型教室照明灯具节能智能控制装置的研究.doc

新型教室照明灯具节能智能控制装置的研究（辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105）摘要：本文介绍并研制了一种对教室照明灯具进行有条件的开灯和熄灭的智能化、人性化、小型化、低成本的智能控制装置，具有节约电能，延长灯具使用寿命的作用。该装置以ATmega16为控制芯片，利用人体红外感应模块和光检测电路，采集亮灯条件，通过处理器的逻辑判断，驱动执行机构，实验表明有效提高教室室内的照明质量，为学生提供良好的学习工作环境，保护学生视力健康。 关键词： 教室照明； ATmega16 ；红外感应； 节能中图分类号： TP361.7 文献标识码：A0引言教室作为学校教学的重要场所，教室中的照明灯具设备数量十分庞大。目前，我国学校教学楼照明用电管理大部分都是有由学生自行控制开启，再由专门负责人在晚自习后关闭灯具3。这种管理模式不同程度的存在着缺陷，如白天光线充足情况下，教室中仍然开灯，势必造成电能的大量浪费，同时也大大缩短了灯具的使用寿命。为解决上述问题，实现教室照明灯具的智能控制，研制出一种新型的节能智能控制装置。该装置以ATmega8为控制芯片，利用人体红外感应模块和光检测电路，采集亮灯条件，通过ATmega8处理器的逻辑判断，驱动执行机构，实现了对日光灯进行有条件的开灯和熄灭控制。即在有人并且光线照度不足的情况下允许亮灯；在其余不符合开灯条件的情况下，不允许开灯以及人走灯灭等功能，并且可以实现在特殊情况下，屏蔽控制装置的控制作用，实现照明灯具的智能控制和节约电能的目的。1硬件电路设计控制装置是以ATmega8为控制芯片，其它外围电路主要包括：系统供电模块、光强检测模块、人体感应模块、红外探头摆动模块、灯光驱动模块以及防盗报警模块。 图1 系统框图Fig1 System block diagram1.1 AVR单片机中ATmega8 ATmega8 的主要优点是高性能、低功耗、价格低廉。芯片本身自带8kB Flash程序存储器、512B 的EEPROM 、1kB 的SRAM 数据存储器、自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路BOD，多个复位源(自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位)，可设置的启动后延时运行程序，以及丰富强大的外部接口，抗干扰能力强,完全可以满足节能控制装置的控制需要。目前支持AVR单片机编译器的语言主要有汇编语言、C语言、BASIC语言等。1.2电源模块系统整个电路需要直流正12V和正5V两种电压。电路原理图如图2所示。 图2电源模块Fig2 Power module1.3光强检测模块1.3.1光敏电阻光敏电阻与其他半导体器件一样，它的特性受温度影响较大。当温度升高时，它的暗电阻变小，其灵敏度下降1。光敏电阻的温度特性仍用温度系数。温度系数定义为：在一定光照下，温度每升高l，光敏电阻阻值的平均变化率，即 式中， R1在一定光照下，温度为T1时的阻值； R2在一定光照下，温度为T2时的阻值。光敏电阻结构很简单，管芯是一块安装在绝缘衬底上的带有两个欧姆接触电极的光电导体2。其体积小，重量轻，性能稳定，价格便宜等，因而在自动化技术中得到广泛应用。1.3.2光强检测电路环境光采集电路原理图如图3所示。（只要模拟量）模拟量输出 当光敏电阻阻值随光线强度变化时，光敏电阻下端的电源也随之变化，利用ATmega16单片机的A/D功能将模拟量转化为数字量，供给单片机使用图3环境光采集电路原理图Fig3 Schematic diagram of environmental light acquisition circuit 1.4人体红外感应模块1.4.1热释电红外传感器自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对温度(-273)就存在分子和原子无规则的运动，其表面就不断地辐射红外线。红外线是一种电磁波，它的波长范围为0.78 1000m，不为人眼所见。热释电红外传感器就是探测这种物体表面辐射的不为人眼所见的红外线的设备5。它反映物体表面的红外辐射场，即温度场，是对温度敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测范围内温度有T的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱的电压V。