一種基於人體感應的公共教室智能照明控制系統的製作方法
2023-10-28 23:25:12
本實用新型涉及電子技術領域，一種基於人體感應的公共教室智能照明控制系統。
背景技術：
隨著社會經濟和科學技術的發展，人們的生活水平也不斷提高，導致用電負荷的加劇，又由於世界性的能源危機，能源缺乏已成為世界所面臨的嚴峻問題。而此問題對我國來說尤為重要。在全球能源日益緊張的大背景下，節能減排已經成為當今世界的主題。其中照明用電佔人類消耗總能源的很大一部分，特別是教育事業用電甚為厲害。隨著各類大、中專院校的擴招，教室的擴建，教室照明的需求也越來越多，而教室照明的管理不到位，往往造成電能的巨大浪費，這樣，提高教室用電效率就成為首要考慮的問題。
目前國內各類院校中，由於同學們的自覺節能意識薄弱，在光線足夠量時也開燈，課上完離開教室後燈還亮著的現象普遍存在；而且，節能規劃極為欠缺，教室的燈光控制由管理人員手工代替，教室極多，管理人員忙不過來，這樣就造成不必要的電能浪費和經濟損失。每所院校不斷的擴招，教室不斷的擴建，若再沒有改進教室的用電管理設備，那麼用電負荷可想而知，浪費的電能就更加驚人了。基於以上問題，提高教室用電效率就成為學校節能的重要且主要的措施之一。
為了解決教室沒人或是光線夠亮或是過了夜間十二點之後教室燈光依然亮著的照明問題，人們想出了很多方法。目前人們一般的做法就是在燈的開關那裡貼上一種小紙條，提示大家及時關燈節約電能，這種方法針對節約電能意識強的學生還是能起到一定作用，但是總體來說受人為因素控制，不確定因素太大。與此同時，學校會加大樓層工作人員巡視力度，這種做法只會增加學校開支預算，不能從根本上解決節能問題。另外，現在大部分學校都換上節能燈，雖然在同等時間內能夠節省一部分電能，但是如果學生無節制不關燈，會大大降低燈管的使用壽命。因此，自動化程度不斷提高，計算機技術的普及，燈光的管理也在朝著自動化、智能化方向發展。開發簡便、實用的教室燈光自動控制系統具有重要的現實意義。
技術實現要素：
本實用新型所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種基於人體感應的公共教室智能照明控制系統，通過人體存在和自然光的檢測，實現自動與手動控制相兼容。在自然環境光較強光線足夠時，無論人是否存在，都不開燈；在自然環境光較弱時，有人存在且超過一定時間，自動打開電燈；同時，還要按作息時間來控制，夜晚超過十二點，若還有人存在，則關閉控制系統運行，改用遙控或機械開關手動控制，實現對照明系統的人性化智能管理，提高用電效率，降低成本。
為了實現上述目的，本實用新型的技術方案是：一種基於人體感應的公共教室智能照明控制系統，包括人體檢測模塊、環境光檢測模塊、超時報警模塊、遙控模塊、控制模塊、開關控制模塊，所述人體檢測模塊、環境光檢測模塊、遙控模塊以及超時報警模塊與控制模塊的輸入端相連接，控制模塊的輸出端和開關控制模塊相連接；所述人體檢測模塊採用熱釋紅外人體存在傳感器進行檢測；所述環境光檢測模塊採用光電傳感器進行檢測；
所述控制模塊包括主控晶片、數碼管以及報警器，數碼管以及報警器與控制晶片的輸出端連接；
所述控制晶片為單片機系統或嵌入式系統或DSP系統；
所述單片機的型號為AT89S52；
所述開關控制模塊包括繼電器和繼電器驅動器，繼電器驅動器連接控制器模塊，然後繼電器驅動器連接繼電器；
所述人體檢測模塊安裝位置距離地面2.0~2.2米；且遠離空調，冰箱，火爐等空氣溫度敏感的地方；不能直對窗口；
所述熱釋電人體存在傳感器的型號為HP-208；
所述環境光檢測模塊安裝在教室內避開電燈直射的位置，具體位置視電燈位置而定；
所述光電傳感器的型號為HD200CM；
所述超時報警模塊安裝在教室房頂的中間位置；
所述遙控模塊採用微機一體化紅外接收頭，其紅外接收頭集紅外線接收和放大於一體；
採用上述結構，本實用新型提供通過人體存在和自然光的檢測，實現自動與手動控制相兼容。在自然環境光較強光線足夠時，無論人是否存在，都不開燈；在自然環境光較弱時，有人存在且超過一定時間，自動打開電燈；同時，還要按作息時間來控制，夜晚超過十二點，若還有人存在，則關閉控制系統運行，改用遙控或機械開關手動控制，實現對照明系統的人性化智能管理，提高用電效率，降低成本。
附圖說明
下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明：
圖1為本實用新型的系統框圖；
