基于单片机的校园室内照明系统

李 昊 任印豪 王闻琦 刘钦凡 唐宝玲

宿州学院机械与电子工程学院 安徽 宿州 234000

引言

通过数据调查,在校园生活中,照明用电量占额可达三分之一甚至更多,校园室内常出现没有及时开关灯具的现象,有时在借助自然光能正常工作或夜晚教室没人自习时,教室也灯火通明,造成大量的能源浪费。

一般校园的照明系统大都是使用普通的声控、光控传感器组成的开环控制系统,一方面灵活性差、工作及待机时消耗的功率高、而且不可人为干预;另一方面,灯具在不必要时的使用会大大缩短其寿命。所以构建一套智能且低耗的校园室内照明控制系统是一个迫在眉睫的工作,此设计不仅起到减少学校用电量开支的作用,同时也可以使楼宇的监管人员减少检查灯具亮灭所消耗的时间;在积极响应国家的节能号召的同时,享受智能化时代带来的便利!

本设计通过使用多种传感器,精确的使灯具在需要使用时启动,达到节能的目的,同时主控台时时检测并可控制楼宇内教室与走廊上的灯具,管理更统一集中。

1 系统设计原理

本系统的设计主要分为走廊照明系统与室内照明系统,基本满足校园室内照明的基本要求;主要采用ST M32微控制器,TFT触控显示屏,光敏传感模块TSL230,人体红外模块HC-SR501,LED灯,SG-90舵机等;

控制器通过AD采集传感器传输的数据,进行分析是否需要对LED灯进行供电,以及是否对无人环境中的工作LED灯进行断电,所有数据均可从显示屏上观测到,也可直接进行控制。

设计原理如图所示：

2 硬件设计

2.1 微控制器 本系统采用ST M32 微控制器,核心芯片为ST M32F407,采用Cortex M4内核,拥有192KB的片内SRAM,具有更快的数模转换速度,最高运行频率可达168 Mhz而功耗低至140u A/Mhz。其数据处理等功能要远高于普通的51单片机,满足高性能低功耗的要求。

2.2 走廊照明系统硬件设计 走廊照明系统的硬件结构主要包含光敏模块,人体红外模块,LED灯以及若干条用于连接微控制器的杜邦线。

2.3 教室照明系统硬件设计 教室照明系统的硬件结构主要包含按键,光敏模块,人体红外模块,舵机,LED灯以及若干条用于连接微控制器的杜邦线。

2.4 显示及控制端硬件设计 系统的显示组件为TFT3.5寸触摸电阻屏,直接与微控制器连接,可以在其上查看各室内灯具的状态,并通过触摸进行基本控制。

控制端整体采用STM32F4开发板,通过一定数量的IO 端口与教室及走廊的硬件电路进行连接,从而起到数据收集处理和直接控制的作用。

3 软件设计

照明系统软件主要分为走廊照明系统、教室照明系统、显示及微控制端三个方面,均通过KELI5软件,用C语言进行编写。

3.1 传感器数据处理 光敏传感器模块与人体红外传感器模块在工作时均通过传送电平信号,利用微控制器的ADC通道来读取传感器信号端电压的变化,从而得到环境光线的变化及是否有人存在;将电平信号通过简单量化后,处理为0～100的数值,便于用户进行对阈值的设定。

3.2 走廊照明系统软件设计 系统初始化完成后,走廊部分硬件电路会开始工作,首先光敏模块工作,当环境光强未达到用户设定的阈值时(即自然光强度高时),其余的部分不工作;

当环境光强达到用户设定的阈值时(即自然光强度低时)向微控制器发送电平信号,使电路中的人体红外模块开始工作,检测是否有人经过,并向微控制器发送电平信号,决定LED灯是否点亮。

LED灯被触发后会立刻点亮,默认五秒后熄灭,若此过程中仍有人出现在人体红外模块检测范围内,LED灯将会持续点亮直至人离开。

软件流程图下图所示：

3.3 教室照明系统软件设计 系统初始化完成后,教室部分硬件电路不会工作,直至有人开启LED灯开关,此时微控制器会收到信号,并向室内光敏模块发送检测信号,倘若室内光照强度未达到用户设定的阈值(即自然光强度高时),则LED灯不工作;

当检测到室内光强达到用户设定的阈值时(即自然光强度低时),LED灯亮,灯亮过程中,人体红外模块会在舵机的牵引下定时对室内进行扫描检测,当检测到无人存在时,向微控制器发送电平信号,使LED灯熄灭,此时室内系统停止工作,直至下一次按键被触发。

软件流程图下图所示：

3.4 显示及控制端软件设计 TFT 显示屏上负责划区域显示每个位置的灯具状态以及各类传感器的使用情况,并且能够通过单击屏幕关闭对应区域的LED灯,达到楼宇内照明情况在控制端可以一目了然,且智能控制与人为控制共同加持的效果;

控制端主要用来分析楼宇各位置传感器采集到的数据,并作出相应的命令指示硬件电路进行正常工作。

4 实验结果

通过对实物的制作试验,该系统可以实现对走廊灯具以及教室灯具的良好监测与智能控制：

走廊控制系统会在光线强度弱的情况下运行,灵敏的辨别是否有人通过,若有人,LED灯亮,直至行人离开,LED灯熄灭;

教室控制系统会在开关被触碰情况下,对室内环境进行分析,环境光强度弱时灯亮,反之灯不亮,并在LED灯工作过程中定时检测室内是否有人,若有人则LED灯正常工作,无人时灯关闭;

两种控制系统基本涵盖了校园室内对灯具使用的需求,通过良好的逻辑控制,大大减少灯具对电量的消耗。

5 结束语

该系统能够独立运行,对照明设备进行自动化控制,保证学生正常学习为前提,自动化开启或关闭照明设备,相比较普通照明系统而言,降低能源消耗。结合校园发展的趋势及照明现状,该系统具有一定的现实意义和应用价值。