为例,没有外部强制条件中断时,光照强度为暗并且红外传感器检测到有人进入教室就可以亮灯。起初教室中没有人时,所有的灯都不会点亮。人数大于0小于5时二号区域的灯被强制点亮。人数大于等于5小于9时,根据红外传感器检测到的人的位置来确定点亮哪个区域的灯。当人数大于等于9时,全部点亮所有灯。人数减少到小于9大于等于5时,三号区域红外检测一段时间是否有人,没人的话将三号区域的灯熄灭,有人的话将一号区域的灯熄灭。当人数小于5时,将除二号灯以外的灯全部熄灭。人数为零时所有灯熄灭。

有外部中断时,一次中断将所有灯点亮,再一次中断将恢复到原来的状态。程序流程图如图5所示。

4 结束语

该系统经过最终测试能够满足设计要求,有着广阔的应用前景。不仅仅适用于教室,会场、候车室等一些人员比较集中的地方,还可以作为楼宇照明控制系统使用。只要稍加改变就可以适应许多场合的照明控制。将来可以将多个该系统实现上位机集中控制,加入电能协调分配功能,更好地达到节约电能的目的。

参考文献

[1]丁元杰.单片微机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2]康华光.电子技术基础(模电部分)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3]桂要生.基于红外技术的智能照明控制系统设计[J].计算机与数字工程,2009(8):102-104.

[4]吴国义.基于AT89S51单片机节能灯的设计[J].佳木斯大学学报(社会科学版),2009(5):346-349.

教室照明智能控制系统的设计 篇5

目前,学校教室照明系统是由固定开关来控制的,由于大多数同学的节能意识淡薄,并且强光下人的眼睛对弱光不敏感,在自然光照大于灯具光照的情况下,难以觉察到灯光的存在。因此,教室内的长明灯现象仍到处可见,造成了严重的浪费。而且,在有些大教室内的光线差别很大,很难通过控制开关来调节室内的光照强度,使室内的光照达到人眼适应的强度,不能有效缓解视疲劳。针对这些问题, 本系统利用光敏电阻检测室内不同地方的光照强度, 利用光电开关和红外热释电传感器结合检测人数, 采用以MSP430超低功耗单片机为核心的数据采集和处理装置,设计了基于MSP430的教室照明智能控制系统,实现教室无人或者光照充足时自动关灯,有人到来且光照不足时自动开灯的功能,达到节能的目的, 实现对教室照明的智能控制。

1 系统方案

根据设计方案的要求,本系统主要由人数统计模块、红外探测模块、光照强度检测模块和参数显示模块等构成。人数统计模块用来统计进出教室的人数,同时光照强度检测模块实时地检测教室内的光照强度,如果在教室内有人并且达到开灯的光照强度时,系统就会根据教光照强度的分布自动打开教室内的灯,红外探测模块实时检测教室内是否有人并且与人数统计作对比,用来弥补系统因为同进同出而产生的误差。系统总体结构框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 电源电路

因为MSP430是3.3V供电,整个系统控制部分都是采用3.3V,同时考虑到系统对电源要求具有稳压和纹波小等特点,另外也考虑到硬件系统的低功耗等特点,为了与其他模块的引脚电压相匹配,因此本硬件系统采用LT1086电源芯片实现,该芯片能很好地满足本硬件系统的要求,而且具有很小的封装,因此能有效地节约PCB板的面积,具体原理图如图2所示。

2.2 光照强度检测模块

光照强度检测电路[3]主要元件器是光敏电阻等, 电路原理图如图3所示。光敏电阻随着光照的不同而阻值不同,其分压也就不同,从而对光的强度进行实时的检测。经过反复的测试,将阻值分为几个不同的区域,这些阻值区域对应相应的电压范围,电压经ADC0809后成为数字量输送到单片机。

2.3 人数统计模块

系统的人数统计模块[4]中,采用镜反射式光电开关检测统计人体的个数,镜反射式光电开关把发射器与接收器设计在不一体上,光电开关的发射器发出的红外线碰到障碍物,反射回接收器,当被检物通过且完全把光线阻断时,光电开关就会产生探测的开关电平信号。