由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷Q会被空气中的离子所结合而消失即当环境温度稳定不变时，T=0，则传感器无输出。当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生T，则有T输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。所以这种传感器能够检测人体或者动物的活动。由实验证明，传感器不加光学透镜(也称菲涅尔透镜)，其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可大于7m。1.4.2菲涅耳滤光片红外传感器的时间常数越小，则它对红外辐射的响应速度越快。为了提高热释电红外传感器的检测灵敏度，还必须配合一种特殊设计的由塑料制成的光学透镜（菲涅尔透镜）使用6。热释电元件将波长在8-12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。 人体在检测区内活动时，一离开一个透镜单元的视场，又会立即进入另一个透镜单元的视场，（因为相邻透镜单元之间相隔很近），传感器上就出现随人体移动的盲区和可见区，导致传感器的温度变化，而输出电信号，从而使热释电人体红外传感器灵敏度大大增加。如图4所示。图4 菲涅耳滤光片Fig4 Fresnel filter1.5继电器驱动接口电路继电器为密封封装形式，线圈额定电压为12V DC，触点组合形式为先断后合转换触点。继电器由相应的PNP型号的9012三极管来驱动，开机时，单片机初始化后的P0.0为高电平，三极管截止，所以开机后继电器始终处于释放状态，如果P0.0为低电平，三极管的基极就会被拉低而产生足够的基极电流，使三极管导通，继电器就会得电吸合，从而驱动负载，点亮相应电灯。每个继电器都有一对常开常闭的触点，便于在其他电路中使用，继电器线圈两端反相并联的二极管1N4148是起到吸收反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管，图5为照明灯具驱动电路原理图。图5 照明灯具驱动电路原理图Fig5 Schematic diagram of illumination lamps and lanterns driving circuit1.6红外探头摆动单元 由于人体传感器感应的是有活动的人体，若人体静止时，如坐着看书没有活动，这时人体传感器将变为饱和状态，饱和状态下是不会有信号输出的，所以将人体传感器装置制作成摆动模式。该摆动模块主要由ULN2003驱动步进电机构成。图6为摆动单元的电路原理图。图6 摆动单元的电路原理图Fig6 Schematic diagram of swing unit1.7防盗报警部分考虑到系统使用的重要传感器为人体感应探头，该探头的特点就是只对人体发出的红外线产生感应，因此，在夜间本系统可以充当防盗报警器的作用。系统设计有节能或报警两种状态。当系统切换到报警状态（持续按下节电/报警切换开关超过2秒钟）后，红灯（报警状态指示灯）闪烁30秒，闪烁期间红外探头自动转向门口或者窗口等敏感区域（该部分转动程序可根据实际情况调整），报警器不报警，该段时间设计为方便启动人员及时撤离现场，防止误报；30秒撤离时间结束后，报警状态指示灯持续点亮，系统处于报警状态。报警状态期间，如果有人闯入检测范围内，则报警喇叭发出响亮、持续的报警音，起到震慑罪犯的目的。图7为报警部分电路原理图。图7报警部分电路原理图Fig7 Schematic diagram of alarming part报警状态启动后光强检测、灯光驱动以及红外探头摆动部分都将停止工作。人体感应系统持续监控关键区域；关闭报警状态时，只需按住节电/报警开关时间超过2秒，这时绿灯点亮，单片机同时接受光强检测与人体感应两部分的信号，并通过输出信号驱动摆动单元和日光灯的运作，系统进入了节电自动控制状态。1.8结论该节能智能控制装置是以ATmega8主控单元为核心，以环境光、人体存在状况等外界环境为控制器的输入参数，通过相关电路的驱动，完成对照明灯具的智能控制。比单纯的人员管理教室灯光更合理，更加有效利用教室照明灯具资源，节约大量电能。经实验初步证实了系统具有很好的稳定性，提高了电能资源的利用率。因此研究设计低成本、简便、实用的教室教室照明节能控制装置便具有重要的现实意义。1.9参考文献1张达敏. 教室照明智能控制器J. 贵州工业大学学报(自然科学版).2003.2.