2018年03月18日 | 使用单片机的智能照明控制系统的设计

    引 言

    自然资源是自然界中能被人类利用的各种物质和能量，是人类进行生产活动和生活的基础，是人类生存和发展的物质保证和物质基础，是人类社会可持续发展的基石。伴随着技术的不断发展和更新，人类对自然资源的开发和利用程度越来越大，但是自然资源的数量是有限的，可再生资源的再生能力远远赶不上利用速度，当前这一历史时期中，自然资源的枯竭速度已经创造了历史。然而在实际社会中，人们似乎还没有意识到能源将给社会、地球带来的危机，能源浪费的现象十分普遍，大量能耗白白浪费掉，不仅浪费了资源，还污染了环境。

    能源浪费的现象在照明上表现得十分明显，许多需要长时间照明的设备和场所如学校的教室、图书馆、阅览室、工厂、办公楼、地铁等公共场所照明系统的电耗惊人。这些耗电量较高的照明系统中，一些电量的正常使用是不可或缺的，但由于使用和管理人员的责任心不强、环保意识差、缺乏科学的照明控制系统等因素造成的不必要的电量浪费就难免让人心疼。例如在夜间室内无人时，照明仍然常亮，设备区的长明灯一年耗费的电量惊人，许多白天光照强度完全足够的区域照明也一直常亮，这种现象造成了诸多不必要的能源浪费和不必要的经济损失。

    据相关数据统计，北京科技大学的公共教学楼每天少开灯1 h,每年就可节约电量150 000 kW· h,约合节约人民币10 万元。由此可见，照明系统上的节能控制十分有必要，然而如何在保证实际照明需要的情况下，不增加管理人员的工作量，既保证照明质量，又能实现自动智能化控制，从而实现节约能源的控制系统能够通过什么样的方式研制出来是摆在我们面前的一道迫切需要解决的难题。本文通过单片机的数据控制功能采用红外热电传感器实现系统自动判断一定区域内的人员数量，从而自动控制照明亮度的控制系统是解决这一难题的有效手段，通过单片机对传感器采集数据的收集、判断与控制实现了节能控制照明系统，保证区域内的照明亮度，在保证实际使用功效的目标下，达到有效节约能源的目的。单片机在照明节能控制系统中的应用不仅具有良好的经济效益，更具有极好的社会效益，同时也对环保、可持续发展产生深远影响。

    1 节能控制系统总体结构和工作原理

    为了实现满足一定区域内人员的光照照度需求，节约无效损耗的能源，从而实现能源节约，节能控制系统通过光敏元件即红外热电传感器或人体感应器收集环境数据。当光敏元件检测自然光照达到预定的某一数值时，这一数值被认为当前的自然光照已经达到了区域内使用者的光照要求，因此无需启动照明设备。当光敏元件检测到自然光照地域设定的数值时，表明自然光照不充足，需要补充照明，此时，安装在区域内的人体感应装置或热释电传感器开始收集人体感应信号，相应区域的照明设备被联通并启动。在人离开后，人体感应装置或热释电传感器在一定时间段内收集不到人体感应信号，则认为区域内没有人员存在，无需光照，则照明设备中断并关闭。实验发现热释电传感器在检测人体信号时通常对运动的人体信号检测精度较高，而对静止的人体信号传感器检测精度较差。

    而通常在一定区域内的人，例如教室或图书馆中的需要光照的人体，常常处于静止状态，因此为防止人体静止时传感器给照明设备发送错误的信号，导致照明关闭，在设计节能控制系统时加入了红外对射计数装置检测区域内的人体数量，通过人数判断区域内的人是否确实离开。通过双重的检测方式大大提高了人体检测的精度和智能化控制节能系统的科学性和可靠性，从而达到真正智能控制照明系统，节约能源的目的。

    图1 所示为节能控制系统总体结构。

    2 节能控制系统的总体功效

    区域内灯光节能控制器通过单片机的内部程序实现对区域内照明灯管系统进行自动化智能控制和调节。从整个系统的功能效果来看，其系统的输入参数主要是区域内人体存在信号、环境温湿度、光照强度等特征信息当量。即：在区域内检测到有人存在时，结合环境温湿度、环境光照等外部因素，动态判断是否开启灯光系统以及照明灯具相互节能匹配方案等。

    当环境光照等满足区域内照明规范需求时，就会控制灯具不打开，即只有当区域内存在学习人员且外部环境光照强度参数达到某种阈值条件以下时，在内部计算分析判断合理调节照明灯具开启匹配方案，达到区域内照明灯光高效稳定节能运行效果。为了实现对区域内照明系统进行高效节能而又能灵活控制，且不耗费多余的人力、物力，系统采用单片机作为控制系统的核心控制器，同时辅助以人体感应装置或热释电传感器、红外对射计数装置、光敏元件检测装置等硬件系统保证控制系统的可靠性和准确性。结合各种传感器采集的区域实际数据，结合硬件实现信号的传输和控制器的分析处理，实现节能控制系统对局域内照明系统自动化、智能化节能控制。

    3 节能控制系统的设计方案

    设计采用热释电传感器作为光照检测和热释电信号处理电路的集成化模块，模块包括PIR 热释电传感器和veneer 透镜以及信号综合处理芯片。所用热释电传感器模块在加上veneer 透镜时感应距离可达到7 m,感应角度可达到110°。因为热释电传感器输出的信号幅值较小( 小于1 mV)，不能被单片机所接收，更不能直接用于驱动照明系统，所以其输出信号必须经过1 个信号处理电路，使得输出信号转变成适合单片机处理的数字信号。BISS0001 作为综合处理芯片，具有高性能的信号处理能力和高度集成的芯片，内含运算放大器、定时器、状态控制器、电压比较器等元器件，集成芯片可以和热释电传感器、红外传感器构成被动式热释电红外延时开关。

    系统软件设计的主要思路是对红外计数器和热释电传感器双重检测的数据进行双重检测，纠正相互之间的数据收集误差和错误，并完成延时控制的功能，主程序流程如图2 所示。

    当某一个热释电传感器的检测位置没有人体感应信号时，系统并不能确定该处是否有人员存在，这时需要红外对射管计数装置对此处人员进行二次确认。如果红外对射管计数装置的误差存在，假如误差为1 人，那么主程序必须认为只有当该位置人数大于1 时才可返回主程序继续监测[3].当主程序检测到人数增加时，延时20 s 后，热释电传感器检测人员位置，然后给照明设备开启改位置照明的信号，从而开启此次照明设备，并保持其他位置的照明设备状态不变。

    4 结 语

    照明节能控制系统通过单片机和热释电传感器、红外对射计数装置等硬件装置在保证满足一定区域内人员照明需要的情况下，不增加管理人员的工作量，实现智能控制照明系统，极大限度地节约了能源，实现了智能化节能控制。实践证明，本控制系统有良好的经济效益和社会效益。