基于红外传感器的教室节能照明控制系统

基于红外传感器的教室节能照明控制系统作者：陈建有梁娟
来源：《科技经济市场》2019年第04期
摘要：针对目前校园中普遍存在忘记随手关灯的现象，本文设计了一款基于红外传感器的教室节能照明控制系统。

该系统采用STC89C51单片机作为控制模块的主导元件，用热释电红外人体传感器检测判断人体的留存，同时对环境光进行检测和判断，根据教室合理照明条件，自动打开和关闭教室里的灯，实现对教室照明系统的的智能控制，从而减少了教室电力的浪费。

关键词：STC89C51单片机;热释电红外人体传感器;报警电路
0 引言
高校教室普遍存在教室无人而灯全部打开的现象，照明电能损失越来越大。

而学校照明用电管理基本上是人工操作，由于教室数量过多而管理员数量有限，没有办法及时对每一间教室灯的状态进行控制。

因此，很有必要设计一种教室照明自动控制系统，做到有人时灯打开，无人时灯自动关闭。

1 系统总体设计方案
本系统采用STC89C51单片机微控制器作为核心部分，还有一些其它相应模块，如热释电红外传感器模块、环境光采集模块、看门狗电路、复位电路、时钟电路、显示电路、超时报警电路、电源等几部分组成。

教室灯的强度通过环境光采集电路进行测量，热释电红外传感器模块检测教室中是否有人，显示电路显出热度值，时钟电路供应时钟频率，超时报警电路提示关闭教室灯光，电源为整个电路提供电量。

总体的设计框图如图1所示：
2 系统硬件设计
2.1 微控制器电路
控制教室照明核心部件是STC89C51微控制器，它消耗的功率很低，具有8位CMOS 微处理器，具有在线的可编辑Flash存储器。

该单片机的优点：其片内部拥有Flash，可以多次对单片机进行编程，可以很方便地在线编程，单片机内部有128字节的RAM、 4KB的EEPROM，它并没有片外扩展的RAM，使电路结构变得简洁，并且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。

2.2 系统时钟电路设计
时钟电路是为单片机提供精确定时的内置电路，主要用于计时、通讯时钟发生器、时间中断源等等。

系统将选用适合系统且低廉的实时时钟芯片DS1302，作为临时性存放数据的RAM 寄存器。

芯片的优点是芯片的体积微小，操作很简单，时钟精度很高，除此之外，它还具有可以进行串行的传输数据，但系统出现了掉电的情况，可以对电源进行保护并且可以提供一种可编程的充电功能，不想使用时，也可以关闭充电功能。

DS1302芯片需要使用到三根线来与系统的单片机进行连接通信，很符合系统的要求。

2.3 复位电路设计
为了让系统得到复位是系统复位电路的功能，可以实现稳定的工作。

在单片机正常运行的过程中，可能因为受到外界各种各样的不定因素的影响，从而造成单片机中的程序发生死机、跑偏以及出现瘫痪等现象，因此，要想良好地使单片机可以正常地工作，不出现以上的现象，就需要设计重新复位的办法让单片机程序正常工作，因此还应该在系统中设计复位电路。

该设计使用上电自动复位。

2.4 按键模块设计
设计中采用独立按键主要用于让单片机捕获到外部的低电平，该设计中有四个独立按键，其中两个是进行电机的开启与关闭。

感应门的设计中使用独立按键编程简单，使用灵活，满足了各种人机交互的需求。

独立按键的原理是将按键的一端接地，一端直接连单片机的I/O口，当按键按下时，单片机开启读的功能，单片机读取一个低电平后就执行一个动作。

2.5 环境光采集模块设计
该模块设计选用的是光敏电阻。

制作材料为硫化镉、硒、硫化铝等材料。

这些制作材料在光照条件下会产生载流子，然而这些载流子又都会参与导电，因此，在施加电场力的作用下，载流子就会发生漂移，电子带负电，将会奔向电源的正极，空穴负电，将会奔向电源的负极，会影响光敏电阻的阻值变化，使其阻值快速减小。

