简易智能教室模拟照明控制器的设计

阮承治，饶金辉，俞 晴，江聪彬

（武夷学院 机电工程学院，福建 武夷山 354300）

当今世界面临能源严重短缺的问题，传统的照明控制方式已经难以满足人们对节能控制系统的要求[1][2]。我国是一个教育大国，学校的教室数量大，但教室的照明系统多为开放式管理，照明控制方式大都是采用传统的开关面板手动控制[3]。这种手动的照明管理方式较为落后，经常会出现管理不及时、不到位的情况，智能化、自动化程度不高，电能存在浪费的现象[4][5]。

面对当前的教室电能浪费问题，文中结合当前环境的光照强度、人数信息及时间定时设置等条件，设计并制作一款采用单片机STC89C52RC为核心的模拟教室照明智能化控制器。该控制器主要由主控制模块和电源供电模块组成，系统界面采用液晶显示屏，通过该显示屏可将人数信息、实时时间、当前环境温度等信息实时显示。使用该控制器，能减少电能浪费和学校的经费支出，有效改进教室照明控制系统的管理方式。

1 总体方案

系统主要由电源供电模块和以单片机为核心的控制模块来组成，电源模块为单片机提供直流电源。本系统的主要作用为控制照明系统，为另外扩展本系统的功能，显示模块具有测试室温的作用。单片机控制模块主要是由时钟电路、光照及人数检测模块、模拟照明模块、测温电路、独立按键控制电路、显示模块等六个子模块构成。系统总体设计方案如图1所示。

图1 系统总体设计方案Figure 1 System overall design

2 系统硬件电路的设计

系统的设计主要是由单片机主控系统和电源模块组成。单片机主控系统是由时钟电路、光照及人数检测模块、模拟照明模块、测温电路、独立按键控制电路、显示模块等六个部分电路构成。其中，电源模块是以变压、整流、滤波、稳压四个部分的电路构成。

2.1 单片机最小系统

单片机的正常运行除了电源的供电外还需要有由复位电路、时钟振荡电路构成的最小系统来提供支持[6]。单片机最小系统设计如图2所示。

图2 单片机最小系统Figure 2 MCU minimum system

通过以单片机为核心的主控制的模块，处理由两对红外对管通过人体在通过门时所产生的先后触碰反射、导通的顺序，来构成的人数计算；结合光敏电阻所采集到的光照强度信息，判断是否为光线不足，若是则结合判断当前设置的定时时间段内来确定是否开启照明灯；最后采用LCD1602显示屏来显示实时的人数、时间、温度等信息量。

2.2 主要子模块电路

DS1302时钟芯片结合一个32.768kHz晶振模块组成时钟电路，通过对年、月、日、时、分、秒等时间信息的计算，将实时时间传输到单片机，为单片机系统提供时基支持，最终通过液晶显示模块显示出时间信息。时钟模块电路如图3所示。

图3 时钟模块Figure 3 Clock module

光敏电阻检测室内光线强度信息，红外对管检测教室人数信息，二者连接一个LM339四电压比较器，该比较器及外围电路构成光照及人数检测模块[7]。利用其比较器工作特性分别对其光敏电阻进行光线检测后输出的电压、红外对管检测到人体通过时的导通电压与固定参考电压进行比较，在其相对应的比较器输出脚输出高电平或低电平。最终将此高、低电平信号送到单片机I/O口，从而让单片机对光线、人数的检测数据进行处理并进行后续的运行工作。光照及人数检测电路如图4所示。

图4 光照及人数检测模块Figure 4 Lighting and number detection module

本系统采用四个LED发光二极管来模拟教室的四路照明灯。当系统判断到当前条件符合开灯条件时，则会开启相对应盏数的灯来模拟实际环境中的照明灯开启情况。采用另两个LED发光二极管作为手动/自动模式的指示灯，当系统处于手动模式或自动模式下时，系统则会开启相对应模式指示灯。模拟照明电路如图5所示。

图5 模拟照明电路Figure 5 Analog lighting circuit

通过DS18B20传感器采集到室内的实时温度，将其温度数据通过数据总线传输至单片机[8]。通过单片机将数据处理完成后送至显示模块将其显示出实时温度量。测温电路如图6所示。

图6 测温电路Figure 6 Temperature measuring circuit

2.3 电源模块

本系统的电源供电电路是由AC220V的市电经变压器降压成AC12V，经过桥式整流并滤波后，通过三端稳压模块7805将电压稳压在+5V，最终为系统提供电源支持。电源模块设计电路如图7所示。

图7 电源模块Figure 7 Power module

3 系统软件的设计

3.1 主程序设计

系统的总体程序设计包括自动控制模式和手动控制模式。经过上电初始化后系统处于自动控制模式，此时，若有人进出教室，LCD1602液晶显示屏将会按单片机所接收到的人员增减情况进行实时人数显示，并会根据当前的人数、当前所处的时间段、当前的光线情况对照明系统进行一个合理控制。当使用者切换至手动控制模式，通过手动开关按键即可根据需求对照明系统进行手动控制。主程序流程如图8所示。

