教室照明智能控制

教室照明智能控制（共7篇）

教室照明智能控制 篇1

0前言

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.

[4]郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京:电子工业出版社,2009:20-45.

教室照明节能控制系统 篇2

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 篇3

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

教室照明智能控制 篇4

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

教室照明现状 篇5

目前在上海地区对教室照明有相关要求的标准主要有四个,分别是国家标准GB50034-2013建筑照明设计标 准、GB50099-2011中小学校 设计规范、 GB7793-2010中小学校教室采光和照明卫生标准以及上海市地方标准DB31/539-2011中小学校及幼儿园教室照明设计规范。以上标准都对学校教室照明提出了具体的要求和限值。不同标准其侧重点不同,而且标准中所涉及的项目和限值也略有差异。以普通教室为例对四个标准进行比较,见表1,可以看出,上海市的地方标准DB31/539-2011中小学校及幼儿园教室照明设计规范是四个标准中相同项目限值要求最高的。

2教室照明现状

国内大部分地区学校使用的灯具现状是:教室灯大多采用简单的敞开式双端荧光灯支架灯具,而黑板照明则没有专用灯具,也是将双端荧光灯支架灯具安装在黑板前作为黑板灯具使用,甚至有些地区根本就

没有黑板照明。敞开式双端荧光灯支架灯具的光源直接暴露在灯具的外侧,没有任何防眩光的措施,会对坐在后排的学生造成很大的眩光影响。此外敞开式双端荧光灯支架灯具的灯具效率低,课桌面照度往往不能满足现行标准的要求。如图1、图2所示。

从2008年开始,上海市在全国率先开展了中小学校和幼儿园教室照明改造工程。至2014年底,随着浦东新区教室照明改造的完成,上海市的中小学校和幼儿园基本完成了教室照明的改造工作。本次中小学校教室照明改造工程所使用的教室灯具均为格栅灯具, 可以显著降低灯具本身所造成的眩光。黑板照明则采用专用的黑板灯具,其照明情况比改造前有了明显的提升。以最近改造完成的浦东新区为例,在完成改造的10 000多间教室中抽查了148间,采用上海市地方标准DB31/539-2011的限值进行考核,全部合格。除了上海以外,近几年四川省成都市、浙江省宁波市、 温州市等地区也都进行了部分教室的照明改造。总体来说,通过教室照明改造,极大地提高了学生在校学习过程中的照明舒适度,效果非常显著。

3教室照明的发展趋势

从目前的情况来看,简单的敞开式双端荧光灯支架灯具已经不能满足学校教学时所需的最低照明要求, 势必要被淘汰。要想符合前述的几个教室照明相关标准要求,新型的教室照明灯具应根据区域和功能分别单独设置。黑板灯具与教室灯具要分别独立设计,因为这两个类型的灯具服务的对象完全不同,所以从配光、结构等各方面的设计都应该满足实际的照明需要。 新型的教室灯具主要有以下几类:

(1) 格栅灯具。格栅灯具又有很多细分类:按格栅的尺寸可以分为大格栅和小格栅;按格栅表面喷涂的材料可以分为镀铬镜面格栅、铝亚光格栅和涂白格栅。不同种类的格栅灯具各有优势,大格栅灯具且使用铝亚光格栅和涂白格栅的,灯具效率相对较高,更加节能,但眩光控制相对较差。小格栅灯具且使用镀铬镜面格栅的灯具,灯具效率可能偏低,但是眩光控制更好。如图3、图4所示。

(2)新型线槽灯具。这种灯具就是在普通的线槽灯后面添加了一个长条状的衬板,挡住向后的光线, 如图5、图6所示。该类灯具的优点是设计上较为简单,对后排学生几乎不会产生眩光影响。但该类灯具考虑到实际照明的需要,不能在灯的前端也安装衬板, 这样一来就对老师产生较大的眩光影响。此外该类灯具本身的配光作用有限,无法有效提高桌面的照度均匀度。

(3)黑板灯具。现行有效标准中对黑板照明的要求较高,是教室照明中较难满足的一项。很多企业采取单灯具双光源,并排安装三盏黑板灯具的办法,以满足标准中照度和均匀度的高要求,如图7所示。这样确实能满足照明的需要,但如果仅仅靠堆砌灯具数量来满足标准要求也面临一些实际的问题。有些黑板灯具的配光设计不合理,设计安装高度过低,使黑板灯具出射光直接照射在老师面部,严重影响老师的教学工作。除此之外,现在很多学校都装有投影仪或电子白板等辅助教学设备,这些设备的安装位置或工作位置会和黑板灯具有冲突,仅靠黑板灯具本身的设计或调整安装位置仍然很难满足标准要求。这就需要在设计安装这些设备之初就统筹考虑。

