基于单片机的教室灯光控制系统设计与研究

马永华 刘茜 于海兰

北京联合大学 北京 100023

引言

目前大学的管理模式多数为开放型，高校的教室的长明灯现象比较普遍，几个人的教室里照明全部开启的现象也很常见，在我国这样的教室有很多，这样的话能源浪费就比较严重。

现在我国的城镇的学校仍然以传统荧光日光灯为主要的照明，它便宜，但是有频闪，容易导致学生视觉疲劳进而导致近视的发生，而且这种照明调光也比较困难。相比之下，LED灯的电压可调、功率小、损失小、无频闪，保护眼睛，光线柔和，不容易视觉疲劳。

在本文中，将教室分为几个区域，每个区域分别采集光强度信号和学生数量来确定LED灯的开关和亮度的调节，并在学生都离开后，延迟一段时间后将灯全都关闭。在教室的进门的位置都有对应每个区域的触摸开关，学生也可以自主打开或关闭电灯，而且人员控制的优先级高于自动控制。

1 系统整体设计

交流电经过二极管电路元器件整流后，再通过PWM整流变成可以调节的直流电供给LED灯，每个区域的光强电路采集光的明亮程度，红外采集电路采集有无人员以及人员的多少，两个信息传递给单片机，由单片机控制判断后输出可调节的PWM信号，加到PWM电路的信号输入端，经过PWM电路的放大驱动LED灯，使其打开或关闭和亮度调节。

该系统由单片机及其外围电路（如电源、晶振等）构成控制器；每个区域的光强度信号采集传感器、人员采集传感器和门口的每组的触摸开关采集构成的测量电路；可以从0%--100%可调的PWM控制每组LED灯暗亮程度的执行电路[1]。

2 系统的硬件构成

2.1 控制电路

单片机选择C8051F410，它是一款可满足复杂高性能仪器要求的单片机，是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，与MCS51内核及指令完全兼容。它除了具有标准8051的数字外设部件外，片内还集成了电压比较器、模拟多路选择器、UART、可编程增益放大器、AD/DA、电压基准、SMBus/I2C、SPI、可编程计数器/定时器阵列、定时器、I/O端口、温度传感器、电源监视器、看门狗定时器和时钟振荡器等常用的功能部件，而且该单片机内部具有JTAG和调试电路，通过JATG接口可以进行非侵入、全速及在线系统调试。

2.2 光电采集电路

光敏传感器的核心是一个光敏电阻，它随着光强的变化而变化，当光的强度增加时，光敏电阻的阻值变低，输出电压改变，由光敏电阻采集的模拟电压信号经PCF8591转化为数字信号，用单片机C8051F410自带的SMBus与PCF8591连接。

PCF8591连接光敏电阻，光敏电阻的电压随着光的强度的大小而改变，通过采集电压值的不同，而获得光强信号的不同，PCF8591还能进行AD转换，将电压信号变成数字信号输入给单片机。二者传递信号通过单片机的SMBus I/O接口和PCF8591芯片的I2C接口。SMBus I/O接口是一个双线的双向串行总线，与I2C串行总线兼容。

2.3 人员采集电路

人员采集电路采用微型SR602人体感应模块，它采用热释电人体红外传感器探头，具有静态功率小，灵敏度高、响应速度快等特点，并且已经装好透镜，直接配上电源即可使用，无须调试。感应距离为最大5米，建议0-3.5米，满足在教室使用的要求。这样的电路在每个教室大概有4-6个，根据教室的大小有所区别。但是，使用时需要避开热辐射源出风口或者阳光直射的地方。

2.4 触摸开关电路

本文中的触摸开关采用金属触摸传感器，它是一种只有在带电体触摸时才动作的开关，当手指触摸电路模块中的晶体管的基极时导通，经过晶体管放大和比较器处理后输出稳定信号。

这个电路的作用是当有人触摸开关时，能够直接开灯或者关闭LED灯。它的优先级高于自动开关的控制电路。

2.5 继电器模块

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统和被控制系统，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“断路器”，故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用，在这里可以打开关闭电灯。

3 系统的软件构成

软件构成包括可调节PWM信号的输出，PWM是脉冲宽度调制技术，我们采用定频调宽法，使周期T不变，只改变导通的时间，使平均出来的电压改变，由于单片机输出的脉冲频率很高，所以电压的特性曲线还是很平滑。这是实现对模拟电路控制的一种非常有效的技术。

C8051F410单片机能通过编程，并通过交叉开关的设置将PWM信号直接输出到I/O口。

软件整体流程为当有人进入，手动打开灯，触摸开关感知后，软件系统中某个为零的变量加1，变量变为奇数，开灯，LED开度100%，然后再根据每个区域采集的人员和光强度调整LED的开度，如20%或者50%等；打开灯后，采集到无人或者光强度满足需要，则延时10分钟将该区域的灯关闭。人再按开关，触摸开关感知，变量变为偶数，没有延时，直接关闭这个区域的LED灯。

4 结束语

良好的教室照明系统能有效地保护学生的眼睛，同时能节省大量的能源。而且普及LED灯也是未来的趋势，基于单片机的教室灯光控制系统灵敏度高、功率小，响应速度快，调节更改灵活，有一定的应用前景，能够实际应用到生产生活中。