基于單片機(jī)的智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計

0 引 言

自然資源是自然界中能被人類利用的各種物質(zhì)和能量，是人類進(jìn)行生產(chǎn)活動和生活的基礎(chǔ)，是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)保證和物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類社會可持續(xù)發(fā)展的基石。伴隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，人類對自然資源的開發(fā)和利用程度越來越大，但是自然資源的數(shù)量是有限的，可再生資源的再生能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上利用速度，當(dāng)前這一歷史時期中，自然資源的枯竭速度已經(jīng)創(chuàng)造了歷史。然而在實際社會中，人們似乎還沒有意識到能源將給社會、地球帶來的危機(jī)，能源浪費的現(xiàn)象十分普遍，大量能耗白白浪費掉，不僅浪費了資源，還污染了環(huán)境。

能源浪費的現(xiàn)象在照明上表現(xiàn)得十分明顯，許多需要長時間照明的設(shè)備和場所如學(xué)校的教室、圖書館、閱覽室、工廠、辦公樓、地鐵等公共場所照明系統(tǒng)的電耗驚人。這些耗電量較高的照明系統(tǒng)中，一些電量的正常使用是不可或缺的，但由于使用和管理人員的責(zé)任心不強(qiáng)、環(huán)保意識差、缺乏科學(xué)的照明控制系統(tǒng)等因素造成的不必要的電量浪費就難免讓人心疼。例如在夜間室內(nèi)無人時，照明仍然常亮，設(shè)備區(qū)的長明燈一年耗費的電量驚人，許多白天光照強(qiáng)度完全足夠的區(qū)域照明也一直常亮，這種現(xiàn)象造成了諸多不必要的能源浪費和不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，北京科技大學(xué)的公共教學(xué)樓每天少開燈1 h,每年就可節(jié)約電量150 000 kW· h,約合節(jié)約人民幣10 萬元。由此可見，照明系統(tǒng)上的節(jié)能控制十分有必要，然而如何在保證實際照明需要的情況下，不增加管理人員的工作量，既保證照明質(zhì)量，又能實現(xiàn)自動智能化控制，從而實現(xiàn)節(jié)約能源的控制系統(tǒng)能夠通過什么樣的方式研制出來是擺在我們面前的一道迫切需要解決的難題。本文通過單片機(jī)的數(shù)據(jù)控制功能采用紅外熱電傳感器實現(xiàn)系統(tǒng)自動判斷一定區(qū)域內(nèi)的人員數(shù)量，從而自動控制照明亮度的控制系統(tǒng)是解決這一難題的有效手段，通過單片機(jī)對傳感器采集數(shù)據(jù)的收集、判斷與控制實現(xiàn)了節(jié)能控制照明系統(tǒng)，保證區(qū)域內(nèi)的照明亮度，在保證實際使用功效的目標(biāo)下，達(dá)到有效節(jié)約能源的目的。單片機(jī)在照明節(jié)能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，更具有極好的社會效益，同時也對環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

1 節(jié)能控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和工作原理

為了實現(xiàn)滿足一定區(qū)域內(nèi)人員的光照照度需求，節(jié)約無效損耗的能源，從而實現(xiàn)能源節(jié)約，節(jié)能控制系統(tǒng)通過光敏元件即紅外熱電傳感器或人體感應(yīng)器收集環(huán)境數(shù)據(jù)。當(dāng)光敏元件檢測自然光照達(dá)到預(yù)定的某一數(shù)值時，這一數(shù)值被認(rèn)為當(dāng)前的自然光照已經(jīng)達(dá)到了區(qū)域內(nèi)使用者的光照要求，因此無需啟動照明設(shè)備。當(dāng)光敏元件檢測到自然光照地域設(shè)定的數(shù)值時，表明自然光照不充足，需要補(bǔ)充照明，此時，安裝在區(qū)域內(nèi)的人體感應(yīng)裝置或熱釋電傳感器開始收集人體感應(yīng)信號，相應(yīng)區(qū)域的照明設(shè)備被聯(lián)通并啟動。在人離開后，人體感應(yīng)裝置或熱釋電傳感器在一定時間段內(nèi)收集不到人體感應(yīng)信號，則認(rèn)為區(qū)域內(nèi)沒有人員存在，無需光照，則照明設(shè)備中斷并關(guān)閉。實驗發(fā)現(xiàn)熱釋電傳感器在檢測人體信號時通常對運動的人體信號檢測精度較高，而對靜止的人體信號傳感器檢測精度較差。

而通常在一定區(qū)域內(nèi)的人，例如教室或圖書館中的需要光照的人體，常常處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此為防止人體靜止時傳感器給照明設(shè)備發(fā)送錯誤的信號，導(dǎo)致照明關(guān)閉，在設(shè)計節(jié)能控制系統(tǒng)時加入了紅外對射計數(shù)裝置檢測區(qū)域內(nèi)的人體數(shù)量，通過人數(shù)判斷區(qū)域內(nèi)的人是否確實離開。通過雙重的檢測方式大大提高了人體檢測的精度和智能化控制節(jié)能系統(tǒng)的科學(xué)性和可靠性，從而達(dá)到真正智能控制照明系統(tǒng)，節(jié)約能源的目的。