4教室照明设计的注意事项

教室照明的设计重点不在灯具设计本身,而是在灯具的选择。教室的环境比较特殊而且要求比较高, 所以在选择灯具时就要考虑到使用环境的限制,选择合理的灯具搭配。需要注意事项有以下几点:

(1)比较窄小的教室。一般若教室宽度≤6m、长度≤8m,则垂直于黑板方向的教室灯只需要两列,一共有4-6个教室灯具就能满足照度要求。这样的教室灯具选择余地比较大,普通的格栅灯具就能满足要求。

(2)比较宽大的教室。比如垂直于黑板方向的教室灯具必须安装三列以上的、或者灯具安装数量≥8个的,这样的教室必须使用带镜面格栅的小格栅灯具。 根据计算教室眩光UGR公式来看,教室中线上的灯具的位置系数最大,同时在中线上的灯具一般灯具表面亮度值也是最大的,所以要在设计中尽量减少在中线上安装的灯具数量。

(3)选用专用黑板灯具。根据相关的标准要求, 黑板灯具在工作时不能对讲台上的教师产生眩光影响。 一般认为教师在讲课时,视线向上45°内不能安装黑板灯具。这就对黑板灯具的安装高度提出了要求,例如黑板灯具的安装位置距离黑板安装面是0.8m,教师的身高1.7m,在此条件下黑板灯具安装的高度距地面要≥2.5m。同时考虑到与其他教学设备可能会产生的位置冲突,黑板灯具最好设计为可升降式的。

(4)灯具的安装位置要按照教室的功能区进行划分。教室主要分为两部分,讲台区和学生课桌区。讲台区主要是教师工作区域,如果黑板的照明满足标准的要求,该区域一般不用再增加独立照明设备,仅依靠黑板灯具及反射光就可以满足照明要求。学生课桌区,该区域按照GB50099-2011中小学校设计规范的规定,在普通教室中一般从距黑板2.5m处开始至距教室后墙0.6m处结束。该区域必须要完全满足标准中相关要求。教室灯具的安装位置也应主要针对这一区域, 而不是从讲台开始。

(5)特殊教室的要求。学校中大部分教室是普通教室,除此之外还有实验室、美术室、计算机室、体操房、录播教室等专用教室。有些教室也有些特殊要求,在设计阶段就要考虑到。例如,美术教室照度要求比普通教室高200lx,且光源的显色指数Ra≥90; 专用实验室(物理实验室、化学实验室等)一般会使用深色橡胶桌垫,课桌面的反射率会下降,学生有时会站立进行实验操作,又会出现挡光的情况,所以必要时应配备局部照明设备;计算机房应根据电脑的位置设计灯具位置,避免在电脑屏幕上产生眩光;体操房和录播教室等应在老师上课位置增加垂直照明设备, 让学生能看清老师的面部表情,同时在验收时应增加半柱面照度的检测项目。

(6)其他要求:现在教室中引入了很多多媒体教学设备,如黑板上的投影仪、电视机等等。就照度而言,这些设备工作时与平时上课时,差异很大,所以需要黑板灯具和教室灯具尽可能做到独立控制开关, 以满足不同的场景需求。

5教室照明的检测方法

关于教室照明的检测方法在GB5700-2008照明测量方法中规定的非常简单,即在0.75m的高度,按照2m×2m间隔进行测量。但是在实际检测过程中这个方法并不“实用”,教室检测区域及间隔应该明确地划分。教室黑板常用的标准尺寸是4m×1.2m,标准里也没有明确的测试间隔要求,应该按照0.4m×0.4m的间隔划分为30个小区域进行测试比较合理。

一般标准 教室尺寸 是8m×6m左右。按GB50099-2011中小学校设计规范的规定,实际学生课桌摆放的区域只有5m×6m左右,该区域即为检测时课桌面照度项目的测试区域。这块区域如果采用2m×2m的间隔,最多也最只能测6-9个点,测试点数太少,从“应对”检测的角度,有些设计完全可以在这些点对应的位置安装灯具,从而变相“提高”整个教室的平均照度值。为了避免这种检测结果与真值偏差过大的情况,应该采用更小的测试间隔,如1m×1m, 这样测试结果才会更接近教室平均照度的真值。

6新型光源的应用

近年来LED产品发展突飞猛进,有全面取代传统光源的趋势。有人提出能否在教室照明中用LED光源代替传统的双端荧光灯。LED的优势很多,如高光效、 长寿命、维护成本低等,本文不再列举,但是使用LED光源代替双端荧光灯还存在一些问题需要解决。