2.4 人体检测模块

热释电红外传感器可以检测到人体移动时发出的一定波长的红外线,探头接收到的红外线通过菲涅尔透镜滤光片加强后,汇聚到红外感应源上。热释电红外传感器和一定量外围元器件即可构成最基本的红外热释电传感器模块。红外热释电传感器电路图如图4所示。

红外热释电传感器检测的是移动的人体,而在教室内的人不会持续移动,这时传感器就会失效, 为了解决这个问题,系统采用舵机带动红外热释电传感器运动实现红外热释电传感器与人体的相对运动,从而实现静止人体的检测。

3 系统软件设计

系统软件采用C语言编写,系统主要分为正常模式和非正常模式,首先系统进入正常模式,开始统计人数,同时系统每隔一段时间通过红外热释电传感器检测教室是否有人,避免因为教室人数为零而统计人数不为零的情况。当教室人数统计为零的时候,如果红外热释电传感器检测到教室有人,系统将进入非正常模式,将实时扫描教室,当教室没人时将自动将教室的灯关闭。系统软件流程图如图5所示。

图5系统软件流程图 (参见下页)

4 总结

本系统较好地实现了教室无人或者光照充足时自动关灯;有人到来且光照不足时自动开灯的功能, 并且实现了教室内光线不均匀时自动调节教室内光线的目的,最终达到节能的目的,实现对教室照明的智能控制。此系统有很大的推广应用价值。

摘要：文中提出了一种教室照明控制系统的设计,此系统采用MSP430单片机作为控制芯片,光敏电阻、光电传感器和红外热释电传感器,分别检测教室的光照强度、进行人数统计和人体检测,并通过LCD1602液晶屏实时显示测量的结果。此系统实用性强、性能优良、智能化强,实现了对教室照明的智能控制。

关键词：MSP430,教室照明,智能控制

参考文献

[1]沈建华.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2005.8.

[2]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.5.

[3]陈书旺,张秀清,董建彬.传感器应用及电路设计[M].北京:化学工业出版社,2008.5.

教室照明节能系统 篇6

学校教室主要的能源消耗就是照明, 目前, 大多数的学校教室仍然采用传统的照明方式, 即一个开关控制几个灯, 这种方式操作简单, 但是, 不具有智能性, 一旦开了就有可能不用的时候也在开着, 这就形成了资源浪费。

本文设计的教室照明控制系统, 以STC89C52单片机为控制核心, 结合光照度和教室内人员情况对教室内照明进行控制, 具有一定的智能性, 相对于传统照明方式, 本文设计的照明控制系统很大程度上节约了能源。

教室照明控制系统的总体方案

硬件设计包括室内人体感应模块、光照度采集模块、电灯控制模块、串口电路等。系统整体方案框图如图1所示。

教室照明控制系统的硬件设计

微处理器最小系统

微处理器最小系统如图2所示。

串口通信模块

局域控制器与上位机之间通过RS232进行通信, MAX232转换电路如图3所示。

热释电红外探测模块

热释人体红外模块电路如图4所示。

光度采集电路如图5所示, 图中主要由接近人眼反应的光敏二极管, 集成运算放大器, 模数转换获取16位数字数据电路组成, 其中集成运算放大器是电路的核心。信号经过集成运算放大器:将PD电流转换为PD电压, 送入A/D转换电路, 通过单片机处理后, 最终作为系统应用程序进行开关总电源判断的依据。

照明控制系统的软件设计

下位机主程序流程图如图6所示。

上位机主程序流程图如图7所示。

结束语

教室照明节能系统 篇7

目前, 照明自动控制系统在一些地区已开始应用在日常生活中。虽然这类装置具有热释红外探测, 声音探测, 光线探测等, 但是这些检测方法只能简单的控制灯的开关, 并不能具有智能的调光技术。所以, 本来针对该类照明系统的缺点提出了一种可行的解决方案。本文是基于电力电子技术为基础, 融合单片机技术, 设计了一套能具有自动调光, 自动开关的智能教室照明系统。

