公用照明設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引言

2009年12月7日-18日在丹麥?zhǔn)锥几绫竟匍_的被喻為“拯救人類的最后一次機(jī)會(huì)”的哥本哈根會(huì)議中，有關(guān)專家嚴(yán)正提出全球必須停止增加溫室氣體排放，節(jié)能減排。電力作為一種方便卻不可再生的二次能源，隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的加速，盡管電力工業(yè)發(fā)展速度很快，但其需求量也不斷攀升，電力緊張狀況依然相當(dāng)嚴(yán)峻。尤其是近些年來我國(guó)電網(wǎng)的負(fù)荷越來越大，甚至已經(jīng)不堪重負(fù)，在用電高峰期，很多地區(qū)不得不采用拉閘限電的措施來緩解用電壓力。不僅如此，對(duì)于火電生產(chǎn)排放的二氧化硫污染也著實(shí)令人擔(dān)憂。在我國(guó)，基本消除酸雨污染所允許的最大二氧化硫排放量為1 200~1 400 萬噸，但在2003 年我國(guó)二氧化硫排放量就達(dá)到了2 158.7萬噸，比2002年增長(zhǎng)約[1]12%.按照目前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度以及污染控制方式和力度，到2020年，全國(guó)僅火電廠排放的二氧化硫就將達(dá)2 100萬噸以上，全部排放量將超過大氣環(huán)境容量1倍以上，這對(duì)生態(tài)環(huán)境和民眾健康將是一場(chǎng)嚴(yán)重災(zāi)難[2],所以節(jié)能減排刻不容緩。

許多發(fā)達(dá)國(guó)家和部分發(fā)展中國(guó)家先后制定了“綠色照明工程”計(jì)劃，并取得了顯著效果。我國(guó)“十一五規(guī)劃”也明確提出了“建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)”

的發(fā)展目標(biāo)。本文的目的是試圖在某些公共場(chǎng)所，比如學(xué)校圖書館設(shè)置一些設(shè)備使得能源能夠合理節(jié)約地加以利用，這些地方是出入人數(shù)較多的，所以這些地方的燈光照明幾乎是從上班開始直到下班為止，不管這些地方是否有人，也不管有多少人，造成了很多不必要的電力資源浪費(fèi)?？萍家匀藶楸?，從人的需求出發(fā)：即在有人活動(dòng)的地方必須有足夠的照度(無論是日照還是人工照度);沒有人的區(qū)域，應(yīng)該熄滅燈光，以節(jié)約能源。這項(xiàng)設(shè)計(jì)響應(yīng)“節(jié)能減排”的要求，有一定的實(shí)際意義。

1 公用照明節(jié)能設(shè)計(jì)的整體思路

本設(shè)計(jì)的整體思路為：平時(shí)的借閱室，閱覽的人數(shù)不多。若當(dāng)日光線十分充足，則不管進(jìn)入多少人燈都不開。充分利用自然光。

若當(dāng)日光線一般，根據(jù)本學(xué)校圖書館閱覽室的實(shí)際情況，假如每個(gè)閱覽自習(xí)室靠窗的座位有10座，靠窗座位光線較亮，一般同學(xué)進(jìn)入，若室內(nèi)燈未打開就會(huì)自動(dòng)坐到靠窗的座位，利用自然光線，節(jié)約電能;當(dāng)進(jìn)入人數(shù)超過10人，同學(xué)只能坐在其他位置，此時(shí)若室內(nèi)光線不夠，則觸發(fā)開關(guān)打開。若室內(nèi)光線過暗，則只要有人進(jìn)入，燈就被觸發(fā)打開。

本次設(shè)計(jì)主要進(jìn)行小范圍模擬實(shí)現(xiàn)上述功能，對(duì)輸入輸出單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成一盞燈的控制。具體模塊包括光控制繼電器電路和紅外計(jì)數(shù)器電路，并通過與門電路連接。需要兩組光控繼電器電路和紅外線計(jì)數(shù)器組合：第一組的光控繼電器電路置于借閱室靠近窗口1 m的天花板處，第二組的光控繼電器置于借閱室中央的天花板頂部。兩組的紅外計(jì)數(shù)器均置于借閱室入口處。