可以用光电敏电阻值的变化，以及并联分压的方法，来获得电压值，将得到的电压与LM393的电压进行比较，并利用10k可调控电阻来调节光线大小。

如果感应光太弱，则信号由微控制器处理。

2.6 热释电红外感应模块设计
该系统中的热释电红外传感模块主要是用来检测教室中是不是有红外线，并确定教室中是不是有人在。

它是数据收集的核心模块，用来判断课堂中红外线的强度，判断课堂中的人数来控制课堂中的光强度。

人体所发出的红外线波长大约为10um左右，所属范围为远红外区，因此，它会发出一定波长红外光。

红外传感源使用热电元件，当人体发出的红外辐射温度有所变化时，它将会对其进行接收，并且将会失去电荷向外释放。

然后，电路在检测和处理之后产生热电红外传感信号。

注意：要合理地安装人体传感器。

因为当人移步到教室中的红外传感器检测盲区时候，热释电传感器反射的信号将不能令人满意，有时会发生故障。

2.7 液晶显示电路设计
为了达到好的人與机器进行交流互连的界面，我们选用1602液晶显示屏，因为它十分符合系统的需求，1602液晶显示屏可以显出用户的设定作息时刻和用户所查问的资料。

液晶显示电路运用了液晶的物理特性，设备的显示区域通过电压对其进行控制，电路中有电流通过设备就会有显示，可以将图形显示出来。

该设备具有很好的优点：它的体积小，重量很轻盈，消耗的功耗比较低等等。

可以很好地用它来显示字母、数字、符号等等，让设备的显示器与驱动器模块进行对应连接，可以直接明了地显示出程序中的内容。

2.8 超时报警电路设计
在课堂上，如果使用手动控制，学生和管理员的工作可能会有疏忽。

有可能造成教室灯开着，处于长时间的工作状况，就会造成教室能源出现浪费，系统装有超时报警电路可以很有效地提醒管理员是不是要关闭教室中的灯光。

该电路模块的设计，可以减轻管理人员的负担，可以方便他们对教室中灯光控制的管理，从而保护公共设施，减少资源的浪费。

3 系统软件设计
该系统软件设计的主程序是设计了一个无限循环的过程。

子程序将其分为两部分，一部分为中断子程序，另一部分为功能子程序，子程序之间可以进行嵌套和调用，如中断子程序能对功能子程序进行调用。

针对应用软件的设计过程，需要尽可能地把系统的功能模块写成对应的子程序形式，然后让主程序对其进行对应的调用。

该系统流程图如图2所示：
4 结果分析
在运行系统调试的过程，我们需要对调试的结果进行相应的分析。

注意：焊接时注意区分引脚的封装，在通电之前检查好电源与地是不是还未焊的情况。

如果出现虚焊及时进行补焊。

调试中人存在的教室，若人体超过十秒没有活动，人体传感器是没有信号输出的，怎么知道教室中是否确实有人。

可以在系统软件设计时，将采集有人体信号存在的状态适当延长保持二至五分钟，并加以后续处理。

调试过程集成稳压器在电源供电电路中会出现温度过高的情况。

可以采取低电压的变压器，然后将两只二极管串入到集成稳压器前，达到降压作用。

系统仿真结果如图3所示：
5 结论
该设计实现了教室节能照明的自动控制系统。

为了了解教室的情况，该系統对环境光及人的存在进行检测，利用热释电红外人体传感器检测判断人体的留存，利用光敏电阻实现教室光照强度的检测。

并对检测结果进行控制，从而减少了教室照明的资源浪费。

此外，该系统在实现教室照明的自动开启和关闭的同时，还带有手动操作，当系统智能控制出现失效的时候，可以使用手动操作，不会对教室照明的正常工作产生影响。

该系统对教学照明管理具有重大意义，节约了很多电力资源。

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