1、系统介绍

智能教室照明系统主要有两部分组成。一部分是光明电阻, 双向晶闸管构成的智能调光部分;另一部分是热释电红外传感器, 单片机以及输出控制回路组成的智能开关控制部分。智能调光部分, 首先必须用光敏三极管、光敏二极管或光敏电阻灯等光敏元件作为传感器检测出日光照射强度;再通过信号鉴幅, 取得上限和下限门坎值, 得到最终的控制信号。照明灯亮度的控制驱动采用双向晶闸管, 双向触发管控制:用RC电路充放电时间不同, 通过触发管控制晶闸管的延迟触发角以控制亮度。智能开关部分, 是用红外传感器检测教室中是否有人, 如果没人, 电灯总开关关, 不论光线亮或暗灯都不亮;如果有人, 在比较光照强度信号 (若光照强度低) , 则此时通过单片机控制回路导通。

该系统只有在教室有人, 同时光线较暗的情况下才自动启动照明系统, 当教室内灯光比较亮, 或者教室内无人时, 关闭照明系统。并且该系统由于加入晶闸管控其触发角, 可以实现根据教室光照调节照明灯亮度的过程, 极大程度的节约了电能。智能教室照明系统的原理框图如图1所示。

2、智能调光部分

智能调光电路是利用双向可控硅 (双向晶闸管) 的特性控制灯泡的亮灭以及亮度的调节, 从而达到智能调光的目的。

双向晶闸管是由N-P-N-P-N五层半导体材料制成的, 对外引出三个电极。双向晶闸管与单向晶闸管一样, 也具有触发控制特性。不过, 它的触发控制特性与单向晶闸管有很大的不同, 这就是无论在阳极和阴极间接入何种极性的电压, 只要在它的控制极上加上一个触发脉冲, 也不管这个脉冲是什么极性的, 都可以使双向晶闸管导通。

由于双向晶闸管具有可控性, 为了使照明灯亮度能随室内光照强度的变化而自动调节。我们可以加入光明电阻和一些简单的电路, 对晶闸管的触发角进行控制, 对其可控整流, 从而到达智能调光的目的。该部分的原理图如图2所示。

电路中用红外触点Key-B代替热释电红外传感器经单片机发出的控制信号, 用滑动变阻器R5代替光敏电阻, 科学合理, 利于电路仿真。电路中还设置了手动总开关Key-A, 便于电路的进一步管理。

由R4, R1和C1组成的组容移相电路决定可控硅的导通角。当C1两端电压经R2, R5, 充电上升到双向触发管的导通电压时, 双向可控硅VS被触发导通, 当交流电过零时, 双向可控硅自动判断, 调节RP1可改变C1的充电时间, 从而改变双向可控硅在交流电正负半周内的导通角, 以便得到需要的亮度。

3、智能开关部分

智能开关部分是利用热释电红外线传感器进行检测。当传感器检测到教室内有人时, 其内部BISS0001信号处理芯片将信号传达给单片机:同时, 还应将光敏传感器当前检测到的教室光照强度通过ADC0832转换给单片机, 以判断光照强度的强弱, 假如光照强度低于初始设定值, 并且热释电红外线传感器检测到教室有人存在, 则通过单片机发出相关控制信号, 打开教室照明灯。

(1) 热释电传感器模块。热释电传感器是利用热释电效应, 是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成, 元件两个表面做成电极, 当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时, 热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ, 即在两电极之间产生一个微弱电压ΔV。由于它的输出阻抗极高, 所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。人体主要的辐射波长为9um-10um的红外线, 通过对人体自身辐射红外能量便能准确的测定人体表面温度, 由于该波长范围内的光线不被空气所吸收, 因而也可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度。当热释电红外线传感器感应到教室内有人时, 该传感器将信号通过内部BISS0001芯片处理后, 再传送给单片机进行储存与处理。

(2) 单片机控制模块。选用STC89C52型单片机对A/D转换芯片进行初始化设置。当光敏传感器检测到光照强大到达预定值时, 通过A/D转换芯片将相关信息传递给单片机。单片机记录该信息;同时单片机接受热释红外传感器检测到是否有人的信号。如果这两个信号同时满足单片机预设值时, 单片机进行中断响应, 打开照明灯。

(3) 光敏传感器模块。光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器;入射光强, 电阻减小, 入射光弱, 电阻增大。本系统光敏电阻随光照强度的不同而发生变化, 将变化的电压信号, 通过模数转换芯片ADC0832将信息传递给单片机, 使得单片机能随时判断光想强弱程度。

4、结语

随着国家的可持续发展战略的实施, 节能减排也不断受到大家的重视。智能照明技术是一项推动可持续发展的重要技术, 其意义重大而深远, 并且该技术有着广阔的发展前景。本设计是基于单片机与晶闸管的智能教室照明控制系统, 她融合了其他照明系统的优点, 改善了其缺点, 使得该产品更加的节能与人性化。对于智能教室照明系统不仅可以应用于教室, 还可以应用在很多领域, 比如政府办公室, 公共场合等。相信在不久的将来, 这一套系统必定在很多场合具有更广阔的应用。

参考文献

[1]王兆安, 刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社 (第5版) , 2011.