如圖1所示。

如上所述控制設(shè)計(jì)主要涉及3種情況：

(1)當(dāng)光線較暗時(shí)，根據(jù)建筑光照標(biāo)準(zhǔn)，閱讀所需光強(qiáng)為[3]250~750 lx,即窗口處光感器(第一組)感應(yīng)光強(qiáng)低于500 lx時(shí)，當(dāng)有人進(jìn)入門口，第一組計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)1,則觸發(fā)燈打開。

(2)當(dāng)光線一般時(shí)，窗口光強(qiáng)足夠，但室內(nèi)不夠，即借閱室中間處的光感器(第二組)感應(yīng)光強(qiáng)低于500 lx,但窗口(第一組)光感強(qiáng)度大于500 lx,則當(dāng)有人進(jìn)入，第二組計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)10人時(shí)，觸發(fā)燈打開。

(3)當(dāng)光線較亮?xí)r，兩個(gè)光感強(qiáng)度均大于500 lx,則無論進(jìn)多少人，燈都不打開。

由于兩組電路除了計(jì)數(shù)器預(yù)設(shè)值不同其他都一樣，預(yù)設(shè)值也只需直接調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)器，因而在制作過程中，為了節(jié)省材料，只制作了一組電路。

2 光控開關(guān)的設(shè)計(jì)

光控開關(guān)電路主要完成光強(qiáng)感應(yīng)，當(dāng)照度低于預(yù)設(shè)值時(shí)，繼電器吸合輸出高電平。這個(gè)光控開關(guān)分別置于圖書館借閱室最中央的頂部以及距離窗口處1 m 的頂部。主要由一光敏電阻為主要原件的光暗控制開關(guān)電路和以L7808CV為主要原件的穩(wěn)壓電源電路組成。根據(jù)光敏電阻的光照特性可以得出光敏電阻所在環(huán)境光照越強(qiáng)，電流越高，也就是電阻越大。根據(jù)這一特性設(shè)計(jì)的光控繼電器電路如圖2所示。

電路工作電壓為9~15 V,電阻R1、R2及光敏電阻R3構(gòu)成分壓電路，當(dāng)光線暗至一定程度時(shí)，光敏電阻電阻值上升，使VT1 的基極電壓上升，直至能使VT1,VT2 導(dǎo)通，電流達(dá)到額定的值時(shí)直流電磁繼電器J(JZC?32F)吸合，也就是開關(guān)打開。圖中R1 用于動(dòng)作靈敏度調(diào)節(jié)。

根據(jù)在本次設(shè)計(jì)中圖書閱覽室內(nèi)學(xué)生閱讀對(duì)光照強(qiáng)度的需要為[3]200~750 lx,調(diào)節(jié)R1,使光照度降至約500 lx時(shí)，整個(gè)電路啟動(dòng)，繼電器開關(guān)打開，OUT端由0 V變?yōu)?.45 V.完成預(yù)計(jì)目的。在使用過程中，為了便于辨別開關(guān)是否打開，在繼電器輸出端安裝一盞LED燈，接通電源，當(dāng)室內(nèi)光線低至500 lx 時(shí)開關(guān)打開同時(shí)LED 燈亮。

由于該電路的光觸發(fā)電平受電源電壓的影響較大，為了減少誤差，加入一個(gè)穩(wěn)壓電路，圖3 是由L7808CV為主要元件的經(jīng)典穩(wěn)壓電路。

連接兩部分后制成整體電路如圖4所示。

3 基于紅外傳感器的計(jì)數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用紅外傳感器感應(yīng)人體，當(dāng)有人通過大門時(shí)，輸出一次低電平觸發(fā)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器記錄進(jìn)入圖書館的人數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器數(shù)值達(dá)預(yù)設(shè)值時(shí)，計(jì)數(shù)器輸出低電平。