图8 主程序流程图Figure 8 Main program flow chart

3.2 主要子程序设计

3.2.1 人数统计模块程序设计

本系统的人数检测统计模块是利用 “门外”、“门内”两组红外对管作为人数检测的传感器。当“门内”的红外对管检测到有人通过时，程序则通过检测判断“门外”的红外对管是否已经检测到有人通过，如果“是”则在液晶显示上加1；否则就保持当前检测状态并返回到程序的初始扫描状态，等待下一个检测数据。人数统计程序流程如图9所示。

图9 人数统计程序流程图Figure 9 People counting program flow chart

3.2.2 时钟模块程序设计

本系统开机自检初始化的过程中，当检测到其正处于工作中时，则对其进行初始化工作并重新启动。DS1302时钟在进行读/写的过程中，使用的都是BCD码。而单片机软件程序对时间参数设计是采用二进制码，所以在与时钟芯片通讯时需要对BCD码和二进制码之间实行转换[9]。时钟模块程序流程如图10所示。

图10 时钟模块程序流程图Figure 10 Clock module program flow chart

4 软件仿真与硬件调试

4.1 仿真调试

为了验证本系统硬件电路及软件程序的设计是否符合要求，利用Proteus 7.8对其硬件和程序进行仿真验证。仿真电路如图11所示。

图11 仿真电路图Figure 11 Simulation circuit diagram

在仿真电路中，除通过以上的自动模式仿真之外，本次仿真实验还对其在手动模式下进行仿真实验。仿真实验结果显示，该系统的软硬件都能够满足本系统的设计要求。

4.2 实物制作与调试

利用Altium Designer 10对本系统设计PCB单面板，采用腐蚀法制作电路板，最后进行插件焊接调试。每个模块焊接完成后，需要逐一对其模块进行功能调试及对出现的故障进行排除。制作并调试通过后的实物如图12所示。

图12 实物图Figure 12 Physical map

4.2.1 基本功能测试

首先利用独立按键对定时功能进行测试。当开机运行后按下设置键，则显示界面由初始显示状态切换至系统时间设置或定时时间测试；选择设置系统时间或定时时间的选择方式则是通过再次按下功能设置键进行选择，时间的加减可通过加、减键进行调整，设定完成后按下确认键使系统确认生效。定时功能设置界面如图13所示。

图13 定时功能设置界面Figure 13 Timing function setting interface

在功能测试的过程中，用热缩套管将光敏电阻套住，以模拟光线不足环境，将系统时间设置在定时时间段内，用手在两对红外对管之间模拟人体进出门时的来回移动，并观察LCD1602液晶显示屏上人数的变化是否相应的增减情况，观察模拟照明LED灯是有相应的开启或关闭情况。最后，将热缩管去除，以模拟系统在光照充足的环境下的运行情况，以及将系统时间设置在定时时间段外，并观察系统的运行情况。通过基本功能测试结果表明系统功能能正常运行，符合设计基本要求。

4.2.2 人数检测与光线检测模块测试

首先测量光敏电阻在光线充足时与光线不足时，输入到电压比较器第4脚的电压情况。测量结果如图14和15所示。经过测量，此组电压符合系统设计要求。

图14 光线充足检测电压Figure 14 Light sufficient detection voltage

图15 光线不足检测电压Figure 15 Low light detection voltage

再测量人数检测模块在检测到人员通过与未检测到人员时，输入到待比较电压管脚的电压情况，测量结果如图16和17所示。从测试结果看，检测到人员与未检测到人员通过分别为高和低电平，即为单片机进行人员计数提供合适的信号。

图16 有人通过时电压Figure 16 Voltage when someone passes

图17 无人通过时电压Figure 17 Voltage when no one passes

将系统上电开机后，将系统工作模式切换至自动模式，观察各个模块的显示数据。将当前系统时间设置到默认的定时时间段内，即18：00--22：00之间，在两对红外对管间通过人员进、出门，并通过液晶显示屏实时显示当前教室内的人数信息，照明系统也能够根据当前教室内人数的情况进行开启或关闭相对应的照明灯的盏数。当人数在1-5人之间时，系统则开启一盏照明灯。当系统人数在6-10人之间，系统则开启两盏照明灯。当人数在11-15人之间时，系统则开启三盏照明灯。当人数多于15人时，系统则开启四盏照明灯。其次，将系统的工作模式切换至手动模式，此时照明灯的亮、灭则只受手动开关控制。通过测试，系统分别在两个工作模式下的工作状态都符合设计要求。

5 总结

设计利用STC89C52RC单片机为主控芯片，结合教室内光照强度、人数信息及定时设置等参数条件，采用红外对管模块对教室的人数进行统计，并使用光敏电阻来检测教室内的光照强度，完成教室照明系统的智能化控制。本设计系统除可在自动模式下控制照明灯外，还可切换为手动模式控制照明系统。虽在调试与制作过程中，是通过发光二极管模拟照明系统，但系统测试结果证明该系统的工作原理能基本满足设计需求，可达到节约电能资源，降低经济成本的目的。