[2]邸伟亚.照明用电节能技术研究[D].天津:天津理工大学, 2009.

[3]袁佑新.智能路灯节能控制器研究[D].武汉:武汉理工大学, 2008.

[4]王立红.基于单片机的智能路灯控制系统[J].网络财富, 2010, 6:131.

教室照明节能系统 篇8

电费是高等院校必不可少的费用支出,各个学校都存在电能浪费现象,教室内照明灯电能浪费尤其严重,即使教室无人或人数稀少时室内照明灯也全部打开,高等学校教室内出现“灯比人多”的现象比比皆是;大多数大学生习惯于一进教室就开灯、走时也不随时关灯,教室内电费支出不在学生考虑范围内,学生们没有节约能源的意识, 在阳光明媚的白天教室内照明灯照亮不无;节约能源,减少支出,实现教室照明灯人性化管理必须纳入学校“节源开流”日程之内,基于Zig Bee无线网络传输技术[1]的发展建立一套教室内照明灯智能控制系统也势在必然。

2ZigBee无线传输网络技术发展与其他无线传输技术比较优势

(1)Zig Bee无线传输技术发展

Zig Bee联盟于2001年8月成立。2004年12月, Zig Bee联盟推出了Zig Bee Specification规范,为工业界统一了基于IEEE 802.15.4[2]标准之上的网络层和应用层规范。

Z i g B e e是一种低速无线个域网技术 ( L o w R a t e Wireless Personal Network)具有近距离、低功耗、低速率、低成本的双向无线传感器网络通信技术[3]。

Zig Bee具备的优点:超大的网络容量,灵活的工作频段,安全的数据传输,较低的系统成本,灵活的网络结构和极低的系统功耗。Zig Bee传输技术的缺点:低速率, 传输速率上限仅为250kbit/s。

目前在标准众多的短距离无线传输领域,Zig Bee传输网络技术的发展速度已经超越了蓝牙、红外线传输等无线技术,Zig Bee传输网络技术在工业,农业,军事,环境,医疗等传统领域都具有极高的应用价值,未来其应用更将扩展到人类日常生活和社会生产活动的很多领域;因此在Zig Bee技术应用快速发展形势下,建立Zig Bee照明灯节能智能控制系统具有现实意义。

(2)Zig Bee与其他无线传输技术比较优势

随着无线技术的日益发展,无线传感器网络(wireless sensor network, WSN)[4]已经成为重要的研究领域,无线传输技术应用越来越被各行各业所接受;国际上开展了大量的研究工作,取得了丰富的研究成果,其中短距离无线通信技术各具特色,无线通信短距离传输技术比较成熟完善、普遍接受的有Bluetooth、Wi-Fi、Infra-red Data(Ir DA)和Zig Bee等。

2.1 Bluetooth

Bluetooth是一种短距离无线通信技术,传输距离为10米之内,可以用在移动电话、无线耳机、PDA以及电脑等多种设备之间的无线信息之间的交换[5]。

Bluetooth Technology技术的特点主要表现在三个方面:一是全球可免费使用,规格相同。Bluetooth Technology使用的2.4GHz的波段运行,频道采用2379个频道间隔为1MHz的时分双工方式;使用Bluetooth Technology不需要支付任何费用,只需要向手机供应商注册使用的CDMA或GSM。

二是Bluetooth Technology是低功耗、低成本及小体积的无线传输设备,可以应用到极微小的设备中。

三是Bluetooth Technology易于安装和使用。 Bluetooth Technology是一项即时技术,不要求固定设施,可以随身携带个人局域网,也可以连接其他网络。

四是蓝牙设备组网灵活,提供点对点和点对多点的无线连接基于TDMA原理组网,它的数据速率可达到1Mbit/s。

五是Bluetooth Technology系统具有很高的抗干扰能力。由于Bluetooth Technology采用跳频速率为1600跳/ 秒,使得蓝牙系统具有很高的抗干扰能力。

