基于PIC单片机的教室照明系统节能控制器设计

摘要：教学楼教室的照明由学生自行控制开启与关闭，因此，在白天自然光很强的情况下，教室内的长明灯仍到处可见。基于PIC单片机的教室照明系统节能控制器系统，在白天光线达到一定照度时，教室照明灯自动关闭，当教室内光线的照度下降到一定程度时自动开启照明灯，另外该控制器还能根据进入教室学生的多少来控制照明灯开启的数量，达到节能的目的。
关键词：PIC单片机；教室照明；节能控制

0 引言
    教学楼照明用电的管理一般有三种模式：一是无专人管理，由学生自行控制开启与关闭；二是利用定时开关，根据作息时间开启和关闭整个教学楼的照明电源；三是由专人负责，即管理人员根据作息时间和天气情况分层送电。但在大多数高校，照明用电管理采用的是第一种模式，由于大多数人的节能意识淡薄，并且强光下人的眼睛对弱光不敏感，在自然光照大于灯具光照的情况下，难以觉察到灯光的存在，因此，在白天自然光很强的情况下，教室内的长明灯仍到处可见。根据不完全统计：80％的教学楼存在着在白天光照良好以上的情况下和在
午休时间出现长明灯的现象。一个教室的长明灯，看起来耗能不大，但是从整个学校来看，却是一个不小的数字，这是一种极大的浪费。造成电能浪费的现象除了节能意识薄弱外，另一个重要的原因就是节能的硬件设施跟不上。
    为此，根据学校的实际情况，设计与实施教室照明节能控制系统，在白天光线达到一定照度时，教室照明灯自动关闭，当教室内光线的照度下降到一定程度时照明灯自动开启，在充分保证教室照度的前提下，达到节能的目的。
    本项目研究的内容：使用PIC16F877单片机为主控芯片，采用信息(进入教室人数的多少，教室内从门口到窗户的自然光照度的强弱)融合技术，来自动判定教室内开灯的多少；控制器具有时钟功能，能够在竣定的时间段内进入低功耗模式，基本不消耗电能；控制器具有RS485数据传输功能，能够与其它控制器进行组网实现大规模的网络化管理。

1 系统基本组成及硬件设计
    系统结构图如图1所示。本系统为教室照明系统节能控制系统，是专门为高校教学楼照明用电的管理而设计的产品，系统主要由时钟模块、光照强度检测模块、人数采集模块、显示模块、继电器控制模块、通信模块六部分组成。

     本系统的光照强度检测电路由光敏电阻及处理电路实现，人数采集模块由两组激光对管实现，时钟信号由ds1302时钟芯片提供，用数码管来显示教室人数和时间情况。通信模块通过RS485来管理。工作时，光照检测电路、激光对管及处理电路和ds1302时钟芯片分别采集光照强弱、教室人数、时间等信息送到单片机，单片机根据这些信息通过控制电路对照明设备进行操作，从而实现本系统要求的功能。
    系统控制单元选用PIC16F877A单片机，该型号单片机具有指令系统精简、硬件系统设计简洁与高集成度的特点，且单片机功耗较低，价格合理性价比较高。
1．1 时钟模块
    采用ds1302时钟芯片，作为整个系统的时钟信号来源，再结合软件定时能够达到对照明灯控制系统定时开关的目的。下图为时钟部分接线电路。

1．2 通信模块
    RS485接口的通讯协议采用MODBUS标准通讯协议，该控制器可以作为从机与具有相同通讯接口并采用相同通讯协议的上位机(如单片机、PC机)通讯，实现对控制器的集中监控，通过该通讯口也可以接远控键盘。实现用户对该控制器的远程操作。图3是其电路连接图。

1．3 继电器控制模块
    该模块由两片高耐压、大电流复合晶体管阵列ULN2003和一片741s595组成，其中741s595可实现串行输入并行输出并带有数据锁存功能，与单片机通信只需两条信号线，这样大大节省了单片机的I／O资源。ULN2003工作电压高、工作电流大、灌电流可达500mA，并且能够在开关态时承受50V的高压，足以驱动直流继电器。电路图如图4所示。

1．4 光照强度检测模块
    光强检测模块由光敏电阻、滑动变阻器和电压比较器组成。通过调节滑动变阻器来改变该模块对光强的敏感程度，电压比较器采用电平比较方式将信号直接输入给单片机，可有效防止边沿跳变，保证信号有效性。电路图如图5所示。

1．5 显示模块
    该模块由4位一体共阴极数码管和MAX7219专用数码管驱动芯片组成，芯片与单片机仅有3根信号线相连，通信十分方便。芯片包含一个150 μA的低功耗关闭模式，模拟和数字亮度控制，系统进入低功耗模式时，该模块也可进入低功耗状态，可大大减小控制器的功耗。电路图如图6所示。

1．6 人数检测模块
    人数检测模块由两对激光发射管和接收管组成，安装在教室门框的适当高度上，前后安装。由于接收管只能接收调制光且调制光在180kHz占空比20～30％时接收效果最好，这样便有效避免了外界光源对传感器的干扰，且激光的聚光性好直线传播距离选，可以减少相邻传感器之间的相互干扰并能大大减小传感器的体积，便于传感器的安装。电路图如图7所示。

2 系统软件设计

    系统软件设计的基本思想是：尽可能多地利用软件来代替硬件，使成本降低，修改方便。因此采用了模块设计的方法，整个系统是通过不断调用子程序和接受中断服务来完成工作的。由于白天太阳光亮度较强，除光敏检测部分外，其他部分都处在空闲状态，而在晚上10点半后几乎没有同学在上自习，一直到第二天早上为止系统都处在空闲状态，所以降低功耗也是软件设计的一大任务；因而在通过软件控制硬件工作时，在空闲肘间尽量使整个电路处在低功耗状态。系统启动后，先初始化各个硬件模块。由软件实现从时钟和光敏检测模块读取时间和亮度情况，并判断其值是否满足预设值，若满足则打开相应的照明灯，不满足则进入低功耗模式。正常模式时先检测是否光照度能满足学习的条件，白天当光照度低于学习条件时开启照明灯，到晚上时利用门口的激光管来检测进入教室的人数，来判断需要开的照明灯的盏数。低功耗模式时，则需要通过外部中断来唤醒微控制器，从而使PIC16F877启动并开始工作，进入读取检测循环。

3 结论
    本系统是利用激光对管来检测进入教室的人数，利用光敏电阻检测教室内光照度，与高性能的PIC单片机结合，组成性能稳定、控制准确、成本低、功耗低的系统，市场前景良好。本系统可扩展加装无线远传控制模块，使其具备报警等远程服务，还可以计算照明时间长度及开的灯的盏数，可以粗略计算用电量。本系统的功能通过PROTUES完全仿真，通过并做出了模拟样机。