通過一個(gè)非門74LS04,將輸出低電平轉(zhuǎn)為高電平輸出，為了便于辨別，在輸出端加一LED燈，燈亮則表示有高電平輸出。整個(gè)電路主要有三部分組成：穩(wěn)壓電路、紅外傳感器、計(jì)數(shù)顯示系統(tǒng)。紅外傳感器電路的工作電壓為3~12 V,本設(shè)計(jì)選擇5 V電壓，當(dāng)有人體通過感應(yīng)頭時(shí)，OUT 端輸出一個(gè)低電平，約為0.16 V.CL102 是計(jì)數(shù)、鎖存、七段譯碼、驅(qū)動(dòng)顯示四合一的組合集成電路。

由于該集成電路集成度高，邏輯功能強(qiáng)，顯示裝置減少了連線，不但使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，使用更加方便，還可提高抗震性能。電源部分使用變壓器降壓、集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，可確保電路工作更穩(wěn)定，使用更安全。工作電壓也為5 V,當(dāng)觸發(fā)端有低平電壓輸入，觸發(fā)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，直至設(shè)定預(yù)設(shè)值，由CP端輸出低電平。整體電路圖如圖5所示。

如圖5所示，紅外傳感器的工作電壓為5 V,作用距離為0~2 m.將紅外傳感器安裝在閱覽自習(xí)室的門口位置。電源打開后，當(dāng)有人體通過大門，紅外傳感器感應(yīng)由OUT 端輸出一個(gè)低電平，由此通過低電平觸發(fā)端觸發(fā)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。并在顯示屏中顯示目前位置的數(shù)值。

如此重復(fù)，直至數(shù)值到達(dá)預(yù)設(shè)的值，計(jì)數(shù)器端口5信號(hào)輸出端輸出一個(gè)低電平，經(jīng)過非門74LS04 變?yōu)楦唠娖剑敵鲭妷褐涤?.16 V變?yōu)?.79 V,同時(shí)LED燈亮。

4 部件連接

為了實(shí)現(xiàn)當(dāng)光控繼電器感光度達(dá)到一定值以下的同時(shí)計(jì)數(shù)器達(dá)到一定值才觸發(fā)總開關(guān)，需要一個(gè)與門將兩個(gè)電路相與，將紅外計(jì)數(shù)器電路與光感控制器電路輸出端分別連接到與門芯片CD4081 的兩個(gè)輸入端，CD4081的輸出端即為最終的電源控制輸出。見圖6.

這是其中一組的設(shè)計(jì)，實(shí)際電路中需要兩組，將兩組電路再次經(jīng)過一個(gè)與門，即可實(shí)現(xiàn)全過程。窗口的光線一定比室內(nèi)光線亮。定義窗口照度為L(zhǎng)1,室內(nèi)中央照度為L(zhǎng)2,光感器觸發(fā)照度為L(zhǎng)3.光線較亮?xí)r，L1≥L2≥L3,無論是窗口還是室內(nèi)光感都不會(huì)被觸發(fā)，燈不開;光線一般時(shí)，L1≥L3≥L2,室內(nèi)光感器觸發(fā)，燈即亮;光線較暗時(shí)，L3≥L1≥L2窗口光感器觸發(fā)，燈即亮。

6 結(jié)語

本文以學(xué)校圖書館借閱室的照明燈為例，結(jié)合電子專業(yè)的技術(shù)知識(shí)，通過設(shè)計(jì)電路圖以及對(duì)電路圖的仿真，并應(yīng)用相關(guān)電子元器件，設(shè)計(jì)出一個(gè)節(jié)能控制電路，根據(jù)當(dāng)日的光照水平和閱覽室內(nèi)學(xué)生人數(shù)，決定照明燈的開關(guān)， 實(shí)物運(yùn)行效果良好，不僅節(jié)省了很多不必要的電力資源浪費(fèi)，還使得能源能夠合理節(jié)約。這項(xiàng)設(shè)計(jì)響應(yīng)“節(jié)能減排”的要求，有一定的實(shí)際意義。