2.2 Wi-Fi

Wi-Fi (Wireless-Fidelity)是一个高频无线电信号,具有无线保真技术的功能,可以将个人电脑、手机、PAD等终端以无线方式互相连接,其目的改善基于IEEE802.11标准的无线网路产品之间的互通性[6]。

Wi-Fi的主要功能是使用IEEE 802.11b或802.11a无线电技术提供安全、可靠、快速的无线连通性。WiFi网络数据速率可达11-300Mbit/s,信号发射功率低于100m W,低于手机发射功率,信号传输范围100m。

Wi-Fi最主要优势:不受有线线路的制约,使用范围广泛。厂商只要在公共场所人员比较密集的场所设置“热点”就可以,用户只要把支持无线保真的电脑、PDA、手机等带到“热点”区域,即可上网。

Wi-Fi的弊端:Wi-Fi无线电波易受干扰,资料包被截取的可能性高。

2.3 Infra-red Data( Ir DA)

I r D A是1 9 9 3年由红外数据协会( I n f r a - r e d D a t a Association, Ir DA)[7]研究的利用红外线进行点与点通信的短距离的无线传输技术,属于无线局域网传输方式之一。

I r D A使用也不受国家无线管理委员会的限制,其硬件和软件技术比较成熟。现在的红外数据传输技术为IRDA 1.0,简称SIR(Serial Infrared)[8],它是基于HP-SIR开发出来的一种异步的、半双工的红外通信方式,它同其它无线传输技术一样省去了线路连接,主要用于手提电脑、无线遥控器、无线游戏终端、移动电话、计算器、无线工业仪表、无线数码播放器以及打印机之类的办公设备等等。

Infra-red Data技术的主要优势有三个方面:一是利用Infra-red Data传输不需要申请特定频率使用执照。二是体积小、功率低、耗电量低。三是红外数据传输所受干扰较少,适合于家庭和办公室使用,传输速率较高,速率可以达到16Mbit/s。

Infra-red Data传输弊端:传输距离很短,传输的线路必须为直线,中间不能有阻挡物。

2.4ZigBee,Bluetooth,Wi-Fi,IrDA无线传输技术性能比较

综上分析可知,无论是Zig Bee、Bluethooth、Wi-Fi以及Ir DA技术,它们都具有各自的特点,适用在不同的应用场合,它们之间存在着相互竞争、相互补充的关系, 谁也不能完全替代另外一种。为了更加直观的表述和比较短距离无线通信技术的性能,作者整理了蓝牙、Wi-Fi、 Ir DA和Zig Bee四种无线传输技术性能,见表1所示。

表1显示,Bluetooth的工作频段最小(820nm), 其次是Ir DA(980nm)。Zig Bee传输速率高于Bluetooth和Ir DA两种短距离传输速率,次于Wi-Fi的传输速率。 Zig Bee的通信距离最长(10m-300m),Ir DA通信距离最短(0.2m-10m)。功率消耗最小的是Ir DA(低于10m W),其次是Zig Bee(最大功率消耗30m W)。连接设备数Zig Bee最多,节点数目可以高达65536个,Ir DA连接设备数只有2个,即点与点对接。设备安装成本Ir DA最小,安装成本低于5$;其次是Zig Bee的安装成本低于10$;Wi-Fi的安装成本最高,要求较高的安装成本可达600$。Zig Bee、Wi-Fi和Ir DA三种短距离无线局域网都属于数据传输类型,Bluetooth技术传输属于语音型。

综上分析可知,Zig Bee无线传输技术在传输速率、 通信距离和连接设备数量上占据绝对优势,功率耗能和使用成本低于蓝牙和Wi-Fi设备,是建立学校教室和自习室照明灯节能智能控制系统理想的设备。