(1)我们现在使用的LED光源大部分都是基于蓝光激发黄色荧光粉的原理。相比于双端荧光灯,LED光源的蓝光成分偏多。双端荧光灯的应用时间很长, 长期以来人眼更习惯于双端荧光灯的照明效果,所以如果选择产品质量较差,色温偏高,显色性(尤其是R9)较低,人眼不能适应这种LED照明效果,在这种环境下作业更容易产生视觉疲劳。另外,有些LED光源直接裸露的LED产品可能产生蓝光危害,目前还没有长时间的临床医学观察结果来印证它的危害程度, 而中小学生眼睛还处在发育过程中,长时间处在这种环境里可能对视力发育产生影响。所以目前不建议学校内使用LED光源的产品用于教室照明。如果一定要使用也应限制LED的色温。依据GB 50034-2013规定,光源色温不宜高于4000K。

使用双端荧光灯作为光源的灯具则没有这方面的问题,双端荧光灯作为光源的灯具应用时间更长,相关的资料也证明双端荧光灯中的紫外线及汞在正常使用中对人体基本无影响。

(2)采用双端LED灯直接替换双端荧光灯的支架灯具,不能解决支架灯具本身固有的眩光过大的问题。

(3)采用双端LED灯直接替换格栅灯具中双端荧光灯,因为两种光源的配光完全不一样,反射器起不到对光分布进行再分配的作用,替换后可能会导致课桌面的照度均匀度不合格,如图9所示。另外光通量的差异也比较大,1.2m的36W双端荧光灯光通量一般在3 000 lm左右,而1.2m的替换型双端LED灯管光通量一般在2 000 lm左右。差距非常明显,简单替换而不增加灯具数量可能导致平均照度不达标。

(4)LED灯具很少针对黑板照明要求进行单独配光设计。标准规范中黑板的照明要求要比教室工作面要求更高,平均照度需要达到500lx,均匀度要0.7以上。在通常的安装位置上一般只够安装两到三个灯具, 而且空间上还要受投影仪、风扇吊装安装位置的影响。 这些都对黑板灯具的配光设计提出了高要求。而LED灯具光效虽高,但是功率偏低导致总光通量偏低,在黑板前受空间限制又无法增加灯具数量,导致平均照度无法提升;替换型LED灯管又无法配合灯具反射器进行合理配光,严重影响照度均匀度。目前LED灯具暂时无法替代传统灯具作为黑板灯使用。

综上所述,教室照明目前应该还是以传统光源为主。如果一定要用LED光源必须使用低色温产品,并且是光源和灯具一起更换,最好是有针对黑板照明要求专门设计的黑板灯具,而不是简单的替换光源。

7总结

浅谈教室照明设计 篇6

造成学生近视的原因很多，照明质量差是引起学生近视的重要因素之一。据调查, 我国现状教室照明质量差主要有桌面照度低、照度均匀度低、灯光频闪、眩光等。设计环节是工程建设的灵魂，是整个建设过程中的关键环节。作为设计人员我们在这个对工程起决定因素的环节应该全面考虑，尽心尽责的做好设计改善教室照明质量差的现状。

我国于2004年制定了新的《建筑照明设计标准》(后文简称《标准》)5034-20004，新《标准》对教室照明的灯具选择、照度值、照度均匀、眩光控制、光源颜色、单位面积照明功率密度值(LPD)以及教室照明灯具控制都有了明确的要求。设计人员可根据《标准》各方面要求权衡设计。笔者认为，应把握以下几点提高教室照明质量。

1光源的选择

照明设计既要满足照度要求又要满足节能要求，教室照明应选用节能高效的稀土三基色细管径T8 (36W)或T5 (28W)直管荧光灯作为光源。在设计过程中确定光源电参数的同时不能忽视光源的其他光参数。

首先是光源色温的选择，色温的含义是用绝对温度来表示光源发光的颜色。色温大致可分为三个等级：暖色(K<3300K), 中间色(3300K～5300K)，冷色(K>5300K)。一般来说不同的色温适用于不同的照度环境：低色温多用于照度较低(约100～200lx以下)的环境，如卧室、咖啡室等营造一种温馨安静的感觉;高色温多用于高照度要求较高(>750lx)的环境，如体育场馆给人一种清新明快的感觉。根据《标准》的规定教室的照度值为300lx，属于中等照度应选用应选用中间色温即色温为3300K～5300K的光源。而且通过表1可以看到无论是那种荧光灯管，中低色温的荧光灯光效比高色温的更高，有利于节能。