圖1 所示為節(jié)能控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。

2 節(jié)能控制系統(tǒng)的總體功效

區(qū)域內(nèi)燈光節(jié)能控制器通過單片機(jī)的內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)對區(qū)域內(nèi)照明燈管系統(tǒng)進(jìn)行自動化智能控制和調(diào)節(jié)。從整個系統(tǒng)的功能效果來看，其系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)主要是區(qū)域內(nèi)人體存在信號、環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度等特征信息當(dāng)量。即：在區(qū)域內(nèi)檢測到有人存在時，結(jié)合環(huán)境溫濕度、環(huán)境光照等外部因素，動態(tài)判斷是否開啟燈光系統(tǒng)以及照明燈具相互節(jié)能匹配方案等。

當(dāng)環(huán)境光照等滿足區(qū)域內(nèi)照明規(guī)范需求時，就會控制燈具不打開，即只有當(dāng)區(qū)域內(nèi)存在學(xué)習(xí)人員且外部環(huán)境光照強(qiáng)度參數(shù)達(dá)到某種閾值條件以下時，在內(nèi)部計算分析判斷合理調(diào)節(jié)照明燈具開啟匹配方案，達(dá)到區(qū)域內(nèi)照明燈光高效穩(wěn)定節(jié)能運行效果。為了實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)照明系統(tǒng)進(jìn)行高效節(jié)能而又能靈活控制，且不耗費多余的人力、物力，系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心控制器，同時輔助以人體感應(yīng)裝置或熱釋電傳感器、紅外對射計數(shù)裝置、光敏元件檢測裝置等硬件系統(tǒng)保證控制系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。結(jié)合各種傳感器采集的區(qū)域?qū)嶋H數(shù)據(jù)，結(jié)合硬件實現(xiàn)信號的傳輸和控制器的分析處理，實現(xiàn)節(jié)能控制系統(tǒng)對局域內(nèi)照明系統(tǒng)自動化、智能化節(jié)能控制。

3 節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計方案

設(shè)計采用熱釋電傳感器作為光照檢測和熱釋電信號處理電路的集成化模塊，模塊包括PIR 熱釋電傳感器和veneer 透鏡以及信號綜合處理芯片。所用熱釋電傳感器模塊在加上veneer 透鏡時感應(yīng)距離可達(dá)到7 m,感應(yīng)角度可達(dá)到110°。因為熱釋電傳感器輸出的信號幅值較小( 小于1 mV)，不能被單片機(jī)所接收，更不能直接用于驅(qū)動照明系統(tǒng)，所以其輸出信號必須經(jīng)過1 個信號處理電路，使得輸出信號轉(zhuǎn)變成適合單片機(jī)處理的數(shù)字信號。BISS0001 作為綜合處理芯片，具有高性能的信號處理能力和高度集成的芯片，內(nèi)含運算放大器、定時器、狀態(tài)控制器、電壓比較器等元器件，集成芯片可以和熱釋電傳感器、紅外傳感器構(gòu)成被動式熱釋電紅外延時開關(guān)。

系統(tǒng)軟件設(shè)計的主要思路是對紅外計數(shù)器和熱釋電傳感器雙重檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行雙重檢測，糾正相互之間的數(shù)據(jù)收集誤差和錯誤，并完成延時控制的功能，主程序流程如圖2 所示。

當(dāng)某一個熱釋電傳感器的檢測位置沒有人體感應(yīng)信號時，系統(tǒng)并不能確定該處是否有人員存在，這時需要紅外對射管計數(shù)裝置對此處人員進(jìn)行二次確認(rèn)。如果紅外對射管計數(shù)裝置的誤差存在，假如誤差為1 人，那么主程序必須認(rèn)為只有當(dāng)該位置人數(shù)大于1 時才可返回主程序繼續(xù)監(jiān)測[3].當(dāng)主程序檢測到人數(shù)增加時，延時20 s 后，熱釋電傳感器檢測人員位置，然后給照明設(shè)備開啟改位置照明的信號，從而開啟此次照明設(shè)備，并保持其他位置的照明設(shè)備狀態(tài)不變。

4 結(jié) 語

照明節(jié)能控制系統(tǒng)通過單片機(jī)和熱釋電傳感器、紅外對射計數(shù)裝置等硬件裝置在保證滿足一定區(qū)域內(nèi)人員照明需要的情況下，不增加管理人員的工作量，實現(xiàn)智能控制照明系統(tǒng)，極大限度地節(jié)約了能源，實現(xiàn)了智能化節(jié)能控制。實踐證明，本控制系統(tǒng)有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。