3基于ZigBee无线传输技术建立教室照明

节能智能控制系统

从表1可以看到,Zig Bee无线传输技术具有低功耗、 低成本、网络容量大、适宜安装使用场合的特性,建立学校教室照明灯智能控制系统,实施节能型校园是可行的。

(1) Zig Bee无线传输教室照明节能智能控制系统设计

Zig Bee标准基于IEEE 802.15.4协议而建立,具备了强大的设备联网功能。它支持三种主要的自组织无线网络类型:星型结构、网状结构和树状结构[9]。Zig Bee网状结构,具有很强的网络健壮性和系统可靠性。Zig Bee簇状结构则综合了以上两种网络类型的特点,这种组网通常会使Zigbee网络更加灵活、高效、可靠。而学校教室和自习室的照明灯设备的节能智能控制系统只能建立在Zig Bee星型结构基础上。

基于Zig Bee设备多节点和星状结构连接技术,设想在每栋教学楼安装一台电脑控制中心,控制中心安装有协调器作为网络的指挥中枢,每层楼设定几个路由器作为数据的转发站,每个教室作为一个终端节点,Zig Bee模块从协调器自动获得16位的地址信息,自行初始化并加入网络成为网络中的成员。见图1所示。

图1 Zig Bee 无线传输教室照明节能智能控制系统

(2)Zig Bee无线网络传输教室照明智能控制系统硬件设计

实现教室照明节能智能控制可以从两个方面考虑: 一是在不影响正常使用的前提下减少教室灯具的损耗;二是降低节能系统本身的功耗。Zig Bee无线传输网络正好满足以上两个条件,具有低功耗和传输及时的功能。本系统选用超低功耗的单片机,电源电路使用LM2596开关电源模块[10],灯光驱动器使用无线圈触点的固态继电器,激光传感器使教室照明灯实现智能化控制,使教室照明灯开启的数量随着人数的变化而变化。教室照明灯安装激光传感器的功能主要有3个方面:(1)当没有人在教室时,灯具全部关闭;(2)当教室有人时开启适当的灯数;(3)白天光照较强,无需亮灯,光敏传感器可以检测教室内的光亮强度,当光照充足时自动关闭教室内的照明灯具。

基于上述分析,Zig Bee无线网络传输教室照明节能智能控制系统硬件设计主要由协调器节点、路由结点和教室终端节点组成;Zig Bee协调器自动获得16位的地址信息,自行初始化并加入网络成为网络中的成员。通过光电传感器判断教室内是否有人,通过对光强度的检测判断教室内的缺光程度,通过Zig Bee网络将这些信息发送到协调器节点,协调器节点依据设定算法采取适当的决策控制教室内的灯具,从而实现室内灯具的智能控制。见图2所示。

图2显示 , 教室照明 节能智能 控制硬件 主要由LPC2103微处理器、LCD液晶显示器、可中断键盘、 Zig Bee无线传输模块、MSP430单片机、人数采集器、光敏传感器和灯光驱动器八个部分组成。其中,由于协调器节点的工作量较大,可以选择嵌入式LPC2103微处理器作为主控制器。LPC2103是NXP公司基于ARM7TDMI-S的微处理器推出的新产品,特别适用于低功耗控制场合[11]。其工作程序是:终端结点、路由结点通过人数采集器检测教室内是否有人以及人数,光电传感器判断检测教室内的光线强弱,通过Zig Bee网络将这些信息发送到协调器节点,协调器节点依据设定好的算法采取适当的决策控制教室内照明灯开启盏数,实现了教室内照明灯的智能控制。

图2 Zig Bee 无线传输教室照明节能智能控制硬件设计

(3) Zig Bee无线网络教室照明智能控制系统软件设计

基于Zig Bee无线传输教室照明灯智能控制系统软件设计主要考虑的是教室人数统计、教室光线强度测量、节点之间传输和教室照明灯开启、关闭的数量智能控制。与传统的教室照明设备相比较,Zig Bee系统主要使用了低功耗单片机,控制系统自身的功耗可大幅降低; 实现了CRC算法,提供了数据的错误检查,并提高了系统的可靠性;同时还使用了无线传感网络,CC2530内嵌的协议栈使得路由数据包成为了可能[12],为学校教学楼群的统一联网创造了条件。其程序流程见图3所示。

