基于單片機(jī)的智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(dòng)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(huì)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(duì)自然資源的開發(fā)和利用程度越來(lái)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(shí)期中，自然資源的枯竭速度已經(jīng)創(chuàng)造了歷史。然而在實(shí)際社會(huì)中，人們似乎還沒(méi)有意識(shí)到能源將給社會(huì)、地球帶來(lái)的危機(jī)，能源浪費(fèi)的現(xiàn)象十分普遍，大量能耗白白浪費(fèi)掉，不僅浪費(fèi)了資源，還污染了環(huán)境。

能源浪費(fèi)的現(xiàn)象在照明上表現(xiàn)得十分明顯，許多需要長(zhǎng)時(shí)間照明的設(shè)備和場(chǎng)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(chǎng)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(shí)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(fèi)就難免讓人心疼。例如在夜間室內(nèi)無(wú)人時(shí)，照明仍然常亮，設(shè)備區(qū)的長(zhǎng)明燈一年耗費(fèi)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(fèi)和不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(wàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)智能化控制，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的控制系統(tǒng)能夠通過(guò)什么樣的方式研制出來(lái)是擺在我們面前的一道迫切需要解決的難題。本文通過(guò)單片機(jī)的數(shù)據(jù)控制功能采用紅外熱電傳感器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)判斷一定區(qū)域內(nèi)的人員數(shù)量，從而自動(dòng)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(guò)單片機(jī)對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)的收集、判斷與控制實(shí)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(shí)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(huì)效益，同時(shí)也對(duì)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(shí)現(xiàn)滿足一定區(qū)域內(nèi)人員的光照照度需求，節(jié)約無(wú)效損耗的能源，從而實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約，節(jié)能控制系統(tǒng)通過(guò)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(cè)自然光照達(dá)到預(yù)定的某一數(shù)值時(shí)，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(wú)需啟動(dòng)照明設(shè)備。當(dāng)光敏元件檢測(cè)到自然光照地域設(shè)定的數(shù)值時(shí)，表明自然光照不充足，需要補(bǔ)充照明，此時(shí)，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(hào)，相應(yīng)區(qū)域的照明設(shè)備被聯(lián)通并啟動(dòng)。在人離開后，人體感應(yīng)裝置或熱釋電傳感器在一定時(shí)間段內(nèi)收集不到人體感應(yīng)信號(hào)，則認(rèn)為區(qū)域內(nèi)沒(méi)有人員存在，無(wú)需光照，則照明設(shè)備中斷并關(guān)閉。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熱釋電傳感器在檢測(cè)人體信號(hào)時(shí)通常對(duì)運(yùn)動(dòng)的人體信號(hào)檢測(cè)精度較高，而對(duì)靜止的人體信號(hào)傳感器檢測(cè)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(shí)傳感器給照明設(shè)備發(fā)送錯(cuò)誤的信號(hào)，導(dǎo)致照明關(guān)閉，在設(shè)計(jì)節(jié)能控制系統(tǒng)時(shí)加入了紅外對(duì)射計(jì)數(shù)裝置檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的人體數(shù)量，通過(guò)人數(shù)判斷區(qū)域內(nèi)的人是否確實(shí)離開。通過(guò)雙重的檢測(cè)方式大大提高了人體檢測(cè)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(guò)單片機(jī)的內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)照明燈管系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化智能控制和調(diào)節(jié)。從整個(gè)系統(tǒng)的功能效果來(lái)看，其系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)主要是區(qū)域內(nèi)人體存在信號(hào)、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(cè)到有人存在時(shí)，結(jié)合環(huán)境溫濕度、環(huán)境光照等外部因素，動(dòng)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(shí)，就會(huì)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(shí)，在內(nèi)部計(jì)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(yùn)行效果。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)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(fèi)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(shí)輔助以人體感應(yīng)裝置或熱釋電傳感器、紅外對(duì)射計(jì)數(shù)裝置、光敏元件檢測(cè)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(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸和控制器的分析處理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制系統(tǒng)對(duì)局域內(nèi)照明系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化節(jié)能控制。

3 節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)采用熱釋電傳感器作為光照檢測(cè)和熱釋電信號(hào)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(hào)綜合處理芯片。所用熱釋電傳感器模塊在加上veneer 透鏡時(shí)感應(yīng)距離可達(dá)到7 m,感應(yīng)角度可達(dá)到110°。因?yàn)闊後岆妭鞲衅鬏敵龅男盘?hào)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(dòng)照明系統(tǒng)，所以其輸出信號(hào)必須經(jīng)過(guò)1 個(gè)信號(hào)處理電路，使得輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變成適合單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)。BISS0001 作為綜合處理芯片，具有高性能的信號(hào)處理能力和高度集成的芯片，內(nèi)含運(yùn)算放大器、定時(shí)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(dòng)式熱釋電紅外延時(shí)開關(guān)。

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

當(dāng)某一個(gè)熱釋電傳感器的檢測(cè)位置沒(méi)有人體感應(yīng)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)并不能確定該處是否有人員存在，這時(shí)需要紅外對(duì)射管計(jì)數(shù)裝置對(duì)此處人員進(jìn)行二次確認(rèn)。如果紅外對(duì)射管計(jì)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(shí)才可返回主程序繼續(xù)監(jiān)測(cè)[3].當(dāng)主程序檢測(cè)到人數(shù)增加時(shí)，延時(shí)20 s 后，熱釋電傳感器檢測(cè)人員位置，然后給照明設(shè)備開啟改位置照明的信號(hào)，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(yǔ)

照明節(jié)能控制系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)和熱釋電傳感器、紅外對(duì)射計(jì)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(shí)現(xiàn)智能控制照明系統(tǒng)，極大限度地節(jié)約了能源，實(shí)現(xiàn)了智能化節(jié)能控制。實(shí)踐證明，本控制系統(tǒng)有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。