其次是光源现色性的选择，现色性是表示在某种光源下观察对象颜色的真实程度(与天然光比较)，用一般显色指数(Ra)衡量，Ra=100为最佳。根据《标准》及IEC标准的规定，教室属于长期工作或停留的场所，光源的现色指数Ra不宜低于80。同样根据表1的光源参数可以发现三基色T8管和T5管荧光灯满足教室对现色性的要求。

2灯具的选择与布置

一般普通教室尺寸多为6m×9m左右，工作平面0.8m的平均照度标准值为300lx。经计算需要三基色T8管荧光灯9盏，T5管荧光灯12盏，以T8管荧光灯为例如图1所示：

首先是灯具的布置方式。荧光灯长轴应垂直于黑板布置(平行于学生主视)尽量使得光线从侧面引入，从而使学生看到的灯具的发光面积减小，以减少光幕眩光。

其次要合理的选择灯具。直接配光型灯具，易形成严重的光幕反射，而余弦配光直接型灯具可减轻光幕反射如蝙蝠翼形配光灯具，其配光曲线如图2所示。向下发射的光很少，故光幕反射最小。根据公式(m>1)，式中：I为r角上的光强，m越大，光束分布越狭，对书面作业需要照明条件的研究表明，蝙蝠翼的配光在r=0°处光强缩小，可以减少灯具在纸张表面的光幕反射，适合书写作业，其特征是r=30°时光强为极大，r=0°处光强不大。这种灯具，具有较大的遮光角，输出扩散性好，应用于教室照明可以提高作业表面的高度对比和布灯间距，使照度均匀，从而提高视觉功效，有效地限制了眩光和光幕反射。

最后就是黑板灯选择和布置。黑板是学生视线最集中的位置但往往也是建设过程中最容易被忽视的位置。黑板是竖向布置的, 表面垂直照度低，均匀度差。应设置黑板专用灯具。由于黑板是造成反射眩光的主要原因之一，黑板灯的设置位置和高度尤为重要。

黑板灯的设置应满足以下两个条件：1)学生视野中不产生黑板的反射眩光和黑板灯的直射光。为避免对学生产生反射眩光，黑板灯具的布灯区如图3所示，第一排学生看黑板顶部，并以此视线反射至顶棚求出映像点距离L1，以P点与黑板顶部作虚线连接，灯具应布置在该连接虚线以上区域内。2)教师视野中不产生黑板的反射眩光和黑板灯的直射光，灯具不应布置在教师站在的讲台上，水平视线45°仰角以内位置，否则会对教师产生较大的眩光，而且黑板灯应采用具有非对称光强分布特性的专用灯具，灯具在学生侧保护角宜大于40°，使学生不感到直接眩光。

3对荧光灯频闪的控制

虽然荧光灯是一种节能高效的光源，非常适合教室照明使用，但荧光灯是一种气体放电灯，会产生频闪现象。随着50Hz交流电压的正弦周期交变，其光通量也相应发生周期性变化，这种频率的闪烁虽难以被肉眼所分辨，但当用荧光灯照射旋转物体时，就会明显地反映出来，它使人眼产生物体正转、停转甚至倒转的错觉。荧光灯的频闪性往往被人们忽略，而事实上对人的视力是有影响的。特别是当电网供电电压过低、频率不稳、灯管老化时, 这种闪烁就更为严重，它极易导致人的视觉疲劳, 对成长发育中的青少年影响尤为严重。

设计人员在做教室照明设计时应注意消除或减弱荧光灯的频闪现象，通常有以下几种方法解决荧光灯频闪现象。1)尽量使用电子镇流器，荧光灯工作频率适当提高可抑制频闪现象。但工作频率过高又会产生电磁辐射危害。2)将同一教室的不同灯具分为三组三个回路，采用三相电源供电，相当于将电压正弦波叠加，致使光通量也进行了叠加，频闪就会得到一定程度的抑制。但这样会增加管线和投资，给施工、维修造成不便。3)一间教室的所有荧光灯采用单相电源供电，部分灯具采用移相电路接法使灯具之间产生相位差，从而不同灯具光通量峰值的出现产生时间差来抑制频闪现象。4)据报道，现在科研人员已研制出无频闪无辐射节能直流荧光灯具。希望这种无频闪、无电磁辐射污染、节能高效的灯具早日得以引用在教室照明中提高照明质量。

摘要：针对我国学生视力下降的状况, 分析其产生的原因。为提高教室照明质量, 设计人员在进行教室照明设计时在光源的选择、灯具的选择和布置、眩光的控制、抑制荧光灯频闪等方面应注意的问题。

关键词：教室照明,光源,眩光,频闪现象

参考文献

[1]姚远.教室照明设计的几个问题[J].照明工程学报, 2004.