圖2為本實用新型供電電路圖；
圖3為本實用新型環境光採集電路圖；
圖4為本實用新型人體存在信號採集電路圖；
圖5為本實用新型DS1302與單片機接口電路連接原理圖；
圖6為本實用新型X5045的硬體連接電路圖；
圖7為本實用新型繼電器驅動接口電路圖；
圖8為本實用新型遙控信號的接收模塊與單片機連接電路圖；
圖9為本實用新型超時報警電路圖；
圖10為本實用新型系統監控主程序流程圖。
具體實施方式
如圖1所示，一種基於人體感應的公共教室智能照明控制系統，包括人體檢測模塊、環境光檢測模塊、超時報警模塊、遙控模塊、控制模塊、開關控制模塊，所述人體檢測模塊、環境光檢測模塊、遙控模塊以及超時報警模塊與控制模塊的輸入端相連接，控制模塊的輸出端和開關控制模塊相連接；所述人體檢測模塊採用熱釋紅外人體存在傳感器進行檢測；所述環境光檢測模塊採用光電傳感器進行檢測；
所述控制模塊包括主控晶片、數碼管以及報警器，數碼管以及報警器與控制晶片的輸出端連接；
所述控制晶片為單片機系統或嵌入式系統或DSP系統；
所述單片機的型號為AT89S52；
所述開關控制模塊包括繼電器和繼電器驅動器，繼電器驅動器連接控制器模塊，然後繼電器驅動器連接繼電器；
所述人體檢測模塊安裝位置距離地面2.0~2.2米；且遠離空調，冰箱，火爐等空氣溫度敏感的地方；不能直對窗口；
所述熱釋電人體存在傳感器的型號為HP-208；
所述環境光檢測模塊安裝在教室內避開電燈直射的位置，具體位置視電燈位置而定；
所述光電傳感器的型號為HD200CM；
所述超時報警模塊安裝在教室房頂的中間位置；
所述遙控模塊採用微機一體化紅外接收頭，其紅外接收頭集紅外線接收和放大於一體；
採用上述結構，本實用新型提供通過人體存在和自然光的檢測，實現自動與手動控制相兼容。在自然環境光較強光線足夠時，無論人是否存在，都不開燈；在自然環境光較弱時，有人存在且超過一定時間，自動打開電燈；同時，還要按作息時間來控制，夜晚超過十二點，若還有人存在，則關閉控制系統運行，改用遙控或機械開關手動控制，實現對照明系統的人性化智能管理，提高用電效率，降低成本。
如圖2所示，為本實用新型供電電路圖，主要功能是用於給控制系統中單片機系統及其外圍電路的Vcc+端供電。系統採用輸出電壓為9V的變壓器最終得到+5V電壓。系統接通220V交流電源後，將220V交流電變壓到9V，經過二極體全波整流、電解電容C1、C2濾波，再經一隻正輸出穩壓器LM7805，為了緩衝負載突變，改善瞬態響應，輸出端還採用了電容C3、C4，最後得到+5V的直流工作電源，用於給控制系統中單片機系統及其它外圍電路的Vcc+端供電。在硬體時鐘模塊中，為了在斷電後硬體時鐘能夠正常運行，故採用主從雙電源供電方式。硬體時鐘一般在系統的+5V主電源情況下工作，而只有系統+5V主電源消失的情況下，為確保硬體時鐘正常運行，設計一個3.6V的可充電鋰電池作為備用電源。
如圖3所示，為本實用新型環境光採集電路圖，主要功能對教室內的環境光進行採集。當自然光大於一定程度時，光敏三極體D6呈現底阻狀態≤1千歐姆，三極體Q12的基極電壓升高，Q12管飽和導通，集電極輸出低電平。當自然光強小於一定程度時，光敏三極體D6呈現高阻狀態≥100千歐姆，使三極體Q12截止，集電極輸出高電平。其中可變電阻R26可調節，調節R26阻值的大小，使Q12三極體受環境光影響在適當的亮度下導通。
如圖4所示，為本實用新型人體存在信號採集電路圖，主要功能對教室內的是否有人進行檢測。在電路設計中，人體傳感器的1號引腳為電源信號端，3號引腳為地信號端，2號引腳為採集信號輸出端。為了使人體傳感器的工作更加可靠，介於人體傳感器的信號引腳2與地信號引腳3之間加一個6800pf電容，另外人體存在傳感器的信號引腳2與單片機的P3.3引腳相連，P3.3引腳再接一個100千歐姆的上拉電阻，增加人體存在傳感器輸出信號的可靠性。
如圖5所示，為本實用新型DS1302與單片機接口電路連接原理圖。在本系統中，根據教室燈光使用特性，還應受到時間的控制，控制系統的時間應符合學校的作息時間。比如晚間休息、假期等時間段應該關掉教室燈光控制系統，以節約能源。考慮到本系統停電時只需對時鐘電路提供電源且不需要佔用太多單片機資源。其中Vcc2外接3.6V可充電鋰電池，為DS1302的備用電源。Vcc1外接系統供電模塊的輸出穩定電壓+5V，為DS1302的主電源。DS1302由Vcc1和Vcc2兩者中較大者供電。系統正常運行時，Vcc1大於Vcc2，因此由Vcc1給DS1302供電，在主電源關閉的情況下，則有Vcc2給DS1302供電，保持時鐘的連續運行。X1和X2是振蕩源，外接32.768KHZ晶振。RST是復位/片選線，通過把RST輸入驅動置高電平來啟動所有的數據傳送，與單片機的復位信號相連。時鐘輸入端SCLK接單片機P1.5引腳，進行時鐘控制。數據輸入/輸出端I/O接單片機P1.6引腳，進行數據傳輸。