图3显示,当系统上电时,系统进行初始化,Zig Bee协调器节点在完成硬件初始化后,进入轮询状态,当收到数据时,先做CRC校验,若校验正确则解析相应的命令:一是到了关灯时间,系统将自动关灯。二是不到关灯时间,光敏传感器将通过智能控制器发送指令开启教室照明灯;如果人数采集器没有采集到人数,时钟控制器将延迟5分钟关闭教室内照明灯开关;如果教室内有人, 人数采集器和光敏传感器同时工作:光敏传感器检测教室内光的强度、人数采集器采集教室内的人数,通过单片机MSP430控制继电器打开教室照明灯设备,使电磁铁工作,Zig Bee路由节点和教室终端节点发送控制信号,依据指令开启或关闭教室内照明灯盏数。

图3 Zig Bee 无线传输教室照明节能智能控制软件设计

(4)教室照明灯智能控制系统安装

一般学校标准教室80平方米左右,78-80个座位,21根40瓦的照明灯管(其中,讲台3根灯管,学生座位18根灯管:两两并联,三三串联)。讲台3根灯管各自有独自的开关,教师根据上课需要开启讲台照明灯盏数。学生座位上的18根9组灯管开启采用Zig Bee无线网络传输智能控制系统:将教室分为9个区域,每个区都安装人数采集器;一个教室安装一个光敏传感器,一个照明系统和一个单片机,通过单片机实现教室照明灯智能控制系统,安装系统布局见图4所示。

4结论

校园照明系统节能设计 篇9

1系统总体设计

以一栋楼宇的照明作为实验对象，包括室内照明、走廊楼梯照明，还有楼宇外的路灯照明。我们的控制方案为：路灯控制采用光控，选择合适的感光元件，感受开关周围自然光的亮度。当白天开关周围的亮度足够高时，灯一直熄灭状态，可以充分利用自然光，只有到了晚上，灯才会亮。房间内采用光、声、红外同时控制，保证控制精度，充分体现控制器的优点，更加节能。走廊和楼梯可采用光和声相结合。我们采用51单片机控制技术为核心开发新型照明控制器，由于单片机的接口数量有限，不能满足如此多的信号输入和输出，所以必须对单片机接口进行扩展。如图1所示。

2硬件部分

光控模块是由一些常用的光敏器件和晶体管组成。用于探测自然光的有无及强弱，为控制器提供灯亮、灭的依据。在本控制系统中，所选用的光控传感器是光敏电阻。入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。如图2所示。

声控模块是使用与人类耳朵相似具有频率反应的电麦克风。声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。如图3所示，整个电路的功能就是将声音信号处理后，变为电子开关的动作。即声源产生的声音信号，经声电转换器转换成微弱的电信号，该信号经放大后送处理器处理，处理器将幅度、频率不尽相同的一群声波信号转换成控制信号。

人体红外线检测模块是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号，对温度敏感的传感器。由于当模块检测到人体在感应范围内活动时以电平信号输出，可方便与各类电路实现对接。具体电路不做详细说明。

触控模块电路原理如图4所示。电路中的主要元器件是使用了能够定延时，消抖动，分频，脉冲输出的集成芯片NE555，电路结构简单，工作可靠性高。整个电路的功能就是将人体电流信号处理后，变为电子开关的动作。

3软件设计

软件设计的指导思想是在自然光充足时，系统会关闭所有的照明灯，无论外界有无声音、有无人员，光感应器一直检测判断光照强度是否适合;当自然光不充足时，声控传感器、触控传感器、人体感应探头开启接收信号，检测信号输入，判断是否能够开启电灯;一旦触发电灯工作，又由延时部件控制其工作时间;最后又回转检测自然光是否充足。软件流程如图5所示。

4结论

设计的节能照明控制器电路的特点是结构简单、制作容易、使用方便。经多次使用，性能良好。作为一个智能化节能照明控制系统，能在光、声、触、人体感应的控制下实现电路的导通与截止;能够根据不同的外界环境自动开启/关闭教室灯、走廊灯和路灯;响应时间较快。由此说明，设计的这种控制器基本符合节能要求。

摘要：随着经济的发展和科技的进步,人们对照明灯节能和科学管理提出了更高的要求,特别是校园建设管理智能化的引入,使得照明控制在智能化领域的地位越来越重要。而在大学新校区的建设热潮中,各大高校的建设者也意识到了智能照明的重要性。

关键词：节能照明,声控,光控,人体感应,触控

参考文献

[1]李晋阳.智能型教室管理系统的设计与研究[J].电子测量技术,2008.

[2]孔谋夫.选用单片机的教室节能控制器的设计与实现[J],电子技术,2007.