高校教室照明节能系统的设计 篇7

1 系统模块

本系统共由5部分组成如图1所示, 其控制核心是STC-AT89C52RD。前端是传感器部分, 采用红外对射式光电传感器, 利用障碍物对光的遮挡, 传感器检测人的进出并发出信号给单片机, 单片机对信号进行分析处理后, 最后由数码管显示人数, 同时点亮相应个数的模拟灯。本系统的难点设计在于传感器单元的精确检测与系统的程序控制部分。

1.1 传感器模块

本系统采用的是对射式红外光电传感器。该传感器分为发射器和接收器两部分。系统通过红外线传感器实现对人员进出的智能判断, 从而得知当前被测场所的人数。

红外线发射电路主要由一块时基集成电路NE555为主构成, 电位器用于调整红外线遥控发射器的振荡频率和信号的占空比。用NE555定时器连接2个占空比可调电路, 通过两个NE555分别产生一个38kHz的红外线发射电路和100左右的调制电路。由于实际信号频率与理论计算值有偏差, 电路中的固定电阻用电位器来代替, 通过电位器的调节可以明显改善感应效果。

接收电路用的接收元件是2个红外一体接收头。检测到有障碍物通过时, 障碍物遮挡了接收头接收的信号, 接收头发出的是高电平。电路中使用了反相器74LS00作为对输出信号的一个滤波, 使得输出信号更加稳定。为了便于观察在反相器出来的引脚上也分别接了发光二极管, 在调试的过程中能直接明了的看到信号变化。本系统采用两个红外接收头, 当人进出方向不同时, 可通过两个接收头的信息综合判断人在教室的进出方向, 并可准确检测是人通过, 避免了有人在系统附近造成的检测失误, 提高了系统的检测精度, 为教室人数的准确检测提供可靠依据。

1.2 单片机以及外围控制电路

系统中采用STC-AT89C52RD单片机作为控制模块, 采用74ls248译码器与数码管作为显示单元。控制任务由软件程序实现。为了加强可操作性, 适应在不同大小的场合的相应情况, 以及应对意外情况的需求。系统设置了两个按键为系统预设, 人为控制提供必要的输入选择, 同时增加系统的灵活性。

系统的工作流程描述如下:当有人进入教室, 两个传感器接收头通过检测障碍物的先后顺序给出电平, 单片机执行判断程序, 实现人数累加;当有人出教室, 单片机执行判断程序, 并实现人数递减。两个按键可实现对环境人数, 亮灯设置的预设。单片机根据教室人数的多少, 控制点亮灯的个数。数码管单元用于显示教室人数。

2 软件设计

软件主要由人数检测、扫描显示、控制单元组成。本系统程序由单片机C语言编写, 具有模块化, 易扩展等优点。控制主程序描述如下。

3 系统调试

发射电路用示波器观察两个占空比可调电路的输出信号, 调整电位器, 使输出的频率分别在38kHz和116Hz左右。在近距离内将红外发射器和接收器对准放置, 开通电源后, 按复位键, 使灯和数码管都清零。用障碍物代替人经过检测区, 单片机通过检测引脚接收到信号的先后顺序将作出判断人数是增加还是减少, 数码管显示人数, 另外根据人数将计算出亮灯数, 把信号送给发光二极管。

传感器两个接收头距离再35cm时, 发射端到接收端的距离为30cm~210cm, 可以通过调节电位器改变接收有效距离。

4 结语

本系统电路结构相对简单, 节约硬件设备。目前, 在市场上没有这种照明节能系统规范设计的产品。该作品的优点就在于考虑到很多实际问题。尤其是在红外接收电路的设计中, 连接了两个红外一体接收头, 是针对很多实际中检测遇到的问题而设置的。

本系统应用于实际生活中, 需要通过继电器弱电控制强电, 使单片机能够控制强电流电压驱动的照明灯。经测试本系统具有易操作, 性能可靠, 成本低廉, 功耗低等优点, 可扩展使用。

摘要：本文实现教室照明节能系统的设计, 采用STC-AT89C52RD单片机实现控制系统的设计。该系统主要由传感器电路、控制电路、数码显示及模拟灯等部分组成。系统采用红外对射式传感器检测教室人数, 通过单片机控制点亮相应照明灯的个数。该系统能精确检测人应对意外情况的需求。

关键词：单片机,红外传感器,人数检测,节能照明

参考文献

[1]孙余凯, 等.传感器应用电路300例[M].北京:电子工业出版社, 2008:142～145.

[2]蔡朝洋.单片机控制实习与专题制作[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2006:275～282.