如圖6所示，為本實用新型X5045的硬體連接電路圖。在單片機工作過程中，不可避免的會由於外界的幹擾而產生程序跑飛、死機甚至造成整機癱瘓等情況，為了能夠恢復單片機的工作，只能採用重新復位的方法。雖然在程序設計中，可以使用軟體陷阱的方法來減少這種情況的發生，但是不能完全解決這個問題，因此本發明在硬體設計中使用看門狗電路，這樣在單片機發生死機的情況下，看門狗將產生一個復位信號給單片機，使單片機復位，重新執行程序。本發明需要看門狗和EEPROM，所以本系統採用美國Xicor公司生產的晶片X5045。系統數據存儲及故障保護部分由X5045組成，X5045是一種串行通信的512位元組EEPROM，同時兼有看門狗和電源監控功能，X5045有三種可編程看門狗周期，上電和VCC低於檢測門限時，輸出復位信號，X5045輸出復位高電平有效，為了復位更加可靠，其復位輸出端外接一個10K的上拉電阻，並與AT89C52的復位端相連。看門狗能在電源上電、掉電期間產生一個復位信號。該晶片還帶有一個1.4S的看門狗定時器可監控單片機的工作。如果在1.4S內未檢測到其工作，出現故障，內部定時器將使看門狗WDI處於低電平狀態，為系統提供保護，避免死機、程序跑飛或進入死循環等意外的發生。
如圖7所示，為本實用新型繼電器驅動接口電路圖。在本實用新型中，繼電器由相應的PNP型號的S9012三極體來驅動，開機時，單片機初始化後的P3.5/P3.6為高電平，三極體截止，所以開機後繼電器始終處於釋放狀態，如果P3.5/P3.6為低電平，三極體的基極就會被拉低而產生足夠的基極電流，使三極體導通，繼電器就會得電吸合，從而驅動負載，點亮相應電燈。繼電器的輸出端並聯100歐的電阻和6800pf電容，目的是避免繼電器吸合與釋放期間產生火花。每個繼電器都有一對常開常閉的觸點，便於在其他電路中使用，繼電器線圈兩端反相併聯的二極體是起到吸合反向電動勢的功能，保護相應的驅動三極體，這種繼電器驅動方式硬體結構比較簡單。
如圖8所示，為本實用新型遙控信號的接收模塊與單片機連接電路圖。本實用新型中採用由固韋電子實業股份有限公司生產的GDS-815系列的數字儲存示波器，來採集遙控器發出的鍵碼信號並總結碼流方式，以備遙控器的軟體設計使用。本系統採用微機一體化紅外接收頭，適合各種紅外線遙控和紅外線數據傳輸的紅外接收器，其紅外接收器是一種集紅外線接收和放大於一體，不需要任何外接元件，只是焊上一個10uf的濾波電容，可以使接收器工作更可靠。遙控信號的接收模塊與單片機的連接圖如圖8所示，ceiptl有三個引腳，為接收器的引腳。接收器輸出端外接單片機的P3.2埠，便於遙控信號採集。
如圖9所示，為本實用新型超時報警電路圖。本實用新型中，在教室裡在教室裡，若採用手動方式控制時，一方面由於學生及管理人員的疏忽，教室裡沒有人而燈還亮著，導致教室燈工作超時，能源浪費，於是本系統採用超時報警電路，以聲音的方式來提醒管理人員是否關閉電源。另一方面由於學生學習緊張，在夜裡忘了時間點，學習期間開燈時間過程，致使教室燈工作超時，於是本系統超時報警電路就會發出聲音，提醒學生應該休息或必需改用遙控器手動方式來控制燈了，這樣就還可以更好地保護公共設施。單片機的P3.4埠外接一個10K的上拉電阻，再經過限流電阻100歐姆與三極體C945的基極相連。當P3.4埠為低電平，即基極為低電平時，三極體導通，驅動蜂鳴器發出聲音，以示教室工作超時。若P3.4埠為高電平，即基極為高電平時，三極體截止，蜂蜜器不工作，教室燈工作正常。本系統採用超時報警電路方便了管理人員對教室的管理，能夠更好地、及時地管理教室。
如圖10所示，為本實用新型監控主程序流程圖，監控主程序是整個系統的核心部分。本系統監控主程序模塊主要包括對系統外圍器件輸入、輸出參數的初始化自檢，看門狗的激活，多任務操作模塊的調用（系統中的信號採集電路、時鐘管理、遙控器發射接收處理、驅動顯示模塊），實時中斷處理等。除初始化和自檢外，監控主程序一般總是把其餘部分連接起來構成一個無線循環，系統所有功能都在這一循環中周而復始的有選擇的執行。